通江河口長(zhǎng)槽多隔倉(cāng)雙向魚道結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用

高興和，陳 浩，王 津

(1.江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215103； 2.江蘇省太湖地區(qū)水利工程管理處，江蘇 蘇州 215128)

新溝河江邊樞紐工程位于新溝河入江口，是太湖聯(lián)通長(zhǎng)江引排調(diào)控的龍頭口門，由5孔攔河擋潮閘(總凈寬48m)、大(2)型泵站(180m3/s)、Ⅴ級(jí)船閘(16m×180m)和魚道(寬2～3m)組成，具有引排改善水環(huán)境、擋潮、防洪、排澇、航運(yùn)及生態(tài)等綜合功能。其中，魚道是沿江水生態(tài)保護(hù)與修復(fù)的重要工程措施，滿足該水域魚種及其上溯習(xí)性[1]需求，本工程設(shè)置了長(zhǎng)槽型雙向魚道。

1 魚道功能與主要技術(shù)要求

魚道是供魚類洄游過(guò)閘的人工通道[2]。魚類在低水位側(cè)，依靠水流吸引，逆流進(jìn)入魚道，靠自身力量克服流速溯游至高水位側(cè)。其功能要素及主要技術(shù)要求如下。

1.1 魚道功能要素

魚道設(shè)計(jì)時(shí)，首先要確定所在河道過(guò)魚種類，并對(duì)其生活習(xí)性及游泳能力、體型等相關(guān)資料進(jìn)行研究。通過(guò)水生生態(tài)調(diào)查，明確保護(hù)對(duì)象[3]，進(jìn)行魚類游泳能力[4]測(cè)試，主要有兩類指標(biāo)：趨流特性和克流能力。趨流特性反映魚類洄游路線中出現(xiàn)的最小流速，在這個(gè)流速上魚類會(huì)較易找到洄游方向；克流能力分為持續(xù)游泳速度、耐久游泳速度和突進(jìn)速度，其中持續(xù)游泳速度在魚道內(nèi)出現(xiàn)幾率較小，不作要求；耐久游泳速度是魚道長(zhǎng)度以及休息池設(shè)計(jì)的參考依據(jù)；突進(jìn)游泳速度主要用于魚道的一些特殊結(jié)構(gòu)及高流速區(qū)[5]。魚類依靠自身上溯溯游能力克服水流影響，通過(guò)魚道全程，因此，在魚道設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮水流流態(tài)、水流紊動(dòng)能以及水流流速對(duì)魚類洄游的影響。

1.2 主要參數(shù)指標(biāo)

魚道設(shè)計(jì)需要獲取的主要參數(shù)指標(biāo)包括：①魚種，即過(guò)魚種類的生態(tài)習(xí)性和游泳能力等基本資料。②洄游時(shí)間與時(shí)機(jī)，明確主要過(guò)魚對(duì)象通過(guò)的時(shí)間與時(shí)機(jī)。③特征潮水位與上下游水位差，根據(jù)過(guò)魚時(shí)段水位變化情況，選定上下游水位。④確定流速，主要與魚類克流能力相關(guān)，魚道過(guò)魚效果主要取決于魚道的流速與流態(tài)，要求流速小于克流能力，且主流明確。⑤魚道布置與主要尺寸確定，主要包括布置位置、魚道長(zhǎng)度、寬度、高度(水深)及細(xì)部結(jié)構(gòu)尺寸等。

2 沿江漁業(yè)資源與魚種習(xí)性調(diào)研

本工程對(duì)通江水系專題進(jìn)行了漁業(yè)資源調(diào)研，通過(guò)收集魚種相關(guān)習(xí)性資料，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

(1)長(zhǎng)江中上游四大家魚為青魚、草魚、鰱魚、鳙魚，體長(zhǎng)150～1100mm[6]，體重1000～5000g；其它魚類：鯉魚、銅魚、長(zhǎng)吻鮠、南方鲇、黃顙等，體長(zhǎng)100～600mm[7]，體重30～1500g。

(2)長(zhǎng)江江陰段優(yōu)勢(shì)魚種及體重。該段不僅是長(zhǎng)江水系入海通道，也是許多江、海魚類洄游通道、產(chǎn)卵場(chǎng)、索餌場(chǎng)。漁獲物的優(yōu)勢(shì)種類組成結(jié)果顯示，該段魚類有36種，其鯉形目20種占55.6%，鯰形目6種占16.7%，鱸形目5種，占13.9%，鯡形目、鰻鱺目、鰈形目、刺鰍目、純形目各1種各占2.8%。居前十位優(yōu)勢(shì)種中，重量百分比以鳊魚為高，占40.74%，最小為刀鱭1.97%。尾數(shù)百分比以鳊魚為高28.96%，最小為鯉魚0.77%。優(yōu)勢(shì)種平均體重60 g 以下魚類占80%，最大為鯉魚，平均體重352.8 g，最小為蛇鮈，平均體重9.7 g[8]。

(3)附近水域走馬塘通江魚道魚種及體重。2014年調(diào)查發(fā)現(xiàn)該區(qū)域魚種包括鳊魚、草魚、鰱魚、鳙魚、鯉魚、銅魚、鰷魚、吻鮈、黃顙魚、鱸魚以及一些小雜魚等；2015年5月，魚道內(nèi)1h內(nèi)捕獲各種魚類共9條，計(jì)1.8kg，平均體重為200g，包括鳊魚、鯉魚、鰱魚、黃顙魚、鳙魚等。

(4)感應(yīng)與喜好流速及范圍。以上魚種特征中，江陰段和附近水域主要魚種及習(xí)性，是本工程魚道設(shè)計(jì)依據(jù)。根據(jù)魚道設(shè)計(jì)導(dǎo)則[9]，可直接采用規(guī)范附表整編成果，主要魚類感應(yīng)流速0.20m/s，喜好流速范圍0.3～1.0m/s，極限流速范圍0.6～1.3m/s，詳見(jiàn)表1。

表1 魚類的感應(yīng)流速、喜好流速和極限流速

(5)洄游時(shí)間與時(shí)段。魚類每年的洄游時(shí)間為4～8月，該時(shí)期對(duì)應(yīng)上、下游水位詳見(jiàn)表2。

表2 魚道上下游設(shè)計(jì)水位 單位：m

3 魚道選型與設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)選型

綜合國(guó)內(nèi)外已建的魚道資料，魚道按結(jié)構(gòu)布置可分為池堰式、潛孔式、垂直豎縫式、仿生態(tài)式[10]及特殊結(jié)構(gòu)型式等；按類型可分為槽式、池式和組合式，槽式包括簡(jiǎn)單加糙型和丹尼爾型，池式包括溢流堰式、豎縫式、底(潛)孔式[11]，組合式包括堰孔、堰縫組合式[12]。對(duì)各種魚道的型式進(jìn)行比較篩選，長(zhǎng)槽型豎縫式魚道一般由槽身邊墻、豎直平面隔板、休息室[13]及進(jìn)出口建筑物組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，消能充分；且水流平穩(wěn)，適應(yīng)上下游水位變動(dòng)能力強(qiáng)，不會(huì)因內(nèi)外河水位的急劇變化而影響魚道內(nèi)的水流流態(tài)，從而影響魚類的洄游，且水深范圍大，水流流速?gòu)乃字了娉手饘釉黾拥姆植紤B(tài)勢(shì)，可滿足多種魚類洄游時(shí)對(duì)不同流速、不同水深的喜好。

結(jié)合新溝河江邊樞紐運(yùn)行工況和節(jié)制閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在豎縫式魚道基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，將魚道依附于節(jié)制閘及其上下游翼墻布置，采用“長(zhǎng)槽型雙豎縫多隔倉(cāng)”結(jié)構(gòu)型式，通過(guò)多個(gè)豎縫和隔倉(cāng)，將上下游總水位差分成若干個(gè)小的梯級(jí)，消能效果好，能適應(yīng)較大水位的頻繁、動(dòng)態(tài)變化，能同時(shí)適應(yīng)棲息于表層和底層的魚類洄游習(xí)性的需求。同時(shí)魚道采用開(kāi)放式運(yùn)行方式，有利于過(guò)魚時(shí)間的延長(zhǎng)，增加過(guò)魚數(shù)量；有利于適應(yīng)不同魚類的洄游條件，運(yùn)行過(guò)程中，上下游水頭差、流速、流量等水力條件動(dòng)態(tài)變化，有利于不同洄游習(xí)性魚類找到適合自己洄游所需的條件和路徑。

3.2 主要結(jié)構(gòu)尺寸擬定原則

魚道結(jié)構(gòu)尺寸主要包括：池室長(zhǎng)度、寬度，豎縫寬度與水深高度等。其擬定原則如下。

(1)池室寬度：按魚種和體長(zhǎng)綜合分析確定，一般取2～3m，且不小于最大過(guò)魚體長(zhǎng)的2倍。

(2)池室長(zhǎng)度：一般不小于池寬，同時(shí)，不小于最大過(guò)魚體長(zhǎng)的2.5倍，池長(zhǎng)與水流消能及魚類的休息習(xí)性密切相關(guān)。池室長(zhǎng)，則水流條件好，休息水域大，對(duì)過(guò)魚有利，池室短則與之相反。

(3)豎縫寬度：與魚體大小和水位梯級(jí)與流速有關(guān)，豎縫寬度一般不小于通過(guò)魚類胸鰭水平展開(kāi)最大距離，考慮多數(shù)魚類通過(guò)需求，魚道豎縫寬度一般不小于多數(shù)過(guò)魚對(duì)象體長(zhǎng)的一半；同時(shí)，考慮上下游水位梯級(jí)與主流流速要求，縫寬宜小不宜大。

(4)池室水深：結(jié)合上下游進(jìn)出口河床地勢(shì)，按魚類洄游習(xí)性而定，一般取1.5～2.5m[14]，不宜大于3m，同時(shí)，不應(yīng)小于最大過(guò)魚目標(biāo)體高的5倍或體長(zhǎng)的2.5倍。

3.3 結(jié)構(gòu)布置與設(shè)計(jì)

根據(jù)漁業(yè)資源及習(xí)性調(diào)研成果，結(jié)合工程建設(shè)實(shí)踐，本工程魚道進(jìn)出口布置在水流平穩(wěn)，且有一定水深的岸邊，采用“長(zhǎng)槽型雙豎縫多隔倉(cāng)”雙向洄游魚道，依附于通江樞紐節(jié)制閘西岸，結(jié)合節(jié)制閘及其上下游翼墻長(zhǎng)槽型布置，將狹長(zhǎng)水槽上下游總水位差，通過(guò)多個(gè)豎縫[15]和隔倉(cāng)，分成若干小梯級(jí)，利用水墊、沿程摩阻、水流對(duì)沖、回旋和擴(kuò)散來(lái)消除水頭能量，并形成各種魚類喜好的溯游水流。魚道由進(jìn)口、槽身與控制和出口三部分組成，總長(zhǎng)50～60m。槽身橫斷面為矩形，底高程0.6m，凈寬2～3m，雙側(cè)豎縫由兩側(cè)邊柱與中隔板錯(cuò)位形成，中隔板下部生根于底板之上，邊柱固支于側(cè)壁，邊柱與中隔板上部以頂撐梁銜接固定，底板、側(cè)壁及邊柱、中隔板、頂撐梁形成槽型雙側(cè)豎縫和隔倉(cāng)單元體，相鄰單元體形成一個(gè)隔倉(cāng)，隔倉(cāng)長(zhǎng)2～3m，多個(gè)隔倉(cāng)組成長(zhǎng)槽型魚道，共布設(shè)20～25個(gè)隔倉(cāng)，槽身居中部位隔倉(cāng)設(shè)胸墻和閘門控制，臨

土側(cè)設(shè)置側(cè)壁觀察室(井)，魚道進(jìn)出口設(shè)檢修門槽，頂部高程需按結(jié)構(gòu)銜接需要確定。魚道主體局部結(jié)構(gòu)布置如圖1—2所示。

3.4 魚道特點(diǎn)

本工程所采用“長(zhǎng)槽型雙側(cè)豎縫多隔倉(cāng)雙向洄游魚道”結(jié)構(gòu)，具有如下特點(diǎn)。

(1)本工程魚道位于入江口，在調(diào)研漁業(yè)資源及洄游習(xí)性的基礎(chǔ)上，結(jié)合通江口門條件，滿足多數(shù)魚類喜好，合理選擇魚道布置和結(jié)構(gòu)型式，長(zhǎng)槽型魚道依附節(jié)制閘及其上下游翼墻，不僅適合上下游水位動(dòng)態(tài)多變條件，滿足魚道基本功能要求，而且節(jié)省魚道專項(xiàng)工程投資。

(2)適應(yīng)雙向水頭運(yùn)行工況，結(jié)合河床地勢(shì)和內(nèi)外水位關(guān)系，魚道總體尺寸及隔倉(cāng)與豎縫長(zhǎng)、寬、高結(jié)構(gòu)尺寸，由水系魚類大小和習(xí)性而定，確保常規(guī)水頭下主要和多數(shù)魚類正常洄游需要。

(3)魚道隔倉(cāng)功能與設(shè)置，需根據(jù)上下游水頭和魚類溯游能力進(jìn)行分級(jí)，形成合適梯度的梯級(jí)水流，本工程控制每級(jí)水頭5～10cm，豎縫與隔倉(cāng)梯級(jí)之間流態(tài)平穩(wěn)，流速適當(dāng)，便于魚類洄游。

(4)魚道豎縫結(jié)構(gòu)邊角倒圓處理，避免銳緣觸傷魚類，改善流態(tài)，使水流平順，便于魚類通過(guò)。

(5)滿足魚類聚光、向陽(yáng)、喜氧習(xí)性，魚道頂部設(shè)置頂撐梁，不僅增加結(jié)構(gòu)整體性，關(guān)鍵是形成開(kāi)敞、開(kāi)放、露天水槽，既能采光，又能與大氣溝通，更好的滿足魚類逐光[16]和供氧需求。

(6)魚道側(cè)壁設(shè)有觀察窗，可實(shí)時(shí)實(shí)地觀察記錄魚類洄游情況，以便驗(yàn)證并指導(dǎo)類似工程設(shè)計(jì)。

(7)魚道進(jìn)口一般設(shè)在經(jīng)常有水流下泄、魚類洄游路線及經(jīng)常集群處，并盡可能靠近魚類上溯能到達(dá)的最前沿[17]；魚道出口應(yīng)確保有一定的水深，附近不應(yīng)有妨礙魚類繼續(xù)上溯的不利環(huán)境[16]。

圖1 魚道平/剖面圖(局部)

圖2 魚道縱剖視圖(局部)

(8)有條件可增加導(dǎo)魚、誘魚[18]設(shè)施，完善監(jiān)測(cè)手段，便于全面掌握魚道洄游生物特性，為制定更合理的運(yùn)行方案提供依據(jù)，確保魚道持續(xù)有效工作，消除工程建設(shè)對(duì)魚類洄游影響。

4 數(shù)值模擬分析與研究

利用Flow- 3D軟件工具進(jìn)行模擬分析，驗(yàn)證了魚道布置及體型設(shè)計(jì)的合理性。

4.1 魚道水流流態(tài)

雙向水流主流位于兩側(cè)，流態(tài)總體上對(duì)稱，底、中、表層的水流流態(tài)基本一致，如圖3所示。

圖3 魚道水流流態(tài)(局部，上圖-正向，下圖-反向)

4.2 魚道沿程水面線分析

經(jīng)數(shù)模計(jì)算獲得的正反向運(yùn)行的沿程水面線如圖4所示。每個(gè)梯級(jí)落差大致相同，數(shù)模結(jié)果與設(shè)計(jì)成果基本吻合。

圖4 正反向運(yùn)行魚道沿程水面線

4.3 流速分布與分析

魚道過(guò)魚效果主要取決于隔板間流速及相鄰隔倉(cāng)水流流態(tài)。要求流速小于過(guò)魚的克流能力，水池間主流明確，需要一定回流，但回流又不能過(guò)于劇烈，范圍不能過(guò)大，防止魚類迷失方向，延誤上溯時(shí)間。根據(jù)數(shù)值模擬分析成果，正反向運(yùn)行典型斷面平均流速見(jiàn)表3。

表3 正、反向運(yùn)行典型斷面平均流速

表4 正向運(yùn)行水位差與豎縫最大斷面平均流速計(jì)算結(jié)果

數(shù)模成果顯示，魚道內(nèi)流速分布相對(duì)均勻，沿程無(wú)明顯增大或減小現(xiàn)象。魚道內(nèi)流速分布總體上對(duì)稱，兩級(jí)隔板間休息室存在大小及強(qiáng)度隨時(shí)間變化、流速較小的回流。如圖5所示(橫縱坐標(biāo)尺寸單位：m；圖6—7同。)。

圖5 流速分布圖(上圖-正向，下圖-反向)

4.4 豎縫流速影響分析

本工程魚道外河連接長(zhǎng)江，為感潮河道，潮位動(dòng)態(tài)變化中，為了解水位差變化對(duì)魚道過(guò)魚的影響，對(duì)不同水位差與豎縫最大斷面流速進(jìn)行計(jì)算分析，成果見(jiàn)表4和圖6。

圖6 豎縫流速分布圖(上圖-正向；下圖-反向)

圖7 紊動(dòng)能等值線分布圖(上圖-正向；下圖-反向)

數(shù)模成果顯示，雙向運(yùn)行豎縫最大斷面平均流速與水位差均具有很好的線性關(guān)系，正向水位差在0.05～1.20m之間變化時(shí)，豎縫最大斷面平均流速變化范圍為0.28～1.30m/s，反向水位差在0.03～1.30m之間變化時(shí)，豎縫最大斷面平均流速變化范圍為0.18～1.33m/s。

4.5 紊流與紊動(dòng)能分布

紊流產(chǎn)生紊動(dòng)能，令魚類不適，紊動(dòng)變強(qiáng)，傷害魚鱗、魚鰓，損害魚眼。紊動(dòng)能等值線成果顯示，如圖7所示，魚道紊動(dòng)能極值0.017～0.021 m2/s2；深度方向呈底部小、上部大的分布規(guī)律；相對(duì)而言，主流區(qū)紊動(dòng)能比回流區(qū)小?？傮w而言，魚道內(nèi)紊流對(duì)魚類影響較小。

4.6 數(shù)模驗(yàn)證主要結(jié)論

基于魚類調(diào)研及數(shù)模計(jì)算成果，新溝河通江魚道采用長(zhǎng)槽型雙豎縫多隔倉(cāng)式雙向結(jié)構(gòu)，可形成雙向梯級(jí)水流，魚道總體布置和體型設(shè)計(jì)優(yōu)良，能適應(yīng)長(zhǎng)江口雙向水頭特性，魚道過(guò)流參數(shù)符合通江水系各類洄游魚類洄游習(xí)性要求，滿足該水域絕大部分洄游魚類的需要。雙向運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部水流流態(tài)相近，進(jìn)流平順，隔倉(cāng)休息室內(nèi)為回流區(qū)，主流對(duì)稱位于兩側(cè)，且不同深度的水流流態(tài)基本一致；各級(jí)豎縫水位差范圍1.74～6.46cm；豎縫間流速明顯增大，豎縫內(nèi)流速0～1.0m之間動(dòng)態(tài)變化，最大平均流速0.85～0.93m/s，隔倉(cāng)內(nèi)流速較小，回流流速0.1～0.35m/s，適合主要魚類洄游與休息；雙向運(yùn)行紊動(dòng)能最大值0.017 ～0.021 m2/s2，影響較??；魚道最大斷面平均流速與水位差基本成線性關(guān)系，總水位差達(dá)到1.3～1.5m時(shí)，最大斷面平均流速達(dá)到1.33m/s。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)數(shù)模和實(shí)踐驗(yàn)證，“長(zhǎng)槽型雙側(cè)豎縫多隔倉(cāng)”魚道結(jié)構(gòu)，構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工簡(jiǎn)便，可形成多種魚類喜好的溯游水流，符合沿江動(dòng)態(tài)水頭特性和該水域魚種習(xí)性需求；魚道依附節(jié)制閘布置，經(jīng)濟(jì)合理；魚道上口開(kāi)敞，可保證水流全程自然采光和摻氣供氧，對(duì)魚類活動(dòng)有利；豎縫邊緣倒圓處理，避免銳緣觸傷魚類，改善流態(tài)，使主流平順，有利于魚類通行。查新成果[19]顯示為新型結(jié)構(gòu)，其尺寸可變，具有通用性，后續(xù)推廣應(yīng)用中，有條件可配齊導(dǎo)魚、誘魚及自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)施，既為沿江水系魚種及其習(xí)性的全息數(shù)據(jù)采集與動(dòng)態(tài)監(jiān)控提供便利，也為進(jìn)一步改進(jìn)提供依據(jù)。