国内外过鱼设施研究综述

曹庆磊，杨文俊，周良景

（1．长江科学院水利部江湖治理与防洪重点实验室，武汉 430010；2．长江勘测规划设计研究院，武汉 430010）

国内外过鱼设施研究综述

曹庆磊1，杨文俊1，周良景2

（1．长江科学院水利部江湖治理与防洪重点实验室，武汉 430010；2．长江勘测规划设计研究院，武汉 430010）

随着水利事业高速发展，现代水利水电工程必须与环境和生态相和谐。分析了水利水电工程等对鱼类资源的影响，概述了国外过鱼设施的发展状况，总结了我国过鱼设施研究和建设的3个时期；并介绍了过鱼设施的种类，其中详细阐述了鱼道的主要类型、特点及其技术参数；最后分析了近年来该领域研究的最新技术手段，并结合新时期水利发展战略，提出了研究展望。

鱼类资源；过鱼设施；鱼道；新进展

水利水电工程等截断河流，导致这个开放、连续的系统在能量流动、物质循环及信息传递等方面发生一系列的改变，使生活其中的鱼类生存所需的生境条件、水文情势发生变化，最终对鱼类资源产生影响，如：洄游或鱼类其它活动可能被延迟或终止、鱼类下行通过坝体建筑物或水轮机时遭受的伤害、生态景观破碎。这些影响会导致鱼类种群遗传多样性丧失和经济鱼类品质退化等。因此，为了保护鱼类资源，恢复河流生物多样性，过鱼设施的研究和建设是十分必要的。

1 过鱼设施的发展概况

过鱼设施是指让鱼类通过障碍物的人工通道和设施，最早的过鱼设施，是开凿河道中的礁石、疏浚急滩等天然障碍以沟通鱼类的洄游路线。

据不完全统计，至20世纪60年代初期，美国和加拿大有过鱼设施200座以上，西欧各国100座以上，前苏联18座以上，这些过鱼设施主要为鱼道。至上世纪晚期，鱼道数量明显上升，在北美有近400座，日本则有1 400余座。其中，最高、最长的鱼道分别是美国的北汊坝鱼道（爬升高度60 m）和帕尔顿鱼道（全长4 800 m）［1］。这些过鱼设施都是以通过某种主要经济鱼类为目的，比如美国大西洋鲑鱼、鳟鱼，法国西鲱鱼和日本香鱼等。

我国过鱼设施的研究和建设大致经历了3个时期：

（1）初步发展期。1958年在规划开发富春江七里垄水电站时首次提及鱼道，1960年在兴凯湖附近首先建成新开流鱼道；至上世纪80年代，对鱼的生境因素及过鱼设施进行了初步研究并相继建设了40余座鱼道。

（2）停滞期。自葛洲坝水利枢纽中采取建设增殖放流站的措施来解决中华鲟等珍稀鱼类的保护问题至此后的20多年，我国在建设水利水电工程时很少修建过鱼设施，相关的技术研究工作几乎没有开展，已建过鱼设施多数运行效果不理想，因而闲置或被废弃（如湖南洋塘鱼道）。

（3）二次发展期。进入21世纪后，随着我国水利水电资源开发逐步加深，天然渔业资源严重退化，甚至危及到国家级自然保护区珍稀特有鱼类，过鱼设施的研究和建设重新受到重视，一批过鱼设施已建成运行或在规划建设中。如北京上庄水库鱼道①、西藏狮泉河鱼道［2］、珠江长滩枢纽鱼道和长江小南海鱼道等。

2 过鱼设施的类型及特点

过鱼设施主要分为上行过鱼设施和下行过鱼设施。上行过鱼设施包括鱼道、鱼闸、升鱼机和集运渔船等，下行过鱼设施包括拦网、电栅等。

2．1 鱼 道

鱼道一般只适应于低水头水利枢纽，鱼道也是最常见的上行过鱼设施，其类型和特点见表1［3］和图1所示。

①孙双科，邓明玉，李英勇，等．北京市上庄新闸竖缝式鱼道的水力设计研究［C］∥水电2006国际讨论会，951－957．

表1 鱼道的主要类型和特点Table 1 Themain types and characteristics of fishways

图1 鱼道的形式Fig．1 Several types of fishways

鱼道的设计要结合过鱼对象、枢纽建筑物、闸坝地形等因素综合考虑，但为了保证鱼道的良好运行，应符合以下主要技术参数①：

（1）鱼道进口。鱼道进口是否易被鱼类发现和利于鱼类集结，是鱼道设计成败的关键因素之一。可以考虑布置在电站尾水前沿、溢流坝两侧或通航船闸泄水处等，这里水流相对集中，利于诱鱼。考虑到下游水位变化和不同鱼类的习性，可以按不同高程多设几个进口。如鲟鱼喜欢在深潭和坑洼间游动，进口应选择具有水下地形的位置；鲢鱼喜欢在水的表层游动，进口高程要相对高些。

（2）鱼道流速。鱼道流速与大坝水头及鱼的克流能力有关。幼小体弱等溯游能力差的鱼大多在0．3～0．8 m／s的水流中行进；成鱼、亲鱼等溯游能力强的鱼，大多在0．8～1．0 m／s的水流中行进。对于鲑鱼，鱼道内允许流速约为1．52 m／s，香鱼约1．2 m／s，鲤属鱼约0．4 m／s。在河流梯级开发中，下游鱼道的允许流速可略大于上游鱼道的允许流速。当鱼道为多种过鱼对象设计时，以溯游能力最差对象的允许流速为标准。

（3）鱼道尺寸。鱼道尺寸是指鱼道宽度、池室大小和过鱼孔大小等。鱼道宽由过鱼量和河道宽决定。在日本，鱼道宽为河道宽的4%～5%，有的2～3 m，有的3～5 m不等。池室大小取决于隔板消能效果、鱼体能消耗及休息条件等。过鱼孔、竖缝大小与鱼体大小及习性有关，应不小于拟通过鱼类胸鳍水平展开距离，以满足鱼类自由游泳需要。加拿大渔业部和国际太平洋鲑渔业协会（1995年）建议孔口以0．50～1 m2为宜，每个孔口流量保持在0．68～2．7 m3／s。

（4）鱼道出口。鱼道出口要适应库水位的变动，当库水位变化时，既要保证出口有足够的水深，又要使进入鱼道的流量基本保持不变，使鱼道能连续运转。出口应远离溢洪道、厂房进水口等泄水、取水建筑物，以防进入水库的鱼，又被这股水流带回下游。出口高程应适应过鱼对象的习性，对于底层鱼类，应设置深潜的出口；幼鱼、中上层鱼类，出口可设在水面以下1．0～1．5 m处。

（5）其他条件。各种鱼类喜光性不一，鱼道要根据过鱼对象的要求采光。如鳗鱼要求在黑暗条件下过鱼，香鱼可建明鱼道。此外，鱼道还应设有导鱼设备、观察计数设备、拦污及检修设备等。

2．2 中高水头水利枢纽上行过鱼设施

鱼道运行时受上游水位和流量的影响，流速、流态都不稳定，且鱼上溯过程中需要耗费很大能量，使过鱼效果难以保证。因此，鱼道一般只适用坝高在20～25 m以下的低水头水利枢纽，对于中高水头水

①《水电水利建设项目河道生态用水、低温水和过鱼设施环境影响评价技术指南（试行）》．国家环境保护总局环境工程评估中心文件，环评函（2006）4号。利枢纽的上行过鱼设施主要有鱼闸、升鱼机和集运鱼船等。鱼闸的运行方式与船闸相似，鱼类在闸室凭借水位的上升，不必溯游便可过坝（见图2）。由于鱼闸过鱼不连续，且过鱼量有限，有些学者认为鱼闸可能会被逐步淘汰，但也有些学者持相反观点，如文献［4］通过研究认为，对于澳大利亚一些热带河流上具有固定洄游季节的热带鱼，未来鱼闸可能会得到广泛的应用；升鱼机是利用机械升鱼和转运设施过坝，能适用于高坝和库水位变幅较大的枢纽过鱼，也可用于较长距离转运鱼类。Francfort等分析了美国16个水利枢纽过鱼设施的过鱼效果后，认为Conowingo坝的两个升鱼机在使Susquehanna河的鲱鱼种群的资源恢复过程中发挥了重要作用［5］。集运鱼船，又称“浮式鱼道”，目前在世界上的应用不多，自1989年Pavlov对前苏联在里海流域的伏尔加河、顿河和库班河流域为鲟科、鲱科和鲤科的一些种类设计的集运鱼船报道后，几乎再没有关于集运渔船的研究成果发表。

图2 鱼闸运行示意图Fig．2 The sketch of fish lock operation

2．3 下行过鱼设施

目前对下行过鱼设施的研究和实践远没有上行过鱼设施深入。相对来说，欧洲和北美对鲑科等溯河性鱼类幼鱼的下行问题有较为深入的研究和实践，主要是采取物理栏栅或行为屏障（如电栅、音筛等）来防止下行鱼类进入水轮机，并建造表层或侧、下辅助通道让它们安全过坝。

3 研究方法

目前主要采用模型试验和数值模拟的技术手段对过鱼设施进行研究，通过优化其结构形式，以获得适合鱼类上溯的理想流速和流态，为过鱼设施的设计提供了依据。部分研究成果付诸工程应用，取得较好效果。

3．1 模型试验

文献①对单侧导竖式鱼道内的流场、紊动能的等值线图、紊流强度、雷诺应力的初步试验结果进行了分析，并经过运行效果的观测后认为，一个比较适合鱼类的流态紊动标准是可能存在的。Larinier等通过对单侧导竖式鱼道的紊流研究表明，随着池长／池宽的变化和坡度的不同，池室内的水流出现2种流态［6］。Rajaratana等通过对多种不同形式单侧导竖式鱼道的研究发现，无量纲流量和相对水深之间存在线性关系［7］。

Matsushita等发现在倾斜的池槽内可以观测到滚动流；Uddin等提出，阶梯型鱼道中出现的滚动流将产生涌波，而它的周期性可能会严重危害鱼道，并发现这种滚动流源于鱼道的上游；Rajatana等通过试验研究得出，这种滚动流的发生可以用无量纲流量来预知［8］。

3．2 数值模拟

竖缝式鱼道中当流速大于平均流速后，要对水流紊动的影响因素进行评价。Pena等用沿水深平均的二维浅水方程的混合长模型和代数应力模型，对单侧导竖式鱼道中的紊流场进行了模拟，结果表明：流速、紊动能强度和雷诺应力与相同条件下的试验结果吻合较好［9］。张高华等用标准的三维紊流模型对池堰式鱼道和鱼类行进能力进行模拟后得出，同一鱼种最省能之路径为鱼体采用跳跃方式上溯且接近液面时的路径［10］。文献［11］研究了单侧导竖式鱼道的优化设计问题，确定了由鱼的休息区尺寸和适合鱼类游泳能力的流速构成的目标函数，得出了最优设计变量竖缝尺寸的数值解。Young等用ADV、GPS以及非恒定非结构化的雷诺平均NS（U2RANS）模型，采集和计算了密西西比河上游的流态，详细分析了淡水蠓生活区域的水力特性，讨论了建坝对它们分布的影响，并提出了相应的改进措施［1］。

3．3 运行监测

日本提出一种由钢筋和石笼等组成的简易式鱼道，其制作简单，成本低廉，可以机动灵活地在适宜河道架设安装［12］。伊泰普水电站在每一节鱼道的表面都设有供有鳞鱼种通过的通道，而在底部设有供无鳞鱼种通过的通道，流经每节鱼道的水流在底部形成一个正弦圈，在表面相反方向形成另一个正弦圈，这样便能提供一个有利于把鱼吸引进入鱼道

①SANAGIOTTO D G，COLETTIJZ，MARQUESM G．竖缝式鱼道流速和水力紊动特性研究［C］∥水电2006国际讨论会．855－957．的溶解氧梯度。澳大利亚在伯内特河坝建成了完全集成的基于PLC（可编程逻辑控制器）的SCADA（监控和数据采集）鱼道系统，它可以监控鱼道的各个方面［13］。美国内华达州里诺（Reno）东部特拉基（Truckee）河上设计了一条明渠绕坝鱼道，供濒危的Cui－ui、Lahontan美洲鲑和其它鱼类洄游，通过大卵石控制鱼道中的水流，为鱼类提供了良好的休息场所。加拿大在尚布利坝上翻修改造了鱼道，使具有相当规模的商业性银色美洲鳗鱼能够重新自由洄游［14］。

4 展 望

我国水能资源开发利用的历史源远流长，建国以来我国的水电开发事业蓬勃发展，然而，水能资源的开发伴随着对河流生态系统胁迫的日益加剧，与之配套的过鱼设施的研究和建设却起步较晚，发展缓慢，其建设数量和运行效果都与要求相差甚远，加快过鱼设施的研究和建设，建立生态环境友好型的水利水电工程体系势在必行。

（1）加强河段或区域生态环境特征代表性生物（鱼类）的研究，并加强其原型生境要素的监测；

（2）开展特征鱼类生态习性、游泳能力的试验和鱼道水力条件的研究；

（3）进行新型过鱼设施的研制和鱼类下行设施的研究；

（4）加强水工程（梯级水库）建设及投运对鱼类生存环境的叠加累积影响的研究；

（5）尽快建立一部过鱼设施规范，并将过鱼设施纳入河流健康运行评价体系，维护河流健康。

［1］ 王兴勇，郭 军．国内外鱼道研究与建设［J］．中国水利水电科学研究院学报，2005，3（3）：222－228．（WANG Xing yong，GUO Jun．Brief review on research and construction of fishways at home and abroad［J］．Journal of China Institute ofWater Resources and Hydro power Research，2005，3（3）：222－228．（in Chinese））

［2］ 严 莉，陈大庆，张 信，等．西藏狮泉河鱼道设计初探［J］．淡水鱼业，2005，35（4）：31－33．（YAN Li，CHEN Da qing，ZHANG Xin，et al．Preliminary study of Tibet Shiquanhe design［J］．Freshwater Fisheries，2005，35（4）：31－33．（in Chinese）））

［3］ 南京水利科学研究院．鱼道［M］．北京：电力工业出版社，1982．

［4］ BAUMGARTNER L J，HARRISJH．Passage of non sal monid gish through s feelder lock on a lowland river［J］．River Research and Applications，2007，（23）：1058－1069．

［5］ 长江水利委员会长江勘测规划设计研究院．长江小南海水电站建设项目对长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区影响及其减免对策专题研究报告［R］．武汉：长江勘测规划设计研究院，2008．（Changjiang Sur vey Planning Design Institute．The special report of im pacts and its reliefmeasures for Xiao Nan haiHydropower Project on the Yangtze River nature reserve of rare and u nique fishes［R］．Wuhan：Changjiang Survey Planning Design Institute，2008．（in Chinese））

［6］ TARRADE L，TEXIER A，DAVID L，et al．Topologies and measurements of turbulent flow in vertical slot fish ways［J］．Hydrobiologia，2008，（609）：177－188．

［7］ PUERTAS J，PENA A，DAVID L．Experiment approach to the hydraulics of vertical slot fishways［J］．Hydraulic Engineering，2004，130（1）：10－23．

［8］ ZULHASH U M，MAEKAWA K，OHKUBO H．阶梯形鱼道中的滚动流研究［J］．长江流域资源与环境，2001，10（1）：60－67．（ZULHASH U M，MAEKAWA K，OHKUBO H．Tumbling flow in steeped weir channel cum fishway［J］．Resources and Environment in the Yan gtze Basin，2001，10（1）：60－67．（in Chinese））

［9］ CEAL L，PENA L，PUERTAS J，et al．Application of several depth averaged turbulencemodels to simulate flow in vertical slot fishways［J］．Hydraulic Engineering，2007，133（2）：160－172．

［10］顾可欣，张高华，张仓荣．三维度鱼道水理及鱼体行进能力之数值模拟研究［J］．农业工程学报，2008，（3）：64－68．（GU Ke xin，ZHANG Gao hua，ZHANG Rong cang．Numerical simulation ofhydraulic characteristics for three dimension and ability of fishmoving［J］．Agricultur al Engineering，2008，（3）：64－68．（in Chinese））

［11］ALVAREZ VáQUZA L J，MARTíNEZ A，VáZQUEZ MéNDEZM E，etal．An optimal shape problem related to the realistic design of river fishways［J］．Ecological En gineering，2008，（32）：293－300．

［12］YASUDA Youichi，OHTSU Lwao，TAKAHASHIMasuyu ki．New portable fishway design for existing trapezoidal weirs［J］．Environmental Engineering and Science，2004，（3）：391－401．

［13］泰勒M．澳大利亚伯内特河大坝的鱼道系统［J］．水利水电快报，2007，28（4）：25－30．（TAYLOR M．The sys tem of Australia Burnett River Dam fishway［J］．Water Resources＆Hydropower Information，2007，28（4）：25－30．（in Chinese））

［14］弗顿．R．尚布利坝美洲鳗鱼鱼梯获得成功［J］．水利水电快报，2005，26（1）：15－17．（CHEVERTON R．The success of American Chambly Dam eel fishway［J］．Wa ter Resources＆Hydropower Information，2005，26（1）：15－17．（in Chinese））

（编辑：周晓雁）

Review on Study of Fishery Facilities at Home and Abroad

CAO Qing lei1，YANGWen jun1，ZHOU Liang jing2
（1．Key Laboratory of Management of Rivers and Lakes＆Flood Control of Ministry ofWater Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2．Changjiang Survey，Planning，Design＆Institute，Wuhan 430010，China）

With the rapid development of water resources，modern hydraulic and hydro power engineeringmust be in harmony with environment and ecology．First，the impacts of hydraulic and hydro power engineering on fish re sourceswere analyzed，the development of dam passing facilities for fishes abroad，and the three periods of re search and construction for fishery facilities at home were summarized．Second，the types of fishery facilities at home and abroad were introduced，and themain types，technical parameters and characteristics of fishways were summarized in detail．Meanwhile the recent advance of technicalmethods in this field was presented．Finally，the research prospectswere put forward in combination with the strategy ofwater resources in the new era．

fish resources；fishery facilities；fishway； recent advance

TV135．1；S956

A

1001－5485（2010）05－0039－05

2009 04 01；

2010 03 03

曹庆磊（1983 ），男，河南永城人，硕士研究生，主要从事水力学与河流动力学研究，（电话）15071309036（电子信箱）caoqin glei2008＠163．com。