鱼道水力特性研究现状综述

2023-01-11吕春玮王正君赵兴龙叶昆河

水利科学与寒区工程 2022年4期

吕春玮，韩雷，王正君，赵兴龙，叶昆河

(1.黑龙江大学水利电力学院，黑龙江哈尔滨 150080；2.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江哈尔滨 150080)

为了充分利用水能资源并满足发电、灌溉、航运等需求，在河流上建设水利工程，如大坝、堤堰、水闸等。其中修建大坝和堤堰等工程会将河流拦腰斩断，导致河流形成了非连续性的特征，破坏了原有的连续性规律，造成一系列的生态危机。为弥补水利工程对生态系统所带来的影响，会依据水利工程自身的情况与所处的水生环境建设鱼道，所以鱼道的正常运行是恢复河流纵向连通性的重要技术手段之一。因此，依据对鱼道的研究状况，提高鱼道的运行效率，对恢复河流的生态系统有着重要意义。

1 鱼道的基本情况

鱼类洄游是鱼类迁徙的主要形式，它使生物内部的基因可以进行彼此沟通,从而保护了生物的多样性，具有重要的生态意义[1]。鱼类的栖息地是河流生态系统的重要组成部分[2]。人为造成的障碍使鱼类不能进行正常的迁徙活动，对鱼类的栖息地造成破坏。对于河流的改造会造成原有的水深、水温、流量、水质、河流形态等物理环境发生变化，也会影响鱼类的迁徙行为。生境破碎化会对生态系统造成负面影响[3]。因此如何恢复鱼类的洄游通道是水利工程中必须要考虑的问题之一。

在河流上修建大坝、低堰等水利工程，会导致河流生态系统在不同程度上的退化，尤其是对鱼类的洄游行为进行阻碍，倘若不解决这一问题，对于濒危的洄游性鱼类无疑是毁灭性打击。目前的解决方案是建造过鱼设施，过鱼设施主要种类有鱼道、鱼闸、升鱼机和集运渔船以及其他诱鱼、导流等附属设施，鱼道适和较低水头大坝，鱼闸和升鱼机适用于高水头水利枢纽，集运渔船可以穿过梯级大坝。每种过鱼设施仅针对相应的种类有效，要达到较全面的保护，还需要与其他就地和迁地保护措施相结合[4]。其中鱼道是应用时间最长、范围最广的过鱼建筑物。修建鱼道的目的是协助鱼类通过河流上的障碍物，恢复鱼类的迁徙行为，弥补水利工程对于河流生态环境的负面影响，维持河流的生物多样性。

鱼道工程建设的成功与否是河流生态系统健康的评价指标之一，同时也是水利水电工程环境影响评价中生态环境保护的主要评价指标。

2 国内外鱼道发展历程

1662年法国贝阿尔恩省颁布了法律，要求在堰坝上修建供鱼过坝的道路。但在20世纪之前没有建立在科学基础上的尝试与探索。到1909年，Denil发表了一篇介绍由其自主研发的新型鱼道的论文，它建立在科学的理论基础之上，这一新型鱼道被称为丹尼尔式鱼道，并得到了广泛应用，例如在瑞典的Hurting Power大坝、华盛顿州的Dryden大坝、美国中部得梅因河均有修建。在1937—1938年，在哥伦比亚河的帮维尔坝上建设了过鱼设施，它使用了大量的诱鱼水流和多个进口的集鱼系统，尤其是关于成年鲑鱼的设计非常成功。1939年、1940年，McLeod和Nemenyi等研究了鱼道与鱼类行为之间的关系。在此之后，人们逐渐认识到鱼道问题的复杂性，进行了关于鱼道的通行效率的大量基础性研究。1959年在育空河大坝上修建的堰式鱼道开始运行，Orsborn于1985年报导了为太平洋鲑鱼过坝而设计、具有新型挡板的堰式鱼道的试验。1994年，澳大利亚对于过鱼情况不佳的池堰式鱼道进行改造，使其在过鱼种类、数量上均有提升，改造后的鱼道为新型垂直竖缝式鱼道。目前国外建设的鱼道的实例有美国的北汉坝鱼道、帕尔顿鱼道、伊泰普水电站鱼道、加拿大鬼门峡鱼道等。距今加拿大已建鱼道超过240座，英国超380座，法国超500座，波兰超50座，日本超11 000座，澳大利亚超70座[5]。国外早期修建的鱼道主要过鱼对象是鲑鱼、鳟鱼等经济性鱼类，但近年来过鱼对象的种类逐渐增多，小型、非经济性鱼类也会在设计时考虑进去[6]。

国内对于鱼道的研究始于20世纪60年代，它的发展历史可以总结为三个阶段：初步发展期(1958—1983年)、停滞期(1984—2001年)和第二次发展期(2002年—至今)[6]。初步发展期始于计划开发富春江七里垅电站的时候，开始涉足鱼道，并进行了一系列的研究[7]，这一时期建设的鱼道以模仿欧美、日本的鱼道类型为主，至20世纪80年代，大约建设了40座鱼道，洄游鱼类主要是鳗鱼、青蟹和四大家鱼，部分鱼道在建设初期运行效果不错，例如浏河闸处的鱼道、洋塘鱼道。停滞期有不少人认为长江上四大家鱼的产卵点达36处，而葛洲坝只使一处消失，不会影响长江上的鱼类资源，以及当时还没有几个可以同时使四大家鱼长久顺利通过的鱼道等原因，导致最后通过兴建增殖放流站方式来缓解中华鲟等珍稀动物的洄游问题，在这一时期之前建设的鱼道，部分因缺少后期维护，遭到废弃，但根据后期的调查资料显示在葛洲坝三个船闸的下游是鱼类积聚最多的区域，因此兴建增殖放流站的方式并不能完全缓解任何鱼的洄游问题[8]。进入21世纪以来随着人们对于生态环境保护问题的关注，以及水利工程的大量兴建，对于鱼道的研究也重新得到重视，步入第二次发展期，同时水法、渔业法等规定在河道上建设挡水建筑物需同步建设过鱼设施，修建了长洲水利枢纽鱼道、藏木水电站鱼道、老龙口水利枢纽鱼道、石虎塘航电枢纽鱼道、丰满水电站永庆反调节水库仿自然鱼道等，同时也制定了与鱼道建设相关的设计规范，为后续的鱼道建设、运行维护提供理论支持。

3 鱼道的研究现状

3.1 鱼道的结构类型

鱼道按其结构型式，可分为仿自然式、隔板式、槽式等。具体情况如下：

(1)仿自然式鱼道。是具有自然特征的旁路水道，是一种利用天然河道中的石头、砂砾等模仿自然河流建造在工程周围的洄游通道，一般坡度为1%～5%[9]。是目前处于中低水头情况下鱼道的发展方向之一。

(2)槽式鱼道。可分为简单槽式与丹尼尔式，其中简单槽式是一种连接上下游的水槽，适合于游泳能力强的鱼类，在工程中使用的较少；丹尼尔式鱼道的水槽内壁和底部，设置了间距很密的阻板与底坎，用以消能，适用于水头较小的水利枢纽。

(3)隔板式鱼道。分溢流堰式、淹没孔口式、竖缝式、组合式。其中，溢流堰式鱼道是指鱼翻过堰顶进行的洄游，特别适合于在河流表层活动和有跳跃习性的鱼类；竖缝式鱼道在水槽内部建造了多级水池，将隔板和导板布置在水槽的边壁与底板上，在各级池室的隔板与导板之间形成了一条条竖缝；淹没孔口式鱼道的过鱼孔是完全淹没在水里的, 比较适合于喜欢在水中层或底层游动的鱼类；组合式鱼道是以上三种形式鱼道的组合，综合了各种鱼道水力特性的优势，但结构较为复杂[10]。

在上述几种类型的鱼道中，竖缝式鱼道由于结构简单、适用能力强等优点，目前是应用最为广泛的鱼道类型。仿自然式鱼道由于它与自然环境的融合性好，具备生态廊道的功能，还可以同时实现洄游鱼类的上溯、下型，目前针对它的研究也多了起来。目前有些研究会将几种类型的鱼道结合起来构建新型的组合式鱼道，如井冈山航电枢纽工程鱼道采用的是竖缝式与仿生态式相结合的鱼道，对于两种类型鱼道的衔接处进行研究，保证流态稳定，鱼类可以顺利通过。

总之，在选取鱼道的类型时，应根据实际工程、过鱼对象、参照相似的工程经验去选取；位置选取应先保证过鱼效果，再去考虑如何降低预算，实现经济效益、生态效益的共赢；对于初步鱼道的设计还应进行结构优化，确保过鱼效率满足要求。

3.2 鱼类游泳能力

通过研究发现，假如使鱼道的水力学条件与鱼类的三个天然场所(产卵、取食、越冬)的各项指标相似，同时也令鱼道内的各种水流速度情况与所通过的鱼类游泳能力相匹配，从而使鱼类在这种鱼道内游泳时更加舒适，将满足上述条件的鱼道称为鱼类友好型鱼道[6]。因此鱼类游泳能力是鱼道设计中重要的参考指标。目前表征鱼类游泳能力的指标，有临界游泳速度、爆发游泳速度、持续游泳速度、耐久游泳速度以及感应流速等[11]。

Randall D J等[12]认为鱼类的临界游泳速度受环境影响，其中鱼类的临界游泳速度与水温之间呈“钟形”或“线形”关系。

Lupandin A I[13]研究了水流紊流对于鲈鱼临界游泳速度的影响，发现紊流增大会降低于鱼类的临界游泳速度，原因是紊流会使鱼类产生翻转，鱼类需要使用胸鳍来恢复自身的平衡，加大了面对的阻力以及自身的能量消耗，进而使鱼类游速降低。

房敏等[14]研究温度对于鲢幼鱼游泳能力的影响，试验用于体长为10.9～11.8 cm，体重为16.0～19.0 g，研究结果如下：在试验所设计的四种温度15 ℃、18 ℃、21 ℃、25 ℃下，鱼类相对临游速为5.30±0.32 BL/s、5.87±0.25 BL/s、6.17±0.16 BL/s、6.85±0.16 BL/s，临界游泳速度与温度呈正相关。由于水库集水后，水温在夏季会降低、冬季升高，因此一定要考虑水利工程建设后水温的变化情况，并由变化后的水温去设计鱼道或其他的过鱼设施。

曹平等[15]进行了鱼类游泳速度的试验研究，发现试验用鱼的体长增加，会使幼鱼的绝对爆发游速呈线性增长的趋势，相对爆发游速则呈线性减小的趋势，同时爆发游速与临界游速的差别越大，对于草鱼的游泳特性指标进行了补充，为相应的鱼道设计提供数据支持。

李志敏等[16]利用流速递增法对叶尔羌河厚唇裂腹鱼的游泳能力进行研究，实验用鱼体长为18.94±4.40 cm、体重为115.80±77.28 g，结果如下：鱼类感应流速为1.41±0.28 BL·s-1、临界游速为6.04±1.21 BL·s-1、爆发游速为11.41±2.79 BL·s-1；这三种游速会随着鱼类体长的增加而减少，这些结果可以为后续在叶尔羌河建立过鱼设施提供数据支持。

3.3 鱼道的水力特性试验研究

修建鱼道的目的是帮助鱼类进行洄游，除应了解鱼类的游泳能力外，还应使鱼道内部形成适合鱼类通行的水流流态、流速等方面的水力特性。国内外大都采用物理模型试验与数值模拟相结合的方式对于鱼道的水力特性进行研究，并经过不断改进鱼道的构造形式，来得到理想的流速和流态，使鱼道得到有效的利用[17]。

3.3.1 模型试验

模型试验就是按照一些相似准则，仿照原体实物，将原型缩成模型进行试验研究。想要了解原型的情况，只需让模型处在与原体相似的环境下进行观测记录以及分析研究，接着再按照相似准则推测出原型的情况，从而得出试验结论，对工程设计方案进行验证，提高安全性与合理性。对于鱼道，模型试验可以模拟它在实际运行时的水流情况，对于鱼道的水力特性进行研究，如若发现不符合鱼类通行的情况，可以及时进行结构优化，使其满足通鱼要求，进而避免在实际工程中造成资源浪费的情况。

Rajaratnametal等[18]采用物理模型试验对垂直槽鱼道结构类型进行研究，结果表明，当长宽比等于或接近10∶8时，池中的水流模式有利于鱼类的上游迁移。

刘本芹等[19]采用物理模型试验对于小长宽比池室条件下的隔板布置型式进行研究，结果表明：当横向导板的导流角为40°时，导板的长度应略小于鱼道宽度的1/4，对于较大的鱼道的底坡可以采用横隔板头部下游侧修圆的方式，使鱼道内的流速、流态满足鱼类顺着主流进行上溯的需求，给相似的鱼道建设提供经验借鉴。

徐进超等[20]利用整体的物理模型试验对仿自然鱼道的水力条件进行了研究，试验结果显示，在仿自然鱼道内的水流速受断面型式和材料的尺寸偏差等因素影响很大，尤其在鱼道的转弯段,由于弯道受偏移度影响，导致此处与直线段的水流流速不同，需要进一步验证，由于此种类型鱼道目前缺乏系统性的研究，这次研究可以为仿自然鱼道的设计提供参考。

李广宁等[21]通过物理模型试验对仿自然型鱼道的水力特性开展了研究，结果表明：将芦苇植物模块进行交错布置，鱼道内的流速可以得到有效控制，流态也适合鱼类的通行，同时鱼道的外观可以融合进自然环境，此次研究提出了一种新的鱼道类型，为后续与其相类似的鱼道研究提供参考。

何妙玲等[22]采用物理模型试验研究了单个池室竖缝宽度束窄对鱼道水力特性的影响，研究结果表明：随着束窄系数的减小，竖缝处的流速会以幂指数的形式增加,很容易形成流速障碍；对于以四大家鱼与高原裂腹鱼突进流速为判断依据,鱼道竖缝宽度的束窄范围适宜在16%～29%。为后续对于竖窄竖缝宽度的研究提供数据参考及建议。当有多个竖缝宽度竖窄时，相应的标准应提高并进行试验验证。

3.3.2 数值模拟

随着科学技术的发展，鱼道的水力学特性研究可以通过数值模拟方法进行，来解决水利工程中物理实验所不能代替的各类水力学问题，提高了鱼道的设计、优化效率。为保证采用数值模拟方法得到研究结论的正确性，通常需要依据现有模型试验或原型的运行数据，去进行建模，并开展模拟，如若得到的结果相同，则证明数值模拟的模型可以使用。

罗小风等[23]利用二维建模以及fluent软件，对鱼道导角和导板尺寸对鱼道内水流态的影响展开研究，研究结果显示：导角的大小对于竖缝射流的方向以及它的掺混强度有着决定性；导角越大,使主流的弯曲程度也越大,从而更早的冲撞边壁并且无法使用大部分空间，这一状况可以通过修改水池的长宽比来避免。当导板长度在规定范围内时，就基本不会对主流的流态形成影响,超出这个范围,主流会由于边壁的约束而无法掺混,从而会使流速整体增大。由于水流流态还受到池室长宽比等因素的影响，倘若要找到最优的结构型式，应结合所有的影响因素进行深入研究。

王猛等[24]采用雷诺应力(RSM)模型对同侧竖缝鱼道展开研究，结果表明:将圆柱形障碍物放置在池室中正对竖缝下游侧，会导致竖缝处流速梯度降低、紊动能及雷诺剪切力大致在20%～30%的范围内降低，水力特性更为平稳，从而能够适应更多鱼类的过坝需要，为今后的鱼道结构优化提供经验参考。

高东红等[25]采用3D CFD模型并利用fluent软件对鱼道的水力特性进行研究，结果表明：3D CFD模型可用于模拟复杂流场，鱼道内的流速与鱼类以特定游速向上游游动时的耗能存在着正相关关系，为今后的鱼道设计提供借鉴。

赵彬如等[26]通过数值模拟研究了竖缝位置对于竖缝式鱼道水力特性的影响，研究结果显示：竖缝处流速分布受竖缝位置的影响并不明显；竖缝位置21/B的适宜取值范围为0.5～0.7(1:竖缝心到池室右侧侧壁的距离，B：池室宽度)，池室内水流流态更为适宜，提高过鱼效率，对于目前影响竖缝式鱼道水力特性的影响因素进行补充。

朱澄浩等[27]通过三维数值模拟的方式研究了丹尼尔式鱼道隔板形式的改变对水力特性的影响，结果说明：将三角形的隔板断面改为半圆形，会减少鱼类在上溯时的物理伤害，而水池的表层和底层的流速也会增加；在隔板同侧增加5个方形孔会改善池室的水力特性，使中层和底层的流速减小；在隔板两侧交错布置方形孔，可能会使鱼迷失方向，为今后的鱼道设计提供参考。