胡雪婷　趙 瑞　苗志全　盧雅婷

南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院

魚(yú)道的創(chuàng)新
——“過(guò)魚(yú)加農(nóng)炮”模型

胡雪婷趙 瑞苗志全盧雅婷

南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院

結(jié)合國(guó)內(nèi)外水利水電過(guò)魚(yú)設(shè)施的現(xiàn)狀，指出水利水電開(kāi)發(fā)對(duì)魚(yú)類(lèi)資源的影響，在利用真空技術(shù)及機(jī)械控制相關(guān)原理的基礎(chǔ)上，提出“過(guò)魚(yú)加農(nóng)炮”模型，全面闡述了這一模型的設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)理念，并進(jìn)行有關(guān)生態(tài)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)效益分析，指出這一新型過(guò)魚(yú)設(shè)施模型的巨大優(yōu)勢(shì)和潛力。

過(guò)魚(yú)設(shè)施；魚(yú)類(lèi)洄游；真空管道運(yùn)輸

由于長(zhǎng)期的進(jìn)化，有些魚(yú)類(lèi)具有溯河洄游產(chǎn)卵的習(xí)性，洄游是指魚(yú)類(lèi)因生理要求，遺傳和外界環(huán)境因素的影響，引起周期性的定向往返移動(dòng)，是魚(yú)類(lèi)的主動(dòng)、定期、定向、集群、具有種的特點(diǎn)的水平移動(dòng)［1］，是魚(yú)類(lèi)在系統(tǒng)發(fā)生過(guò)程中形成的一種特征，是魚(yú)類(lèi)對(duì)環(huán)境的一種長(zhǎng)期適應(yīng)，它使種群獲得更有利的生存條件，更好的繁衍后代。

大壩的修建破壞了河流的連續(xù)性，從而阻斷魚(yú)類(lèi)洄游的途徑，使其不能到達(dá)產(chǎn)卵場(chǎng)進(jìn)行產(chǎn)卵，除此之外，大壩還會(huì)改變部分魚(yú)類(lèi)的產(chǎn)卵場(chǎng)地，對(duì)原有的棲息環(huán)境造成破壞，還會(huì)魚(yú)類(lèi)早期資源量下降，最后會(huì)對(duì)整個(gè)魚(yú)類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)?yè)p害，即使是不洄游的魚(yú)類(lèi)，對(duì)整個(gè)魚(yú)類(lèi)而言，大壩會(huì)阻止魚(yú)類(lèi)的基因交流，導(dǎo)致生物多樣性較低，破壞生態(tài)平衡。

一、國(guó)內(nèi)外過(guò)魚(yú)設(shè)施概況

最早的過(guò)魚(yú)設(shè)施記載約出現(xiàn)在17世紀(jì)的法國(guó)，即17世紀(jì)中葉，歐洲始建第一座過(guò)魚(yú)建筑物。1883年蘇格蘭在泰斯河上建成世界上第一座魚(yú)道。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，至20世紀(jì)60年代初期 ，美國(guó)和加拿大有過(guò)魚(yú)設(shè)施 200座以上 ，西歐各國(guó)100座以上 ，前蘇聯(lián)18座以上，這些過(guò)魚(yú)設(shè)施主要為魚(yú)道。國(guó)外這些過(guò)魚(yú)設(shè)施不僅實(shí)現(xiàn)了工程建設(shè)中的環(huán)境生態(tài)保護(hù)目標(biāo)，還將工程的建設(shè)和科研、科普教育和旅游開(kāi)發(fā)相結(jié)合促進(jìn)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。

我國(guó)過(guò)魚(yú)建筑物的建設(shè)和研究歷史很短，大約始于20世紀(jì)60年代，1958年，富春江七里垅水電站規(guī)劃開(kāi)發(fā)時(shí)，首次涉及魚(yú)道并進(jìn)行了一系列的科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。至20世紀(jì)80年代，相繼建成40余座魚(yú)道，但是自葛洲壩水利樞紐建設(shè)增殖放流站解決中華鱘等珍稀魚(yú)類(lèi)的保護(hù)問(wèn)題以來(lái)的20多年，我國(guó)對(duì)于魚(yú)道的建設(shè)及研究進(jìn)入了停滯期。

二、“過(guò)魚(yú)加農(nóng)炮”模型介紹

（一）設(shè)計(jì)思路

“過(guò)魚(yú)加農(nóng)炮”以使魚(yú)類(lèi)“溫柔，快速”地通過(guò)，順利洄游到上游為原則，利用真空管道進(jìn)行超高速運(yùn)輸，低耗能，環(huán)保，安全，管道采用高分子材料，管道中設(shè)有壓力保護(hù)裝置，在水底設(shè)置相關(guān)誘魚(yú)裝置，由于魚(yú)類(lèi)在洄游期間對(duì)光周期和強(qiáng)度有一定偏好，故可使用聲波誘魚(yú)器或熒光誘魚(yú)燈，將魚(yú)類(lèi)引誘到模型入口處，模型入口置于與水面相平處，呈喇叭狀，類(lèi)似倒置的漏斗，喇叭狀入口周?chē)忻荛]的孔口。入口與圓形管道的連接處設(shè)置類(lèi)似于魚(yú)笱倒須的格網(wǎng)，既可以防止魚(yú)類(lèi)倒行，不會(huì)回落到水中，又能起到一定的攔污作用，使入口不會(huì)被污染物堵塞，阻止魚(yú)類(lèi)進(jìn)入管道中。入口處裝真空計(jì)和感應(yīng)裝置，真空管道中設(shè)置真空保護(hù)閥，根據(jù)所吸魚(yú)類(lèi)的不同，調(diào)節(jié)管道內(nèi)壓力。

（二）相關(guān)原理

1.“過(guò)魚(yú)加農(nóng)炮”的入口設(shè)計(jì)采用了魚(yú)笱捕魚(yú)的原理

魚(yú)笱是中國(guó)古代一種竹制的捕魚(yú)器具，呈圓錐形，口大頸細(xì)，腹大而長(zhǎng)。開(kāi)口處裝有一個(gè)倒須的漏斗，魚(yú)順?biāo)耄驗(yàn)橛械鬼毜淖钄r，魚(yú)只能進(jìn)而不能出［2］?；隰~(yú)笱的設(shè)計(jì)原理，當(dāng)魚(yú)類(lèi)在加農(nóng)炮管道內(nèi)前行時(shí)，就不會(huì)發(fā)生倒退的情況，能夠保證進(jìn)入真空管道中的魚(yú)類(lèi)順利通過(guò)。

真空管道主體采用UPVC管，其特性有質(zhì)輕，搬運(yùn)裝卸便利：UPVC管材材質(zhì)很輕，搬運(yùn)，施工便利，可節(jié)省人工。

流體阻力小：UPVC管材的管壁非常光滑，阻力很小，其粗糙系數(shù)僅為0.009。

耐腐蝕性、耐藥品性?xún)?yōu)良UPVC管材具有優(yōu)異的耐酸，耐堿，耐腐蝕，不受潮濕水份和酸堿度的影響，不需任何防腐處理。

機(jī)械強(qiáng)度大：UPVC管的耐水壓強(qiáng)度，耐外壓強(qiáng)度，耐沖擊強(qiáng)度等均良好。

具有良好的水密性：UPVC管材的安裝，不論采用粘接還是橡膠圈連接，均具有良好的水密性。因而，魚(yú)類(lèi)在真空管道中游動(dòng)時(shí)，管道摩擦阻力極小，管壁不會(huì)對(duì)魚(yú)類(lèi)造成傷害。

2.魚(yú)類(lèi)在真空管道中的運(yùn)動(dòng)

魚(yú)類(lèi)的游泳類(lèi)型依據(jù)游泳時(shí)間的不同，大致可劃分為：爆發(fā)式游泳、持續(xù)式游泳和延長(zhǎng)式游泳。爆發(fā)式游泳也被稱(chēng)為短跑游泳，是魚(yú)類(lèi)逃脫捕獲及逃避獵食者時(shí)采取的重要方式，對(duì)魚(yú)類(lèi)生存有重要的影響，也是魚(yú)能達(dá)到的最大速度。在真空管道中，魚(yú)類(lèi)的運(yùn)動(dòng)屬于無(wú)氧運(yùn)動(dòng)，但是不需要像在水中洄游時(shí)到達(dá)爆發(fā)速度，因而在短時(shí)間內(nèi)魚(yú)類(lèi)呼吸代謝小，幾乎無(wú)需耗氧，且因魚(yú)類(lèi)不需要使用突進(jìn)速度，從而疲勞致死的幾率大大下降。

魚(yú)從“加農(nóng)炮”模型中射出時(shí)，由于真空負(fù)壓的作用，魚(yú)類(lèi)獲得一定的速度，加上魚(yú)自身的速度，魚(yú)的初始爆發(fā)速度較大，初速度和“過(guò)魚(yú)加農(nóng)炮”的出口角度共同決定了魚(yú)的跳躍能，可按以下運(yùn)動(dòng)學(xué)公式計(jì)算魚(yú)的跳躍高度：

X=V（cosθ）t

H=V（sinθ）t-（1/2）gt2

X為t時(shí)間內(nèi)跳躍的水平距離，H為t時(shí)間內(nèi)跳躍的垂直高度，θ為跳躍角度，g為重力加速度 由以上式子可以得到不同跳躍角度下目標(biāo)魚(yú)的跳躍曲線(xiàn)和魚(yú)在某一跳躍角度下最大跳躍高度對(duì)應(yīng)的時(shí)間t，然后可以得到某跳躍角度下的最大跳躍高度：

H=（Vsinθ）2/2g因而在模型出口處適當(dāng)調(diào)節(jié)出口管的角度，使魚(yú)獲得最大跳躍高度，在真空的沖擊力作用下，獲得較大初速度，凌空跳躍，從而順利飛越大壩。

（三）“過(guò)魚(yú)加農(nóng)炮”的優(yōu)勢(shì)及效益分析

1.生態(tài)經(jīng)濟(jì)分析

從生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度來(lái)看，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)作為生態(tài)系統(tǒng)的子系統(tǒng)，從生態(tài)系統(tǒng)中獲取資源，這屬于其成本，通過(guò)對(duì)資源的消耗利用產(chǎn)生收益增加社會(huì)福利，這就相當(dāng)于其效用。

2.優(yōu)勢(shì)分析

目前世界上的各類(lèi)過(guò)魚(yú)設(shè)施，過(guò)魚(yú)率大多僅為10～15%左右，有的則完全不能過(guò)魚(yú)。原因有魚(yú)道的進(jìn)出水口未正確置于洄游通道上，水位與流量的變動(dòng)使魚(yú)類(lèi)不易找到進(jìn)出水口，壩太高、魚(yú)道內(nèi)流速過(guò)大使溯游能力弱的魚(yú)類(lèi)難以通過(guò)魚(yú)道等。各類(lèi)過(guò)魚(yú)設(shè)施的建造、運(yùn)行和維修費(fèi)用也很大，有的國(guó)家正努力研究改進(jìn)魚(yú)道的型式和建造位置，力爭(zhēng)使魚(yú)的通過(guò)率提高到50%左右。

三、結(jié)語(yǔ)

“過(guò)魚(yú)加農(nóng)炮”這一魚(yú)道模型結(jié)合現(xiàn)有過(guò)魚(yú)設(shè)施的優(yōu)勢(shì)，充分發(fā)揮真空運(yùn)輸技術(shù)的潛能，在理論上創(chuàng)新性地幫助魚(yú)類(lèi)洄游，能大大提高洄游魚(yú)類(lèi)的存活率，為魚(yú)類(lèi)的后代繁衍提供了有力保障，同時(shí)有助于維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡，維護(hù)河道的健康，“過(guò)魚(yú)加農(nóng)炮”不需大量的人力監(jiān)管，它利用現(xiàn)有的機(jī)械控制技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)智能化，能改變我國(guó)現(xiàn)有的過(guò)魚(yú)設(shè)施監(jiān)管體系的不良局面。

［1］physiological knowledge has improved our ability to sustainabl y manage Pacific salmon during up - river migration［J］.

［2］劉明鏡.魚(yú)類(lèi)無(wú)氧運(yùn)動(dòng)及其適應(yīng) ［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué).

基金：江西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 編號(hào)：20161BAB211009