劉志雄，岳漢生，王 猛

（長(zhǎng)江科學(xué)院水力學(xué)研究所，武漢 430010）

同側(cè)導(dǎo)豎式魚(yú)道水力特性試驗(yàn)研究

劉志雄，岳漢生，王 猛

（長(zhǎng)江科學(xué)院水力學(xué)研究所，武漢 430010）

以某水電站魚(yú)道體型為研究基礎(chǔ)，通過(guò)1∶10魚(yú)道局部模型，對(duì)同側(cè)豎縫式池室的水力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了過(guò)魚(yú)池室流態(tài)、流速分布以及適合目標(biāo)魚(yú)類(lèi)上溯的路徑等，并對(duì)隔板體型、豎縫寬度以及池室長(zhǎng)度等進(jìn)行了分析論證。試驗(yàn)結(jié)果表明，該隔板型式、池室尺寸以及池底坡度的同側(cè)導(dǎo)豎式魚(yú)道參數(shù)設(shè)計(jì)基本合理，比較適合需要保護(hù)的4大家魚(yú)洄游上溯。通過(guò)活魚(yú)試驗(yàn)，驗(yàn)證了魚(yú)類(lèi)上溯喜好的水力條件等。

魚(yú)道；洄游；同側(cè)導(dǎo)豎式；池室；流速

1 研究背景

目前我國(guó)水資源的治理和開(kāi)發(fā)進(jìn)入了新的階段，在我國(guó)的大江大河上修建了越來(lái)越多的大壩以及其他阻隔建筑物等，阻斷了原河流的連續(xù)性，改變了河流固有的自然特性，閘壩上下游的水環(huán)境與水生態(tài)環(huán)境條件產(chǎn)生較大變化。一般而言，閘壩修建后，魚(yú)類(lèi)棲息地環(huán)境質(zhì)量、水位、流量、水溫等環(huán)境因素的變化將會(huì)對(duì)魚(yú)類(lèi)習(xí)性產(chǎn)生較大影響，阻斷水生動(dòng)物（主要是魚(yú)類(lèi)）的遷移，可能會(huì)直接導(dǎo)致某些溯河回游魚(yú)類(lèi)種群的滅絕。阻隔作用與污染作用不同，它具有非連續(xù)性的特點(diǎn)，具有一處阻斷、完全隔絕的特征［1］。因此，如何更有效地恢復(fù)河流的連通性，協(xié)調(diào)好大壩建設(shè)與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系，研究河流生態(tài)修復(fù)，成為水生態(tài)領(lǐng)域和水利工程的迫切需求，而魚(yú)道作為一種保護(hù)生物資源的工程措施，以其本身固有的特點(diǎn)，基本能滿足人們恢復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)的要求［2］。

一般來(lái)說(shuō)，魚(yú)道的隔板型式可大致分為堰流式、孔口式、豎縫式等。1908年比利時(shí)學(xué)者丹尼爾（G．Denil）設(shè)計(jì)并建造了世界上第一座魚(yú)道，在1946年加拿大Fraser河鬼門(mén)（Hell’s Gate）峽建成第一座豎縫式魚(yú)道起，至1947年共建成了6座豎縫式魚(yú)道和1座堰式魚(yú)道。豎縫式魚(yú)道在我國(guó)采用較多，如江蘇的斗龍港魚(yú)道、瓜州閘魚(yú)道、利民河魚(yú)道，安徽的裕溪閘魚(yú)道，浙江的七里垅魚(yú)道等。豎縫式魚(yú)道的優(yōu)點(diǎn)是能適應(yīng)不同水深的魚(yú)類(lèi)洄游，水位的變化，魚(yú)類(lèi)不受水位變化的影響，因此在各型魚(yú)道中備受推崇［3］。

2 模型布置及運(yùn)行工況

2．1 模型布置

本魚(yú)道在下游設(shè)置2個(gè)進(jìn)魚(yú)口，以適應(yīng)下游水位5．2 m變幅的要求。低水位進(jìn)魚(yú)口（定義為第一進(jìn)魚(yú)口）進(jìn)口底板高程為171．80 m，適應(yīng)下游水位為173．30～175．90 m；高水位進(jìn)魚(yú)口（定義為第二進(jìn)魚(yú)口）進(jìn)口底板高程為174．40 m，適應(yīng)下游水位為175．90～178．50 m。低水位時(shí)開(kāi)啟節(jié)制閘門(mén)，關(guān)閉擋水閘門(mén)，魚(yú)道的水流從低水位進(jìn)魚(yú)口出流；下游水位高于低水位進(jìn)魚(yú)口工作水位時(shí)，節(jié)制閘門(mén)關(guān)閉，擋水閘門(mén)開(kāi)啟，水流從高水位進(jìn)魚(yú)口出流。

原型中單個(gè)過(guò)魚(yú)池凈寬2．0 m，長(zhǎng)2．6 m，底坡2．0%，每間隔10個(gè)隔板設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)5．2 m的平底休息池。過(guò)魚(yú)池及休息池隔板采用同側(cè)導(dǎo)豎式，隔板厚20 cm，豎縫寬度為40 cm，設(shè)計(jì)最小水深為1．5 m。模型按重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，模型比尺為1∶10，主要模擬了原型魚(yú)道底板高程171．80～176．58 m段（包括第一進(jìn)魚(yú)口及第二進(jìn)魚(yú)口），其中，完整池室約90個(gè)，休息池10個(gè)。模型包括上游量水堰、水庫(kù)以及下游水池等，模型長(zhǎng)度約40 m，寬度約1．2 m。模型布置見(jiàn)圖1。

2．2 運(yùn)行工況

本文主要介紹利用魚(yú)道第一進(jìn)魚(yú)口進(jìn)魚(yú)時(shí)的成果，主要運(yùn)行工況為上游水位為191．73 m、下游水位分別為173．30 m（進(jìn)魚(yú)口水深1．5 m，定義為工況1）和175．90 m（進(jìn)魚(yú)口水深4．10 m，定義為工況2）。

圖1 模型模擬部分及單個(gè)池室布置圖Fig．1 Layout of themodel and a single pool room

3 試驗(yàn)研究成果

3．1 流 態(tài)

工況1條件下，上游水庫(kù)水位平穩(wěn)，無(wú)明顯波動(dòng)。水流進(jìn)入第一級(jí)豎縫隔板時(shí)，由正向進(jìn)流調(diào)整為左側(cè)（較窄隔板側(cè)）進(jìn)流，水流在隔板前壅高，并在豎縫處形成明顯的跌落；水流經(jīng)豎縫調(diào)整后，向右以45°進(jìn)入第一級(jí)池室，由于慣性作用繼續(xù)流向右側(cè)，但未直接沖擊右側(cè)側(cè)墻；主流在到達(dá)池室中間斷面時(shí)，受下一級(jí)豎縫的影響，逐漸流向左側(cè)，在池室內(nèi)呈“S”形，兩側(cè)邊墻附近的水流為弱回流，右側(cè)寬隔板上下游小范圍內(nèi)的流速較小或呈靜水狀態(tài)。以下其他各級(jí)池室的水流流態(tài)與第一級(jí)池室基本相同。水流出最后一級(jí)池室，流向魚(yú)道進(jìn)口時(shí)，在最后一級(jí)左側(cè)窄隔板導(dǎo)流下，魚(yú)道進(jìn)口水流流向右側(cè)，順右側(cè)而行，左側(cè)為弱回流形態(tài)。整個(gè)池室內(nèi)水流較為平穩(wěn)，流態(tài)良好。各部位水流基本形態(tài)見(jiàn)圖2。

圖2 工況1條件下魚(yú)道各部位流態(tài)Fig．2 Flow patterns at the outlet and in the fishway in working condition 1

工況2條件下，下游水位升高后，第二進(jìn)口以下的魚(yú)道池室水深沿程逐漸增加，豎縫處的過(guò)水面積增大，流速逐漸變緩，池室內(nèi)的主流形態(tài)仍呈“S”形。但池室的水流較順直，行程縮短。水流經(jīng)第一進(jìn)口時(shí)，仍沿右側(cè)下行，但左側(cè)的回流面積增大，魚(yú)道第二進(jìn)口及其他池室的流態(tài)與工況1基本類(lèi)同。

3．2 池室沿程水深

在各個(gè)池室內(nèi)均布置了水位測(cè)點(diǎn)，對(duì)魚(yú)道沿程水深進(jìn)行觀測(cè)并分別計(jì)算各級(jí)池室的水位差。試驗(yàn)結(jié)果表明，工況1條件下，沿程池室水深可維持在1．50 m左右，上下級(jí)池室的水位差均為0．05 m，與池室底板坡度2%相近，休息池內(nèi)水深略小，為1．48 m。工況2條件下，下游水位抬升后，第一進(jìn)魚(yú)口處水深為4．10 m，向上游沿程逐漸減小，至模型上游魚(yú)道出口時(shí)水深變?yōu)?．61 m，上下級(jí)池室內(nèi)水位差在上游段基本為0．05 m，至下游段后逐漸減小。

3．3 流 速

工況1和2兩種條件下池室的表面流速矢量及流速等值線分布見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 工況1池室內(nèi)表面流速分布及等值線圖Fig．3 Velocity distribution and contours on pool surface in working condition 1

圖4 工況2（水深4．1 m）池室表面流速分布及等值線圖Fig．4 Velocity distribution and contours on pool surface in working condition 2（water depth 4．1 m）

魚(yú)道的水流在工況1條件下，沿程池室的水流條件及流速分布基本相同，豎縫處流速在1．0 m／s左右，池室中間主流流速為0．4～0．8 m／s，兩側(cè)及隔板下游附近流速均小于0．3 m／s，呈回流或靜水狀態(tài)。

魚(yú)道的水流在工況2條件下，兩進(jìn)口間的池室沿程水深逐漸增加，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e沿程逐漸增大，平均流速沿程逐漸減小。池室最大水深（4．1 m）處的豎縫流速在0．40 m／s左右，池室的流速也相應(yīng)逐漸減小，但主流流速仍大于0．20 m／s。

根據(jù)楊軍嚴(yán)［1］的研究結(jié)果，體長(zhǎng)20～30 cm的魚(yú)類(lèi)，其感應(yīng)流速為0．2～0．3 m／s，喜愛(ài)流速為0．5～0．8 m／s，通過(guò)孔口的極限流速為1．0～1．2 m／s。模型試驗(yàn)觀測(cè)的池室水力條件基本能滿足通過(guò)4大家魚(yú)（人工飼養(yǎng)的青魚(yú)、草魚(yú)、鰱魚(yú)、鳙魚(yú)）的上溯要求。

3．4 活魚(yú)試驗(yàn)

為了觀測(cè)活魚(yú)對(duì)本文魚(yú)道型式的適應(yīng)性，模型中進(jìn)行了活魚(yú)試驗(yàn)?；铘~(yú)選擇了2條青色鯽魚(yú)（1＃鯽魚(yú)長(zhǎng)9．0 cm、寬2．5 cm；2＃鯽魚(yú)長(zhǎng)6．0 cm、寬1．5 cm）以及近10條紅色雜交鯽魚(yú)（長(zhǎng)度均在10．0 cm左右）。

工況1條件下，2條青色鯽魚(yú)表現(xiàn)出了較大的差異。1＃鯽魚(yú)在進(jìn)入池室后，能較快地找到主流及豎縫位置，迎流上溯，較迅速地穿過(guò)豎縫，進(jìn)入上一級(jí)池室，之后沿魚(yú)道左側(cè)窄隔板流速較小區(qū)域上溯，并偶有停頓，然后再沿豎縫通過(guò)進(jìn)入更上一級(jí)池室。1＃鯽魚(yú)在每上溯5～6級(jí)池室后會(huì)停留休息。2＃鯽魚(yú)在進(jìn)入池室后，也能沿主流經(jīng)豎縫上溯，但因體力相對(duì)較弱，沒(méi)能順利上溯，且有被豎縫水流沖至下游的現(xiàn)象發(fā)生。

考慮到魚(yú)類(lèi)有群體活動(dòng)的特性，故選擇了10條紅色雜交鯽魚(yú)作為研究對(duì)象，以觀察魚(yú)類(lèi)的群體活動(dòng)特性。試驗(yàn)工況選擇工況2。該工況下，雜交鯽魚(yú)在1＃青色鯽魚(yú)的帶動(dòng)下，能順利地找到主流及豎縫位置，一起較快地上溯，即使是較小體型鯽魚(yú)，也能跟著較快地順利上溯。在模型中3 min上溯距離約10 m。另外，該魚(yú)類(lèi)均喜歡沿魚(yú)道底部上溯，活魚(yú)試驗(yàn)時(shí)魚(yú)類(lèi)在池室中的上溯形態(tài)見(jiàn)圖5。

圖5 魚(yú)類(lèi)在池室中上溯形態(tài)Fig．5 Upstream steps of fish in the pool

4 結(jié)論及建議

（1）導(dǎo)豎式隔板型魚(yú)道中，水流順豎縫向右以45°進(jìn)入下級(jí)池室，池室水流呈“S”形。主流兩側(cè)為弱回流，寬隔板上下游較小范圍的流速較小或呈靜水狀態(tài)。整個(gè)池室水流較為平穩(wěn)，流態(tài)良好，主流與靜水（或弱回流）分布區(qū)域合適，比較適合魚(yú)類(lèi)洄游上溯。

（2）各工況下豎縫附近的最大流速均未超過(guò)1．2 m／s，主流流速變化也比較順暢，池室的小流速區(qū)和靜水區(qū)的面積均比較大，適合4大家魚(yú)魚(yú)群洄游上溯。在設(shè)計(jì)工況下，沿程池室內(nèi)水深基本相同，上下級(jí)池室內(nèi)水位差恒定，且與池室底板坡度相同，魚(yú)道隔板的尺寸及豎縫型式均滿足要求。

（3）活魚(yú)試驗(yàn)表明，在有魚(yú)群（多條魚(yú)）進(jìn)入池室時(shí)，體型大于6．0 cm×1．5 cm（體長(zhǎng)×體寬）的魚(yú)類(lèi)能順利地找到主流及豎縫位置，克服模型最大豎縫流速（約0．4 m／s），較順利地進(jìn)行洄游上溯，在3 min內(nèi)能上溯近10 m的距離。

綜上所述，魚(yú)道池室流態(tài)良好，流速分布合理，豎縫最大流速滿足要求。本魚(yú)道采用同側(cè)導(dǎo)豎式的隔板型式，池寬2．0 m，單池長(zhǎng)2．6 m，豎縫寬度0．4 m，池底坡度2%等參數(shù)設(shè)計(jì)基本合理。本次模型試驗(yàn)成果，可供體長(zhǎng)為20～30 cm的4大家魚(yú)保護(hù)魚(yú)類(lèi)的相關(guān)工程魚(yú)道建設(shè)作為參考。

［1］ 楊軍嚴(yán)．初探水利水電工程阻隔作用對(duì)水生動(dòng)物資源及水生態(tài)環(huán)境影響與對(duì)策［J］．西北水力發(fā)電，2006，22（4）：80－82．（YANG Jun yan．Discussion on Ob struction of Hydraulic Engineering on Aquatic Resources and Aquatic Ecology and the Countermeasures［J］．Jour nal of Northwest Hydroelectric Power，2006，22（4）：80－82．（in Chinese））

［2］ 劉志雄，周 赤，黃明海．魚(yú)道應(yīng)用現(xiàn)狀和研究發(fā)展［J］．長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2010，27（4）：28－35．（LIU Zhi xiong，ZHOU Chi，HUANG Ming hai．Situation and De velopment of Fishway Research and Application［J］．Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2010，27（4）：28－35．（in Chinese））

［3］ 南京水利科學(xué)研究所．魚(yú)道［M］．北京：電力工業(yè)出版社，1982．（Nanjing Hydraulic Research Institute．Fish way［M］．Beijing：Electric Power Industry Press，1982．（in Chinese） ）

（編輯：黃 玲）

Hydraulic Characteristics of Vertical Cross set Slots Fishway w ith Deflecting Block

LIU Zhi xiong，YUE Han sheng，WANG Meng
（Hydraulics Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The hydraulic characteristics in the pool of vertical cross set slots fishway with deflecting block were re searched through 1∶10 partial fishwaymodel test．The hydraulic factors such as flow regime，velocity distribution in the pool and the suitable upstream path for targeted fisheswere observed，and the baffle shape，slotwidth and pool length were analyzed．The results verified the rationality of the baffle type，pool size，and parameters of the fish way．Through live fish experiment，we get the physiological characteristics and hydraulic conditions favorable for the breedingmigration of fourmajor Chinese carps．

fishway；migration；vertical cross set slots fishway with deflecting block；pool room；flow velocity

S956．3

A

1001－5485（2013）08－0113－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．08．024

2013，30（08）：113－116

2013－04－25；

2013－06－03

劉志雄（1975－），男，湖北監(jiān)利人，高級(jí)工程師，主要從事水力學(xué)研究，（電話）027－82829760（電子信箱）Liuzx＠m(xù)ail．crsri．cn。