艾克明

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院 長(zhǎng)沙市 410007）

在天然河道上攔河筑壩，開發(fā)利用水資源，造福于民，同時(shí)也會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境帶來一些負(fù)面影響，其中對(duì)魚類而言，主要是阻斷了魚類的洄游通道，破壞產(chǎn)卵場(chǎng)和減少漁業(yè)資源量。這對(duì)需要進(jìn)行大范圍遷移的洄游性或半洄游性魚類往往是毀滅性的。

目前針對(duì)水利樞紐工程對(duì)魚類造成不利影響所采取的保護(hù)措施，一般包括：修建過魚設(shè)施、開展人工增殖放流、施行水庫(kù)生態(tài)調(diào)度和建立魚類保護(hù)區(qū)等。其中，以修建過魚設(shè)施和開展人工增殖放流在國(guó)內(nèi)最為常見。 在修建過魚設(shè)施方面。國(guó)內(nèi)外的主要形式有：魚道、仿自然通道、升魚機(jī)、集運(yùn)魚設(shè)施和魚閘等。通常要結(jié)合工程具體情況，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。目前國(guó)內(nèi)比較常見的過魚設(shè)施還是魚道。限于篇幅，本文僅就階梯式魚道的水力設(shè)計(jì)進(jìn)行研討。

1 魚道水力設(shè)計(jì)的基本要點(diǎn)

魚類下行過壩，一般有以下一些方式：如通過泄水閘過壩；通過低水頭水輪機(jī)過壩；通過魚道本身過壩和通過船閘過壩等。應(yīng)根據(jù)工程具體情況進(jìn)行選擇，做出安排。通常修建階梯式魚道，主要解決魚類上溯過壩問題。魚道主要由進(jìn)口、槽身、出口和誘魚補(bǔ)水系統(tǒng)組成（圖1）。魚道口多布置在水流比較平穩(wěn)且有一定水深的岸邊或電站、溢流壩口附近。常用的槽身橫斷面為矩形，用隔板將水槽上、下游的水位差分成若干個(gè)小梯級(jí)，隔板上設(shè)過魚孔或豎縫，利用魚槽里的水墊、沿程摩阻、水流相互沖擊和擴(kuò)散來減速消能。

圖1 魚道布置示意圖

魚道水力設(shè)計(jì)步驟和基本要點(diǎn)如下。

1.1 首先要確定好過魚目標(biāo)

要根據(jù)對(duì)當(dāng)?shù)厍闆r的調(diào)查了解確定哪些產(chǎn)量高或珍稀洄游或半洄游性魚類需要過壩。這些魚類的特點(diǎn)和生態(tài)習(xí)性怎樣?主要過魚季節(jié)都在什么時(shí)候?然后根據(jù)它們的特點(diǎn)和習(xí)性來進(jìn)行魚道的水力設(shè)計(jì)。我國(guó)一些內(nèi)陸河流上，多為淡水洄游或半洄游魚類，如青、草、鰱、鳙，通稱“四大家魚”，它們上溯產(chǎn)卵季節(jié)多分布在4～8月。

1.2 要確定好魚道設(shè)計(jì)水力參數(shù)

其一，是要確定好魚道的運(yùn)行水位。魚道上、下游的運(yùn)行水位直接影響到魚道在過魚季節(jié)中是否有適宜的過魚條件，保征魚類能沿魚道上溯。魚道上、下游水位變化也會(huì)影響到魚道進(jìn)、出口水位銜接和魚池水流條件。一般電站樞紐型的魚道，上游運(yùn)行水位的上限可選為大壩不泄洪時(shí)的最高正常蓄水位；下限可選擇過魚季節(jié)中水庫(kù)經(jīng)常出現(xiàn)的水位。下游運(yùn)行水位的上限可選擇閘壩不泄洪時(shí)電站全部機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的尾水位；下限可選為過魚季節(jié)中常見的下游水位。

其二，是要確定好魚道的設(shè)計(jì)流速：魚類的克流能力是指魚類在一定時(shí)間內(nèi)可以克服某種水流流速的能力，可分為巡游速度或喜愛流速和突進(jìn)流速或極限流速。根椐國(guó)內(nèi)一些研究單位的試驗(yàn)成果，“四大家魚”的喜愛流速為（0.3～0.5）m/s；極限流速為1.0m/s以上。國(guó)外通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，獲得兩個(gè)魚類游泳能力估算經(jīng)驗(yàn)式：

式中 v——魚的克流能力（m/s）；

L——魚的體長(zhǎng)（m）。

經(jīng)國(guó)內(nèi)一些單位的校驗(yàn)，認(rèn)為式（2）有一定的參考價(jià)值。魚道的設(shè)計(jì)流速一般小于魚類的巡游流速。這樣魚類可以在魚道中行進(jìn)。隔板上的孔口或豎縫的水流流速應(yīng)小于魚類的突進(jìn)流速。這樣魚類才可以越過孔口或豎縫進(jìn)入上游一個(gè)魚池，從而逐級(jí)上溯達(dá)到上游出口。

1.3 做好魚道形式的比選

目前主要有三種魚道形式：

（1）丹尼爾式（Denilfishway）：它由一系列矩形斜置隔板組成。在槽的邊壁和底部設(shè)有阻板和底坎。水流從中央孔口通過時(shí)，在邊壁和底坎上形成反向回流減速消能。丹尼爾魚道一般寬度小，坡度大，長(zhǎng)度也較小。

（2）溢流堰式（pool&weirfishway）：魚槽被豎立隔板分隔為一系列水流相互溝通的梯級(jí)魚池。在隔板上設(shè)溢流表孔或底孔，或二者兼有之。水流經(jīng)孔口下泄時(shí)在魚池內(nèi)擴(kuò)散消能。魚類逐級(jí)上溯達(dá)到上游。魚類習(xí)性不一，有的從表孔過，有的從底孔過。

（3）豎縫式（verticalslotfishway）：它由一系列相連的水池組成。隔板上設(shè)豎縫，故也可適應(yīng)不同習(xí)性的魚類上溯。美、歐各國(guó)多用此種魚道形式。魚道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐木唧w情況和過壩魚類的習(xí)性選用合適的魚道形式

1.4 擬定魚池的結(jié)構(gòu)尺寸

（1）魚池寬度B：主要由過魚量和過魚對(duì)象的大小決定。國(guó)外一般取（2～5）m；國(guó)內(nèi)多?。?～4）m。

（2）魚池長(zhǎng)度l：與水流的消能效果及魚類的休息條件有關(guān)。一般初設(shè)時(shí)取l=（1.2～1.5）B。魚體大，取大值；魚體小，取小值。

（3）魚池深度h：主要依過魚習(xí)性而定。底層魚和體形大的成魚要求水深大一些。國(guó)內(nèi)外一般?。?.5～2.5）m。

（4）孔口或豎縫寬度b：一般宜不小于過魚對(duì)象體長(zhǎng)的1/2。

1.5 魚道進(jìn)口

能否被魚類較快發(fā)現(xiàn)和順利進(jìn)入是魚道設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。為此必須了解魚類壩下洄游規(guī)律。一般魚道進(jìn)口應(yīng)避開主流，安排在流速較小的主流兩側(cè)上溯；魚道的選址一般應(yīng)選在常年有水下泄的地方，并且保證進(jìn)魚口處有（1～1.5）m的水深。為此應(yīng)根據(jù)下游水位變化的情況確定進(jìn)魚口的底板高程。進(jìn)口處的出水流速應(yīng)保持在（0.3～0.5）m/s。進(jìn)水口與河床間不應(yīng)有陡坎，而應(yīng)用砂卵石等鋪筑成緩坡聯(lián)結(jié)。

1.6 進(jìn)口集魚系統(tǒng)

在電站樞紐下游廠房尾水附近，常聚集有大量從下游循著尾水上溯的魚類。為此設(shè)置一個(gè)集魚系統(tǒng)，將魚集中到集魚槽內(nèi)并被引導(dǎo)到魚道進(jìn)口。通常集魚系統(tǒng)呈長(zhǎng)廊形布置在尾水管上方。其進(jìn)口為集魚槽下游壁上的一系列孔口。魚類在尾水的吸引下通過孔口進(jìn)入集魚槽。各孔囗的出水流速也應(yīng)維持在（0.3～0.5）m/s。

1.7 補(bǔ)水系統(tǒng)

國(guó)內(nèi)外研究表明，為達(dá)到較好的誘魚效果，吸引水流量不應(yīng)低于自然狀態(tài)下流量的3%～5%。而魚道本身的設(shè)計(jì)流量一般僅只1m3/s左右，遠(yuǎn)滿足不了誘魚流量的要求。因此要設(shè)立補(bǔ)水系統(tǒng)，往魚道進(jìn)口以及集魚槽內(nèi)補(bǔ)水。補(bǔ)水方式可從壩上游通過渠道或管道補(bǔ)水,也可以從下游抽水補(bǔ)水。

1.8 魚道出口

出口位置應(yīng)選在遠(yuǎn)離廠房、泄水閘及船閘的地方。一般宜傍岸，出口水流平順且適應(yīng)上游水位變化的地方。出口底板以上水深應(yīng)大于1.5m。如水庫(kù)消落水深大，也可設(shè)多個(gè)輔助出口，并保證出水深度不小于1.5m。各出水口處都應(yīng)設(shè)置閘門和攔污柵。

1.9 魚道的整體指標(biāo)

式中 k——消能系數(shù)，一般取0.85～0.90；

v——魚道孔口或豎縫流速（m/s）；

H——最大水位差，即上游最高運(yùn)行水位減下游最低運(yùn)行水位（m）；

g——重力加速度。

（2）魚道有效全長(zhǎng)：考慮魚類上溯途中要適當(dāng)休息，應(yīng)設(shè)立若干個(gè)休息池。休息池長(zhǎng)一般取為魚池長(zhǎng)的2倍，其底坡可取為平底。魚池總長(zhǎng)加上休息池總長(zhǎng)即為魚道有效全長(zhǎng)。

（3）魚池間的落差：△h=H/n；

（4）魚池的底坡=△h/l；

（5）魚道平均底坡i=魚道進(jìn)、出口底部高程差除以魚道的有效全長(zhǎng)。

1.10 魚道的輔助設(shè)施

（1）觀察室：為觀察過魚效果和宣傳演示，應(yīng)設(shè)觀察室。觀察室宜設(shè)在便于觀察的地方如休息池側(cè)壁。觀察窗一般為鋼化玻璃，上貼半透明膜，以便觀察魚類洄游的狀況，而魚類卻看不到池外的情況。觀察窗外，宜配置弱的蘭光或綠光。魚池內(nèi)可設(shè)水下攝像機(jī)，以便計(jì)數(shù)和觀察魚在魚道中的姿態(tài)，判斷其適應(yīng)程度。

（2）魚池的底部處理：魚池底部有的鋪設(shè)一層（10～20）cm粗粒徑的鵝卵石，以減速消能，適應(yīng)某些魚類匐伏上溯。為便于清汙，也有池底為平底不做處理的。

（3）攔污柵：魚道出口處一般宜設(shè)攔污柵，以防漂浮物進(jìn)入魚道。

（4）防護(hù)欄：魚道頂部可設(shè)置防護(hù)欄，以防雜物進(jìn)入魚道，也可防止魚類跳出魚道。

1.11 魚道的運(yùn)行與維護(hù)

（1）隨著上下游水位的變化，應(yīng)通過進(jìn)出口閘門的調(diào)控，使魚道內(nèi)的流速和流態(tài)保持穩(wěn)定，以滿足魚類上溯要求，避免出現(xiàn)局部水位跌落大、超極限流速或局部水位壅高等現(xiàn)象。

（2）魚道投入運(yùn)行以后要建立巡查等規(guī)章制度，加強(qiáng)魚道的保養(yǎng)維修，每年應(yīng)進(jìn)行一次全面的維修，避免出現(xiàn)因管理不善或維護(hù)不夠而導(dǎo)至魚道廢棄使用的情況。

2 魚道的工程實(shí)例

2.1 洋塘魚道[1]

洋塘魚道位于湖南省衡東縣洣水河匯入湘江的最末一個(gè)梯級(jí)，為抽水和發(fā)電樞紐。該魚道由階梯式魚池、電站下游側(cè)集魚系統(tǒng)、會(huì)合池、輔助補(bǔ)水系統(tǒng)和過魚觀察室等組成。上、下游最大水位落差4.5m，魚道總長(zhǎng)317.2m。過壩魚類以“四大家魚”為主。工程于1979年建成投產(chǎn)，年平均過魚量達(dá)58萬尾（詳細(xì)指標(biāo)見圖2及附表）。

圖2 洋塘魚道布置示意圖

2.2 魚梁魚道

位于廣西田東縣右江支流郁江的第5個(gè)梯級(jí)，系以航運(yùn)為主結(jié)合發(fā)電的樞紐工程。該魚道亦由階梯魚池、電站下游側(cè)集魚系統(tǒng)、補(bǔ)水系統(tǒng)和設(shè)在出口附近的過魚觀察室組成。上下游最大水位差為10.75m，魚道總長(zhǎng)627.3 m。過魚目標(biāo)以“四大家魚”為主。工程已完成初設(shè)，詳細(xì)指標(biāo)見附表和圖1。由附表的各項(xiàng)指標(biāo)可以看出，由于過壩魚類均以“四大家魚”為主，所以各項(xiàng)水力設(shè)計(jì)指標(biāo)大體相近，并且都在一般經(jīng)驗(yàn)要求的范圍之內(nèi)。不同之處在于洋塘魚道選用的是溢流堰式隔板，而魚梁魚道則選用豎縫式隔板；洋塘魚道采用渠道從水庫(kù)補(bǔ)水，而魚梁魚道則采用管道從庫(kù)內(nèi)補(bǔ)水。

2.3 工程效果

洋塘魚道建成投產(chǎn)以后共進(jìn)行了為期6年的系統(tǒng)觀測(cè)。1982年為期77天的觀測(cè)結(jié)果是主進(jìn)魚口共過魚188092尾，集魚槽共過魚571143尾，其比例為1∶3.04。1984年4月15日，主進(jìn)魚口過魚79025尾，集魚系統(tǒng)過魚243403尾，其比例為1∶3.08?？偨Y(jié)6年378天4987小時(shí)的觀測(cè)，通過魚道洄游的魚類共3499300尾，年平均過魚量為583216尾，小時(shí)過魚量為201尾。洄游魚類以“四大家魚”為主，共45種。個(gè)體魚長(zhǎng)（15～110）cm。這些魚類洄游大大擴(kuò)充了洣水上游的魚類資源。捕撈量的統(tǒng)計(jì)表明，洣水上游的捕撈量年均為未建魚道前的3.5倍。洋塘魚道的上述情況曾以LayoutandPerformanceofYangtang Fishway為題于1990年10月在日本歧埠縣召開的國(guó)際魚道會(huì)議上發(fā)表并載入會(huì)議論文集。2001年世界糧農(nóng)組織主持的《漁業(yè)技術(shù)?？肥杖肓搜筇留~道的技術(shù)資料并評(píng)價(jià)說：“這個(gè)魚道在適合當(dāng)?shù)佤~類的習(xí)性和良好的監(jiān)測(cè)方面是發(fā)展中國(guó)家少數(shù)幾個(gè)優(yōu)秀魚道設(shè)計(jì)的一個(gè)范例”[2]。

附表 魚道設(shè)計(jì)指標(biāo)表

3 結(jié)語

（1）在天然河道上攔河筑壩阻斷了魚類的洄游通道，對(duì)于洄游性和半洄游性魚類是一個(gè)毀滅性的災(zāi)害。為了維持良好的生態(tài)環(huán)境，采取魚類保護(hù)措施是非常必要的。

（2）在諸多的保護(hù)措施中，目前國(guó)內(nèi)以修建魚道和人工增殖放流最為常見。在階梯式魚道設(shè)計(jì)方面已積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。洋塘魚道等工程的實(shí)踐表明，只要設(shè)計(jì)得當(dāng)，魚類洄游的效果還是十分明顯的。

（3）洋塘魚道等工程的水力設(shè)計(jì)是成功的，可供類似工程參考。

1 GuZhili，LinQinhao，AiKeming.Layoutandperformance ofyantangfishway[S].Internationalsymposiumonfishways'90 inGifu,October,1990 ,Gifu,Japan.

2 GerdMarmulta.Dams,fishandfisheries:Opportunities,challenges andconflictresolution [J].FAOFisheriestechnicalpaper(419 ) (Rome),2001 ,78 .