國內外過魚設施研究綜述

曹慶磊，楊文俊，周良景

國內外過魚設施研究綜述

曹慶磊1，楊文俊1，周良景2

（1．長江科學院水利部江湖治理與防洪重點實驗室，武漢 430010；2．長江勘測規劃設計研究院，武漢 430010）

隨著水利事業高速發展，現代水利水電工程必須與環境和生態相和諧。分析了水利水電工程等對魚類資源的影響，概述了國外過魚設施的發展狀況，總結了我國過魚設施研究和建設的3個時期；并介紹了過魚設施的種類，其中詳細闡述了魚道的主要類型、特點及其技術參數；最后分析了近年來該領域研究的最新技術手段，并結合新時期水利發展戰略，提出了研究展望。

魚類資源；過魚設施；魚道；新進展

水利水電工程等截斷河流，導致這個開放、連續的系統在能量流動、物質循環及信息傳遞等方面發生一系列的改變，使生活其中的魚類生存所需的生境條件、水文情勢發生變化，最終對魚類資源產生影響，如：洄游或魚類其它活動可能被延遲或終止、魚類下行通過壩體建筑物或水輪機時遭受的傷害、生態景觀破碎。這些影響會導致魚類種群遺傳多樣性喪失和經濟魚類品質退化等。因此，為了保護魚類資源，恢復河流生物多樣性，過魚設施的研究和建設是十分必要的。

1 過魚設施的發展概況

過魚設施是指讓魚類通過障礙物的人工通道和設施，最早的過魚設施，是開鑿河道中的礁石、疏浚急灘等天然障礙以溝通魚類的洄游路線。

據不完全統計，至20世紀60年代初期，美國和加拿大有過魚設施200座以上，西歐各國100座以上，前蘇聯18座以上，這些過魚設施主要為魚道。至上世紀晚期，魚道數量明顯上升，在北美有近400座，日本則有1 400余座。其中，最高、最長的魚道分別是美國的北汊壩魚道（爬升高度60 m）和帕爾頓魚道（全長4 800 m）［1］。這些過魚設施都是以通過某種主要經濟魚類為目的，比如美國大西洋鮭魚、鱒魚，法國西鯡魚和日本香魚等。

我國過魚設施的研究和建設大致經歷了3個時期：

（1）初步發展期。1958年在規劃開發富春江七里壟水電站時首次提及魚道，1960年在興凱湖附近首先建成新開流魚道；至上世紀80年代，對魚的生境因素及過魚設施進行了初步研究并相繼建設了40余座魚道。

（2）停滯期。自葛洲壩水利樞紐中采取建設增殖放流站的措施來解決中華鱘等珍稀魚類的保護問題至此后的20多年，我國在建設水利水電工程時很少修建過魚設施，相關的技術研究工作幾乎沒有開展，已建過魚設施多數運行效果不理想，因而閑置或被廢棄（如湖南洋塘魚道）。

（3）二次發展期。進入21世紀后，隨著我國水利水電資源開發逐步加深，天然漁業資源嚴重退化，甚至危及到國家級自然保護區珍稀特有魚類，過魚設施的研究和建設重新受到重視，一批過魚設施已建成運行或在規劃建設中。如北京上莊水庫魚道①孫雙科，鄧明玉，李英勇，等．北京市上莊新閘豎縫式魚道的水力設計研究［C］∥水電2006國際討論會，951－957．、西藏獅泉河魚道［2］、珠江長灘樞紐魚道和長江小南海魚道等。

2 過魚設施的類型及特點

過魚設施主要分為上行過魚設施和下行過魚設施。上行過魚設施包括魚道、魚閘、升魚機和集運漁船等，下行過魚設施包括攔網、電柵等。

2．1 魚 道

魚道一般只適應于低水頭水利樞紐，魚道也是最常見的上行過魚設施，其類型和特點見表1［3］和圖1所示。

表1 魚道的主要類型和特點Table 1 Themain types and characteristics of fishways

圖1 魚道的形式Fig．1 Several types of fishways

魚道的設計要結合過魚對象、樞紐建筑物、閘壩地形等因素綜合考慮，但為了保證魚道的良好運行，應符合以下主要技術參數①《水電水利建設項目河道生態用水、低溫水和過魚設施環境影響評價技術指南（試行）》．國家環境保護總局環境工程評估中心文件，環評函（2006）4號。：

（1）魚道進口。魚道進口是否易被魚類發現和利于魚類集結，是魚道設計成敗的關鍵因素之一。可以考慮布置在電站尾水前沿、溢流壩兩側或通航船閘泄水處等，這里水流相對集中，利于誘魚。考慮到下游水位變化和不同魚類的習性，可以按不同高程多設幾個進口。如鱘魚喜歡在深潭和坑洼間游動，進口應選擇具有水下地形的位置；鰱魚喜歡在水的表層游動，進口高程要相對高些。

（2）魚道流速。魚道流速與大壩水頭及魚的克流能力有關。幼小體弱等溯游能力差的魚大多在0．3～0．8 m／s的水流中行進；成魚、親魚等溯游能力強的魚，大多在0．8～1．0 m／s的水流中行進。對于鮭魚，魚道內允許流速約為1．52 m／s，香魚約1．2 m／s，鯉屬魚約0．4 m／s。在河流梯級開發中，下游魚道的允許流速可略大于上游魚道的允許流速。當魚道為多種過魚對象設計時，以溯游能力最差對象的允許流速為標準。

（3）魚道尺寸。魚道尺寸是指魚道寬度、池室大小和過魚孔大小等。魚道寬由過魚量和河道寬決定。在日本，魚道寬為河道寬的4%～5%，有的2～3 m，有的3～5 m不等。池室大小取決于隔板消能效果、魚體能消耗及休息條件等。過魚孔、豎縫大小與魚體大小及習性有關，應不小于擬通過魚類胸鰭水平展開距離，以滿足魚類自由游泳需要。加拿大漁業部和國際太平洋鮭漁業協會（1995年）建議孔口以0．50～1 m2為宜，每個孔口流量保持在0．68～2．7 m3／s。

（4）魚道出口。魚道出口要適應庫水位的變動，當庫水位變化時，既要保證出口有足夠的水深，又要使進入魚道的流量基本保持不變，使魚道能連續運轉。出口應遠離溢洪道、廠房進水口等泄水、取水建筑物，以防進入水庫的魚，又被這股水流帶回下游。出口高程應適應過魚對象的習性，對于底層魚類，應設置深潛的出口；幼魚、中上層魚類，出口可設在水面以下1．0～1．5 m處。

（5）其他條件。各種魚類喜光性不一，魚道要根據過魚對象的要求采光。如鰻魚要求在黑暗條件下過魚，香魚可建明魚道。此外，魚道還應設有導魚設備、觀察計數設備、攔污及檢修設備等。

2．2 中高水頭水利樞紐上行過魚設施

魚道運行時受上游水位和流量的影響，流速、流態都不穩定，且魚上溯過程中需要耗費很大能量，使過魚效果難以保證。因此，魚道一般只適用壩高在20～25 m以下的低水頭水利樞紐，對于中高水頭水利樞紐的上行過魚設施主要有魚閘、升魚機和集運魚船等。魚閘的運行方式與船閘相似，魚類在閘室憑借水位的上升，不必溯游便可過壩（見圖2）。由于魚閘過魚不連續，且過魚量有限，有些學者認為魚閘可能會被逐步淘汰，但也有些學者持相反觀點，如文獻［4］通過研究認為，對于澳大利亞一些熱帶河流上具有固定洄游季節的熱帶魚，未來魚閘可能會得到廣泛的應用；升魚機是利用機械升魚和轉運設施過壩，能適用于高壩和庫水位變幅較大的樞紐過魚，也可用于較長距離轉運魚類。Francfort等分析了美國16個水利樞紐過魚設施的過魚效果后，認為Conowingo壩的兩個升魚機在使Susquehanna河的鯡魚種群的資源恢復過程中發揮了重要作用［5］。集運魚船，又稱“浮式魚道”，目前在世界上的應用不多，自1989年Pavlov對前蘇聯在里海流域的伏爾加河、頓河和庫班河流域為鱘科、鯡科和鯉科的一些種類設計的集運魚船報道后，幾乎再沒有關于集運漁船的研究成果發表。

圖2 魚閘運行示意圖Fig．2 The sketch of fish lock operation

2．3 下行過魚設施

目前對下行過魚設施的研究和實踐遠沒有上行過魚設施深入。相對來說，歐洲和北美對鮭科等溯河性魚類幼魚的下行問題有較為深入的研究和實踐，主要是采取物理欄柵或行為屏障（如電柵、音篩等）來防止下行魚類進入水輪機，并建造表層或側、下輔助通道讓它們安全過壩。

3 研究方法

目前主要采用模型試驗和數值模擬的技術手段對過魚設施進行研究，通過優化其結構形式，以獲得適合魚類上溯的理想流速和流態，為過魚設施的設計提供了依據。部分研究成果付諸工程應用，取得較好效果。

3．1 模型試驗

文獻①SANAGIOTTO D G，COLETTIJZ，MARQUESM G．豎縫式魚道流速和水力紊動特性研究［C］∥水電2006國際討論會．855－957．對單側導豎式魚道內的流場、紊動能的等值線圖、紊流強度、雷諾應力的初步試驗結果進行了分析，并經過運行效果的觀測后認為，一個比較適合魚類的流態紊動標準是可能存在的。Larinier等通過對單側導豎式魚道的紊流研究表明，隨著池長／池寬的變化和坡度的不同，池室內的水流出現2種流態［6］。Rajaratana等通過對多種不同形式單側導豎式魚道的研究發現，無量綱流量和相對水深之間存在線性關系［7］。

Matsushita等發現在傾斜的池槽內可以觀測到滾動流；Uddin等提出，階梯型魚道中出現的滾動流將產生涌波，而它的周期性可能會嚴重危害魚道，并發現這種滾動流源于魚道的上游；Rajatana等通過試驗研究得出，這種滾動流的發生可以用無量綱流量來預知［8］。

3．2 數值模擬

豎縫式魚道中當流速大于平均流速后，要對水流紊動的影響因素進行評價。Pena等用沿水深平均的二維淺水方程的混合長模型和代數應力模型，對單側導豎式魚道中的紊流場進行了模擬，結果表明：流速、紊動能強度和雷諾應力與相同條件下的試驗結果吻合較好［9］。張高華等用標準的三維 紊流模型對池堰式魚道和魚類行進能力進行模擬后得出，同一魚種最省能之路徑為魚體采用跳躍方式上溯且接近液面時的路徑［10］。文獻［11］研究了單側導豎式魚道的優化設計問題，確定了由魚的休息區尺寸和適合魚類游泳能力的流速構成的目標函數，得出了最優設計變量豎縫尺寸的數值解。Young等用ADV、GPS以及非恒定非結構化的雷諾平均NS（U2RANS）模型，采集和計算了密西西比河上游的流態，詳細分析了淡水蠓生活區域的水力特性，討論了建壩對它們分布的影響，并提出了相應的改進措施［1］。

3．3 運行監測

日本提出一種由鋼筋和石籠等組成的簡易式魚道，其制作簡單，成本低廉，可以機動靈活地在適宜河道架設安裝［12］。伊泰普水電站在每一節魚道的表面都設有供有鱗魚種通過的通道，而在底部設有供無鱗魚種通過的通道，流經每節魚道的水流在底部形成一個正弦圈，在表面相反方向形成另一個正弦圈，這樣便能提供一個有利于把魚吸引進入魚道的溶解氧梯度。澳大利亞在伯內特河壩建成了完全集成的基于PLC（可編程邏輯控制器）的SCADA（監控和數據采集）魚道系統，它可以監控魚道的各個方面［13］。美國內華達州里諾（Reno）東部特拉基（Truckee）河上設計了一條明渠繞壩魚道，供瀕危的Cui－ui、Lahontan美洲鮭和其它魚類洄游，通過大卵石控制魚道中的水流，為魚類提供了良好的休息場所。加拿大在尚布利壩上翻修改造了魚道，使具有相當規模的商業性銀色美洲鰻魚能夠重新自由洄游［14］。

4 展 望

我國水能資源開發利用的歷史源遠流長，建國以來我國的水電開發事業蓬勃發展，然而，水能資源的開發伴隨著對河流生態系統脅迫的日益加劇，與之配套的過魚設施的研究和建設卻起步較晚，發展緩慢，其建設數量和運行效果都與要求相差甚遠，加快過魚設施的研究和建設，建立生態環境友好型的水利水電工程體系勢在必行。

（1）加強河段或區域生態環境特征代表性生物（魚類）的研究，并加強其原型生境要素的監測；

（2）開展特征魚類生態習性、游泳能力的試驗和魚道水力條件的研究；

（3）進行新型過魚設施的研制和魚類下行設施的研究；

（4）加強水工程（梯級水庫）建設及投運對魚類生存環境的疊加累積影響的研究；

（5）盡快建立一部過魚設施規范，并將過魚設施納入河流健康運行評價體系，維護河流健康。

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（編輯：周曉雁）

Review on Study of Fishery Facilities at Home and Abroad

CAO Qing-lei1，YANGWen-jun1，ZHOU Liang-jing2
（1．Key Laboratory of Management of Rivers and Lakes＆Flood Control of Ministry ofWater Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2．Changjiang Survey，Planning，Design＆Institute，Wuhan 430010，China）

With the rapid development of water resources，modern hydraulic and hydro-power engineeringmust be in harmony with environment and ecology．First，the impacts of hydraulic and hydro-power engineering on fish re-sourceswere analyzed，the development of dam-passing facilities for fishes abroad，and the three periods of re-search and construction for fishery facilities at home were summarized．Second，the types of fishery facilities at home and abroad were introduced，and themain types，technical parameters and characteristics of fishways were summarized in detail．Meanwhile the recent advance of technicalmethods in this field was presented．Finally，the research prospectswere put forward in combination with the strategy ofwater resources in the new era．

fish resources；fishery facilities；fishway；recent advance

TV135．1；S956

A

1001－5485（2010）05－0039－05

2009-04-01；

2010-03-03

曹慶磊（1983-），男，河南永城人，碩士研究生，主要從事水力學與河流動力學研究，（電話）15071309036（電子信箱）caoqin-glei2008＠163．com。