豎縫式魚道設計與研究

張 湘 隆

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

據統計[1]，我國目前已經建成了大中小型水電站45 000余座，總裝機容量突破2億kW，位居世界第一。而為改善我國的能源結構，水電建設步伐還在不斷加快。眾所周知，水庫閘壩的修建不僅切斷了魚類活動的自由通道，而且會改變魚類生存的水域生態環境。在生態環保理念深入人心的背景下，人們開始更多的關注在河流開發的過程中如何有效保護魚類資源的課題。魚道作為在閘壩處為溝通魚類洄游通道而設置的一種過魚建筑物,在一定程度上能減緩、補償閘壩對魚類洄游的阻隔影響。魚道按結構形式主要分成丹尼爾式、溢流堰式、淹沒孔口式、豎縫式等幾類，本文將主要討論目前應用較多、適用條件較廣的豎縫式魚道的設計及研究情況。

2 豎縫式魚道設計研究概況

豎縫式魚道是用平板在魚道槽中形成從上到下的一條豎縫，水流從豎縫中下泄，根據豎縫的布置分成單縫和雙縫兩種。由于豎縫式魚道消能效果較好，能適應較大水位變化，能同時適應棲息于表層和底層的魚類洄游需求，因此在加拿大、美國、澳大利亞以及我國都被廣泛采用。最早的豎縫式魚道位于加拿大弗雷塞河上的鬼門峽。在國內，除了早期江蘇斗龍港、安徽裕溪閘、浙江七里壟等采用豎縫式魚道之外，近些年，包括安徽巢湖閘水利樞紐、北京上莊新閘、吉林琿春河老龍口水利樞紐、遼寧丹東三灣水利樞紐、新疆北岸干渠引水樞紐和廣西右江魚梁航運樞紐等一系列工程均規劃或已經建設了豎縫式魚道，主要設計參數見表1。

為了使豎縫式魚道滿足魚類上溯所需的理想流速和流態，獲得更好的過魚效果，人們做了大量的研究工作。加拿大的Rajaratnam等人[2]較早地對豎縫式魚道形式進行了模型試驗，研究了無量綱流量與魚道池室中水深之間的關系；巴西的Sanagiotto[3]以Igarapava 水電站豎縫式魚道的一部分作為模型進行了實驗，采用ADV對魚道的流場、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，認為一個適合魚類生物的流態紊動標準是可能存在的；法國的Larinier[4]研究了豎縫式魚道的消能效率,認為各級水池內的單位體積消能率宜小于200W/m3；在國內，楊宇等人[5]在原有的魚道理論基礎上引入景觀生態學中提高河流連接度的思想，在設計過程中既考慮水工水力學和生態水力學的要求，又兼顧景觀生態學的原理，使魚道不僅能過魚，同時還滿足提高景觀連接度的要求；戚印鑫等[6]通過寬頂堰計算魚道的過流量，研究豎縫式魚道流量系數的變化規律,得出了流量系數計算公式；徐體兵等[7]通過數值模擬計算，系統研究了魚道水池長寬比和隔板墩頭布置體型對水池內水流流態的影響，研究認為魚道水池長寬比在8∶8～10.5∶8的范圍內，流態較好，而隔板是否設置墩頭對水流結構的影響有限，在實際工程中可考慮不設；董志勇等[8]通過大比尺魚道模型水力特性試驗分析了同側豎縫式魚道的流速分布形態、無量綱流速分布特征、斷面最大流速沿程衰減情況、同一水深不同流量的流速分布；曹慶磊等[9]分別采用標準的k-ε模型和雷諾應力方程模型(RSM)對同側豎縫式魚道池室內的水流進行了三維數值模擬,分析了魚道池室內的流場、雷諾剪切應力等相關水力要素，并應用水工模型試驗成果對2種紊流模型的結果進行了驗證比較，RSM模型流速場的計算結果與水工模型試驗結果更為吻合。

我國魚道研究起步較晚、發展較慢，目前還沒有成型的設計規范，大多還依靠國外的設計經驗，而由于過魚種類生態習性的差別，國外許多已建成魚道的成功經驗并不適用于國內。因此，要做好魚道的設計，還需要進行更多魚類生態習性研究及相關試驗研究工作。

表1[10～14] 國內部分豎縫式魚道主要設計參數統計

3 豎縫式魚道設計的主要內容

3.1 魚道基本參數

魚道設計基本參數主要包括：

(1)過魚種類。需掌握過魚對象的生態習性和游泳能力等基本資料，必要時需進行實地調查和魚類的生態試驗研究；

(2)過魚時間。根據魚類生態習性明確主要過魚對象通過該魚道的季節；

(3)設計水位差。根據過魚時間段大壩上下游的水位變化情況，合理選定魚道的設計運行上下游水位；

(4)設計流速。在設計水位差時，過魚設施隔板過魚孔中的最大流速即為魚道設計流速。魚道的設計流速選定主要與魚類克流能力有關。

3.2 豎縫式魚道主要結構尺寸

魚道結構尺寸主要是指魚道池室大小、豎縫寬度、底坡大小和池室水深等，主要根據過魚對象的習性、體長大小、池室消能效果等因素而定。

(1)池室寬度B：根據過魚對象的體長和設計過魚規模綜合分析確定，一般取2～5m；

(2)池室長度L：一般應大于寬度B，可取L=(1.2～1.5)B；

(3)豎縫的寬度a：與魚體大小有關，根據相關文獻[16]，豎縫寬度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，一般取0.3m以上；

(4)魚道底坡i：宜取統一的固定底坡；

(5)池室水深h：根據魚類習性而定，一般取1.5～2.5m，不宜大于3.0m，對于表層型魚取小值，底層型魚類取大值；

(6)休息池設置，一般每隔5～10個標準水池設一個休息池，休息池長宜取1.7～2.0倍的池室長度。

3.3 魚道進出口布置技術要求

3.3.1 進口布置的技術要求

魚道進口的布置直接影響過魚效果，一般應設在經常有水流下泄、魚類洄游路線及經常集群的地方，并盡可能靠近魚類能上溯到達的最前沿。進口附近水流不應有漩渦、水躍和大環流。進口下泄水流應使魚類易于分辨和發現，有利于魚類集結。如入口布置在電站尾水口上方，利用電站泄水誘魚。應避開泥沙易淤積處，選擇水質新鮮、肥沃的水域，避開有油污、化學性污染和漂浮物的水域。考慮到運行水位變化及魚類對水流不同的要求，可設置多個不同高程的進口。

3.3.2 出口布置的技術要求

魚道出口應能適應水庫水位漲落的變化，確保出口有一定的水深，平面位置應遠離泄水流道、發電廠房的進水口，以免過壩的魚被泄水或進水口前的水流重新卷入下游。出口一定范圍內不應有妨礙魚類繼續上溯的不利環境，如水質嚴重污染區、碼頭和船閘上游引航道出口等，要求水質清潔、無污染，挾泥沙量少。

3.4 魚道輔助設施

魚道設計除上述內容之外，還應當根據實際情況考慮設置一些輔助設施。如為觀測過魚效果，魚道應設置觀測室，配備觀測計數設備；魚道入口為增強水流誘魚效果，可設置水泵補充水量；為防止上游漂浮雜物進入魚道造成堵塞，可在魚道上游的出口處設置防漂設施等。

4 豎縫式魚道設計實例

某河流河道長444km，落差1 668m，平均坡降3.76‰，集水面積26 684km2。某電站是該河流中游規劃三級開發中的第三級電站，裝機容量6 400kW。為減小電站建成與運行對魚類的繁殖和生存空間帶來的不利影響，考慮修建過魚通道保護魚類資源，維持生態系統的完整性。

4.1 魚道基本參數

4.1.1 過魚對象

根據對某河流現有魚類資源的調查研究，其中橫口裂腹魚和錐吻葉須魚在繁殖季節喜上溯至上游或支流的急流河段產卵，具有一定的溯河習性，受電站大壩阻隔的影響相對較大，同時這兩種魚類僅分布于某河及其主要支流，屬當地特有魚類。故將其作為魚道的主要過魚對象。此外，高原裸裂尻魚、斯氏高原鰍等其它魚類也具有一定溯流習性，在本次魚道設計中作為魚道的次要過魚對象考慮。

4.1.2 過魚時間

根據對魚道的主要過魚對象生態習性的調查研究，橫口裂腹魚繁殖季節始于每年3月末，其產卵場廣泛分布在某河流及其下游的河段，但多由棲息地上溯至相對上游段產卵，具有一定的短程洄游習性；錐吻葉須魚是該河流水系的特有魚類，4～5月為繁殖期，產卵場多分布在河道的上游，具有一定的洄游性；高原裸裂尻魚、斯氏高原鰍等流水生態型魚類繁殖季節為5～7月。因此，根據上述各種過魚對象的繁殖季節分析，確定本魚道的主要過魚季節為4～7月，考慮在少數水溫偏高的年份橫口裂腹魚繁殖季節較早，在魚道設計中應保障3月份具有正常運行的能力。

4.1.3 設計水位差

根據電站調度運行規劃，水庫在3～7月平均運行水位見表2。依據魚道進出口布置的技術要求，須保證一定的水深要求，結合廠房最低尾水位4 287.6m，初擬設計水位差23m。

表2 某河水電站3～7月水庫平均水位

4.1.4 設計流速

由于某水電站地理位置偏遠，經濟發展落后，當地魚類本底資料十分匱乏，相關魚類游泳能力的研究工作開展較少，此次設計采用VIDELER[17]在1993年提出了魚類游泳速度的經驗公式，根據過魚對象個體大小，確定魚道設計流速控制在0.8～1.5m/s范圍內。

4.2 魚道型式選擇

橫口裂腹魚和錐吻葉須魚均屬于高原冷水性魚類，個體較小，根據本文前面對各種魚道型式的比較分析，推薦采用豎縫式魚道。

4.3 魚道結構尺寸

某河流豎縫式魚道主要結構尺寸如圖1所示。

注：a =15°；b=45°；A=0.4m；D=0.4m；E=2.0m； F=0.86m；G=0.15m；H=0.80m；L=3.7m。圖1 魚道尺寸示意

4.4 魚道進出口布置

4.4.1 進口布置

為利用電站泄水誘魚，魚道進口布置在泄水明渠下游約300m處，進口軸線與河道中心線小角度相交，為了能適應3月末～7月的壩下水位變化，使進口處水深達到1.00m以上，根據廠房最低尾水位為4 287.60m，推算至魚道進口最低水位為4 286.60m，確定魚道進口底板高程為4 285.50m；據廠房正常尾水位為4 288.46m，推算至魚道進口最高水位為4 287.46m，確定魚道進口邊墻頂高程為4 288.00m，進口斷面尺寸為2.00m×2.50m(寬×高)。

4.4.2 出口布置

水庫3 ～7月的運行水位為4 312.5～4 310.4m，消落深度為2.1m，若采用一個出口，魚道過流能力較大，對電站造成較大的經濟損失，且魚道出口流速較大，不利于魚類上溯至水庫，故在高程4 309.5m和4310.8m處分別設置一個魚道出口。

4.5 魚道輔助設施

誘魚設施：在距魚道進口125.00m處魚道邊墻上埋設一根φ50mmPVC誘魚噴水管，通過邊墻引至魚道進口邊墻上，形成噴射水流，誘使魚類進入魚道。將魚道進口至下游約100m范圍內的河道清理到4 284.50m，兩側拋投大塊石，束窄原河床寬度，加快水流流速以利于魚類發現魚道入口。

觀測設施：在魚道出口處左側設置觀測室，用來觀查魚類的洄游情況，觀測室凈尺寸為7.00m×3.50m(長×寬)。觀測室配備觀測計數設備、燈光、錄像設備等，觀測計數設備擬采用超聲波探測成套設備。

防護設施：為防止魚類跳出魚道，避免雜物從魚道兩側落入魚道，同時對人員起到安全防護作用，在魚道槽身頂部采用鋼筋防護網，鋼筋采用φ6，網格間距0.05m×0.05m。

閘門防凍設施：由于魚道位于高原寒冷地區，出口處閘門冬季需擋水，且有運行要求，所以必須設置防冰凍設施。冬季不運行時，出魚口前鋪設聚苯乙烯泡沫塑料板以防止靜冰壓力直接作用在閘門上；冰凍期工作時，先利用自融冰門槽融冰并取走出魚口前鋪設的聚苯乙烯泡沫塑料板后，才能啟閉閘門。

5 展 望

20世紀60～70 年代，我國先后修建了40 多座魚道，但所建魚道目前普遍利用率不高，部分魚道甚至已經棄而不用。為了維護河流生態的完整性，保護珍稀魚類資源，十分有必要對魚道的設計、建設以及運行管理等方面開展更加深入的研究。

(1)由于魚類生態習性的多樣性和復雜性，魚道設計必須讓更多的生物學家參與進來，只有更深入的了解了魚類的習性及游泳能力等生態資料，魚道才能更好地滿足魚類的需求。

(2)在學習及了解國外魚道建設成功經驗的同時，也應當比較研究更適合國內魚種的魚道設計原則與方法，如果只是照搬國外的標準進行魚道設計施工，其過魚效果一般不甚理想。

(3)針對已建的工程應當積極開展后續研究，加強跟蹤觀測，總結所建設魚道的優點和不足，對有缺陷的工程考慮進行改善，已建魚道的優點可作為以后建設魚道的寶貴的經驗。

(4)由于沒有成熟的理論和方法，目前對魚道的規劃設計還比較粗略，應當加強行業內的技術交流，盡快解決魚道設計上的技術難題，形成一部完整的魚道設計方法或標準。

參考文獻：

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