伍銘杰，諸 韜

（廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510635）

人類為了提高自身的生存環(huán)境，開始不斷興修水利工程以滿足人類與社會(huì)的經(jīng)濟(jì)效益需求。伴隨著越來越多水利工程的修建，其河流生態(tài)系統(tǒng)本身的需求卻在不同程度上被忽視，造成了江河阻隔。這不但阻斷了河流中洄游魚類的上溯通道，也影響了上游營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向下輸移和上游產(chǎn)卵區(qū)魚苗對(duì)下游魚類資源的補(bǔ)充，使得水利工程潛存的生態(tài)問題越來越嚴(yán)重與突出，甚至造成氣候改變、生物滅絕等生態(tài)問題[1-3]。以富春江為例，在修建水利樞紐之前，富春江有各種魚類110多種，年產(chǎn)魚在3.5～4萬擔(dān)，其中聞名海外的鰣魚年產(chǎn)量在1～1.5千擔(dān)；而隨著大壩的修建完成，富春江的年產(chǎn)魚量下降到了不足5千擔(dān)，而鰣魚年產(chǎn)量下降到了不足1擔(dān)；而葛洲壩水利工程的建設(shè)也對(duì)中華鱘的生存環(huán)境造成影響。修建前，產(chǎn)卵的中華鱘逆水而上直達(dá)金沙江，而葛洲壩修建后，截?cái)嗔碎L(zhǎng)江，洄游的中華鱘只能到達(dá)壩下，至使產(chǎn)卵江段由原來的800 km縮減到7 km，產(chǎn)卵場(chǎng)數(shù)量由原來的16處減少到1～2處，產(chǎn)卵場(chǎng)面積也只有0.4 km2。而問題的出現(xiàn)，使人們開始嘗試尋找解決問題的方法。而魚道作為溝通魚類與閘壩建筑物之間的橋梁，在一定程度上能減緩、補(bǔ)償閘壩對(duì)魚類洄游的阻隔影響[4]。

1 國(guó)內(nèi)外魚道的發(fā)展動(dòng)態(tài)

魚道這一概念最早于17世紀(jì)60年代法國(guó)首次提出，要求在閘壩上修建一條供水生生物上下通行的通道。19世紀(jì)80年代蘇格蘭建成了世界上第一座魚道，名為胡里壩魚道。但是當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，也未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究與實(shí)地考察，致使魚類不能順利通過該魚道，導(dǎo)致魚道有水無魚，處于廢棄狀態(tài)，因此這是一次不成功的嘗試[5]。傳統(tǒng)的魚道在設(shè)計(jì)施工和經(jīng)營(yíng)管理上都存在著不足，使得很多魚道在修建完成后并不能物盡其用，過魚效果甚微，而魚道也逐漸開始被人們所廢棄。進(jìn)入20世紀(jì)以來，伴隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，隨之而來的是對(duì)水電能源和防洪、灌溉以及城市供水的需求不斷加大，水利水電事業(yè)得以蓬勃發(fā)展，但工程的修建和生態(tài)環(huán)境的矛盾也隨之而來，這使得人們又把重點(diǎn)開始轉(zhuǎn)移到了研究魚道上。20世紀(jì)10—30年代，比利時(shí)人丹尼爾對(duì)魚道進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究與探索，創(chuàng)造了一種能很好的減少魚道內(nèi)部流速的獨(dú)具型式的魚道，后人稱之為“Denil式魚道”[6]。1913年，美國(guó)和加拿大建成了世界上著名的赫爾斯門魚道。1938年在美國(guó)建成的邦納維爾壩，是世界上第一座有集魚系統(tǒng)的過魚建筑物。美國(guó)的約翰代魚道成功的解決了鮭魚類在較高水頭洄游產(chǎn)卵的問題。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，1960年以來，美國(guó)和加拿大便意識(shí)到水生生態(tài)環(huán)境的重要性，開始不斷地研究與探索魚道，幾十年間，建有魚道200座以上。西歐各國(guó)擁有魚道100座以上；日本約有35座[7]。1990年后，國(guó)外魚道的探索與修建達(dá)到了一個(gè)頂峰，魚道的數(shù)量也呈現(xiàn)幾何倍的增長(zhǎng)。以美國(guó)和加拿大為首的北美國(guó)家魚道修建了近400座，而日本所擁有的魚道有1 400多座，是之前的40倍之多。

早起年間，為了更好的保護(hù)鮭魚、鱒魚等商業(yè)價(jià)值高的洄游性魚類，國(guó)外開始修建起魚道來；而近幾年，魚道不僅僅是保護(hù)那些經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的魚類，也已經(jīng)開始加強(qiáng)對(duì)當(dāng)?shù)赝林~類的保護(hù)。

相對(duì)而言，我國(guó)過魚建筑物的建設(shè)和研究歷史起步較晚，而國(guó)魚對(duì)象也較為單一，主要以珍貴魚類、鯉科魚類和蝦蟹幼苗為主，國(guó)內(nèi)魚道大致可以分為3個(gè)階段：

1）初步發(fā)展期。國(guó)內(nèi)首次提出魚道這一概念大約是在20世紀(jì)50年代設(shè)計(jì)富春江七里瀧水電站時(shí)，與此同時(shí)組織了國(guó)內(nèi)的專家展開了一系列的科學(xué)實(shí)驗(yàn)、環(huán)境調(diào)查以及實(shí)地勘測(cè)考察，這預(yù)示著我國(guó)魚道建設(shè)的初步發(fā)展期已經(jīng)完成。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)首個(gè)魚道的修建于20世紀(jì)60年代在興凱湖附近建成；20世紀(jì)50年代至20世紀(jì)80年代期間，我國(guó)相繼完成了40余座魚道的建設(shè)，這標(biāo)志著我國(guó)在魚道的初期探索中取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。

2）停滯期。由于國(guó)內(nèi)修建的魚道過魚效果不甚理想，自20世紀(jì)80年代始，國(guó)內(nèi)首次開始嘗試采用繁殖放流的方式，并取得了不錯(cuò)的效果。此后的20年期間，過魚建筑物的修建逐步被繁殖放流的方式所取代。這直接導(dǎo)致了國(guó)內(nèi)魚道的研究與探索出現(xiàn)了停滯的狀態(tài)，而已建的過魚設(shè)施也因有水無魚，過魚效果不理想而被停用或廢棄。例如，浙江的七里垅魚道、湖南的洋塘魚道都已經(jīng)被“綠化隱蔽”，廢棄不用了。

3）二次發(fā)展期。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著改革開放的到來，國(guó)內(nèi)的經(jīng)濟(jì)不斷的發(fā)展，我國(guó)的水利工程事業(yè)也開始逐步加深，但天然漁業(yè)資源嚴(yán)重退化，甚至一些水生物種處于瀕臨滅絕，使得國(guó)家開始意識(shí)到過魚設(shè)施建設(shè)的重要性，這使得過魚設(shè)施又開始“煥發(fā)青春”，二次發(fā)展。2005年底，原國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局主持召開了水利水電建設(shè)項(xiàng)目水環(huán)境與水生生態(tài)保護(hù)技術(shù)政策研討會(huì)，2006年初下發(fā)了“關(guān)于印發(fā)《水電水利建設(shè)項(xiàng)目河道生態(tài)用水、低溫水和過魚設(shè)施環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)指南（試行）》的函”（環(huán)評(píng)函［2006］4號(hào)），以及2010年底“建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)魚類保護(hù)（魚道專題）技術(shù)高級(jí)研討會(huì)”的召開，都有力地促進(jìn)了過魚設(shè)施的規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)和相關(guān)技術(shù)研究的多方面發(fā)展。

2 魚道研究進(jìn)展

2.1 魚道結(jié)構(gòu)

魚道，也稱魚梯，是一種使洄游性魚類在各種水利工程中（如水電站，水閘等）實(shí)現(xiàn)上溯洄游的設(shè)施[8]。魚道按其結(jié)構(gòu)形式可分為斜槽式、水池式和隔板式。

斜槽式魚道為矩形斷面的傾斜水槽，根據(jù)其是否限制水流和其是否設(shè)置加糙設(shè)施又可分為簡(jiǎn)單斜槽式和加糙式魚道。其優(yōu)點(diǎn)為體積較小，利于過魚，表層流速大，利于誘魚；缺點(diǎn)是流態(tài)差，氣體飽和度高，不易維修[9]。

水池式魚道是由一連串連接上下游的水池組成，以短渠連接各水池，水池式魚道的布置形式最接近天然河道，魚類在池室中可以獲得良好的休憩，但是該魚道的限制條件較高，要求水頭小且占地大，因此工程運(yùn)用上較少采用。

隔板式魚道也被稱之為梯級(jí)魚道，是目前國(guó)內(nèi)外運(yùn)用最為廣泛的一種魚道，其組成成分包括梯級(jí)式底板以及橫隔板的一系列水槽；橫隔板將魚道上下游水位分成若干個(gè)梯級(jí)。隔板式魚道根據(jù)孔口的位置以及形式可分為溢流堰式、淹沒孔口式、豎縫式以及組合式4種。

2.2 魚道流速

魚道的修建是為了讓魚類能夠通過其完成上溯產(chǎn)卵的過程，而魚類本身都具有自己的喜好流速，大部分的魚類喜好流速都在0.3～1.4 m/s之間，一個(gè)好的魚道就是要將其內(nèi)流速控制在這一范圍，因此，魚道內(nèi)隔板的流量一般控制在0.2～2.0 m3/s。董志勇等[10]于2008年對(duì)魚道豎縫寬度b0與水池寬度W之比較大（b0/W＞1/5）的情況進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果顯示：如果水流流速適宜，滿足魚類的喜好流速，則魚類將沿著豎縫處徑直上溯。反之如果流速較大，超過魚類的喜好流速，則不利于洄游魚類進(jìn)行上溯行為；且池室內(nèi)豎縫位置處的斷面平均流速分布呈現(xiàn)正態(tài)分布規(guī)律。曹慶磊等人[11]于2010年采用三維超聲波流速儀（ADV）進(jìn)行魚道流速測(cè)量，得出池室豎縫出口處位置流速、紊動(dòng)能和雷諾剪切應(yīng)力最大，而在池室的左右兩側(cè)回流區(qū)位置比較小，而大回流區(qū)位置的流速、紊動(dòng)能和雷諾剪切應(yīng)力要小于小回流區(qū)位置，更加適合魚類在其中休憩；由于魚道水流為二元流，因此池室中流速垂向的分量很小，幾乎為零，故可以忽略不計(jì)；而在流量相同的情況下，增加水深，流速有逐漸減小的趨勢(shì)，但紊動(dòng)能和雷諾剪切應(yīng)力卻有逐漸增大的趨勢(shì)；池室中水深不變，流量增加，池室中的流速、紊動(dòng)能和雷諾剪切應(yīng)力會(huì)伴隨著流量的增大而逐漸增大。

2.3 池室水力條件

影響池室內(nèi)部水力條件的主要因素是隔板形式、水池尺寸以及豎縫寬度。徐體兵[12]通過對(duì)魚道水流結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬計(jì)算與物理模型相結(jié)合的方法，得出當(dāng)池室的長(zhǎng)寬比 L/B=8∶8～10.5∶8時(shí)魚道內(nèi)部水流結(jié)構(gòu)分布最為合理，流速較為適宜，可以獲得較好的適合魚類上溯的水流流態(tài)。張國(guó)強(qiáng)[13]采用數(shù)學(xué)模型的方法對(duì)魚道進(jìn)行三維建模得出豎縫寬度在很大程度上將會(huì)影響豎縫斷面處的流速分布，如果豎縫寬度過寬，則會(huì)使得水平橫向流速較大，如果豎縫寬度過窄，則會(huì)使得豎縫斷面流速呈現(xiàn)不均勻分布；魚道內(nèi)部最適宜的豎縫寬度為水池寬度的0.15～0.2倍。

3 國(guó)內(nèi)魚道面臨的問題

我國(guó)從20世紀(jì)50年代開始至今已完建和在建的魚道數(shù)目超過了40多座，在一定程度上很好的保護(hù)了魚類的資源以及水生生物物種資源。但總體來說，我國(guó)魚道事業(yè)的研究與發(fā)展與國(guó)外相比起步較晚，魚道的相關(guān)研究與設(shè)計(jì)還處于比較粗淺的階段，大多是蜻蜓點(diǎn)水，曇花一現(xiàn)，魚道的建設(shè)發(fā)展過程較慢，魚道在建設(shè)、運(yùn)行、管理方式上仍存在許多問題。導(dǎo)致這些原因的出現(xiàn)是多方面的：

1）我國(guó)對(duì)魚道建設(shè)的重要性缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，并沒有真正的意識(shí)到魚道的修建對(duì)生態(tài)恢復(fù)與魚類資源以及水生生物種群的保護(hù)起到的重要性。

2）由于國(guó)內(nèi)對(duì)魚道的設(shè)計(jì)研究與探索相比于國(guó)外起步較晚，研究也不夠深入，只停留于表面，對(duì)魚道內(nèi)部水流的水力特性認(rèn)識(shí)不夠充分，大多是模仿和照搬國(guó)外已建成的魚道工程，或依據(jù)一些經(jīng)驗(yàn)理論以及公式得出，缺乏對(duì)魚類生態(tài)習(xí)性的考察，以及缺乏對(duì)設(shè)計(jì)后的魚道進(jìn)行水工實(shí)驗(yàn)或者數(shù)值模擬計(jì)算，使得魚道在修建后無法使魚類進(jìn)入魚道，致使魚道內(nèi)有水無魚直至處于廢棄狀態(tài)。

3）目前國(guó)內(nèi)很多魚道的設(shè)計(jì)資料并不完善，多數(shù)魚道的設(shè)計(jì)目標(biāo)單一，往往只考慮一兩種主要經(jīng)濟(jì)魚類或國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)性魚類，卻忽視了水生環(huán)境下其它水生生物和有機(jī)物質(zhì)在上下游的輸移和交換對(duì)維持河道生態(tài)健康的重要作用。

4 展望

目前，伴隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，為了滿足國(guó)內(nèi)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)以及能源戰(zhàn)略部署的需求，我國(guó)將在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)努力積極的開發(fā)水電能源，著力并大力的發(fā)展水利事業(yè)。而水資源的開發(fā)建設(shè)勢(shì)必會(huì)加重魚類等水生生物的生存環(huán)境的惡化，使得魚類等水生生物的數(shù)量急劇減小，甚至瀕臨滅絕。因此在協(xié)調(diào)水資源工程的建設(shè)與魚類等水生生物以及環(huán)境資源保護(hù)的矛盾中，魚道的建設(shè)很好的起到了緩解或解決這一問題的作用。

1）首先應(yīng)該深刻的認(rèn)識(shí)到魚道的重要性。對(duì)魚道的研究不能只停留在比較粗淺的階段，目前許多工程建設(shè)者都只是為了滿足環(huán)評(píng)要求而修建魚道，對(duì)魚道未予以重視，后期維護(hù)也疏于管理。這使得國(guó)內(nèi)的魚道鮮少有成功的案例。建設(shè)魚道不是目的，保護(hù)水生生物才是最終的目的，因此我們應(yīng)該開始重視生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及水環(huán)境保護(hù)。

2）魚道的設(shè)計(jì)與建設(shè)要考慮多方面的因素。多借鑒而非照搬國(guó)外成功的案例，設(shè)計(jì)魚道時(shí)要做好充分的準(zhǔn)備工作，例如地形、氣候、水文狀況以及魚類的生活習(xí)性等因素。