魚道的創(chuàng)新
——“過魚加農(nóng)炮”模型

胡雪婷　趙 瑞　苗志全　盧雅婷

南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院

魚道的創(chuàng)新
——“過魚加農(nóng)炮”模型

胡雪婷趙 瑞苗志全盧雅婷

南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院

結(jié)合國內(nèi)外水利水電過魚設(shè)施的現(xiàn)狀，指出水利水電開發(fā)對魚類資源的影響，在利用真空技術(shù)及機械控制相關(guān)原理的基礎(chǔ)上，提出“過魚加農(nóng)炮”模型，全面闡述了這一模型的設(shè)計原理和設(shè)計理念，并進行有關(guān)生態(tài)經(jīng)濟優(yōu)勢效益分析，指出這一新型過魚設(shè)施模型的巨大優(yōu)勢和潛力。

過魚設(shè)施；魚類洄游；真空管道運輸

由于長期的進化，有些魚類具有溯河洄游產(chǎn)卵的習(xí)性，洄游是指魚類因生理要求，遺傳和外界環(huán)境因素的影響，引起周期性的定向往返移動，是魚類的主動、定期、定向、集群、具有種的特點的水平移動［1］，是魚類在系統(tǒng)發(fā)生過程中形成的一種特征，是魚類對環(huán)境的一種長期適應(yīng)，它使種群獲得更有利的生存條件，更好的繁衍后代。

大壩的修建破壞了河流的連續(xù)性，從而阻斷魚類洄游的途徑，使其不能到達產(chǎn)卵場進行產(chǎn)卵，除此之外，大壩還會改變部分魚類的產(chǎn)卵場地，對原有的棲息環(huán)境造成破壞，還會魚類早期資源量下降，最后會對整個魚類生態(tài)系統(tǒng)帶來損害，即使是不洄游的魚類，對整個魚類而言，大壩會阻止魚類的基因交流，導(dǎo)致生物多樣性較低，破壞生態(tài)平衡。

一、國內(nèi)外過魚設(shè)施概況

最早的過魚設(shè)施記載約出現(xiàn)在17世紀的法國，即17世紀中葉，歐洲始建第一座過魚建筑物。1883年蘇格蘭在泰斯河上建成世界上第一座魚道。據(jù)不完全統(tǒng)計，至20世紀60年代初期 ，美國和加拿大有過魚設(shè)施 200座以上 ，西歐各國100座以上 ，前蘇聯(lián)18座以上，這些過魚設(shè)施主要為魚道。國外這些過魚設(shè)施不僅實現(xiàn)了工程建設(shè)中的環(huán)境生態(tài)保護目標(biāo)，還將工程的建設(shè)和科研、科普教育和旅游開發(fā)相結(jié)合促進當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展。

我國過魚建筑物的建設(shè)和研究歷史很短，大約始于20世紀60年代，1958年，富春江七里垅水電站規(guī)劃開發(fā)時，首次涉及魚道并進行了一系列的科學(xué)實驗研究。至20世紀80年代，相繼建成40余座魚道，但是自葛洲壩水利樞紐建設(shè)增殖放流站解決中華鱘等珍稀魚類的保護問題以來的20多年，我國對于魚道的建設(shè)及研究進入了停滯期。

二、“過魚加農(nóng)炮”模型介紹

（一）設(shè)計思路

“過魚加農(nóng)炮”以使魚類“溫柔，快速”地通過，順利洄游到上游為原則，利用真空管道進行超高速運輸，低耗能，環(huán)保，安全，管道采用高分子材料，管道中設(shè)有壓力保護裝置，在水底設(shè)置相關(guān)誘魚裝置，由于魚類在洄游期間對光周期和強度有一定偏好，故可使用聲波誘魚器或熒光誘魚燈，將魚類引誘到模型入口處，模型入口置于與水面相平處，呈喇叭狀，類似倒置的漏斗，喇叭狀入口周圍有密閉的孔口。入口與圓形管道的連接處設(shè)置類似于魚笱倒須的格網(wǎng)，既可以防止魚類倒行，不會回落到水中，又能起到一定的攔污作用，使入口不會被污染物堵塞，阻止魚類進入管道中。入口處裝真空計和感應(yīng)裝置，真空管道中設(shè)置真空保護閥，根據(jù)所吸魚類的不同，調(diào)節(jié)管道內(nèi)壓力。

（二）相關(guān)原理

1.“過魚加農(nóng)炮”的入口設(shè)計采用了魚笱捕魚的原理

魚笱是中國古代一種竹制的捕魚器具，呈圓錐形，口大頸細，腹大而長。開口處裝有一個倒須的漏斗，魚順?biāo)?，因為有倒須的阻攔，魚只能進而不能出［2］?；隰~笱的設(shè)計原理，當(dāng)魚類在加農(nóng)炮管道內(nèi)前行時，就不會發(fā)生倒退的情況，能夠保證進入真空管道中的魚類順利通過。

真空管道主體采用UPVC管，其特性有質(zhì)輕，搬運裝卸便利：UPVC管材材質(zhì)很輕，搬運，施工便利，可節(jié)省人工。

流體阻力?。篣PVC管材的管壁非常光滑，阻力很小，其粗糙系數(shù)僅為0.009。

耐腐蝕性、耐藥品性優(yōu)良UPVC管材具有優(yōu)異的耐酸，耐堿，耐腐蝕，不受潮濕水份和酸堿度的影響，不需任何防腐處理。

機械強度大：UPVC管的耐水壓強度，耐外壓強度，耐沖擊強度等均良好。

具有良好的水密性：UPVC管材的安裝，不論采用粘接還是橡膠圈連接，均具有良好的水密性。因而，魚類在真空管道中游動時，管道摩擦阻力極小，管壁不會對魚類造成傷害。

2.魚類在真空管道中的運動

魚類的游泳類型依據(jù)游泳時間的不同，大致可劃分為：爆發(fā)式游泳、持續(xù)式游泳和延長式游泳。爆發(fā)式游泳也被稱為短跑游泳，是魚類逃脫捕獲及逃避獵食者時采取的重要方式，對魚類生存有重要的影響，也是魚能達到的最大速度。在真空管道中，魚類的運動屬于無氧運動，但是不需要像在水中洄游時到達爆發(fā)速度，因而在短時間內(nèi)魚類呼吸代謝小，幾乎無需耗氧，且因魚類不需要使用突進速度，從而疲勞致死的幾率大大下降。

魚從“加農(nóng)炮”模型中射出時，由于真空負壓的作用，魚類獲得一定的速度，加上魚自身的速度，魚的初始爆發(fā)速度較大，初速度和“過魚加農(nóng)炮”的出口角度共同決定了魚的跳躍能，可按以下運動學(xué)公式計算魚的跳躍高度：

X=V（cosθ）t

H=V（sinθ）t-（1/2）gt2

X為t時間內(nèi)跳躍的水平距離，H為t時間內(nèi)跳躍的垂直高度，θ為跳躍角度，g為重力加速度 由以上式子可以得到不同跳躍角度下目標(biāo)魚的跳躍曲線和魚在某一跳躍角度下最大跳躍高度對應(yīng)的時間t，然后可以得到某跳躍角度下的最大跳躍高度：

H=（Vsinθ）2/2g因而在模型出口處適當(dāng)調(diào)節(jié)出口管的角度，使魚獲得最大跳躍高度，在真空的沖擊力作用下，獲得較大初速度，凌空跳躍，從而順利飛越大壩。

（三）“過魚加農(nóng)炮”的優(yōu)勢及效益分析

1.生態(tài)經(jīng)濟分析

從生態(tài)經(jīng)濟學(xué)的角度來看，經(jīng)濟系統(tǒng)作為生態(tài)系統(tǒng)的子系統(tǒng)，從生態(tài)系統(tǒng)中獲取資源，這屬于其成本，通過對資源的消耗利用產(chǎn)生收益增加社會福利，這就相當(dāng)于其效用。

2.優(yōu)勢分析

目前世界上的各類過魚設(shè)施，過魚率大多僅為10～15%左右，有的則完全不能過魚。原因有魚道的進出水口未正確置于洄游通道上，水位與流量的變動使魚類不易找到進出水口，壩太高、魚道內(nèi)流速過大使溯游能力弱的魚類難以通過魚道等。各類過魚設(shè)施的建造、運行和維修費用也很大，有的國家正努力研究改進魚道的型式和建造位置，力爭使魚的通過率提高到50%左右。

三、結(jié)語

“過魚加農(nóng)炮”這一魚道模型結(jié)合現(xiàn)有過魚設(shè)施的優(yōu)勢，充分發(fā)揮真空運輸技術(shù)的潛能，在理論上創(chuàng)新性地幫助魚類洄游，能大大提高洄游魚類的存活率，為魚類的后代繁衍提供了有力保障，同時有助于維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡，維護河道的健康，“過魚加農(nóng)炮”不需大量的人力監(jiān)管，它利用現(xiàn)有的機械控制技術(shù)，能實現(xiàn)智能化，能改變我國現(xiàn)有的過魚設(shè)施監(jiān)管體系的不良局面。

［1］physiological knowledge has improved our ability to sustainabl y manage Pacific salmon during up - river migration［J］.

［2］劉明鏡.魚類無氧運動及其適應(yīng) ［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué).

基金：江西省自然科學(xué)基金資助項目 編號：20161BAB211009