The Effect of Slot Width Narrowing on Hydraulic Characteristics of Vertical Slot Fishway in Single Tanks

Miao-ling HE, Guang-ning LI, Hai-tao LIU, Yan-cheng HAN, Shuang-ke SUN, Tie-gang ZHENG, Hao-nan ZHANG

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China Rural Water and Hydropower ›› 2022 ›› (1) : 190-195.

The Effect of Slot Width Narrowing on Hydraulic Characteristics of Vertical Slot Fishway in Single Tanks

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Abstract

In view of the adverse influence of fishway vertical slot size error on fish passing efficiency caused by construction technology and other reasons in practical engineering， the physical model tests of a vertical slot narrowing are carried out to study the induced changes of hydraulic characteristics of the fishway. The experimental results show that the water depth of the upstream side of the vertical slot increases and backwater curve is formed when a vertical slot is narrowed. The influence range can cover 5~15 ponds. The water depth of the downstream side of the vertical slot decreases sharply and then recovers quickly， covering only 1~2 ponds. When the slot width reduces by 40% （k=0.6）， the maximum rise of the upstream water surface line is 8 cm （in prototype）， so its impact on the actual project is limited. The flow velocity at the narrowed vertical slot increases significantly （k=1.0， v=1.1 m/s； k=0.6， v>1.6 m/s）， but the velocity of upstream adjacent vertical slot decreases slightly （<10%）， and the velocity of downstream adjacent vertical slot has no significant change. The velocity v of the narrowed slot increases in power exponent with the decrease in the narrowing coefficient k， it tends to form velocity barriers. Based on the burst velocity of the fish passing through， the narrow range of vertical slot of the fishway should be controlled within 16% and 29% respectively， for the fishway passing objects of the four major Chinese carps and plateau Schizothorax Species.

Key words

vertical slot fishway / slot width / narrowness coefficient / water level profiles / slot velocity

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Miao-ling HE , Guang-ning LI , Hai-tao LIU , Yan-cheng HAN , Shuang-ke SUN , Tie-gang ZHENG , Hao-nan ZHANG. The Effect of Slot Width Narrowing on Hydraulic Characteristics of Vertical Slot Fishway in Single Tanks. China Rural Water and Hydropower. 2022, 0(1): 190-195

0 引 言

随着我国环境友好型社会建设的蓬勃发展，水电开发中的生态环境保护日益受到重视［1-4］，基于保护生物多样性，降低河道挡水建筑物对水生生物基因交流的不利影响，建设沟通上下游水域的鱼道设施必不可少［5］。其中，竖缝式鱼道由于具有垂向流速分布相对均匀、对上下游水位变幅适应性强，洄游生物在不同水深均有上溯通道等优点［6］，在我国水利水电建设工程当中得到广泛应用，如枕头坝一级水电站鱼道［7］、旬阳水电站鱼道［8］、多布水电站鱼道［9］、长洲鱼道 ［10］等。鱼道竖缝宽度是影响其水力特性的重要因子，国内外众多学者针对竖缝宽度的取值方法开展研究。如Rajaratnam等人［11］通过物理模型方法，系统研究18种不同体型竖缝式鱼道池室内流态，推荐了一种消能效果较优的池室结构比例，池室长度（L）和宽度（B）分别为10倍与8倍的竖缝宽度（b），即b=L/10=B/8。Larinier等人［12］也推荐了相近的取值范围，认为池室长度L=（8~10）b，池室宽度B=（6~8）b，即b=L/8~L/10和b=B/6~B/8。徐体兵等［13］结合数值模拟与模型试验方法，系统研究了竖缝鱼道细部结构对流态分布的影响，推荐池室长宽比L/B=9∶8~10.5∶8，b=L/9~L/10.5。张国强［14］等采用数学模型研究了鱼道竖缝宽度变化对池室流态的影响，提出了竖缝宽度取值范围应为b=0.15B~0.2B。国内目前鱼道工程设计中，竖缝式鱼道设计宽度B通常在2~3 m，竖缝宽度b在30~40 cm，取值范围与上述研究成果基本一致。
上述研究中，通常设定鱼道内均处于等水深流态，且所有池室内竖缝宽度保持一致。然而，在实际运行过程中，鱼道内水面线受上下游水位影响，常出现两种典型分布曲线，一种是壅水曲线（M1），另一种是降水曲线（M2）［15］。若按鱼道池室水深平均值绘制水面线，当鱼道内水深沿程增加时为壅水曲线（M1），水深沿程降低时则为降水曲线（M2）［16-20］。李广宁［21］等通过模型试验对3个工程鱼道的水面线进行了研究，发现在同一鱼道内，一旦出现壅水曲线时则壅水点上游池室受影响数量较多，而当出现降水曲线时仅降水点邻近池室受影响。以此类推，当鱼道中某一竖缝宽度发生变化时，其上游也会出现壅水或降水曲线，此时鱼道竖缝处流速发生变化，会直接影响过鱼效率，鱼道内水面线的变化则决定了池室设计高度，从而影响鱼道工程整体造价。
在实际工程建设中，往往因施工工艺等原因造成鱼道个别竖缝尺寸与设计方案存在一定误差。由于鱼道竖缝宽度相对较小［22-26］，即使是小尺度的改变，也可能对鱼道沿程水面线与流场的连续性造成影响，进而影响整个鱼道的过鱼效果。该问题在鱼道工程设计与建设中已引起关注，但尚未开展相关的研究。为此，本文通过物理模型试验，研究鱼道内单个竖缝宽度束窄对鱼道水力特性的影响，并给出定量化建议，为今后类似工程设计与建设提供参考。

1 模型的设计与试验方法

鱼道池室体型参考长江上游汉江碾盘山鱼道，试验模型布置如图1（a）所示。鱼道模型为正态模型，根据重力相似准则设计，长度比尺为1∶5。试验模型包括蓄水池、循环管路、鱼道研究段三个部分，通过水泵形成自循环系统，使用电磁流量计监控流量，采用日本川铁ACM2/3-RS电磁流速仪量测竖缝流速。鱼道模型研究段长8.55 m，宽0.40 m，底坡2.76%，共19个池室，每个模型池室长0.45 m，边墙高0.70 m。试验中选择15号与16号池室间竖缝，开展束窄程度影响研究，模型中竖缝导板和隔板厚度均为0.04 m，高0.60 m，墩头采用折线型墩头，导向角为45°，具体结构如图1（b）、（c）所示。
Fig.1 Model layout and specific parameters

图1 模型布置和具体参数

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竖缝束窄前后的宽度变化可表示为：
 b'=kb  
式中： b'为束窄后竖缝宽度； b为竖缝设计宽度； k为束窄系数，为束窄后宽度与原宽度的比值。
试验工况包含1.48与0.74 m两种原型运行水深，按照原型竖缝设计流速1.1 m/s，在等水深条件下，原型上游流量分别为0.4与0.11 m3/s。在上述2种运行工况下，当某一竖缝发生束窄时，上下游水位与流场将发生改变，待其流态稳定后，量测束窄竖缝上下游池室内水深、上下游竖缝流速变化。每组工况下竖缝束窄系数指标变化详见表1。
Tab.1 Test conditions

表1 试验工况

鱼道原型运行水深/m 束窄系数k 束窄程度/% 束窄后竖缝原型宽度/cm
1.48 1.0 0 30
0.9 10 27
0.8 20 24
0.7 30 21
0.6 40 18
0.74 1.0 0 30
0.9 10 27
0.8 20 24
0.7 30 21
0.6 40 18

2 试验成果及分析

对鱼道沿程水深、流速变化规律和束窄竖缝处水深、流速变化规律分别进行了总结和分析，所列数据均已换算成原型值。

2.1 水深沿程变化规律

当试验竖缝束窄时，该竖缝上游侧池室内形成壅水曲线，下游侧池室内水深先骤然降低然后快速恢复，具体变化规律如图2~3所示。随着鱼道竖缝束窄程度增加，上游池室内水深变幅增大，上游侧影响范围也相应增大，受影响池室数量相应增加，下游侧池室水深变化不明显，受影响池室个数则相对较少。
Fig.2 When the operating water depth is 1.48 m， the water depth of the chamber is obtained

图2 运行水深为1.48 m时池室水深

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Fig.3 When the operating water depth is 0.74 m， the water depth of the chamber is obtained

图3 运行水深为0.74 m时池室水深

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鱼道运行水深为1.48 m，k=0.9时，束窄竖缝上游侧5个池室内水面线受到影响，水深最大增幅2 cm，束窄竖缝下游侧仅1个池室内水面线受影响，水深最大降幅1 cm。k=0.6时，束窄竖缝上游侧13个池室内水面线受到影响，水深最大增幅8 cm，束窄竖缝下游侧仅1个池室内水面线受影响，水深最大降幅1~2.5 cm。
鱼道运行水深为0.74 m，k=0.9时，束窄竖缝上游侧5个池室内水面线受到影响，水深最大增幅1.25 cm，束窄竖缝下游侧仅1个池室内水面线受影响，水深最大降幅小于1 cm。k=0.6时，束窄竖缝上游侧5~10个池室内水面线受到影响，水深最大增幅5.5 cm，束窄竖缝下游侧仅1个池室内水面线受影响，水深最大降幅为0.85cm，对下游池室水面基本无影响，为便于分析，上述试验数据列于表2。
Tab.2 Variation range and amplitude of fishway chamber water depth under narrow beam

表2 竖缝束窄情况下鱼道池室水深变化范围及幅度

鱼道原型运行流量/

（m³·s-1）

束窄系数

k

上游侧影响

池室/个

 上游侧原型水面壅高/cm 下游侧原型影响池室/个 下游侧原型水面降落/cm

出口水深/

m
0.4 1.0 - - - - 1.48
0.9 5 2.00 1 -1.0
0.8 13 4.00 1 -1.0
0.7 13 5.50 1 -2.0
0.6 13 8.00 1 -2.5
0.11 1.0 - - - - 0.74
0.9 5 1.25 0 -0.10
0.8 6 2.75 0 -0.13
0.7 8 3.75 0 -0.51
0.6 10 5.50 0 -0.85

2.2 流速沿程变化规律

当竖缝宽度束窄时，上下游竖缝流速与池室水深变化规律相反，具体趋势参见图4和图5。随着竖缝束窄程度的增加，竖缝流速明显增大，上游受影响池室数量相应增加，但下游侧池室流速受影响程度不大。
Fig.4 When the operating water depth is 1.48 m， vertical fracture hydraulic parameters

图4 运行水深1.48 m竖缝水力参数

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Fig.5 When the operating water depth is 0.74 m，vertical fracture hydraulic parameters

图5 运行水深0.74 m竖缝水力参数

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鱼道运行水深为1.48 m，k=0.9时，束窄竖缝上游邻近5个竖缝的流速减小，流速最大降幅为0.02 m/s；k=0.6时，束窄竖缝上游邻近13个竖缝的流速减小，流速最大降幅为0.05 m/s。鱼道运行水深为0.74 m，k=0.9时，束窄竖缝上游邻近5个竖缝的流速减小，流速最大降幅为0.01 m/s；k=0.6时，束窄竖缝上游邻近5~10个竖缝的流速减小，流速最大降幅为0.03 m/s，束窄竖缝下游侧流速基本不受影响。

2.3 束窄竖缝处水深、流速与束窄系数k的关系

竖缝式鱼道流量可表示为：
Q=μkbh2g∆h
式中： μ为流量系数； k为束窄系数； b为竖缝设计宽度，m； h为池室水深，m； ∆h为相邻池室水头差，m；g为重力加速度，取9.81 m/s2。
由上式可知，当鱼道运行流量、流量系数不变时，池室水深 h与相邻池室水头差 ∆h，随着束窄系数 k而变化，但两者具有不同的变化规律。
依据本文试验数据，得到竖缝45°折线形墩头体型条件下，上述变量间相互关系，见图6与图7。试验表明，当竖缝宽度束窄时，该池室水深 h随竖缝束窄系数 k的减小呈线性增加规律，相邻池室水头 ∆h随束窄系数 k的减小而呈幂指数增加规律。同时，试验发现束窄竖缝处流速随束窄系数 k的减小同样呈幂指数增加规律，具体指数关系式如图8所示。为便于分析，上述试验数据汇总于表3。
Fig.6 Relationship between the water depth of adjacent cells and the narrowness coefficient k

图6 相邻池室水深与竖缝束窄系数k的关系

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Fig.7 Relationship between vertical chamber water level difference and the narrowness coefficient k

图7 竖缝水位差与宽度束窄系数k的关系

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Fig.8 Relationship between the ratio v/v0（Velocity values before and after vertical slot narrowing） and the narrowness coefficient k

图8 竖缝流速束窄前后比值 v/v0与宽度束窄系数k的关系

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Tab.3 Test data of hydraulic characteristics of vertical joints and adjacent tanks

表3 试验竖缝及相邻池室水力特性试验数据

池室 束窄系数k 池室原型水深h/cm 相邻池室原型水头差Δh/cm 原型流速v/（m·s-1）
运行水深1.48 m 运行水深0.74 m 运行水深1.48 m 运行水深0.74 m 运行水深1.48 m 运行水深0.74 m
14 1.0 148.11 74.06 6.21 6.21 1.10 1.10
0.9 149.46 75.56 6.10 5.96 1.09 1.08
0.8 151.98 77.06 5.90 5.73 1.08 1.06
0.7 153.92 78.24 5.75 5.56 1.06 1.04
0.6 155.86 80.06 5.61 5.31 1.05 1.02
15 1.0 148.11 74.06 6.21 6.21 1.10 1.10
0.9 150.29 75.68 7.45 7.34 1.21 1.20
0.8 152.48 77.31 9.15 8.90 1.34 1.32
0.7 154.67 78.93 11.62 11.15 1.51 1.48
0.6 156.86 80.56 15.38 14.58 1.74 1.69
16 1.0 148.05 74.01 6.22 6.22 1.10 1.10
0.9 147.12 73.92 6.29 6.23 1.11 1.11
0.8 146.87 73.87 6.31 6.24 1.11 1.11
0.7 146.48 73.50 6.35 6.30 1.12 1.11
0.6 146.18 73.15 6.37 6.36 1.12 1.12

3 分析与讨论

竖缝束窄之后，原型的上游水面线增加幅度在10 cm以内，对于实际工程而言影响程度有限。然而，束窄后竖缝处流速显著增大，当竖缝束窄幅度为10%（k=0.9）时，竖缝流速超过1.2 m/s，当竖缝束窄幅度为40%（k=0.6）时，竖缝流速超过1.6 m/s，均超过我国多数洄游鱼类的游泳能力，极易成为鱼类上溯的障碍。
我国鱼道的主要过鱼对象为四大家鱼和高原裂腹鱼，其中四大家鱼的喜好流速为0.8~1.2 m/s，突进流速为1.3 m/s ［27］，高原裂腹鱼的喜好流速为0.9~1.4 m/s，突进流速为1.5 m/s［28］，因此本文鱼道模型的设计流速约为1.1 m/s是合理的［29］。
当鱼道某个池室竖缝宽度变化，引起该处竖缝流速显著增大，当其成为鱼类上溯的障碍时，若鱼类依靠突进流速能够克服该处流速，则仍能继续上溯，不致影响整体过鱼效率。依据本文研究成果，竖缝流速v与宽度束窄系数k的关系为 v=v0k-0.888，当竖缝收缩16%（k=0.84）时，对应流速v=1.3 m/s，当竖缝收缩29%（k=0.71）时，对应流速v=1.5 m/s。依据不同鱼类的突进流速指标可知，当过鱼对象为四大家鱼时，单个竖缝宽度束窄范围应<16%，过鱼对象为高原裂腹鱼时，单个竖缝宽度束窄范围应<29%。
本文研究结论仅针对鱼道中单个竖缝发生束窄情况，若连续发生束窄情况，相应的标准应有所提高。下一步拟针沿程多个竖缝发生变化的组合情况，开展水力特性变化的叠加效应及实际过鱼效果的验证试验，以期为今后鱼道工程的设计与优化提供参考。

4 结 论

本文采用模型试验方法，针对竖缝式鱼道单个竖缝束窄对鱼道水力特性的影响进行研究，主要结论如下。
（1）当鱼道单个竖缝束窄时，该竖缝上游侧池室水深增加并形成壅水曲线，可影响5~15个池室，下游侧池室水深急剧降低后又很快恢复，仅影响1~2个池室。当束窄程度达到40%（k=0.6）时，原型水面线增加幅度最大8 cm，对于实际鱼道工程而言，水深增加幅度有限。
（2）竖缝束窄时，其上游一侧相邻竖缝流速略有减小，下游侧竖缝流速则基本无变化，故不会形成流速障碍。但是束窄竖缝处的流速显著增大（k=0，v=1.1 m/s；k=0.6，v>1.6 m/s），且量值随竖缝束窄程度呈幂指数增加，易形成流速障碍，以致影响鱼类上溯。
（3）以束窄竖缝处流速作为判断依据，根据本文竖缝流速v与宽度束窄系数k的关系（ v=v0k-0.888），当过鱼对象分别为四大家鱼和高原裂腹鱼时，竖缝宽度的束窄范围应分别控制在16%和29%以内。 □

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