仿自然魚道水力及過魚性能物理模型試驗

李廣寧，孫雙科※，郭子琪,2，柳海濤，鄭鐵剛，王 岑,3

（1. 中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；2. 河北農業大學，保定 071001； 3. 三峽大學，宜昌 443002）

0 引 言

魚道是幫助魚類順利通過閘壩等障礙物的專用設施，在維系河流連續性與生物種群交流方面具有不可替代的作用。魚道可分為技術型魚道和仿自然魚道，傳統的技術型魚道的結構與流態相對單一，一般僅適合特定過魚對象，而在實際河流中需要保護的魚類種類往往是多樣的[1-2]。Katopodis等[3]于上世紀70年代首次提出了仿自然魚道的概念，與傳統技術型魚道相比，仿自然魚道構建的水流流態更接近于魚類熟悉的天然狀態，對魚類往往具有更廣的適用性和更高的過魚效率[4]，已成為中低水頭水利工程過魚設施的發展方向之一。

仿自然魚道的相關研究，既包括魚道水力學問題研究，也涉及針對魚類生理特點與生活習性的研究，同時還要考慮建筑材料的天然、生態、可循環，其建筑外觀應與自然融為一體。

從工程建設角度看，水力學問題是仿自然魚道設計中首先需要研究的關鍵技術問題。文獻檢索表明，國內外針對仿自然魚道進行了大量的室內試驗與數值模擬研究，確定了魚道內部水流流態優化的基本原則，探討了仿自然魚道的設計方法，對于仿自然魚道的改建與建設起到了技術指導作用。

模型試驗方法歷來是水力學問題研究的重要手段之一。在仿自然魚道的研究方面，國外學者比較重視單個塊體障礙物對水流結構的影響，如Acharya等[5]針對球狀障礙物、圓柱體和方柱體對水流結構的影響進行了模型試驗，提出了相似水流條件（弗洛德數 Fr）下，球體的排列應該比方柱體的排列略微緊密一些，但球體障礙物尾流區水面連接相對更加平順。Komura等[6]研究了仿生態魚道中漂石的布置方法對水流特性的影響。加拿大Alberta大學的Bretón等[7]通過室內模型試驗研究了蠻石斜坡型魚道中，蠻石間流速與紊動強度等參數的變化規律，認為蠻石布置間距應該足夠小，以遏制水流的加速，Baki等[8-9]開展的試驗研究也得出了類似結論。Lacey等[10]對蠻石周圍紊流結構進行了試驗研究，并實測了自然河流中蠻石周邊的水流流場及紊動能等水力參數，發現在天然河道中蠻石后的尾流區內往往會形成較強烈的紊動[11]。為了確保不同的水生生物通過，仿生態型魚道的坡度一般應控制在 1%～5%[12]。國內學者王猛等[13]通過物理模型試驗，提出仿生態型魚道在較大工作水頭的水利樞紐中布置時，應合理安排電站的運行方式和魚道的進出口位置。于廣年等[14]通過整體物理模型試驗，提出了適合國內魚類的低水頭發電樞紐仿生態型魚道平面布置方案。譚均軍等[15]選取上溯性魚類鳙魚和草魚為研究對象，認為鳙魚和草魚在不同水力區域內的上溯時間與紊動能、流速相關性較大，水流流速矢量決定了魚的上溯方向。郄志紅等[16]提出一種通過太極圓盤和八卦爻條消減水流能量，形成多態流速場以適應多種魚類洄游的太極式新型魚道。胡曉等[17]在分析國外涵洞式魚道相關試驗數據的基礎上，對偏移式、槽堰式和堰式 3種典型擋板的水力特性及流場分布特征進行了歸納，得到了無量綱流量、水深、坡度與流速的關系表達式，為國內涵洞式魚道的水力設計提供理論依據與參考。

在魚類聚集和誘魚方面，李芳等[18]使用觀測儀器探測壩下四大家魚分布規律，分析集群行為特點及其相關性。鄭鐵剛等[19-20]為了合理布置魚道進口，基于生態學與水力學理論和數值模擬方法，計算了某大型水電站下游河道流場分布情況，結合過魚對象的游泳能力和生活習性，劃分了適宜布置魚道進口的河道區域。廖伯文等[21]以某高壩工程為例，根據相關調查結果，確定了 7種過魚對象，提出了集誘魚進口所需要滿足的水力學件。謝春航[22]提出 2種魚道進口布置方式，分別布置于閘墩旁和集誘魚通道旁。

進入21世紀，一些學者開始應用數值模擬技術研究仿自然魚道內的水流特征[23-24]。Tran等[25]利用淺水方程對蠻石斜坡型魚道的水流特性進行了模擬，并進行試驗驗證。何雨艨[26]采用三維湍流模型對不同水流條件下蠻石斜坡型魚道進行研究，認為蠻石坎對縫排列比錯縫排列具有更加合理的水力學特性。朱世洪等[27]認為通過在仿自然通道或魚道內部采用收縮段、側壁設置消能墩、底部輔以條形消能墩的新型結構可使池室內部流場實現縱向分層和橫向分區，可供不同游泳能力的魚類通過。李廣寧等[28]定量分析透水性卵石墻對魚道水力特性的改善效果，采用卵石墻構建的仿自然魚道，池室內流態豐富，過魚口處流速分布差異明顯多種魚類上溯提供了可能。上述研究為進一步細化研究仿自然魚道內流場特性奠定了基礎。

利用水生植物構建新型仿自然魚道，需要對其物理特性和生物特性進行研究。在水力學層面，王忖[29]對含有挺水植物和沉水植物明渠水流特性進行了研究；趙芳等[30]對雙層剛性植被對明渠水流特性的影響進行了試驗研究；孫菊英等[31]對不同高度柔性植被對坡面流水動力特性的影響進行了研究，表明相關水生植物通過不同布置方式，可以對管道內的水流結構產生顯著的影響。在植物學層面，鄧春暖等[32]研究了不同淹水周期對蘆葦光合生理的影響機理；李廣云等[33]對不同水深對蘆葦光合生理特性的影響。研究結果均表明相關水生植物具有較好的生物特性和適應性，可以用于淺水區的種植和培育。上述研究成果，為構造植物型仿自然魚道的水生植物選擇以及布局設計奠定了基礎。

目前仿自然魚道主要利用漂石與天然河道床質進行構建，缺乏生態系統中的植物元素，生態結構較為簡單。隨著中國河流治理和小水電的快速發展，對于小型河流生態環境的保護越來越受到重視，亟需一種即可保護魚類資源又可同時改善河流生態環境的，具有綜合生態功能的魚道。本文提出了一種利用挺水植物構建仿自然魚道，在實現魚類洄游、棲息、繁殖的同時，其外觀與自然環境融為一體。

1 挺水植物選擇

挺水植物的選擇是依據過魚對象的游泳能力和洄游季節，選取具有相應生物特性和生長周期的目標植物種類。

1.1 過魚對象

四大家魚（青、草、鰱、鳙）是中國常見魚類，而且中國近期設計的過魚設施都會將四大家魚作為過魚對象進行考慮。國內對于四大家魚游泳能力的研究相對詳細。如水利水電工程魚道設計導則（SL609-2013）[34]中指出：青魚體長0.4～0.58 m，喜好流速為1.25～1.3 m/s；草魚體長0.24～0.5 m，喜好流速為1.02～1.27 m/s；鰱魚體長0.4～0.5 m，喜好流速為0.9～1.0 m/s；鳙魚體長0.4～0.5 m，喜好流速為＜0.8 m/s。綜合而言，四大家魚的體長范圍0.2～0.9 m，感應流速普遍在0.1～0.2 m/s，喜好流速為0.8～1.3 m/s，極限流速＞1.3 m/s。結合目前中國魚道目前設計實際情況，魚道內控制斷面（過魚口）的流速控制在約1.1 m/s。

四大家魚的過魚季節也較為一致，以湖北碾盤山過魚對象為例，其主要過魚季節為4－8月份（表1）。

表1 過魚月份（漢江碾盤山）Table 1 Fish passing months (Nianpanshan, Hanjiang)

1.2 挺水植物

圖1 蘆葦各構件生物量的動態變化（河北白洋淀）Fig.1 Dynamic changes of biomass of reed components(Baiyangdian, Hebei)

挺水植物生長周期應與魚類洄游季節相匹配。即在魚類的洄游季節，所選擇的挺水植物應該能夠保有一定的生物體量，從而達到降低水流速度，形成過魚通道的效果。挺水植物應具有較強的生命力，并且分布廣泛、簡單易得，從而保證植物模塊在意外受損等情況下能得到及時補充。蘆葦作為中國常見的挺水植物種類[35-36]，其分布廣泛，生命力強，成長周期能夠與過魚季節相匹配。以河北白洋淀的蘆葦的生長周期為例，其生物量在6月份就可以維持在較高水平[37]，如圖 1所示。成年蘆葦植株的統計平均直徑約為1.2 cm，其平均高度可達2.4 m，生長密度可達156株/m2，是構建仿自然魚道的理想材料。

2 物理模型試驗

物理模型試驗按照重力相似準則進行設計，試驗比尺為 1∶5。首先將原型蘆葦按長度比尺進行縮小得到模型蘆葦的尺寸，將模型蘆葦進行植株排列得到植物模塊；然后開展植物滿鋪方案的試驗，檢驗該植株排列方式的阻水特性，為構建植物模塊交錯布置方案建立基礎；最后針對植物模塊交錯布置方案進行試驗，對該方案的水流結構進行分析，從水力學角度判斷其是否滿足過魚要求。

2.1 蘆葦植株設計

模型中需要首先將蘆葦植株進行簡化處理，再將植株個體進行不同的排列，形成不同的植株組合結構。常用的簡化方式有3種（圖2）。第1種是不考慮單個植株的相似性，而是綜合考慮糙率 n的相似，（糙率式中A為過流面積，m2；Q為流量，m3/s；R為水力半徑，m；J為底坡坡度。長度比尺λl=5時，糙率比尺利用漫鋪的人工塑料植物代替實際植物邊界，該種方法最簡單和經濟，但是只能粗略的反映整體植物邊界對水流的阻擋作用；第2種是將蘆葦簡化為具有相似葉狀結構的塑料植株，該方法最為相似和準確，但是造價較高，宜適用于植株較少的試驗；第3種是將蘆葦簡化為去除葉片的單個桿徑，該方法能夠反映植株的整體組合和植株組合內部的個體對水利特性的影響。

圖2 蘆葦植株常用簡化方式Fig.2 Common simplifications of reed plants

顧峰峰和倪漢根[38-39]采用第 2種方法對蘆葦進行了簡化，進行了物理模型試驗，實測了模型蘆葦的阻水特性，對模型蘆葦與原型蘆葦等效阻水特性的相似關系進行了推導，驗證了該種簡化方法的可行性。

本文將采用第 3種簡化方法，對具有一定密度的蘆葦模塊組合進行創新應用，構建新型植物魚道。但是，將蘆葦簡化為去除葉片的單個桿徑，一定程度上弱化了植株的阻水特性，故所獲得的方案在水力學指標上是偏于保守的。

2.2 植株排列方式

蘆葦原型桿直徑1.2 cm，平均高2.4 m，大于原型魚道設計水深80 cm的要求。按照長度比尺λl=5縮小，相應的模型蘆葦直徑為0.24 cm，高度滿足模型魚道水深要求即可，取 16 cm。模型蘆葦以相應尺寸的竹簽代替。

模型蘆葦以模塊形式在水槽內交錯分布，每組蘆葦模塊內蘆葦以梅花樁型式均勻布置，如圖3所示。x方向蘆葦交錯分布，y方向規則的平行分布，x方向固定間距1.6 cm，y方向1.6 cm，在水槽內20 cm×20 cm的范圍內，均勻布置了156株，相當于原型中1 m×1 m的范圍內均勻布置了156株，即156株/m2。

圖3 植株排列方式Fig.3 Arrangement of plants

2.3 模型布置

試驗水槽長10 m，寬0.4 m，高0.2 m，底坡J=1%，采用循環泵供水系統供水，通過調節閥調整水槽內流量，具體布置如圖 4所示。試驗方案分為植物滿鋪方案和植物模塊交錯布置方案。當植物按照圖 3所示的植株排列方式鋪滿整個水槽時，即為植物滿鋪方案，該試驗的主要目的是檢驗該植株排列方式的阻水特性，并對等效糙率進行定量判斷。待該植株排列方式的阻水特性得到檢驗后，將其組合成不同幾何尺寸的植物模塊并在水槽內交錯布置，形成植物模塊交錯布置方案。本文中植物模塊按照幾何尺寸分為2種，一種長40 cm，寬20 cm，稱為植物模塊A；另一種長40 cm，寬10 cm，稱為植物模塊B。植物模塊A布置在水槽中間位置，兩側留出10 cm寬的過魚通道，植物模塊B布置在魚道的兩側，中間留出20 cm寬的過魚通道。植物模塊A與植物模塊B之間相距40 cm。

模型采用電磁流量計控制流量，采用水位測針測量水位，采用多普勒電磁流速儀（acoustic doppler velocimeter，ADV）在1/2水深處測量時均流速[40-41]。測點主要布置在過魚通道內，植物模塊A兩側水流為對稱結構，故只在其左側的過魚通道內布置了測點。試驗時，通過測點 1～47觀測流速沿程分布，分析該流速指標下目標魚類能否通過；通過所有偶數標號的測點觀測水深沿程分布，其中位于水槽起始端的測點 0和位于末端的測點48分別用來監測水槽內上、下游水位。具體測點布置參見圖4a。

2.4 試驗設計

在實際工程中總是存在著魚道上、下游水位變動的情況，從而導致魚道的上、下游水深不一致，從而造成魚道內水流速度的變化。由于本文是探索性將植物模塊作為阻水特性單元構建新型的魚道形式，尚處于研究的初步階段，在設計試驗時僅考慮了水深沿程不變的均勻流工況，見表2。

圖4 植物模塊交錯布置方案模型布置圖Fig.4 Layout of staggered arrangement of plant modules scheme

表2 試驗工況Table 2 Test conditions

3 結果與分析

3.1 植物模塊阻水效果

通過對植物滿鋪方案進行試驗，對該體型的沿程水面線分布、流速分布進行測量，對該密度的植物模塊的阻水效果進行分析，結果見表3。

表3 植物滿鋪方案水流試驗結果Table 3 Flow test results of plants full arrangement scheme

本次試驗所用水槽為水泥抹面，在加入植株之前，對應原型等效糙率為0.014，植物滿鋪方案所測得的原型等效糙率為0.2左右（表3），糙率值增加幅度較大。由此可知，本試驗所測試的密度156株/m2的蘆葦植株模塊能夠起到較好的阻水效果。

3.2 植物模塊交錯布置方案

對植物模塊交錯布置方案進行試驗，分別對模型運行水深約為11和15 cm，（長度比尺λl=5，對應原型運行水深約為55和80 cm）2種工況進行試驗研究。結果表明：位于魚道中央的植物模塊A將來流分成2股對稱水流，位于魚道兩側的植物模塊B起到阻水作用，迫使2股水流重新匯合，從位于2個植物模塊B之間的過魚通道通過，然后再次進入植物模塊A兩側的過魚通道。由此可知，植物模塊能夠起到較為明顯的阻水效果，魚道內水流走向蜿蜒曲折，經歷“分流-匯合-分流”的重復過程，流態豐富，水面線平穩（圖5a）。

圖5 植物模塊交錯布置魚道水深及流速沿程分布Fig.5 Distribution of water depth and velocity along fishway in staggered arrangement of plant modules scheme

2種運行水深工況下，其水流流態和流速指標較為接近（圖5b），水流流速能夠得到有效控制。測點3位于植物模塊A左側過魚通道的下游斷面；測點7位于2個植物模塊B中間過魚通道的下游斷面，這2個斷面分別為各自過魚通道內流速最高斷面，即為決定魚類能否成功上溯的控制斷面。對這2類斷面的流速結果進行統計，并按照流速比尺進行換算，這2類斷面處對應的原型流速值范圍均為 0.87～1.08 m/s，均小于1.1 m/s，能夠滿足過魚需求。另外，試驗發現在各植物模塊下游一定范圍內存在低流速區，對應原型流速值范圍為0.2～0.6 m/s，可為魚類提供休息場所。

為了更好的反映對植物模塊交錯布置方案流速控制斷面的流速分布，分別對測點19和23的流速垂向分布進行研究，如圖6所示。結果表明：測點19的流速在垂向上存在較大差異，表層和底層的流速相對較小，最大流速出現在水流的中間層，流速的差異分布為具備不同游泳能力的魚類個體的通過提供了可能。測點23的流速垂向分布較為均勻。

圖6 典型測點處的流速垂向分布（水深80 cm）Fig.6 Vertical distribution of velocity at typical measuring points(Water depth 80 cm)

綜上所述，交錯布置的植物型魚道可以形成蜿蜒的水流，控制流速在合理范圍內，同時流態豐富，柔性的邊界貼近自然。

4 過魚試驗

為驗證本文所設計魚道的可行性，進一步開展了過魚試驗研究，判斷所設計魚道水流結構的合理性與有效性。

4.1 試驗樣本

草魚是半洄游魚類[15]，其幼魚的半洄游習性也非常顯著和有規律性，容易獲取和養殖，十分適合作為試驗用魚，故本次試驗選擇草魚幼魚為過魚對象。綜合考慮魚道尺寸、流速等因素，選擇體長范圍為(10±2) cm的草魚幼魚，如圖7所示。

圖7 試驗用草魚幼魚Fig.7 Juvenile grass carp for experiment

龔麗等[42]于2015年測定了5～15 cm草魚幼魚的臨界游泳速度，并得到擬合關系式

式中Ucrit為臨界游泳速度，cm/s，BL為試驗魚體長，cm。

曹平[43]于2017年測定了6～15cm草魚幼魚的突進游泳速度，并得到擬合關系式

式中Uburst為突進游泳速度，cm/s。

經上式計算，本次試驗中所用草魚幼魚臨界游泳速度約為0.95 m/s，突進游泳速度約為1.17 m/s。

4.2 過魚試驗

將試驗用魚放置于1 m×1 m×1 m的矩形水池中暫養2周。暫養水循環深井水，水溫維持在17 ℃左右，暫養池中采用曝氣處理，溶解氧濃度維持在7 mg/L以上，光照為室內自然光，試驗前2 d停止喂食。

試驗在植物模塊交錯布置方案魚道模型中開展。試驗包括2種工況，每種工況分別放魚10次，每次放魚一條。工況1為原型運行水深80 cm，工況2為原型運行水深55 cm。試驗開始前，先將試驗魚放置于魚道進口下游水池適應10 min，隨后撤去攔魚柵。當試驗用魚通過第一個過魚口時開始計時，到達模型終點時結束計時，并記錄上溯時間。若上溯歷時超過10 min試驗魚未抵達模型終點，則視為上溯失敗。

4.3 過魚效果

過魚試驗中發現大部分草魚幼魚在水池內趨流行為具體表現為頂流向前，草魚通過調整身體運動姿態以某種特定的運動節奏擺動尾鰭向前推進。

過魚對象體力充沛時，沿魚道內預留過魚口上溯，水流流速未對上溯行為形成阻礙，魚類在通過中間水流通道后，可在兩側水流通道中自由選擇，整體而言上溯過程順利，如圖8a所示。當魚類需要休息時，可以在植物模塊下游側的低流速區休息，中間的植物模塊A和兩側的植物模塊B均可以在下游側為過魚對象提供休息區，如圖8b和圖8c所示。

圖8 過魚試驗典型魚類行為（草魚幼魚）Fig.8 Typical fish behavior of fish passing test(juvenile grass carp)

表4為試驗魚上溯歷時統計結果，分析表4可得，工況1上溯成功率90%，平均歷時66 s，工況2上溯成功率100%，平均歷時67 s。結果表明該體型仿自然魚道流速適宜、流場合理。

表4 試驗魚上溯歷時統計Table 4 Statistics of fish passing time

5 結 論

本文通過模型試驗方法，對植物型魚道的水力特性和過魚效果進行研究，主要結論如下：

1）構建植物型魚道，需要綜合考慮多年生挺水植物的生物特性和物理特性、目標魚類的洄游習性和游泳能力，以及植物生長周期與魚類洄游季節相匹配等條件，本文通過調查研究表明，選取蘆葦為基本單元構建植物型魚道是可行的。

2）模型試驗表明，本文所測試的密度 156株/m2的蘆葦植株模塊具有較好的阻水效果，利用該植物模塊構建仿自然魚道是可行的。

3）研究提出了一種植物模塊交錯布置的植物魚道體型，魚道內形成蜿蜒的水流，水流流態豐富，水流流速能夠得到有效控制，魚道過魚口流速均小于1.1 m/s。

4）過魚試驗表明，目標魚類可以在植物模塊交錯布置通道內順利上溯，且中間的植物模塊和兩側的植物模塊下游側均可以為魚類提供休息區，從生態學角度驗證了植物模塊交錯布置魚道體型的合理性。