魚(yú)道設(shè)計(jì)與運(yùn)行過(guò)程中影響過(guò)魚(yú)效率的相關(guān)問(wèn)題分析

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(安徽理工大學(xué)，安徽淮南232001)

如今，世界上大多數(shù)較大的河流已經(jīng)或正在修建大壩，包括一些生物多樣性豐富的河流[1-2]。雖然修建水庫(kù)大壩能夠滿足防洪、發(fā)電、灌溉、供水以及航運(yùn)等需求，但是過(guò)多地修筑擋水建筑物勢(shì)必會(huì)對(duì)流域連通性產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。大壩攔蓄水會(huì)導(dǎo)致流域內(nèi)棲息地破碎，從而對(duì)流域內(nèi)水生生物的生存構(gòu)成威脅，特別對(duì)魚(yú)類的威脅更大[3-4]。魚(yú)類通常依靠遷徙活動(dòng)來(lái)獲得其生長(zhǎng)過(guò)程中所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，遷徙過(guò)程中，它們通常會(huì)選擇具有平緩水流和細(xì)粒基質(zhì)的地區(qū)作為最佳棲息地[5-7]。水庫(kù)大壩破壞了魚(yú)類等水生生物的棲息地，而棲息地質(zhì)量直接關(guān)系到生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性[8-9]，因此，研究魚(yú)道、升魚(yú)機(jī)等過(guò)魚(yú)建筑物對(duì)減小大壩的阻隔影響，幫助魚(yú)類順利洄游遷徙以及保護(hù)河流水生生物多樣性具有重要的意義。本文通過(guò)分析大量文獻(xiàn)，歸納魚(yú)道類型、魚(yú)道設(shè)計(jì)與建設(shè)以及魚(yú)道研究領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題，提出了一些建設(shè)性意見(jiàn)。

1 魚(yú)道類型及其特點(diǎn)

1.1 魚(yú)道類型

魚(yú)道的類型大致可以分為：工程技術(shù)型魚(yú)道(池堰式、豎縫式、丹尼爾式和旁道系統(tǒng)等)、仿自然型魚(yú)道(仿自然通道、加糙坡道型魚(yú)道[10]等)和專用魚(yú)道(鰻魚(yú)梯、魚(yú)閘和升魚(yú)機(jī)等)，見(jiàn)圖1。目前工程上采用最多的魚(yú)道類型是丹尼爾式[11-12]、池堰式[13-14]和豎縫式[15-18]。

1.2 工程常用魚(yú)道的特點(diǎn)

常用魚(yú)道的特征可以概括為以下幾點(diǎn)。①池堰式魚(yú)道：池室中的水流橫截面積較小，池室中容易出現(xiàn)沉積物淤積和碎屑雜物的累積，使得池室的底部孔口極易被堵塞，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)影響水位變化，這種類型的魚(yú)道不適用較大的水位波動(dòng)。②丹尼爾式魚(yú)道：占用空間較小，不受空間限制，但是容易受到水位波動(dòng)的影響，且通道容易被沉積物和碎屑雜物堵塞。與其他類型魚(yú)道相比，丹尼爾式魚(yú)道需要更高的水位。③豎縫式魚(yú)道：具有寬敞的內(nèi)部池室空間，能夠很好地適應(yīng)大而頻繁的水位波動(dòng)，能夠?yàn)轸~(yú)類提供平滑區(qū)域，且不容易發(fā)生沉積物淤積的情況。豎縫式魚(yú)道既可以應(yīng)用于低流量的溪流，還可以應(yīng)用于大流量的山區(qū)河流。在3種常用類型的魚(yú)道中，豎縫式魚(yú)道的優(yōu)點(diǎn)更為突出，被許多國(guó)家廣泛應(yīng)用于魚(yú)道工程領(lǐng)域[19-24]。

2 魚(yú)道研究問(wèn)題

2.1 魚(yú)類的游泳能力和行為特征

魚(yú)道的工程建設(shè)涉及到諸多學(xué)科領(lǐng)域，包括水力學(xué)、魚(yú)類行為學(xué)、魚(yú)類生理學(xué)等等。但是在過(guò)去的一段時(shí)間內(nèi)，國(guó)內(nèi)的魚(yú)道設(shè)計(jì)過(guò)多地注重于工程結(jié)構(gòu)方面的問(wèn)題，而較少涉及到魚(yú)類遷徙行為和魚(yú)類生理等相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域[25]。魚(yú)類遷徙行為包括不同棲息地之間的補(bǔ)償性洄游遷徙、產(chǎn)卵遷徙、淡水生態(tài)系統(tǒng)與海洋之間的跨區(qū)域遷徙、下游遷徙和捕食肥育遷徙以及在不同生命階段滿足生物個(gè)體需求的遷徙等。魚(yú)類自身的游泳能力大小是決定魚(yú)類能否通過(guò)魚(yú)道遷徙上溯的客觀條件。爬巖鰍、青石爬鮡、鰱魚(yú)、裂腹魚(yú)等國(guó)內(nèi)魚(yú)道過(guò)魚(yú)目標(biāo)物種相比于其他國(guó)家的鮭魚(yú)、鱘魚(yú)等表現(xiàn)出較弱的游泳能力，這直接導(dǎo)致大多數(shù)按照國(guó)外設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的魚(yú)道運(yùn)行效果不理想[22]。

同時(shí)，在影響魚(yú)類洄游行為的水力因子和溫度、鹽度、水質(zhì)和光線等環(huán)境因子中，水力因子被普遍認(rèn)為是影響魚(yú)類游泳行為的主要因素，魚(yú)類在不同流速和水流紊動(dòng)下通過(guò)改變擺尾頻率與幅度或者采用爆發(fā)-滑行游泳方式來(lái)應(yīng)對(duì)流速障礙[26]。Amaral等[27]對(duì)淡水洄游性鯉科魚(yú)類通過(guò)寬頂堰是選擇跳躍還是游泳的方式提出猜想，并通過(guò)物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證了堰高、瀑流高度及堰頂流量的大小是影響魚(yú)類采取何種方式通過(guò)寬頂堰的主要因素；Link等[28]通過(guò)觀察分析智利本土魚(yú)類物種經(jīng)過(guò)圓柱尾流時(shí)尾鰭的尾拍頻率及尾拍振幅的變化，研究魚(yú)類在水流條件復(fù)雜情況下的遷徙行為，發(fā)現(xiàn)流態(tài)和流速對(duì)魚(yú)類遷徙行為影響顯著。因此，在魚(yú)道設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程中，魚(yú)道的水流條件、魚(yú)類的游泳能力、生活習(xí)性和遷徙行為特征都是十分重要的因素。

2.2 魚(yú)道進(jìn)口的位置布設(shè)

圖2為魚(yú)道進(jìn)口示意，魚(yú)道進(jìn)口應(yīng)盡量設(shè)在魚(yú)類洄游路線的途中且有活水下泄的位置。通常魚(yú)道進(jìn)口的寬度與堰、壩相比較窄，如何使魚(yú)類能夠快速發(fā)現(xiàn)魚(yú)道進(jìn)口并進(jìn)入魚(yú)道內(nèi)是魚(yú)道設(shè)計(jì)和建設(shè)需要考慮的重要問(wèn)題?？茖W(xué)合理規(guī)劃魚(yú)道進(jìn)口區(qū)域、營(yíng)造吸引魚(yú)類進(jìn)入魚(yú)道的水流條件有助于幫助魚(yú)類發(fā)現(xiàn)魚(yú)道進(jìn)口和解決魚(yú)類洄游遷徙延遲問(wèn)題。

魚(yú)道進(jìn)口的布設(shè)位置與布置方式直接影響著魚(yú)道集誘魚(yú)水流的水力學(xué)特性，集誘魚(yú)水流能否被魚(yú)類識(shí)別決定著魚(yú)道進(jìn)口的誘魚(yú)效果，合理布設(shè)魚(yú)道進(jìn)口是魚(yú)道設(shè)計(jì)和建設(shè)取得成功的關(guān)鍵[29]。鄭鐵剛等[30]基于生態(tài)學(xué)與水力學(xué)理論和數(shù)值模擬方法，結(jié)合過(guò)魚(yú)對(duì)象的游泳能力和生活習(xí)性，劃分了適宜布置魚(yú)道進(jìn)口的河道區(qū)域；王猛等[31]采用物理模型試驗(yàn)對(duì)某工程仿自然魚(yú)道進(jìn)出口的流態(tài)、水流速度大小及分布進(jìn)行研究，認(rèn)為魚(yú)道需要布置多個(gè)高程的進(jìn)出口以適應(yīng)不同的水位變幅；Andersson等[32]對(duì)有發(fā)電尾水河流中的魚(yú)道進(jìn)口流場(chǎng)進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)在靠近尾水出口附近布設(shè)魚(yú)道進(jìn)口，集誘魚(yú)水流對(duì)魚(yú)類更具吸引力；Bravo-Cordoba等[33]利用集成雷達(dá)遙測(cè)技術(shù)研究布置2個(gè)魚(yú)道進(jìn)口的池堰式魚(yú)道，認(rèn)為設(shè)計(jì)2個(gè)魚(yú)道進(jìn)口更有利于多種魚(yú)類進(jìn)入魚(yú)道；梁朝皇[34]等對(duì)石虎塘航電樞紐魚(yú)道設(shè)計(jì)時(shí)采用主進(jìn)魚(yú)口和集魚(yú)系統(tǒng)進(jìn)魚(yú)口，并將主進(jìn)魚(yú)口布置在電站廠房尾水渠旁，研究表明主進(jìn)魚(yú)口和集魚(yú)系統(tǒng)進(jìn)魚(yú)口聯(lián)合運(yùn)用，進(jìn)魚(yú)效果更好；黎賢訪等[35]采用數(shù)值模擬方法研究了魚(yú)道進(jìn)口下游流場(chǎng)分布，認(rèn)為魚(yú)道進(jìn)口軸線與河道成30°時(shí)，下游流態(tài)更有利于集誘魚(yú)。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)魚(yú)道進(jìn)口的水流結(jié)構(gòu)、水流流態(tài)、流速分布等水力特性開(kāi)展了大量研究[36-39]，但是對(duì)魚(yú)道進(jìn)口位置的布設(shè)原則和魚(yú)道進(jìn)口的體形結(jié)構(gòu)研究仍不成熟，這往往會(huì)導(dǎo)致模型試驗(yàn)獲得的魚(yú)道結(jié)構(gòu)在應(yīng)用到實(shí)際工程中時(shí)過(guò)魚(yú)效果并不理想。

汪亞超、Bunt等[40-41]提出魚(yú)道進(jìn)口位置設(shè)置在電站廠房尾水渠或溢洪道出口旁側(cè)的方案，便于利用下泄水流進(jìn)行誘魚(yú)。中國(guó)葛洲壩的3個(gè)船閘下游是魚(yú)類積聚最多的地方，說(shuō)明有流動(dòng)水流下泄的地方最容易吸引魚(yú)類聚集。工程技術(shù)魚(yú)道中，利用電站廠房尾水集誘魚(yú)是相對(duì)比較理想的魚(yú)道進(jìn)口布設(shè)方式，但發(fā)電機(jī)組位置以及發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行方式仍然值得關(guān)注。鄭鐵剛等[30]基于FLUENT軟件并結(jié)合UDF技術(shù)，采用Reynolds方程和RNGk-ε模型研究了電站發(fā)電機(jī)組不同組合運(yùn)行時(shí)的尾水流場(chǎng)，研究表明：尾水渠內(nèi)流態(tài)信息較為豐富，存在不同程度的豎向環(huán)流或橫向回流，因此利用電站廠房尾水集誘魚(yú)需要研究發(fā)電機(jī)組的合理運(yùn)行方式。

2.3 魚(yú)道內(nèi)沉積物淤積問(wèn)題

在多沙河流中修建魚(yú)道時(shí)，魚(yú)道內(nèi)沉積物淤積問(wèn)題應(yīng)受到重視。中國(guó)年均輸沙量1 000萬(wàn)t以上的河流有42條，黃河、長(zhǎng)江的總輸沙量占世界13條大河總量的1/3，其中黃河是世界上泥沙最多的大河，多年平均輸沙量達(dá)16億t。雖然泥沙受到水庫(kù)大壩阻隔大部分會(huì)淤積在庫(kù)底，但在洪水期或上游水庫(kù)沖沙閘運(yùn)行時(shí)，渾水中的泥沙、垃圾等會(huì)進(jìn)入魚(yú)道，給魚(yú)類洄游帶來(lái)負(fù)面影響，嚴(yán)重的淤積可能會(huì)導(dǎo)致魚(yú)道難以正常運(yùn)行，特別是池堰式魚(yú)道更容易發(fā)生沉積物淤積。建于1980年的湖南洋塘魚(yú)道，在最初運(yùn)行的前9個(gè)月內(nèi)通過(guò)40.9萬(wàn)尾魚(yú)，平均每小時(shí)大約通過(guò)900尾，通過(guò)魚(yú)類的總數(shù)超過(guò)了128萬(wàn)尾。然而，由于洪水挾帶著大量的沉積物進(jìn)入魚(yú)道，導(dǎo)致魚(yú)道內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重的淤積現(xiàn)象，1987年以后，魚(yú)道停止了運(yùn)行[42]。除了泥沙沉積外，垃圾沉積、淡水生物附著問(wèn)題，在長(zhǎng)江、珠江的許多魚(yú)道中較為明顯。魚(yú)道內(nèi)泥沙、垃圾等沉積物淤積會(huì)堵住底孔池式魚(yú)道的孔口，嚴(yán)重影響魚(yú)道過(guò)魚(yú)效率，甚至導(dǎo)致魚(yú)道運(yùn)行失敗。國(guó)外研究人員曾提出一種類似于魚(yú)骨形狀的魚(yú)道[43]，試圖來(lái)解決魚(yú)道內(nèi)沉積物淤積的問(wèn)題，但這種類型的魚(yú)道過(guò)魚(yú)效率卻并不理想。如何確保魚(yú)道不淤是提高魚(yú)道過(guò)魚(yú)效果需要關(guān)注的問(wèn)題。

2.4 魚(yú)類的下游遷徙問(wèn)題

魚(yú)類的下游遷徙問(wèn)題也是魚(yú)道研究領(lǐng)域需要關(guān)注的問(wèn)題。中國(guó)常見(jiàn)的過(guò)魚(yú)對(duì)象是多次產(chǎn)卵的鯉科魚(yú)類，在產(chǎn)卵后會(huì)有下行的行為。中國(guó)學(xué)者目前關(guān)注魚(yú)類下行的問(wèn)題比較少，一方面是中國(guó)淡水河流中，河海洄游的魚(yú)類較少，魚(yú)類群體下行規(guī)模并不顯著；另一方面，下行的主要是仔稚魚(yú)，水輪機(jī)對(duì)其傷害率不算太高。但國(guó)外有許多魚(yú)類完成上溯遷徙和產(chǎn)卵后，會(huì)沿著水流向下游游動(dòng)，如鮭魚(yú)、鰻魚(yú)和鱒魚(yú)等。Thorstad等[44]研究發(fā)現(xiàn)大西洋鮭魚(yú)下游遷徙過(guò)程中，通常選擇溢洪道、水輪機(jī)發(fā)電水流向下游遷徙，受到渦輪撞擊和高速旋轉(zhuǎn)影響，鮭魚(yú)出現(xiàn)死亡的機(jī)率明顯升高。Norrgard等[45]研究發(fā)現(xiàn)只有很少一部分魚(yú)類個(gè)體會(huì)選擇魚(yú)道向下游遷徙，絕大多數(shù)魚(yú)類個(gè)體會(huì)沿河下溯，進(jìn)入溢洪道、水輪機(jī)或其他水工結(jié)構(gòu)和進(jìn)水系統(tǒng)，這會(huì)導(dǎo)致魚(yú)類遭受不同程度的傷害或死亡。不同的水輪機(jī)對(duì)魚(yú)類的影響不一樣，如沖擊式水輪機(jī)，下行魚(yú)類的死亡率幾乎達(dá)到100%[22]。向下游遷徙的幼魚(yú)個(gè)體數(shù)目龐大，有很重要的生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，它們是下游遷徙過(guò)程中最需要保護(hù)的重要對(duì)象。

3 討論與分析

a) 沒(méi)有科學(xué)依據(jù)表明單一的魚(yú)道設(shè)計(jì)能夠同時(shí)滿足具有不同生理特征、游泳能力、體型和遷徙行為的魚(yú)類物種順利遷徙。因此，在魚(yú)道設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合本土魚(yú)類的游泳能力、游泳特點(diǎn)及棲息習(xí)性，充分考慮過(guò)魚(yú)對(duì)象的遷徙行為及其所有生命周期過(guò)程，不僅要收集成魚(yú)游泳能力和遷徙行為的資料，還應(yīng)該包括小型幼魚(yú)的游泳能力和遷徙行為的資料。在控制水力條件時(shí)，要考慮水深-流量、湍流動(dòng)能、湍流能量消散、回水區(qū)的尺寸等對(duì)魚(yú)類的遷徙行為的影響[46-49]。在魚(yú)道模型試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)從魚(yú)類生理學(xué)角度對(duì)魚(yú)類的游泳能力進(jìn)行研究，分析魚(yú)類生理機(jī)能在過(guò)飽和溶解氧、長(zhǎng)時(shí)間耐久游泳或突進(jìn)游泳情況下的運(yùn)動(dòng)代謝和體能變化[50-51]，為科學(xué)合理設(shè)計(jì)魚(yú)類洄游通道提供理論支撐。

b) 魚(yú)道的進(jìn)口應(yīng)該布置在魚(yú)類密集活動(dòng)的區(qū)域，以滿足大多數(shù)河流魚(yú)類上溯遷徙的需要，幫助魚(yú)類快速、準(zhǔn)確地找到魚(yú)道進(jìn)口。魚(yú)道進(jìn)口的水力參數(shù)應(yīng)該適宜魚(yú)類聚集成群，需要對(duì)魚(yú)群區(qū)域的水流速度、湍流動(dòng)能和水深進(jìn)行分析，并結(jié)合魚(yú)類集群特征、魚(yú)群的空間分布和運(yùn)動(dòng)軌跡等，確定魚(yú)類進(jìn)入魚(yú)道的水流速度和水深。同時(shí)，魚(yú)道進(jìn)口要盡可能地設(shè)置誘魚(yú)燈，或利用工程措施增加水流聲音，吸引魚(yú)類快速找到進(jìn)口。

c) 解決魚(yú)道內(nèi)沉積物淤積問(wèn)題，可以在不影響魚(yú)道良好過(guò)魚(yú)效果的前提下，在魚(yú)道內(nèi)安設(shè)沉積物清除裝置。同時(shí)，魚(yú)道運(yùn)行時(shí)間要根據(jù)魚(yú)類的正常洄游時(shí)節(jié)進(jìn)行合理的安排，在魚(yú)道停運(yùn)期間，對(duì)魚(yú)道內(nèi)的淤積物進(jìn)行及時(shí)清理。對(duì)存在大量淤積物的魚(yú)道要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)于魚(yú)類通過(guò)時(shí)間較短且進(jìn)入下游水域的魚(yú)道入口，配備疏浚設(shè)施。

d) 魚(yú)類通過(guò)水輪機(jī)向下游遷徙死亡較高，死亡原因可能是機(jī)械損傷，也可能是由于快速的壓力變化及通過(guò)極端湍流區(qū)域而產(chǎn)生的剪切作用引起的空化損傷。有研究表明：在不采取任何保護(hù)措施的情況下，魚(yú)類下游遷徙通過(guò)水輪機(jī)時(shí)的死亡率接近100%[52]；當(dāng)水流速度達(dá)到或超過(guò)16 m/s時(shí)，魚(yú)類會(huì)處于危險(xiǎn)狀態(tài)，而溢洪道中的水流速度通常很高，不利于魚(yú)類向下游安全遷徙[53]。世界上大多數(shù)水壩兼具防洪和發(fā)電功能，如果不采取任何保護(hù)措施，魚(yú)類通過(guò)水輪機(jī)、溢洪道向下游遷徙時(shí)，勢(shì)必會(huì)受到傷害。因此，為了實(shí)現(xiàn)魚(yú)類順利向下游遷徙，尤其是幼魚(yú)個(gè)體，需要在工程上采取有效的保護(hù)措施，設(shè)計(jì)魚(yú)類分離裝置和集群措施，將魚(yú)類從溢洪道、水力渦輪機(jī)和其他進(jìn)水系統(tǒng)中分離出來(lái)，聚集成群后通過(guò)魚(yú)道或旁通管道安全運(yùn)輸?shù)较掠巍?/p>

4 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)水利水電事業(yè)蓬勃發(fā)展，水能資源的開(kāi)發(fā)極大地促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但水庫(kù)大壩阻隔了河流的連通性，對(duì)河流水生生物構(gòu)成了較大的威脅。本文討論了不同類型魚(yú)道的優(yōu)缺點(diǎn)，從魚(yú)類的游泳能力和行為特征、魚(yú)道進(jìn)口的位置選擇、魚(yú)道內(nèi)沉積物淤積和魚(yú)類的下游遷徙等方面，分析并討論了魚(yú)道設(shè)計(jì)與建設(shè)過(guò)程中面臨的諸多問(wèn)題，提出了一些措施和建議，以期促進(jìn)魚(yú)道的建設(shè)與發(fā)展，提高魚(yú)道的過(guò)魚(yú)效率。