涵洞式鱼道设计现状与展望

许晓蓉，刘德富，汪红波，王从锋

(三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌 443002)

水利工程在防洪、发电、航运、灌溉等方面取得巨大成就的同时，也造成了河流生态环境不同程度的破坏，其中修建的大坝等水利设施改变了鱼类栖息地的环境(如水位、流量、水温等)，阻碍了鱼类的洄游通道，甚至导致某些溯河洄游鱼类种群的灭绝［1］。又如跨河的路桥建设破坏了河流的流态，修建过水涵洞时，由于涵管内壁粗糙度不够，流速过大，也将阻碍鱼类洄游。作为江河水体生物主体的鱼类，其生态价值怎么高估都不过分，保护鱼类的生物多样性就是保护人类自己［2］。因此，在水利工程建设和路桥建设中，不仅要考虑工程经济效益，更要注重工程的生态环保效益，比如为满足鱼类繁殖栖息的要求而设置专门的过鱼通道［3］。本文通过对国外涵洞式鱼道发展过程的综述，评述了其水力特性及其优缺点，分析了涵洞式鱼道设计要点，以期为相关研究提供参考。

1 鱼道工程的由来与现状

鱼道是人工修建的供鱼类等生物通过水闸、大坝等障碍物的人工水槽或水道。有关鱼道最早的记载出现在300多年前的欧洲，直到100年前才有了近代的鱼道设计。对鱼道研究较多的国家主要有美国、加拿大和日本等。在上世纪50年代，McKinley等［4］设计了低隔板和交替隔板式涵洞鱼道，但并不成功。2000年以后，在欧洲和新西兰，研究者对涵洞鱼道各种扰流挡板设计进行了开发和测试［5］，①KOPEINING T，BOUBÉE J，RUTSCHMANN P.Numerical Study of Flow Through a Culvert-Investigation on Various Modifications Using a 3D Turbulent Navier-Stokes Code［C］.2007.。在日本，Muraoka等人把修改后的侧挡板式的丹尼尔鱼道运用到斜坡箱式涵洞中，并进行了相关实验研究。在美国，Powers等人对大马哈鱼在不同直径、不同坡度和速度下通过涵洞的游泳能力进行了研究［6］。2000年澳大利亚地方政府开始实施“从海洋到休姆大坝”鱼道计划，该计划对15座大坝进行了过鱼设施的设计、测试和评价［7］。1996—2001年，美国进行了一系列的实验研究来论证鱼道建设的必要性、方案设计的合理性，并为鳗鱼的洄游设计了一条通道［8］。至20世纪晚期，国外已建鱼道数量明显上升，在北美有近400座，日本则有1 400余座。

国内过鱼设施的研究和建设主要在上世纪50年代末至80年代初。80年代在修建葛洲坝时，没有修建过鱼设施，而是采用增殖放流的措施来解决鱼类的洄游问题。据XIN D等报道②XIN D，ZONGLIN D，MINGYAN C.Spawning Population Characteristics of Acipenser Sinensis in Yangtze River just Below Gezhouba Dam［C］.1991:235-242.，葛洲坝建造后，中华鲟的成熟个体在该河流中的比例波动于13.5% ～78.0%之间;自1981年截流以来，中华鲟种群保持了1∶1的性别比。因此，XIN D等人认为葛洲坝对该物种不是一个威胁。所以，在后面的几年中，修建大坝时，并没有考虑修建过鱼设施，导致接下来十几年里，鱼道建设基本处于停滞状态［9］。直到1980年建成的湖南洋塘鱼道，其过鱼效果良好，将我国具有集鱼系统的过鱼设施的设计、研究向前推进了一步［9］。但运行几年后，由于受洪水影响和设备老化等原因，洋塘鱼道从1987年至今一直停止运行［10］。2000年以后，我国又修建了一些生态鱼道，如西藏狮泉河鱼道［11］、珠江长滩枢纽鱼道、北京上庄新闸生态鱼道、湖北襄樊崔家营生态鱼道、专供香鱼等洄游鱼类通行的“贵宾鱼道”——浙江楠溪江鱼道等。还有一部分正在建设中的湖北汉江兴隆鱼道和西藏藏木鱼道等。据不完全统计，目前我国在各类水利工程中已建鱼道80余座［12］，近几年来，由于对生态、环保的重视，鱼道研究有所恢复，目前水利部正在积极组织有关部门编写鱼道规范。

鱼道作为一种生态补偿工程，是保护鱼类资源的重要措施之一［13］。国内外已建的鱼道类型较多。按照结构形式，鱼道可分为［9］:池式鱼道、槽式鱼道(简单槽式和丹式尼尔)、特殊结构形式的鱼道(通常为那些爬行、粘附、善于穿过草丛缝隙的鱼类而设)、仿自然型鱼道和涵洞式鱼道等，此外还有一些其它类型的过鱼设施，如鱼闸、升鱼机、能使鱼类穿过大坝底部的潜水鱼道等。而在跨河的路桥建设中，一般修建涵洞式鱼道来解决鱼类的洄游问题。

2 涵洞式鱼道

在道路、高速公路和铁路建设中经常用到各种类型的涵洞，按类型分主要有混凝土涵洞、波形钢管涵洞和木质涵洞等，按横截面形状分主要有长方形涵洞、城门洞形涵洞、弧形涵洞和圆形涵洞等。实际工程中的涵洞的长度不一，从几米到几十米，有的甚至可达几百米［14］。一般情况下，涵洞主要有3个作用:一是为公路基础或铁路基础提供一个输水通道;二是为鱼类或其他某些动物提供穿过公路和铁路的通道［15］;三是在某些水电大坝建设中可以合理布置节约场地，降低工程造价。有些涵洞作为过鱼通道时，过鱼效果不好，阻碍了鱼类上溯，解决的方法主要有:①在涵洞内制造回水，回水由一个或一系列有斜坡或出口的水池产生，可以消除水流的垂直下降，减小通过涵洞的水流速度，但应注意回水影响涵洞的深度不超过0.25 m;②由于涵洞内水流流速大，进出口湍流多、流态复杂，涵洞内部缺乏鱼类休息区，可在涵洞内安装隔板，以减小流速，稳定流态［14］。从上世纪80年代至今，国外已将涵洞式鱼道广泛应用于道路、铁路、堤坝中输水。据1999年华盛顿鱼类野生动物部门统计，华盛顿州有超过2 000座有问题的涵洞阻碍了鲑鱼的洄游，使华盛顿失去了3 000多英里的鱼类栖息地［15］。所以合理地设计和安装涵洞式鱼道对保护鱼类具有重要意义。

2.1 涵洞式鱼道的隔板类型

涵洞式鱼道的隔板有6种形式［16］:①偏移式隔板;②槽堰式隔板;③堰式隔板;④扰流式隔板;⑤阿尔伯达堰式隔板;⑥阿尔伯达式隔板。如图1所示。此外，还有“EL”型隔板，“Quad”型隔板等。

图1 涵洞式鱼道的隔板类型Fig.1 Baffle types of culvert fishway

下面以偏移式隔板为例，分析隔板的结构及水流特性。偏移式隔板鱼道最早是1956年由McKinley和Webb在箱式涵洞试验中发展的，已经证明了能够有效地为鱼类上溯提供良好的水流条件，而且沿着鱼道边界的呈螺旋形的水流能够对鱼道进行自身清洁［17］。1974年Engel在管式涵洞中采用了偏移式隔板，该涵洞式鱼道是由一系列布置在涵洞底部的低隔板组成。在涵洞底部一边布置与涵洞轴线成90°角的短隔板，在另一边布置与涵洞轴线成30°角的长隔板。如图2、图3所示［18］。偏移式隔板型鱼道的功能与竖缝式鱼道相类似，在挡板间的竖缝处有最高流速，水在底部的挡板间形成环流。

图2 University Creek上的索兰德路偏移式隔板鱼道Fig.2 University Creek Solander Road pipe culvert prototype offset baffle fishway

图3 Engel在试验中用到的偏移式隔板布置图Fig.3 Layout of offset baffle used in Engel’s experiment

国内涵洞式鱼道在跨河路桥建设中，几乎没有应用到;但在水利工程中，只是局部地应用于其他形式的鱼道中。如在北京上庄鱼道中应用到了一段涵洞式鱼道，其断面为长方形;在汉江崔家营水电枢纽中，为了减少鱼道的长度，而使鱼道穿过了安装间和左岸坝体，运用到了204.92 m长的涵洞式鱼道，其断面形状为城门洞形。正在建设的汉江兴隆水利枢纽工程中，参照崔家营鱼道也采用了部分涵洞式鱼道。目前，在我国的路桥建设中，基本上没有考虑到鱼类洄游问题，这是我国生态水利发展中存在的不足。

2.2 涵洞式鱼道的水流特性

涵洞式鱼道沿轴线方向可以分为A，B，C，D 4个水力特性不同的区域［18］，如图4所示。A区是河道下游及护坦急坡区，因此该区水面坡降大，存在湍流，其中某些部分流速较大，在护坦末端可能会发生水跃。B区是涵洞出口和下游护坦区，该区水流从涵洞出口高速射向下游护坦，整个区域内流速很大。若该区上下游水位差较大，可以布置其他形式的鱼道使C区到A区平缓过渡。C区是整个涵洞内部区域，该区湍流充分发展，流速很大。D区是涵洞进口和上游河道区域，流速很大，流量过大时容易将鱼类逼回涵洞内。

图4 涵洞式鱼道的水流特性Fig.4 Characteristics of flow in culvert fishway

2.3 涵洞式鱼道优缺点

涵洞式鱼道主要优点为建造方便，造价低;此外由于涵洞内壁较光滑，直顺，所以与自然河道相比，涵洞式鱼道还有流速大、输水快的特点。

这种鱼道的主要缺点较为明显:在涵洞进口、出口和隔板处的流速较大，而且水流过度紊乱，涵洞内的平均流速比自然河道平均流速大;由于不具有自然河道的糙率和可变性，因此消能效果不显著。在涵洞进口、出口及下游护坦区缺少低流速区或鱼类休息地;涵洞出口处和下游护坦处的高流速可能导致下游河床和堤岸被侵蚀;涵洞内的水深一般较浅，浅水是大型鱼类上溯的一大障碍;一些借助视觉器官判定食物方位的鱼类，进入涵洞后，由于光照不够，其摄食功能将丧失［19］。例如在汉江崔家营鱼道中，在涵洞内部布置有用来诱鱼的光纤照明设施。此外由于部分泥沙碎石和水草淤积容易造成涵洞内水路堵塞，从而水质或其他环境因子下降，并使排洪受到限制。鉴于以上缺点，我们可以采取一些措施，比如，在涵洞内制造回水，减小涵洞内的流速;在可能的情况下，在涵管的底部填充鹅卵石，使其接近自然河道的糙率;涵洞内部按一定间隔为鱼类提供休息区，特别是在上游进口处，鱼类上溯后，要有足够的休息区;在涵管的下游出口处建一个的消力池等。涵洞式鱼道一般适用于小溪或小河流，经常与桥梁、高速公路和铁路结合。

3 涵洞式鱼道的设计

合理设计涵洞式鱼道有助于保障鱼道的正常运行。涵洞式鱼道设计不合理或者位置选择不当，水流长时间对河道的过度冲刷可能使涵洞末端垂向落差较大，鱼类将难以到达涵洞出口。涵洞设计的坡度过陡时，涵洞内水流流速过大、水深过浅都将影响鱼类上溯。

3.1 收集资料

一般设计一个涵洞式鱼道要收集以下信息:①河道的水文信息，比如流量、流速、水位、汛期、水温和冰期等;②路桥建设信息，如地质、地形、路网等;③过鱼对象的生物学信息，包括鱼种、鱼类习性、鱼类的游泳能力、洄游行为和洄游期等。在设计之前，为掌握河段水生生物多样性现状，应开展对工程及上下游河段水生生物调查与影响评价工作。鱼类的游泳行为是鱼道设计中必须考虑的重要因素之一，缺乏对鱼类行为学研究的鱼道设计往往是失败的［20］。鱼道设计中各个参数的优化，取决于水力学变量与生物学变量的相互作用。而鱼道类型，鱼道入口流速，鱼道内流速控制，鱼道出口位置选择等基本设计，都应根据鱼类游泳能力及行为确定。

3.2 鱼道的选址

绝大部分涵洞式鱼道是与路桥相结合的，所以涵洞式鱼道的选址在很大程度上受到路桥工程的限制。涵洞式鱼道的选址应该注意以下几点:①尽量避免坡度较陡的河段;②应使涵洞尽可能短，涵洞轴线与河道轴线尽可能重合，其夹角不能超过30°;③要选在河床稳定处。

3.3 选择合适隔板类型

隔板改变了涵洞内的水流流态，为鱼类通过涵洞提供了休息场所和适当的流速。偏移式或交替式隔板被认为是最好的选择，一般由木头或混凝土制成。隔板安装在涵洞基础上较安全，在隔板之间的低流速区要能为上溯的鱼类提供休息地。偏移式隔板一般用在水流很浅，流速非常大的涵洞中。偏移式隔板设计比较复杂，而其他的槽堰式隔板、堰式隔板设计相对要简单一些。槽堰式隔板、堰式隔板与阿尔伯达堰式隔板的设计和非涵洞式鱼道隔板设计基本相同。扰流式隔板和阿尔伯达鱼式隔板利用错开的墩来达到消能目的，其设计主要是确定墩的尺寸和错开距离。对于圆截面的涵洞式鱼道，设计的重要参数有隔板高度h与涵洞直径D的比值和隔板间距L。当h/D在0.1～0.15之间时，隔板间距应该在一倍涵洞直径D之内［16］。

3.4 鱼道水力计算

鱼道的水力设计主要基于对目标鱼种的游泳能力的研究。正确的涵洞式鱼道设计必须同时考虑涵洞的尺寸、坡度、材料、水深和适合鱼类游泳能力的水力纵断面。鱼道的水力计算主要包括以下内容:

(1)涵洞的设计流量。涵洞式鱼道水力设计准则必须满足目标鱼种在过鱼季节90%的时间内都能通过［21］，还要满足排洪要求。对于大洪水流量的涵洞式鱼道我们要进行如下分析:流量测定、连续水流模拟模型、当地回归模型分析和区域回归模型分析。对于低洪水流量的涵洞式鱼道设计，必须满足涵洞的最小水深要求。

(2)涵洞内的速度和水深。我国以鱼类体长来确定设计流速的方法在初选是可行的，然后进行鱼道宽度、长度、水深、池室数目等参数以及断面的选择。涵洞内的水深一般较浅，当浅水不足以让鱼类特别是大型鱼种顺畅地游泳时，浅水就是鱼类运动的障碍。如果鱼类尝试通过太浅的水，尤其是高速水流条件时，鱼类将会受伤。对于中小型鱼种，涵洞内的最小水深不得低于0.2 ～0.3 m［18］。根据曼宁糙率系数和BATES K，BARNARD B，HEINER B等人提出的涵洞内速度和水深计算方法，可按如下公式计算［21］:

式中:Q为涵洞的流量;A为横截面面积;S为涵洞的坡度;Rh为水力半径;V为涵洞的平均流速;n为涵洞的粗糙度。

(3)按如下公式进行隔板的水力计算，

式中:Q为流量;C为隔板布置系数;y0为水深，D为涵洞的直径;a为基于涵洞布置的指数;g为重力加速度;S0为涵洞的坡度。

一般情况下，涵洞鱼道的设计必须同时满足鱼类通道标准和排水的水流容量要求。此外，在涵洞式鱼道结构设计中应考虑河道的输沙能力。而不只是以鱼类通道为重点，更要考虑为整个生态系统提供自然生态功能［15］。

4 展望

目前，我国涵洞鱼道较少，我们可以借鉴国外涵洞鱼道的成功案例，运用到合适的工程建设中来。在路桥建设中，我们要注意鱼类的洄游问题，恢复河流生物多样性，使现代路桥工程建设与环境和生态相和谐。同时，在水利建设与水电开发时，要注意到水利工程的建设与水生生物保护之间的矛盾，而鱼道建设不失为一种缓解或解决这一问题的工程措施［8］。

4.1 利用现代化技术手段进行辅助设计

FishXing是用来帮助工程师、水文学家和生物学家来评价和设计涵洞式鱼道的一款交互式软件，它集成了涵洞设计和鱼道评估。FishXing模型可以适应涵洞复杂的水力特性和鱼类行为的多样性。通过渐变流方程计算出各种涵洞的水面线的形状、速度和目标鱼种游泳能力的跳跃条件。主要的输入信息包括涵洞位置信息、涵洞信息(包括尺寸、安装信息)、鱼类信息(包括鱼类尺寸、游泳能力信息)、鱼道水流信息(最大流量、最小流量和设计流量)。主要的输出信息包括流速、水深和进出口条件的各种图表，以及鱼类通过每个涵洞式鱼道的限制因素等。FishXing软件将为我们合理地设计涵洞式鱼道提供大量帮助。2001年，加利福尼亚交通和渔政部门利用FishXing设计，改建了Little French Creek鱼道，新的鱼道采用了池堰式设计，并增加了整体的坡度。利用可移动的木隔板，以方便清除鱼道内积累的碎屑。Little French Creek鱼道主要是提供成年鲑鱼的洄游需要，其过鱼效果良好。

4.2 合理的规划与建设

在今后建设水利工程与跨河的路桥工程中，优先要考虑把鱼道的建设纳入规划中。在修建前做好充分的准备工作，如地形、气候、水文状况、生物组成、分析洄游鱼类、了解鱼类特性的变化等。对于已建的工程，我们要跟踪调查，对过鱼量进行观测，总结出所建工程的优缺点、运行中存在的问题等，为以后的工程提供参考意见。

4.3 模型论证

国内外已经有研究者在鱼道的数值模型和物理模型试验方面做过相关的研究，因为鱼道中的水流特性较复杂，特别是隔板处的流速，隔板间的流态以及隔板孔口的宽度和隔板的间距、鱼道底坡设计等都需要经过模型实验。物理模型是鱼道建设的基础，一个成功的鱼道与模型的验证有着直接关系。通过模型的验证可以帮助深入了解鱼道结构设计及相应的水流特性与鱼类通过率之间的关系，从而建立三者之间的函数关系，为将来优化已有的鱼道或者建立全新的高通过率鱼道提供科学依据。

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