竖缝式鱼道设计与研究

张 湘 隆

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

据统计[1]，我国目前已经建成了大中小型水电站45 000余座，总装机容量突破2亿kW，位居世界第一。而为改善我国的能源结构，水电建设步伐还在不断加快。众所周知，水库闸坝的修建不仅切断了鱼类活动的自由通道，而且会改变鱼类生存的水域生态环境。在生态环保理念深入人心的背景下，人们开始更多的关注在河流开发的过程中如何有效保护鱼类资源的课题。鱼道作为在闸坝处为沟通鱼类洄游通道而设置的一种过鱼建筑物,在一定程度上能减缓、补偿闸坝对鱼类洄游的阻隔影响。鱼道按结构形式主要分成丹尼尔式、溢流堰式、淹没孔口式、竖缝式等几类，本文将主要讨论目前应用较多、适用条件较广的竖缝式鱼道的设计及研究情况。

2 竖缝式鱼道设计研究概况

竖缝式鱼道是用平板在鱼道槽中形成从上到下的一条竖缝，水流从竖缝中下泄，根据竖缝的布置分成单缝和双缝两种。由于竖缝式鱼道消能效果较好，能适应较大水位变化，能同时适应栖息于表层和底层的鱼类洄游需求，因此在加拿大、美国、澳大利亚以及我国都被广泛采用。最早的竖缝式鱼道位于加拿大弗雷塞河上的鬼门峡。在国内，除了早期江苏斗龙港、安徽裕溪闸、浙江七里垄等采用竖缝式鱼道之外，近些年，包括安徽巢湖闸水利枢纽、北京上庄新闸、吉林珲春河老龙口水利枢纽、辽宁丹东三湾水利枢纽、新疆北岸干渠引水枢纽和广西右江鱼梁航运枢纽等一系列工程均规划或已经建设了竖缝式鱼道，主要设计参数见表1。

为了使竖缝式鱼道满足鱼类上溯所需的理想流速和流态，获得更好的过鱼效果，人们做了大量的研究工作。加拿大的Rajaratnam等人[2]较早地对竖缝式鱼道形式进行了模型试验，研究了无量纲流量与鱼道池室中水深之间的关系；巴西的Sanagiotto[3]以Igarapava 水电站竖缝式鱼道的一部分作为模型进行了实验，采用ADV对鱼道的流场、紊动能的等值线图、紊流强度、雷诺应力的初步试验结果进行了分析，认为一个适合鱼类生物的流态紊动标准是可能存在的；法国的Larinier[4]研究了竖缝式鱼道的消能效率,认为各级水池内的单位体积消能率宜小于200W/m3；在国内，杨宇等人[5]在原有的鱼道理论基础上引入景观生态学中提高河流连接度的思想，在设计过程中既考虑水工水力学和生态水力学的要求，又兼顾景观生态学的原理，使鱼道不仅能过鱼，同时还满足提高景观连接度的要求；戚印鑫等[6]通过宽顶堰计算鱼道的过流量，研究竖缝式鱼道流量系数的变化规律,得出了流量系数计算公式；徐体兵等[7]通过数值模拟计算，系统研究了鱼道水池长宽比和隔板墩头布置体型对水池内水流流态的影响，研究认为鱼道水池长宽比在8∶8～10.5∶8的范围内，流态较好，而隔板是否设置墩头对水流结构的影响有限，在实际工程中可考虑不设；董志勇等[8]通过大比尺鱼道模型水力特性试验分析了同侧竖缝式鱼道的流速分布形态、无量纲流速分布特征、断面最大流速沿程衰减情况、同一水深不同流量的流速分布；曹庆磊等[9]分别采用标准的k-ε模型和雷诺应力方程模型(RSM)对同侧竖缝式鱼道池室内的水流进行了三维数值模拟,分析了鱼道池室内的流场、雷诺剪切应力等相关水力要素，并应用水工模型试验成果对2种紊流模型的结果进行了验证比较，RSM模型流速场的计算结果与水工模型试验结果更为吻合。

我国鱼道研究起步较晚、发展较慢，目前还没有成型的设计规范，大多还依靠国外的设计经验，而由于过鱼种类生态习性的差别，国外许多已建成鱼道的成功经验并不适用于国内。因此，要做好鱼道的设计，还需要进行更多鱼类生态习性研究及相关试验研究工作。

表1[10～14] 国内部分竖缝式鱼道主要设计参数统计

3 竖缝式鱼道设计的主要内容

3.1 鱼道基本参数

鱼道设计基本参数主要包括：

(1)过鱼种类。需掌握过鱼对象的生态习性和游泳能力等基本资料，必要时需进行实地调查和鱼类的生态试验研究；

(2)过鱼时间。根据鱼类生态习性明确主要过鱼对象通过该鱼道的季节；

(3)设计水位差。根据过鱼时间段大坝上下游的水位变化情况，合理选定鱼道的设计运行上下游水位；

(4)设计流速。在设计水位差时，过鱼设施隔板过鱼孔中的最大流速即为鱼道设计流速。鱼道的设计流速选定主要与鱼类克流能力有关。

3.2 竖缝式鱼道主要结构尺寸

鱼道结构尺寸主要是指鱼道池室大小、竖缝宽度、底坡大小和池室水深等，主要根据过鱼对象的习性、体长大小、池室消能效果等因素而定。

(1)池室宽度B：根据过鱼对象的体长和设计过鱼规模综合分析确定，一般取2～5m；

(2)池室长度L：一般应大于宽度B，可取L=(1.2～1.5)B；

(3)竖缝的宽度a：与鱼体大小有关，根据相关文献[16]，竖缝宽度应不小于拟通过鱼类胸鳍水平展开距离，以满足鱼类自由游泳需要，一般取0.3m以上；

(4)鱼道底坡i：宜取统一的固定底坡；

(5)池室水深h：根据鱼类习性而定，一般取1.5～2.5m，不宜大于3.0m，对于表层型鱼取小值，底层型鱼类取大值；

(6)休息池设置，一般每隔5～10个标准水池设一个休息池，休息池长宜取1.7～2.0倍的池室长度。

3.3 鱼道进出口布置技术要求

3.3.1 进口布置的技术要求

鱼道进口的布置直接影响过鱼效果，一般应设在经常有水流下泄、鱼类洄游路线及经常集群的地方，并尽可能靠近鱼类能上溯到达的最前沿。进口附近水流不应有漩涡、水跃和大环流。进口下泄水流应使鱼类易于分辨和发现，有利于鱼类集结。如入口布置在电站尾水口上方，利用电站泄水诱鱼。应避开泥沙易淤积处，选择水质新鲜、肥沃的水域，避开有油污、化学性污染和漂浮物的水域。考虑到运行水位变化及鱼类对水流不同的要求，可设置多个不同高程的进口。

3.3.2 出口布置的技术要求

鱼道出口应能适应水库水位涨落的变化，确保出口有一定的水深，平面位置应远离泄水流道、发电厂房的进水口，以免过坝的鱼被泄水或进水口前的水流重新卷入下游。出口一定范围内不应有妨碍鱼类继续上溯的不利环境，如水质严重污染区、码头和船闸上游引航道出口等，要求水质清洁、无污染，挟泥沙量少。

3.4 鱼道辅助设施

鱼道设计除上述内容之外，还应当根据实际情况考虑设置一些辅助设施。如为观测过鱼效果，鱼道应设置观测室，配备观测计数设备；鱼道入口为增强水流诱鱼效果，可设置水泵补充水量；为防止上游漂浮杂物进入鱼道造成堵塞，可在鱼道上游的出口处设置防漂设施等。

4 竖缝式鱼道设计实例

某河流河道长444km，落差1 668m，平均坡降3.76‰，集水面积26 684km2。某电站是该河流中游规划三级开发中的第三级电站，装机容量6 400kW。为减小电站建成与运行对鱼类的繁殖和生存空间带来的不利影响，考虑修建过鱼通道保护鱼类资源，维持生态系统的完整性。

4.1 鱼道基本参数

4.1.1 过鱼对象

根据对某河流现有鱼类资源的调查研究，其中横口裂腹鱼和锥吻叶须鱼在繁殖季节喜上溯至上游或支流的急流河段产卵，具有一定的溯河习性，受电站大坝阻隔的影响相对较大，同时这两种鱼类仅分布于某河及其主要支流，属当地特有鱼类。故将其作为鱼道的主要过鱼对象。此外，高原裸裂尻鱼、斯氏高原鳅等其它鱼类也具有一定溯流习性，在本次鱼道设计中作为鱼道的次要过鱼对象考虑。

4.1.2 过鱼时间

根据对鱼道的主要过鱼对象生态习性的调查研究，横口裂腹鱼繁殖季节始于每年3月末，其产卵场广泛分布在某河流及其下游的河段，但多由栖息地上溯至相对上游段产卵，具有一定的短程洄游习性；锥吻叶须鱼是该河流水系的特有鱼类，4～5月为繁殖期，产卵场多分布在河道的上游，具有一定的洄游性；高原裸裂尻鱼、斯氏高原鳅等流水生态型鱼类繁殖季节为5～7月。因此，根据上述各种过鱼对象的繁殖季节分析，确定本鱼道的主要过鱼季节为4～7月，考虑在少数水温偏高的年份横口裂腹鱼繁殖季节较早，在鱼道设计中应保障3月份具有正常运行的能力。

4.1.3 设计水位差

根据电站调度运行规划，水库在3～7月平均运行水位见表2。依据鱼道进出口布置的技术要求，须保证一定的水深要求，结合厂房最低尾水位4 287.6m，初拟设计水位差23m。

表2 某河水电站3～7月水库平均水位

4.1.4 设计流速

由于某水电站地理位置偏远，经济发展落后，当地鱼类本底资料十分匮乏，相关鱼类游泳能力的研究工作开展较少，此次设计采用VIDELER[17]在1993年提出了鱼类游泳速度的经验公式，根据过鱼对象个体大小，确定鱼道设计流速控制在0.8～1.5m/s范围内。

4.2 鱼道型式选择

横口裂腹鱼和锥吻叶须鱼均属于高原冷水性鱼类，个体较小，根据本文前面对各种鱼道型式的比较分析，推荐采用竖缝式鱼道。

4.3 鱼道结构尺寸

某河流竖缝式鱼道主要结构尺寸如图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。图1 鱼道尺寸示意

4.4 鱼道进出口布置

4.4.1 进口布置

为利用电站泄水诱鱼，鱼道进口布置在泄水明渠下游约300m处，进口轴线与河道中心线小角度相交，为了能适应3月末～7月的坝下水位变化，使进口处水深达到1.00m以上，根据厂房最低尾水位为4 287.60m，推算至鱼道进口最低水位为4 286.60m，确定鱼道进口底板高程为4 285.50m；据厂房正常尾水位为4 288.46m，推算至鱼道进口最高水位为4 287.46m，确定鱼道进口边墙顶高程为4 288.00m，进口断面尺寸为2.00m×2.50m(宽×高)。

4.4.2 出口布置

水库3 ～7月的运行水位为4 312.5～4 310.4m，消落深度为2.1m，若采用一个出口，鱼道过流能力较大，对电站造成较大的经济损失，且鱼道出口流速较大，不利于鱼类上溯至水库，故在高程4 309.5m和4310.8m处分别设置一个鱼道出口。

4.5 鱼道辅助设施

诱鱼设施：在距鱼道进口125.00m处鱼道边墙上埋设一根φ50mmPVC诱鱼喷水管，通过边墙引至鱼道进口边墙上，形成喷射水流，诱使鱼类进入鱼道。将鱼道进口至下游约100m范围内的河道清理到4 284.50m，两侧抛投大块石，束窄原河床宽度，加快水流流速以利于鱼类发现鱼道入口。

观测设施：在鱼道出口处左侧设置观测室，用来观查鱼类的洄游情况，观测室净尺寸为7.00m×3.50m(长×宽)。观测室配备观测计数设备、灯光、录像设备等，观测计数设备拟采用超声波探测成套设备。

防护设施：为防止鱼类跳出鱼道，避免杂物从鱼道两侧落入鱼道，同时对人员起到安全防护作用，在鱼道槽身顶部采用钢筋防护网，钢筋采用φ6，网格间距0.05m×0.05m。

闸门防冻设施：由于鱼道位于高原寒冷地区，出口处闸门冬季需挡水，且有运行要求，所以必须设置防冰冻设施。冬季不运行时，出鱼口前铺设聚苯乙烯泡沫塑料板以防止静冰压力直接作用在闸门上；冰冻期工作时，先利用自融冰门槽融冰并取走出鱼口前铺设的聚苯乙烯泡沫塑料板后，才能启闭闸门。

5 展 望

20世纪60～70 年代，我国先后修建了40 多座鱼道，但所建鱼道目前普遍利用率不高，部分鱼道甚至已经弃而不用。为了维护河流生态的完整性，保护珍稀鱼类资源，十分有必要对鱼道的设计、建设以及运行管理等方面开展更加深入的研究。

(1)由于鱼类生态习性的多样性和复杂性，鱼道设计必须让更多的生物学家参与进来，只有更深入的了解了鱼类的习性及游泳能力等生态资料，鱼道才能更好地满足鱼类的需求。

(2)在学习及了解国外鱼道建设成功经验的同时，也应当比较研究更适合国内鱼种的鱼道设计原则与方法，如果只是照搬国外的标准进行鱼道设计施工，其过鱼效果一般不甚理想。

(3)针对已建的工程应当积极开展后续研究，加强跟踪观测，总结所建设鱼道的优点和不足，对有缺陷的工程考虑进行改善，已建鱼道的优点可作为以后建设鱼道的宝贵的经验。

(4)由于没有成熟的理论和方法，目前对鱼道的规划设计还比较粗略，应当加强行业内的技术交流，尽快解决鱼道设计上的技术难题，形成一部完整的鱼道设计方法或标准。

参考文献：

[1] 张国宝.中国水电百年：总装机容量突破2亿kW[N].科技日报，2010.08.27.

[2] N.Rajaratnam and C.Katopodis.Hydraulics of vertical slot fishways[J].Journal of Hydraulic Engineering,ASCE,Vol.112,1986.

[3] Daniela Guzzon Sanagiotto，竖缝式鱼道流速和水力紊动特性研究[R].水电2006 国际研讨会.

[4] Larinier M,Travade F,Porcher J P.Fishways:biological basis,design criteria and onitoring[M].Bull.Fr.PêchePiscic.,2002.

[5] 杨宇.鱼道的生态廊道功能研究[J].水利渔业，2006(3).

[6] 戚印鑫.鱼道流量系数的试验研究[J].中国农村水利水电，2010(1).

[7] 徐体兵.竖缝式鱼道水流结构的数值模拟[J].水利学报，2009(11).

[8] 董志勇.同侧竖缝式鱼道水力特性及放鱼试验研究[J].水力发电学报，2008(12).

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[10] 孙双科.北京市上庄新闸竖缝式鱼道的水力设计研究[R].水电 2006 国际研讨会.

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[17] Videler J J.Fish Swimming[M].London,UK Chapman & Hall，1993.