同側(cè)導(dǎo)豎式魚道水力特性試驗(yàn)研究

劉志雄，岳漢生，王 猛

（長江科學(xué)院水力學(xué)研究所，武漢 430010）

同側(cè)導(dǎo)豎式魚道水力特性試驗(yàn)研究

劉志雄，岳漢生，王 猛

（長江科學(xué)院水力學(xué)研究所，武漢 430010）

以某水電站魚道體型為研究基礎(chǔ)，通過1∶10魚道局部模型，對(duì)同側(cè)豎縫式池室的水力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了過魚池室流態(tài)、流速分布以及適合目標(biāo)魚類上溯的路徑等，并對(duì)隔板體型、豎縫寬度以及池室長度等進(jìn)行了分析論證。試驗(yàn)結(jié)果表明，該隔板型式、池室尺寸以及池底坡度的同側(cè)導(dǎo)豎式魚道參數(shù)設(shè)計(jì)基本合理，比較適合需要保護(hù)的4大家魚洄游上溯。通過活魚試驗(yàn)，驗(yàn)證了魚類上溯喜好的水力條件等。

魚道；洄游；同側(cè)導(dǎo)豎式；池室；流速

1 研究背景

目前我國水資源的治理和開發(fā)進(jìn)入了新的階段，在我國的大江大河上修建了越來越多的大壩以及其他阻隔建筑物等，阻斷了原河流的連續(xù)性，改變了河流固有的自然特性，閘壩上下游的水環(huán)境與水生態(tài)環(huán)境條件產(chǎn)生較大變化。一般而言，閘壩修建后，魚類棲息地環(huán)境質(zhì)量、水位、流量、水溫等環(huán)境因素的變化將會(huì)對(duì)魚類習(xí)性產(chǎn)生較大影響，阻斷水生動(dòng)物（主要是魚類）的遷移，可能會(huì)直接導(dǎo)致某些溯河回游魚類種群的滅絕。阻隔作用與污染作用不同，它具有非連續(xù)性的特點(diǎn)，具有一處阻斷、完全隔絕的特征［1］。因此，如何更有效地恢復(fù)河流的連通性，協(xié)調(diào)好大壩建設(shè)與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系，研究河流生態(tài)修復(fù)，成為水生態(tài)領(lǐng)域和水利工程的迫切需求，而魚道作為一種保護(hù)生物資源的工程措施，以其本身固有的特點(diǎn)，基本能滿足人們恢復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)的要求［2］。

一般來說，魚道的隔板型式可大致分為堰流式、孔口式、豎縫式等。1908年比利時(shí)學(xué)者丹尼爾（G．Denil）設(shè)計(jì)并建造了世界上第一座魚道，在1946年加拿大Fraser河鬼門（Hell’s Gate）峽建成第一座豎縫式魚道起，至1947年共建成了6座豎縫式魚道和1座堰式魚道。豎縫式魚道在我國采用較多，如江蘇的斗龍港魚道、瓜州閘魚道、利民河魚道，安徽的裕溪閘魚道，浙江的七里垅魚道等。豎縫式魚道的優(yōu)點(diǎn)是能適應(yīng)不同水深的魚類洄游，水位的變化，魚類不受水位變化的影響，因此在各型魚道中備受推崇［3］。

2 模型布置及運(yùn)行工況

2．1 模型布置

本魚道在下游設(shè)置2個(gè)進(jìn)魚口，以適應(yīng)下游水位5．2 m變幅的要求。低水位進(jìn)魚口（定義為第一進(jìn)魚口）進(jìn)口底板高程為171．80 m，適應(yīng)下游水位為173．30～175．90 m；高水位進(jìn)魚口（定義為第二進(jìn)魚口）進(jìn)口底板高程為174．40 m，適應(yīng)下游水位為175．90～178．50 m。低水位時(shí)開啟節(jié)制閘門，關(guān)閉擋水閘門，魚道的水流從低水位進(jìn)魚口出流；下游水位高于低水位進(jìn)魚口工作水位時(shí)，節(jié)制閘門關(guān)閉，擋水閘門開啟，水流從高水位進(jìn)魚口出流。

原型中單個(gè)過魚池凈寬2．0 m，長2．6 m，底坡2．0%，每間隔10個(gè)隔板設(shè)置一個(gè)長5．2 m的平底休息池。過魚池及休息池隔板采用同側(cè)導(dǎo)豎式，隔板厚20 cm，豎縫寬度為40 cm，設(shè)計(jì)最小水深為1．5 m。模型按重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，模型比尺為1∶10，主要模擬了原型魚道底板高程171．80～176．58 m段（包括第一進(jìn)魚口及第二進(jìn)魚口），其中，完整池室約90個(gè)，休息池10個(gè)。模型包括上游量水堰、水庫以及下游水池等，模型長度約40 m，寬度約1．2 m。模型布置見圖1。

2．2 運(yùn)行工況

本文主要介紹利用魚道第一進(jìn)魚口進(jìn)魚時(shí)的成果，主要運(yùn)行工況為上游水位為191．73 m、下游水位分別為173．30 m（進(jìn)魚口水深1．5 m，定義為工況1）和175．90 m（進(jìn)魚口水深4．10 m，定義為工況2）。

圖1 模型模擬部分及單個(gè)池室布置圖Fig．1 Layout of themodel and a single pool room

3 試驗(yàn)研究成果

3．1 流 態(tài)

工況1條件下，上游水庫水位平穩(wěn)，無明顯波動(dòng)。水流進(jìn)入第一級(jí)豎縫隔板時(shí)，由正向進(jìn)流調(diào)整為左側(cè)（較窄隔板側(cè)）進(jìn)流，水流在隔板前壅高，并在豎縫處形成明顯的跌落；水流經(jīng)豎縫調(diào)整后，向右以45°進(jìn)入第一級(jí)池室，由于慣性作用繼續(xù)流向右側(cè)，但未直接沖擊右側(cè)側(cè)墻；主流在到達(dá)池室中間斷面時(shí)，受下一級(jí)豎縫的影響，逐漸流向左側(cè)，在池室內(nèi)呈“S”形，兩側(cè)邊墻附近的水流為弱回流，右側(cè)寬隔板上下游小范圍內(nèi)的流速較小或呈靜水狀態(tài)。以下其他各級(jí)池室的水流流態(tài)與第一級(jí)池室基本相同。水流出最后一級(jí)池室，流向魚道進(jìn)口時(shí)，在最后一級(jí)左側(cè)窄隔板導(dǎo)流下，魚道進(jìn)口水流流向右側(cè)，順右側(cè)而行，左側(cè)為弱回流形態(tài)。整個(gè)池室內(nèi)水流較為平穩(wěn)，流態(tài)良好。各部位水流基本形態(tài)見圖2。

圖2 工況1條件下魚道各部位流態(tài)Fig．2 Flow patterns at the outlet and in the fishway in working condition 1

工況2條件下，下游水位升高后，第二進(jìn)口以下的魚道池室水深沿程逐漸增加，豎縫處的過水面積增大，流速逐漸變緩，池室內(nèi)的主流形態(tài)仍呈“S”形。但池室的水流較順直，行程縮短。水流經(jīng)第一進(jìn)口時(shí)，仍沿右側(cè)下行，但左側(cè)的回流面積增大，魚道第二進(jìn)口及其他池室的流態(tài)與工況1基本類同。

3．2 池室沿程水深

在各個(gè)池室內(nèi)均布置了水位測(cè)點(diǎn)，對(duì)魚道沿程水深進(jìn)行觀測(cè)并分別計(jì)算各級(jí)池室的水位差。試驗(yàn)結(jié)果表明，工況1條件下，沿程池室水深可維持在1．50 m左右，上下級(jí)池室的水位差均為0．05 m，與池室底板坡度2%相近，休息池內(nèi)水深略小，為1．48 m。工況2條件下，下游水位抬升后，第一進(jìn)魚口處水深為4．10 m，向上游沿程逐漸減小，至模型上游魚道出口時(shí)水深變?yōu)?．61 m，上下級(jí)池室內(nèi)水位差在上游段基本為0．05 m，至下游段后逐漸減小。

3．3 流 速

工況1和2兩種條件下池室的表面流速矢量及流速等值線分布見圖3和圖4。

圖3 工況1池室內(nèi)表面流速分布及等值線圖Fig．3 Velocity distribution and contours on pool surface in working condition 1

圖4 工況2（水深4．1 m）池室表面流速分布及等值線圖Fig．4 Velocity distribution and contours on pool surface in working condition 2（water depth 4．1 m）

魚道的水流在工況1條件下，沿程池室的水流條件及流速分布基本相同，豎縫處流速在1．0 m／s左右，池室中間主流流速為0．4～0．8 m／s，兩側(cè)及隔板下游附近流速均小于0．3 m／s，呈回流或靜水狀態(tài)。

魚道的水流在工況2條件下，兩進(jìn)口間的池室沿程水深逐漸增加，過水?dāng)嗝婷娣e沿程逐漸增大，平均流速沿程逐漸減小。池室最大水深（4．1 m）處的豎縫流速在0．40 m／s左右，池室的流速也相應(yīng)逐漸減小，但主流流速仍大于0．20 m／s。

根據(jù)楊軍嚴(yán)［1］的研究結(jié)果，體長20～30 cm的魚類，其感應(yīng)流速為0．2～0．3 m／s，喜愛流速為0．5～0．8 m／s，通過孔口的極限流速為1．0～1．2 m／s。模型試驗(yàn)觀測(cè)的池室水力條件基本能滿足通過4大家魚（人工飼養(yǎng)的青魚、草魚、鰱魚、鳙魚）的上溯要求。

3．4 活魚試驗(yàn)

為了觀測(cè)活魚對(duì)本文魚道型式的適應(yīng)性，模型中進(jìn)行了活魚試驗(yàn)?；铘~選擇了2條青色鯽魚（1＃鯽魚長9．0 cm、寬2．5 cm；2＃鯽魚長6．0 cm、寬1．5 cm）以及近10條紅色雜交鯽魚（長度均在10．0 cm左右）。

工況1條件下，2條青色鯽魚表現(xiàn)出了較大的差異。1＃鯽魚在進(jìn)入池室后，能較快地找到主流及豎縫位置，迎流上溯，較迅速地穿過豎縫，進(jìn)入上一級(jí)池室，之后沿魚道左側(cè)窄隔板流速較小區(qū)域上溯，并偶有停頓，然后再沿豎縫通過進(jìn)入更上一級(jí)池室。1＃鯽魚在每上溯5～6級(jí)池室后會(huì)停留休息。2＃鯽魚在進(jìn)入池室后，也能沿主流經(jīng)豎縫上溯，但因體力相對(duì)較弱，沒能順利上溯，且有被豎縫水流沖至下游的現(xiàn)象發(fā)生。

考慮到魚類有群體活動(dòng)的特性，故選擇了10條紅色雜交鯽魚作為研究對(duì)象，以觀察魚類的群體活動(dòng)特性。試驗(yàn)工況選擇工況2。該工況下，雜交鯽魚在1＃青色鯽魚的帶動(dòng)下，能順利地找到主流及豎縫位置，一起較快地上溯，即使是較小體型鯽魚，也能跟著較快地順利上溯。在模型中3 min上溯距離約10 m。另外，該魚類均喜歡沿魚道底部上溯，活魚試驗(yàn)時(shí)魚類在池室中的上溯形態(tài)見圖5。

圖5 魚類在池室中上溯形態(tài)Fig．5 Upstream steps of fish in the pool

4 結(jié)論及建議

（1）導(dǎo)豎式隔板型魚道中，水流順豎縫向右以45°進(jìn)入下級(jí)池室，池室水流呈“S”形。主流兩側(cè)為弱回流，寬隔板上下游較小范圍的流速較小或呈靜水狀態(tài)。整個(gè)池室水流較為平穩(wěn)，流態(tài)良好，主流與靜水（或弱回流）分布區(qū)域合適，比較適合魚類洄游上溯。

（2）各工況下豎縫附近的最大流速均未超過1．2 m／s，主流流速變化也比較順暢，池室的小流速區(qū)和靜水區(qū)的面積均比較大，適合4大家魚魚群洄游上溯。在設(shè)計(jì)工況下，沿程池室內(nèi)水深基本相同，上下級(jí)池室內(nèi)水位差恒定，且與池室底板坡度相同，魚道隔板的尺寸及豎縫型式均滿足要求。

（3）活魚試驗(yàn)表明，在有魚群（多條魚）進(jìn)入池室時(shí)，體型大于6．0 cm×1．5 cm（體長×體寬）的魚類能順利地找到主流及豎縫位置，克服模型最大豎縫流速（約0．4 m／s），較順利地進(jìn)行洄游上溯，在3 min內(nèi)能上溯近10 m的距離。

綜上所述，魚道池室流態(tài)良好，流速分布合理，豎縫最大流速滿足要求。本魚道采用同側(cè)導(dǎo)豎式的隔板型式，池寬2．0 m，單池長2．6 m，豎縫寬度0．4 m，池底坡度2%等參數(shù)設(shè)計(jì)基本合理。本次模型試驗(yàn)成果，可供體長為20～30 cm的4大家魚保護(hù)魚類的相關(guān)工程魚道建設(shè)作為參考。

［1］ 楊軍嚴(yán)．初探水利水電工程阻隔作用對(duì)水生動(dòng)物資源及水生態(tài)環(huán)境影響與對(duì)策［J］．西北水力發(fā)電，2006，22（4）：80－82．（YANG Jun yan．Discussion on Ob struction of Hydraulic Engineering on Aquatic Resources and Aquatic Ecology and the Countermeasures［J］．Jour nal of Northwest Hydroelectric Power，2006，22（4）：80－82．（in Chinese））

［2］ 劉志雄，周 赤，黃明海．魚道應(yīng)用現(xiàn)狀和研究發(fā)展［J］．長江科學(xué)院院報(bào)，2010，27（4）：28－35．（LIU Zhi xiong，ZHOU Chi，HUANG Ming hai．Situation and De velopment of Fishway Research and Application［J］．Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2010，27（4）：28－35．（in Chinese））

［3］ 南京水利科學(xué)研究所．魚道［M］．北京：電力工業(yè)出版社，1982．（Nanjing Hydraulic Research Institute．Fish way［M］．Beijing：Electric Power Industry Press，1982．（in Chinese） ）

（編輯：黃 玲）

Hydraulic Characteristics of Vertical Cross set Slots Fishway w ith Deflecting Block

LIU Zhi xiong，YUE Han sheng，WANG Meng
（Hydraulics Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The hydraulic characteristics in the pool of vertical cross set slots fishway with deflecting block were re searched through 1∶10 partial fishwaymodel test．The hydraulic factors such as flow regime，velocity distribution in the pool and the suitable upstream path for targeted fisheswere observed，and the baffle shape，slotwidth and pool length were analyzed．The results verified the rationality of the baffle type，pool size，and parameters of the fish way．Through live fish experiment，we get the physiological characteristics and hydraulic conditions favorable for the breedingmigration of fourmajor Chinese carps．

fishway；migration；vertical cross set slots fishway with deflecting block；pool room；flow velocity

S956．3

A

1001－5485（2013）08－0113－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．08．024

2013，30（08）：113－116

2013－04－25；

2013－06－03

劉志雄（1975－），男，湖北監(jiān)利人，高級(jí)工程師，主要從事水力學(xué)研究，（電話）027－82829760（電子信箱）Liuzx＠m(xù)ail．crsri．cn。