仿自然魚(yú)道水力及過(guò)魚(yú)性能物理模型試驗(yàn)

李廣寧，孫雙科※，郭子琪,2，柳海濤，鄭鐵剛，王 岑,3

（1. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，保定 071001； 3. 三峽大學(xué)，宜昌 443002）

0 引 言

魚(yú)道是幫助魚(yú)類(lèi)順利通過(guò)閘壩等障礙物的專(zhuān)用設(shè)施，在維系河流連續(xù)性與生物種群交流方面具有不可替代的作用。魚(yú)道可分為技術(shù)型魚(yú)道和仿自然魚(yú)道，傳統(tǒng)的技術(shù)型魚(yú)道的結(jié)構(gòu)與流態(tài)相對(duì)單一，一般僅適合特定過(guò)魚(yú)對(duì)象，而在實(shí)際河流中需要保護(hù)的魚(yú)類(lèi)種類(lèi)往往是多樣的[1-2]。Katopodis等[3]于上世紀(jì)70年代首次提出了仿自然魚(yú)道的概念，與傳統(tǒng)技術(shù)型魚(yú)道相比，仿自然魚(yú)道構(gòu)建的水流流態(tài)更接近于魚(yú)類(lèi)熟悉的天然狀態(tài)，對(duì)魚(yú)類(lèi)往往具有更廣的適用性和更高的過(guò)魚(yú)效率[4]，已成為中低水頭水利工程過(guò)魚(yú)設(shè)施的發(fā)展方向之一。

仿自然魚(yú)道的相關(guān)研究，既包括魚(yú)道水力學(xué)問(wèn)題研究，也涉及針對(duì)魚(yú)類(lèi)生理特點(diǎn)與生活習(xí)性的研究，同時(shí)還要考慮建筑材料的天然、生態(tài)、可循環(huán)，其建筑外觀應(yīng)與自然融為一體。

從工程建設(shè)角度看，水力學(xué)問(wèn)題是仿自然魚(yú)道設(shè)計(jì)中首先需要研究的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。文獻(xiàn)檢索表明，國(guó)內(nèi)外針對(duì)仿自然魚(yú)道進(jìn)行了大量的室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究，確定了魚(yú)道內(nèi)部水流流態(tài)優(yōu)化的基本原則，探討了仿自然魚(yú)道的設(shè)計(jì)方法，對(duì)于仿自然魚(yú)道的改建與建設(shè)起到了技術(shù)指導(dǎo)作用。

模型試驗(yàn)方法歷來(lái)是水力學(xué)問(wèn)題研究的重要手段之一。在仿自然魚(yú)道的研究方面，國(guó)外學(xué)者比較重視單個(gè)塊體障礙物對(duì)水流結(jié)構(gòu)的影響，如Acharya等[5]針對(duì)球狀障礙物、圓柱體和方柱體對(duì)水流結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了模型試驗(yàn)，提出了相似水流條件（弗洛德數(shù) Fr）下，球體的排列應(yīng)該比方柱體的排列略微緊密一些，但球體障礙物尾流區(qū)水面連接相對(duì)更加平順。Komura等[6]研究了仿生態(tài)魚(yú)道中漂石的布置方法對(duì)水流特性的影響。加拿大Alberta大學(xué)的Bretón等[7]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了蠻石斜坡型魚(yú)道中，蠻石間流速與紊動(dòng)強(qiáng)度等參數(shù)的變化規(guī)律，認(rèn)為蠻石布置間距應(yīng)該足夠小，以遏制水流的加速，Baki等[8-9]開(kāi)展的試驗(yàn)研究也得出了類(lèi)似結(jié)論。Lacey等[10]對(duì)蠻石周?chē)闪鹘Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并實(shí)測(cè)了自然河流中蠻石周邊的水流流場(chǎng)及紊動(dòng)能等水力參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在天然河道中蠻石后的尾流區(qū)內(nèi)往往會(huì)形成較強(qiáng)烈的紊動(dòng)[11]。為了確保不同的水生生物通過(guò)，仿生態(tài)型魚(yú)道的坡度一般應(yīng)控制在 1%～5%[12]。國(guó)內(nèi)學(xué)者王猛等[13]通過(guò)物理模型試驗(yàn)，提出仿生態(tài)型魚(yú)道在較大工作水頭的水利樞紐中布置時(shí)，應(yīng)合理安排電站的運(yùn)行方式和魚(yú)道的進(jìn)出口位置。于廣年等[14]通過(guò)整體物理模型試驗(yàn)，提出了適合國(guó)內(nèi)魚(yú)類(lèi)的低水頭發(fā)電樞紐仿生態(tài)型魚(yú)道平面布置方案。譚均軍等[15]選取上溯性魚(yú)類(lèi)鳙魚(yú)和草魚(yú)為研究對(duì)象，認(rèn)為鳙魚(yú)和草魚(yú)在不同水力區(qū)域內(nèi)的上溯時(shí)間與紊動(dòng)能、流速相關(guān)性較大，水流流速矢量決定了魚(yú)的上溯方向。郄志紅等[16]提出一種通過(guò)太極圓盤(pán)和八卦爻條消減水流能量，形成多態(tài)流速場(chǎng)以適應(yīng)多種魚(yú)類(lèi)洄游的太極式新型魚(yú)道。胡曉等[17]在分析國(guó)外涵洞式魚(yú)道相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)偏移式、槽堰式和堰式 3種典型擋板的水力特性及流場(chǎng)分布特征進(jìn)行了歸納，得到了無(wú)量綱流量、水深、坡度與流速的關(guān)系表達(dá)式，為國(guó)內(nèi)涵洞式魚(yú)道的水力設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)與參考。

在魚(yú)類(lèi)聚集和誘魚(yú)方面，李芳等[18]使用觀測(cè)儀器探測(cè)壩下四大家魚(yú)分布規(guī)律，分析集群行為特點(diǎn)及其相關(guān)性。鄭鐵剛等[19-20]為了合理布置魚(yú)道進(jìn)口，基于生態(tài)學(xué)與水力學(xué)理論和數(shù)值模擬方法，計(jì)算了某大型水電站下游河道流場(chǎng)分布情況，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。廖伯文等[21]以某高壩工程為例，根據(jù)相關(guān)調(diào)查結(jié)果，確定了 7種過(guò)魚(yú)對(duì)象，提出了集誘魚(yú)進(jìn)口所需要滿足的水力學(xué)件。謝春航[22]提出 2種魚(yú)道進(jìn)口布置方式，分別布置于閘墩旁和集誘魚(yú)通道旁。

進(jìn)入21世紀(jì)，一些學(xué)者開(kāi)始應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)研究仿自然魚(yú)道內(nèi)的水流特征[23-24]。Tran等[25]利用淺水方程對(duì)蠻石斜坡型魚(yú)道的水流特性進(jìn)行了模擬，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。何雨艨[26]采用三維湍流模型對(duì)不同水流條件下蠻石斜坡型魚(yú)道進(jìn)行研究，認(rèn)為蠻石坎對(duì)縫排列比錯(cuò)縫排列具有更加合理的水力學(xué)特性。朱世洪等[27]認(rèn)為通過(guò)在仿自然通道或魚(yú)道內(nèi)部采用收縮段、側(cè)壁設(shè)置消能墩、底部輔以條形消能墩的新型結(jié)構(gòu)可使池室內(nèi)部流場(chǎng)實(shí)現(xiàn)縱向分層和橫向分區(qū)，可供不同游泳能力的魚(yú)類(lèi)通過(guò)。李廣寧等[28]定量分析透水性卵石墻對(duì)魚(yú)道水力特性的改善效果，采用卵石墻構(gòu)建的仿自然魚(yú)道，池室內(nèi)流態(tài)豐富，過(guò)魚(yú)口處流速分布差異明顯多種魚(yú)類(lèi)上溯提供了可能。上述研究為進(jìn)一步細(xì)化研究仿自然魚(yú)道內(nèi)流場(chǎng)特性奠定了基礎(chǔ)。

利用水生植物構(gòu)建新型仿自然魚(yú)道，需要對(duì)其物理特性和生物特性進(jìn)行研究。在水力學(xué)層面，王忖[29]對(duì)含有挺水植物和沉水植物明渠水流特性進(jìn)行了研究；趙芳等[30]對(duì)雙層剛性植被對(duì)明渠水流特性的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究；孫菊英等[31]對(duì)不同高度柔性植被對(duì)坡面流水動(dòng)力特性的影響進(jìn)行了研究，表明相關(guān)水生植物通過(guò)不同布置方式，可以對(duì)管道內(nèi)的水流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的影響。在植物學(xué)層面，鄧春暖等[32]研究了不同淹水周期對(duì)蘆葦光合生理的影響機(jī)理；李廣云等[33]對(duì)不同水深對(duì)蘆葦光合生理特性的影響。研究結(jié)果均表明相關(guān)水生植物具有較好的生物特性和適應(yīng)性，可以用于淺水區(qū)的種植和培育。上述研究成果，為構(gòu)造植物型仿自然魚(yú)道的水生植物選擇以及布局設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

目前仿自然魚(yú)道主要利用漂石與天然河道床質(zhì)進(jìn)行構(gòu)建，缺乏生態(tài)系統(tǒng)中的植物元素，生態(tài)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。隨著中國(guó)河流治理和小水電的快速發(fā)展，對(duì)于小型河流生態(tài)環(huán)境的保護(hù)越來(lái)越受到重視，亟需一種即可保護(hù)魚(yú)類(lèi)資源又可同時(shí)改善河流生態(tài)環(huán)境的，具有綜合生態(tài)功能的魚(yú)道。本文提出了一種利用挺水植物構(gòu)建仿自然魚(yú)道，在實(shí)現(xiàn)魚(yú)類(lèi)洄游、棲息、繁殖的同時(shí)，其外觀與自然環(huán)境融為一體。

1 挺水植物選擇

挺水植物的選擇是依據(jù)過(guò)魚(yú)對(duì)象的游泳能力和洄游季節(jié)，選取具有相應(yīng)生物特性和生長(zhǎng)周期的目標(biāo)植物種類(lèi)。

1.1 過(guò)魚(yú)對(duì)象

四大家魚(yú)（青、草、鰱、鳙）是中國(guó)常見(jiàn)魚(yú)類(lèi)，而且中國(guó)近期設(shè)計(jì)的過(guò)魚(yú)設(shè)施都會(huì)將四大家魚(yú)作為過(guò)魚(yú)對(duì)象進(jìn)行考慮。國(guó)內(nèi)對(duì)于四大家魚(yú)游泳能力的研究相對(duì)詳細(xì)。如水利水電工程魚(yú)道設(shè)計(jì)導(dǎo)則（SL609-2013）[34]中指出：青魚(yú)體長(zhǎng)0.4～0.58 m，喜好流速為1.25～1.3 m/s；草魚(yú)體長(zhǎng)0.24～0.5 m，喜好流速為1.02～1.27 m/s；鰱魚(yú)體長(zhǎng)0.4～0.5 m，喜好流速為0.9～1.0 m/s；鳙魚(yú)體長(zhǎng)0.4～0.5 m，喜好流速為＜0.8 m/s。綜合而言，四大家魚(yú)的體長(zhǎng)范圍0.2～0.9 m，感應(yīng)流速普遍在0.1～0.2 m/s，喜好流速為0.8～1.3 m/s，極限流速＞1.3 m/s。結(jié)合目前中國(guó)魚(yú)道目前設(shè)計(jì)實(shí)際情況，魚(yú)道內(nèi)控制斷面（過(guò)魚(yú)口）的流速控制在約1.1 m/s。

四大家魚(yú)的過(guò)魚(yú)季節(jié)也較為一致，以湖北碾盤(pán)山過(guò)魚(yú)對(duì)象為例，其主要過(guò)魚(yú)季節(jié)為4－8月份（表1）。

表1 過(guò)魚(yú)月份（漢江碾盤(pán)山）Table 1 Fish passing months (Nianpanshan, Hanjiang)

1.2 挺水植物

圖1 蘆葦各構(gòu)件生物量的動(dòng)態(tài)變化（河北白洋淀）Fig.1 Dynamic changes of biomass of reed components(Baiyangdian, Hebei)

挺水植物生長(zhǎng)周期應(yīng)與魚(yú)類(lèi)洄游季節(jié)相匹配。即在魚(yú)類(lèi)的洄游季節(jié)，所選擇的挺水植物應(yīng)該能夠保有一定的生物體量，從而達(dá)到降低水流速度，形成過(guò)魚(yú)通道的效果。挺水植物應(yīng)具有較強(qiáng)的生命力，并且分布廣泛、簡(jiǎn)單易得，從而保證植物模塊在意外受損等情況下能得到及時(shí)補(bǔ)充。蘆葦作為中國(guó)常見(jiàn)的挺水植物種類(lèi)[35-36]，其分布廣泛，生命力強(qiáng)，成長(zhǎng)周期能夠與過(guò)魚(yú)季節(jié)相匹配。以河北白洋淀的蘆葦?shù)纳L(zhǎng)周期為例，其生物量在6月份就可以維持在較高水平[37]，如圖 1所示。成年蘆葦植株的統(tǒng)計(jì)平均直徑約為1.2 cm，其平均高度可達(dá)2.4 m，生長(zhǎng)密度可達(dá)156株/m2，是構(gòu)建仿自然魚(yú)道的理想材料。

2 物理模型試驗(yàn)

物理模型試驗(yàn)按照重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，試驗(yàn)比尺為 1∶5。首先將原型蘆葦按長(zhǎng)度比尺進(jìn)行縮小得到模型蘆葦?shù)某叽纾瑢⒛Ｐ吞J葦進(jìn)行植株排列得到植物模塊；然后開(kāi)展植物滿鋪方案的試驗(yàn)，檢驗(yàn)該植株排列方式的阻水特性，為構(gòu)建植物模塊交錯(cuò)布置方案建立基礎(chǔ)；最后針對(duì)植物模塊交錯(cuò)布置方案進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)該方案的水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從水力學(xué)角度判斷其是否滿足過(guò)魚(yú)要求。

2.1 蘆葦植株設(shè)計(jì)

模型中需要首先將蘆葦植株進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，再將植株個(gè)體進(jìn)行不同的排列，形成不同的植株組合結(jié)構(gòu)。常用的簡(jiǎn)化方式有3種（圖2）。第1種是不考慮單個(gè)植株的相似性，而是綜合考慮糙率 n的相似，（糙率式中A為過(guò)流面積，m2；Q為流量，m3/s；R為水力半徑，m；J為底坡坡度。長(zhǎng)度比尺λl=5時(shí)，糙率比尺利用漫鋪的人工塑料植物代替實(shí)際植物邊界，該種方法最簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)，但是只能粗略的反映整體植物邊界對(duì)水流的阻擋作用；第2種是將蘆葦簡(jiǎn)化為具有相似葉狀結(jié)構(gòu)的塑料植株，該方法最為相似和準(zhǔn)確，但是造價(jià)較高，宜適用于植株較少的試驗(yàn)；第3種是將蘆葦簡(jiǎn)化為去除葉片的單個(gè)桿徑，該方法能夠反映植株的整體組合和植株組合內(nèi)部的個(gè)體對(duì)水利特性的影響。

圖2 蘆葦植株常用簡(jiǎn)化方式Fig.2 Common simplifications of reed plants

顧峰峰和倪漢根[38-39]采用第 2種方法對(duì)蘆葦進(jìn)行了簡(jiǎn)化，進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)，實(shí)測(cè)了模型蘆葦?shù)淖杷匦?，?duì)模型蘆葦與原型蘆葦?shù)刃ё杷匦缘南嗨脐P(guān)系進(jìn)行了推導(dǎo)，驗(yàn)證了該種簡(jiǎn)化方法的可行性。

本文將采用第 3種簡(jiǎn)化方法，對(duì)具有一定密度的蘆葦模塊組合進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用，構(gòu)建新型植物魚(yú)道。但是，將蘆葦簡(jiǎn)化為去除葉片的單個(gè)桿徑，一定程度上弱化了植株的阻水特性，故所獲得的方案在水力學(xué)指標(biāo)上是偏于保守的。

2.2 植株排列方式

蘆葦原型桿直徑1.2 cm，平均高2.4 m，大于原型魚(yú)道設(shè)計(jì)水深80 cm的要求。按照長(zhǎng)度比尺λl=5縮小，相應(yīng)的模型蘆葦直徑為0.24 cm，高度滿足模型魚(yú)道水深要求即可，取 16 cm。模型蘆葦以相應(yīng)尺寸的竹簽代替。

模型蘆葦以模塊形式在水槽內(nèi)交錯(cuò)分布，每組蘆葦模塊內(nèi)蘆葦以梅花樁型式均勻布置，如圖3所示。x方向蘆葦交錯(cuò)分布，y方向規(guī)則的平行分布，x方向固定間距1.6 cm，y方向1.6 cm，在水槽內(nèi)20 cm×20 cm的范圍內(nèi)，均勻布置了156株，相當(dāng)于原型中1 m×1 m的范圍內(nèi)均勻布置了156株，即156株/m2。

圖3 植株排列方式Fig.3 Arrangement of plants

2.3 模型布置

試驗(yàn)水槽長(zhǎng)10 m，寬0.4 m，高0.2 m，底坡J=1%，采用循環(huán)泵供水系統(tǒng)供水，通過(guò)調(diào)節(jié)閥調(diào)整水槽內(nèi)流量，具體布置如圖 4所示。試驗(yàn)方案分為植物滿鋪方案和植物模塊交錯(cuò)布置方案。當(dāng)植物按照?qǐng)D 3所示的植株排列方式鋪滿整個(gè)水槽時(shí)，即為植物滿鋪方案，該試驗(yàn)的主要目的是檢驗(yàn)該植株排列方式的阻水特性，并對(duì)等效糙率進(jìn)行定量判斷。待該植株排列方式的阻水特性得到檢驗(yàn)后，將其組合成不同幾何尺寸的植物模塊并在水槽內(nèi)交錯(cuò)布置，形成植物模塊交錯(cuò)布置方案。本文中植物模塊按照幾何尺寸分為2種，一種長(zhǎng)40 cm，寬20 cm，稱(chēng)為植物模塊A；另一種長(zhǎng)40 cm，寬10 cm，稱(chēng)為植物模塊B。植物模塊A布置在水槽中間位置，兩側(cè)留出10 cm寬的過(guò)魚(yú)通道，植物模塊B布置在魚(yú)道的兩側(cè)，中間留出20 cm寬的過(guò)魚(yú)通道。植物模塊A與植物模塊B之間相距40 cm。

模型采用電磁流量計(jì)控制流量，采用水位測(cè)針測(cè)量水位，采用多普勒電磁流速儀（acoustic doppler velocimeter，ADV）在1/2水深處測(cè)量時(shí)均流速[40-41]。測(cè)點(diǎn)主要布置在過(guò)魚(yú)通道內(nèi)，植物模塊A兩側(cè)水流為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，故只在其左側(cè)的過(guò)魚(yú)通道內(nèi)布置了測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)測(cè)點(diǎn) 1～47觀測(cè)流速沿程分布，分析該流速指標(biāo)下目標(biāo)魚(yú)類(lèi)能否通過(guò)；通過(guò)所有偶數(shù)標(biāo)號(hào)的測(cè)點(diǎn)觀測(cè)水深沿程分布，其中位于水槽起始端的測(cè)點(diǎn) 0和位于末端的測(cè)點(diǎn)48分別用來(lái)監(jiān)測(cè)水槽內(nèi)上、下游水位。具體測(cè)點(diǎn)布置參見(jiàn)圖4a。

2.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在實(shí)際工程中總是存在著魚(yú)道上、下游水位變動(dòng)的情況，從而導(dǎo)致魚(yú)道的上、下游水深不一致，從而造成魚(yú)道內(nèi)水流速度的變化。由于本文是探索性將植物模塊作為阻水特性單元構(gòu)建新型的魚(yú)道形式，尚處于研究的初步階段，在設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)僅考慮了水深沿程不變的均勻流工況，見(jiàn)表2。

圖4 植物模塊交錯(cuò)布置方案模型布置圖Fig.4 Layout of staggered arrangement of plant modules scheme

表2 試驗(yàn)工況Table 2 Test conditions

3 結(jié)果與分析

3.1 植物模塊阻水效果

通過(guò)對(duì)植物滿鋪方案進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)該體型的沿程水面線分布、流速分布進(jìn)行測(cè)量，對(duì)該密度的植物模塊的阻水效果進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 植物滿鋪方案水流試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Flow test results of plants full arrangement scheme

本次試驗(yàn)所用水槽為水泥抹面，在加入植株之前，對(duì)應(yīng)原型等效糙率為0.014，植物滿鋪方案所測(cè)得的原型等效糙率為0.2左右（表3），糙率值增加幅度較大。由此可知，本試驗(yàn)所測(cè)試的密度156株/m2的蘆葦植株模塊能夠起到較好的阻水效果。

3.2 植物模塊交錯(cuò)布置方案

對(duì)植物模塊交錯(cuò)布置方案進(jìn)行試驗(yàn)，分別對(duì)模型運(yùn)行水深約為11和15 cm，（長(zhǎng)度比尺λl=5，對(duì)應(yīng)原型運(yùn)行水深約為55和80 cm）2種工況進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：位于魚(yú)道中央的植物模塊A將來(lái)流分成2股對(duì)稱(chēng)水流，位于魚(yú)道兩側(cè)的植物模塊B起到阻水作用，迫使2股水流重新匯合，從位于2個(gè)植物模塊B之間的過(guò)魚(yú)通道通過(guò)，然后再次進(jìn)入植物模塊A兩側(cè)的過(guò)魚(yú)通道。由此可知，植物模塊能夠起到較為明顯的阻水效果，魚(yú)道內(nèi)水流走向蜿蜒曲折，經(jīng)歷“分流-匯合-分流”的重復(fù)過(guò)程，流態(tài)豐富，水面線平穩(wěn)（圖5a）。

圖5 植物模塊交錯(cuò)布置魚(yú)道水深及流速沿程分布Fig.5 Distribution of water depth and velocity along fishway in staggered arrangement of plant modules scheme

2種運(yùn)行水深工況下，其水流流態(tài)和流速指標(biāo)較為接近（圖5b），水流流速能夠得到有效控制。測(cè)點(diǎn)3位于植物模塊A左側(cè)過(guò)魚(yú)通道的下游斷面；測(cè)點(diǎn)7位于2個(gè)植物模塊B中間過(guò)魚(yú)通道的下游斷面，這2個(gè)斷面分別為各自過(guò)魚(yú)通道內(nèi)流速最高斷面，即為決定魚(yú)類(lèi)能否成功上溯的控制斷面。對(duì)這2類(lèi)斷面的流速結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并按照流速比尺進(jìn)行換算，這2類(lèi)斷面處對(duì)應(yīng)的原型流速值范圍均為 0.87～1.08 m/s，均小于1.1 m/s，能夠滿足過(guò)魚(yú)需求。另外，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在各植物模塊下游一定范圍內(nèi)存在低流速區(qū)，對(duì)應(yīng)原型流速值范圍為0.2～0.6 m/s，可為魚(yú)類(lèi)提供休息場(chǎng)所。

為了更好的反映對(duì)植物模塊交錯(cuò)布置方案流速控制斷面的流速分布，分別對(duì)測(cè)點(diǎn)19和23的流速垂向分布進(jìn)行研究，如圖6所示。結(jié)果表明：測(cè)點(diǎn)19的流速在垂向上存在較大差異，表層和底層的流速相對(duì)較小，最大流速出現(xiàn)在水流的中間層，流速的差異分布為具備不同游泳能力的魚(yú)類(lèi)個(gè)體的通過(guò)提供了可能。測(cè)點(diǎn)23的流速垂向分布較為均勻。

圖6 典型測(cè)點(diǎn)處的流速垂向分布（水深80 cm）Fig.6 Vertical distribution of velocity at typical measuring points(Water depth 80 cm)

綜上所述，交錯(cuò)布置的植物型魚(yú)道可以形成蜿蜒的水流，控制流速在合理范圍內(nèi)，同時(shí)流態(tài)豐富，柔性的邊界貼近自然。

4 過(guò)魚(yú)試驗(yàn)

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)魚(yú)道的可行性，進(jìn)一步開(kāi)展了過(guò)魚(yú)試驗(yàn)研究，判斷所設(shè)計(jì)魚(yú)道水流結(jié)構(gòu)的合理性與有效性。

4.1 試驗(yàn)樣本

草魚(yú)是半洄游魚(yú)類(lèi)[15]，其幼魚(yú)的半洄游習(xí)性也非常顯著和有規(guī)律性，容易獲取和養(yǎng)殖，十分適合作為試驗(yàn)用魚(yú)，故本次試驗(yàn)選擇草魚(yú)幼魚(yú)為過(guò)魚(yú)對(duì)象。綜合考慮魚(yú)道尺寸、流速等因素，選擇體長(zhǎng)范圍為(10±2) cm的草魚(yú)幼魚(yú)，如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)用草魚(yú)幼魚(yú)Fig.7 Juvenile grass carp for experiment

龔麗等[42]于2015年測(cè)定了5～15 cm草魚(yú)幼魚(yú)的臨界游泳速度，并得到擬合關(guān)系式

式中Ucrit為臨界游泳速度，cm/s，BL為試驗(yàn)魚(yú)體長(zhǎng)，cm。

曹平[43]于2017年測(cè)定了6～15cm草魚(yú)幼魚(yú)的突進(jìn)游泳速度，并得到擬合關(guān)系式

式中Uburst為突進(jìn)游泳速度，cm/s。

經(jīng)上式計(jì)算，本次試驗(yàn)中所用草魚(yú)幼魚(yú)臨界游泳速度約為0.95 m/s，突進(jìn)游泳速度約為1.17 m/s。

4.2 過(guò)魚(yú)試驗(yàn)

將試驗(yàn)用魚(yú)放置于1 m×1 m×1 m的矩形水池中暫養(yǎng)2周。暫養(yǎng)水循環(huán)深井水，水溫維持在17 ℃左右，暫養(yǎng)池中采用曝氣處理，溶解氧濃度維持在7 mg/L以上，光照為室內(nèi)自然光，試驗(yàn)前2 d停止喂食。

試驗(yàn)在植物模塊交錯(cuò)布置方案魚(yú)道模型中開(kāi)展。試驗(yàn)包括2種工況，每種工況分別放魚(yú)10次，每次放魚(yú)一條。工況1為原型運(yùn)行水深80 cm，工況2為原型運(yùn)行水深55 cm。試驗(yàn)開(kāi)始前，先將試驗(yàn)魚(yú)放置于魚(yú)道進(jìn)口下游水池適應(yīng)10 min，隨后撤去攔魚(yú)柵。當(dāng)試驗(yàn)用魚(yú)通過(guò)第一個(gè)過(guò)魚(yú)口時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，到達(dá)模型終點(diǎn)時(shí)結(jié)束計(jì)時(shí)，并記錄上溯時(shí)間。若上溯歷時(shí)超過(guò)10 min試驗(yàn)魚(yú)未抵達(dá)模型終點(diǎn)，則視為上溯失敗。

4.3 過(guò)魚(yú)效果

過(guò)魚(yú)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)大部分草魚(yú)幼魚(yú)在水池內(nèi)趨流行為具體表現(xiàn)為頂流向前，草魚(yú)通過(guò)調(diào)整身體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)以某種特定的運(yùn)動(dòng)節(jié)奏擺動(dòng)尾鰭向前推進(jìn)。

過(guò)魚(yú)對(duì)象體力充沛時(shí)，沿魚(yú)道內(nèi)預(yù)留過(guò)魚(yú)口上溯，水流流速未對(duì)上溯行為形成阻礙，魚(yú)類(lèi)在通過(guò)中間水流通道后，可在兩側(cè)水流通道中自由選擇，整體而言上溯過(guò)程順利，如圖8a所示。當(dāng)魚(yú)類(lèi)需要休息時(shí)，可以在植物模塊下游側(cè)的低流速區(qū)休息，中間的植物模塊A和兩側(cè)的植物模塊B均可以在下游側(cè)為過(guò)魚(yú)對(duì)象提供休息區(qū)，如圖8b和圖8c所示。

圖8 過(guò)魚(yú)試驗(yàn)典型魚(yú)類(lèi)行為（草魚(yú)幼魚(yú)）Fig.8 Typical fish behavior of fish passing test(juvenile grass carp)

表4為試驗(yàn)魚(yú)上溯歷時(shí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，分析表4可得，工況1上溯成功率90%，平均歷時(shí)66 s，工況2上溯成功率100%，平均歷時(shí)67 s。結(jié)果表明該體型仿自然魚(yú)道流速適宜、流場(chǎng)合理。

表4 試驗(yàn)魚(yú)上溯歷時(shí)統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of fish passing time

5 結(jié) 論

本文通過(guò)模型試驗(yàn)方法，對(duì)植物型魚(yú)道的水力特性和過(guò)魚(yú)效果進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下：

1）構(gòu)建植物型魚(yú)道，需要綜合考慮多年生挺水植物的生物特性和物理特性、目標(biāo)魚(yú)類(lèi)的洄游習(xí)性和游泳能力，以及植物生長(zhǎng)周期與魚(yú)類(lèi)洄游季節(jié)相匹配等條件，本文通過(guò)調(diào)查研究表明，選取蘆葦為基本單元構(gòu)建植物型魚(yú)道是可行的。

2）模型試驗(yàn)表明，本文所測(cè)試的密度 156株/m2的蘆葦植株模塊具有較好的阻水效果，利用該植物模塊構(gòu)建仿自然魚(yú)道是可行的。

3）研究提出了一種植物模塊交錯(cuò)布置的植物魚(yú)道體型，魚(yú)道內(nèi)形成蜿蜒的水流，水流流態(tài)豐富，水流流速能夠得到有效控制，魚(yú)道過(guò)魚(yú)口流速均小于1.1 m/s。

4）過(guò)魚(yú)試驗(yàn)表明，目標(biāo)魚(yú)類(lèi)可以在植物模塊交錯(cuò)布置通道內(nèi)順利上溯，且中間的植物模塊和兩側(cè)的植物模塊下游側(cè)均可以為魚(yú)類(lèi)提供休息區(qū)，從生態(tài)學(xué)角度驗(yàn)證了植物模塊交錯(cuò)布置魚(yú)道體型的合理性。