魚道水力特性研究現(xiàn)狀綜述

呂春瑋，韓 雷，王正君，趙興龍，葉昆河

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

為了充分利用水能資源并滿足發(fā)電、灌溉、航運等需求，在河流上建設(shè)水利工程，如大壩、堤堰、水閘等。其中修建大壩和堤堰等工程會將河流攔腰斬斷，導(dǎo)致河流形成了非連續(xù)性的特征，破壞了原有的連續(xù)性規(guī)律，造成一系列的生態(tài)危機。為彌補水利工程對生態(tài)系統(tǒng)所帶來的影響，會依據(jù)水利工程自身的情況與所處的水生環(huán)境建設(shè)魚道，所以魚道的正常運行是恢復(fù)河流縱向連通性的重要技術(shù)手段之一。因此，依據(jù)對魚道的研究狀況，提高魚道的運行效率，對恢復(fù)河流的生態(tài)系統(tǒng)有著重要意義。

1 魚道的基本情況

魚類洄游是魚類遷徙的主要形式，它使生物內(nèi)部的基因可以進行彼此溝通,從而保護了生物的多樣性，具有重要的生態(tài)意義[1]。魚類的棲息地是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[2]。人為造成的障礙使魚類不能進行正常的遷徙活動，對魚類的棲息地造成破壞。對于河流的改造會造成原有的水深、水溫、流量、水質(zhì)、河流形態(tài)等物理環(huán)境發(fā)生變化，也會影響魚類的遷徙行為。生境破碎化會對生態(tài)系統(tǒng)造成負面影響[3]。因此如何恢復(fù)魚類的洄游通道是水利工程中必須要考慮的問題之一。

在河流上修建大壩、低堰等水利工程，會導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)在不同程度上的退化，尤其是對魚類的洄游行為進行阻礙，倘若不解決這一問題，對于瀕危的洄游性魚類無疑是毀滅性打擊。目前的解決方案是建造過魚設(shè)施，過魚設(shè)施主要種類有魚道、魚閘、升魚機和集運漁船以及其他誘魚、導(dǎo)流等附屬設(shè)施，魚道適和較低水頭大壩，魚閘和升魚機適用于高水頭水利樞紐，集運漁船可以穿過梯級大壩。每種過魚設(shè)施僅針對相應(yīng)的種類有效，要達到較全面的保護，還需要與其他就地和遷地保護措施相結(jié)合[4]。其中魚道是應(yīng)用時間最長、范圍最廣的過魚建筑物。修建魚道的目的是協(xié)助魚類通過河流上的障礙物，恢復(fù)魚類的遷徙行為，彌補水利工程對于河流生態(tài)環(huán)境的負面影響，維持河流的生物多樣性。

魚道工程建設(shè)的成功與否是河流生態(tài)系統(tǒng)健康的評價指標(biāo)之一，同時也是水利水電工程環(huán)境影響評價中生態(tài)環(huán)境保護的主要評價指標(biāo)。

2 國內(nèi)外魚道發(fā)展歷程

1662年法國貝阿爾恩省頒布了法律，要求在堰壩上修建供魚過壩的道路。但在20世紀(jì)之前沒有建立在科學(xué)基礎(chǔ)上的嘗試與探索。到1909年，Denil發(fā)表了一篇介紹由其自主研發(fā)的新型魚道的論文，它建立在科學(xué)的理論基礎(chǔ)之上，這一新型魚道被稱為丹尼爾式魚道，并得到了廣泛應(yīng)用，例如在瑞典的Hurting Power大壩、華盛頓州的Dryden大壩、美國中部得梅因河均有修建。在1937—1938年，在哥倫比亞河的幫維爾壩上建設(shè)了過魚設(shè)施，它使用了大量的誘魚水流和多個進口的集魚系統(tǒng)，尤其是關(guān)于成年鮭魚的設(shè)計非常成功。1939年、1940年，McLeod和Nemenyi等研究了魚道與魚類行為之間的關(guān)系。在此之后，人們逐漸認(rèn)識到魚道問題的復(fù)雜性，進行了關(guān)于魚道的通行效率的大量基礎(chǔ)性研究。1959年在育空河大壩上修建的堰式魚道開始運行，Orsborn于1985年報導(dǎo)了為太平洋鮭魚過壩而設(shè)計、具有新型擋板的堰式魚道的試驗。1994年，澳大利亞對于過魚情況不佳的池堰式魚道進行改造，使其在過魚種類、數(shù)量上均有提升，改造后的魚道為新型垂直豎縫式魚道。目前國外建設(shè)的魚道的實例有美國的北漢壩魚道、帕爾頓魚道、伊泰普水電站魚道、加拿大鬼門峽魚道等。距今加拿大已建魚道超過240座，英國超380座，法國超500座，波蘭超50座，日本超11 000座，澳大利亞超70座[5]。國外早期修建的魚道主要過魚對象是鮭魚、鱒魚等經(jīng)濟性魚類，但近年來過魚對象的種類逐漸增多，小型、非經(jīng)濟性魚類也會在設(shè)計時考慮進去[6]。

國內(nèi)對于魚道的研究始于20世紀(jì)60年代，它的發(fā)展歷史可以總結(jié)為三個階段：初步發(fā)展期(1958—1983年)、停滯期(1984—2001年)和第二次發(fā)展期(2002年—至今)[6]。初步發(fā)展期始于計劃開發(fā)富春江七里垅電站的時候，開始涉足魚道，并進行了一系列的研究[7]，這一時期建設(shè)的魚道以模仿歐美、日本的魚道類型為主，至20世紀(jì)80年代，大約建設(shè)了40座魚道，洄游魚類主要是鰻魚、青蟹和四大家魚，部分魚道在建設(shè)初期運行效果不錯，例如瀏河閘處的魚道、洋塘魚道。停滯期有不少人認(rèn)為長江上四大家魚的產(chǎn)卵點達36處，而葛洲壩只使一處消失，不會影響長江上的魚類資源，以及當(dāng)時還沒有幾個可以同時使四大家魚長久順利通過的魚道等原因，導(dǎo)致最后通過興建增殖放流站方式來緩解中華鱘等珍稀動物的洄游問題，在這一時期之前建設(shè)的魚道，部分因缺少后期維護，遭到廢棄，但根據(jù)后期的調(diào)查資料顯示在葛洲壩三個船閘的下游是魚類積聚最多的區(qū)域，因此興建增殖放流站的方式并不能完全緩解任何魚的洄游問題[8]。進入21世紀(jì)以來隨著人們對于生態(tài)環(huán)境保護問題的關(guān)注，以及水利工程的大量興建，對于魚道的研究也重新得到重視，步入第二次發(fā)展期，同時水法、漁業(yè)法等規(guī)定在河道上建設(shè)擋水建筑物需同步建設(shè)過魚設(shè)施，修建了長洲水利樞紐魚道、藏木水電站魚道、老龍口水利樞紐魚道、石虎塘航電樞紐魚道、豐滿水電站永慶反調(diào)節(jié)水庫仿自然魚道等，同時也制定了與魚道建設(shè)相關(guān)的設(shè)計規(guī)范，為后續(xù)的魚道建設(shè)、運行維護提供理論支持。

3 魚道的研究現(xiàn)狀

3.1 魚道的結(jié)構(gòu)類型

魚道按其結(jié)構(gòu)型式，可分為仿自然式、隔板式、槽式等。具體情況如下：

(1)仿自然式魚道。是具有自然特征的旁路水道，是一種利用天然河道中的石頭、砂礫等模仿自然河流建造在工程周圍的洄游通道，一般坡度為1%～5%[9]。是目前處于中低水頭情況下魚道的發(fā)展方向之一。

(2)槽式魚道?？煞譃楹唵尾凼脚c丹尼爾式，其中簡單槽式是一種連接上下游的水槽，適合于游泳能力強的魚類，在工程中使用的較少；丹尼爾式魚道的水槽內(nèi)壁和底部，設(shè)置了間距很密的阻板與底坎，用以消能，適用于水頭較小的水利樞紐。

(3)隔板式魚道。分溢流堰式、淹沒孔口式、豎縫式、組合式。其中，溢流堰式魚道是指魚翻過堰頂進行的洄游，特別適合于在河流表層活動和有跳躍習(xí)性的魚類；豎縫式魚道在水槽內(nèi)部建造了多級水池，將隔板和導(dǎo)板布置在水槽的邊壁與底板上，在各級池室的隔板與導(dǎo)板之間形成了一條條豎縫；淹沒孔口式魚道的過魚孔是完全淹沒在水里的, 比較適合于喜歡在水中層或底層游動的魚類；組合式魚道是以上三種形式魚道的組合，綜合了各種魚道水力特性的優(yōu)勢，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜[10]。

在上述幾種類型的魚道中，豎縫式魚道由于結(jié)構(gòu)簡單、適用能力強等優(yōu)點，目前是應(yīng)用最為廣泛的魚道類型。仿自然式魚道由于它與自然環(huán)境的融合性好，具備生態(tài)廊道的功能，還可以同時實現(xiàn)洄游魚類的上溯、下型，目前針對它的研究也多了起來。目前有些研究會將幾種類型的魚道結(jié)合起來構(gòu)建新型的組合式魚道，如井岡山航電樞紐工程魚道采用的是豎縫式與仿生態(tài)式相結(jié)合的魚道，對于兩種類型魚道的銜接處進行研究，保證流態(tài)穩(wěn)定，魚類可以順利通過。

總之，在選取魚道的類型時，應(yīng)根據(jù)實際工程、過魚對象、參照相似的工程經(jīng)驗去選?。晃恢眠x取應(yīng)先保證過魚效果，再去考慮如何降低預(yù)算，實現(xiàn)經(jīng)濟效益、生態(tài)效益的共贏；對于初步魚道的設(shè)計還應(yīng)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，確保過魚效率滿足要求。

3.2 魚類游泳能力

通過研究發(fā)現(xiàn)，假如使魚道的水力學(xué)條件與魚類的三個天然場所(產(chǎn)卵、取食、越冬)的各項指標(biāo)相似，同時也令魚道內(nèi)的各種水流速度情況與所通過的魚類游泳能力相匹配，從而使魚類在這種魚道內(nèi)游泳時更加舒適，將滿足上述條件的魚道稱為魚類友好型魚道[6]。因此魚類游泳能力是魚道設(shè)計中重要的參考指標(biāo)。目前表征魚類游泳能力的指標(biāo)，有臨界游泳速度、爆發(fā)游泳速度、持續(xù)游泳速度、耐久游泳速度以及感應(yīng)流速等[11]。

Randall D J等[12]認(rèn)為魚類的臨界游泳速度受環(huán)境影響，其中魚類的臨界游泳速度與水溫之間呈“鐘形”或“線形”關(guān)系。

Lupandin A I[13]研究了水流紊流對于鱸魚臨界游泳速度的影響，發(fā)現(xiàn)紊流增大會降低于魚類的臨界游泳速度，原因是紊流會使魚類產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，魚類需要使用胸鰭來恢復(fù)自身的平衡，加大了面對的阻力以及自身的能量消耗，進而使魚類游速降低。

房敏等[14]研究溫度對于鰱幼魚游泳能力的影響，試驗用于體長為10.9～11.8 cm，體重為16.0～19.0 g，研究結(jié)果如下：在試驗所設(shè)計的四種溫度15 ℃、18 ℃、21 ℃、25 ℃下，魚類相對臨游速為5.30±0.32 BL/s、5.87±0.25 BL/s、6.17±0.16 BL/s、6.85±0.16 BL/s，臨界游泳速度與溫度呈正相關(guān)。由于水庫集水后，水溫在夏季會降低、冬季升高，因此一定要考慮水利工程建設(shè)后水溫的變化情況，并由變化后的水溫去設(shè)計魚道或其他的過魚設(shè)施。

曹平等[15]進行了魚類游泳速度的試驗研究，發(fā)現(xiàn)試驗用魚的體長增加，會使幼魚的絕對爆發(fā)游速呈線性增長的趨勢，相對爆發(fā)游速則呈線性減小的趨勢，同時爆發(fā)游速與臨界游速的差別越大，對于草魚的游泳特性指標(biāo)進行了補充，為相應(yīng)的魚道設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。

李志敏等[16]利用流速遞增法對葉爾羌河厚唇裂腹魚的游泳能力進行研究，實驗用魚體長為18.94±4.40 cm、體重為115.80±77.28 g，結(jié)果如下：魚類感應(yīng)流速為1.41±0.28 BL·s-1、臨界游速為6.04±1.21 BL·s-1、爆發(fā)游速為11.41±2.79 BL·s-1；這三種游速會隨著魚類體長的增加而減少，這些結(jié)果可以為后續(xù)在葉爾羌河建立過魚設(shè)施提供數(shù)據(jù)支持。

3.3 魚道的水力特性試驗研究

修建魚道的目的是幫助魚類進行洄游，除應(yīng)了解魚類的游泳能力外，還應(yīng)使魚道內(nèi)部形成適合魚類通行的水流流態(tài)、流速等方面的水力特性。國內(nèi)外大都采用物理模型試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式對于魚道的水力特性進行研究，并經(jīng)過不斷改進魚道的構(gòu)造形式，來得到理想的流速和流態(tài)，使魚道得到有效的利用[17]。

3.3.1 模型試驗

模型試驗就是按照一些相似準(zhǔn)則，仿照原體實物，將原型縮成模型進行試驗研究。想要了解原型的情況，只需讓模型處在與原體相似的環(huán)境下進行觀測記錄以及分析研究，接著再按照相似準(zhǔn)則推測出原型的情況，從而得出試驗結(jié)論，對工程設(shè)計方案進行驗證，提高安全性與合理性。對于魚道，模型試驗可以模擬它在實際運行時的水流情況，對于魚道的水力特性進行研究，如若發(fā)現(xiàn)不符合魚類通行的情況，可以及時進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其滿足通魚要求，進而避免在實際工程中造成資源浪費的情況。

Rajaratnametal等[18]采用物理模型試驗對垂直槽魚道結(jié)構(gòu)類型進行研究，結(jié)果表明，當(dāng)長寬比等于或接近10∶8時，池中的水流模式有利于魚類的上游遷移。

劉本芹等[19]采用物理模型試驗對于小長寬比池室條件下的隔板布置型式進行研究，結(jié)果表明：當(dāng)橫向?qū)О宓膶?dǎo)流角為40°時，導(dǎo)板的長度應(yīng)略小于魚道寬度的1/4，對于較大的魚道的底坡可以采用橫隔板頭部下游側(cè)修圓的方式，使魚道內(nèi)的流速、流態(tài)滿足魚類順著主流進行上溯的需求，給相似的魚道建設(shè)提供經(jīng)驗借鑒。

徐進超等[20]利用整體的物理模型試驗對仿自然魚道的水力條件進行了研究，試驗結(jié)果顯示，在仿自然魚道內(nèi)的水流速受斷面型式和材料的尺寸偏差等因素影響很大，尤其在魚道的轉(zhuǎn)彎段,由于彎道受偏移度影響，導(dǎo)致此處與直線段的水流流速不同，需要進一步驗證，由于此種類型魚道目前缺乏系統(tǒng)性的研究，這次研究可以為仿自然魚道的設(shè)計提供參考。

李廣寧等[21]通過物理模型試驗對仿自然型魚道的水力特性開展了研究，結(jié)果表明：將蘆葦植物模塊進行交錯布置，魚道內(nèi)的流速可以得到有效控制，流態(tài)也適合魚類的通行，同時魚道的外觀可以融合進自然環(huán)境，此次研究提出了一種新的魚道類型，為后續(xù)與其相類似的魚道研究提供參考。

何妙玲等[22]采用物理模型試驗研究了單個池室豎縫寬度束窄對魚道水力特性的影響，研究結(jié)果表明：隨著束窄系數(shù)的減小，豎縫處的流速會以冪指數(shù)的形式增加,很容易形成流速障礙；對于以四大家魚與高原裂腹魚突進流速為判斷依據(jù),魚道豎縫寬度的束窄范圍適宜在16%～29%。為后續(xù)對于豎窄豎縫寬度的研究提供數(shù)據(jù)參考及建議。當(dāng)有多個豎縫寬度豎窄時，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)提高并進行試驗驗證。

3.3.2 數(shù)值模擬

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，魚道的水力學(xué)特性研究可以通過數(shù)值模擬方法進行，來解決水利工程中物理實驗所不能代替的各類水力學(xué)問題，提高了魚道的設(shè)計、優(yōu)化效率。為保證采用數(shù)值模擬方法得到研究結(jié)論的正確性，通常需要依據(jù)現(xiàn)有模型試驗或原型的運行數(shù)據(jù)，去進行建模，并開展模擬，如若得到的結(jié)果相同，則證明數(shù)值模擬的模型可以使用。

羅小風(fēng)等[23]利用二維建模以及fluent軟件，對魚道導(dǎo)角和導(dǎo)板尺寸對魚道內(nèi)水流態(tài)的影響展開研究，研究結(jié)果顯示：導(dǎo)角的大小對于豎縫射流的方向以及它的摻混強度有著決定性；導(dǎo)角越大,使主流的彎曲程度也越大,從而更早的沖撞邊壁并且無法使用大部分空間，這一狀況可以通過修改水池的長寬比來避免。當(dāng)導(dǎo)板長度在規(guī)定范圍內(nèi)時，就基本不會對主流的流態(tài)形成影響,超出這個范圍,主流會由于邊壁的約束而無法摻混,從而會使流速整體增大。由于水流流態(tài)還受到池室長寬比等因素的影響，倘若要找到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)型式，應(yīng)結(jié)合所有的影響因素進行深入研究。

王猛等[24]采用雷諾應(yīng)力(RSM)模型對同側(cè)豎縫魚道展開研究，結(jié)果表明:將圓柱形障礙物放置在池室中正對豎縫下游側(cè)，會導(dǎo)致豎縫處流速梯度降低、紊動能及雷諾剪切力大致在20%～30%的范圍內(nèi)降低，水力特性更為平穩(wěn)，從而能夠適應(yīng)更多魚類的過壩需要，為今后的魚道結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供經(jīng)驗參考。

高東紅等[25]采用3D CFD模型并利用fluent軟件對魚道的水力特性進行研究，結(jié)果表明：3D CFD模型可用于模擬復(fù)雜流場，魚道內(nèi)的流速與魚類以特定游速向上游游動時的耗能存在著正相關(guān)關(guān)系，為今后的魚道設(shè)計提供借鑒。

趙彬如等[26]通過數(shù)值模擬研究了豎縫位置對于豎縫式魚道水力特性的影響，研究結(jié)果顯示：豎縫處流速分布受豎縫位置的影響并不明顯；豎縫位置21/B的適宜取值范圍為0.5～0.7(1:豎縫 心到池室右側(cè)側(cè)壁的距離，B：池室寬度)，池室內(nèi)水流流態(tài)更為適宜，提高過魚效率，對于目前影響豎縫式魚道水力特性的影響因素進行補充。

朱澄浩等[27]通過三維數(shù)值模擬的方式研究了丹尼爾式魚道隔板形式的改變對水力特性的影響，結(jié)果說明：將三角形的隔板斷面改為半圓形，會減少魚類在上溯時的物理傷害，而水池的表層和底層的流速也會增加；在隔板同側(cè)增加5個方形孔會改善池室的水力特性，使中層和底層的流速減?。辉诟舭鍍蓚?cè)交錯布置方形孔，可能會使魚迷失方向，為今后的魚道設(shè)計提供參考。

4 結(jié) 論

(1)魚道作為生態(tài)彌補工程，承擔(dān)著恢復(fù)河流連續(xù)性，協(xié)助魚類進行洄游的重要作用。可以正常使用的魚道具有良好的經(jīng)濟、生態(tài)和工程方面的意義。

(2)國外對于魚道的研究已有數(shù)百年之久，對于魚道的結(jié)構(gòu)形式、過魚效率等方面展開了大量研究；國內(nèi)開展較晚，經(jīng)歷了初步發(fā)展期、停滯期和第二次發(fā)展期。

(3)國內(nèi)外大都采用物理模型試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式并基于過魚對象的游泳能力對于魚道進行研究，將魚道的結(jié)構(gòu)形式進行優(yōu)化，使魚道的過魚效率提高，防止魚道因設(shè)計不當(dāng)，無法正常應(yīng)用，造成資源的浪費。