高水頭魚道整體布置及進口段優化試驗研究

程玉珍，梁 硯，周 招

(1. 黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080; 2. 武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072)

0 前 言

近年來，水利工程建設快速發展，閘壩等水工建筑物的建設將魚類等水生生物的遷徙通道隔斷，對魚類的洄游、繁殖及基因交流等產生了一定程度的影響。隨著對生態保護的進一步認識，國內修建了一系列的過魚設施，其中，魚道作為最主要的過魚設施，得到了廣泛的應用。國內對魚道的研究起步較晚，較多的借鑒了國外魚道的設計方法，但由于國內外水利工程特點以及過魚對象存在較大的差異，使得很多魚道的實際過魚效果并不理想。與國外魚道設計不同，我國已建魚道工程運行水頭較低(大多數都在20 m以下)，隨著水利工程進一步發展，一批高水頭魚道正在進行設計和研究，如西藏、陜西、新疆等地的一些水利樞紐中，魚道運行水頭接近或超過40 m[1]。同時，由于我國大部分魚道過魚對象游泳能力相對較弱，底坡設計較緩，因此魚道總長度遠超國外等水頭魚道。在這種高水頭、長距離魚道中，魚道的布置方式、池室結構、進出口設計等都需要做進一步研究。

豎縫式魚道消能效果較充分, 能適應較大水位變幅，一般用于能適應較復雜流態的大、中型魚類[2]，與仿自然型魚道以及池式魚道相比，可適用的上下游水頭差更大。國外對此形式魚道做了較多的研究，其中，最著名的是鬼門峽(Hell's Gate)魚道。我國采用雙側導豎式的有斗龍港閘魚道、瓜州閘魚道、利民河大魚道等；采用單側導豎式的有浙江七里垅魚道、安徽裕溪閘魚道和安徽巢湖閘魚道等。20世紀80年代，Rajaratnam等[3]首次對豎縫式魚道進行了系統的試驗研究。近年來，豎縫式魚道在國內得以廣泛應用，曹慶磊等[4]，邊永歡，孫雙科等[5-7]，劉志雄，王猛等[8, 9]分別對豎縫式魚道的池室結構，水流流態以及流速、紊動能等方面進行了研究。胡濤等[10]對多折回通道型豎縫式魚道的沿程流速分布進行了研究并提出了減小豎縫流速的方法。但是，豎縫式魚道在高水頭、長距離工程中的應用，仍然需要進一步探索。本文以奮斗魚道為基礎，通過模型試驗對采用多折回豎縫式設計的高水頭魚道的水流特性進行分析，并針對進口段進行優化研究。

1 工程概況

奮斗水庫位于黑龍江省穆棱市，是一座以供水為主，兼顧防洪、發電、灌溉等綜合利用水庫。如圖1所示，魚道布置在廠房尾水渠的右側平坦山坡上，設有1個進魚口以及4個出魚口，全長約為2 213.5 m。主要建筑物包括進魚口、過魚池、休息池和出魚口等。魚道采用循環曲線形集中布置，魚道從左岸重力壩壩身穿過，設4個出魚口，共設有531個池室和48個休息池。

圖1 奮斗魚道平面圖Fig.1 Layout of Fendou fishway

魚道為豎縫式魚道，主要過魚池室結構如圖2所示，池室高3.0 m，寬度為2.5 m，單個池室長度3.5 m，豎縫寬度0.45 m，底坡為1∶60，每間隔小于20個過魚池或在魚道彎折處設置一個長7.0 m的休息池，休息室底坡為0。豎縫隔板處設置導板以調整水流方向。

圖2 典型池室結構(單位：cm)Fig.2 Classic structure of pool room

穆棱河是烏蘇里江左岸最大的支流，魚類組成比較復雜。據調查采集魚類和文獻記載， 主要洄游魚有細鱗魚、茴魚、馬口魚、蛇鮈等，本魚道過魚對象主要是細鱗魚，茴魚等。細鱗魚，茴魚均為鮭形目，淡水類鮭魚極限流速為2.3～3.5 m/s[11]。綜合各因素考慮，魚道豎縫流速取1.0 m/s。

水庫正常蓄水位382.00 m，電站下最低水位349.57 m，上下水頭達32.43 m，為高水頭魚道，上游水位變幅9 m，下游水位變幅1.43 m，上下游水位變化幅度較大且魚道全長達2 213.5 m，隔板數量多，魚道水流能否滿足過魚需求，有必要進行水工模型試驗驗證評價。

2 模型設計

2.1 模型布置

在藥用高分子材料學的教學中，可以通過微信群的功能，在上課前就給學生設置問題，引導學生自己思考。例如，在講述淀粉與纖維素特點時，可以設疑“淀粉與纖維素結構類似，為何牛以吃草為生，而人卻不能”，引導學生去認識，雖然淀粉與纖維素結構類似，但淀粉是以α-1,4糖苷鍵相連，纖維素是以β-1,4糖苷鍵相連，兩者分子式一致但構型不同；人體內僅存在水解α-1,4糖苷鍵的酶，缺乏水解β-1,4糖苷鍵的酶，從而導致纖維素在體內不能被吸收。

圖3 奮斗魚道1∶20水工模型Fig.3 1∶20 Physical model of Fendou fishway

2.2 試驗工況

根據上下游庫水位組合變化以及不同出口閘門啟閉，按表1工況進行試驗。其中，工況1、4上游出口水深為1.0 m左右，工況2、3上游出口水深為2.5 m左右，下游進口水深根據電站流量不同在1.1～2.5 m間變化。

核苷酸二鈉（I＋G）的來源還是比較安全的，通常是從酵母中提取出來的。GB 2760－2011食品添加劑使用標準將核苷酸二鈉（I＋G）列在《可在各類食品中按生產需要適量使用的食品添加劑》的名單上。這說明適量使用核苷酸二鈉（I＋G）是符合國家食品安全標準的，不具有危害[4]。

表1 試驗工況Tab.1 Experiment working condition

可以看到，魚道豎縫流速變化趨勢與沿程水深一致，基本保持平穩，沿程略有上線波動。在各工況下，流速絕大多數保持在0.8～1.2 m/s之間，本魚道工程主要過魚對象上溯的極限流速在2.3 m/s以上，感應流速約為0.3 m/s，喜好流速一般在1.0 m/s左右，因此，在該流速變化范圍內，是適宜過魚的。

3 試驗結果

考慮到進口連接段流速較小以及A、B段水深流速變化較大，將A、B兩段及進口連接段底坡改為1∶75，相較于原設計中進口連接段底坡1∶500，A、B段底坡1∶60，均勻底坡有利于防止水面陡升陡降，進而造成水流流速的突然變化。同時，在進口連接段，增加12個隔板，隔板形式尺寸及間隔與魚道上游一致。通過增加隔板，減小過流面積，使水流更加集中，流速提高，明確魚類上溯方向。

3.1 沿程水深

魚道水面線(水深)是魚道能否正常運行的必要條件之一，根據本工程主要過魚對象細鱗魚、黑龍江茴魚等的體型特點與生活習性，能夠滿足過魚需求的水深為1.0～2.5 m，試驗采用控制上下游水位的方法，上游根據1～4號不同出口閘門高程，分別采取1.0 m與2.5 m兩種出口水深對應的水位，下游采用不同電站運行狀態對應的水位，對沿程水面線進行了測量。

為模擬魚道整體運行情況，同時考察池室流態等，模型幾何比尺確定為1∶20。 模擬建筑物包括魚道整體(包括進口閘門、魚道下游段、過壩連接段、魚道上游段、出口閘門1～4號等)、上游水庫、電站尾水管、尾水渠等，模擬范圍上游水庫魚道出口閘門附近20 m，下游電站尾水渠距魚道入口50 m，模型模擬范圍可保證試驗工作段的水流流態相似。模型全長22 m，其中上游水庫高0.7 m，長6.5 m，寬3.0 m；魚道下游段高1.5 m，長4.7 m，寬3.0 m；電站及尾水渠段，高0.7 m，長9 m，寬2.7 m。見圖3。其中，上游庫水位變化幅度較大，通過疊梁門與管道閥門進行控制，下游水位通過尾門控制，電站流量通過三角堰控制。

圖4 沿程水深Fig.4 Water depth along distance

選取各工況測量數據中，進口閘門至1號出口閘門段典型過魚池的水深數據，并按樁號沿程繪制成圖，如圖4所示。觀察可以發現，在不同工況下，魚道內水深與出口閘門水深基本保持一致，水深總體上保持平穩，沿程略有上下波動。本工程中過魚池室結構及底坡設計可以較好的適應高水頭差魚道工程。

對比工況2和工況3，可以發現，在不同出口閘門開啟時，盡管上游庫水位不同，只要出口閘門水深保持一致，魚道內沿程水深均可以保持一致。在上游閘門開啟情況下，盡管上游庫水位較高，但經過魚道內隔板沿程消能，水流流至下游閘門時，水頭已基本與原水位一致，因此，可將魚道出口水深作為魚道運行的控制條件。

在各個試驗工況中，水深基本保持穩定，未出現水位大幅雍高，其中工況2水深最大，達到2.76 m，與魚道邊墻高度3.00 m有一定富余。而出口水深在1.0 m時，魚道水深均保持在1.0 m以上，可以滿足過魚水深要求。因此，上游庫水位保持魚道出口水深在1.0～2.5 m以內，可以滿足魚類通過的基本要求。

與原方案進行對比，優化后，水深變化區段由原來的A、B段擴展至連接渠段，使得相鄰池室水位差減小，從而減小了最大豎縫流速。

各工況下，在來流水深一致時，魚道水深變化基本一致，由上游至下游水深均沿程減小。但在臨近魚道進口的A、B段時，如圖5，不論上游來流水深為多少，均迅速降低或增加為魚道進口水深。這種在較短距離內水深大幅度變化，使得豎縫流速增大或減小，對魚類上溯可能產生阻礙。

圖5 魚道下游段平面圖Fig.5 Layout of downstream section

3.2 豎縫流速

豎縫式魚道中，豎縫流速是設計的關鍵參數，過魚對象是否能順利上溯，很大程度上取決于豎縫流速是否接近魚類喜好流速，并且不能超過其極限流速。選取魚道典型過魚池豎縫流速按樁號沿程繪制成圖6。

圖6 豎縫流速Fig.6 Velocity of water in vertical slot

分別對1-4工況下魚道內沿程水深，豎縫流速等進行測量，分析對比不同工況下的變化規律，以及對魚類上溯造成的影響。

隨著屏底溫度提高，水冷壁輻射吸熱量下降明顯，分離器出口蒸汽溫度亦下降明顯；而末級過熱器出口汽溫呈下降趨勢，雖然過熱器總吸熱量隨屏底溫度提高而增加，但上升幅度小于水冷壁吸熱量的降低幅度；再熱器吸熱量隨著屏底溫度上升而增加，故再熱器出口溫度也相應增加。屏底溫度每上升10℃，分離器出口蒸汽溫度下降2.0℃，過熱器出口蒸汽溫度下降1.1℃，再熱器出口蒸汽溫度上升1.6℃，具體結果見圖5。

但是在臨近魚道進口部分，由于水深快速變化，導致流速大范圍變化。工況1下，由于流速小于0.3 m/s，低于魚類感應流速，不能為魚類上溯提供明確方向。而在工況2下，最大流速達到1.7 m/s，這對于體型較小，極限流速較低的魚類以及幼魚來說，又會對上溯形成阻礙。

3.3 AB段水深及流速分析

對水深及流速變化劇烈段進行分析，可以發現，主要集中在魚道進口附近A、B兩段。主要原因是下游電站尾水位變化，使魚道進口水深與上游出口水深不同，從而使水深變化集中在進口附近。

綜上所述，與玉米醇溶蛋白相比，玉米醇溶蛋白經堿性蛋白酶酶解后，其鋅離子螯合物對DPPH自由基、羥自由基、ABTS+·清除能力均有不同程度的增加。

圖7 AB段水深及豎縫流速Fig.7 Water depth and velocity in vertical slot of part AB

4 優化方案

試驗分別對過魚池、休息池、轉彎段等沿程水深及豎縫處流速進行測量，水深取池室中部左右兩側平均水深，由于豎縫流速垂直方向變化不大，選取隔板豎縫處水深1/2處流速。以魚道進口閘門處樁號為0 m，上游方向為正，對魚道水深及豎縫流速沿程進行分析。

根據不同進出口水深工況進行試驗，如表2所示。

表2 試驗工況Tab.2 Experiment working condition

對以上工況下A、B段魚道水深，豎縫流速進行測量，如圖8所示，在工況1中，出口水深為2.51 m，進口水深為1.49 m，在A、B段，水深僅降低至1.94 m，流速則由0.98 m/s增大至1.21 m/s。與原方案中最大流速1.7 m/s相比較，更接近主要過魚對象的喜好流速，可以認為不會對魚類上溯造成影響。

對A、B段水深及豎縫流速測點加密，并沿程繪制成圖7。可以發現，工況4中，進口水深與出口閘門水深接近時，水深基本保持一致，豎縫流速基本保持穩定。而工況2，3中，魚道水深迅速由出口閘門水深變化為進口水深，豎縫流速由1.0 m/s左右增大至1.5 m/s左右。

圖8 AB段水深及豎縫流速Fig.8 Water depth and velocity in vertical slot of part AB

誰知李陸峰卻笑著說：“老話說得好，躲得了初一，躲不了十五。這不，十五元宵節，說到就到。躲躲藏藏，畏首畏尾，這般擔心受怕，何日才是盡頭？我倒不信了，燈節禁地，除了皇親國戚、京城高官，常人皆不容入內，他縱有三頭六臂，能奈我何？再說了，他早晚都在算計我，卻不知我連做夢也在算計他，就盼他敢現身。只要他敢來燈節禁地，只要他敢出頭，我就有把握擒住他！”

圖9 AB段水深及豎縫流速優化Fig.9 Optimism of Water depth and velocity in vertical slot of part AB

選優化前后相同工況進行對比，如圖9，在各工況下，優化后A、B段水深變化幅度明顯較小，更加平穩，進而使得流速變化較小，最大豎縫流速減小至1.2m/s以下，使得流速控制在魚類喜好流速范圍內，并且穩定的流速可以使魚類較快熟悉魚道，上溯更為順利以滿足魚類上溯的流速要求。

5 結 語

通過對豎縫式魚道在長距離、高水頭差工程中應用進行試驗研究，可以得出以下結論。

(1)對于高水頭差長距離魚道工程，豎縫式魚道可以起到很好的消能效果，可以使沿程水深、流速保持在相對平穩的狀態。

食品安全數據的來源廣泛，包括抽查、檢測結果、監測數據、互聯網數據等，在其采集、使用、處理等過程中處處存在著影響其質量的因素，同時食品安全數據覆蓋面廣、更新速度快、數量龐大，各個環節都可能出現誤差，存在著較大的不確定性。

(2)采用本魚道工程中的豎縫隔板形式，魚道沿程水深與魚道出口水深基本保持一致。

(3)在魚道進口附近，由于水深迅速趨于進口水深，當進出口水深相差較大時，水深的迅速變化，會導致豎縫流速過大或過小，對魚類上溯形成阻礙。

（5）單體濃度在m(AMPS)∶m(AA)∶m(AM)為6∶4∶2，水浴溫度65℃，引發劑加量0.2%，pH值為6條件下合成緩凝劑，并配置水泥漿（配方A）進行性能評價，實驗數據顯示最佳的合成單體濃度為30%（表5）。

李澤厚先生曾言：書法一方面可以是“創作者有意識和無意識的內心秩序的全部展露”；另一方面它可以是“宇宙普遍性形式和規律的情感同構”；是這種“人與自然、情緒與感受、內在心理秩序結構與外在宇宙（包括社會）秩序結構直接相碰撞，相斗爭，相調節，相協奏的偉大的生命之歌。”［9］這就是說，所謂書者，抒也。感情的抒發還只是書法的功能，時空情緒的秩序化才是書法的本質。

(4)通過減小進口附近段底坡坡度，增加連接段隔板，可以增大水深變化區段，減小相鄰池室水位差，有效減小最大豎縫流速。

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