长江科学院院报

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2025 , Vol. 42 >Issue 7: 104 - 111

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240353

水力学

设置挡水隔板的鱼类友好型涵洞水力特性试验研究

  • 毛劲乔 , 1 ,
  • 陆鹏 1 ,
  • 龚轶青 2 ,
  • 高欢 1 ,
  • 戴杰 1
展开
  • 1 河海大学 水利水电学院,南京 210098
  • 2 河海大学 水科学研究院,南京 211106

毛劲乔(1978-),男,江苏南京人,教授,博士,主要从事生态水力学及水利水电生态调控研究。E-mail:

Copy editor: 任坤杰

收稿日期: 2024-04-08

  修回日期: 2024-06-10

  网络出版日期: 2024-12-27

基金资助

国家自然科学基金项目(52279013)

江西省科技重大科技研发专项(20213AAG01012)

收起

Experimental Study on Hydraulic Characteristics of Fish-friendly Culverts with Baffles

  • MAO Jing-qiao , 1 ,
  • LU Peng 1 ,
  • GONG Yi-qing 2 ,
  • GAO Huan 1 ,
  • DAI Jie 1
Expand
  • 1 College of Water Conservancy and Hydropower Engineering,Hohai University, Nanjing 210098,China
  • 2 Institute of Water Science and Technology, Hohai University, Nanjing 211106, China

Received date: 2024-04-08

  Revised date: 2024-06-10

  Online published: 2024-12-27

Fold

摘要

涵洞是沟通河系、连接生物生境的重要通道,在其中布置小型挡水结构可有效减小局部流速,增加弱游泳能力鱼类上溯成功率,提高涵洞的生态效益。为明确设置三角形挡水隔板涵洞内水力特性,在水槽单侧布置多个三角形挡水隔板模拟涵洞中的小型挡水建筑物开展水槽试验研究,利用SonTek声学多普勒流速仪(ADV)采集三维流速数据,分析挡水隔板后流速分布、湍流特性、动量输运模式等,论证增设三角形挡水隔板系统对促进弱游泳能力鱼类(小鳈)上溯行为的可行性。研究结果表明:增设三角形挡水隔板,主流区流速仍能维持为25~30 cm/s,对主流区流速影响较小;在隔板边壁产生稳定的低速区(LVZs),其流速为-4~15 cm/s,相较光滑侧壁水槽低速区的面积占比由5%~10%增加为14.80%~18.07%;挡水隔板下游低速区水流湍动能和雷诺应力明显大于无挡水隔板侧的高速区,但未超过相应的鱼类游泳偏好阈值;水流动量交换以喷射和扫掠形态为主,该瞬时形态可提供更适宜弱游泳能力鱼类游动的流动环境。

关键词： 涵洞; 水槽试验; 挡水隔板; 低速区; 动量交换

本文引用格式

毛劲乔 , 陆鹏 , 龚轶青 , 高欢 , 戴杰 . 设置挡水隔板的鱼类友好型涵洞水力特性试验研究[J]. 长江科学院院报, 2025 , 42(7) : 104 -111 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240353

Abstract

[Objectives] Traditional culvert designs often result in excessively high flow velocities within the channel, impeding the upstream movement of weak-swimming fish species. Installing small triangular baffles inside culverts has the potential to provide upstream passage for small fish while maintaining discharge capacity. This study aims to clarify the hydraulic effects of triangular baffles by arranging multiple small baffles along one side of a flume to simulate internal culvert structures and verify the hydraulic effects through flume experiments. [Methods] Three-dimensional velocity data were collected using an Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) to analyze the distribution patterns of turbulent kinetic energy and Reynolds stress. The quadrant analysis method was employed to quantitatively assess the impact of the baffle system on flow velocity distribution, turbulence characteristics, and momentum transport modes. [Results] The results showed that the triangular baffles created stable low velocity zones (LVZs) along the sidewall, with longitudinal velocities ranging from -4 to 15 cm/s, and velocities at the outer edge of the baffles around 25 cm/s, below the critical swimming speed of small fish such as Rhinogobius giurinus. In the mainstream zone, the lateral profiles of longitudinal velocity were nearly identical, ranging from 25 to 30 cm/s, indicating that the small triangular baffles had minimal impact on mainstream flow and thus preserved discharge capacity, achieving synergistic optimization of hydraulic efficiency and ecological function. The proportion of the low velocity zone area remained relatively consistent along the flow path, accounting for 14.80%-18.07% of the total cross-sectional area, demonstrating the feasibility of using triangular baffles to stably expand LVZs. The baffles significantly enhanced turbulence intensity in the region near the baffle-side sidewall, generating clockwise vortices and positive horizontal Reynolds stress that play an important role in maintaining swimming stability. Although the turbulent kinetic energy and Reynolds stress in downstream LVZs were higher than those in high-speed regions without baffles, they remained below the threshold of fish swimming preferences. This moderate turbulence enhancement not only provided energy for swimming but also avoided excessive turbulence that could impair the sense of direction or balance. Momentum exchange was dominated by jetting (Q2) and sweeping (Q4) events, whose dominance increased with higher threshold parameter H0 (with a contribution rate of about 60% at H0=4). The transient vortices formed had planes parallel to the fish’s spine and body axis, reducing energy loss during upstream movement and improving swimming efficiency through vortex energy transfer. This provided a more favorable flow environment for weak-swimming fish species. [Conclusions] This study identifies the distribution patterns of mean flow and turbulence characteristics and introduces quadrant analysis into the study of culvert turbulence-fish behavior interactions. It reveals the promoting effect of small baffle structures in fish upstream migration and addresses the lack of detailed flow field and turbulence structure analyses in previous research. The findings offer a feasible hydraulic optimization paradigm and model reference for the design of eco-friendly culverts.

Key words： culverts; flume experiment; baffles; low velocity zones; momentum exchange

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

涵洞作为贯穿路堤用于降雨径流的有盖输水通道,对沟通河系、恢复河流连通性具有重要作用[1]。涵洞的早期设计原则是用最低的成本实现水力效率的最大化,以提高其过流能力[2]。涵洞不仅是过水通道,也是水生生物重要的迁徙通道。近年来,随着生态保护意识增强,满足鱼类自由迁徙需求的鱼类友好型涵洞设计已被广泛采纳[3-4]。
相较于自然河道,一般涵洞设计壁面较为光滑,断面束窄过水面积减小,水流流速增大[5],且顺直涵洞内缺少自然河道中可形成局部低速区的蜿蜒结构、卵石床面和水生植物[6],对于个体幼小或弱游泳能力鱼类,即使贴附在低流速区底面和侧面附近,水流流速依然超出其游泳能力。相较于有洄游鱼类成年繁殖上溯需求的典型鱼道工程,涵洞的首要功能是满足过流的需要。因此,在保证涵洞整体过流能力的前提下,如何减小局部水流流速,形成低流速通道,以满足弱游泳能力鱼类上溯需求,已成为鱼类友好型涵洞工程亟待解决的问题。
目前,减小涵洞内局部流速的措施主要为改变涵洞底部基质和增设侧向挡水隔板[7-8]。其中,在涵洞底部衬砌符合鱼类生境的卵砾石基质有助于鱼类上溯,但这一方案目前应用较少,其有效性目前尚未可知[7]。而侧向挡水隔板已在国内外部分过鱼涵洞工程中得到应用。相关研究表明,挡水隔板可有效降低涵洞侧壁水流流速,为鱼类上溯提供有利的水动力条件[9]。Magaju等[10]对扰流挡水隔板的布置方案进行了研究,对比不同方案的平均流速和湍流参数,验证了在涵洞中布置短挡水隔板的可行性。
然而,大多数情况下布置挡水隔板会降低涵洞的设计过流能力[11],并且当前水力设计指南很少考虑非设计流量条件,与鱼类的实际游动需求不符[12]。Cabonce等[12]提出了一种简单的三角形挡水隔板系统,在低于设计流量条件下进行了系统的模型试验。试验结果表明,这种三角形挡水隔板系统能尽可能小的程度影响涵洞过流能力,而最大限度地增加适合小型鱼类通过的低速区。在此基础上,Sailema等[13]研究发现,设置通风挡水隔板可有效降低再循环区的负流速,进一步论证了三角形挡水隔板在涵洞中应用的可行性。
除了流速分布之外,湍流特征亦是影响鱼类游泳行为的关键要素[15]。一方面,鱼类可以利用一定尺度的涡旋来减少自身的能量损耗,提升洄游能力[16];另一方面,湍流强度过高会破坏鱼类游动的稳定性,反而降低鱼类的游泳能力。在分析鱼类游泳行为时,湍动能和雷诺应力为常用的湍流变量,在涵洞中设置挡水隔板将显著改变二者的分布[10]。
尽管以上研究验证了三角形挡水隔板在涵洞中应用的可行性,但针对该区域详细流场结构及湍流特征等水力特性模型试验研究鲜有报导。因此,本文在水槽中单侧布置多个三角形挡水隔板模拟涵洞中的小型挡水建筑物开展水槽试验研究,测量挡水隔板周围水流流动参数,结合典型鱼类游泳能力区间分析三角形挡水隔板间低速区的水动力特性,并利用象限分析进行湍流事件的描述,为鱼类友好型涵洞设计提供参考依据。

1 试验概况

1.1 试验装置

利用长8 m、宽0.5 m的矩形循环平底水槽模拟一个全尺寸箱型涵洞单元[4,13,17],水槽布置见图1,水槽进水口设整流格栅与稳流板,出水口为自由出流,出流经下方循环管道再次回到进水口,实现了水槽系统水流流动循环。水槽下方设有超声波流量计和动力泵,超声波流量计可精准地测量水槽过流量,动力泵为水流循环运行提供动力,调节动力泵频率可改变水槽水流流动参数(流速、流量等)并维持稳定。本次试验水位恒定为15 cm。在此条件下,水槽进口断面平均流速u0为40 cm/s,流量为(30±0.5) L/s。水槽上安装流速仪支架,支架纵向铺设移动滑轨,横向安装调节轮盘,辅以竖直方向的电子升降仪,实现三维空间测速探头的精准定位,满足网格化空间测点的采样需求。本次试验流速仪选择SonTek声学多普勒流速仪(Acoustic Doppler Velocimeter,ADV),采集频率为50 Hz,采样周期为160 s,单个测点记录8 000个数据。对测得的速度时间序列用MATLAB进行筛选,剔除性噪比(Signal-Noise Ratio,SNR)<15、相关系数<70%的数据[18]。
图1 水槽布置示意图

Fig.1 Schematic diagram of flume arrangement

1.2 试验方案

本试验选用等腰直角三角形玻璃板模拟涵洞中的三角形挡水隔板,其中,直角边长hb=7 cm,第一块挡水隔板布置在进水口下游1 m处,以0.5 m间距在水槽右侧壁(从上游往下游看)布置10块挡水隔板。两挡水隔板之间的纵向(沿水流方向)距离记为Lb,具体布置如图2所示。
图2 试验布置示意图

Fig.2 Experimental setup

根据水流流动特性,在水槽上游处流动近似均匀,底部边界层较薄,流动发展不充分,本试验选取第5、第6挡水隔板间流动发展充分区作为研究区域。其中,第5块挡水隔板与进水口的距离为3 m。
坐标定义如下:以顺水流方向为x轴,横向为y轴,垂向为z轴。其中,x=0 cm为第5块挡水隔板处,y=0 cm为水槽右侧壁(挡水隔板所在侧壁),z=0 cm为水槽底部。选取z=2 cm处为典型水平面,X=0、0.04、0.5、0.8处为典型横截面,其中X为典型横断面与挡水隔板的相对距离,X=x/Lb。
沿水深方向在z=1、2、3、5、7、9、10 cm处布置水平测面,共7个。每个水平侧面上,沿纵向(水流方向)布置18条测线,其中,第5块挡水隔板位置及其下游5 cm范围内间隔1 cm布置一条测线,共6条;第5块挡水隔板下游x=7、10、15、25、30、40、43 cm处布置测线,共7条;第6块挡水隔板位置及其上游5 cm范围内间隔1 cm布置一条测线,共5条。每条测线上布置测点,共35个,其中,4 cm≤y≤7 cm,测点间隔0.5 cm,共7个;在7 cm<y≤20 cm,测点间隔1 cm,共13个;y>20 cm,测点间隔2 cm,共15个。采用ADV测量水流流速,测点位于ADV探头下方5 cm处。

2 流速分布规律

小鳈是一种游泳能力较弱的小型鱼类,分布于长江、富春江等水域,其临界游泳速度大约为28 cm/s,低于本试验的进口断面平均流速,如涵洞内无三角形挡水隔板系统,该鱼类无法顺利在涵洞内完成上溯行为。本节流速分析以小鳈游泳能力为参考,阐述三角形挡水隔板系统对鱼类上溯的影响。

2.1 典型水平面沿程流速分布

文献[19]将0<u/u0<0.5的区域定义为低速区(LVZs),0.5<u/u0<0.7定义为中速区(MVZs),u/u0>0.7定义为高速区(HVZs),u/u0<0定义为负流区(NVZs),其中,u0为断面平均流速。参照以上分区定义,本文以绝对流速界定各速度分区,则0 cm/s<u<20 cm/s区域为低速区(LVZs),20 cm/s<u<28 cm/s为中速区(MVZs),u>28 cm/s为高速区(HVZs),u<0 cm/s为负流区(NVZs)。负流区、低速区以及高速区,是影响鱼类上溯的关键区域,因此对其流动参数进行分析。
图3为典型水平面(z=2 cm)第5、第6块挡水隔板间水流纵向流速分布,图中测点颜色由蓝至红表示流速u由小至大。在水槽挡水隔板所在的侧壁区(y≤7 cm)观测到靠近挡水隔板处水流流速约为-4~5 cm/s,第5、第6块之间中部位置流速约为15 cm/s;在挡水隔板下游近尾迹区域出现负流区,其长度约为1.5Lb(10.5 cm)。尽管速度值较大的负流区可能会对鱼类上溯产生不利影响,但流速值较小的负流区与挡水隔板上下游的低速区都是鱼类上溯的通道,并且为其提供休息区域[20]。
图3 纵向流速平面分布

Fig.3 Planar distribution of longitudinal velocity

图4展示了典型水平面(z=2 cm)纵向流速u在第5、第6块挡水隔板间的横向分布规律,其中,阴影部分代表挡水隔板覆盖区域。在挡水隔板附近(y=7 cm),两侧的流速呈现出明显的差异。其中,低速区主要集中在挡水隔板右侧,且这种对水流的阻碍作用在第5块挡水隔板下游及第6块挡水隔板上游附近格外明显。流速峰值出现在y=30~35 cm处,而光滑侧壁水槽中流速最大值一般出现在正中央[10],流速峰值偏移与右侧设置挡水隔板有关。
图4 特定位置纵向流速的横向分布

Fig.4 Lateral distribution of longitudinal velocity at specific locations

另外,在主流区域内(y>7 cm),纵向流速u的横向分布曲线几乎重合,流速为25~30 cm/s,其分布规律与挡水隔板正后方侧壁区存在明显差异。这表明涵洞内设置三角形挡水隔板对主流区水流干扰较小,对涵洞过流能力的影响不显著。

2.2 典型横截面流速分布

典型横截面纵向流速u等值线如图5所示,黑实线对应三角形挡水隔板的边缘。横截面X=0,在挡水隔板外缘,水流的纵向流速约为25 cm/s,低于小鳈的临界游泳速度28 cm/s,小鳈可以凭借自身游泳能力越过该挡水隔板,到达上游低速区。在挡水隔板下游区域,图中的截面纵向流速u以黑实线为界,呈现出显著的差异。由于挡水隔板对水流的阻碍作用,挡水隔板近尾迹区域为负流区(X=0.04)。受挡水隔板后方尾迹的影响,在光滑侧壁水槽中呈现出的流动左右对称性[14]被破坏,主流出现向无挡水隔板侧倾斜的趋势,在下游断面X=0.5和X=0.8处该倾斜趋势最为显著。
图5 典型横截面纵向流速等值线

Fig.5 Contours of longitudinal velocity at typical cross-sections

挡水隔板后流速值较小的负流区、挡水隔板上下游低速区及挡水隔板边缘流速<25 cm/s的区域连通形成适宜鱼类上溯的通道,保证了小鳈上溯和休息的需求。同时,无挡水隔板侧流速增大亦保证了涵洞过流能力满足要求。

2.3 流速分区

挡水隔板的阻流作用使正后方出现低速区和负流区,沿程选取横截面,计算低速区和负流区的面积占比见表1。由表1可知,负流区只出现在挡水隔板下游的近尾迹区域,而低速区面积占比沿程变化不大,为14.80%~18.07%。相关试验数据表明[12],在无挡水隔板的光滑侧壁水槽中,低速区面积占比大约为5%~10%。本试验设置挡水隔板后,低速区面积占比增加,为小鳈提供了宽阔的上溯与休息空间。
表1 沿程不同速度区面积占比情况

Table 1 Area proportions of zones with varied flow velocity

选取对象 X 面积占比/%
0<u/u0<0.5 u/u0<0
0.04 14.98 3.38
0.20 14.80 3.44
典型横截面 0.50 17.37 0.00
0.80 18.07 0.00
0.96 17.71 0.00

3 湍流特性分析

3.1 湍动能与雷诺应力分布

湍动能tke和雷诺应力τ用以描述湍流流动特性。对于雷诺应力,本节只考虑其水平方向上的分布规律,具体计算公式分别为:
t k e = 1 2 u ' 2 ¯ + v ' 2 ¯ + w ' 2 ¯ ,
τ u v = - ρ u ' v ' ¯ 　 。
式中: u ' 2 ¯、 v ' 2 ¯、 w ' 2 ¯ 依次为纵向、横向、垂向脉动流速平方的均值;τuv为水平雷诺应力;ρ为水流密度; u ' v ' ¯为纵向及横向的脉动流速之积的均值。
由于水流密度相同,根据式(2),可用纵向及横向的脉动流速之积 u ' v ' ¯反映水平雷诺应力的大小。
不同流速区的湍流特性呈现出显著的不同,统计典型水平面(z=2 cm)中负流区、低速区以及高速区的湍动能和水平雷诺应力如图6所示。由图6可知,湍动能与雷诺应力为正相关,负流区和低速区的湍动能与雷诺应力明显大于高速区。低速区与其他流速区相比,湍动能和雷诺应力最大值、中位数以及四分位数值都有显著的增加,且没有超过Quaranta等[21]提出的适合大部分鱼类活动的湍动能和水平雷诺应力的参考阈值(tke≤50 m2/s2, - u ' v ' ¯=60 N/m2),小鳈等鱼类更倾向于在湍动能tke≤0.05 m2/s2和水平雷诺应力τuv≤60 N/m2的水流中游动[22],它们既可以利用水流紊动产生的能量来提高自身的上溯能力,也不会因强大剪切力产生剧烈湍动失去平衡。负流区与低速区相比,虽然湍动能和水平雷诺应力相对较小,但仍处于同一个量级,因此低速区与负流区比高速区更适宜小鳈等鱼类活动。
图6 不同区湍动能及雷诺应力分布

Fig.6 Boxplots of turbulent kinetic energy and Reynolds stress in different zones

挡水隔板间水平雷诺应力横向分布的纵向变化见图7。其中,阴影部分代表挡水隔板覆盖区域,每个横剖面与前剖面的 - u ' v ' ¯偏移量为20 cm2/s2。在挡水隔板覆盖范围内,除了第一个横剖面(x=2 cm)雷诺应力存在负值,其余剖面的雷诺应力均显著大于挡水隔板覆盖范围外的雷诺应力,在y=10 cm附近雷诺应力开始逐渐减小,至y=20 cm雷诺应力为0,表示流动趋于均匀。
图7 挡水隔板间水平雷诺应力横向分布的纵向变化

Fig.7 Longitudinal variation of lateral Reynolds stress between baffles

3.2 象限分析

3.2.1 基本理论

雷诺应力的象限分析方法由Lu等[23]在研究湍流边界层黏性底层的湍动切应力特征时首次提出。在本试验中,通过对挡水隔板后区域水流雷诺应力的象限分析,可以展示湍流流速结构和动量交换的分布模式[24]。由于本次试验中水平雷诺应力τuv是横向雷诺应力τuw的3~4倍,水平方向上的动量交换占据着主导地位,故根据纵向脉动流速u'和横向脉动流速v'的正负,将雷诺应力分设在4个象限内,分属4种流态。第一象限Q1(u'>0,v'>0)属于外向交互流态,第二象限Q2(u'<0,v'>0)属于喷射流态,第三象限Q3(u'<0,v'<0) 属于内向交互流态,第四象限Q4属于(u'>0,v'<0)扫掠流态。考虑到极端湍流作用影响,为方便提取u'v'中的大值,Lu等[23]还提出了孔域的概念,并引入阈值参数H0来表征孔域的大小。孔域由4条双曲线 u ' ( t ) v ' ( t ) = H 0 u ' v ' ¯围成,u'(t)、v'(t)为该时刻测点的脉动流速瞬时值, u ' v ' ¯为时均值,对同一个测点而言为常量。
利用阈值参数H0,可以提取出幅度较大的紊流流态,根据4个象限内流态对雷诺应力贡献值判断在特定时间以及特定区域内紊流流动的主导流态。雷诺应力贡献值 S i , H 0可表示为
S i , H 0 = 1 T ∫ 0 T C i , H 0 u ' (t) v ' (t) d t 　 。
其中:
C i , H 0 = 1   , 　 u ' ( t ) v ' ( t ) > H 0 u ' v ' ¯ 　 ; 0 , 　 其 他 。
式中i为象限位置(1≤i≤4), u'(t)v'(t)要在对应的象限内。

3.2.2 象限分析结果

选取z=2 cm的水平面为分析对象,根据式(3)、式(4)计算在阈值参数H0=0时4个象限对雷诺应力的贡献值Si,0。图8给出了4个不同纵向距离下各象限对雷诺应力贡献值的横向分布情况(未考虑Si,0的正负)。在横向,Q1、Q3贡献值变化不明显;Q2、Q4贡献值以挡水隔板附近为分界点在左右两边呈现出了不同的变化趋势。在纵向,挡水隔板正后方Q1—Q4贡献值呈增大趋势,在挡水隔板附近出现最大值;在挡水隔板左侧主流区,Q1—Q4贡献值逐渐减小并于y=20 cm处开始趋于稳定。在挡水隔板侧,Q2、Q4的贡献值在大部分情况下都显著大于Q1、Q3,并且以Q2为主导。由于靠近水槽底部,尾流漩涡脱落不对称,且受到Q2的主导作用,挡水隔板后大部分区域形成顺时针涡旋与正水平雷诺应力,这两者共同作用于鱼类,对其游动稳定性有着重要影响[25]。
图8 4个纵向位置在 H0=0时各象限对雷诺应力贡献的横向分布

Fig.8 Lateral distribution of quadrant contributions to Reynolds stress at four longitudinal positions at H0=0

考虑挡水隔板与水流交界面的瞬时速度波动,基于象限分析得到的特征点(x=5 cm,y=4.5 cm )处的(u',v')象限分布如图9所示,“孔域”代表的双曲线由虚线表示(H0=1)。在该界面处发生的动量交换同大部分区域一样,以喷射和扫掠为主。在挡水隔板下游附近,Q1、Q3的贡献值略大于Q2、Q4,内向交互与外向交互运动成为动量交换的主要贡献方式,故此处的雷诺应力会出现负值。根据图7可知挡水隔板侧的雷诺应力大于无挡水隔板侧,使得挡水隔板附近的阈值(H0|(u',v')|)远大于远离挡水隔板位置,表明挡水隔板附近水流的紊动混掺在整个平面内占据着主导地位,决定了整个平面的动量输运特征。
图9 特征点(x=5 cm,y=4.5 cm) (u',v')的象限分析

Fig.9 Quadrant analysis of (u', v') at feature point (x=5 cm,y=4.5 cm)

图10为不同阈值条件下(H0=0~15),x=5 cm、y=4.5 cm处各象限对雷诺应力贡献率 S i , H 0 u ' v ' ¯的变化情况、位于孔内的各象限运动的贡献率及孔内持续时间的百分比。由图10可知,最大贡献率来自于第二象限的喷射,其次是第四象限的扫掠,第一、第三象限运动的贡献为负且接近于0。随着阈值参数的增加,4个象限孔外贡献率都逐渐减小,但Q2、Q4对雷诺应力贡献的主导地位愈加突出。以H0=4时为例,第二、第四象限的运动以10%的时间占比完成了对雷诺应力60%的贡献,这表明局部的喷射和扫掠是激烈而短暂的。
图10 贡献率及孔内持续时间随阈值H0的变化情况

Fig.10 Variation of contribution rate and persistence time in the hole with threshold H0

象限分析的结果较好地验证了增设三角形挡水隔板后水流雷诺应力的分布情况。由于涡旋的定向平面(XY平面)平行于鱼的脊柱与体轴,故在水平动量输运的模式下,鱼类能更好的利用脊柱、体轴及鱼鳍的振荡,来推动自身在湍流环境中的自由游动[26]。

4 结论

(1)涵洞内三角形挡水隔板系统改变了局部区域流场特性,挡水隔板正后方的边壁区流速为-4~15 cm/s,小于主流区流速25~35 cm/s。边壁区内,挡水隔板附近位置的水流流速为-4~5 cm/s,中间位置流速为15 cm/s,挡水隔板的阻流作用在其附近位置处更为显著,下游近尾迹区域出现负流区;在挡水隔板外缘水流的纵向流速约为25 cm/s。因此,对于无法在光滑侧壁水槽中顺利通行的小鳈而言,挡水隔板后流速值较小的负流区、挡水隔板上下游低速区及挡水隔板边缘流速<25 cm/s的区域连通形成适宜鱼类上溯的通道,保证了小鳈上溯和休息的正常需求。
(2)受挡水隔板后尾迹影响,主流出现向无挡水隔板侧倾斜的趋势,随着流动沿纵向发展这种趋势愈加明显,流动集中在水槽的无挡水隔板侧,保证了涵洞过流的正常需求;挡水隔板侧的低速模式使低速区面积占比增加,为小鳈等游泳能力较弱的鱼类上溯和休息提供了更宽阔的空间。
(3)挡水隔板的存在显著增强了下游水体的湍流强度,挡水隔板下游低速区的湍动能和雷诺应力明显高于无挡水隔板侧,且没有达到对鱼类上溯产生不利影响的阈值。在增设三角形挡水隔板后,大部分水体动量交换形式以喷射和扫掠为主,在这种水平动量交换产生的涡旋及雷诺应力的共同作用下,鱼类能更好的利用脊柱与体轴,增强了自身在湍流环境中的流动能力。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
邓晓川, 石迅雷, 王永猛, 等. 涵洞过鱼效果评价方法述评[J]. 水生态学杂志, 2021, 42(6): 123-130.

(DENG Xiao-chuan, SHI Xun-lei, WANG Yong-meng, et al. Review of Methods for Evaluating Fish Passage Through Culverts[J]. Journal of Hydroecology, 2021, 42(6): 123-130.(in Chinese))

[2]
胡晓, 井沛然, 黄利燕, 等. 涵洞过鱼通道典型挡板水力特性研究[J]. 长江科学院院报, 2018, 35(9): 68-74.

DOI

(HU Xiao, JING Pei-ran, HUANG Li-yan, et al. Hydraulic Characteristics of Classic Baffles in Culvert Fishway[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2018, 35(9): 68-74.(in Chinese))

DOI

[3]
LENG X, CHANSON H, GORDOS M, et al. Developing Cost-effective Design Guidelines for Fish-friendly Box Culverts, with a Focus on Small Fish[J]. Environmental Management, 2019, 63(6): 747-758.

DOI PMID

[4]
HU J, LI Y, CHANSON H. Near-full-scale Hydraulic Modeling of Fish-friendly Culvert with Full-height Sidewall Baffles[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2024, 150(4): 04024010-1-11.

[5]
许晓蓉, 刘德富, 汪红波, 等. 涵洞式鱼道设计现状与展望[J]. 长江科学院院报, 2012, 29(4): 44-48, 63.

(XU Xiao-rong, LIU De-fu, WANG Hong-bo, et al. Culvert Fishway Design: Status and Prospects[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2012, 29(4): 44-48, 63.(in Chinese))

[6]
高欢, 龚轶青, 毛劲乔, 等. 基于LES的连续分布植物斑块水动力特性研究[J]. 工程科学与技术, 2025, 57(3):1-9.

(GAO Huan, GONG Yi-qing, Mao Jing-qiao, et al. Study on Ydrodynamic Haracteristics of Ontinuous Istribution Egetation Atches Ased on LES[J]. Advanced Engineering Sciences, 2025, 57(3):1-9)(in Chinese))

[7]
JOHNSON K, WAIT L E, MONK S K, et al. Effects of Substrate on Movement Patterns and Behavior of Stream Fish through Culverts: an Experimental Approach[J]. Sustainability, 2019, 11(2): 470.

[8]
王琲, 杨文俊, 陈辉. 生态水工建筑物: 鱼道的建设及研究进展[J]. 人民长江, 2013, 44(9): 88-92.

(WANG Bei, YANG Wen-jun, CHEN Hui. Construction and Research Progress of Ecological Fish-way of Hydraulic Structure[J]. Yangtze River, 2013, 44(9): 88-92.(in Chinese))

[9]
LANKA VENKATA S K. Computational Modeling and Analysis of Low Flow through Large Culverts for Fish Passage[D]. Dekalb: Northern Illinois University, 2011.

[10]
MAGAJU D, MONTGOMERY J, FRANKLIN P, et al. Spoiler Baffle Patch Design for Improved Upstream Passage of Small-bodied Fish[J]. Ecological Engineering, 2021, 169: 106316.

[11]
OLSEN A H, TULLIS B P. Laboratory Study of Fish Passage and Discharge Capacity in Slip-Lined, Baffled Culverts[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2013, 139(4): 424-432.

[12]
CABONCE J, FERNANDO R, WANG H, et al. Using Small Triangular Baffles to Facilitate Upstream Fish Passage in Standard Box Culverts[J]. Environmental Fluid Mechanics, 2019, 19(1): 157-179.

[13]
SAILEMA C, FREIRE R, CHANSON H, et al. Modelling Small Ventilated Corner Baffles for Box Culvert Barrel[J]. Environmental Fluid Mechanics, 2020, 20(2):433-457.

[14]
WANG H, UYS W, CHANSON H. Alternative Mitigation Measures for Fish Passage in Standard Box Culverts: Physical Modelling[J]. Journal of Hydro-Environment Research, 2018, 19: 214-223.

[15]
李甜畅, 闫滨. 鱼道紊流特性研究进展[J]. 长江科学院院报, 2018, 35(2):62-67,83.

DOI

(LI Tian-chang, YAN Bin. Research Progress on Turbulence Characteristics of Fishway[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2018, 35(2): 62-67, 83.(in Chinese))

DOI

[16]
柳松涛, 石小涛, 孙双科, 等. 竖缝式鱼道180°转弯段隔板布置与水力特性[J]. 长江科学院院报, 2023, 40(4): 88-94.

DOI

(LIU Song-tao, SHI Xiao-tao, SUN Shuang-ke, et al. Arrangement and Hydraulic Characteristics of Divider in 180° Turn Section of Vertical Slot Fishway[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2023, 40(4): 88-94.(in Chinese))

[17]
WANG H, CHANSON H. On Upstream Fish Passage in Standard Box Culverts: Interactions between Fish and Turbulence[J]. Journal of Ecohydraulics, 2018, 3(1): 18-29.

[18]
MEIRE D W S A, KONDZIOLKA J M, NEPF H M. Interaction between Neighboring Vegetation Patches: Impact on Flow and Deposition[J]. Water Resources Research, 2014, 50(5): 3809-3825.

[19]
ZHANG G, CHANSON H. Three-dimensional Numerical Simulations of Smooth, Asymmetrically Roughened, and Baffled Culverts for Upstream Passage of Small-bodied Fish[J]. River Research and Applications, 2018, 34(8): 957-964.

[20]
CAHOON J E, MCMAHON T, SOLCZ A, et al. Fish Passage in Montana Culverts: Phase II - Passage Goals[J]. Fisheries, 2007.

[21]
QUARANTA E, KATOPODIS C, REVELLI R, et al. Turbulent Flow Field Comparison and Related Suitability for Fish Passage of a Standard and a Simplified Low-gradient Vertical Slot Fishway[J]. River Research and Applications, 2017, 33(8): 1295-1305.

[22]
王渊洋, 李鸿, 柯森繁, 等. 四大家鱼幼鱼下行行为及流场偏好研究[J]. 水生态学杂志, 2024(4): 117-124.

(WANG Yuan-yang, LI Hong, KE Seng-fan, et al. Study on Behaviour and Preferred Flow Field for Four Major Chinese carps[J]. Journal of Hydroecology, 2024(4): 117-124.(in Chinese))

[23]
LU S S, WILLMARTH W W. Measurements of the Structure of the Reynolds Stress in a Turbulent Boundary Layer[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1973, 60(3):481.

[24]
张英豪, 赖锡军, 姜加虎. 含苦草水流紊流结构典型剖面的象限分析[J]. 水动力学研究与进展A辑, 2015, 30(5): 526-532.

(ZHANG Ying-hao, LAI Xi-jun, JIANG Jia-hu. Quadrant Analysis of the Typical Profile of Turbulence Structure in Flow with Vallisneria Natans[J]. Chinese Journal of Hydrodynamics, 2015, 30(5):526-532.(in Chinese))

[25]
MUHAWENIMANA V, WILSON C A M E, OURO P, et al. Spanwise Cylinder Wake Hydrodynamics and Fish Behavior[J]. Water Resources Research, 2019, 55(11): 8569-8582.

DOI

[26]
LAUDER G V, MADDEN P G A. Fish Locomotion: Kinematics and Hydrodynamics of Flexible Foil-like Fins[J]. Experiments in Fluids, 2007, 43(5): 641-653.

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