Contribution of experimental fluid mechanics to the design of vertical slot fish passes

Contribution de la mécanique des fluides expérimentale à la conception des passes à poissons à fentes verticales

⁽¹⁾ Institut PPRIME, CNRS-Université de Poitiers-ENSMA, UPR 3346, Axe HydEE, Boulevard Marie et Pierre Curie, Téléport 2, BP 30179, 86962 Futuroscope Cedex, France
ruey-wen.wang@lea.univ-poitiers.fr
⁽²⁾ ONEMA, Pôle Écohydraulique, Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse, Allée du Professeur Camille Soula, 31400 Toulouse, France
michel.larinier@imft.fr

Received: 23 October 2009
Accepted: 5 January 2010

Abstract

This paper presents the main results of an experimental study of mean and turbulent characteristics of flow in a scale model of a vertical slot fish pass with varying width and slope (from 5% to 15%). Experimental hydraulic modelling was combined with the study of fish behaviour in the model. The discharge coefficient, which significantly affects the design of such facilities, varied from 0.67 to 0.89 and was strongly influenced by the slope. Two distinct flow patterns were observed, depending on the slope and the fish pass width. The point of transition between the two states was determined. Low velocity areas are likely resting zones for fish and particular attention was paid to evaluating these areas. Slope was found to affect both the volume of the low velocity zone, and the value of turbulent kinetic energy in these areas. The statistical characteristics of turbulent kinetic energy in the pools were linked primarily to the maximum velocity in the jet. An analysis of the behaviour of juvenile brown trout (Salmo trutta) in the scale model clearly showed that the fish avoided the areas of high velocities in the jet, except at the slot itself where they took advantage of the jet’s non-stationary character. Low-velocity areas were not frequented uniformly by fish, which stayed most frequently in the zone located just downstream from the slot and behind the small side baffle. It is suggested that future studies might investigate lower pool-length to slot-width ratios, which might make it possible to increase the slope significantly and should also examine ways of improving hydraulic conditions for fish by carefully distributing obstacles in pools.

Résumé

Cet article présente les résultats d’une étude expérimentale sur les caractéristiques moyennes et turbulentes de l’écoulement dans une passe à fentes verticales de pente variant de 5 % à 15 % et de largeur variable. L’étude hydraulique a été complétée par l’observation du comportement du poisson sur le modèle. Les valeurs du coefficient de débit intervenant dans le dimensionnement des passes varient de 0,67 à 0,89 et sont très sensibles à la pente. La transition entre les deux configurations de l’écoulement observées a été déterminée, en fonction de la pente et de la largeur. Les caractéristiques de l’énergie cinétique turbulente, en particulier dans les zones à faibles vitesses, ont été déterminées. La pente affecte à la fois le volume des zones à faible vitesse et la valeur de l’énergie cinétique turbulente dans ces zones qui sont susceptibles de servir de zone de repos aux poissons. Les caractéristiques statistiques de l’énergie cinétique dans les bassins sont avant tout liées à la vitesse maximale dans le jet. L’analyse du comportement de juvéniles de truites (Salmo trutta) dans le modèle montre très clairement que le poisson évite les zones à fortes vitesses, en particulier le jet, sauf évidemment au niveau de la fente qu’il franchit en mettant à profit le caractère instationnaire du jet. Les zones à faibles vitesses ne sont pas fréquentées de façon identique, le poisson utilisant pour stationner le plus fréquemment la zone située à l’aval du déflecteur de paroi. Les résultats et la discussion suggèrent que les études futures portent sur des rapports de forme longueur de bassin sur largeur de fente plus faibles pour augmenter la pente des ouvrages de façon significative et se poursuivent sur l’amélioration des conditions d’écoulement par la mise en place d’obstacles dans les bassins.