過魚設(shè)施進(jìn)口及吸引流設(shè)計(jì)

金志軍，單承康，崔磊，王 猛，羅 思，石小濤，馬衛(wèi)忠

(1.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081； 2.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120；3．三峽大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002)

過魚設(shè)施指能夠幫助受到阻隔的魚類順利上行或下行通過大壩或其他障礙物，到達(dá)其繁殖地、索餌場(chǎng)或越冬場(chǎng)等重要生活史場(chǎng)所的工程或技術(shù)手段。其主要原理是，首先通過一定的誘魚措施將壩下或壩上的魚類集中聚集起來，然后通過模擬自然的洄游通道或者人工將魚輸送過壩[1-2]。在誘魚設(shè)施有效，洄游通道或人工輸魚過程設(shè)置合理的情況下，魚類可以在過魚設(shè)施的幫助下順利通過大壩。Bunt等[3]對(duì)池堰式魚道、豎縫式魚道、丹尼爾式魚道和仿自然魚道的過魚效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)涉及6個(gè)國(guó)家的26種洄游魚類(包括河海洄游性魚類和河湖洄游性魚類)，數(shù)據(jù)顯示過魚設(shè)施進(jìn)口吸引率具有高度差異性：池堰式魚道的吸引率為29%～100%，平均值為77%，中位數(shù)為81%；豎縫式魚道的吸引率為0～100%，平均值為63%，中位數(shù)為80%；丹尼爾式魚道的吸引率為21%～100%，平均值為61%，中位數(shù)為57%；仿自然魚道的吸引率為0～100%，平均值為48%，中位數(shù)為50%。Bunt等[3]進(jìn)一步通過主成分分析和logistic回歸模型進(jìn)行研究，結(jié)果表明：過魚設(shè)施進(jìn)口吸引率的變化是由所研究魚類的生物學(xué)特性和進(jìn)口吸引力決定的。不考慮魚類生物學(xué)特性差異，過魚設(shè)施效果取決于內(nèi)部結(jié)構(gòu)和進(jìn)口條件，因此首先利用過魚設(shè)施效果評(píng)價(jià)模型，研究影響過魚效果的關(guān)鍵因素。

1 影響過魚效果的關(guān)鍵因素

過魚設(shè)施設(shè)計(jì)和實(shí)施的目的是為魚類提供安全、及時(shí)、有效的通道。這一過程中的幾個(gè)概念定義如下[4-5]：安全通過：魚類通過通行區(qū)過程中，不會(huì)導(dǎo)致不可接受的壓力，增加傷害或死亡(例如，渦輪卷吸、撞擊壩體和增加的被捕食幾率)；如果魚類通過障礙物過程中導(dǎo)致洄游延遲、生理損害或死亡，從而影響隨后的游泳行為、生長(zhǎng)或繁殖，則不應(yīng)將其視為安全過魚通道。及時(shí)通過：魚群通過通行區(qū)，沒有實(shí)質(zhì)性的延遲或影響其基本行為和生活史要求。高效通過：在一個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵時(shí)期，由于過魚設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、操作運(yùn)行和環(huán)境條件的良好條件下，目標(biāo)物種能有效通過通行區(qū)；目標(biāo)物種是否高效通過過魚設(shè)施主要由成功率和吸引率進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。過魚設(shè)施進(jìn)口吸引率PA：魚類到達(dá)過魚設(shè)施吸引區(qū)所占的比例，吸引區(qū)是指魚類感受到的魚道進(jìn)口吸引流或輔助誘導(dǎo)措施信號(hào)，吸引區(qū)一般指靠近過魚設(shè)施進(jìn)口附近；如圖1所示，到達(dá)壩下的10尾魚中有7尾魚被吸引到過魚設(shè)施進(jìn)口附近，則過魚設(shè)施進(jìn)口吸引率為70%。過魚設(shè)施進(jìn)口成功率PE：被過魚設(shè)施成功吸引并進(jìn)入進(jìn)口的比例，通常以進(jìn)入進(jìn)口的種群(包括種類和數(shù)量)百分比來度量；如圖1所示，靠近過魚設(shè)施進(jìn)口的7尾魚中有5尾魚通過進(jìn)口，則過魚設(shè)施進(jìn)口成功率為71.4%。魚道通過率PP：魚類進(jìn)入魚道并順利通過魚道的魚數(shù)量占進(jìn)入魚道數(shù)量的比例，也稱為“魚道內(nèi)部效率”；如圖1所示，進(jìn)入魚道內(nèi)的5尾魚中有4尾魚游出魚道出口，則魚道通過率為80%。過魚設(shè)施效率Ptot：一種定量測(cè)量從通行區(qū)成功通過整個(gè)障礙的魚種數(shù)量所占的比例，通常表示為進(jìn)口吸引率、進(jìn)口成功率和魚道通過率的乘積，也可定性反映過魚設(shè)施是否為魚類提供了安全、及時(shí)的通道。

圖1 過魚效果標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)模型示意圖

由圖1可見，設(shè)計(jì)過魚設(shè)施時(shí)需要考慮兩個(gè)關(guān)鍵問題：一是將魚吸引到進(jìn)口通道中，二是將魚移出過魚設(shè)施出口。進(jìn)口可通過性、魚道內(nèi)部可通過性和過魚設(shè)施操作運(yùn)行時(shí)間這3個(gè)因素決定了過魚設(shè)施總效果。其中進(jìn)口可通過性由進(jìn)口吸引率和進(jìn)口成功率決定；魚道內(nèi)部可通過性由魚道通過率決定；過魚設(shè)施操作運(yùn)行時(shí)間是指目標(biāo)魚類洄游期，在洄游期間過魚設(shè)施處于良好運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)短，很大程度上決定了魚總的通過數(shù)量。影響進(jìn)口可通過性的關(guān)鍵因素主要包括進(jìn)口位置、進(jìn)口朝向、吸引流流量、進(jìn)口流速和進(jìn)口水頭落差[6-7]。

2 我國(guó)過魚設(shè)施建設(shè)現(xiàn)狀及存在的主要問題

2.1 我國(guó)過魚設(shè)施建設(shè)現(xiàn)狀

在已有的過魚設(shè)施建設(shè)情況統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上[8-12]，進(jìn)一步收集資料，對(duì)1958—2018年水利水電工程建設(shè)項(xiàng)目的過魚設(shè)施工程進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，包括已建和設(shè)計(jì)中的過魚設(shè)施共80項(xiàng)，得到我國(guó)過魚設(shè)施類型和數(shù)量分布情況見圖2。

根據(jù)魚類洄游路徑來劃分，目前我國(guó)過魚設(shè)施項(xiàng)目均涉及魚類上行過魚設(shè)施，除了金沙江龍開口水電站和金沙江蘇洼龍水電站同時(shí)設(shè)計(jì)了魚類上行和下行過魚設(shè)施外，其余的水利水電工程配套的魚類下行過魚措施大多為網(wǎng)捕過壩或?qū)Ⅳ~類上行過魚設(shè)施作為魚類下行通道。因此下面主要針對(duì)魚類上行過魚設(shè)施進(jìn)行相關(guān)的介紹。

根據(jù)魚類是否自主上溯過壩，我國(guó)過魚設(shè)施可分為魚類自主上溯型過魚設(shè)施(有豎縫式魚道、池堰式魚道、仿自然魚道、丹尼爾魚道以及組合式)和魚類非自主上溯型過魚設(shè)施(升魚機(jī)、集運(yùn)魚船等集運(yùn)魚系統(tǒng))。其中自主上溯型過魚設(shè)施占75.0%(60項(xiàng))，非自主上溯型過魚設(shè)施占13.8%(11項(xiàng))，剩余的11.2%(9項(xiàng))過魚設(shè)施類型不詳。在所有類型已知的過魚設(shè)施中，其中豎縫式魚道占59.2%，池堰式魚道占14.1%，仿自然魚道占5.6%，仿自然+豎縫式組合形式占4.2%，丹尼爾魚道占1.4%，集運(yùn)魚船系統(tǒng)占5.6%，升魚機(jī)系統(tǒng)占9.9%。

我國(guó)豎縫式魚道類型有同側(cè)豎縫、異測(cè)豎縫和雙側(cè)豎縫式魚道；池堰式魚道主要為有帶孔(有底孔，中孔，表孔)和不帶孔的橫隔板式魚道；仿自然魚道的阻流體主要是由卵石砌起來的阻流墻(類似于豎縫式魚道)；過魚設(shè)施類型已知的統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目中只有廣州溪流河水廠壩過魚設(shè)施類型為丹尼爾式魚道；彭水水電站、馬馬崖一級(jí)水電站、龍開口水電站和果多水電站過魚設(shè)施類型均為集運(yùn)魚船系統(tǒng)。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，目前我國(guó)高壩過魚設(shè)施類型主要趨勢(shì)是集誘魚通道+提升系統(tǒng)+運(yùn)魚系統(tǒng)(運(yùn)魚船或運(yùn)魚車)的組合形式，如豐滿水電站、兩河口水電站、楊房溝水電站、雙江口水電站、黃登水電站、蘇洼龍水電站和卡拉水電站均是通過豎縫式魚道段集誘魚，絞車提升，運(yùn)魚船運(yùn)輸放流的形式來實(shí)現(xiàn)魚類上行過壩。

圖2 我國(guó)過魚設(shè)施類型和數(shù)量分布

2.2 我國(guó)過魚設(shè)施存在的主要問題

過魚設(shè)施吸引流包括從過魚設(shè)施出口流入魚道內(nèi)部的流量(設(shè)計(jì)流量，也稱為魚道基流)和過魚設(shè)施輔助吸引流系統(tǒng)排放的流量。通過對(duì)設(shè)計(jì)流量和輔助誘魚措施有明確數(shù)值或設(shè)計(jì)工藝的文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表1)，統(tǒng)計(jì)指標(biāo)包括魚道基流、輔助吸引流和誘魚措施等，結(jié)果表明我國(guó)過魚設(shè)施吸引流流量占?jí)沃范嗄昶骄髁亢桶l(fā)電引水流量的比率極小，甚至可以忽略不計(jì)(絕大部分少于1%)，這與陳凱麒等[9]2012年統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致；同時(shí)只有少數(shù)過魚設(shè)施設(shè)計(jì)有輔助吸引流，但目前仍未有成功案例報(bào)道。雖然部分過魚設(shè)施設(shè)計(jì)以通過少量的水噴出水柱濺落來產(chǎn)生水花、水流聲的補(bǔ)水方式，但至今未有文獻(xiàn)報(bào)道水聲、水花能增強(qiáng)過魚設(shè)施誘魚效果。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在吸引流流量定義和定量以及輔助吸引流設(shè)計(jì)工藝等方面我國(guó)尚無統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。

3 過魚設(shè)施競(jìng)爭(zhēng)流和吸引流

3.1 過魚設(shè)施競(jìng)爭(zhēng)流

在典型的水利水電項(xiàng)目中，河道水流經(jīng)過、穿過和繞過各種機(jī)器和水控制結(jié)構(gòu)。流經(jīng)渦輪機(jī)、溢洪道、閘等水控制結(jié)構(gòu)的水流產(chǎn)生的流場(chǎng)可能吸引魚，從而與過魚設(shè)施吸引流相競(jìng)爭(zhēng)。圖3為競(jìng)爭(zhēng)流和過魚設(shè)施吸引流相競(jìng)爭(zhēng)的例子，其中案例1中仿自然魚道進(jìn)口位置距離發(fā)電尾水較遠(yuǎn)，魚類容易被流量較大的發(fā)電尾水吸引，導(dǎo)致魚道吸引流與發(fā)電尾水競(jìng)爭(zhēng)失敗，案例2、3、4的魚道進(jìn)口位置是正確的。

圖3 過魚設(shè)施吸引流和競(jìng)爭(zhēng)流

表1 國(guó)內(nèi)部分魚道設(shè)計(jì)流量(魚道基流)、輔助吸引流和誘魚措施情況統(tǒng)計(jì)

注: 表格中N/A表示內(nèi)容不詳；其中通過少量的水以噴出水柱濺落來產(chǎn)生水花、水流聲來誘魚的補(bǔ)水方式在本表中不屬于輔助吸引流。

3.2 過魚設(shè)施吸引流

3.2.1吸引流流量

在大多數(shù)設(shè)計(jì)條件下，魚道內(nèi)部不能直接排放足夠的吸引流。因此，為了創(chuàng)造足夠的吸引水流，過魚設(shè)施必須輔以誘魚水流。目前確定吸引流的流量有以下兩種方法：①統(tǒng)計(jì)水文學(xué)法，即吸引流流量占河流流量的某一比例；②競(jìng)爭(zhēng)流占比法，即吸引流占所有競(jìng)爭(zhēng)流總和的某一比例。由于發(fā)電流量通常是最主要和最可預(yù)測(cè)的競(jìng)爭(zhēng)流量，因此這種方法通常被簡(jiǎn)化為吸引流量占發(fā)電流量的某一比例。采用統(tǒng)計(jì)水文學(xué)方法的情況下，通常魚道吸引流占河道總流量比例越大，其過魚效果越好。但是吸引流流量確定除了需要考慮發(fā)電效益外，同時(shí)受地形、壩下水流條件、季節(jié)變化和進(jìn)口與大壩相隔距離的影響。美國(guó)國(guó)家海洋漁業(yè)服務(wù)中心(National Marine Fisheries Service，NMFS)建議在諸如哥倫比亞河和蛇河(Columbia and Snake rivers)等大型河流的過魚設(shè)施中，其吸引流流量不低于河道年平均流量的3%；對(duì)于在無水電站的大壩中修建過魚設(shè)施，NMFS認(rèn)為美國(guó)西北地區(qū)年平均流量超過1 000立方英尺每秒(約30 m3/s)的河流，過魚設(shè)施吸引流流量占魚類洄游期間河道設(shè)計(jì)流量的5%～10%，且對(duì)于流量較小的河流，過魚設(shè)施吸引流所占的比例更大；此外，NMFS建議魚道吸引流應(yīng)該從整個(gè)過魚設(shè)施中流出或者在進(jìn)口段集中流出[41]。在英格蘭和威爾士地區(qū)，Armstrong等[42]建議過魚設(shè)施吸引流最小流量相當(dāng)于年平均河道流量的5%，如果可能的話，大于或等于10%。對(duì)于基于競(jìng)爭(zhēng)流占比法，針對(duì)有水力發(fā)電的大壩，NMFS建議過魚設(shè)施吸引流量不低于發(fā)電流量的3%～5%[42]；Orvis等[43]認(rèn)為過魚設(shè)施吸引流流量應(yīng)占最大發(fā)電流量的3%～5%；Armstrong等[42]推薦過魚設(shè)施吸引流流量占最大發(fā)電流量的5%～10%，同時(shí)對(duì)于流量較小的河道或者過魚設(shè)施進(jìn)口位置遠(yuǎn)離壩址的情況，要求過魚設(shè)施吸引流占競(jìng)爭(zhēng)流的比例更高。可見，國(guó)外在過魚設(shè)施吸引流流量定量方面有明確的推薦值和規(guī)定，但目前在我國(guó)還未有相關(guān)文獻(xiàn)和技術(shù)指南對(duì)過魚設(shè)施吸引流做出相關(guān)的規(guī)定。

在工程設(shè)計(jì)中，進(jìn)口吸引流除了引自庫區(qū)，也可通過工程措施將競(jìng)爭(zhēng)流轉(zhuǎn)化為過魚設(shè)施吸引流：如將小型生態(tài)水輪機(jī)的發(fā)電尾水充當(dāng)過魚設(shè)施輔助吸引流[44]，通過水泵輸送競(jìng)爭(zhēng)流至過魚設(shè)施進(jìn)口通道來充當(dāng)吸引流[45]，通過導(dǎo)流[38]、集流[46]等工程手段將發(fā)電尾水或河道池水導(dǎo)入進(jìn)口通道等，案例見圖4。圖4(a)為嘉陵江利澤航運(yùn)樞紐魚道進(jìn)口模型，魚道進(jìn)口左側(cè)斜切邊壁外每隔1.2 m布置了兩個(gè)混凝土導(dǎo)流墩，達(dá)到將發(fā)電尾水導(dǎo)入魚道進(jìn)口處增加進(jìn)口吸引流的目的；圖4(b)為美國(guó)Lewis河Merwin大壩集運(yùn)魚系統(tǒng)，輔助吸引流泵站通過管道將右岸發(fā)電尾水輸向左岸魚道進(jìn)口通道，最大可提供16.8 m3/s的流量；圖4(c)為德國(guó)Rhine河Iffezheim水電站魚道，魚道基流為1.2 m3/s，生態(tài)水輪機(jī)發(fā)電尾水提供吸引流流量高達(dá)11.8 m3/s；圖4(d)為葡萄牙Mondego河Coimbra壩魚道，壩下游開挖有集流凹槽，棄水流量在5～100 m3/s時(shí)，大部分水進(jìn)入左岸魚道進(jìn)口渠道，充當(dāng)吸引流。

圖4 增強(qiáng)過魚設(shè)施進(jìn)口吸引流的工程案例

3.2.2吸引流流速

過魚設(shè)施吸引流的水力影響一直持續(xù)到吸引流與尾水完全混合，射流的速度與周圍流場(chǎng)無法區(qū)分為止。為了增加過魚設(shè)施吸引流吸引力，射流的速度和吸引流容積必須產(chǎn)生足夠的動(dòng)量，以便與周邊水體區(qū)分，制造更廣的影響范圍。同時(shí)，射流速度不能對(duì)遷移魚類造成速度障礙。進(jìn)口速度受到進(jìn)口通道幾何形狀、進(jìn)口閘門的開度(或角度)、尾水高度及周邊競(jìng)爭(zhēng)流影響。閘門位置必須根據(jù)不同的尾水高度進(jìn)行調(diào)整，以保證良好的魚類通過條件。NMFS建議對(duì)于大西洋東海岸的過魚設(shè)施項(xiàng)目，如果過魚對(duì)象為美洲鯡魚，則進(jìn)口射流速度(在進(jìn)口處測(cè)量)在4至6英尺每秒(約1.219～1.829 m/s)的范圍內(nèi)；如果目標(biāo)魚種只有游泳能力較強(qiáng)的大西洋鮭魚，則進(jìn)口射流速度為4至8英尺每秒(約1.219～2.438 m/s)[41]。

魚類穿越較高流速區(qū)域，特別是通過速度屏障區(qū)(如魚道進(jìn)口高速區(qū)、堰口、孔口和豎縫等處)的能力取決于物種游泳能力和目標(biāo)物種個(gè)體大小，以及魚類必須通過高流速區(qū)的區(qū)域長(zhǎng)度。進(jìn)口射流制造的高速區(qū)長(zhǎng)度往往較短，在設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過魚類游泳速度-持續(xù)游泳時(shí)間關(guān)系曲線來推導(dǎo)出魚類可通過高流速區(qū)的區(qū)域長(zhǎng)度[5,47]，進(jìn)而反演出吸引流流量和流速的設(shè)計(jì)區(qū)間。

4 過魚設(shè)施布局

4.1 過魚設(shè)施位置

過魚設(shè)施位置的確定要考慮障礙物的布置、發(fā)電情況等因素。不同情況下的魚道位置見圖5。①障礙物無發(fā)電要求。在這種情況下(一般為低水頭堰)。攔河堰阻隔了魚類上行通道，上行魚類一般聚集堰下。這時(shí)，過魚設(shè)施通常位于靠近堰和河岸的位置。對(duì)于寬河道上的全河段障礙物，可能需要設(shè)計(jì)兩座魚道(圖5(a))；在障礙物斜向布置情況下，過魚設(shè)施應(yīng)位于河邊，其進(jìn)口在魚類通常聚集的尖角處(圖5(b))。②壩式水電站。在大多數(shù)情況下，發(fā)電尾水形成的主流吸引魚類向壩下聚攏。因此，魚道應(yīng)布置在臨近水輪機(jī)尾水管的岸邊處(圖5(c))。③引水式水電站。主河道經(jīng)常與來自發(fā)電尾水的水流相競(jìng)爭(zhēng)，但主河道流量制造的吸引流有限。由于大多數(shù)魚類將沿著發(fā)電尾水產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)流通道上溯，這將導(dǎo)致位于主河道處的過魚設(shè)施效果降低。此外，由于主河道相比發(fā)電尾水通道具有更寬的河道，但通過截面流量相比較少，因此低流量期間主河道的流速可能無法提供魚類洄游所需的水力條件(如流速和水深)。這種情況下，最好的解決方案是設(shè)計(jì)兩座魚道(圖5(d))。如果修建兩座魚道方案不可行，應(yīng)增加主河道的被感知能力(例如足夠的流量、水深和流速)，或者建造連接尾水通道和主河道的過魚旁路。

4.2 進(jìn)口位置和朝向

過魚設(shè)施進(jìn)口位置必須保證上行魚類通過吸引水流的引導(dǎo)及時(shí)進(jìn)入進(jìn)口。通常，進(jìn)口應(yīng)該位于緊鄰大壩壩下或壩下主流附近。在靠近廠房的水流流速相對(duì)較慢、湍動(dòng)值較低區(qū)域，往往能夠創(chuàng)造良好的進(jìn)口條件。在競(jìng)爭(zhēng)流存在的情況下，過魚設(shè)施進(jìn)口吸引率取決于吸引流影響范圍，因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免發(fā)電尾水對(duì)過魚設(shè)施吸引流流向、流速的影響，以確保過魚設(shè)施吸引流產(chǎn)生的水力信號(hào)到達(dá)盡可能遠(yuǎn)的下游。一般來說，過魚設(shè)施進(jìn)口吸引流水流方向應(yīng)盡可能與主流流向平行(要求小于30°)[48]。在不確定的情況下(項(xiàng)目環(huán)境復(fù)雜，如地形限制、競(jìng)爭(zhēng)流空間跨度大等情況)，往往需要結(jié)合物理模型和數(shù)值模擬來分析壩下水流流態(tài)。通常過魚設(shè)施進(jìn)口位置可以通過以下幾點(diǎn)確定：①靠近或接近魚類遷徙路徑；②靠近障礙物但遠(yuǎn)離高湍流區(qū)(發(fā)電尾水形成的水花區(qū))；③靠近河岸；④在主流一側(cè)(一般在外側(cè))；⑤在電站廠房所在位置的一側(cè)；⑥位于水輪機(jī)出水口靠近尾水管末端的一側(cè)，與水輪機(jī)出流流向平行或成一定角度(<30°)；⑦考慮到貼河底遷徙魚類，要求過魚設(shè)施進(jìn)口與河底進(jìn)行過渡性連接(即過魚設(shè)施進(jìn)口與河床通過仿自然坡道相連接，坡道坡度一般低于1:2)；⑧對(duì)于無發(fā)電用途的斜向溢流堰，魚道進(jìn)口布置幾種情況見圖6，其中(a)、(d)為魚道進(jìn)口位置正確布置方式。

圖5 不同情況下的魚道位置

圖6 斜向溢流堰情況下魚道進(jìn)口位置

4.3 尾水位變化條件下的過魚設(shè)施進(jìn)口

進(jìn)口的設(shè)計(jì)需要考慮壩下水位變化的情況。尾水水位的增加會(huì)導(dǎo)致過魚設(shè)施進(jìn)口通道淹沒，這將降低吸引流的吸引力。對(duì)于這個(gè)問題沒有整體的解決方案。所以，過魚設(shè)施進(jìn)口設(shè)計(jì)，應(yīng)該至少在魚類主要洄游周期和各個(gè)設(shè)計(jì)流量區(qū)間條件下確保其功能性。在工程實(shí)踐中，也可以通過一定措施使得在水位變化情況下過魚設(shè)施進(jìn)口的被感知能力達(dá)到最優(yōu)：①增加魚道基流或者輔助吸引流；進(jìn)口通道有可調(diào)節(jié)的閘門，保證進(jìn)口通道過流面可調(diào)。②過魚設(shè)施有多個(gè)進(jìn)口，并且各進(jìn)口有可以調(diào)控過流面開度的裝置。③對(duì)于仿自然魚道，如圖3(b)所示，即使下游尾水淹沒部分魚道，魚道仍可保證足夠的吸引力。

5 過魚設(shè)施進(jìn)口概化模型

在具有魚道的水利水電項(xiàng)目(尤其是我國(guó)西南地區(qū))中，壩下區(qū)域通?？臻g有限且地形復(fù)雜。這通常導(dǎo)致過魚設(shè)施進(jìn)口布置困難。通常需要過魚設(shè)施進(jìn)口進(jìn)行180°轉(zhuǎn)彎來使過魚設(shè)施吸引流與水電站尾水出流平行。在受限的空間下，增加進(jìn)口通道額外的輔助吸引流是一大難題。此外，在尾水位波動(dòng)情況下，必須在進(jìn)口安裝可調(diào)節(jié)裝置(如，閘門)，以保持恒定的吸引流流態(tài)。針對(duì)這種情況下的過魚設(shè)施進(jìn)口設(shè)計(jì)，下面提出一種過魚設(shè)施進(jìn)口概化模型。

過魚設(shè)施進(jìn)口概化模型見圖7(圖中Q為發(fā)電尾水競(jìng)爭(zhēng)流；Q1為魚道基流；Q2為輔助吸引流；Q3為過魚設(shè)施吸引流)。模型設(shè)計(jì)有4個(gè)關(guān)鍵的位置：①轉(zhuǎn)彎段。原則上，進(jìn)口通道180°偏轉(zhuǎn)能制造有利的水力條件，可以在有限的空間內(nèi)使進(jìn)口位置盡可能靠近障礙物(由于大壩阻隔，洄游期間往往有大量魚類聚集在壩下)，使進(jìn)口吸引流與競(jìng)爭(zhēng)流出流方向平行。對(duì)于特定工程而言，90°偏轉(zhuǎn)也可實(shí)現(xiàn)該目的。②調(diào)節(jié)裝置。該裝置的過流截面開度可以根據(jù)吸引流流量和尾水位進(jìn)行調(diào)節(jié)，以在入口處產(chǎn)生均勻的流動(dòng)，避免進(jìn)口處產(chǎn)生明顯的水流跌落現(xiàn)象。③檢修閘門。應(yīng)在進(jìn)口設(shè)置一個(gè)附加的關(guān)閉裝置，以便能夠關(guān)閉魚道進(jìn)行維修。④輔助吸引流通道。輔助吸引流進(jìn)入過魚通道前需要進(jìn)行消能整流。因此，輔助吸引流通道包括消能整流裝置(如混凝土塊陣列、管道陣列等)。此外，必須采取措施防止魚類進(jìn)入輔助吸引流通道。

圖7 過魚設(shè)施進(jìn)口概化模型示意圖

基于以上過魚設(shè)施進(jìn)口模型，進(jìn)一步提出系統(tǒng)各組成部件布置原則：

a. 輔助吸引流系統(tǒng)。輔助吸引流流量可能要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，可在輔助吸引流取水口或者在輔助吸引流進(jìn)入過魚通道前進(jìn)行調(diào)節(jié)。國(guó)外大多數(shù)魚道項(xiàng)目，輔助水流是通過壓力管道輸送到輔助吸引流渠道，很少采用明渠輸送。根據(jù)可用的水頭和流量，輔助吸引水流可先用于小型水輪機(jī)發(fā)電。輔助吸引流渠道中安裝具有消能整流功能的裝置，有助于制造均勻流態(tài)。同時(shí)，應(yīng)盡量保證輔助吸引流與魚道基流平行匯聚成進(jìn)口吸引流，輔助吸引流通道的流速受導(dǎo)魚網(wǎng)柵強(qiáng)度和過魚對(duì)象游泳能力的限制，一般該通道斷面平均流速介于0.2～0.4 m/s。

b. 導(dǎo)魚網(wǎng)柵。導(dǎo)魚網(wǎng)柵是由細(xì)條網(wǎng)組成的物理網(wǎng)屏，其目的是防止魚類和其他水生生物進(jìn)入輔助吸引流通道，細(xì)條網(wǎng)間距由過魚對(duì)象體形尺寸和游泳行為決定。導(dǎo)魚網(wǎng)柵必須經(jīng)常清理，同時(shí)輔助吸引流進(jìn)水口要做攔垃圾碎片的措施(如外圍設(shè)置濾網(wǎng))。此外輔助吸引流通道頂部要蓋上遮攔物(如網(wǎng)柵)，以防止人或物體掉入。導(dǎo)魚網(wǎng)柵與魚道基流流向的夾角要有利于引導(dǎo)魚進(jìn)入魚道內(nèi)部，一般為10°～30°，導(dǎo)魚網(wǎng)柵的高度要考慮尾水位變化和吸引流流量大小。

c. 進(jìn)口通道。進(jìn)口通道最小平均流速必須大于目標(biāo)魚類正趨流性發(fā)生的流速閾值，并確保在任何尾水條件下魚都能感應(yīng)到進(jìn)口。進(jìn)口通道最大平均流速取決于通道長(zhǎng)度和魚類游泳能力。進(jìn)口通道與河底通過仿自然坡道相連接，以便于底棲魚類能順利進(jìn)入進(jìn)口。

d.過水寬度調(diào)節(jié)閘門。閘門開度取決于吸引流流量、尾水位、過魚對(duì)象體形(如德國(guó)過魚設(shè)施設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求豎窄口寬度大于3倍的最大過魚對(duì)象的體寬[49])和游泳行為，閘門應(yīng)根據(jù)水力條件進(jìn)行調(diào)節(jié)，應(yīng)避免產(chǎn)生明顯的水流跌落。同時(shí)，閘門觸水面要求光滑，避免魚類上溯過程中擦傷。過水寬度調(diào)節(jié)閘門根據(jù)葉片數(shù)量可選擇180°轉(zhuǎn)向單葉閘門、雙葉片人字閘門和多葉片水力柵式閘門。

6 結(jié) 語

由于過魚設(shè)施進(jìn)口可通過性受多種因素的影響，很難將吸引流流量和過魚效率這兩者建立直接的相關(guān)性。但很明顯，過魚設(shè)施吸引流流量是影響過魚設(shè)施效果的關(guān)鍵參數(shù)。一般來說，過魚設(shè)施修建費(fèi)用和水能源生產(chǎn)損失等因素(也可能是由于特定場(chǎng)地的限制)是導(dǎo)致過魚設(shè)施吸引流的流量有限的主要原因。本文列舉了諸多案例，可利用水泵抽下游水、生態(tài)水輪機(jī)供給水等措施增強(qiáng)過魚設(shè)施進(jìn)口吸引力，同時(shí)也減少水能源損失。本文只概述了國(guó)外確定進(jìn)口吸引流的方法以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)工藝，并未推薦我國(guó)過魚設(shè)施進(jìn)口吸引流流量值范圍。但通過對(duì)我國(guó)已建或設(shè)計(jì)中過魚設(shè)施的統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)目前我國(guó)過魚設(shè)施吸引流流量普遍偏低，并且大部分過魚設(shè)施項(xiàng)目在設(shè)計(jì)時(shí)無輔助吸引流概念，這是制約過魚設(shè)施達(dá)到最佳效率關(guān)鍵點(diǎn)之一。本文中過魚設(shè)施進(jìn)口概化模型是在綜合考慮過魚設(shè)施進(jìn)口位置、進(jìn)口朝向、吸引流流量、進(jìn)口流速和進(jìn)口水頭落差等影響過魚設(shè)施進(jìn)口可通過性的關(guān)鍵因素的基礎(chǔ)上提出的，但還未有相關(guān)的試驗(yàn)對(duì)此模型進(jìn)行支撐，未來可參照該模型進(jìn)行各參數(shù)的定量研究。