魚道的創(chuàng)新
——“過魚加農(nóng)炮”模型

胡雪婷　趙 瑞　苗志全　盧雅婷

南昌大學建筑工程學院

魚道的創(chuàng)新
——“過魚加農(nóng)炮”模型

胡雪婷趙 瑞苗志全盧雅婷

南昌大學建筑工程學院

結(jié)合國內(nèi)外水利水電過魚設(shè)施的現(xiàn)狀，指出水利水電開發(fā)對魚類資源的影響，在利用真空技術(shù)及機械控制相關(guān)原理的基礎(chǔ)上，提出“過魚加農(nóng)炮”模型，全面闡述了這一模型的設(shè)計原理和設(shè)計理念，并進行有關(guān)生態(tài)經(jīng)濟優(yōu)勢效益分析，指出這一新型過魚設(shè)施模型的巨大優(yōu)勢和潛力。

過魚設(shè)施；魚類洄游；真空管道運輸

由于長期的進化，有些魚類具有溯河洄游產(chǎn)卵的習性，洄游是指魚類因生理要求，遺傳和外界環(huán)境因素的影響，引起周期性的定向往返移動，是魚類的主動、定期、定向、集群、具有種的特點的水平移動［1］，是魚類在系統(tǒng)發(fā)生過程中形成的一種特征，是魚類對環(huán)境的一種長期適應(yīng)，它使種群獲得更有利的生存條件，更好的繁衍后代。

大壩的修建破壞了河流的連續(xù)性，從而阻斷魚類洄游的途徑，使其不能到達產(chǎn)卵場進行產(chǎn)卵，除此之外，大壩還會改變部分魚類的產(chǎn)卵場地，對原有的棲息環(huán)境造成破壞，還會魚類早期資源量下降，最后會對整個魚類生態(tài)系統(tǒng)帶來損害，即使是不洄游的魚類，對整個魚類而言，大壩會阻止魚類的基因交流，導致生物多樣性較低，破壞生態(tài)平衡。

一、國內(nèi)外過魚設(shè)施概況

最早的過魚設(shè)施記載約出現(xiàn)在17世紀的法國，即17世紀中葉，歐洲始建第一座過魚建筑物。1883年蘇格蘭在泰斯河上建成世界上第一座魚道。據(jù)不完全統(tǒng)計，至20世紀60年代初期 ，美國和加拿大有過魚設(shè)施 200座以上 ，西歐各國100座以上 ，前蘇聯(lián)18座以上，這些過魚設(shè)施主要為魚道。國外這些過魚設(shè)施不僅實現(xiàn)了工程建設(shè)中的環(huán)境生態(tài)保護目標，還將工程的建設(shè)和科研、科普教育和旅游開發(fā)相結(jié)合促進當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展。

我國過魚建筑物的建設(shè)和研究歷史很短，大約始于20世紀60年代，1958年，富春江七里垅水電站規(guī)劃開發(fā)時，首次涉及魚道并進行了一系列的科學實驗研究。至20世紀80年代，相繼建成40余座魚道，但是自葛洲壩水利樞紐建設(shè)增殖放流站解決中華鱘等珍稀魚類的保護問題以來的20多年，我國對于魚道的建設(shè)及研究進入了停滯期。

二、“過魚加農(nóng)炮”模型介紹

（一）設(shè)計思路

“過魚加農(nóng)炮”以使魚類“溫柔，快速”地通過，順利洄游到上游為原則，利用真空管道進行超高速運輸，低耗能，環(huán)保，安全，管道采用高分子材料，管道中設(shè)有壓力保護裝置，在水底設(shè)置相關(guān)誘魚裝置，由于魚類在洄游期間對光周期和強度有一定偏好，故可使用聲波誘魚器或熒光誘魚燈，將魚類引誘到模型入口處，模型入口置于與水面相平處，呈喇叭狀，類似倒置的漏斗，喇叭狀入口周圍有密閉的孔口。入口與圓形管道的連接處設(shè)置類似于魚笱倒須的格網(wǎng)，既可以防止魚類倒行，不會回落到水中，又能起到一定的攔污作用，使入口不會被污染物堵塞，阻止魚類進入管道中。入口處裝真空計和感應(yīng)裝置，真空管道中設(shè)置真空保護閥，根據(jù)所吸魚類的不同，調(diào)節(jié)管道內(nèi)壓力。

（二）相關(guān)原理

1.“過魚加農(nóng)炮”的入口設(shè)計采用了魚笱捕魚的原理

魚笱是中國古代一種竹制的捕魚器具，呈圓錐形，口大頸細，腹大而長。開口處裝有一個倒須的漏斗，魚順水而入，因為有倒須的阻攔，魚只能進而不能出［2］。基于魚笱的設(shè)計原理，當魚類在加農(nóng)炮管道內(nèi)前行時，就不會發(fā)生倒退的情況，能夠保證進入真空管道中的魚類順利通過。

真空管道主體采用UPVC管，其特性有質(zhì)輕，搬運裝卸便利：UPVC管材材質(zhì)很輕，搬運，施工便利，可節(jié)省人工。

流體阻力小：UPVC管材的管壁非常光滑，阻力很小，其粗糙系數(shù)僅為0.009。

耐腐蝕性、耐藥品性優(yōu)良UPVC管材具有優(yōu)異的耐酸，耐堿，耐腐蝕，不受潮濕水份和酸堿度的影響，不需任何防腐處理。

機械強度大：UPVC管的耐水壓強度，耐外壓強度，耐沖擊強度等均良好。

具有良好的水密性：UPVC管材的安裝，不論采用粘接還是橡膠圈連接，均具有良好的水密性。因而，魚類在真空管道中游動時，管道摩擦阻力極小，管壁不會對魚類造成傷害。

2.魚類在真空管道中的運動

魚類的游泳類型依據(jù)游泳時間的不同，大致可劃分為：爆發(fā)式游泳、持續(xù)式游泳和延長式游泳。爆發(fā)式游泳也被稱為短跑游泳，是魚類逃脫捕獲及逃避獵食者時采取的重要方式，對魚類生存有重要的影響，也是魚能達到的最大速度。在真空管道中，魚類的運動屬于無氧運動，但是不需要像在水中洄游時到達爆發(fā)速度，因而在短時間內(nèi)魚類呼吸代謝小，幾乎無需耗氧，且因魚類不需要使用突進速度，從而疲勞致死的幾率大大下降。

魚從“加農(nóng)炮”模型中射出時，由于真空負壓的作用，魚類獲得一定的速度，加上魚自身的速度，魚的初始爆發(fā)速度較大，初速度和“過魚加農(nóng)炮”的出口角度共同決定了魚的跳躍能，可按以下運動學公式計算魚的跳躍高度：

X=V（cosθ）t

H=V（sinθ）t-（1/2）gt2

X為t時間內(nèi)跳躍的水平距離，H為t時間內(nèi)跳躍的垂直高度，θ為跳躍角度，g為重力加速度 由以上式子可以得到不同跳躍角度下目標魚的跳躍曲線和魚在某一跳躍角度下最大跳躍高度對應(yīng)的時間t，然后可以得到某跳躍角度下的最大跳躍高度：

H=（Vsinθ）2/2g因而在模型出口處適當調(diào)節(jié)出口管的角度，使魚獲得最大跳躍高度，在真空的沖擊力作用下，獲得較大初速度，凌空跳躍，從而順利飛越大壩。

（三）“過魚加農(nóng)炮”的優(yōu)勢及效益分析

1.生態(tài)經(jīng)濟分析

從生態(tài)經(jīng)濟學的角度來看，經(jīng)濟系統(tǒng)作為生態(tài)系統(tǒng)的子系統(tǒng)，從生態(tài)系統(tǒng)中獲取資源，這屬于其成本，通過對資源的消耗利用產(chǎn)生收益增加社會福利，這就相當于其效用。

2.優(yōu)勢分析

目前世界上的各類過魚設(shè)施，過魚率大多僅為10～15%左右，有的則完全不能過魚。原因有魚道的進出水口未正確置于洄游通道上，水位與流量的變動使魚類不易找到進出水口，壩太高、魚道內(nèi)流速過大使溯游能力弱的魚類難以通過魚道等。各類過魚設(shè)施的建造、運行和維修費用也很大，有的國家正努力研究改進魚道的型式和建造位置，力爭使魚的通過率提高到50%左右。

三、結(jié)語

“過魚加農(nóng)炮”這一魚道模型結(jié)合現(xiàn)有過魚設(shè)施的優(yōu)勢，充分發(fā)揮真空運輸技術(shù)的潛能，在理論上創(chuàng)新性地幫助魚類洄游，能大大提高洄游魚類的存活率，為魚類的后代繁衍提供了有力保障，同時有助于維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡，維護河道的健康，“過魚加農(nóng)炮”不需大量的人力監(jiān)管，它利用現(xiàn)有的機械控制技術(shù)，能實現(xiàn)智能化，能改變我國現(xiàn)有的過魚設(shè)施監(jiān)管體系的不良局面。

［1］physiological knowledge has improved our ability to sustainabl y manage Pacific salmon during up - river migration［J］.

［2］劉明鏡.魚類無氧運動及其適應(yīng) ［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學.

基金：江西省自然科學基金資助項目 編號：20161BAB211009