高興和，陳 浩，王 津

(1.江蘇省太湖水利規(guī)劃設計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215103； 2.江蘇省太湖地區(qū)水利工程管理處，江蘇 蘇州 215128)

新溝河江邊樞紐工程位于新溝河入江口，是太湖聯(lián)通長江引排調控的龍頭口門，由5孔攔河擋潮閘(總凈寬48m)、大(2)型泵站(180m3/s)、Ⅴ級船閘(16m×180m)和魚道(寬2～3m)組成，具有引排改善水環(huán)境、擋潮、防洪、排澇、航運及生態(tài)等綜合功能。其中，魚道是沿江水生態(tài)保護與修復的重要工程措施，滿足該水域魚種及其上溯習性[1]需求，本工程設置了長槽型雙向魚道。

1 魚道功能與主要技術要求

魚道是供魚類洄游過閘的人工通道[2]。魚類在低水位側，依靠水流吸引，逆流進入魚道，靠自身力量克服流速溯游至高水位側。其功能要素及主要技術要求如下。

1.1 魚道功能要素

魚道設計時，首先要確定所在河道過魚種類，并對其生活習性及游泳能力、體型等相關資料進行研究。通過水生生態(tài)調查，明確保護對象[3]，進行魚類游泳能力[4]測試，主要有兩類指標：趨流特性和克流能力。趨流特性反映魚類洄游路線中出現(xiàn)的最小流速，在這個流速上魚類會較易找到洄游方向；克流能力分為持續(xù)游泳速度、耐久游泳速度和突進速度，其中持續(xù)游泳速度在魚道內出現(xiàn)幾率較小，不作要求；耐久游泳速度是魚道長度以及休息池設計的參考依據(jù)；突進游泳速度主要用于魚道的一些特殊結構及高流速區(qū)[5]。魚類依靠自身上溯溯游能力克服水流影響，通過魚道全程，因此，在魚道設計時，要考慮水流流態(tài)、水流紊動能以及水流流速對魚類洄游的影響。

1.2 主要參數(shù)指標

魚道設計需要獲取的主要參數(shù)指標包括：①魚種，即過魚種類的生態(tài)習性和游泳能力等基本資料。②洄游時間與時機，明確主要過魚對象通過的時間與時機。③特征潮水位與上下游水位差，根據(jù)過魚時段水位變化情況，選定上下游水位。④確定流速，主要與魚類克流能力相關，魚道過魚效果主要取決于魚道的流速與流態(tài)，要求流速小于克流能力，且主流明確。⑤魚道布置與主要尺寸確定，主要包括布置位置、魚道長度、寬度、高度(水深)及細部結構尺寸等。

2 沿江漁業(yè)資源與魚種習性調研

本工程對通江水系專題進行了漁業(yè)資源調研，通過收集魚種相關習性資料，為設計提供依據(jù)。

(1)長江中上游四大家魚為青魚、草魚、鰱魚、鳙魚，體長150～1100mm[6]，體重1000～5000g；其它魚類：鯉魚、銅魚、長吻鮠、南方鲇、黃顙等，體長100～600mm[7]，體重30～1500g。

(2)長江江陰段優(yōu)勢魚種及體重。該段不僅是長江水系入海通道，也是許多江、海魚類洄游通道、產(chǎn)卵場、索餌場。漁獲物的優(yōu)勢種類組成結果顯示，該段魚類有36種，其鯉形目20種占55.6%，鯰形目6種占16.7%，鱸形目5種，占13.9%，鯡形目、鰻鱺目、鰈形目、刺鰍目、純形目各1種各占2.8%。居前十位優(yōu)勢種中，重量百分比以鳊魚為高，占40.74%，最小為刀鱭1.97%。尾數(shù)百分比以鳊魚為高28.96%，最小為鯉魚0.77%。優(yōu)勢種平均體重60 g 以下魚類占80%，最大為鯉魚，平均體重352.8 g，最小為蛇鮈，平均體重9.7 g[8]。

(3)附近水域走馬塘通江魚道魚種及體重。2014年調查發(fā)現(xiàn)該區(qū)域魚種包括鳊魚、草魚、鰱魚、鳙魚、鯉魚、銅魚、鰷魚、吻鮈、黃顙魚、鱸魚以及一些小雜魚等；2015年5月，魚道內1h內捕獲各種魚類共9條，計1.8kg，平均體重為200g，包括鳊魚、鯉魚、鰱魚、黃顙魚、鳙魚等。

(4)感應與喜好流速及范圍。以上魚種特征中，江陰段和附近水域主要魚種及習性，是本工程魚道設計依據(jù)。根據(jù)魚道設計導則[9]，可直接采用規(guī)范附表整編成果，主要魚類感應流速0.20m/s，喜好流速范圍0.3～1.0m/s，極限流速范圍0.6～1.3m/s，詳見表1。

表1 魚類的感應流速、喜好流速和極限流速

(5)洄游時間與時段。魚類每年的洄游時間為4～8月，該時期對應上、下游水位詳見表2。

表2 魚道上下游設計水位 單位：m

3 魚道選型與設計

3.1 結構選型

綜合國內外已建的魚道資料，魚道按結構布置可分為池堰式、潛孔式、垂直豎縫式、仿生態(tài)式[10]及特殊結構型式等；按類型可分為槽式、池式和組合式，槽式包括簡單加糙型和丹尼爾型，池式包括溢流堰式、豎縫式、底(潛)孔式[11]，組合式包括堰孔、堰縫組合式[12]。對各種魚道的型式進行比較篩選，長槽型豎縫式魚道一般由槽身邊墻、豎直平面隔板、休息室[13]及進出口建筑物組成，其結構簡單，消能充分；且水流平穩(wěn)，適應上下游水位變動能力強，不會因內外河水位的急劇變化而影響魚道內的水流流態(tài)，從而影響魚類的洄游，且水深范圍大，水流流速從水底至水面呈逐層增加的分布態(tài)勢，可滿足多種魚類洄游時對不同流速、不同水深的喜好。

結合新溝河江邊樞紐運行工況和節(jié)制閘結構設計，在豎縫式魚道基礎上進行適當優(yōu)化，將魚道依附于節(jié)制閘及其上下游翼墻布置，采用“長槽型雙豎縫多隔倉”結構型式，通過多個豎縫和隔倉，將上下游總水位差分成若干個小的梯級，消能效果好，能適應較大水位的頻繁、動態(tài)變化，能同時適應棲息于表層和底層的魚類洄游習性的需求。同時魚道采用開放式運行方式，有利于過魚時間的延長，增加過魚數(shù)量；有利于適應不同魚類的洄游條件，運行過程中，上下游水頭差、流速、流量等水力條件動態(tài)變化，有利于不同洄游習性魚類找到適合自己洄游所需的條件和路徑。

3.2 主要結構尺寸擬定原則

魚道結構尺寸主要包括：池室長度、寬度，豎縫寬度與水深高度等。其擬定原則如下。

(1)池室寬度：按魚種和體長綜合分析確定，一般取2～3m，且不小于最大過魚體長的2倍。

(2)池室長度：一般不小于池寬，同時，不小于最大過魚體長的2.5倍，池長與水流消能及魚類的休息習性密切相關。池室長，則水流條件好，休息水域大，對過魚有利，池室短則與之相反。

(3)豎縫寬度：與魚體大小和水位梯級與流速有關，豎縫寬度一般不小于通過魚類胸鰭水平展開最大距離，考慮多數(shù)魚類通過需求，魚道豎縫寬度一般不小于多數(shù)過魚對象體長的一半；同時，考慮上下游水位梯級與主流流速要求，縫寬宜小不宜大。

(4)池室水深：結合上下游進出口河床地勢，按魚類洄游習性而定，一般取1.5～2.5m[14]，不宜大于3m，同時，不應小于最大過魚目標體高的5倍或體長的2.5倍。

3.3 結構布置與設計

根據(jù)漁業(yè)資源及習性調研成果，結合工程建設實踐，本工程魚道進出口布置在水流平穩(wěn)，且有一定水深的岸邊，采用“長槽型雙豎縫多隔倉”雙向洄游魚道，依附于通江樞紐節(jié)制閘西岸，結合節(jié)制閘及其上下游翼墻長槽型布置，將狹長水槽上下游總水位差，通過多個豎縫[15]和隔倉，分成若干小梯級，利用水墊、沿程摩阻、水流對沖、回旋和擴散來消除水頭能量，并形成各種魚類喜好的溯游水流。魚道由進口、槽身與控制和出口三部分組成，總長50～60m。槽身橫斷面為矩形，底高程0.6m，凈寬2～3m，雙側豎縫由兩側邊柱與中隔板錯位形成，中隔板下部生根于底板之上，邊柱固支于側壁，邊柱與中隔板上部以頂撐梁銜接固定，底板、側壁及邊柱、中隔板、頂撐梁形成槽型雙側豎縫和隔倉單元體，相鄰單元體形成一個隔倉，隔倉長2～3m，多個隔倉組成長槽型魚道，共布設20～25個隔倉，槽身居中部位隔倉設胸墻和閘門控制，臨

土側設置側壁觀察室(井)，魚道進出口設檢修門槽，頂部高程需按結構銜接需要確定。魚道主體局部結構布置如圖1—2所示。

3.4 魚道特點

本工程所采用“長槽型雙側豎縫多隔倉雙向洄游魚道”結構，具有如下特點。

(1)本工程魚道位于入江口，在調研漁業(yè)資源及洄游習性的基礎上，結合通江口門條件，滿足多數(shù)魚類喜好，合理選擇魚道布置和結構型式，長槽型魚道依附節(jié)制閘及其上下游翼墻，不僅適合上下游水位動態(tài)多變條件，滿足魚道基本功能要求，而且節(jié)省魚道專項工程投資。

(2)適應雙向水頭運行工況，結合河床地勢和內外水位關系，魚道總體尺寸及隔倉與豎縫長、寬、高結構尺寸，由水系魚類大小和習性而定，確保常規(guī)水頭下主要和多數(shù)魚類正常洄游需要。

(3)魚道隔倉功能與設置，需根據(jù)上下游水頭和魚類溯游能力進行分級，形成合適梯度的梯級水流，本工程控制每級水頭5～10cm，豎縫與隔倉梯級之間流態(tài)平穩(wěn)，流速適當，便于魚類洄游。

(4)魚道豎縫結構邊角倒圓處理，避免銳緣觸傷魚類，改善流態(tài)，使水流平順，便于魚類通過。

(5)滿足魚類聚光、向陽、喜氧習性，魚道頂部設置頂撐梁，不僅增加結構整體性，關鍵是形成開敞、開放、露天水槽，既能采光，又能與大氣溝通，更好的滿足魚類逐光[16]和供氧需求。

(6)魚道側壁設有觀察窗，可實時實地觀察記錄魚類洄游情況，以便驗證并指導類似工程設計。

(7)魚道進口一般設在經(jīng)常有水流下泄、魚類洄游路線及經(jīng)常集群處，并盡可能靠近魚類上溯能到達的最前沿[17]；魚道出口應確保有一定的水深，附近不應有妨礙魚類繼續(xù)上溯的不利環(huán)境[16]。

圖1 魚道平/剖面圖(局部)

圖2 魚道縱剖視圖(局部)

(8)有條件可增加導魚、誘魚[18]設施，完善監(jiān)測手段，便于全面掌握魚道洄游生物特性，為制定更合理的運行方案提供依據(jù)，確保魚道持續(xù)有效工作，消除工程建設對魚類洄游影響。

4 數(shù)值模擬分析與研究

利用Flow- 3D軟件工具進行模擬分析，驗證了魚道布置及體型設計的合理性。

4.1 魚道水流流態(tài)

雙向水流主流位于兩側，流態(tài)總體上對稱，底、中、表層的水流流態(tài)基本一致，如圖3所示。

圖3 魚道水流流態(tài)(局部，上圖-正向，下圖-反向)

4.2 魚道沿程水面線分析

經(jīng)數(shù)模計算獲得的正反向運行的沿程水面線如圖4所示。每個梯級落差大致相同，數(shù)模結果與設計成果基本吻合。

圖4 正反向運行魚道沿程水面線

4.3 流速分布與分析

魚道過魚效果主要取決于隔板間流速及相鄰隔倉水流流態(tài)。要求流速小于過魚的克流能力，水池間主流明確，需要一定回流，但回流又不能過于劇烈，范圍不能過大，防止魚類迷失方向，延誤上溯時間。根據(jù)數(shù)值模擬分析成果，正反向運行典型斷面平均流速見表3。

表3 正、反向運行典型斷面平均流速

表4 正向運行水位差與豎縫最大斷面平均流速計算結果

數(shù)模成果顯示，魚道內流速分布相對均勻，沿程無明顯增大或減小現(xiàn)象。魚道內流速分布總體上對稱，兩級隔板間休息室存在大小及強度隨時間變化、流速較小的回流。如圖5所示(橫縱坐標尺寸單位：m；圖6—7同。)。

圖5 流速分布圖(上圖-正向，下圖-反向)

4.4 豎縫流速影響分析

本工程魚道外河連接長江，為感潮河道，潮位動態(tài)變化中，為了解水位差變化對魚道過魚的影響，對不同水位差與豎縫最大斷面流速進行計算分析，成果見表4和圖6。

圖6 豎縫流速分布圖(上圖-正向；下圖-反向)

圖7 紊動能等值線分布圖(上圖-正向；下圖-反向)

數(shù)模成果顯示，雙向運行豎縫最大斷面平均流速與水位差均具有很好的線性關系，正向水位差在0.05～1.20m之間變化時，豎縫最大斷面平均流速變化范圍為0.28～1.30m/s，反向水位差在0.03～1.30m之間變化時，豎縫最大斷面平均流速變化范圍為0.18～1.33m/s。

4.5 紊流與紊動能分布

紊流產(chǎn)生紊動能，令魚類不適，紊動變強，傷害魚鱗、魚鰓，損害魚眼。紊動能等值線成果顯示，如圖7所示，魚道紊動能極值0.017～0.021 m2/s2；深度方向呈底部小、上部大的分布規(guī)律；相對而言，主流區(qū)紊動能比回流區(qū)小。總體而言，魚道內紊流對魚類影響較小。

4.6 數(shù)模驗證主要結論

基于魚類調研及數(shù)模計算成果，新溝河通江魚道采用長槽型雙豎縫多隔倉式雙向結構，可形成雙向梯級水流，魚道總體布置和體型設計優(yōu)良，能適應長江口雙向水頭特性，魚道過流參數(shù)符合通江水系各類洄游魚類洄游習性要求，滿足該水域絕大部分洄游魚類的需要。雙向運行時，內部水流流態(tài)相近，進流平順，隔倉休息室內為回流區(qū)，主流對稱位于兩側，且不同深度的水流流態(tài)基本一致；各級豎縫水位差范圍1.74～6.46cm；豎縫間流速明顯增大，豎縫內流速0～1.0m之間動態(tài)變化，最大平均流速0.85～0.93m/s，隔倉內流速較小，回流流速0.1～0.35m/s，適合主要魚類洄游與休息；雙向運行紊動能最大值0.017 ～0.021 m2/s2，影響較??；魚道最大斷面平均流速與水位差基本成線性關系，總水位差達到1.3～1.5m時，最大斷面平均流速達到1.33m/s。

5 結語

經(jīng)數(shù)模和實踐驗證，“長槽型雙側豎縫多隔倉”魚道結構，構造簡單，施工簡便，可形成多種魚類喜好的溯游水流，符合沿江動態(tài)水頭特性和該水域魚種習性需求；魚道依附節(jié)制閘布置，經(jīng)濟合理；魚道上口開敞，可保證水流全程自然采光和摻氣供氧，對魚類活動有利；豎縫邊緣倒圓處理，避免銳緣觸傷魚類，改善流態(tài)，使主流平順，有利于魚類通行。查新成果[19]顯示為新型結構，其尺寸可變，具有通用性，后續(xù)推廣應用中，有條件可配齊導魚、誘魚及自動監(jiān)測設施，既為沿江水系魚種及其習性的全息數(shù)據(jù)采集與動態(tài)監(jiān)控提供便利，也為進一步改進提供依據(jù)。