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[摘 要]根据某水电站的实际情况，结合该河段典型鱼类的游泳能力，初步设计出三种鱼道方案，并基于流体计算的数值模拟技术，分别对鱼道内流态和紊动能的结果进行分析。经计算表明：三种类型鱼道内主流上的流速均接近主要洄游鱼类的临界游泳速度，但鱼道内水流流速和紊动不均匀，会给鱼类在上溯的过程中带来一定的困难。
[关键词]鱼类洄游 鱼道设计 坚缝式鱼道 数值模拟
中图分类号：D121 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）13-0274-02
1.我国鱼道的研究现状
在水电工程设计和施工时，为减少大坝截流对洄游鱼类种群繁衍的影响，需要考虑为特有鱼类的洄游需求而设置专门的鱼道。
我国对过鱼设施的研究时间并不长，最早是在1958 年规划开发富春江七里垄水电站时，首次提及鱼道，并进行了生态环境调查和水工模型科学试验。2000年以后，我国又修建了一些生态鱼道，北京上庄新闸生态鱼道，湖北襄阳崔家营生态鱼道等。据不完全统计，目前我国在各类水利工程中已建鱼道40座以上。从资料分析来看，国内的鱼道大部分运行不理想。
总体来说我国的鱼道研究工作起步较晚、发展较慢，许多鱼道在设计、施工和运行管理上存在诸多问题。首先是因为我国还没有相对完备的设计规范，国内的鱼道设计一般还是借鉴国外的经验公式；其次，对工程河段鱼类的生物学特性、生态学习性、游泳能力等基础研究工作较薄弱；最后，在鱼道建成后的运行维护、管理等方面不到位。如洋塘鱼道，建成运行几年后，由于受洪水影响和设备老化等原因，从1987 年至今一直停止运行。
2.鱼道初步设计
雅鲁藏布江是西藏最大的河流，又是世界上海拔高程最高的大河，某水电站为该河流干流开发的第一座电站，为了更好的保护好该河流水生生态环境的完整性，减小修建大坝对鱼类种群遗传交流的影响，某水电站采取适当过鱼措施是非常必要的。
2.1 鱼道类型的确定
某水电站工程影响河段分布的鱼类与整个雅鲁藏布江中游分布的鱼类相似，主要是以裂腹鱼为主，包括异齿裂腹鱼、拉萨裂腹鱼、巨须裂腹鱼等。依据雅鲁藏布江中游河段各种鱼类的习性及对流速的要求，分析的各式鱼道的特点及优缺点，本工程采用垂直竖缝式鱼道。
竖缝式鱼道是池式鱼道中一种应用比较广泛、过鱼效率较高的布置形式。最早的竖缝式鱼道是位于加拿大弗雷塞 （ Fraser）河上的鬼门峡（Hells 'Gate）。其良好的过鱼效果得到了国内外大量工程的实践验证，成为目前世界上比较流行的鱼道布置方式之一。我国近期建设的鱼道工程大都采用了竖缝式鱼道，如北京的上庄鱼道、老龙口水利枢纽、三湾水利枢纽和长洲鱼道也都采用竖缝式鱼道设计。由于垂直竖缝式鱼道沿竖缝上下的流速基本相同，上层流速相对低一些，适合个体居小的鱼类通过，而其底层流速适中，适合大多数鱼类的通过，更有利于不同鱼类选择不同的水层溯游。另外，还能够防止鱼道内的泥沙淤积。垂直竖缝式鱼道的最大优点是适用上下游水位的变幅大的枢纽，符合西藏某水电站的要求。
2.2 鱼道设计方案
2.2.1鱼道主要参数的确定
目前我国还没有鱼道设计的相对完善设计规范，根据某水电站的实际情况，参考国内外现有鱼道的设计经验及相关设计手册，对鱼道进行了有关设计和计算。各主要设计参数确定如下：
（1）鱼道净宽：2.4m
（2） 鱼道净深：3.2m
（3）池室的长度：3m
（4）鱼道的坡比：i=0.02
（5）鱼道垂直竖缝的宽度：0.3m
（6）鱼道设计水深： 鱼道运行水位1.0m～2.7m
（7）鱼道的梯级数：1388级
（8）鱼道的长度：4164m
。
（9）鱼道垂直竖缝处的最大流速：1.1m/s
2.2.2鱼道的位置
鱼道的选址一般应选在常年有水下泄的地方，并且保证进鱼口处有（1～1.5）m 的水深[13]。某水电站鱼道选址在雅鲁藏布江右岸，鱼道建筑物主要由鱼道进口、明渠段、鱼道出口等组成，鱼道进口布置在厂房下游。
3.数值模拟
在FLOW-3D软件的基础上，采用纳维-斯托克斯方程组，选用RNG湍流模型，对竖缝式鱼道池室内的水流进行三维数值模拟分析研究。
3.1 计算模型
本数学模型计算区域选取鱼道直段的一部分，含10级过鱼池和1级休息池，间隔10级过鱼池设有1级休息池。为了大量减少网格数量，用有限差分法控制体积，采用六面体网格，总网格单元数为1，350，720个，网格单元x、y、z尺寸比例为x：y=x：z=y：z=1，网格单元平均长、宽、高均为6cm。
在模型的边界条件中，进口断面采用恒定流速v=0.1 m/s，出口采用自由出流。初始条件控制净水深为2m，边墙和底部设置为固壁边界，模型粗糙度设置为0.8mm。模型上表面部分与进出口上部都与空气衔接，初始空气边界设置为0。
3.2 模拟结果与分析
在模型中，本文按从上游到下游的顺序，选取一个休息池和一个过鱼池进行分析。以顺水流方向为X轴正向，鱼道宽度方向为Y轴，面向水流方向，以右侧为Y轴正向，竖直向上为Z轴正向。取截面z=1.2m时进行分析，大约是鱼道设计水深的中间位置，如表1所示。
3.2.1流态分析
1）异侧竖缝式鱼道
如表2所示，该过鱼池水流从上游隔板竖缝处流入，主流顺着左侧墙壁沿着下一个隔板边壁流向下一个竖缝处，而在过鱼池中间形成一个漩涡，顺时针方向流出。上游隔板水流的最大流速发生在竖缝处，最大流速为1.1m/s，与设计流速相符。下游隔板竖缝处的最大流速发生在与下一个过鱼池交接处，最大流速为0.95m/s。 2）同侧竖缝式鱼道
该过鱼池水流从上游隔板竖缝处流入，主流顺着较窄隔板竖缝的侧墙边壁流向下一个竖缝处，而在过鱼池中间形成一个大漩涡，顺时针方向流出。池室内的最大流速发生在竖缝处，最大流速为0.80m/s。池室内在靠近宽隔板的侧墙边壁流速较小，大小在-0.40～0.20m/s范围内。
3）两侧竖缝式鱼道
水流由上游隔板两竖缝处流入，沿着竖缝侧的墙壁，由下游隔板竖缝处流出，主流顺着竖缝近似直线流向下一个竖缝处。池室内的流速分布比较对称，池室内的最大流速发生在两侧竖缝处，值为0.50m/s。
3.2.2紊动能分析
紊动能作为衡量水流紊动状态的重要指标，是因紊动而引起的水流能量损失的主要体现[77]。水流中本身也存在各种不同程度的紊流，这样会对鱼类造成一定的的伤害。如果鱼类所经过池室内的水流紊动过大，也会使鱼类在上溯的路程中迷失方向。
1）异侧竖缝式鱼道
如表3所示，过鱼池的紊动能在竖缝入口和出口处的两侧达到了最大值0.005m2/s2，而紊动能沿着主流方向有逐渐减小的趋势，回流区的紊动能比较小，大约在0.0005m2/s2，在接近下一个竖缝时，紊动能逐渐变大。紊动能主要发生在靠近竖缝处侧墙边壁和隔板边壁处。
2）同侧竖缝式鱼道
目前，国内外对同侧竖缝式鱼道研究成果很少，特别是在数值模拟方面，2007年，Pena等用沿水深平均的混合长模型、-模型和代数应力模型对同侧竖缝式鱼道中的紊流场进行过研究。
过鱼池的紊动能在竖缝入口和出口处的两侧达到了最大值0.0050m2/s2，而紊动能沿着主流方向有逐渐减小的趋势，回流区的紊动能比较小，在接近下一个竖缝时，紊动能逐渐变大。
3）两侧竖缝式鱼道
过鱼池的紊动能在两竖缝入口和出口处达到了最大值0.0015m2/s2，而紊动能沿着主流方向有逐渐减小的趋势，回流区的紊动能都比较小。两侧竖缝式鱼道在池室内靠近竖缝口处出现两个差不多大小的紊动区域，紊动能主要发生在靠近竖缝处。
4.小结
本文针对西藏某水电站鱼道的初步方案进行相关参数的确定，设计出三种垂直竖缝式鱼道。三种类型鱼道内主流上的流速均接近主要洄游鱼类的临界游泳速度，且鱼道内水流紊动大，流速不均匀，给鱼类在上溯的过程中带来一定的困难。所以，在以后的研究中，有必要对其上面设计的结构进行优化提出了一种最优的新结构。
参考文献
[1] 南京水利科学研究所等. 鱼道[Z]. 北京：电力工业出版社， 1982.
[2] 华东水利学院主编.水工设计手册 泄水与过坝建筑物[Z]. 北京： 水利水电出版社， 1987.
[3] 王兴勇，郭军.国内外鱼道研究与建设[J].中国水利水电科学研究院学报.
[关键词]鱼类洄游 鱼道设计 坚缝式鱼道 数值模拟
中图分类号：D121 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）13-0274-02
1.我国鱼道的研究现状
在水电工程设计和施工时，为减少大坝截流对洄游鱼类种群繁衍的影响，需要考虑为特有鱼类的洄游需求而设置专门的鱼道。
我国对过鱼设施的研究时间并不长，最早是在1958 年规划开发富春江七里垄水电站时，首次提及鱼道，并进行了生态环境调查和水工模型科学试验。2000年以后，我国又修建了一些生态鱼道，北京上庄新闸生态鱼道，湖北襄阳崔家营生态鱼道等。据不完全统计，目前我国在各类水利工程中已建鱼道40座以上。从资料分析来看，国内的鱼道大部分运行不理想。
总体来说我国的鱼道研究工作起步较晚、发展较慢，许多鱼道在设计、施工和运行管理上存在诸多问题。首先是因为我国还没有相对完备的设计规范，国内的鱼道设计一般还是借鉴国外的经验公式；其次，对工程河段鱼类的生物学特性、生态学习性、游泳能力等基础研究工作较薄弱；最后，在鱼道建成后的运行维护、管理等方面不到位。如洋塘鱼道，建成运行几年后，由于受洪水影响和设备老化等原因，从1987 年至今一直停止运行。
2.鱼道初步设计
雅鲁藏布江是西藏最大的河流，又是世界上海拔高程最高的大河，某水电站为该河流干流开发的第一座电站，为了更好的保护好该河流水生生态环境的完整性，减小修建大坝对鱼类种群遗传交流的影响，某水电站采取适当过鱼措施是非常必要的。
2.1 鱼道类型的确定
某水电站工程影响河段分布的鱼类与整个雅鲁藏布江中游分布的鱼类相似，主要是以裂腹鱼为主，包括异齿裂腹鱼、拉萨裂腹鱼、巨须裂腹鱼等。依据雅鲁藏布江中游河段各种鱼类的习性及对流速的要求，分析的各式鱼道的特点及优缺点，本工程采用垂直竖缝式鱼道。
竖缝式鱼道是池式鱼道中一种应用比较广泛、过鱼效率较高的布置形式。最早的竖缝式鱼道是位于加拿大弗雷塞 （ Fraser）河上的鬼门峡（Hells 'Gate）。其良好的过鱼效果得到了国内外大量工程的实践验证，成为目前世界上比较流行的鱼道布置方式之一。我国近期建设的鱼道工程大都采用了竖缝式鱼道，如北京的上庄鱼道、老龙口水利枢纽、三湾水利枢纽和长洲鱼道也都采用竖缝式鱼道设计。由于垂直竖缝式鱼道沿竖缝上下的流速基本相同，上层流速相对低一些，适合个体居小的鱼类通过，而其底层流速适中，适合大多数鱼类的通过，更有利于不同鱼类选择不同的水层溯游。另外，还能够防止鱼道内的泥沙淤积。垂直竖缝式鱼道的最大优点是适用上下游水位的变幅大的枢纽，符合西藏某水电站的要求。
2.2 鱼道设计方案
2.2.1鱼道主要参数的确定
目前我国还没有鱼道设计的相对完善设计规范，根据某水电站的实际情况，参考国内外现有鱼道的设计经验及相关设计手册，对鱼道进行了有关设计和计算。各主要设计参数确定如下：
（1）鱼道净宽：2.4m
（2） 鱼道净深：3.2m
（3）池室的长度：3m
（4）鱼道的坡比：i=0.02
（5）鱼道垂直竖缝的宽度：0.3m
（6）鱼道设计水深： 鱼道运行水位1.0m～2.7m
（7）鱼道的梯级数：1388级
（8）鱼道的长度：4164m
。
（9）鱼道垂直竖缝处的最大流速：1.1m/s
2.2.2鱼道的位置
鱼道的选址一般应选在常年有水下泄的地方，并且保证进鱼口处有（1～1.5）m 的水深[13]。某水电站鱼道选址在雅鲁藏布江右岸，鱼道建筑物主要由鱼道进口、明渠段、鱼道出口等组成，鱼道进口布置在厂房下游。
3.数值模拟
在FLOW-3D软件的基础上，采用纳维-斯托克斯方程组，选用RNG湍流模型，对竖缝式鱼道池室内的水流进行三维数值模拟分析研究。
3.1 计算模型
本数学模型计算区域选取鱼道直段的一部分，含10级过鱼池和1级休息池，间隔10级过鱼池设有1级休息池。为了大量减少网格数量，用有限差分法控制体积，采用六面体网格，总网格单元数为1，350，720个，网格单元x、y、z尺寸比例为x：y=x：z=y：z=1，网格单元平均长、宽、高均为6cm。
在模型的边界条件中，进口断面采用恒定流速v=0.1 m/s，出口采用自由出流。初始条件控制净水深为2m，边墙和底部设置为固壁边界，模型粗糙度设置为0.8mm。模型上表面部分与进出口上部都与空气衔接，初始空气边界设置为0。
3.2 模拟结果与分析
在模型中，本文按从上游到下游的顺序，选取一个休息池和一个过鱼池进行分析。以顺水流方向为X轴正向，鱼道宽度方向为Y轴，面向水流方向，以右侧为Y轴正向，竖直向上为Z轴正向。取截面z=1.2m时进行分析，大约是鱼道设计水深的中间位置，如表1所示。
3.2.1流态分析
1）异侧竖缝式鱼道
如表2所示，该过鱼池水流从上游隔板竖缝处流入，主流顺着左侧墙壁沿着下一个隔板边壁流向下一个竖缝处，而在过鱼池中间形成一个漩涡，顺时针方向流出。上游隔板水流的最大流速发生在竖缝处，最大流速为1.1m/s，与设计流速相符。下游隔板竖缝处的最大流速发生在与下一个过鱼池交接处，最大流速为0.95m/s。 2）同侧竖缝式鱼道
该过鱼池水流从上游隔板竖缝处流入，主流顺着较窄隔板竖缝的侧墙边壁流向下一个竖缝处，而在过鱼池中间形成一个大漩涡，顺时针方向流出。池室内的最大流速发生在竖缝处，最大流速为0.80m/s。池室内在靠近宽隔板的侧墙边壁流速较小，大小在-0.40～0.20m/s范围内。
3）两侧竖缝式鱼道
水流由上游隔板两竖缝处流入，沿着竖缝侧的墙壁，由下游隔板竖缝处流出，主流顺着竖缝近似直线流向下一个竖缝处。池室内的流速分布比较对称，池室内的最大流速发生在两侧竖缝处，值为0.50m/s。
3.2.2紊动能分析
紊动能作为衡量水流紊动状态的重要指标，是因紊动而引起的水流能量损失的主要体现[77]。水流中本身也存在各种不同程度的紊流，这样会对鱼类造成一定的的伤害。如果鱼类所经过池室内的水流紊动过大，也会使鱼类在上溯的路程中迷失方向。
1）异侧竖缝式鱼道
如表3所示，过鱼池的紊动能在竖缝入口和出口处的两侧达到了最大值0.005m2/s2，而紊动能沿着主流方向有逐渐减小的趋势，回流区的紊动能比较小，大约在0.0005m2/s2，在接近下一个竖缝时，紊动能逐渐变大。紊动能主要发生在靠近竖缝处侧墙边壁和隔板边壁处。
2）同侧竖缝式鱼道
目前，国内外对同侧竖缝式鱼道研究成果很少，特别是在数值模拟方面，2007年，Pena等用沿水深平均的混合长模型、-模型和代数应力模型对同侧竖缝式鱼道中的紊流场进行过研究。
过鱼池的紊动能在竖缝入口和出口处的两侧达到了最大值0.0050m2/s2，而紊动能沿着主流方向有逐渐减小的趋势，回流区的紊动能比较小，在接近下一个竖缝时，紊动能逐渐变大。
3）两侧竖缝式鱼道
过鱼池的紊动能在两竖缝入口和出口处达到了最大值0.0015m2/s2，而紊动能沿着主流方向有逐渐减小的趋势，回流区的紊动能都比较小。两侧竖缝式鱼道在池室内靠近竖缝口处出现两个差不多大小的紊动区域，紊动能主要发生在靠近竖缝处。
4.小结
本文针对西藏某水电站鱼道的初步方案进行相关参数的确定，设计出三种垂直竖缝式鱼道。三种类型鱼道内主流上的流速均接近主要洄游鱼类的临界游泳速度，且鱼道内水流紊动大，流速不均匀，给鱼类在上溯的过程中带来一定的困难。所以，在以后的研究中，有必要对其上面设计的结构进行优化提出了一种最优的新结构。
参考文献
[1] 南京水利科学研究所等. 鱼道[Z]. 北京：电力工业出版社， 1982.
[2] 华东水利学院主编.水工设计手册 泄水与过坝建筑物[Z]. 北京： 水利水电出版社， 1987.
[3] 王兴勇，郭军.国内外鱼道研究与建设[J].中国水利水电科学研究院学报.