國(guó)內(nèi)外過(guò)魚(yú)設(shè)施研究綜述

曹慶磊，楊文俊，周良景

國(guó)內(nèi)外過(guò)魚(yú)設(shè)施研究綜述

曹慶磊1，楊文俊1，周良景2

（1．長(zhǎng)江科學(xué)院水利部江湖治理與防洪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010；2．長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，武漢 430010）

隨著水利事業(yè)高速發(fā)展，現(xiàn)代水利水電工程必須與環(huán)境和生態(tài)相和諧。分析了水利水電工程等對(duì)魚(yú)類資源的影響，概述了國(guó)外過(guò)魚(yú)設(shè)施的發(fā)展?fàn)顩r，總結(jié)了我國(guó)過(guò)魚(yú)設(shè)施研究和建設(shè)的3個(gè)時(shí)期；并介紹了過(guò)魚(yú)設(shè)施的種類，其中詳細(xì)闡述了魚(yú)道的主要類型、特點(diǎn)及其技術(shù)參數(shù)；最后分析了近年來(lái)該領(lǐng)域研究的最新技術(shù)手段，并結(jié)合新時(shí)期水利發(fā)展戰(zhàn)略，提出了研究展望。

魚(yú)類資源；過(guò)魚(yú)設(shè)施；魚(yú)道；新進(jìn)展

水利水電工程等截?cái)嗪恿?，?dǎo)致這個(gè)開(kāi)放、連續(xù)的系統(tǒng)在能量流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)及信息傳遞等方面發(fā)生一系列的改變，使生活其中的魚(yú)類生存所需的生境條件、水文情勢(shì)發(fā)生變化，最終對(duì)魚(yú)類資源產(chǎn)生影響，如：洄游或魚(yú)類其它活動(dòng)可能被延遲或終止、魚(yú)類下行通過(guò)壩體建筑物或水輪機(jī)時(shí)遭受的傷害、生態(tài)景觀破碎。這些影響會(huì)導(dǎo)致魚(yú)類種群遺傳多樣性喪失和經(jīng)濟(jì)魚(yú)類品質(zhì)退化等。因此，為了保護(hù)魚(yú)類資源，恢復(fù)河流生物多樣性，過(guò)魚(yú)設(shè)施的研究和建設(shè)是十分必要的。

1 過(guò)魚(yú)設(shè)施的發(fā)展概況

過(guò)魚(yú)設(shè)施是指讓魚(yú)類通過(guò)障礙物的人工通道和設(shè)施，最早的過(guò)魚(yú)設(shè)施，是開(kāi)鑿河道中的礁石、疏浚急灘等天然障礙以溝通魚(yú)類的洄游路線。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，至20世紀(jì)60年代初期，美國(guó)和加拿大有過(guò)魚(yú)設(shè)施200座以上，西歐各國(guó)100座以上，前蘇聯(lián)18座以上，這些過(guò)魚(yú)設(shè)施主要為魚(yú)道。至上世紀(jì)晚期，魚(yú)道數(shù)量明顯上升，在北美有近400座，日本則有1 400余座。其中，最高、最長(zhǎng)的魚(yú)道分別是美國(guó)的北汊壩魚(yú)道（爬升高度60 m）和帕爾頓魚(yú)道（全長(zhǎng)4 800 m）［1］。這些過(guò)魚(yú)設(shè)施都是以通過(guò)某種主要經(jīng)濟(jì)魚(yú)類為目的，比如美國(guó)大西洋鮭魚(yú)、鱒魚(yú)，法國(guó)西鯡魚(yú)和日本香魚(yú)等。

我國(guó)過(guò)魚(yú)設(shè)施的研究和建設(shè)大致經(jīng)歷了3個(gè)時(shí)期：

（1）初步發(fā)展期。1958年在規(guī)劃開(kāi)發(fā)富春江七里壟水電站時(shí)首次提及魚(yú)道，1960年在興凱湖附近首先建成新開(kāi)流魚(yú)道；至上世紀(jì)80年代，對(duì)魚(yú)的生境因素及過(guò)魚(yú)設(shè)施進(jìn)行了初步研究并相繼建設(shè)了40余座魚(yú)道。

（2）停滯期。自葛洲壩水利樞紐中采取建設(shè)增殖放流站的措施來(lái)解決中華鱘等珍稀魚(yú)類的保護(hù)問(wèn)題至此后的20多年，我國(guó)在建設(shè)水利水電工程時(shí)很少修建過(guò)魚(yú)設(shè)施，相關(guān)的技術(shù)研究工作幾乎沒(méi)有開(kāi)展，已建過(guò)魚(yú)設(shè)施多數(shù)運(yùn)行效果不理想，因而閑置或被廢棄（如湖南洋塘魚(yú)道）。

（3）二次發(fā)展期。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著我國(guó)水利水電資源開(kāi)發(fā)逐步加深，天然漁業(yè)資源嚴(yán)重退化，甚至危及到國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)珍稀特有魚(yú)類，過(guò)魚(yú)設(shè)施的研究和建設(shè)重新受到重視，一批過(guò)魚(yú)設(shè)施已建成運(yùn)行或在規(guī)劃建設(shè)中。如北京上莊水庫(kù)魚(yú)道①孫雙科，鄧明玉，李英勇，等．北京市上莊新閘豎縫式魚(yú)道的水力設(shè)計(jì)研究［C］∥水電2006國(guó)際討論會(huì)，951－957．、西藏獅泉河魚(yú)道［2］、珠江長(zhǎng)灘樞紐魚(yú)道和長(zhǎng)江小南海魚(yú)道等。

2 過(guò)魚(yú)設(shè)施的類型及特點(diǎn)

過(guò)魚(yú)設(shè)施主要分為上行過(guò)魚(yú)設(shè)施和下行過(guò)魚(yú)設(shè)施。上行過(guò)魚(yú)設(shè)施包括魚(yú)道、魚(yú)閘、升魚(yú)機(jī)和集運(yùn)漁船等，下行過(guò)魚(yú)設(shè)施包括攔網(wǎng)、電柵等。

2．1 魚(yú) 道

魚(yú)道一般只適應(yīng)于低水頭水利樞紐，魚(yú)道也是最常見(jiàn)的上行過(guò)魚(yú)設(shè)施，其類型和特點(diǎn)見(jiàn)表1［3］和圖1所示。

表1 魚(yú)道的主要類型和特點(diǎn)Table 1 Themain types and characteristics of fishways

圖1 魚(yú)道的形式Fig．1 Several types of fishways

魚(yú)道的設(shè)計(jì)要結(jié)合過(guò)魚(yú)對(duì)象、樞紐建筑物、閘壩地形等因素綜合考慮，但為了保證魚(yú)道的良好運(yùn)行，應(yīng)符合以下主要技術(shù)參數(shù)①《水電水利建設(shè)項(xiàng)目河道生態(tài)用水、低溫水和過(guò)魚(yú)設(shè)施環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)指南（試行）》．國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局環(huán)境工程評(píng)估中心文件，環(huán)評(píng)函（2006）4號(hào)。：

（1）魚(yú)道進(jìn)口。魚(yú)道進(jìn)口是否易被魚(yú)類發(fā)現(xiàn)和利于魚(yú)類集結(jié)，是魚(yú)道設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵因素之一。可以考慮布置在電站尾水前沿、溢流壩兩側(cè)或通航船閘泄水處等，這里水流相對(duì)集中，利于誘魚(yú)?？紤]到下游水位變化和不同魚(yú)類的習(xí)性，可以按不同高程多設(shè)幾個(gè)進(jìn)口。如鱘魚(yú)喜歡在深潭和坑洼間游動(dòng)，進(jìn)口應(yīng)選擇具有水下地形的位置；鰱魚(yú)喜歡在水的表層游動(dòng)，進(jìn)口高程要相對(duì)高些。

（2）魚(yú)道流速。魚(yú)道流速與大壩水頭及魚(yú)的克流能力有關(guān)。幼小體弱等溯游能力差的魚(yú)大多在0．3～0．8 m／s的水流中行進(jìn)；成魚(yú)、親魚(yú)等溯游能力強(qiáng)的魚(yú)，大多在0．8～1．0 m／s的水流中行進(jìn)。對(duì)于鮭魚(yú)，魚(yú)道內(nèi)允許流速約為1．52 m／s，香魚(yú)約1．2 m／s，鯉屬魚(yú)約0．4 m／s。在河流梯級(jí)開(kāi)發(fā)中，下游魚(yú)道的允許流速可略大于上游魚(yú)道的允許流速。當(dāng)魚(yú)道為多種過(guò)魚(yú)對(duì)象設(shè)計(jì)時(shí)，以溯游能力最差對(duì)象的允許流速為標(biāo)準(zhǔn)。

（3）魚(yú)道尺寸。魚(yú)道尺寸是指魚(yú)道寬度、池室大小和過(guò)魚(yú)孔大小等。魚(yú)道寬由過(guò)魚(yú)量和河道寬決定。在日本，魚(yú)道寬為河道寬的4%～5%，有的2～3 m，有的3～5 m不等。池室大小取決于隔板消能效果、魚(yú)體能消耗及休息條件等。過(guò)魚(yú)孔、豎縫大小與魚(yú)體大小及習(xí)性有關(guān)，應(yīng)不小于擬通過(guò)魚(yú)類胸鰭水平展開(kāi)距離，以滿足魚(yú)類自由游泳需要。加拿大漁業(yè)部和國(guó)際太平洋鮭漁業(yè)協(xié)會(huì)（1995年）建議孔口以0．50～1 m2為宜，每個(gè)孔口流量保持在0．68～2．7 m3／s。

（4）魚(yú)道出口。魚(yú)道出口要適應(yīng)庫(kù)水位的變動(dòng)，當(dāng)庫(kù)水位變化時(shí)，既要保證出口有足夠的水深，又要使進(jìn)入魚(yú)道的流量基本保持不變，使魚(yú)道能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。出口應(yīng)遠(yuǎn)離溢洪道、廠房進(jìn)水口等泄水、取水建筑物，以防進(jìn)入水庫(kù)的魚(yú)，又被這股水流帶回下游。出口高程應(yīng)適應(yīng)過(guò)魚(yú)對(duì)象的習(xí)性，對(duì)于底層魚(yú)類，應(yīng)設(shè)置深潛的出口；幼魚(yú)、中上層魚(yú)類，出口可設(shè)在水面以下1．0～1．5 m處。

（5）其他條件。各種魚(yú)類喜光性不一，魚(yú)道要根據(jù)過(guò)魚(yú)對(duì)象的要求采光。如鰻魚(yú)要求在黑暗條件下過(guò)魚(yú)，香魚(yú)可建明魚(yú)道。此外，魚(yú)道還應(yīng)設(shè)有導(dǎo)魚(yú)設(shè)備、觀察計(jì)數(shù)設(shè)備、攔污及檢修設(shè)備等。

2．2 中高水頭水利樞紐上行過(guò)魚(yú)設(shè)施

魚(yú)道運(yùn)行時(shí)受上游水位和流量的影響，流速、流態(tài)都不穩(wěn)定，且魚(yú)上溯過(guò)程中需要耗費(fèi)很大能量，使過(guò)魚(yú)效果難以保證。因此，魚(yú)道一般只適用壩高在20～25 m以下的低水頭水利樞紐，對(duì)于中高水頭水利樞紐的上行過(guò)魚(yú)設(shè)施主要有魚(yú)閘、升魚(yú)機(jī)和集運(yùn)魚(yú)船等。魚(yú)閘的運(yùn)行方式與船閘相似，魚(yú)類在閘室憑借水位的上升，不必溯游便可過(guò)壩（見(jiàn)圖2）。由于魚(yú)閘過(guò)魚(yú)不連續(xù)，且過(guò)魚(yú)量有限，有些學(xué)者認(rèn)為魚(yú)閘可能會(huì)被逐步淘汰，但也有些學(xué)者持相反觀點(diǎn)，如文獻(xiàn)［4］通過(guò)研究認(rèn)為，對(duì)于澳大利亞一些熱帶河流上具有固定洄游季節(jié)的熱帶魚(yú)，未來(lái)魚(yú)閘可能會(huì)得到廣泛的應(yīng)用；升魚(yú)機(jī)是利用機(jī)械升魚(yú)和轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)施過(guò)壩，能適用于高壩和庫(kù)水位變幅較大的樞紐過(guò)魚(yú)，也可用于較長(zhǎng)距離轉(zhuǎn)運(yùn)魚(yú)類。Francfort等分析了美國(guó)16個(gè)水利樞紐過(guò)魚(yú)設(shè)施的過(guò)魚(yú)效果后，認(rèn)為Conowingo壩的兩個(gè)升魚(yú)機(jī)在使Susquehanna河的鯡魚(yú)種群的資源恢復(fù)過(guò)程中發(fā)揮了重要作用［5］。集運(yùn)魚(yú)船，又稱“浮式魚(yú)道”，目前在世界上的應(yīng)用不多，自1989年P(guān)avlov對(duì)前蘇聯(lián)在里海流域的伏爾加河、頓河和庫(kù)班河流域?yàn)轺\科、鯡科和鯉科的一些種類設(shè)計(jì)的集運(yùn)魚(yú)船報(bào)道后，幾乎再?zèng)]有關(guān)于集運(yùn)漁船的研究成果發(fā)表。

圖2 魚(yú)閘運(yùn)行示意圖Fig．2 The sketch of fish lock operation

2．3 下行過(guò)魚(yú)設(shè)施

目前對(duì)下行過(guò)魚(yú)設(shè)施的研究和實(shí)踐遠(yuǎn)沒(méi)有上行過(guò)魚(yú)設(shè)施深入。相對(duì)來(lái)說(shuō)，歐洲和北美對(duì)鮭科等溯河性魚(yú)類幼魚(yú)的下行問(wèn)題有較為深入的研究和實(shí)踐，主要是采取物理欄柵或行為屏障（如電柵、音篩等）來(lái)防止下行魚(yú)類進(jìn)入水輪機(jī)，并建造表層或側(cè)、下輔助通道讓它們安全過(guò)壩。

3 研究方法

目前主要采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的技術(shù)手段對(duì)過(guò)魚(yú)設(shè)施進(jìn)行研究，通過(guò)優(yōu)化其結(jié)構(gòu)形式，以獲得適合魚(yú)類上溯的理想流速和流態(tài)，為過(guò)魚(yú)設(shè)施的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。部分研究成果付諸工程應(yīng)用，取得較好效果。

3．1 模型試驗(yàn)

文獻(xiàn)①SANAGIOTTO D G，COLETTIJZ，MARQUESM G．豎縫式魚(yú)道流速和水力紊動(dòng)特性研究［C］∥水電2006國(guó)際討論會(huì)．855－957．對(duì)單側(cè)導(dǎo)豎式魚(yú)道內(nèi)的流場(chǎng)、紊動(dòng)能的等值線圖、紊流強(qiáng)度、雷諾應(yīng)力的初步試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，并經(jīng)過(guò)運(yùn)行效果的觀測(cè)后認(rèn)為，一個(gè)比較適合魚(yú)類的流態(tài)紊動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)是可能存在的。Larinier等通過(guò)對(duì)單側(cè)導(dǎo)豎式魚(yú)道的紊流研究表明，隨著池長(zhǎng)／池寬的變化和坡度的不同，池室內(nèi)的水流出現(xiàn)2種流態(tài)［6］。Rajaratana等通過(guò)對(duì)多種不同形式單側(cè)導(dǎo)豎式魚(yú)道的研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)量綱流量和相對(duì)水深之間存在線性關(guān)系［7］。

Matsushita等發(fā)現(xiàn)在傾斜的池槽內(nèi)可以觀測(cè)到滾動(dòng)流；Uddin等提出，階梯型魚(yú)道中出現(xiàn)的滾動(dòng)流將產(chǎn)生涌波，而它的周期性可能會(huì)嚴(yán)重危害魚(yú)道，并發(fā)現(xiàn)這種滾動(dòng)流源于魚(yú)道的上游；Rajatana等通過(guò)試驗(yàn)研究得出，這種滾動(dòng)流的發(fā)生可以用無(wú)量綱流量來(lái)預(yù)知［8］。

3．2 數(shù)值模擬

豎縫式魚(yú)道中當(dāng)流速大于平均流速后，要對(duì)水流紊動(dòng)的影響因素進(jìn)行評(píng)價(jià)。Pena等用沿水深平均的二維淺水方程的混合長(zhǎng)模型和代數(shù)應(yīng)力模型，對(duì)單側(cè)導(dǎo)豎式魚(yú)道中的紊流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明：流速、紊動(dòng)能強(qiáng)度和雷諾應(yīng)力與相同條件下的試驗(yàn)結(jié)果吻合較好［9］。張高華等用標(biāo)準(zhǔn)的三維 紊流模型對(duì)池堰式魚(yú)道和魚(yú)類行進(jìn)能力進(jìn)行模擬后得出，同一魚(yú)種最省能之路徑為魚(yú)體采用跳躍方式上溯且接近液面時(shí)的路徑［10］。文獻(xiàn)［11］研究了單側(cè)導(dǎo)豎式魚(yú)道的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，確定了由魚(yú)的休息區(qū)尺寸和適合魚(yú)類游泳能力的流速構(gòu)成的目標(biāo)函數(shù)，得出了最優(yōu)設(shè)計(jì)變量豎縫尺寸的數(shù)值解。Young等用ADV、GPS以及非恒定非結(jié)構(gòu)化的雷諾平均NS（U2RANS）模型，采集和計(jì)算了密西西比河上游的流態(tài)，詳細(xì)分析了淡水蠓生活區(qū)域的水力特性，討論了建壩對(duì)它們分布的影響，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施［1］。

3．3 運(yùn)行監(jiān)測(cè)

日本提出一種由鋼筋和石籠等組成的簡(jiǎn)易式魚(yú)道，其制作簡(jiǎn)單，成本低廉，可以機(jī)動(dòng)靈活地在適宜河道架設(shè)安裝［12］。伊泰普水電站在每一節(jié)魚(yú)道的表面都設(shè)有供有鱗魚(yú)種通過(guò)的通道，而在底部設(shè)有供無(wú)鱗魚(yú)種通過(guò)的通道，流經(jīng)每節(jié)魚(yú)道的水流在底部形成一個(gè)正弦圈，在表面相反方向形成另一個(gè)正弦圈，這樣便能提供一個(gè)有利于把魚(yú)吸引進(jìn)入魚(yú)道的溶解氧梯度。澳大利亞在伯內(nèi)特河壩建成了完全集成的基于PLC（可編程邏輯控制器）的SCADA（監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集）魚(yú)道系統(tǒng)，它可以監(jiān)控魚(yú)道的各個(gè)方面［13］。美國(guó)內(nèi)華達(dá)州里諾（Reno）東部特拉基（Truckee）河上設(shè)計(jì)了一條明渠繞壩魚(yú)道，供瀕危的Cui－ui、Lahontan美洲鮭和其它魚(yú)類洄游，通過(guò)大卵石控制魚(yú)道中的水流，為魚(yú)類提供了良好的休息場(chǎng)所。加拿大在尚布利壩上翻修改造了魚(yú)道，使具有相當(dāng)規(guī)模的商業(yè)性銀色美洲鰻魚(yú)能夠重新自由洄游［14］。

4 展 望

我國(guó)水能資源開(kāi)發(fā)利用的歷史源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，建國(guó)以來(lái)我國(guó)的水電開(kāi)發(fā)事業(yè)蓬勃發(fā)展，然而，水能資源的開(kāi)發(fā)伴隨著對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)脅迫的日益加劇，與之配套的過(guò)魚(yú)設(shè)施的研究和建設(shè)卻起步較晚，發(fā)展緩慢，其建設(shè)數(shù)量和運(yùn)行效果都與要求相差甚遠(yuǎn)，加快過(guò)魚(yú)設(shè)施的研究和建設(shè)，建立生態(tài)環(huán)境友好型的水利水電工程體系勢(shì)在必行。

（1）加強(qiáng)河段或區(qū)域生態(tài)環(huán)境特征代表性生物（魚(yú)類）的研究，并加強(qiáng)其原型生境要素的監(jiān)測(cè)；

（2）開(kāi)展特征魚(yú)類生態(tài)習(xí)性、游泳能力的試驗(yàn)和魚(yú)道水力條件的研究；

（3）進(jìn)行新型過(guò)魚(yú)設(shè)施的研制和魚(yú)類下行設(shè)施的研究；

（4）加強(qiáng)水工程（梯級(jí)水庫(kù)）建設(shè)及投運(yùn)對(duì)魚(yú)類生存環(huán)境的疊加累積影響的研究；

（5）盡快建立一部過(guò)魚(yú)設(shè)施規(guī)范，并將過(guò)魚(yú)設(shè)施納入河流健康運(yùn)行評(píng)價(jià)體系，維護(hù)河流健康。

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（編輯：周曉雁）

Review on Study of Fishery Facilities at Home and Abroad

CAO Qing-lei1，YANGWen-jun1，ZHOU Liang-jing2
（1．Key Laboratory of Management of Rivers and Lakes＆Flood Control of Ministry ofWater Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2．Changjiang Survey，Planning，Design＆Institute，Wuhan 430010，China）

With the rapid development of water resources，modern hydraulic and hydro-power engineeringmust be in harmony with environment and ecology．First，the impacts of hydraulic and hydro-power engineering on fish re-sourceswere analyzed，the development of dam-passing facilities for fishes abroad，and the three periods of re-search and construction for fishery facilities at home were summarized．Second，the types of fishery facilities at home and abroad were introduced，and themain types，technical parameters and characteristics of fishways were summarized in detail．Meanwhile the recent advance of technicalmethods in this field was presented．Finally，the research prospectswere put forward in combination with the strategy ofwater resources in the new era．

fish resources；fishery facilities；fishway；recent advance

TV135．1；S956

A

1001－5485（2010）05－0039－05

2009-04-01；

2010-03-03

曹慶磊（1983-），男，河南永城人，碩士研究生，主要從事水力學(xué)與河流動(dòng)力學(xué)研究，（電話）15071309036（電子信箱）caoqin-glei2008＠163．com。