魚道相關(guān)研究進(jìn)展

謝世奇 侯明瑞

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450005)

·水利工程·

魚道相關(guān)研究進(jìn)展

謝世奇 侯明瑞

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450005)

通過物理模型試驗與魚道的數(shù)值模擬，對國內(nèi)外魚道水力學(xué)研究中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了梳理，并在此基礎(chǔ)上，對魚道的生態(tài)設(shè)計進(jìn)行闡述，以期明確魚道研究的發(fā)展方向。

魚道，水力學(xué)，生態(tài)

0 引言

人類為了興利除害等目的對江河進(jìn)行控制，通常的手段是在河流上修建各類閘壩構(gòu)筑物，無論這些構(gòu)筑物的尺度和形式如何，其共同特點(diǎn)是產(chǎn)生了對河流連續(xù)性的分割。河流連續(xù)性的分割必然對水中生物，特別是具有遷徙洄游等習(xí)性生物(以魚類為代表)種群繁衍等造成重大影響。為了解決這一問題，歐洲較早進(jìn)行了探索：例如法國于17世紀(jì)60年代頒布了有關(guān)規(guī)定，要求在各類壩、堰等建筑物中修建相應(yīng)的魚類通道。而真正將魚道作為一項獨(dú)立工程實(shí)施的，則是由比利時學(xué)者丹尼爾于1908年修建的被后人稱為“丹尼爾魚道”的減速型魚道設(shè)施。此后，美國于1938年在其西部的哥倫比亞河上建成了集成大規(guī)?，F(xiàn)代過魚建筑物的集魚系統(tǒng)。自此，魚道設(shè)施作為一項重要的組成部分被納入到各國的水庫及閘壩工程中。之后，針對魚道的相關(guān)科學(xué)研究也逐漸活躍起來。從魚道研究的發(fā)展脈絡(luò)看，主要經(jīng)歷了粗放式的魚道結(jié)構(gòu)形式設(shè)計和魚道的水力學(xué)特性研究(包括物理模型試驗及數(shù)值模擬)兩個階段，而在魚道的生態(tài)設(shè)計則是近年來的一個新的發(fā)展方向。

1 魚道的水力學(xué)特性研究

魚類要順利通過魚道，需經(jīng)過三個階段，而在不同階段則需要解決不同的水力學(xué)問題：首先，河流中的魚需要找到魚道入口，才能順利進(jìn)入魚道系統(tǒng)，這是魚道設(shè)施功能上要滿足的最基本條件。為了滿足這一條件，必須在魚道進(jìn)口處設(shè)計適宜的流速和流向，以引誘魚類向魚道進(jìn)口方向游動。其次，當(dāng)魚進(jìn)入魚道池室后，一方面同樣需要設(shè)計特定的流速以誘導(dǎo)魚類順利穿越各個池室；另一方面，對于較長的魚道，還要利用水力學(xué)方法構(gòu)造出流速較緩的回流區(qū)，以供魚類暫時休息，否則魚類可能因為體力消耗過多而長時間停留在魚道池室中，無法完成穿越。第三，在魚道出口，水力學(xué)要素則需要設(shè)計成與相應(yīng)河段水流條件平順連接，以避免魚類在出口迷失方向。上述問題從研究手段上，則主要是通過物理模型試驗及數(shù)值模擬進(jìn)行量化研究。

1.1 物理模型試驗

在計算機(jī)技術(shù)還未發(fā)展起來之前，物理模型試驗作為主要的研究手段，一直以來都在魚道研究中起著重要作用。J.H.Kim[1]對不同魚道池室類型的水力學(xué)特性進(jìn)行了試驗，給出了魚類向上游洄游時的魚道優(yōu)化設(shè)計方案。試驗表明，對于帶有凹口的矩形池室，“直通”型式比“之”字型式具有更穩(wěn)定的流態(tài)并且可提供更大的供魚類休息的區(qū)域。O.Yagci[2]則對池室中變尺寸的凹口(位于上側(cè))及恒定尺寸的孔口(位于下側(cè))的多種組合進(jìn)行了試驗，試驗中采用兩個多普勒流速儀對池中流速及標(biāo)準(zhǔn)化的紊動動能等水力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了精細(xì)測量；同時根據(jù)試驗結(jié)果，還給出了流量與池內(nèi)平均水深之間成線性關(guān)系的結(jié)論。José Maria等[3]對鯉科魚類穿越不同型式的魚道效果進(jìn)行了試驗研究并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)指出，更大比例的魚類喜好從下部的孔口穿越而非上部的凹口，同時雷諾剪切應(yīng)力是魚類在魚類游動行為中最重要的影響因素之一。國內(nèi)的董志勇等[4，5]對豎縫式魚道進(jìn)行了較為系統(tǒng)的試驗研究。通過對“同側(cè)”及“異側(cè)”兩種類型魚道的放魚試驗，對魚道的流速分布、斷面最大流速沿程衰減及同水深不同流量的流速分布等水力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了全面測量。曹慶磊等[6]利用三維超聲波流速儀(ADV)對魚道池室的流速數(shù)據(jù)進(jìn)行了測量，試驗發(fā)現(xiàn)魚道池室中流速沿垂向的分量很小，且相同流量下，隨著水深的增加流速有減小的趨勢，而紊動能和雷諾剪切應(yīng)力則有增大的趨勢。

1.2 魚道的數(shù)值模擬

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，魚道的水力學(xué)特性可以利用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行仿真，可以大大提高魚道的設(shè)計效率。Jerónimo Puertasa等[7]利用數(shù)值模擬方法開發(fā)了一個可用于分析魚道效率的軟件工具，該工具不僅可以用來分析已建成魚道的功效，還可以被用來進(jìn)行新型魚道的設(shè)計。付小莉等[8]利用湍流數(shù)值模型對美國小鵝壩的可移動式泄洪堰魚道進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，模擬證明了可移動式魚道堰體具有一定的阻水作用。徐體兵等[9]對豎縫型魚道的水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值計算，其研究內(nèi)容包括了魚道池室長寬比及隔板墩頭形式對流態(tài)的影響等，該研究得出了長寬比在8∶8～10.5∶8之間時池室流態(tài)較好以及隔板墩頭對水流結(jié)構(gòu)影響有限的結(jié)論。黃明海等[10]則利用k—ε紊流數(shù)學(xué)模型對豎縫—潛孔的組合型式魚道進(jìn)魚口進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究，計算了池室的流速、渦量、紊動能等水力學(xué)參數(shù)并與經(jīng)驗值進(jìn)行了對比，模擬結(jié)果給出了大流速及大渦量分別發(fā)生的位置，可以為這類魚道設(shè)計提供有價值的參考。

2 魚道的生態(tài)設(shè)計

與大壩工程不同，魚道工程的作用對象是生物(魚)，其本身的差異、習(xí)性及耐受性等對魚道工程的設(shè)計提出了更高的要求。因此，只有修建符合魚類特征，符合周邊環(huán)境水文特點(diǎn)的生態(tài)型魚道才能使其發(fā)揮最大效能。進(jìn)行魚道的生態(tài)設(shè)計需要遵循幾個原則。首先是魚道設(shè)計前必須針對不同的魚類，深入了解其生態(tài)特征以及生活習(xí)性，例如：洄游的原因及時間(季節(jié)、晝夜)、游泳能力、水流感知力等。只有根據(jù)上述生物特征進(jìn)行設(shè)計，才能達(dá)到魚類的最佳水文水力條件的響應(yīng)狀態(tài)。其次，由于魚類對于水文環(huán)境非常敏感，因此需要對工程周邊區(qū)域的地理環(huán)境、河流徑流量及漲落的水文特點(diǎn)、水溫、含沙量、pH值等進(jìn)行調(diào)查并將其應(yīng)用到魚道選址和選型等方面。此外，在弄清上述魚類習(xí)性和水文環(huán)境特性的基礎(chǔ)上，應(yīng)拓寬魚道的適應(yīng)范圍，例如，設(shè)計在不同時段可變化的流速和流向(即吸引流)以及修建多種類型的魚道從而滿足多種水生生物順利穿越魚道的需求。目前，魚道的生態(tài)設(shè)計剛剛起步，Gary E.JOHNSON等[11]在澎溪河漢豐壩上溯型魚道生態(tài)設(shè)計中進(jìn)行了有益的嘗試。

3 結(jié)語

隨著對生態(tài)環(huán)境重視，工程的生態(tài)損失和生態(tài)效益越來越成為建設(shè)過程中必須考慮的問題。魚道作為重要的生物補(bǔ)償工程，雖然其出現(xiàn)時間較早，在相當(dāng)長的一個時期其研究還主要集中在結(jié)構(gòu)和水力學(xué)特性方面，但隨著將魚類本身的生態(tài)特點(diǎn)和生態(tài)效益納入到魚道研究和建設(shè)中來，魚道的建設(shè)將進(jìn)入一個新的發(fā)展階段。

[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，馮玉平，Alan Ervine.異側(cè)豎縫式魚道水力特性及放魚試驗研究[J].水力發(fā)電學(xué)報,2008,27(6):126-130.

[5] 董志勇，馮玉平，Alan Ervine.同側(cè)豎縫式魚道水力特性及放魚試驗研究[J].水力發(fā)電學(xué)報,2008,27(6):121-125.

[6] 曹慶磊，楊文俊，陳 輝.異側(cè)豎縫式魚道水力特性試驗研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)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，張小峰.移動式魚道過流能力三維數(shù)值模擬[A].第九屆全國水動力學(xué)學(xué)術(shù)會議暨第二十二屆全國水動力學(xué)研討會文集[C].2011:997-1003.

[9] 徐體兵,孫雙科.豎縫式魚道水流結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報，2009,40(11):1386-1391.

[10] 黃明海，周 赤，張亞利,等.豎縫—潛孔組合式魚道進(jìn)魚口渠段三維紊流數(shù)值模擬研究[J].水力學(xué)與水利信息學(xué)進(jìn)展,2009(12):212-218.

[11] Gary E.JOHNSON，William S.RAINEY.上溯型魚道生態(tài)設(shè)計在中國澎溪河漢豐壩的應(yīng)用[J].重慶師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)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

謝世奇(1987- )，男,在讀碩士； 侯明瑞(1988- )，女，在讀碩士

1009-6825(2015)14-0213-02

S157.1

A