仿自然型鱼道进出口布置试验研究

，，，

(长江科学院 水力学研究所， 武汉 430010)

1 研究背景

修建的大坝等水利设施切断了河流的连续性，改变了鱼类栖息地的环境(如水位、流量、水温等)，阻碍了鱼类的洄游通道，甚至导致某些溯河洄游鱼类种群的灭绝[1-2]。为保护河流渔业资源和水生态环境, 维护生态平衡，过鱼设施的研究与建设变得十分重要。

鱼道是人工修建的供鱼类等生物通过水闸、大坝等障碍物的人工水槽或水道。原始的鱼道是开凿河道中的礁石、急滩等天然障碍以沟通鱼类的洄游路线，直到100 a前才有了近代的鱼道设计。1909—1913年间，比利时工程师丹尼尔设计了著名的“丹尼尔型鱼道”[3]，之后相继出现了水池型鱼道、槽型鱼道、隔板型鱼道等。这些鱼道都是以通过某种主要经济鱼类或珍稀鱼类为目的，比如美国大西洋鲑鱼、鳟鱼，法国西鲱鱼和日本香鱼等[4]。从运行实践看，对于某些特殊鱼类(珍稀鱼类、经济鱼类)的过坝问题，有很多传统鱼道取得了不错的效果。但是，为了解决更多鱼类过坝的问题，上世纪70年代，Katopodis等[5]首次提出仿自然型鱼道(Nature-like Fishway)的概念。仿自然型鱼道设计灵活，采用天然漂石、沙砾、木头等尽可能地模拟天然河流的水流形态，水流条件更为鱼类所熟悉，故而具有较高的过鱼效率。自问世以来，其在德国、瑞典、日本等国得到较多的实践应用。Komura等[6]研究了漂石的布置位置对水流特性的影响； Acharya等[7]通过模型试验研究了不同形状加糙元件的布置间距对水流流态的影响，提出了加糙元件的布置间距范围；Acharya等还提出在空间位置允许的情况下，仿自然型鱼道比其他传统鱼道更适合布置在中低水头水利枢纽处；1996年和2002年德国水资源与国土开发协会和联合国粮农组织分别对仿自然型鱼道的设计方法提出了德文版和英文版的设计导则[8]。国内、外一般在较低工作水头的水利设施中使用仿自然型鱼道，如Liard Highway culverts工程只有几十厘米水头，加拿大马尼托巴湖的Minnedosa Dam工程和德国的Rhine River工程水头稍大，分别为5 m和9 m[5]。但是在较大工作水头情况下布置仿自然型鱼道的情况鲜有研究。

2 仿自然型鱼道的类型及特点

仿自然型鱼道大致可分为2种不同的形式：水池浅滩型鱼道和加糙坡道型鱼道[5，7]。

水池浅滩型鱼道是梯级的构造形式，由陡峭的短渠或是低堰联结长且平坦的水池组成(见图1)。浅滩处的水深较浅，流速较大，而水池内则恰好相反，2个相邻水池水位差异越大，则水池间的浅滩处的流速越大。为了鱼类的成功上溯，浅滩处的流速需要小于鱼类的突进速度，水池内的水流应相对平静且流速应在鱼类持续速度范围内。水池浅滩型鱼道长度较长，可顺直亦可弯曲，还可以在河道岸边或是中心岛上开凿旁路水道，模拟天然河流。

图1 水池浅滩型鱼道示意图Fig.1 Plan view and profile of pool and riffle fishway

加糙坡道型鱼道由一个长的斜槽构成(见图2)。坡道的坡度和长度受鱼类耐久式游泳能力的限制，需要在坡道中每隔一段距离添加一个休息池。休息池可以是人工弯道的静水区或是在斜槽内布置大型天然漂石所形成的低流速区。根据漂石的码放方式可分为规则码放的嵌石结构、松散码放的堆石结构和漂石交错布置结构。规则码放时，漂石紧密相嵌，结构稳固，抵抗水流剪切的效果好，其底坡可适当大些；漂石松散码放时，水流结构更加丰富，但是抗冲刷能力相对较弱，底坡应适当小一些；漂石交错布置时，在坡面上形成数量众多大小不一的水潭，以模拟天然河道多变的水流条件[8]。

图2 加糙坡道型鱼道示意图Fig.2 Plan view and profile of rocky ramp fishway

上述2种类型的仿自然型鱼道的布置形式不同，但是具有一定的相同点：①就地取材，尽可能地模拟天然河流的水流形态；②适合各种鱼类自由上溯和降河，过鱼效率高且具有生态廊道功能；③占用面积大，需要有合适的地形，在低水位时，容易干涸，需底床封闭[9]；④为了防止洪水、冰冻以及其它极端条件的破坏，需要保持结构完整、稳定，因此，建造费用低，维护费用稍高。

3 仿自然型鱼道的试验研究

3.1 现场概况

最近，我国长江某段拟将建设一座低水头径流式水电站，该水电站坝轴线长约1 900 m，沿坝轴线从左至右布置有弃渣回填平台、双线船闸、左汊溢流坝、左汊电站厂房(6台发电机组)、鱼道、连接土石坝、右汊电站厂房(6台发电机组)、右汊溢流堰及右汊连接坝段等。电站厂房位于河床中A岛上(见图3)。A岛近坝端形成突咀，左汊的水深较右汊浅，过水断面比右汊宽。该工程拟将采用具有自然特征的水道型式的过鱼设施，其主要建筑物由进鱼口段、仿自然型河道段、出鱼口段、观测室和节制闸门及辅助设施等组成，并将仿自然型河道沿A岛岸坡布置。上游最高过鱼水位为196.0 m，最低过鱼水位为191.5 m，水位变幅为4.5 m；下游最高过鱼水位为182.9 m，最低过鱼水位为172.5 m，水位变幅为10.4 m；上下游最大水位差23.5 m。最小过鱼流量和最大过鱼流量分别为2 340 m3/s和20 000 m3/s左右。

图3 A岛上下游流速测点布置图Fig.3 Distribution of velocity measurement points in the upstream and the downstream of island A

根据该水电站工程所在江段附近渔获物调查表明：通过该工程所在江段的鱼类主要包括四大家鱼等大型经济鱼类，及圆口铜鱼、长鳍吻鮈、岩原鲤、长薄鳅、红唇薄鳅、白鲟等珍稀鱼类。产漂流性卵类群和急流中产强黏性卵类群占到该江段洄游鱼类的一半以上。这些鱼类中大部分均适应激流生境，栖息水层分布较广，从底层深槽到中上层水深均有分布。各种鱼类的最早产卵时间在3月下旬，最迟产卵时间在7月中旬，考虑到鱼类从该电站下游上溯至产卵场需要一定的时间和珍稀特有鱼类发育成幼鱼或亚成鱼上溯至上游等因素，过鱼设施的运行时间，初步拟定在3月上旬开始，8月结束，过鱼历时6个月。根据部分文献统计表明[8，10]，仿自然型鱼道最大流速一般不允许超过2 m/s，鱼类用侧线、内耳和神经丘来感应水流流动，各种鱼类最低感应流速大多在0.2 m/s左右。

3.2 模型设计及试验方法

本试验是在正态水工整体模型上进行的，模型按重力相似准则设计，几何比尺为100。模型模拟坝轴线上游地形长度为4.5 km，下游为地形长度6.5 km，高程210 m以下的河道地形。模型地形由水泥砂浆制作，电厂及泄洪坝段采用有机玻璃制作。采用电磁流量计进行流量测量，上、下游水位利用测针进行水位观测，流速采用旋桨流速仪测量。

通过鱼道整体模型，对下泄不同流量以及同级流量时电站不同调度方式下A岛左、右汊岸坡附近等部位的流态、流速分布等水力特性进行了试验研究，以获得仿自然型鱼道进、出口附近的水流特性，为进、出口的布置提供依据。

3.3 试验内容

研究内容主要包括不同下泄流量及相同流量、电站不同调度方式下，鱼道进、出口附近水流流态及流速分布。试验工况见表1。

表1 模型试验工况Table 1 Model test cases

流速测点布置：下游A岛左汊布置12个测点断面，右汊布置11个测点断面，上游左右汊各3个测点断面。测点具体布置方案见表2，布置图见图3。

表2 流速测点布置方案Table 2 Distribution of velocity measurement points

注：坝轴线桩号为0+00.0 m，各流速测点断面与上下游A岛边坡的交点与坝轴线的直线距离为该流速测点断面的桩号，坝轴线上游为负，下游为正。

3.4 试验成果

3.4.1 流 态

工况1(流量为2 300 m3/s，左汊5#和6#机组发电)条件下，上游水库水位非常平稳，水流顺A岛左岸平顺地进入电站。水流出电厂后，在桩号0+188.21 m的A岛左侧边坡附近形成横向水流。桩号0+188.21 m断面之后，水流逐渐调整为顺A岛边坡向下，在桩号0+310.0至0+650.0 m范围内，水流贴坡而行，流经桩号0+650.0 m断面后，水流由于惯性作用，继续顺直线边坡的方向向下，因此，主流逐渐偏离了A岛，并在桩号0+660.0 m断面附近水流到达下游河床的左岸，然后顺左岸深槽向下。工况2和工况1相比，水流在桩号0+210.0至0+420.0 m范围更为顺直，在桩号0+540.0 m断面附近直达岸坡。

随着发电机组从2台增加到12台时，下泄总流量逐渐也从2 300 m3/s增加到14 400 m3/s，A岛左右两汊流态基本相似，即水流出电厂后，在桩号0+180.0至0+320.0 m断面内进行调整，在桩号0+420.0至0+760.0 m断面范围内顺坡而行，然后左汊的主流逐渐偏向左侧，右汊的主流逐渐偏向右侧。

在工况15(流量为20 000 m3/s，左右汊共12台机组发电且左汊溢流坝控泄5 600 m3/s)条件下，右汊电厂下游流态基本和以上类似，但由于下泄水流的作用，左汊全程表现为顺A岛左侧岸坡下行。

3.4.2 流 速

鱼道进口部位：在工况1(流量为2 300 m3/s，左汊5#和6#机组发电)条件下，断面0+312.16至0+763.41 m范围内流速较大，分布也较均匀，均在3.2 m/s左右，断面0+892.82 m之后，流速<2 m/s，断面0+1 092.82至1 684.54 m范围内流速减小明显，测点流速均<1.0 m/s；工况2和工况1相比，水流在断面0+427.32至0+763.41 m范围内各测点的流速更大，最大流速约4.15 m/s。工况10时，平均流速>2.0 m/s的断面为右汊的0+313.92至0+540.76 m断面，左汊的0+312.16至0+763.41 m断面，左右两汊最大流速均约为2.6 m/s。左汊断面0+892.82 m、右汊断面0+684.65 m之后，流速均<2 m/s。

左汊随着发电机组从2台增加到6台时，流速≤2 m/s的断面逐渐从断面0+892.82 m之后移动到断面0+1 550.54 m之后。相同情况下右汊流速≤2 m/s的断面逐渐从断面0+684.65 m之后移动到断面0+1 077.19 m之后。

鱼道出口部位：测点流速在下泄流量<9 600 m3/s时 ，测点平均流速基本均<0.5 m/s，流量>14 400 m3/s 时，流速均大于0.5 m/s。且相同流量条件下，越靠近上游，流速越小，且左汊流速大于相同断面右汊流速。

3.4.3 放鱼试验

本试验采用体长10 cm、体宽2.5 cm左右的红色金鱼进行试验。在A岛下游河道最窄断面释放试验鱼，在下游经短暂的适应与休息后，试验鱼开始自主上溯，并呈多排交叉前进。当上行至A岛尾部附近断面时，试验鱼左右徘徊，时上时下，停留较长时间。右汊水深较大，进入右汊的试验鱼沿着右岸岸坡，较快的上行至0+684.65 m断面附近。左汊A岛尾部附近水深较浅，试验鱼行至此处时，逐渐绕行，呈斜线循着左汊主流缓慢前进，逐渐绕行至左汊深槽中，有的甚至绕行至左岸的引航道口门区附近。为确保鱼类顺利找到进鱼口，左汊应设置诱鱼和拦鱼设施，或是在进口附近采用相对较大的底坡，适当增大流速，提高诱鱼效果。

综上所述：不同下泄流量下A岛两汊的流态基本相似，波动较小；在仅有左右汊电站尾水出流且流量相同情况下，电站尾水在尾水渠坡顶线与A岛突咀上游两汊边坡之间夹角区域均出现局部大流速区；相同下泄流量下，左汊的水深较右汊浅，过水断面比右汊宽。因此，同断面相比，流速分布基本类似；发电机组数量相同时，发电机组越靠近岸边，水流受A岛边坡的影响越小，较大流速的范围越向下游移动。

结合通过该工程所在江段的过鱼对象的生物学习性可知，各种鱼类最低感应流速大多在0.2 m/s左右，仿自然型鱼道最大流速不能超过2 m/s。对比分析各工况，工况10(流量为7 200 m3/s，左汊4#-6#、右汊1#-3#机组发电)既满足一定的发电要求，同时坝上游流速较小，下游A岛两汊岸坡附近流态平稳，流速在0.2～2 m/s范围内的区域较大，故而电站如此运行适宜鱼类寻找鱼道进口。工况10坝下游流场图见图4。

图4 工况10坝下游流场图Fig.4 Flow field in the downstream of dam in case 10

坝下游，A岛左汊断面0+892.82至0+1 550.54 m，右汊断面0+684.65至0+1 077.19 m，流态平稳，坡脚处流速较小，流速为0.2～1 m/s；远离坡脚时，流速逐渐增大，但水流流速均小于2 m/s。断面的流速分布不均匀，反而有利于鱼类的休息与通行，结合过鱼试验并考虑经济因素确定进鱼口适合布置在这2个范围内，但在左汊需设置拦鱼和诱鱼设施。坝上游，左汊断面0-757.31至0-956.99 m，右汊断面0-1 020.89至0-1 162.79 m，水流平稳，流线顺直，且流速较小，在这2个范围内可布置鱼道出口。鱼道进、出口推荐布置位置见图5。

图5 仿自然型鱼道进、出口位置布置方案图Fig.5 Layout of entrance and exit of nature-like fishway

4 结 语

仿自然型鱼道进出口附近水流条件如何直接影响鱼道的正常运行，而进出口附近的水流条件与电站的运行方式和进出口的位置关系密切，通过整体模型试验，得到该工程鱼道进出口附近水流条件的影响因素和适宜位置，结论如下：

(1) 在较大工作水头的水利枢纽处布置仿自然型鱼道，需要合理安排电站的运行方式和鱼道的进出口位置；鱼道进、出口应适应水库水位变化，进口附近需设置拦鱼和诱鱼设施，出口宜布置在水库回水区末端附近，以免过坝鱼类受到闸坝工程的不利影响。

(2) 该工程不同下泄流量及相同下泄流量、枢纽不同运行方式，对鱼道进、出口附近水流的水力学特性影响较大，尤其是流速分布。

(3) 该工程鱼道进口能被大部分过坝鱼类所察觉并找到，对于喜欢在中下层洄游的大中型鱼类，效果更佳。

(4) 该工程由于河道较宽，在过鱼季节上下游水位变幅较大，且A岛两汊水流条件类似，故建议在A岛两汊(进口范围：左、右汊范围分别为桩号0+900.00至0+1 600.00 m和桩号0+700.00至0+1 100.00 m，出口范围：左、右汊范围分别为桩号0-760.00至0-950.00 m和桩号0-1 030.00至0-1 160.00 m)均布置多个鱼道进、出口。

参考文献：

[1] 刘志雄，周 赤，黄明海.鱼道应用现状和研究发展[J].长江科学院院报，2010，27(4)：28-35.(LIU Zhi-xiong, ZHOU Chi, HUANG Ming-hai. Situation and Development of Fishway Research and Application[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2010,27(4):28-35.(in Chinese))

[2] 杨军严.初探水利水电工程阻隔作用对水生生物资源及水生态环境影响与对策[J] .西北水力发电，2006，22(4)：22-29.(YANG Jun-yan. Discussion on Obstruction of Hydraulic Engineering on Aquatic Resources and Aquatic Ecology and the Countermeasures[J].Journal of Northwest Hydroelectric Power,2006,22(4):22-29.(in Chinese))

[3] 南京水利科学研究所.鱼道[M] .北京：电力工业出版社，1982.(Nanjing Hydraulic Research Institute. Fishway[M] .Beijing: Electric Power Industry Press, 1982.(in Chinese))

[4] 曹庆磊，杨文俊，周良景.国内外过鱼设施研究综述[J] .长江科学院院报，2010，27(5)：39-43.(CAO Qing-lei, YANG Wen-jun, ZHOU Liang-jing. Review on Study of Passing Facilities for Fishes at Home and Abroad[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2010, 27(5):39-43.(in Chinese))

[5] KATOPODIS C, KELLS J A, ACHARYA M. Nature-Like and Conventional Fishways: Alternative Concepts? [J].Canadian Water Resources Journal, 2001, 26(2): 211-232.

[6] KOMURA S, KAZUSA S, HARA T. Naturally Shaped Fishway of the Nagara River Estuary Barrage[C]∥Proceedings of the 2nd International Symposium on Habitat Hydraulics, Quebec, Canada. June 1-5,1996: B855-B860.

[7] ACHARYA M, KELLS J A, KATOPODIS C. Some Hydraulic Design Aspects of Nature-Like Fishways [C]∥Proceedings of the Joint Conference on Water Resource Engineering and Water Resources Planning and Management, Minneapolis, Minnesota, United States. July 30-August 2, 2000: 1-10.

[8] 孙双科，张国强.环境友好的近自然型鱼道[J].中国水利水电科学研究院学报， 2012，10(1)：41-47.(SUN Shuang-ke, ZHANG Guo-qiang. Environment-friendly Fishway in Close-to-nature Types[J]. Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research, 2012, 10(1) :41-47.(in Chinese))

[9] 陈凯麒，常仲农，曹晓红，等.我国鱼道的建设现状与展望[J].水利学报，2012，43(2)：182-188.(CHEN Kai-qi, CHANG Zhong-nong, CAO Xiao-hong,etal. Status and Prospection of Fish Pass Construction in China[J] . Journal of Hydraulic Engineering, 2012, 43(2): 182-188.(in Chinese))

[10] 史 斌，王 斌，徐 岗，等.浙江楠溪江拦河闸鱼道进口布置优化研究[J].人民长江，2011，42(1)：69-71.(SHI Bin, WANG Bin, XU Gang,etal. Research on Optimization of Fishway Entrance of Sluice on Nanxi River in Zhejiang Province[J]. Yangtze River, 2011, 42(1): 69-71.(in Chinese))