張 艷 艷，胡 曉 張，楊 芳，呂 文 斌，張 金 明，莫 偉 均

(珠江水利委員會(huì) 珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611)

水利工程在防洪、發(fā)電、灌溉等方面發(fā)揮重要作用的同時(shí)，對河流生態(tài)環(huán)境也帶來了不利影響。大壩的修建截?cái)嗔撕恿髯韵露系奈镔|(zhì)與能量輸移，阻隔了魚類的洄游通道[1]，而魚道作為一種過魚設(shè)施，能有效緩解水壩對魚類洄游通道的阻隔作用。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型魚道多是針對某種經(jīng)濟(jì)魚類或珍惜魚類設(shè)計(jì)的[2]，從運(yùn)行實(shí)踐來看，可以取得較好的過魚效果[3-4]。但是，隨著人們對生態(tài)環(huán)境整體性認(rèn)識的不斷深入，傳統(tǒng)魚道作為生態(tài)廊道和景觀廊道的作用[5]，為更多不同魚類提供洄游、棲息和繁殖的場所是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。工程魚道與天然河道在水力特性上的本質(zhì)差異是影響工程魚道過魚效率的關(guān)鍵。因此，仿自然型魚道應(yīng)運(yùn)而生[6-7]。

所謂仿自然型魚道，就是采用天然漂石、砂礫、木頭等天然材質(zhì)，盡可能地模擬天然河流的水流流態(tài)，水流條件更為魚類所熟悉[8]，適用于多種魚類通過，因此過魚效果更好[6]。但這種魚道自身的穩(wěn)定性較差，完全依靠材料自身重力所產(chǎn)生的摩擦阻力和形狀阻力來抵擋水流沖擊力。因此，對于這種魚道結(jié)構(gòu)而言，研究的重點(diǎn)分2個(gè)方面：① 尋找一種可以為不同魚類提供上溯通道的斷面結(jié)構(gòu)形式，即水流流態(tài)研究；② 在給定底坡前提下，尋找一種可以將水流能量均勻消耗掉、沿程水流能量不累加、并且在不同流量情況下魚道斷面形式不被破壞掉的斷面結(jié)構(gòu)形式，即魚道消能率的研究。

仿自然型魚道分2種形式：水池淺灘型魚道和加糙坡道型魚道[9]。水池淺灘型魚道是階梯型的，由陡峭的短渠或低堰聯(lián)結(jié)長且平坦的水池組成。淺灘處水深較淺，流速較大，水池則相反[10]。2個(gè)相鄰水池水位差異越大，淺灘處流速越大。為了魚類能成功上溯，淺灘處最大流速要小于魚類的突進(jìn)速度，該魚道長度較長，可順直亦可彎曲。加糙坡道型魚道由一個(gè)長的斜槽構(gòu)成，坡道的長度和坡度受魚類的耐久性游泳能力限制，需要每隔一段添加一個(gè)休息室。

這2種魚道布置形式不同，但具有幾個(gè)共同點(diǎn)[11-12]：① 就地取材，盡可能地模擬天然河道水流形態(tài)；② 適合各種魚類上溯和降河，過魚效率高且具有生態(tài)廊道功能；③ 占地面積大，需要合適的地形，在低水位時(shí)容易干涸，需底床封閉；④ 為防止洪水、冰凍以及其他極端條件的破壞，需要保持結(jié)構(gòu)完整、穩(wěn)定，因此，建造費(fèi)用低、維護(hù)費(fèi)用高。國內(nèi)以往在這方面做過很多研究，并在工程實(shí)踐中進(jìn)行了應(yīng)用[13-15]，但是并沒有達(dá)到預(yù)期效果。

如何在原有仿自然型魚道結(jié)構(gòu)型式的基礎(chǔ)上提出改進(jìn)措施，使其適應(yīng)于更大水頭差、有較好的水流流態(tài)、滿足不同魚種對水流流速的需求，且不增加魚道的長度，成為工程設(shè)計(jì)、造價(jià)及科研人員所關(guān)注的焦點(diǎn)。

本文主要依托南渡江魚道項(xiàng)目，通過水橫槽模型試驗(yàn)的方法，采用天然塊石研究不同斷面結(jié)構(gòu)形式對仿自然型魚道水流流態(tài)的影響，針對主要過魚對象大鱗鰱、光倒刺鲃、黃尾鲴、草魚、赤眼鱒等南方魚類，提出一種具有多級流速通道的過魚斷面形式，能適用的流速范圍是0.8～1.5 ms，研究結(jié)果可為仿自然型魚道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 魚道斷面結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

1.1 模型建立和測量儀器

魚道單體模型長10.50 m、寬2.50 m、高0.60 m，上游設(shè)進(jìn)水前池，下游設(shè)尾水池，上下游各2.50 m的直段為過渡段(見圖1)，試驗(yàn)段長2.85 m，兩岸坡度為1∶2，魚道底坡為1∶40，采用碎石鋪底。碎石直徑約為1.50～2.50 cm，試驗(yàn)選擇直徑10～20 cm的石塊進(jìn)行斷面布置。模型試驗(yàn)段和過渡段均采用斷面板進(jìn)行制作，水泥砂漿抹面，采用鐵絲網(wǎng)包裹碎石子進(jìn)行鋪底和護(hù)坡。模型流量由流量計(jì)控制，上、下游水位由固定測針量測；流速由精細(xì)的LS-3C光電旋槳流速儀施測；沿程流態(tài)由數(shù)碼相機(jī)記錄。

圖1 模型布置(單位：cm)Fig.1 Model arrangement

1.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)主要采用上下游水位測針控制水位，流量為38.5 L/s，魚道水深維持在20 cm，隨時(shí)檢驗(yàn)斷面流態(tài)特征。

1.3 試驗(yàn)成果

(1) 傳統(tǒng)仿自然型魚道斷面型式。傳統(tǒng)的仿自然型魚道斷面多采用蠻石均勻布設(shè)，一般在過流斷面留有1～2個(gè)上下貫通的過魚通道，整個(gè)斷面形成3～4個(gè)流速通道，供魚類上溯。斷面布置形式如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)仿自然型魚道斷面型式Fig.2 Cross section of traditional natural fishway

這種斷面型式結(jié)構(gòu)簡單，容易施工，但是由于各通道上下斷面貫穿，各通道內(nèi)流速均較大，且流速值相差不大，難以通過調(diào)整通道的寬度來同時(shí)達(dá)到水位與流速相協(xié)調(diào)的要求。因此，要對斷面型式進(jìn)行優(yōu)化。

(2) 基于傳統(tǒng)斷面型式的優(yōu)化方案1。在主斷面過魚通道上下游加設(shè)輔助蠻石，以起到調(diào)整過魚通道內(nèi)水流流速的作用。試驗(yàn)通過不斷調(diào)整蠻石的擺放形式、過魚通道的過流面積、輔助蠻石的阻水面積和位置，最終達(dá)到多流速通道的過魚水流條件。

為達(dá)到多流速通道的過魚水流條件，試驗(yàn)優(yōu)化方案1在水流控制段沿程設(shè)置6條蠻石主斷面，并在部分流速通道上設(shè)置輔助蠻石阻水，來形成1個(gè)低流速通道(0.8～1.0 m/s)、1個(gè)中流速通道(1.0～1.2 m/s)和2個(gè)高流速通道(1.2～1.5 m/s)，水流控制段蠻石布置如圖3～5所示。

優(yōu)化后斷面流速普遍降低，形成高速、中速和低速3級流速通道，但是中速和低速流速通道流速值相差不大，水流流路較順直，水流消能效率較低。

圖3 仿自然型魚道斷面型式(優(yōu)化方案1)Fig.3 Cross section of optimal scheme 1 based on natural fishway

圖4 仿自然型魚道(優(yōu)化方案1)流速分布(單位：m/s)Fig.4 The velocity distribution of natural fishway (Optimal scheme 1)

圖5 仿自然型魚道(優(yōu)化方案1)流速通道分布Fig.5 The velocity path distribution of natural fishway (Optimal scheme 1)

(3) 基于優(yōu)化方案1的斷面型式(優(yōu)化方案2)。為了使魚道斷面水流流態(tài)更加多樣化，流速通道能夠適用于更多不同種類的魚類上溯，基于優(yōu)化方案1，對輔助蠻石擺放方式再次進(jìn)行優(yōu)化。

優(yōu)化方案2包括3排、6組蠻石，形成5條不同流速的過魚通道，包括2條流速高達(dá)1.5 m/s的高速通道、2條流速為1.0～1.2 m/s的中速通道和1條流速為0.8 m/s的低速通道，分別滿足不同魚類洄游上溯的需求。魚道斷面第一排由2組蠻石并排組成，從左往右，第一組長度是第二組的2倍；第二排由4組蠻石組成，從左往右，第一組長度是其他長度的1/2；第三排由2組長度相當(dāng)?shù)男U石組成。6組蠻石交錯(cuò)布置，形成5條繞流通道，水流在第一排蠻石的作用下被分成3股，經(jīng)過第二排蠻石后被分成5股，最后經(jīng)過第三排蠻石后又合并為3股。水流通過不斷分分合合地碰撞來消能，從而達(dá)到降低流速的目的，一般水頭差越大，需要的過魚通道越多，蠻石的高度也越大。斷面結(jié)構(gòu)如圖6所示。

從圖6可以看出，仿自然型魚道斷面由3排6組蠻石組成，分別為布置在第一排左側(cè)的L1，1、右側(cè)的L1，2，L1，1=2×L1，2；該斷面第二排由4組蠻石組成，從左往右依次為L2，1、L2，2、L2，3、L2，4。其中L2，2=L2，3=L2，4=2×L2，1，依次形成高速通道1、低速通道、中速通道1、中速通道2和高速通道2；第三排由L3，1、L3，22組蠻石組成，L3，1=L3，2，各排蠻石交錯(cuò)設(shè)置，形成具有不同流速大小的過魚通道。優(yōu)化方案2中水流流線分布如圖7所示。

從圖7可以看出，來自上級魚道池室的水體通過第一排蠻石，被L1，1和L1，2分成3股下泄。3股水流再經(jīng)過第二排蠻石，其中左側(cè)一股水流在L2，1作用下被分成2股，左側(cè)一股通過高速通道1下泄，右側(cè)一股通過低速通道下泄。中間一股水流在蠻石L2，2和L2，3作用下被分成3股，左側(cè)一股在L2，2作用下與左側(cè)水流碰撞后通過低速通道下泄，由于L1，1的長度比較長，這股水流能量被大部分消耗，以形成低速通道，右側(cè)一股在L2，3作用下通過中速通道2下泄，剩余一股通過中速通道1下泄。第一排右側(cè)一股水流經(jīng)過第二排蠻石時(shí)，在L2，4作用下被分成2股，左側(cè)一股與左側(cè)水流碰撞后通過中速通道2下泄，右側(cè)一股通過高速通道2下泄。

圖6 優(yōu)化方案2斷面布置Fig.6 Cross section arrangement of optimal scheme 2

水流經(jīng)過第二排蠻石后被分成5股，5股水流在第三排2組蠻石作用下，通過碰撞合并為3組。水流經(jīng)過各組蠻石的流態(tài)如圖7～8所示。

圖7 優(yōu)化方案2流線分布Fig.7 The streamline distribution of optimal scheme 2

仿自然魚道斷面型式在傳統(tǒng)仿自然魚道斷面型式基礎(chǔ)上，一方面通過增加第一排第一組蠻石的長度和高度，在增大斷面上下游水頭差的前提下，進(jìn)一步延長水流路徑，降低了低流速通道的水流流速；另一方面通過增加一條中流速通道，進(jìn)一步降低了兩側(cè)高速通道的流速，均衡了各通道流速，增加了斷面的過魚效率。采用該設(shè)計(jì)既可增加魚道的過魚效率和過魚種類，又可使魚道適應(yīng)較大水頭差，與以往設(shè)計(jì)相比可縮短魚道長度、減小工程投資。

圖8 優(yōu)化方案2流速分布(單位：m/s)Fig.8 The velocity distribution of optimal scheme 2

2 魚道消能效率試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

為研究該魚道斷面的消能效率，在斷面模型上鋪設(shè)了2組斷面，通過改變上游來流量，控制尾門水位，使其維持一個(gè)定值，測量不同流量下魚道上、下游流速和水深，以及河床上下游高程；并根據(jù)能量守恒原理，采用總流能量方程計(jì)算該魚道斷面的效能率?？偭髂芰糠匠桃娛?1)，效能率計(jì)算公式見式(2) 。試驗(yàn)工況如表1所列。

(1)

(2)

表1 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)Tab.1 Experiment conditions and results

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

利用消能率計(jì)算公式，分別計(jì)算出以上8種工況下交錯(cuò)石塊式魚道的消能率，消能率隨水深的變化規(guī)律如圖9所示。

圖9 消能率與水深的關(guān)系Fig.9 The relationship between energy dissipation ratio and water depth

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著水深的增大，消能率呈減少趨勢，流量和石塊高度是決定消能率的重要因素，隨著流量增大，斷面石塊被淹沒，其形狀阻力逐漸變小，消能率也逐漸變小。仿生態(tài)魚道消能率的主要影響因素包括上游來流量Q、坡降S、糙率n、粒徑D84和階梯高度Hs。

(1) 隨著流量增大，突出的大石塊逐漸被淹沒，邊界形成的阻力和邊界突觸造成的水流翻滾導(dǎo)致的能量消耗大量減少，因此消能率會(huì)隨著流量的增加而減小。

(2) 隨著坡降增大，水深會(huì)減小，水深減小對應(yīng)著斷面單位能量的減小，因此，消能率會(huì)增加。

(3) 隨著n增大，床面阻力消耗能量增大，因而消能率增大，但對于生態(tài)魚道斷面結(jié)構(gòu)來說，消能主要是依靠形態(tài)阻力作用下水流的摻混和漩滾摩擦，n對其消能率的影響其實(shí)不大。

(4) 由于粒徑的增大會(huì)使床面阻力增大，因而可以提高消能率，但是效果也不是很明顯。

(5) 階梯高度Hs對消能率的影響從消能率計(jì)算公式可以看出，隨著Hs的增大，消能率會(huì)顯著提高。

3 結(jié) 論

本文通過水槽模型試驗(yàn)和資料分析的方法，研究不同斷面結(jié)構(gòu)形式對仿自然型魚道水流流態(tài)的影響，提出一種具有多級流速通道的過魚斷面形式，并在此基礎(chǔ)上對這種魚道的消能率進(jìn)行了研究，主要得出以下結(jié)論。

(1) 在傳統(tǒng)仿自然魚道斷面型式的基礎(chǔ)上，提出了在主斷面過魚通道上下游加設(shè)輔助蠻石，以起到調(diào)整過魚通道內(nèi)水流流速的作用，有效降低了過魚通道的流速。

(2) 在優(yōu)化方案1的基礎(chǔ)上提出了一種具有多級流速通道的過魚斷面型式(優(yōu)化方案2)，斷面包括3排、6組蠻石，形成5條不同流速的過魚通道，其中2條流速高達(dá)1.5 m/s的高速通道、2條流速為1.0～1.2 m/s的中速通道和1條流速為0.8 m/s的低速通道，分別滿足不同魚類洄游上溯的需求。

(3) 基于文中提出的仿自然魚道斷面型式，進(jìn)一步深入研究了石塊擺放位置、石塊高度與水深的關(guān)系對魚道消能效率的影響。計(jì)算結(jié)果表明，文中提出的魚道斷面型式最大效能率能達(dá)到48.7%。

(4) 本文提出的仿自然型魚道斷面布置型式依托的是南渡江魚道項(xiàng)目，主要過魚對象是大鱗鰱、光倒刺鲃、黃尾鲴、草魚、赤眼鱒等南方魚類，適應(yīng)的流速范圍是0.8～1.5 m/s。因此，該斷面型式可以作為南方地區(qū)仿自然型魚道設(shè)計(jì)參考。