仿自然型魚道進(jìn)出口布置試驗(yàn)研究

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(長(zhǎng)江科學(xué)院 水力學(xué)研究所， 武漢 430010)

1 研究背景

修建的大壩等水利設(shè)施切斷了河流的連續(xù)性，改變了魚類棲息地的環(huán)境(如水位、流量、水溫等)，阻礙了魚類的洄游通道，甚至導(dǎo)致某些溯河洄游魚類種群的滅絕[1-2]。為保護(hù)河流漁業(yè)資源和水生態(tài)環(huán)境, 維護(hù)生態(tài)平衡，過(guò)魚設(shè)施的研究與建設(shè)變得十分重要。

魚道是人工修建的供魚類等生物通過(guò)水閘、大壩等障礙物的人工水槽或水道。原始的魚道是開鑿河道中的礁石、急灘等天然障礙以溝通魚類的洄游路線，直到100 a前才有了近代的魚道設(shè)計(jì)。1909—1913年間，比利時(shí)工程師丹尼爾設(shè)計(jì)了著名的“丹尼爾型魚道”[3]，之后相繼出現(xiàn)了水池型魚道、槽型魚道、隔板型魚道等。這些魚道都是以通過(guò)某種主要經(jīng)濟(jì)魚類或珍稀魚類為目的，比如美國(guó)大西洋鮭魚、鱒魚，法國(guó)西鯡魚和日本香魚等[4]。從運(yùn)行實(shí)踐看，對(duì)于某些特殊魚類(珍稀魚類、經(jīng)濟(jì)魚類)的過(guò)壩問(wèn)題，有很多傳統(tǒng)魚道取得了不錯(cuò)的效果。但是，為了解決更多魚類過(guò)壩的問(wèn)題，上世紀(jì)70年代，Katopodis等[5]首次提出仿自然型魚道(Nature-like Fishway)的概念。仿自然型魚道設(shè)計(jì)靈活，采用天然漂石、沙礫、木頭等盡可能地模擬天然河流的水流形態(tài)，水流條件更為魚類所熟悉，故而具有較高的過(guò)魚效率。自問(wèn)世以來(lái)，其在德國(guó)、瑞典、日本等國(guó)得到較多的實(shí)踐應(yīng)用。Komura等[6]研究了漂石的布置位置對(duì)水流特性的影響； Acharya等[7]通過(guò)模型試驗(yàn)研究了不同形狀加糙元件的布置間距對(duì)水流流態(tài)的影響，提出了加糙元件的布置間距范圍；Acharya等還提出在空間位置允許的情況下，仿自然型魚道比其他傳統(tǒng)魚道更適合布置在中低水頭水利樞紐處；1996年和2002年德國(guó)水資源與國(guó)土開發(fā)協(xié)會(huì)和聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織分別對(duì)仿自然型魚道的設(shè)計(jì)方法提出了德文版和英文版的設(shè)計(jì)導(dǎo)則[8]。國(guó)內(nèi)、外一般在較低工作水頭的水利設(shè)施中使用仿自然型魚道，如Liard Highway culverts工程只有幾十厘米水頭，加拿大馬尼托巴湖的Minnedosa Dam工程和德國(guó)的Rhine River工程水頭稍大，分別為5 m和9 m[5]。但是在較大工作水頭情況下布置仿自然型魚道的情況鮮有研究。

2 仿自然型魚道的類型及特點(diǎn)

仿自然型魚道大致可分為2種不同的形式：水池淺灘型魚道和加糙坡道型魚道[5，7]。

水池淺灘型魚道是梯級(jí)的構(gòu)造形式，由陡峭的短渠或是低堰聯(lián)結(jié)長(zhǎng)且平坦的水池組成(見圖1)。淺灘處的水深較淺，流速較大，而水池內(nèi)則恰好相反，2個(gè)相鄰水池水位差異越大，則水池間的淺灘處的流速越大。為了魚類的成功上溯，淺灘處的流速需要小于魚類的突進(jìn)速度，水池內(nèi)的水流應(yīng)相對(duì)平靜且流速應(yīng)在魚類持續(xù)速度范圍內(nèi)。水池淺灘型魚道長(zhǎng)度較長(zhǎng)，可順直亦可彎曲，還可以在河道岸邊或是中心島上開鑿旁路水道，模擬天然河流。

圖1 水池淺灘型魚道示意圖Fig.1 Plan view and profile of pool and riffle fishway

加糙坡道型魚道由一個(gè)長(zhǎng)的斜槽構(gòu)成(見圖2)。坡道的坡度和長(zhǎng)度受魚類耐久式游泳能力的限制，需要在坡道中每隔一段距離添加一個(gè)休息池。休息池可以是人工彎道的靜水區(qū)或是在斜槽內(nèi)布置大型天然漂石所形成的低流速區(qū)。根據(jù)漂石的碼放方式可分為規(guī)則碼放的嵌石結(jié)構(gòu)、松散碼放的堆石結(jié)構(gòu)和漂石交錯(cuò)布置結(jié)構(gòu)。規(guī)則碼放時(shí)，漂石緊密相嵌，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，抵抗水流剪切的效果好，其底坡可適當(dāng)大些；漂石松散碼放時(shí)，水流結(jié)構(gòu)更加豐富，但是抗沖刷能力相對(duì)較弱，底坡應(yīng)適當(dāng)小一些；漂石交錯(cuò)布置時(shí)，在坡面上形成數(shù)量眾多大小不一的水潭，以模擬天然河道多變的水流條件[8]。

圖2 加糙坡道型魚道示意圖Fig.2 Plan view and profile of rocky ramp fishway

上述2種類型的仿自然型魚道的布置形式不同，但是具有一定的相同點(diǎn)：①就地取材，盡可能地模擬天然河流的水流形態(tài)；②適合各種魚類自由上溯和降河，過(guò)魚效率高且具有生態(tài)廊道功能；③占用面積大，需要有合適的地形，在低水位時(shí)，容易干涸，需底床封閉[9]；④為了防止洪水、冰凍以及其它極端條件的破壞，需要保持結(jié)構(gòu)完整、穩(wěn)定，因此，建造費(fèi)用低，維護(hù)費(fèi)用稍高。

3 仿自然型魚道的試驗(yàn)研究

3.1 現(xiàn)場(chǎng)概況

最近，我國(guó)長(zhǎng)江某段擬將建設(shè)一座低水頭徑流式水電站，該水電站壩軸線長(zhǎng)約1 900 m，沿壩軸線從左至右布置有棄渣回填平臺(tái)、雙線船閘、左汊溢流壩、左汊電站廠房(6臺(tái)發(fā)電機(jī)組)、魚道、連接土石壩、右汊電站廠房(6臺(tái)發(fā)電機(jī)組)、右汊溢流堰及右汊連接壩段等。電站廠房位于河床中A島上(見圖3)。A島近壩端形成突咀，左汊的水深較右汊淺，過(guò)水?dāng)嗝姹扔毅鈱?。該工程擬將采用具有自然特征的水道型式的過(guò)魚設(shè)施，其主要建筑物由進(jìn)魚口段、仿自然型河道段、出魚口段、觀測(cè)室和節(jié)制閘門及輔助設(shè)施等組成，并將仿自然型河道沿A島岸坡布置。上游最高過(guò)魚水位為196.0 m，最低過(guò)魚水位為191.5 m，水位變幅為4.5 m；下游最高過(guò)魚水位為182.9 m，最低過(guò)魚水位為172.5 m，水位變幅為10.4 m；上下游最大水位差23.5 m。最小過(guò)魚流量和最大過(guò)魚流量分別為2 340 m3/s和20 000 m3/s左右。

圖3 A島上下游流速測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Distribution of velocity measurement points in the upstream and the downstream of island A

根據(jù)該水電站工程所在江段附近漁獲物調(diào)查表明：通過(guò)該工程所在江段的魚類主要包括四大家魚等大型經(jīng)濟(jì)魚類，及圓口銅魚、長(zhǎng)鰭吻鮈、巖原鯉、長(zhǎng)薄鰍、紅唇薄鰍、白鱘等珍稀魚類。產(chǎn)漂流性卵類群和急流中產(chǎn)強(qiáng)黏性卵類群占到該江段洄游魚類的一半以上。這些魚類中大部分均適應(yīng)激流生境，棲息水層分布較廣，從底層深槽到中上層水深均有分布。各種魚類的最早產(chǎn)卵時(shí)間在3月下旬，最遲產(chǎn)卵時(shí)間在7月中旬，考慮到魚類從該電站下游上溯至產(chǎn)卵場(chǎng)需要一定的時(shí)間和珍稀特有魚類發(fā)育成幼魚或亞成魚上溯至上游等因素，過(guò)魚設(shè)施的運(yùn)行時(shí)間，初步擬定在3月上旬開始，8月結(jié)束，過(guò)魚歷時(shí)6個(gè)月。根據(jù)部分文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)表明[8，10]，仿自然型魚道最大流速一般不允許超過(guò)2 m/s，魚類用側(cè)線、內(nèi)耳和神經(jīng)丘來(lái)感應(yīng)水流流動(dòng)，各種魚類最低感應(yīng)流速大多在0.2 m/s左右。

3.2 模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)是在正態(tài)水工整體模型上進(jìn)行的，模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，幾何比尺為100。模型模擬壩軸線上游地形長(zhǎng)度為4.5 km，下游為地形長(zhǎng)度6.5 km，高程210 m以下的河道地形。模型地形由水泥砂漿制作，電廠及泄洪壩段采用有機(jī)玻璃制作。采用電磁流量計(jì)進(jìn)行流量測(cè)量，上、下游水位利用測(cè)針進(jìn)行水位觀測(cè)，流速采用旋槳流速儀測(cè)量。

通過(guò)魚道整體模型，對(duì)下泄不同流量以及同級(jí)流量時(shí)電站不同調(diào)度方式下A島左、右汊岸坡附近等部位的流態(tài)、流速分布等水力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以獲得仿自然型魚道進(jìn)、出口附近的水流特性，為進(jìn)、出口的布置提供依據(jù)。

3.3 試驗(yàn)內(nèi)容

研究?jī)?nèi)容主要包括不同下泄流量及相同流量、電站不同調(diào)度方式下，魚道進(jìn)、出口附近水流流態(tài)及流速分布。試驗(yàn)工況見表1。

表1 模型試驗(yàn)工況Table 1 Model test cases

流速測(cè)點(diǎn)布置：下游A島左汊布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)斷面，右汊布置11個(gè)測(cè)點(diǎn)斷面，上游左右汊各3個(gè)測(cè)點(diǎn)斷面。測(cè)點(diǎn)具體布置方案見表2，布置圖見圖3。

表2 流速測(cè)點(diǎn)布置方案Table 2 Distribution of velocity measurement points

注：壩軸線樁號(hào)為0+00.0 m，各流速測(cè)點(diǎn)斷面與上下游A島邊坡的交點(diǎn)與壩軸線的直線距離為該流速測(cè)點(diǎn)斷面的樁號(hào)，壩軸線上游為負(fù)，下游為正。

3.4 試驗(yàn)成果

3.4.1 流 態(tài)

工況1(流量為2 300 m3/s，左汊5#和6#機(jī)組發(fā)電)條件下，上游水庫(kù)水位非常平穩(wěn)，水流順A島左岸平順地進(jìn)入電站。水流出電廠后，在樁號(hào)0+188.21 m的A島左側(cè)邊坡附近形成橫向水流。樁號(hào)0+188.21 m斷面之后，水流逐漸調(diào)整為順A島邊坡向下，在樁號(hào)0+310.0至0+650.0 m范圍內(nèi)，水流貼坡而行，流經(jīng)樁號(hào)0+650.0 m斷面后，水流由于慣性作用，繼續(xù)順直線邊坡的方向向下，因此，主流逐漸偏離了A島，并在樁號(hào)0+660.0 m斷面附近水流到達(dá)下游河床的左岸，然后順左岸深槽向下。工況2和工況1相比，水流在樁號(hào)0+210.0至0+420.0 m范圍更為順直，在樁號(hào)0+540.0 m斷面附近直達(dá)岸坡。

隨著發(fā)電機(jī)組從2臺(tái)增加到12臺(tái)時(shí)，下泄總流量逐漸也從2 300 m3/s增加到14 400 m3/s，A島左右兩汊流態(tài)基本相似，即水流出電廠后，在樁號(hào)0+180.0至0+320.0 m斷面內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，在樁號(hào)0+420.0至0+760.0 m斷面范圍內(nèi)順坡而行，然后左汊的主流逐漸偏向左側(cè)，右汊的主流逐漸偏向右側(cè)。

在工況15(流量為20 000 m3/s，左右汊共12臺(tái)機(jī)組發(fā)電且左汊溢流壩控泄5 600 m3/s)條件下，右汊電廠下游流態(tài)基本和以上類似，但由于下泄水流的作用，左汊全程表現(xiàn)為順A島左側(cè)岸坡下行。

3.4.2 流 速

魚道進(jìn)口部位：在工況1(流量為2 300 m3/s，左汊5#和6#機(jī)組發(fā)電)條件下，斷面0+312.16至0+763.41 m范圍內(nèi)流速較大，分布也較均勻，均在3.2 m/s左右，斷面0+892.82 m之后，流速<2 m/s，斷面0+1 092.82至1 684.54 m范圍內(nèi)流速減小明顯，測(cè)點(diǎn)流速均<1.0 m/s；工況2和工況1相比，水流在斷面0+427.32至0+763.41 m范圍內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的流速更大，最大流速約4.15 m/s。工況10時(shí)，平均流速>2.0 m/s的斷面為右汊的0+313.92至0+540.76 m斷面，左汊的0+312.16至0+763.41 m斷面，左右兩汊最大流速均約為2.6 m/s。左汊斷面0+892.82 m、右汊斷面0+684.65 m之后，流速均<2 m/s。

左汊隨著發(fā)電機(jī)組從2臺(tái)增加到6臺(tái)時(shí)，流速≤2 m/s的斷面逐漸從斷面0+892.82 m之后移動(dòng)到斷面0+1 550.54 m之后。相同情況下右汊流速≤2 m/s的斷面逐漸從斷面0+684.65 m之后移動(dòng)到斷面0+1 077.19 m之后。

魚道出口部位：測(cè)點(diǎn)流速在下泄流量<9 600 m3/s時(shí) ，測(cè)點(diǎn)平均流速基本均<0.5 m/s，流量>14 400 m3/s 時(shí)，流速均大于0.5 m/s。且相同流量條件下，越靠近上游，流速越小，且左汊流速大于相同斷面右汊流速。

3.4.3 放魚試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用體長(zhǎng)10 cm、體寬2.5 cm左右的紅色金魚進(jìn)行試驗(yàn)。在A島下游河道最窄斷面釋放試驗(yàn)魚，在下游經(jīng)短暫的適應(yīng)與休息后，試驗(yàn)魚開始自主上溯，并呈多排交叉前進(jìn)。當(dāng)上行至A島尾部附近斷面時(shí)，試驗(yàn)魚左右徘徊，時(shí)上時(shí)下，停留較長(zhǎng)時(shí)間。右汊水深較大，進(jìn)入右汊的試驗(yàn)魚沿著右岸岸坡，較快的上行至0+684.65 m斷面附近。左汊A島尾部附近水深較淺，試驗(yàn)魚行至此處時(shí)，逐漸繞行，呈斜線循著左汊主流緩慢前進(jìn)，逐漸繞行至左汊深槽中，有的甚至繞行至左岸的引航道口門區(qū)附近。為確保魚類順利找到進(jìn)魚口，左汊應(yīng)設(shè)置誘魚和攔魚設(shè)施，或是在進(jìn)口附近采用相對(duì)較大的底坡，適當(dāng)增大流速，提高誘魚效果。

綜上所述：不同下泄流量下A島兩汊的流態(tài)基本相似，波動(dòng)較??；在僅有左右汊電站尾水出流且流量相同情況下，電站尾水在尾水渠坡頂線與A島突咀上游兩汊邊坡之間夾角區(qū)域均出現(xiàn)局部大流速區(qū)；相同下泄流量下，左汊的水深較右汊淺，過(guò)水?dāng)嗝姹扔毅鈱?。因此，同斷面相比，流速分布基本類似；發(fā)電機(jī)組數(shù)量相同時(shí)，發(fā)電機(jī)組越靠近岸邊，水流受A島邊坡的影響越小，較大流速的范圍越向下游移動(dòng)。

結(jié)合通過(guò)該工程所在江段的過(guò)魚對(duì)象的生物學(xué)習(xí)性可知，各種魚類最低感應(yīng)流速大多在0.2 m/s左右，仿自然型魚道最大流速不能超過(guò)2 m/s。對(duì)比分析各工況，工況10(流量為7 200 m3/s，左汊4#-6#、右汊1#-3#機(jī)組發(fā)電)既滿足一定的發(fā)電要求，同時(shí)壩上游流速較小，下游A島兩汊岸坡附近流態(tài)平穩(wěn)，流速在0.2～2 m/s范圍內(nèi)的區(qū)域較大，故而電站如此運(yùn)行適宜魚類尋找魚道進(jìn)口。工況10壩下游流場(chǎng)圖見圖4。

圖4 工況10壩下游流場(chǎng)圖Fig.4 Flow field in the downstream of dam in case 10

壩下游，A島左汊斷面0+892.82至0+1 550.54 m，右汊斷面0+684.65至0+1 077.19 m，流態(tài)平穩(wěn)，坡腳處流速較小，流速為0.2～1 m/s；遠(yuǎn)離坡腳時(shí)，流速逐漸增大，但水流流速均小于2 m/s。斷面的流速分布不均勻，反而有利于魚類的休息與通行，結(jié)合過(guò)魚試驗(yàn)并考慮經(jīng)濟(jì)因素確定進(jìn)魚口適合布置在這2個(gè)范圍內(nèi)，但在左汊需設(shè)置攔魚和誘魚設(shè)施。壩上游，左汊斷面0-757.31至0-956.99 m，右汊斷面0-1 020.89至0-1 162.79 m，水流平穩(wěn)，流線順直，且流速較小，在這2個(gè)范圍內(nèi)可布置魚道出口。魚道進(jìn)、出口推薦布置位置見圖5。

圖5 仿自然型魚道進(jìn)、出口位置布置方案圖Fig.5 Layout of entrance and exit of nature-like fishway

4 結(jié) 語(yǔ)

仿自然型魚道進(jìn)出口附近水流條件如何直接影響魚道的正常運(yùn)行，而進(jìn)出口附近的水流條件與電站的運(yùn)行方式和進(jìn)出口的位置關(guān)系密切，通過(guò)整體模型試驗(yàn)，得到該工程魚道進(jìn)出口附近水流條件的影響因素和適宜位置，結(jié)論如下：

(1) 在較大工作水頭的水利樞紐處布置仿自然型魚道，需要合理安排電站的運(yùn)行方式和魚道的進(jìn)出口位置；魚道進(jìn)、出口應(yīng)適應(yīng)水庫(kù)水位變化，進(jìn)口附近需設(shè)置攔魚和誘魚設(shè)施，出口宜布置在水庫(kù)回水區(qū)末端附近，以免過(guò)壩魚類受到閘壩工程的不利影響。

(2) 該工程不同下泄流量及相同下泄流量、樞紐不同運(yùn)行方式，對(duì)魚道進(jìn)、出口附近水流的水力學(xué)特性影響較大，尤其是流速分布。

(3) 該工程魚道進(jìn)口能被大部分過(guò)壩魚類所察覺(jué)并找到，對(duì)于喜歡在中下層洄游的大中型魚類，效果更佳。

(4) 該工程由于河道較寬，在過(guò)魚季節(jié)上下游水位變幅較大，且A島兩汊水流條件類似，故建議在A島兩汊(進(jìn)口范圍：左、右汊范圍分別為樁號(hào)0+900.00至0+1 600.00 m和樁號(hào)0+700.00至0+1 100.00 m，出口范圍：左、右汊范圍分別為樁號(hào)0-760.00至0-950.00 m和樁號(hào)0-1 030.00至0-1 160.00 m)均布置多個(gè)魚道進(jìn)、出口。

參考文獻(xiàn)：

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

[2] 楊軍嚴(yán).初探水利水電工程阻隔作用對(duì)水生生物資源及水生態(tài)環(huán)境影響與對(duì)策[J] .西北水力發(fā)電，2006，22(4)：22-29.(YANG Jun-yan. Discussion on Obstruction of Hydraulic Engineering on Aquatic Resources and Aquatic Ecology and the Countermeasures[J].Journal of Northwest Hydroelectric Power,2006,22(4):22-29.(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. Fishway[M] .Beijing: Electric Power Industry Press, 1982.(in Chinese))

[4] 曹慶磊，楊文俊，周良景.國(guó)內(nèi)外過(guò)魚設(shè)施研究綜述[J] .長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2010，27(5)：39-43.(CAO Qing-lei, YANG Wen-jun, ZHOU Liang-jing. Review on Study of Passing Facilities for Fishes at Home and Abroad[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2010, 27(5):39-43.(in Chinese))

[5] KATOPODIS C, KELLS J A, ACHARYA M. Nature-Like and Conventional Fishways: Alternative Concepts? [J].Canadian Water Resources Journal, 2001, 26(2): 211-232.

[6] KOMURA S, KAZUSA S, HARA T. Naturally Shaped Fishway of the Nagara River Estuary Barrage[C]∥Proceedings of the 2nd International Symposium on Habitat Hydraulics, Quebec, Canada. June 1-5,1996: B855-B860.

[7] ACHARYA M, KELLS J A, KATOPODIS C. Some Hydraulic Design Aspects of Nature-Like Fishways [C]∥Proceedings of the Joint Conference on Water Resource Engineering and Water Resources Planning and Management, Minneapolis, Minnesota, United States. July 30-August 2, 2000: 1-10.

[8] 孫雙科，張國(guó)強(qiáng).環(huán)境友好的近自然型魚道[J].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)， 2012，10(1)：41-47.(SUN Shuang-ke, ZHANG Guo-qiang. Environment-friendly Fishway in Close-to-nature Types[J]. Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research, 2012, 10(1) :41-47.(in Chinese))

[9] 陳凱麒，常仲農(nóng)，曹曉紅，等.我國(guó)魚道的建設(shè)現(xiàn)狀與展望[J].水利學(xué)報(bào)，2012，43(2)：182-188.(CHEN Kai-qi, CHANG Zhong-nong, CAO Xiao-hong,etal. Status and Prospection of Fish Pass Construction in China[J] . Journal of Hydraulic Engineering, 2012, 43(2): 182-188.(in Chinese))

[10] 史 斌，王 斌，徐 崗，等.浙江楠溪江攔河閘魚道進(jìn)口布置優(yōu)化研究[J].人民長(zhǎng)江，2011，42(1)：69-71.(SHI Bin, WANG Bin, XU Gang,etal. Research on Optimization of Fishway Entrance of Sluice on Nanxi River in Zhejiang Province[J]. Yangtze River, 2011, 42(1): 69-71.(in Chinese))