摘 要：魚道結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同的紊流特性，這種現(xiàn)象對(duì)于魚類能否順利上溯洄游至關(guān)重要。為了進(jìn)一步了解魚道內(nèi)的紊流特性，本文主要闡述了幾種不同的魚道結(jié)構(gòu)，通過紊流流速、紊流強(qiáng)度、雷諾剪切應(yīng)力、紊動(dòng)能等特性進(jìn)行展開分析，使魚道的過魚效果達(dá)到最佳。

關(guān)鍵詞：魚道;紊流特性;丹尼爾式;豎縫式

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對(duì)于水資源的需求越來越大，各種各樣的水工建筑物出現(xiàn)在江河湖泊上。這些建筑物給社會(huì)帶來效益的同時(shí)，也導(dǎo)致了魚類棲息地問題嚴(yán)重加劇，生物多樣性降低明顯。因此我們?cè)谛藿ㄋO(shè)施時(shí)，要合理利用資源，充分考慮到維持水生態(tài)的平衡問題。魚道是一種保護(hù)水生物種資源的工程措施，能明顯改善河流的連續(xù)性和保護(hù)物種的多樣性[1]，在閘壩的下游，魚類常依靠水流的吸引進(jìn)入魚道，魚類在魚道中靠自身力量克服流速溯游至上游。

1 紊流特性

常見的紊流特性包括流速、紊流強(qiáng)度、紊動(dòng)能、雷諾切應(yīng)力等。將水流的瞬時(shí)流速看成兩個(gè)部分組成，即時(shí)均值和脈動(dòng)值：

再把紊流的運(yùn)動(dòng)要素進(jìn)行時(shí)間平均后，紊流運(yùn)動(dòng)就簡化為沒有脈動(dòng)的時(shí)均流動(dòng)，這樣就可以對(duì)時(shí)均流動(dòng)與脈動(dòng)分別加以研究。對(duì)于脈動(dòng)量，常用它的均方根值作為它的統(tǒng)計(jì)特征值，若為各向同性紊流：

為y方向紊流的脈動(dòng)值;為z方向紊流的脈動(dòng)值。

用單位質(zhì)量流體的紊動(dòng)平均動(dòng)能來表示紊動(dòng)能的大?。?/p>

常用紊流強(qiáng)度N來表示紊流的程度：

對(duì)方程進(jìn)行時(shí)間平均后，得到紊流時(shí)均運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程即雷諾方程。

近些年很多學(xué)者通過試驗(yàn)研究分析，得到魚道中的紊流特性和魚類的生活習(xí)性有著密切關(guān)系。Lacey等[2]研究發(fā)現(xiàn)，魚道中的魚類的上溯洄游能力和紊流強(qiáng)度有關(guān)。Crowder等[3]在文章中指出紊流特性中的紊動(dòng)能對(duì)魚類的影響很大。Pavolov等[4]研究發(fā)現(xiàn)，紊流強(qiáng)度的變化對(duì)魚類游泳速度以及能力有著明顯的影響。同時(shí)Smith等[5]認(rèn)為紊流可能是魚類游泳路徑影響最大的因素。

2 傳統(tǒng)式魚道

2.1 丹尼爾式魚道

丹尼爾式魚道是最早出現(xiàn)的魚道形式，早期有學(xué)者對(duì)其流量、水深及流速分布進(jìn)行了研究。它由比利時(shí)的丹尼爾在槽式魚道的槽壁槽底設(shè)置相距很密的阻板和底坎，來消能減速，故稱為丹尼爾式魚道。其中佟雪豐和李衛(wèi)明等[6]發(fā)表的文章中提到通過相似比為1：1的魚槽模型進(jìn)行試驗(yàn)，分析了其紊流特性，結(jié)果如下：1）池室中出現(xiàn)主流區(qū)和回流區(qū)兩個(gè)區(qū)域。2）在不同的水深斷面，u、v、w各向紊動(dòng)強(qiáng)度沿水深逐漸減小，且u、w方向紊動(dòng)強(qiáng)度遞減趨勢(shì)明顯高于v方向。3）在不同水深斷面，雷諾切應(yīng)力隨水深的增加而不斷減小。

丹尼爾式魚道在其底板附近處的流速較小，這個(gè)環(huán)境下有利于游泳能力弱的魚類進(jìn)行洄游，同時(shí)游泳能力強(qiáng)的魚類可以在接近表面處洄游，它們具有了不同的洄游區(qū)域。但由于魚道內(nèi)的流速會(huì)隨水深增加而增大，因此限制了魚道的高度。

2.2 豎縫式魚道

豎縫式魚道是用平板在魚道槽中形成從上到下的一條豎縫，水流從豎縫中下泄，根據(jù)豎縫的布置分為單縫和雙縫兩種。由于豎縫式魚道消能效果比較好，能夠適應(yīng)較大的水位變化，同時(shí)適應(yīng)棲息于表層和底層的魚類洄游要求，因此被廣泛應(yīng)用。最早的豎縫式魚道是1943年在加拿大英屬哥倫比亞菲沙河的赫爾斯門魚道中首先應(yīng)用的[7]。早在以前Sanagiotto等[8]通過模型試驗(yàn)，對(duì)紊流特性進(jìn)行研究分析，認(rèn)為一個(gè)適合魚類生物的流態(tài)紊動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)是可能存在的。近幾年國內(nèi)，陸續(xù)出現(xiàn)了關(guān)于豎縫式魚道的研究成果，曹慶磊等[9]利用三維數(shù)值模擬方法豎縫式魚道內(nèi)的流場(chǎng)、雷諾剪切應(yīng)力等紊流特性進(jìn)行研究，并且通過試驗(yàn)驗(yàn)證了標(biāo)準(zhǔn)和雷諾切應(yīng)力方程2種紊流模型的結(jié)果。研究結(jié)果表明：池室中的流速、紊動(dòng)能以及雷諾剪切應(yīng)力在豎縫出口處較大，在回流區(qū)較小，魚類洄游時(shí)在上層受到流速的影響要稍大于下層，而所受紊動(dòng)能與雷諾切應(yīng)力的影響則與之相反。

綜上可以看出，國內(nèi)外對(duì)于豎縫式魚道紊流特性的研究方法主要還是通過物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法。它們的研究內(nèi)容主要為紊流流速、紊流強(qiáng)度及紊動(dòng)能的分布規(guī)律，結(jié)果表明：同側(cè)豎縫式魚道內(nèi)主流速先增大后減小，而異側(cè)豎縫式魚道則與之相反;在豎縫處和出口處區(qū)域內(nèi)的紊流強(qiáng)度較大，但是位于入口處的紊動(dòng)能卻較大，這些結(jié)果都會(huì)對(duì)魚類的通過產(chǎn)生較大的影響，所以，合理的改善相應(yīng)地方的設(shè)計(jì)尺寸和結(jié)構(gòu)形式，過魚效果肯定會(huì)得到一定的提高。

3 結(jié)語

魚道是水利工程建設(shè)中的重要組成部分，它是魚類上溯洄游的重要保障，同時(shí)對(duì)于水生態(tài)環(huán)境的保護(hù)起著重要作用。魚道水利設(shè)計(jì)的結(jié)果就直接影響著魚類能否順利通過大壩。目前國內(nèi)外對(duì)魚道紊流特性的研究主要是采用數(shù)值模擬作為物理模型試驗(yàn)的手段，通過調(diào)節(jié)各種邊界條件來進(jìn)行分析，已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展?，F(xiàn)在陸續(xù)出現(xiàn)了各式各樣的魚道，未來的方向注重是生態(tài)環(huán)保方向，今后的重心依舊是研究魚道內(nèi)的紊流特性，另外不同形式魚道內(nèi)水力條件對(duì)魚類通行的影響及改善措施亦將成為未來研究熱點(diǎn)之一。

參考文獻(xiàn)

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[9]曹慶磊，楊文俊，陳輝.同側(cè)豎縫式魚道水力特性的數(shù)值模擬[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2010，27（7）：26-30.

作者簡介

劉?。?994-），男，漢族，安徽池州市人，碩士研究生，重慶交通大學(xué)，研究方向：生態(tài)水工結(jié)構(gòu)。