仿自然型魚道結(jié)構(gòu)形式改進及水力特性試驗研究

張 艷 艷，胡 曉 張，楊 芳，呂 文 斌，張 金 明，莫 偉 均

(珠江水利委員會 珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510611)

水利工程在防洪、發(fā)電、灌溉等方面發(fā)揮重要作用的同時，對河流生態(tài)環(huán)境也帶來了不利影響。大壩的修建截斷了河流自下而上的物質(zhì)與能量輸移，阻隔了魚類的洄游通道[1]，而魚道作為一種過魚設施，能有效緩解水壩對魚類洄游通道的阻隔作用。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型魚道多是針對某種經(jīng)濟魚類或珍惜魚類設計的[2]，從運行實踐來看，可以取得較好的過魚效果[3-4]。但是，隨著人們對生態(tài)環(huán)境整體性認識的不斷深入，傳統(tǒng)魚道作為生態(tài)廊道和景觀廊道的作用[5]，為更多不同魚類提供洄游、棲息和繁殖的場所是遠遠不夠的。工程魚道與天然河道在水力特性上的本質(zhì)差異是影響工程魚道過魚效率的關鍵。因此，仿自然型魚道應運而生[6-7]。

所謂仿自然型魚道，就是采用天然漂石、砂礫、木頭等天然材質(zhì)，盡可能地模擬天然河流的水流流態(tài)，水流條件更為魚類所熟悉[8]，適用于多種魚類通過，因此過魚效果更好[6]。但這種魚道自身的穩(wěn)定性較差，完全依靠材料自身重力所產(chǎn)生的摩擦阻力和形狀阻力來抵擋水流沖擊力。因此，對于這種魚道結(jié)構(gòu)而言，研究的重點分2個方面：① 尋找一種可以為不同魚類提供上溯通道的斷面結(jié)構(gòu)形式，即水流流態(tài)研究；② 在給定底坡前提下，尋找一種可以將水流能量均勻消耗掉、沿程水流能量不累加、并且在不同流量情況下魚道斷面形式不被破壞掉的斷面結(jié)構(gòu)形式，即魚道消能率的研究。

仿自然型魚道分2種形式：水池淺灘型魚道和加糙坡道型魚道[9]。水池淺灘型魚道是階梯型的，由陡峭的短渠或低堰聯(lián)結(jié)長且平坦的水池組成。淺灘處水深較淺，流速較大，水池則相反[10]。2個相鄰水池水位差異越大，淺灘處流速越大。為了魚類能成功上溯，淺灘處最大流速要小于魚類的突進速度，該魚道長度較長，可順直亦可彎曲。加糙坡道型魚道由一個長的斜槽構(gòu)成，坡道的長度和坡度受魚類的耐久性游泳能力限制，需要每隔一段添加一個休息室。

這2種魚道布置形式不同，但具有幾個共同點[11-12]：① 就地取材，盡可能地模擬天然河道水流形態(tài)；② 適合各種魚類上溯和降河，過魚效率高且具有生態(tài)廊道功能；③ 占地面積大，需要合適的地形，在低水位時容易干涸，需底床封閉；④ 為防止洪水、冰凍以及其他極端條件的破壞，需要保持結(jié)構(gòu)完整、穩(wěn)定，因此，建造費用低、維護費用高。國內(nèi)以往在這方面做過很多研究，并在工程實踐中進行了應用[13-15]，但是并沒有達到預期效果。

如何在原有仿自然型魚道結(jié)構(gòu)型式的基礎上提出改進措施，使其適應于更大水頭差、有較好的水流流態(tài)、滿足不同魚種對水流流速的需求，且不增加魚道的長度，成為工程設計、造價及科研人員所關注的焦點。

本文主要依托南渡江魚道項目，通過水橫槽模型試驗的方法，采用天然塊石研究不同斷面結(jié)構(gòu)形式對仿自然型魚道水流流態(tài)的影響，針對主要過魚對象大鱗鰱、光倒刺鲃、黃尾鲴、草魚、赤眼鱒等南方魚類，提出一種具有多級流速通道的過魚斷面形式，能適用的流速范圍是0.8～1.5 ms，研究結(jié)果可為仿自然型魚道結(jié)構(gòu)設計提供參考依據(jù)。

1 魚道斷面結(jié)構(gòu)試驗

1.1 模型建立和測量儀器

魚道單體模型長10.50 m、寬2.50 m、高0.60 m，上游設進水前池，下游設尾水池，上下游各2.50 m的直段為過渡段(見圖1)，試驗段長2.85 m，兩岸坡度為1∶2，魚道底坡為1∶40，采用碎石鋪底。碎石直徑約為1.50～2.50 cm，試驗選擇直徑10～20 cm的石塊進行斷面布置。模型試驗段和過渡段均采用斷面板進行制作，水泥砂漿抹面，采用鐵絲網(wǎng)包裹碎石子進行鋪底和護坡。模型流量由流量計控制，上、下游水位由固定測針量測；流速由精細的LS-3C光電旋槳流速儀施測；沿程流態(tài)由數(shù)碼相機記錄。

圖1 模型布置(單位：cm)Fig.1 Model arrangement

1.2 試驗條件

試驗主要采用上下游水位測針控制水位，流量為38.5 L/s，魚道水深維持在20 cm，隨時檢驗斷面流態(tài)特征。

1.3 試驗成果

(1) 傳統(tǒng)仿自然型魚道斷面型式。傳統(tǒng)的仿自然型魚道斷面多采用蠻石均勻布設，一般在過流斷面留有1～2個上下貫通的過魚通道，整個斷面形成3～4個流速通道，供魚類上溯。斷面布置形式如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)仿自然型魚道斷面型式Fig.2 Cross section of traditional natural fishway

這種斷面型式結(jié)構(gòu)簡單，容易施工，但是由于各通道上下斷面貫穿，各通道內(nèi)流速均較大，且流速值相差不大，難以通過調(diào)整通道的寬度來同時達到水位與流速相協(xié)調(diào)的要求。因此，要對斷面型式進行優(yōu)化。

(2) 基于傳統(tǒng)斷面型式的優(yōu)化方案1。在主斷面過魚通道上下游加設輔助蠻石，以起到調(diào)整過魚通道內(nèi)水流流速的作用。試驗通過不斷調(diào)整蠻石的擺放形式、過魚通道的過流面積、輔助蠻石的阻水面積和位置，最終達到多流速通道的過魚水流條件。

為達到多流速通道的過魚水流條件，試驗優(yōu)化方案1在水流控制段沿程設置6條蠻石主斷面，并在部分流速通道上設置輔助蠻石阻水，來形成1個低流速通道(0.8～1.0 m/s)、1個中流速通道(1.0～1.2 m/s)和2個高流速通道(1.2～1.5 m/s)，水流控制段蠻石布置如圖3～5所示。

優(yōu)化后斷面流速普遍降低，形成高速、中速和低速3級流速通道，但是中速和低速流速通道流速值相差不大，水流流路較順直，水流消能效率較低。

圖3 仿自然型魚道斷面型式(優(yōu)化方案1)Fig.3 Cross section of optimal scheme 1 based on natural fishway

圖4 仿自然型魚道(優(yōu)化方案1)流速分布(單位：m/s)Fig.4 The velocity distribution of natural fishway (Optimal scheme 1)

圖5 仿自然型魚道(優(yōu)化方案1)流速通道分布Fig.5 The velocity path distribution of natural fishway (Optimal scheme 1)

(3) 基于優(yōu)化方案1的斷面型式(優(yōu)化方案2)。為了使魚道斷面水流流態(tài)更加多樣化，流速通道能夠適用于更多不同種類的魚類上溯，基于優(yōu)化方案1，對輔助蠻石擺放方式再次進行優(yōu)化。

優(yōu)化方案2包括3排、6組蠻石，形成5條不同流速的過魚通道，包括2條流速高達1.5 m/s的高速通道、2條流速為1.0～1.2 m/s的中速通道和1條流速為0.8 m/s的低速通道，分別滿足不同魚類洄游上溯的需求。魚道斷面第一排由2組蠻石并排組成，從左往右，第一組長度是第二組的2倍；第二排由4組蠻石組成，從左往右，第一組長度是其他長度的1/2；第三排由2組長度相當?shù)男U石組成。6組蠻石交錯布置，形成5條繞流通道，水流在第一排蠻石的作用下被分成3股，經(jīng)過第二排蠻石后被分成5股，最后經(jīng)過第三排蠻石后又合并為3股。水流通過不斷分分合合地碰撞來消能，從而達到降低流速的目的，一般水頭差越大，需要的過魚通道越多，蠻石的高度也越大。斷面結(jié)構(gòu)如圖6所示。

從圖6可以看出，仿自然型魚道斷面由3排6組蠻石組成，分別為布置在第一排左側(cè)的L1，1、右側(cè)的L1，2，L1，1=2×L1，2；該斷面第二排由4組蠻石組成，從左往右依次為L2，1、L2，2、L2，3、L2，4。其中L2，2=L2，3=L2，4=2×L2，1，依次形成高速通道1、低速通道、中速通道1、中速通道2和高速通道2；第三排由L3，1、L3，22組蠻石組成，L3，1=L3，2，各排蠻石交錯設置，形成具有不同流速大小的過魚通道。優(yōu)化方案2中水流流線分布如圖7所示。

從圖7可以看出，來自上級魚道池室的水體通過第一排蠻石，被L1，1和L1，2分成3股下泄。3股水流再經(jīng)過第二排蠻石，其中左側(cè)一股水流在L2，1作用下被分成2股，左側(cè)一股通過高速通道1下泄，右側(cè)一股通過低速通道下泄。中間一股水流在蠻石L2，2和L2，3作用下被分成3股，左側(cè)一股在L2，2作用下與左側(cè)水流碰撞后通過低速通道下泄，由于L1，1的長度比較長，這股水流能量被大部分消耗，以形成低速通道，右側(cè)一股在L2，3作用下通過中速通道2下泄，剩余一股通過中速通道1下泄。第一排右側(cè)一股水流經(jīng)過第二排蠻石時，在L2，4作用下被分成2股，左側(cè)一股與左側(cè)水流碰撞后通過中速通道2下泄，右側(cè)一股通過高速通道2下泄。

圖6 優(yōu)化方案2斷面布置Fig.6 Cross section arrangement of optimal scheme 2

水流經(jīng)過第二排蠻石后被分成5股，5股水流在第三排2組蠻石作用下，通過碰撞合并為3組。水流經(jīng)過各組蠻石的流態(tài)如圖7～8所示。

圖7 優(yōu)化方案2流線分布Fig.7 The streamline distribution of optimal scheme 2

仿自然魚道斷面型式在傳統(tǒng)仿自然魚道斷面型式基礎上，一方面通過增加第一排第一組蠻石的長度和高度，在增大斷面上下游水頭差的前提下，進一步延長水流路徑，降低了低流速通道的水流流速；另一方面通過增加一條中流速通道，進一步降低了兩側(cè)高速通道的流速，均衡了各通道流速，增加了斷面的過魚效率。采用該設計既可增加魚道的過魚效率和過魚種類，又可使魚道適應較大水頭差，與以往設計相比可縮短魚道長度、減小工程投資。

圖8 優(yōu)化方案2流速分布(單位：m/s)Fig.8 The velocity distribution of optimal scheme 2

2 魚道消能效率試驗

2.1 試驗條件

為研究該魚道斷面的消能效率，在斷面模型上鋪設了2組斷面，通過改變上游來流量，控制尾門水位，使其維持一個定值，測量不同流量下魚道上、下游流速和水深，以及河床上下游高程；并根據(jù)能量守恒原理，采用總流能量方程計算該魚道斷面的效能率?？偭髂芰糠匠桃娛?1)，效能率計算公式見式(2) 。試驗工況如表1所列。

(1)

(2)

表1 試驗工況設計Tab.1 Experiment conditions and results

2.2 試驗結(jié)果

利用消能率計算公式，分別計算出以上8種工況下交錯石塊式魚道的消能率，消能率隨水深的變化規(guī)律如圖9所示。

圖9 消能率與水深的關系Fig.9 The relationship between energy dissipation ratio and water depth

從試驗結(jié)果可以看出，隨著水深的增大，消能率呈減少趨勢，流量和石塊高度是決定消能率的重要因素，隨著流量增大，斷面石塊被淹沒，其形狀阻力逐漸變小，消能率也逐漸變小。仿生態(tài)魚道消能率的主要影響因素包括上游來流量Q、坡降S、糙率n、粒徑D84和階梯高度Hs。

(1) 隨著流量增大，突出的大石塊逐漸被淹沒，邊界形成的阻力和邊界突觸造成的水流翻滾導致的能量消耗大量減少，因此消能率會隨著流量的增加而減小。

(2) 隨著坡降增大，水深會減小，水深減小對應著斷面單位能量的減小，因此，消能率會增加。

(3) 隨著n增大，床面阻力消耗能量增大，因而消能率增大，但對于生態(tài)魚道斷面結(jié)構(gòu)來說，消能主要是依靠形態(tài)阻力作用下水流的摻混和漩滾摩擦，n對其消能率的影響其實不大。

(4) 由于粒徑的增大會使床面阻力增大，因而可以提高消能率，但是效果也不是很明顯。

(5) 階梯高度Hs對消能率的影響從消能率計算公式可以看出，隨著Hs的增大，消能率會顯著提高。

3 結(jié) 論

本文通過水槽模型試驗和資料分析的方法，研究不同斷面結(jié)構(gòu)形式對仿自然型魚道水流流態(tài)的影響，提出一種具有多級流速通道的過魚斷面形式，并在此基礎上對這種魚道的消能率進行了研究，主要得出以下結(jié)論。

(1) 在傳統(tǒng)仿自然魚道斷面型式的基礎上，提出了在主斷面過魚通道上下游加設輔助蠻石，以起到調(diào)整過魚通道內(nèi)水流流速的作用，有效降低了過魚通道的流速。

(2) 在優(yōu)化方案1的基礎上提出了一種具有多級流速通道的過魚斷面型式(優(yōu)化方案2)，斷面包括3排、6組蠻石，形成5條不同流速的過魚通道，其中2條流速高達1.5 m/s的高速通道、2條流速為1.0～1.2 m/s的中速通道和1條流速為0.8 m/s的低速通道，分別滿足不同魚類洄游上溯的需求。

(3) 基于文中提出的仿自然魚道斷面型式，進一步深入研究了石塊擺放位置、石塊高度與水深的關系對魚道消能效率的影響。計算結(jié)果表明，文中提出的魚道斷面型式最大效能率能達到48.7%。

(4) 本文提出的仿自然型魚道斷面布置型式依托的是南渡江魚道項目，主要過魚對象是大鱗鰱、光倒刺鲃、黃尾鲴、草魚、赤眼鱒等南方魚類，適應的流速范圍是0.8～1.5 m/s。因此，該斷面型式可以作為南方地區(qū)仿自然型魚道設計參考。