程玉珍，梁 硯，周 招

(1. 黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080; 2. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

0 前 言

近年來(lái)，水利工程建設(shè)快速發(fā)展，閘壩等水工建筑物的建設(shè)將魚類等水生生物的遷徙通道隔斷，對(duì)魚類的洄游、繁殖及基因交流等產(chǎn)生了一定程度的影響。隨著對(duì)生態(tài)保護(hù)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，國(guó)內(nèi)修建了一系列的過(guò)魚設(shè)施，其中，魚道作為最主要的過(guò)魚設(shè)施，得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)對(duì)魚道的研究起步較晚，較多的借鑒了國(guó)外魚道的設(shè)計(jì)方法，但由于國(guó)內(nèi)外水利工程特點(diǎn)以及過(guò)魚對(duì)象存在較大的差異，使得很多魚道的實(shí)際過(guò)魚效果并不理想。與國(guó)外魚道設(shè)計(jì)不同，我國(guó)已建魚道工程運(yùn)行水頭較低(大多數(shù)都在20 m以下)，隨著水利工程進(jìn)一步發(fā)展，一批高水頭魚道正在進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，如西藏、陜西、新疆等地的一些水利樞紐中，魚道運(yùn)行水頭接近或超過(guò)40 m[1]。同時(shí)，由于我國(guó)大部分魚道過(guò)魚對(duì)象游泳能力相對(duì)較弱，底坡設(shè)計(jì)較緩，因此魚道總長(zhǎng)度遠(yuǎn)超國(guó)外等水頭魚道。在這種高水頭、長(zhǎng)距離魚道中，魚道的布置方式、池室結(jié)構(gòu)、進(jìn)出口設(shè)計(jì)等都需要做進(jìn)一步研究。

豎縫式魚道消能效果較充分, 能適應(yīng)較大水位變幅，一般用于能適應(yīng)較復(fù)雜流態(tài)的大、中型魚類[2]，與仿自然型魚道以及池式魚道相比，可適用的上下游水頭差更大。國(guó)外對(duì)此形式魚道做了較多的研究，其中，最著名的是鬼門峽(Hell's Gate)魚道。我國(guó)采用雙側(cè)導(dǎo)豎式的有斗龍港閘魚道、瓜州閘魚道、利民河大魚道等；采用單側(cè)導(dǎo)豎式的有浙江七里垅魚道、安徽裕溪閘魚道和安徽巢湖閘魚道等。20世紀(jì)80年代，Rajaratnam等[3]首次對(duì)豎縫式魚道進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。近年來(lái)，豎縫式魚道在國(guó)內(nèi)得以廣泛應(yīng)用，曹慶磊等[4]，邊永歡，孫雙科等[5-7]，劉志雄，王猛等[8, 9]分別對(duì)豎縫式魚道的池室結(jié)構(gòu)，水流流態(tài)以及流速、紊動(dòng)能等方面進(jìn)行了研究。胡濤等[10]對(duì)多折回通道型豎縫式魚道的沿程流速分布進(jìn)行了研究并提出了減小豎縫流速的方法。但是，豎縫式魚道在高水頭、長(zhǎng)距離工程中的應(yīng)用，仍然需要進(jìn)一步探索。本文以?shī)^斗魚道為基礎(chǔ)，通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)采用多折回豎縫式設(shè)計(jì)的高水頭魚道的水流特性進(jìn)行分析，并針對(duì)進(jìn)口段進(jìn)行優(yōu)化研究。

1 工程概況

奮斗水庫(kù)位于黑龍江省穆棱市，是一座以供水為主，兼顧防洪、發(fā)電、灌溉等綜合利用水庫(kù)。如圖1所示，魚道布置在廠房尾水渠的右側(cè)平坦山坡上，設(shè)有1個(gè)進(jìn)魚口以及4個(gè)出魚口，全長(zhǎng)約為2 213.5 m。主要建筑物包括進(jìn)魚口、過(guò)魚池、休息池和出魚口等。魚道采用循環(huán)曲線形集中布置，魚道從左岸重力壩壩身穿過(guò)，設(shè)4個(gè)出魚口，共設(shè)有531個(gè)池室和48個(gè)休息池。

圖1 奮斗魚道平面圖Fig.1 Layout of Fendou fishway

魚道為豎縫式魚道，主要過(guò)魚池室結(jié)構(gòu)如圖2所示，池室高3.0 m，寬度為2.5 m，單個(gè)池室長(zhǎng)度3.5 m，豎縫寬度0.45 m，底坡為1∶60，每間隔小于20個(gè)過(guò)魚池或在魚道彎折處設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)7.0 m的休息池，休息室底坡為0。豎縫隔板處設(shè)置導(dǎo)板以調(diào)整水流方向。

圖2 典型池室結(jié)構(gòu)(單位：cm)Fig.2 Classic structure of pool room

穆棱河是烏蘇里江左岸最大的支流，魚類組成比較復(fù)雜。據(jù)調(diào)查采集魚類和文獻(xiàn)記載， 主要洄游魚有細(xì)鱗魚、茴魚、馬口魚、蛇鮈等，本魚道過(guò)魚對(duì)象主要是細(xì)鱗魚，茴魚等。細(xì)鱗魚，茴魚均為鮭形目，淡水類鮭魚極限流速為2.3～3.5 m/s[11]。綜合各因素考慮，魚道豎縫流速取1.0 m/s。

水庫(kù)正常蓄水位382.00 m，電站下最低水位349.57 m，上下水頭達(dá)32.43 m，為高水頭魚道，上游水位變幅9 m，下游水位變幅1.43 m，上下游水位變化幅度較大且魚道全長(zhǎng)達(dá)2 213.5 m，隔板數(shù)量多，魚道水流能否滿足過(guò)魚需求，有必要進(jìn)行水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證評(píng)價(jià)。

2 模型設(shè)計(jì)

2.1 模型布置

在藥用高分子材料學(xué)的教學(xué)中，可以通過(guò)微信群的功能，在上課前就給學(xué)生設(shè)置問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生自己思考。例如，在講述淀粉與纖維素特點(diǎn)時(shí)，可以設(shè)疑“淀粉與纖維素結(jié)構(gòu)類似，為何牛以吃草為生，而人卻不能”，引導(dǎo)學(xué)生去認(rèn)識(shí)，雖然淀粉與纖維素結(jié)構(gòu)類似，但淀粉是以α-1,4糖苷鍵相連，纖維素是以β-1,4糖苷鍵相連，兩者分子式一致但構(gòu)型不同；人體內(nèi)僅存在水解α-1,4糖苷鍵的酶，缺乏水解β-1,4糖苷鍵的酶，從而導(dǎo)致纖維素在體內(nèi)不能被吸收。

圖3 奮斗魚道1∶20水工模型Fig.3 1∶20 Physical model of Fendou fishway

2.2 試驗(yàn)工況

根據(jù)上下游庫(kù)水位組合變化以及不同出口閘門啟閉，按表1工況進(jìn)行試驗(yàn)。其中，工況1、4上游出口水深為1.0 m左右，工況2、3上游出口水深為2.5 m左右，下游進(jìn)口水深根據(jù)電站流量不同在1.1～2.5 m間變化。

核苷酸二鈉（I＋G）的來(lái)源還是比較安全的，通常是從酵母中提取出來(lái)的。GB 2760－2011食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)將核苷酸二鈉（I＋G）列在《可在各類食品中按生產(chǎn)需要適量使用的食品添加劑》的名單上。這說(shuō)明適量使用核苷酸二鈉（I＋G）是符合國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)的，不具有危害[4]。

表1 試驗(yàn)工況Tab.1 Experiment working condition

可以看到，魚道豎縫流速變化趨勢(shì)與沿程水深一致，基本保持平穩(wěn)，沿程略有上線波動(dòng)。在各工況下，流速絕大多數(shù)保持在0.8～1.2 m/s之間，本魚道工程主要過(guò)魚對(duì)象上溯的極限流速在2.3 m/s以上，感應(yīng)流速約為0.3 m/s，喜好流速一般在1.0 m/s左右，因此，在該流速變化范圍內(nèi)，是適宜過(guò)魚的。

3 試驗(yàn)結(jié)果

考慮到進(jìn)口連接段流速較小以及A、B段水深流速變化較大，將A、B兩段及進(jìn)口連接段底坡改為1∶75，相較于原設(shè)計(jì)中進(jìn)口連接段底坡1∶500，A、B段底坡1∶60，均勻底坡有利于防止水面陡升陡降，進(jìn)而造成水流流速的突然變化。同時(shí)，在進(jìn)口連接段，增加12個(gè)隔板，隔板形式尺寸及間隔與魚道上游一致。通過(guò)增加隔板，減小過(guò)流面積，使水流更加集中，流速提高，明確魚類上溯方向。

3.1 沿程水深

魚道水面線(水深)是魚道能否正常運(yùn)行的必要條件之一，根據(jù)本工程主要過(guò)魚對(duì)象細(xì)鱗魚、黑龍江茴魚等的體型特點(diǎn)與生活習(xí)性，能夠滿足過(guò)魚需求的水深為1.0～2.5 m，試驗(yàn)采用控制上下游水位的方法，上游根據(jù)1～4號(hào)不同出口閘門高程，分別采取1.0 m與2.5 m兩種出口水深對(duì)應(yīng)的水位，下游采用不同電站運(yùn)行狀態(tài)對(duì)應(yīng)的水位，對(duì)沿程水面線進(jìn)行了測(cè)量。

為模擬魚道整體運(yùn)行情況，同時(shí)考察池室流態(tài)等，模型幾何比尺確定為1∶20。 模擬建筑物包括魚道整體(包括進(jìn)口閘門、魚道下游段、過(guò)壩連接段、魚道上游段、出口閘門1～4號(hào)等)、上游水庫(kù)、電站尾水管、尾水渠等，模擬范圍上游水庫(kù)魚道出口閘門附近20 m，下游電站尾水渠距魚道入口50 m，模型模擬范圍可保證試驗(yàn)工作段的水流流態(tài)相似。模型全長(zhǎng)22 m，其中上游水庫(kù)高0.7 m，長(zhǎng)6.5 m，寬3.0 m；魚道下游段高1.5 m，長(zhǎng)4.7 m，寬3.0 m；電站及尾水渠段，高0.7 m，長(zhǎng)9 m，寬2.7 m。見(jiàn)圖3。其中，上游庫(kù)水位變化幅度較大，通過(guò)疊梁門與管道閥門進(jìn)行控制，下游水位通過(guò)尾門控制，電站流量通過(guò)三角堰控制。

圖4 沿程水深Fig.4 Water depth along distance

選取各工況測(cè)量數(shù)據(jù)中，進(jìn)口閘門至1號(hào)出口閘門段典型過(guò)魚池的水深數(shù)據(jù)，并按樁號(hào)沿程繪制成圖，如圖4所示。觀察可以發(fā)現(xiàn)，在不同工況下，魚道內(nèi)水深與出口閘門水深基本保持一致，水深總體上保持平穩(wěn)，沿程略有上下波動(dòng)。本工程中過(guò)魚池室結(jié)構(gòu)及底坡設(shè)計(jì)可以較好的適應(yīng)高水頭差魚道工程。

對(duì)比工況2和工況3，可以發(fā)現(xiàn)，在不同出口閘門開(kāi)啟時(shí)，盡管上游庫(kù)水位不同，只要出口閘門水深保持一致，魚道內(nèi)沿程水深均可以保持一致。在上游閘門開(kāi)啟情況下，盡管上游庫(kù)水位較高，但經(jīng)過(guò)魚道內(nèi)隔板沿程消能，水流流至下游閘門時(shí)，水頭已基本與原水位一致，因此，可將魚道出口水深作為魚道運(yùn)行的控制條件。

在各個(gè)試驗(yàn)工況中，水深基本保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)水位大幅雍高，其中工況2水深最大，達(dá)到2.76 m，與魚道邊墻高度3.00 m有一定富余。而出口水深在1.0 m時(shí)，魚道水深均保持在1.0 m以上，可以滿足過(guò)魚水深要求。因此，上游庫(kù)水位保持魚道出口水深在1.0～2.5 m以內(nèi)，可以滿足魚類通過(guò)的基本要求。

與原方案進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)化后，水深變化區(qū)段由原來(lái)的A、B段擴(kuò)展至連接渠段，使得相鄰池室水位差減小，從而減小了最大豎縫流速。

各工況下，在來(lái)流水深一致時(shí)，魚道水深變化基本一致，由上游至下游水深均沿程減小。但在臨近魚道進(jìn)口的A、B段時(shí)，如圖5，不論上游來(lái)流水深為多少，均迅速降低或增加為魚道進(jìn)口水深。這種在較短距離內(nèi)水深大幅度變化，使得豎縫流速增大或減小，對(duì)魚類上溯可能產(chǎn)生阻礙。

圖5 魚道下游段平面圖Fig.5 Layout of downstream section

3.2 豎縫流速

豎縫式魚道中，豎縫流速是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，過(guò)魚對(duì)象是否能順利上溯，很大程度上取決于豎縫流速是否接近魚類喜好流速，并且不能超過(guò)其極限流速。選取魚道典型過(guò)魚池豎縫流速按樁號(hào)沿程繪制成圖6。

圖6 豎縫流速Fig.6 Velocity of water in vertical slot

分別對(duì)1-4工況下魚道內(nèi)沿程水深，豎縫流速等進(jìn)行測(cè)量，分析對(duì)比不同工況下的變化規(guī)律，以及對(duì)魚類上溯造成的影響。

隨著屏底溫度提高，水冷壁輻射吸熱量下降明顯，分離器出口蒸汽溫度亦下降明顯；而末級(jí)過(guò)熱器出口汽溫呈下降趨勢(shì)，雖然過(guò)熱器總吸熱量隨屏底溫度提高而增加，但上升幅度小于水冷壁吸熱量的降低幅度；再熱器吸熱量隨著屏底溫度上升而增加，故再熱器出口溫度也相應(yīng)增加。屏底溫度每上升10℃，分離器出口蒸汽溫度下降2.0℃，過(guò)熱器出口蒸汽溫度下降1.1℃，再熱器出口蒸汽溫度上升1.6℃，具體結(jié)果見(jiàn)圖5。

但是在臨近魚道進(jìn)口部分，由于水深快速變化，導(dǎo)致流速大范圍變化。工況1下，由于流速小于0.3 m/s，低于魚類感應(yīng)流速，不能為魚類上溯提供明確方向。而在工況2下，最大流速達(dá)到1.7 m/s，這對(duì)于體型較小，極限流速較低的魚類以及幼魚來(lái)說(shuō)，又會(huì)對(duì)上溯形成阻礙。

3.3 AB段水深及流速分析

對(duì)水深及流速變化劇烈段進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，主要集中在魚道進(jìn)口附近A、B兩段。主要原因是下游電站尾水位變化，使魚道進(jìn)口水深與上游出口水深不同，從而使水深變化集中在進(jìn)口附近。

綜上所述，與玉米醇溶蛋白相比，玉米醇溶蛋白經(jīng)堿性蛋白酶酶解后，其鋅離子螯合物對(duì)DPPH自由基、羥自由基、ABTS+·清除能力均有不同程度的增加。

圖7 AB段水深及豎縫流速Fig.7 Water depth and velocity in vertical slot of part AB

4 優(yōu)化方案

試驗(yàn)分別對(duì)過(guò)魚池、休息池、轉(zhuǎn)彎段等沿程水深及豎縫處流速進(jìn)行測(cè)量，水深取池室中部左右兩側(cè)平均水深，由于豎縫流速垂直方向變化不大，選取隔板豎縫處水深1/2處流速。以魚道進(jìn)口閘門處樁號(hào)為0 m，上游方向?yàn)檎?，?duì)魚道水深及豎縫流速沿程進(jìn)行分析。

根據(jù)不同進(jìn)出口水深工況進(jìn)行試驗(yàn)，如表2所示。

表2 試驗(yàn)工況Tab.2 Experiment working condition

對(duì)以上工況下A、B段魚道水深，豎縫流速進(jìn)行測(cè)量，如圖8所示，在工況1中，出口水深為2.51 m，進(jìn)口水深為1.49 m，在A、B段，水深僅降低至1.94 m，流速則由0.98 m/s增大至1.21 m/s。與原方案中最大流速1.7 m/s相比較，更接近主要過(guò)魚對(duì)象的喜好流速，可以認(rèn)為不會(huì)對(duì)魚類上溯造成影響。

對(duì)A、B段水深及豎縫流速測(cè)點(diǎn)加密，并沿程繪制成圖7?？梢园l(fā)現(xiàn)，工況4中，進(jìn)口水深與出口閘門水深接近時(shí)，水深基本保持一致，豎縫流速基本保持穩(wěn)定。而工況2，3中，魚道水深迅速由出口閘門水深變化為進(jìn)口水深，豎縫流速由1.0 m/s左右增大至1.5 m/s左右。

圖8 AB段水深及豎縫流速Fig.8 Water depth and velocity in vertical slot of part AB

誰(shuí)知李陸峰卻笑著說(shuō)：“老話說(shuō)得好，躲得了初一，躲不了十五。這不，十五元宵節(jié)，說(shuō)到就到。躲躲藏藏，畏首畏尾，這般擔(dān)心受怕，何日才是盡頭？我倒不信了，燈節(jié)禁地，除了皇親國(guó)戚、京城高官，常人皆不容入內(nèi)，他縱有三頭六臂，能奈我何？再說(shuō)了，他早晚都在算計(jì)我，卻不知我連做夢(mèng)也在算計(jì)他，就盼他敢現(xiàn)身。只要他敢來(lái)燈節(jié)禁地，只要他敢出頭，我就有把握擒住他！”

圖9 AB段水深及豎縫流速優(yōu)化Fig.9 Optimism of Water depth and velocity in vertical slot of part AB

選優(yōu)化前后相同工況進(jìn)行對(duì)比，如圖9，在各工況下，優(yōu)化后A、B段水深變化幅度明顯較小，更加平穩(wěn)，進(jìn)而使得流速變化較小，最大豎縫流速減小至1.2m/s以下，使得流速控制在魚類喜好流速范圍內(nèi)，并且穩(wěn)定的流速可以使魚類較快熟悉魚道，上溯更為順利以滿足魚類上溯的流速要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)豎縫式魚道在長(zhǎng)距離、高水頭差工程中應(yīng)用進(jìn)行試驗(yàn)研究，可以得出以下結(jié)論。

(1)對(duì)于高水頭差長(zhǎng)距離魚道工程，豎縫式魚道可以起到很好的消能效果，可以使沿程水深、流速保持在相對(duì)平穩(wěn)的狀態(tài)。

食品安全數(shù)據(jù)的來(lái)源廣泛，包括抽查、檢測(cè)結(jié)果、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)等，在其采集、使用、處理等過(guò)程中處處存在著影響其質(zhì)量的因素，同時(shí)食品安全數(shù)據(jù)覆蓋面廣、更新速度快、數(shù)量龐大，各個(gè)環(huán)節(jié)都可能出現(xiàn)誤差，存在著較大的不確定性。

(2)采用本魚道工程中的豎縫隔板形式，魚道沿程水深與魚道出口水深基本保持一致。

(3)在魚道進(jìn)口附近，由于水深迅速趨于進(jìn)口水深，當(dāng)進(jìn)出口水深相差較大時(shí)，水深的迅速變化，會(huì)導(dǎo)致豎縫流速過(guò)大或過(guò)小，對(duì)魚類上溯形成阻礙。

（5）單體濃度在m(AMPS)∶m(AA)∶m(AM)為6∶4∶2，水浴溫度65℃，引發(fā)劑加量0.2%，pH值為6條件下合成緩凝劑，并配置水泥漿（配方A）進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示最佳的合成單體濃度為30%（表5）。

李澤厚先生曾言：書法一方面可以是“創(chuàng)作者有意識(shí)和無(wú)意識(shí)的內(nèi)心秩序的全部展露”；另一方面它可以是“宇宙普遍性形式和規(guī)律的情感同構(gòu)”；是這種“人與自然、情緒與感受、內(nèi)在心理秩序結(jié)構(gòu)與外在宇宙（包括社會(huì)）秩序結(jié)構(gòu)直接相碰撞，相斗爭(zhēng)，相調(diào)節(jié)，相協(xié)奏的偉大的生命之歌?！保?］這就是說(shuō)，所謂書者，抒也。感情的抒發(fā)還只是書法的功能，時(shí)空情緒的秩序化才是書法的本質(zhì)。

(4)通過(guò)減小進(jìn)口附近段底坡坡度，增加連接段隔板，可以增大水深變化區(qū)段，減小相鄰池室水位差，有效減小最大豎縫流速。

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