過魚設施進口及吸引流設計

金志軍，單承康，崔磊，王 猛，羅 思，石小濤，馬衛忠

(1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081； 2.水電水利規劃設計總院，北京 100120；3．三峽大學三峽庫區生態環境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002)

過魚設施指能夠幫助受到阻隔的魚類順利上行或下行通過大壩或其他障礙物，到達其繁殖地、索餌場或越冬場等重要生活史場所的工程或技術手段。其主要原理是，首先通過一定的誘魚措施將壩下或壩上的魚類集中聚集起來，然后通過模擬自然的洄游通道或者人工將魚輸送過壩[1-2]。在誘魚設施有效，洄游通道或人工輸魚過程設置合理的情況下，魚類可以在過魚設施的幫助下順利通過大壩。Bunt等[3]對池堰式魚道、豎縫式魚道、丹尼爾式魚道和仿自然魚道的過魚效果進行統計，數據涉及6個國家的26種洄游魚類(包括河海洄游性魚類和河湖洄游性魚類)，數據顯示過魚設施進口吸引率具有高度差異性：池堰式魚道的吸引率為29%～100%，平均值為77%，中位數為81%；豎縫式魚道的吸引率為0～100%，平均值為63%，中位數為80%；丹尼爾式魚道的吸引率為21%～100%，平均值為61%，中位數為57%；仿自然魚道的吸引率為0～100%，平均值為48%，中位數為50%。Bunt等[3]進一步通過主成分分析和logistic回歸模型進行研究，結果表明：過魚設施進口吸引率的變化是由所研究魚類的生物學特性和進口吸引力決定的。不考慮魚類生物學特性差異，過魚設施效果取決于內部結構和進口條件，因此首先利用過魚設施效果評價模型，研究影響過魚效果的關鍵因素。

1 影響過魚效果的關鍵因素

過魚設施設計和實施的目的是為魚類提供安全、及時、有效的通道。這一過程中的幾個概念定義如下[4-5]：安全通過：魚類通過通行區過程中，不會導致不可接受的壓力，增加傷害或死亡(例如，渦輪卷吸、撞擊壩體和增加的被捕食幾率)；如果魚類通過障礙物過程中導致洄游延遲、生理損害或死亡，從而影響隨后的游泳行為、生長或繁殖，則不應將其視為安全過魚通道。及時通過：魚群通過通行區，沒有實質性的延遲或影響其基本行為和生活史要求。高效通過：在一個或多個關鍵時期，由于過魚設施結構設計、操作運行和環境條件的良好條件下，目標物種能有效通過通行區；目標物種是否高效通過過魚設施主要由成功率和吸引率進行定量評價。過魚設施進口吸引率PA：魚類到達過魚設施吸引區所占的比例，吸引區是指魚類感受到的魚道進口吸引流或輔助誘導措施信號，吸引區一般指靠近過魚設施進口附近；如圖1所示，到達壩下的10尾魚中有7尾魚被吸引到過魚設施進口附近，則過魚設施進口吸引率為70%。過魚設施進口成功率PE：被過魚設施成功吸引并進入進口的比例，通常以進入進口的種群(包括種類和數量)百分比來度量；如圖1所示，靠近過魚設施進口的7尾魚中有5尾魚通過進口，則過魚設施進口成功率為71.4%。魚道通過率PP：魚類進入魚道并順利通過魚道的魚數量占進入魚道數量的比例，也稱為“魚道內部效率”；如圖1所示，進入魚道內的5尾魚中有4尾魚游出魚道出口，則魚道通過率為80%。過魚設施效率Ptot：一種定量測量從通行區成功通過整個障礙的魚種數量所占的比例，通常表示為進口吸引率、進口成功率和魚道通過率的乘積，也可定性反映過魚設施是否為魚類提供了安全、及時的通道。

圖1 過魚效果標準化評價模型示意圖

由圖1可見，設計過魚設施時需要考慮兩個關鍵問題：一是將魚吸引到進口通道中，二是將魚移出過魚設施出口。進口可通過性、魚道內部可通過性和過魚設施操作運行時間這3個因素決定了過魚設施總效果。其中進口可通過性由進口吸引率和進口成功率決定；魚道內部可通過性由魚道通過率決定；過魚設施操作運行時間是指目標魚類洄游期，在洄游期間過魚設施處于良好運行狀態的時間長短，很大程度上決定了魚總的通過數量。影響進口可通過性的關鍵因素主要包括進口位置、進口朝向、吸引流流量、進口流速和進口水頭落差[6-7]。

2 我國過魚設施建設現狀及存在的主要問題

2.1 我國過魚設施建設現狀

在已有的過魚設施建設情況統計基礎上[8-12]，進一步收集資料，對1958—2018年水利水電工程建設項目的過魚設施工程進行了統計，包括已建和設計中的過魚設施共80項，得到我國過魚設施類型和數量分布情況見圖2。

根據魚類洄游路徑來劃分，目前我國過魚設施項目均涉及魚類上行過魚設施，除了金沙江龍開口水電站和金沙江蘇洼龍水電站同時設計了魚類上行和下行過魚設施外，其余的水利水電工程配套的魚類下行過魚措施大多為網捕過壩或將魚類上行過魚設施作為魚類下行通道。因此下面主要針對魚類上行過魚設施進行相關的介紹。

根據魚類是否自主上溯過壩，我國過魚設施可分為魚類自主上溯型過魚設施(有豎縫式魚道、池堰式魚道、仿自然魚道、丹尼爾魚道以及組合式)和魚類非自主上溯型過魚設施(升魚機、集運魚船等集運魚系統)。其中自主上溯型過魚設施占75.0%(60項)，非自主上溯型過魚設施占13.8%(11項)，剩余的11.2%(9項)過魚設施類型不詳。在所有類型已知的過魚設施中，其中豎縫式魚道占59.2%，池堰式魚道占14.1%，仿自然魚道占5.6%，仿自然+豎縫式組合形式占4.2%，丹尼爾魚道占1.4%，集運魚船系統占5.6%，升魚機系統占9.9%。

我國豎縫式魚道類型有同側豎縫、異測豎縫和雙側豎縫式魚道；池堰式魚道主要為有帶孔(有底孔，中孔，表孔)和不帶孔的橫隔板式魚道；仿自然魚道的阻流體主要是由卵石砌起來的阻流墻(類似于豎縫式魚道)；過魚設施類型已知的統計項目中只有廣州溪流河水廠壩過魚設施類型為丹尼爾式魚道；彭水水電站、馬馬崖一級水電站、龍開口水電站和果多水電站過魚設施類型均為集運魚船系統。統計發現，目前我國高壩過魚設施類型主要趨勢是集誘魚通道+提升系統+運魚系統(運魚船或運魚車)的組合形式，如豐滿水電站、兩河口水電站、楊房溝水電站、雙江口水電站、黃登水電站、蘇洼龍水電站和卡拉水電站均是通過豎縫式魚道段集誘魚，絞車提升，運魚船運輸放流的形式來實現魚類上行過壩。

圖2 我國過魚設施類型和數量分布

2.2 我國過魚設施存在的主要問題

過魚設施吸引流包括從過魚設施出口流入魚道內部的流量(設計流量，也稱為魚道基流)和過魚設施輔助吸引流系統排放的流量。通過對設計流量和輔助誘魚措施有明確數值或設計工藝的文獻進行統計(表1)，統計指標包括魚道基流、輔助吸引流和誘魚措施等，結果表明我國過魚設施吸引流流量占壩址多年平均流量和發電引水流量的比率極小，甚至可以忽略不計(絕大部分少于1%)，這與陳凱麒等[9]2012年統計結果一致；同時只有少數過魚設施設計有輔助吸引流，但目前仍未有成功案例報道。雖然部分過魚設施設計以通過少量的水噴出水柱濺落來產生水花、水流聲的補水方式，但至今未有文獻報道水聲、水花能增強過魚設施誘魚效果。同時發現，在吸引流流量定義和定量以及輔助吸引流設計工藝等方面我國尚無統一的認識。

3 過魚設施競爭流和吸引流

3.1 過魚設施競爭流

在典型的水利水電項目中，河道水流經過、穿過和繞過各種機器和水控制結構。流經渦輪機、溢洪道、閘等水控制結構的水流產生的流場可能吸引魚，從而與過魚設施吸引流相競爭。圖3為競爭流和過魚設施吸引流相競爭的例子，其中案例1中仿自然魚道進口位置距離發電尾水較遠，魚類容易被流量較大的發電尾水吸引，導致魚道吸引流與發電尾水競爭失敗，案例2、3、4的魚道進口位置是正確的。

圖3 過魚設施吸引流和競爭流

表1 國內部分魚道設計流量(魚道基流)、輔助吸引流和誘魚措施情況統計

注: 表格中N/A表示內容不詳；其中通過少量的水以噴出水柱濺落來產生水花、水流聲來誘魚的補水方式在本表中不屬于輔助吸引流。

3.2 過魚設施吸引流

3.2.1吸引流流量

在大多數設計條件下，魚道內部不能直接排放足夠的吸引流。因此，為了創造足夠的吸引水流，過魚設施必須輔以誘魚水流。目前確定吸引流的流量有以下兩種方法：①統計水文學法，即吸引流流量占河流流量的某一比例；②競爭流占比法，即吸引流占所有競爭流總和的某一比例。由于發電流量通常是最主要和最可預測的競爭流量，因此這種方法通常被簡化為吸引流量占發電流量的某一比例。采用統計水文學方法的情況下，通常魚道吸引流占河道總流量比例越大，其過魚效果越好。但是吸引流流量確定除了需要考慮發電效益外，同時受地形、壩下水流條件、季節變化和進口與大壩相隔距離的影響。美國國家海洋漁業服務中心(National Marine Fisheries Service，NMFS)建議在諸如哥倫比亞河和蛇河(Columbia and Snake rivers)等大型河流的過魚設施中，其吸引流流量不低于河道年平均流量的3%；對于在無水電站的大壩中修建過魚設施，NMFS認為美國西北地區年平均流量超過1 000立方英尺每秒(約30 m3/s)的河流，過魚設施吸引流流量占魚類洄游期間河道設計流量的5%～10%，且對于流量較小的河流，過魚設施吸引流所占的比例更大；此外，NMFS建議魚道吸引流應該從整個過魚設施中流出或者在進口段集中流出[41]。在英格蘭和威爾士地區，Armstrong等[42]建議過魚設施吸引流最小流量相當于年平均河道流量的5%，如果可能的話，大于或等于10%。對于基于競爭流占比法，針對有水力發電的大壩，NMFS建議過魚設施吸引流量不低于發電流量的3%～5%[42]；Orvis等[43]認為過魚設施吸引流流量應占最大發電流量的3%～5%；Armstrong等[42]推薦過魚設施吸引流流量占最大發電流量的5%～10%，同時對于流量較小的河道或者過魚設施進口位置遠離壩址的情況，要求過魚設施吸引流占競爭流的比例更高。可見，國外在過魚設施吸引流流量定量方面有明確的推薦值和規定，但目前在我國還未有相關文獻和技術指南對過魚設施吸引流做出相關的規定。

在工程設計中，進口吸引流除了引自庫區，也可通過工程措施將競爭流轉化為過魚設施吸引流：如將小型生態水輪機的發電尾水充當過魚設施輔助吸引流[44]，通過水泵輸送競爭流至過魚設施進口通道來充當吸引流[45]，通過導流[38]、集流[46]等工程手段將發電尾水或河道池水導入進口通道等，案例見圖4。圖4(a)為嘉陵江利澤航運樞紐魚道進口模型，魚道進口左側斜切邊壁外每隔1.2 m布置了兩個混凝土導流墩，達到將發電尾水導入魚道進口處增加進口吸引流的目的；圖4(b)為美國Lewis河Merwin大壩集運魚系統，輔助吸引流泵站通過管道將右岸發電尾水輸向左岸魚道進口通道，最大可提供16.8 m3/s的流量；圖4(c)為德國Rhine河Iffezheim水電站魚道，魚道基流為1.2 m3/s，生態水輪機發電尾水提供吸引流流量高達11.8 m3/s；圖4(d)為葡萄牙Mondego河Coimbra壩魚道，壩下游開挖有集流凹槽，棄水流量在5～100 m3/s時，大部分水進入左岸魚道進口渠道，充當吸引流。

圖4 增強過魚設施進口吸引流的工程案例

3.2.2吸引流流速

過魚設施吸引流的水力影響一直持續到吸引流與尾水完全混合，射流的速度與周圍流場無法區分為止。為了增加過魚設施吸引流吸引力，射流的速度和吸引流容積必須產生足夠的動量，以便與周邊水體區分，制造更廣的影響范圍。同時，射流速度不能對遷移魚類造成速度障礙。進口速度受到進口通道幾何形狀、進口閘門的開度(或角度)、尾水高度及周邊競爭流影響。閘門位置必須根據不同的尾水高度進行調整，以保證良好的魚類通過條件。NMFS建議對于大西洋東海岸的過魚設施項目，如果過魚對象為美洲鯡魚，則進口射流速度(在進口處測量)在4至6英尺每秒(約1.219～1.829 m/s)的范圍內；如果目標魚種只有游泳能力較強的大西洋鮭魚，則進口射流速度為4至8英尺每秒(約1.219～2.438 m/s)[41]。

魚類穿越較高流速區域，特別是通過速度屏障區(如魚道進口高速區、堰口、孔口和豎縫等處)的能力取決于物種游泳能力和目標物種個體大小，以及魚類必須通過高流速區的區域長度。進口射流制造的高速區長度往往較短，在設計時，可以通過魚類游泳速度-持續游泳時間關系曲線來推導出魚類可通過高流速區的區域長度[5,47]，進而反演出吸引流流量和流速的設計區間。

4 過魚設施布局

4.1 過魚設施位置

過魚設施位置的確定要考慮障礙物的布置、發電情況等因素。不同情況下的魚道位置見圖5。①障礙物無發電要求。在這種情況下(一般為低水頭堰)。攔河堰阻隔了魚類上行通道，上行魚類一般聚集堰下。這時，過魚設施通常位于靠近堰和河岸的位置。對于寬河道上的全河段障礙物，可能需要設計兩座魚道(圖5(a))；在障礙物斜向布置情況下，過魚設施應位于河邊，其進口在魚類通常聚集的尖角處(圖5(b))。②壩式水電站。在大多數情況下，發電尾水形成的主流吸引魚類向壩下聚攏。因此，魚道應布置在臨近水輪機尾水管的岸邊處(圖5(c))。③引水式水電站。主河道經常與來自發電尾水的水流相競爭，但主河道流量制造的吸引流有限。由于大多數魚類將沿著發電尾水產生競爭流通道上溯，這將導致位于主河道處的過魚設施效果降低。此外，由于主河道相比發電尾水通道具有更寬的河道，但通過截面流量相比較少，因此低流量期間主河道的流速可能無法提供魚類洄游所需的水力條件(如流速和水深)。這種情況下，最好的解決方案是設計兩座魚道(圖5(d))。如果修建兩座魚道方案不可行，應增加主河道的被感知能力(例如足夠的流量、水深和流速)，或者建造連接尾水通道和主河道的過魚旁路。

4.2 進口位置和朝向

過魚設施進口位置必須保證上行魚類通過吸引水流的引導及時進入進口。通常，進口應該位于緊鄰大壩壩下或壩下主流附近。在靠近廠房的水流流速相對較慢、湍動值較低區域，往往能夠創造良好的進口條件。在競爭流存在的情況下，過魚設施進口吸引率取決于吸引流影響范圍，因此，設計時應盡量避免發電尾水對過魚設施吸引流流向、流速的影響，以確保過魚設施吸引流產生的水力信號到達盡可能遠的下游。一般來說，過魚設施進口吸引流水流方向應盡可能與主流流向平行(要求小于30°)[48]。在不確定的情況下(項目環境復雜，如地形限制、競爭流空間跨度大等情況)，往往需要結合物理模型和數值模擬來分析壩下水流流態。通常過魚設施進口位置可以通過以下幾點確定：①靠近或接近魚類遷徙路徑；②靠近障礙物但遠離高湍流區(發電尾水形成的水花區)；③靠近河岸；④在主流一側(一般在外側)；⑤在電站廠房所在位置的一側；⑥位于水輪機出水口靠近尾水管末端的一側，與水輪機出流流向平行或成一定角度(<30°)；⑦考慮到貼河底遷徙魚類，要求過魚設施進口與河底進行過渡性連接(即過魚設施進口與河床通過仿自然坡道相連接，坡道坡度一般低于1:2)；⑧對于無發電用途的斜向溢流堰，魚道進口布置幾種情況見圖6，其中(a)、(d)為魚道進口位置正確布置方式。

圖5 不同情況下的魚道位置

圖6 斜向溢流堰情況下魚道進口位置

4.3 尾水位變化條件下的過魚設施進口

進口的設計需要考慮壩下水位變化的情況。尾水水位的增加會導致過魚設施進口通道淹沒，這將降低吸引流的吸引力。對于這個問題沒有整體的解決方案。所以，過魚設施進口設計，應該至少在魚類主要洄游周期和各個設計流量區間條件下確保其功能性。在工程實踐中，也可以通過一定措施使得在水位變化情況下過魚設施進口的被感知能力達到最優：①增加魚道基流或者輔助吸引流；進口通道有可調節的閘門，保證進口通道過流面可調。②過魚設施有多個進口，并且各進口有可以調控過流面開度的裝置。③對于仿自然魚道，如圖3(b)所示，即使下游尾水淹沒部分魚道，魚道仍可保證足夠的吸引力。

5 過魚設施進口概化模型

在具有魚道的水利水電項目(尤其是我國西南地區)中，壩下區域通常空間有限且地形復雜。這通常導致過魚設施進口布置困難。通常需要過魚設施進口進行180°轉彎來使過魚設施吸引流與水電站尾水出流平行。在受限的空間下，增加進口通道額外的輔助吸引流是一大難題。此外，在尾水位波動情況下，必須在進口安裝可調節裝置(如，閘門)，以保持恒定的吸引流流態。針對這種情況下的過魚設施進口設計，下面提出一種過魚設施進口概化模型。

過魚設施進口概化模型見圖7(圖中Q為發電尾水競爭流；Q1為魚道基流；Q2為輔助吸引流；Q3為過魚設施吸引流)。模型設計有4個關鍵的位置：①轉彎段。原則上，進口通道180°偏轉能制造有利的水力條件，可以在有限的空間內使進口位置盡可能靠近障礙物(由于大壩阻隔，洄游期間往往有大量魚類聚集在壩下)，使進口吸引流與競爭流出流方向平行。對于特定工程而言，90°偏轉也可實現該目的。②調節裝置。該裝置的過流截面開度可以根據吸引流流量和尾水位進行調節，以在入口處產生均勻的流動，避免進口處產生明顯的水流跌落現象。③檢修閘門。應在進口設置一個附加的關閉裝置，以便能夠關閉魚道進行維修。④輔助吸引流通道。輔助吸引流進入過魚通道前需要進行消能整流。因此，輔助吸引流通道包括消能整流裝置(如混凝土塊陣列、管道陣列等)。此外，必須采取措施防止魚類進入輔助吸引流通道。

圖7 過魚設施進口概化模型示意圖

基于以上過魚設施進口模型，進一步提出系統各組成部件布置原則：

a. 輔助吸引流系統。輔助吸引流流量可能要根據實際情況進行調整，可在輔助吸引流取水口或者在輔助吸引流進入過魚通道前進行調節。國外大多數魚道項目，輔助水流是通過壓力管道輸送到輔助吸引流渠道，很少采用明渠輸送。根據可用的水頭和流量，輔助吸引水流可先用于小型水輪機發電。輔助吸引流渠道中安裝具有消能整流功能的裝置，有助于制造均勻流態。同時，應盡量保證輔助吸引流與魚道基流平行匯聚成進口吸引流，輔助吸引流通道的流速受導魚網柵強度和過魚對象游泳能力的限制，一般該通道斷面平均流速介于0.2～0.4 m/s。

b. 導魚網柵。導魚網柵是由細條網組成的物理網屏，其目的是防止魚類和其他水生生物進入輔助吸引流通道，細條網間距由過魚對象體形尺寸和游泳行為決定。導魚網柵必須經常清理，同時輔助吸引流進水口要做攔垃圾碎片的措施(如外圍設置濾網)。此外輔助吸引流通道頂部要蓋上遮攔物(如網柵)，以防止人或物體掉入。導魚網柵與魚道基流流向的夾角要有利于引導魚進入魚道內部，一般為10°～30°，導魚網柵的高度要考慮尾水位變化和吸引流流量大小。

c. 進口通道。進口通道最小平均流速必須大于目標魚類正趨流性發生的流速閾值，并確保在任何尾水條件下魚都能感應到進口。進口通道最大平均流速取決于通道長度和魚類游泳能力。進口通道與河底通過仿自然坡道相連接，以便于底棲魚類能順利進入進口。

d.過水寬度調節閘門。閘門開度取決于吸引流流量、尾水位、過魚對象體形(如德國過魚設施設計準則要求豎窄口寬度大于3倍的最大過魚對象的體寬[49])和游泳行為，閘門應根據水力條件進行調節，應避免產生明顯的水流跌落。同時，閘門觸水面要求光滑，避免魚類上溯過程中擦傷。過水寬度調節閘門根據葉片數量可選擇180°轉向單葉閘門、雙葉片人字閘門和多葉片水力柵式閘門。

6 結 語

由于過魚設施進口可通過性受多種因素的影響，很難將吸引流流量和過魚效率這兩者建立直接的相關性。但很明顯，過魚設施吸引流流量是影響過魚設施效果的關鍵參數。一般來說，過魚設施修建費用和水能源生產損失等因素(也可能是由于特定場地的限制)是導致過魚設施吸引流的流量有限的主要原因。本文列舉了諸多案例，可利用水泵抽下游水、生態水輪機供給水等措施增強過魚設施進口吸引力，同時也減少水能源損失。本文只概述了國外確定進口吸引流的方法以及相應的設計工藝，并未推薦我國過魚設施進口吸引流流量值范圍。但通過對我國已建或設計中過魚設施的統計，發現目前我國過魚設施吸引流流量普遍偏低，并且大部分過魚設施項目在設計時無輔助吸引流概念，這是制約過魚設施達到最佳效率關鍵點之一。本文中過魚設施進口概化模型是在綜合考慮過魚設施進口位置、進口朝向、吸引流流量、進口流速和進口水頭落差等影響過魚設施進口可通過性的關鍵因素的基礎上提出的，但還未有相關的試驗對此模型進行支撐，未來可參照該模型進行各參數的定量研究。