鱼道相关研究进展

谢世奇 侯明瑞

(华北水利水电大学，河南 郑州 450005)

·水利工程·

鱼道相关研究进展

谢世奇 侯明瑞

(华北水利水电大学，河南 郑州 450005)

通过物理模型试验与鱼道的数值模拟，对国内外鱼道水力学研究中的关键问题进行了梳理，并在此基础上，对鱼道的生态设计进行阐述，以期明确鱼道研究的发展方向。

鱼道，水力学，生态

0 引言

人类为了兴利除害等目的对江河进行控制，通常的手段是在河流上修建各类闸坝构筑物，无论这些构筑物的尺度和形式如何，其共同特点是产生了对河流连续性的分割。河流连续性的分割必然对水中生物，特别是具有迁徙洄游等习性生物(以鱼类为代表)种群繁衍等造成重大影响。为了解决这一问题，欧洲较早进行了探索：例如法国于17世纪60年代颁布了有关规定，要求在各类坝、堰等建筑物中修建相应的鱼类通道。而真正将鱼道作为一项独立工程实施的，则是由比利时学者丹尼尔于1908年修建的被后人称为“丹尼尔鱼道”的减速型鱼道设施。此后，美国于1938年在其西部的哥伦比亚河上建成了集成大规模现代过鱼建筑物的集鱼系统。自此，鱼道设施作为一项重要的组成部分被纳入到各国的水库及闸坝工程中。之后，针对鱼道的相关科学研究也逐渐活跃起来。从鱼道研究的发展脉络看，主要经历了粗放式的鱼道结构形式设计和鱼道的水力学特性研究(包括物理模型试验及数值模拟)两个阶段，而在鱼道的生态设计则是近年来的一个新的发展方向。

1 鱼道的水力学特性研究

鱼类要顺利通过鱼道，需经过三个阶段，而在不同阶段则需要解决不同的水力学问题：首先，河流中的鱼需要找到鱼道入口，才能顺利进入鱼道系统，这是鱼道设施功能上要满足的最基本条件。为了满足这一条件，必须在鱼道进口处设计适宜的流速和流向，以引诱鱼类向鱼道进口方向游动。其次，当鱼进入鱼道池室后，一方面同样需要设计特定的流速以诱导鱼类顺利穿越各个池室；另一方面，对于较长的鱼道，还要利用水力学方法构造出流速较缓的回流区，以供鱼类暂时休息，否则鱼类可能因为体力消耗过多而长时间停留在鱼道池室中，无法完成穿越。第三，在鱼道出口，水力学要素则需要设计成与相应河段水流条件平顺连接，以避免鱼类在出口迷失方向。上述问题从研究手段上，则主要是通过物理模型试验及数值模拟进行量化研究。

1.1 物理模型试验

在计算机技术还未发展起来之前，物理模型试验作为主要的研究手段，一直以来都在鱼道研究中起着重要作用。J.H.Kim[1]对不同鱼道池室类型的水力学特性进行了试验，给出了鱼类向上游洄游时的鱼道优化设计方案。试验表明，对于带有凹口的矩形池室，“直通”型式比“之”字型式具有更稳定的流态并且可提供更大的供鱼类休息的区域。O.Yagci[2]则对池室中变尺寸的凹口(位于上侧)及恒定尺寸的孔口(位于下侧)的多种组合进行了试验，试验中采用两个多普勒流速仪对池中流速及标准化的紊动动能等水力学参数进行了精细测量；同时根据试验结果，还给出了流量与池内平均水深之间成线性关系的结论。José Maria等[3]对鲤科鱼类穿越不同型式的鱼道效果进行了试验研究并根据试验数据指出，更大比例的鱼类喜好从下部的孔口穿越而非上部的凹口，同时雷诺剪切应力是鱼类在鱼类游动行为中最重要的影响因素之一。国内的董志勇等[4，5]对竖缝式鱼道进行了较为系统的试验研究。通过对“同侧”及“异侧”两种类型鱼道的放鱼试验，对鱼道的流速分布、断面最大流速沿程衰减及同水深不同流量的流速分布等水力学参数进行了全面测量。曹庆磊等[6]利用三维超声波流速仪(ADV)对鱼道池室的流速数据进行了测量，试验发现鱼道池室中流速沿垂向的分量很小，且相同流量下，随着水深的增加流速有减小的趋势，而紊动能和雷诺剪切应力则有增大的趋势。

1.2 鱼道的数值模拟

随着计算机技术的发展，鱼道的水力学特性可以利用数值模拟技术进行仿真，可以大大提高鱼道的设计效率。Jerónimo Puertasa等[7]利用数值模拟方法开发了一个可用于分析鱼道效率的软件工具，该工具不仅可以用来分析已建成鱼道的功效，还可以被用来进行新型鱼道的设计。付小莉等[8]利用湍流数值模型对美国小鹅坝的可移动式泄洪堰鱼道进行了三维数值模拟，模拟证明了可移动式鱼道堰体具有一定的阻水作用。徐体兵等[9]对竖缝型鱼道的水流结构进行了数值计算，其研究内容包括了鱼道池室长宽比及隔板墩头形式对流态的影响等，该研究得出了长宽比在8∶8～10.5∶8之间时池室流态较好以及隔板墩头对水流结构影响有限的结论。黄明海等[10]则利用k—ε紊流数学模型对竖缝—潜孔的组合型式鱼道进鱼口进行了三维数值模拟研究，计算了池室的流速、涡量、紊动能等水力学参数并与经验值进行了对比，模拟结果给出了大流速及大涡量分别发生的位置，可以为这类鱼道设计提供有价值的参考。

2 鱼道的生态设计

与大坝工程不同，鱼道工程的作用对象是生物(鱼)，其本身的差异、习性及耐受性等对鱼道工程的设计提出了更高的要求。因此，只有修建符合鱼类特征，符合周边环境水文特点的生态型鱼道才能使其发挥最大效能。进行鱼道的生态设计需要遵循几个原则。首先是鱼道设计前必须针对不同的鱼类，深入了解其生态特征以及生活习性，例如：洄游的原因及时间(季节、昼夜)、游泳能力、水流感知力等。只有根据上述生物特征进行设计，才能达到鱼类的最佳水文水力条件的响应状态。其次，由于鱼类对于水文环境非常敏感，因此需要对工程周边区域的地理环境、河流径流量及涨落的水文特点、水温、含沙量、pH值等进行调查并将其应用到鱼道选址和选型等方面。此外，在弄清上述鱼类习性和水文环境特性的基础上，应拓宽鱼道的适应范围，例如，设计在不同时段可变化的流速和流向(即吸引流)以及修建多种类型的鱼道从而满足多种水生生物顺利穿越鱼道的需求。目前，鱼道的生态设计刚刚起步，Gary E.JOHNSON等[11]在澎溪河汉丰坝上溯型鱼道生态设计中进行了有益的尝试。

3 结语

随着对生态环境重视，工程的生态损失和生态效益越来越成为建设过程中必须考虑的问题。鱼道作为重要的生物补偿工程，虽然其出现时间较早，在相当长的一个时期其研究还主要集中在结构和水力学特性方面，但随着将鱼类本身的生态特点和生态效益纳入到鱼道研究和建设中来，鱼道的建设将进入一个新的发展阶段。

[1] J.H.Kim.Hydraulic characteristics by weir type in a pool-weir fishway[J].Ecological Engineering,2001(16):425-433.

[2] O.Yagci.Hydraulic aspects of pool-weir fishways as ecologically friendly water structure[J].Ecological Engineering,2010(36):36-46.

[3] José Maria Santosa,Ana Silva.Ecohydraulics of pool-type fishways:Getting past the barriers[J].Ecological Engineering,2012(48):38-50.

[4] 董志勇，冯玉平，Alan Ervine.异侧竖缝式鱼道水力特性及放鱼试验研究[J].水力发电学报,2008,27(6):126-130.

[5] 董志勇，冯玉平，Alan Ervine.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,2008,27(6):121-125.

[6] 曹庆磊，杨文俊，陈 辉.异侧竖缝式鱼道水力特性试验研究[J].河海大学学报(自然科学版),2010,38(6):698-703.

[7] Jerónimo Puertasa,Luis Ceaa.Computer application for the analysis and design of vertical slot fishways in accordance with the requirements of the target species[J].Ecological Engineering,2012(48):51-60.

[8] 付小莉，张小峰.移动式鱼道过流能力三维数值模拟[A].第九届全国水动力学学术会议暨第二十二届全国水动力学研讨会文集[C].2011:997-1003.

[9] 徐体兵,孙双科.竖缝式鱼道水流结构的数值模拟[J].水利学报，2009,40(11):1386-1391.

[10] 黄明海，周 赤，张亚利,等.竖缝—潜孔组合式鱼道进鱼口渠段三维紊流数值模拟研究[J].水力学与水利信息学进展,2009(12):212-218.

[11] Gary E.JOHNSON，William S.RAINEY.上溯型鱼道生态设计在中国澎溪河汉丰坝的应用[J].重庆师范大学学报(自然科学版),2012,29(3):16-23.

Research development of fishpass

Xie Shiqi Hou Mingrui

(NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450005,China)

According to the physical molding experiments and numeric simulation of fishpass, the paper combs the key problems in the research on the fishpass hydaulics at home and abroad, and illustrates the ecological design of the fishpass based on the previous points, so as to identify the development of the fishpass study.

fishpass, hydaulics, ecology

2015-03-08

谢世奇(1987- )，男,在读硕士； 侯明瑞(1988- )，女，在读硕士

1009-6825(2015)14-0213-02

S157.1

A