呂春瑋，韓 雷，王正君，趙興龍，葉昆河

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

為了充分利用水能資源并滿足發(fā)電、灌溉、航運(yùn)等需求，在河流上建設(shè)水利工程，如大壩、堤堰、水閘等。其中修建大壩和堤堰等工程會(huì)將河流攔腰斬?cái)?，?dǎo)致河流形成了非連續(xù)性的特征，破壞了原有的連續(xù)性規(guī)律，造成一系列的生態(tài)危機(jī)。為彌補(bǔ)水利工程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)所帶來的影響，會(huì)依據(jù)水利工程自身的情況與所處的水生環(huán)境建設(shè)魚道，所以魚道的正常運(yùn)行是恢復(fù)河流縱向連通性的重要技術(shù)手段之一。因此，依據(jù)對(duì)魚道的研究狀況，提高魚道的運(yùn)行效率，對(duì)恢復(fù)河流的生態(tài)系統(tǒng)有著重要意義。

1 魚道的基本情況

魚類洄游是魚類遷徙的主要形式，它使生物內(nèi)部的基因可以進(jìn)行彼此溝通,從而保護(hù)了生物的多樣性，具有重要的生態(tài)意義[1]。魚類的棲息地是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[2]。人為造成的障礙使魚類不能進(jìn)行正常的遷徙活動(dòng)，對(duì)魚類的棲息地造成破壞。對(duì)于河流的改造會(huì)造成原有的水深、水溫、流量、水質(zhì)、河流形態(tài)等物理環(huán)境發(fā)生變化，也會(huì)影響魚類的遷徙行為。生境破碎化會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成負(fù)面影響[3]。因此如何恢復(fù)魚類的洄游通道是水利工程中必須要考慮的問題之一。

在河流上修建大壩、低堰等水利工程，會(huì)導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)在不同程度上的退化，尤其是對(duì)魚類的洄游行為進(jìn)行阻礙，倘若不解決這一問題，對(duì)于瀕危的洄游性魚類無疑是毀滅性打擊。目前的解決方案是建造過魚設(shè)施，過魚設(shè)施主要種類有魚道、魚閘、升魚機(jī)和集運(yùn)漁船以及其他誘魚、導(dǎo)流等附屬設(shè)施，魚道適和較低水頭大壩，魚閘和升魚機(jī)適用于高水頭水利樞紐，集運(yùn)漁船可以穿過梯級(jí)大壩。每種過魚設(shè)施僅針對(duì)相應(yīng)的種類有效，要達(dá)到較全面的保護(hù)，還需要與其他就地和遷地保護(hù)措施相結(jié)合[4]。其中魚道是應(yīng)用時(shí)間最長、范圍最廣的過魚建筑物。修建魚道的目的是協(xié)助魚類通過河流上的障礙物，恢復(fù)魚類的遷徙行為，彌補(bǔ)水利工程對(duì)于河流生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響，維持河流的生物多樣性。

魚道工程建設(shè)的成功與否是河流生態(tài)系統(tǒng)健康的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，同時(shí)也是水利水電工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)中生態(tài)環(huán)境保護(hù)的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2 國內(nèi)外魚道發(fā)展歷程

1662年法國貝阿爾恩省頒布了法律，要求在堰壩上修建供魚過壩的道路。但在20世紀(jì)之前沒有建立在科學(xué)基礎(chǔ)上的嘗試與探索。到1909年，Denil發(fā)表了一篇介紹由其自主研發(fā)的新型魚道的論文，它建立在科學(xué)的理論基礎(chǔ)之上，這一新型魚道被稱為丹尼爾式魚道，并得到了廣泛應(yīng)用，例如在瑞典的Hurting Power大壩、華盛頓州的Dryden大壩、美國中部得梅因河均有修建。在1937—1938年，在哥倫比亞河的幫維爾壩上建設(shè)了過魚設(shè)施，它使用了大量的誘魚水流和多個(gè)進(jìn)口的集魚系統(tǒng)，尤其是關(guān)于成年鮭魚的設(shè)計(jì)非常成功。1939年、1940年，McLeod和Nemenyi等研究了魚道與魚類行為之間的關(guān)系。在此之后，人們逐漸認(rèn)識(shí)到魚道問題的復(fù)雜性，進(jìn)行了關(guān)于魚道的通行效率的大量基礎(chǔ)性研究。1959年在育空河大壩上修建的堰式魚道開始運(yùn)行，Orsborn于1985年報(bào)導(dǎo)了為太平洋鮭魚過壩而設(shè)計(jì)、具有新型擋板的堰式魚道的試驗(yàn)。1994年，澳大利亞對(duì)于過魚情況不佳的池堰式魚道進(jìn)行改造，使其在過魚種類、數(shù)量上均有提升，改造后的魚道為新型垂直豎縫式魚道。目前國外建設(shè)的魚道的實(shí)例有美國的北漢壩魚道、帕爾頓魚道、伊泰普水電站魚道、加拿大鬼門峽魚道等。距今加拿大已建魚道超過240座，英國超380座，法國超500座，波蘭超50座，日本超11 000座，澳大利亞超70座[5]。國外早期修建的魚道主要過魚對(duì)象是鮭魚、鱒魚等經(jīng)濟(jì)性魚類，但近年來過魚對(duì)象的種類逐漸增多，小型、非經(jīng)濟(jì)性魚類也會(huì)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮進(jìn)去[6]。

國內(nèi)對(duì)于魚道的研究始于20世紀(jì)60年代，它的發(fā)展歷史可以總結(jié)為三個(gè)階段：初步發(fā)展期(1958—1983年)、停滯期(1984—2001年)和第二次發(fā)展期(2002年—至今)[6]。初步發(fā)展期始于計(jì)劃開發(fā)富春江七里垅電站的時(shí)候，開始涉足魚道，并進(jìn)行了一系列的研究[7]，這一時(shí)期建設(shè)的魚道以模仿歐美、日本的魚道類型為主，至20世紀(jì)80年代，大約建設(shè)了40座魚道，洄游魚類主要是鰻魚、青蟹和四大家魚，部分魚道在建設(shè)初期運(yùn)行效果不錯(cuò)，例如瀏河閘處的魚道、洋塘魚道。停滯期有不少人認(rèn)為長江上四大家魚的產(chǎn)卵點(diǎn)達(dá)36處，而葛洲壩只使一處消失，不會(huì)影響長江上的魚類資源，以及當(dāng)時(shí)還沒有幾個(gè)可以同時(shí)使四大家魚長久順利通過的魚道等原因，導(dǎo)致最后通過興建增殖放流站方式來緩解中華鱘等珍稀動(dòng)物的洄游問題，在這一時(shí)期之前建設(shè)的魚道，部分因缺少后期維護(hù)，遭到廢棄，但根據(jù)后期的調(diào)查資料顯示在葛洲壩三個(gè)船閘的下游是魚類積聚最多的區(qū)域，因此興建增殖放流站的方式并不能完全緩解任何魚的洄游問題[8]。進(jìn)入21世紀(jì)以來隨著人們對(duì)于生態(tài)環(huán)境保護(hù)問題的關(guān)注，以及水利工程的大量興建，對(duì)于魚道的研究也重新得到重視，步入第二次發(fā)展期，同時(shí)水法、漁業(yè)法等規(guī)定在河道上建設(shè)擋水建筑物需同步建設(shè)過魚設(shè)施，修建了長洲水利樞紐魚道、藏木水電站魚道、老龍口水利樞紐魚道、石虎塘航電樞紐魚道、豐滿水電站永慶反調(diào)節(jié)水庫仿自然魚道等，同時(shí)也制定了與魚道建設(shè)相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范，為后續(xù)的魚道建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)提供理論支持。

3 魚道的研究現(xiàn)狀

3.1 魚道的結(jié)構(gòu)類型

魚道按其結(jié)構(gòu)型式，可分為仿自然式、隔板式、槽式等。具體情況如下：

(1)仿自然式魚道。是具有自然特征的旁路水道，是一種利用天然河道中的石頭、砂礫等模仿自然河流建造在工程周圍的洄游通道，一般坡度為1%～5%[9]。是目前處于中低水頭情況下魚道的發(fā)展方向之一。

(2)槽式魚道?？煞譃楹唵尾凼脚c丹尼爾式，其中簡單槽式是一種連接上下游的水槽，適合于游泳能力強(qiáng)的魚類，在工程中使用的較少；丹尼爾式魚道的水槽內(nèi)壁和底部，設(shè)置了間距很密的阻板與底坎，用以消能，適用于水頭較小的水利樞紐。

(3)隔板式魚道。分溢流堰式、淹沒孔口式、豎縫式、組合式。其中，溢流堰式魚道是指魚翻過堰頂進(jìn)行的洄游，特別適合于在河流表層活動(dòng)和有跳躍習(xí)性的魚類；豎縫式魚道在水槽內(nèi)部建造了多級(jí)水池，將隔板和導(dǎo)板布置在水槽的邊壁與底板上，在各級(jí)池室的隔板與導(dǎo)板之間形成了一條條豎縫；淹沒孔口式魚道的過魚孔是完全淹沒在水里的, 比較適合于喜歡在水中層或底層游動(dòng)的魚類；組合式魚道是以上三種形式魚道的組合，綜合了各種魚道水力特性的優(yōu)勢(shì)，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜[10]。

在上述幾種類型的魚道中，豎縫式魚道由于結(jié)構(gòu)簡單、適用能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，目前是應(yīng)用最為廣泛的魚道類型。仿自然式魚道由于它與自然環(huán)境的融合性好，具備生態(tài)廊道的功能，還可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)洄游魚類的上溯、下型，目前針對(duì)它的研究也多了起來。目前有些研究會(huì)將幾種類型的魚道結(jié)合起來構(gòu)建新型的組合式魚道，如井岡山航電樞紐工程魚道采用的是豎縫式與仿生態(tài)式相結(jié)合的魚道，對(duì)于兩種類型魚道的銜接處進(jìn)行研究，保證流態(tài)穩(wěn)定，魚類可以順利通過。

總之，在選取魚道的類型時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程、過魚對(duì)象、參照相似的工程經(jīng)驗(yàn)去選取；位置選取應(yīng)先保證過魚效果，再去考慮如何降低預(yù)算，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益的共贏；對(duì)于初步魚道的設(shè)計(jì)還應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，確保過魚效率滿足要求。

3.2 魚類游泳能力

通過研究發(fā)現(xiàn)，假如使魚道的水力學(xué)條件與魚類的三個(gè)天然場(chǎng)所(產(chǎn)卵、取食、越冬)的各項(xiàng)指標(biāo)相似，同時(shí)也令魚道內(nèi)的各種水流速度情況與所通過的魚類游泳能力相匹配，從而使魚類在這種魚道內(nèi)游泳時(shí)更加舒適，將滿足上述條件的魚道稱為魚類友好型魚道[6]。因此魚類游泳能力是魚道設(shè)計(jì)中重要的參考指標(biāo)。目前表征魚類游泳能力的指標(biāo)，有臨界游泳速度、爆發(fā)游泳速度、持續(xù)游泳速度、耐久游泳速度以及感應(yīng)流速等[11]。

Randall D J等[12]認(rèn)為魚類的臨界游泳速度受環(huán)境影響，其中魚類的臨界游泳速度與水溫之間呈“鐘形”或“線形”關(guān)系。

Lupandin A I[13]研究了水流紊流對(duì)于鱸魚臨界游泳速度的影響，發(fā)現(xiàn)紊流增大會(huì)降低于魚類的臨界游泳速度，原因是紊流會(huì)使魚類產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，魚類需要使用胸鰭來恢復(fù)自身的平衡，加大了面對(duì)的阻力以及自身的能量消耗，進(jìn)而使魚類游速降低。

房敏等[14]研究溫度對(duì)于鰱幼魚游泳能力的影響，試驗(yàn)用于體長為10.9～11.8 cm，體重為16.0～19.0 g，研究結(jié)果如下：在試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的四種溫度15 ℃、18 ℃、21 ℃、25 ℃下，魚類相對(duì)臨游速為5.30±0.32 BL/s、5.87±0.25 BL/s、6.17±0.16 BL/s、6.85±0.16 BL/s，臨界游泳速度與溫度呈正相關(guān)。由于水庫集水后，水溫在夏季會(huì)降低、冬季升高，因此一定要考慮水利工程建設(shè)后水溫的變化情況，并由變化后的水溫去設(shè)計(jì)魚道或其他的過魚設(shè)施。

曹平等[15]進(jìn)行了魚類游泳速度的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)用魚的體長增加，會(huì)使幼魚的絕對(duì)爆發(fā)游速呈線性增長的趨勢(shì)，相對(duì)爆發(fā)游速則呈線性減小的趨勢(shì)，同時(shí)爆發(fā)游速與臨界游速的差別越大，對(duì)于草魚的游泳特性指標(biāo)進(jìn)行了補(bǔ)充，為相應(yīng)的魚道設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

李志敏等[16]利用流速遞增法對(duì)葉爾羌河厚唇裂腹魚的游泳能力進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)用魚體長為18.94±4.40 cm、體重為115.80±77.28 g，結(jié)果如下：魚類感應(yīng)流速為1.41±0.28 BL·s-1、臨界游速為6.04±1.21 BL·s-1、爆發(fā)游速為11.41±2.79 BL·s-1；這三種游速會(huì)隨著魚類體長的增加而減少，這些結(jié)果可以為后續(xù)在葉爾羌河建立過魚設(shè)施提供數(shù)據(jù)支持。

3.3 魚道的水力特性試驗(yàn)研究

修建魚道的目的是幫助魚類進(jìn)行洄游，除應(yīng)了解魚類的游泳能力外，還應(yīng)使魚道內(nèi)部形成適合魚類通行的水流流態(tài)、流速等方面的水力特性。國內(nèi)外大都采用物理模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式對(duì)于魚道的水力特性進(jìn)行研究，并經(jīng)過不斷改進(jìn)魚道的構(gòu)造形式，來得到理想的流速和流態(tài)，使魚道得到有效的利用[17]。

3.3.1 模型試驗(yàn)

模型試驗(yàn)就是按照一些相似準(zhǔn)則，仿照原體實(shí)物，將原型縮成模型進(jìn)行試驗(yàn)研究。想要了解原型的情況，只需讓模型處在與原體相似的環(huán)境下進(jìn)行觀測(cè)記錄以及分析研究，接著再按照相似準(zhǔn)則推測(cè)出原型的情況，從而得出試驗(yàn)結(jié)論，對(duì)工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，提高安全性與合理性。對(duì)于魚道，模型試驗(yàn)可以模擬它在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的水流情況，對(duì)于魚道的水力特性進(jìn)行研究，如若發(fā)現(xiàn)不符合魚類通行的情況，可以及時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其滿足通魚要求，進(jìn)而避免在實(shí)際工程中造成資源浪費(fèi)的情況。

Rajaratnametal等[18]采用物理模型試驗(yàn)對(duì)垂直槽魚道結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行研究，結(jié)果表明，當(dāng)長寬比等于或接近10∶8時(shí)，池中的水流模式有利于魚類的上游遷移。

劉本芹等[19]采用物理模型試驗(yàn)對(duì)于小長寬比池室條件下的隔板布置型式進(jìn)行研究，結(jié)果表明：當(dāng)橫向?qū)О宓膶?dǎo)流角為40°時(shí)，導(dǎo)板的長度應(yīng)略小于魚道寬度的1/4，對(duì)于較大的魚道的底坡可以采用橫隔板頭部下游側(cè)修圓的方式，使魚道內(nèi)的流速、流態(tài)滿足魚類順著主流進(jìn)行上溯的需求，給相似的魚道建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

徐進(jìn)超等[20]利用整體的物理模型試驗(yàn)對(duì)仿自然魚道的水力條件進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果顯示，在仿自然魚道內(nèi)的水流速受斷面型式和材料的尺寸偏差等因素影響很大，尤其在魚道的轉(zhuǎn)彎段,由于彎道受偏移度影響，導(dǎo)致此處與直線段的水流流速不同，需要進(jìn)一步驗(yàn)證，由于此種類型魚道目前缺乏系統(tǒng)性的研究，這次研究可以為仿自然魚道的設(shè)計(jì)提供參考。

李廣寧等[21]通過物理模型試驗(yàn)對(duì)仿自然型魚道的水力特性開展了研究，結(jié)果表明：將蘆葦植物模塊進(jìn)行交錯(cuò)布置，魚道內(nèi)的流速可以得到有效控制，流態(tài)也適合魚類的通行，同時(shí)魚道的外觀可以融合進(jìn)自然環(huán)境，此次研究提出了一種新的魚道類型，為后續(xù)與其相類似的魚道研究提供參考。

何妙玲等[22]采用物理模型試驗(yàn)研究了單個(gè)池室豎縫寬度束窄對(duì)魚道水力特性的影響，研究結(jié)果表明：隨著束窄系數(shù)的減小，豎縫處的流速會(huì)以冪指數(shù)的形式增加,很容易形成流速障礙；對(duì)于以四大家魚與高原裂腹魚突進(jìn)流速為判斷依據(jù),魚道豎縫寬度的束窄范圍適宜在16%～29%。為后續(xù)對(duì)于豎窄豎縫寬度的研究提供數(shù)據(jù)參考及建議。當(dāng)有多個(gè)豎縫寬度豎窄時(shí)，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)提高并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.3.2 數(shù)值模擬

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，魚道的水力學(xué)特性研究可以通過數(shù)值模擬方法進(jìn)行，來解決水利工程中物理實(shí)驗(yàn)所不能代替的各類水力學(xué)問題，提高了魚道的設(shè)計(jì)、優(yōu)化效率。為保證采用數(shù)值模擬方法得到研究結(jié)論的正確性，通常需要依據(jù)現(xiàn)有模型試驗(yàn)或原型的運(yùn)行數(shù)據(jù)，去進(jìn)行建模，并開展模擬，如若得到的結(jié)果相同，則證明數(shù)值模擬的模型可以使用。

羅小風(fēng)等[23]利用二維建模以及fluent軟件，對(duì)魚道導(dǎo)角和導(dǎo)板尺寸對(duì)魚道內(nèi)水流態(tài)的影響展開研究，研究結(jié)果顯示：導(dǎo)角的大小對(duì)于豎縫射流的方向以及它的摻混強(qiáng)度有著決定性；導(dǎo)角越大,使主流的彎曲程度也越大,從而更早的沖撞邊壁并且無法使用大部分空間，這一狀況可以通過修改水池的長寬比來避免。當(dāng)導(dǎo)板長度在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，就基本不會(huì)對(duì)主流的流態(tài)形成影響,超出這個(gè)范圍,主流會(huì)由于邊壁的約束而無法摻混,從而會(huì)使流速整體增大。由于水流流態(tài)還受到池室長寬比等因素的影響，倘若要找到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)型式，應(yīng)結(jié)合所有的影響因素進(jìn)行深入研究。

王猛等[24]采用雷諾應(yīng)力(RSM)模型對(duì)同側(cè)豎縫魚道展開研究，結(jié)果表明:將圓柱形障礙物放置在池室中正對(duì)豎縫下游側(cè)，會(huì)導(dǎo)致豎縫處流速梯度降低、紊動(dòng)能及雷諾剪切力大致在20%～30%的范圍內(nèi)降低，水力特性更為平穩(wěn)，從而能夠適應(yīng)更多魚類的過壩需要，為今后的魚道結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供經(jīng)驗(yàn)參考。

高東紅等[25]采用3D CFD模型并利用fluent軟件對(duì)魚道的水力特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明：3D CFD模型可用于模擬復(fù)雜流場(chǎng)，魚道內(nèi)的流速與魚類以特定游速向上游游動(dòng)時(shí)的耗能存在著正相關(guān)關(guān)系，為今后的魚道設(shè)計(jì)提供借鑒。

趙彬如等[26]通過數(shù)值模擬研究了豎縫位置對(duì)于豎縫式魚道水力特性的影響，研究結(jié)果顯示：豎縫處流速分布受豎縫位置的影響并不明顯；豎縫位置21/B的適宜取值范圍為0.5～0.7(1:豎縫 心到池室右側(cè)側(cè)壁的距離，B：池室寬度)，池室內(nèi)水流流態(tài)更為適宜，提高過魚效率，對(duì)于目前影響豎縫式魚道水力特性的影響因素進(jìn)行補(bǔ)充。

朱澄浩等[27]通過三維數(shù)值模擬的方式研究了丹尼爾式魚道隔板形式的改變對(duì)水力特性的影響，結(jié)果說明：將三角形的隔板斷面改為半圓形，會(huì)減少魚類在上溯時(shí)的物理傷害，而水池的表層和底層的流速也會(huì)增加；在隔板同側(cè)增加5個(gè)方形孔會(huì)改善池室的水力特性，使中層和底層的流速減??；在隔板兩側(cè)交錯(cuò)布置方形孔，可能會(huì)使魚迷失方向，為今后的魚道設(shè)計(jì)提供參考。

4 結(jié) 論

(1)魚道作為生態(tài)彌補(bǔ)工程，承擔(dān)著恢復(fù)河流連續(xù)性，協(xié)助魚類進(jìn)行洄游的重要作用。可以正常使用的魚道具有良好的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和工程方面的意義。

(2)國外對(duì)于魚道的研究已有數(shù)百年之久，對(duì)于魚道的結(jié)構(gòu)形式、過魚效率等方面展開了大量研究；國內(nèi)開展較晚，經(jīng)歷了初步發(fā)展期、停滯期和第二次發(fā)展期。

(3)國內(nèi)外大都采用物理模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式并基于過魚對(duì)象的游泳能力對(duì)于魚道進(jìn)行研究，將魚道的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化，使魚道的過魚效率提高，防止魚道因設(shè)計(jì)不當(dāng)，無法正常應(yīng)用，造成資源的浪費(fèi)。