鱼道的创新——“过鱼加农炮”模型

胡雪婷　赵 瑞　苗志全　卢雅婷

南昌大学建筑工程学院

鱼道的创新
——“过鱼加农炮”模型

胡雪婷赵 瑞苗志全卢雅婷

南昌大学建筑工程学院

结合国内外水利水电过鱼设施的现状，指出水利水电开发对鱼类资源的影响，在利用真空技术及机械控制相关原理的基础上，提出“过鱼加农炮”模型，全面阐述了这一模型的设计原理和设计理念，并进行有关生态经济优势效益分析，指出这一新型过鱼设施模型的巨大优势和潜力。

过鱼设施；鱼类洄游；真空管道运输

由于长期的进化，有些鱼类具有溯河洄游产卵的习性，洄游是指鱼类因生理要求，遗传和外界环境因素的影响，引起周期性的定向往返移动，是鱼类的主动、定期、定向、集群、具有种的特点的水平移动［1］，是鱼类在系统发生过程中形成的一种特征，是鱼类对环境的一种长期适应，它使种群获得更有利的生存条件，更好的繁衍后代。

大坝的修建破坏了河流的连续性，从而阻断鱼类洄游的途径，使其不能到达产卵场进行产卵，除此之外，大坝还会改变部分鱼类的产卵场地，对原有的栖息环境造成破坏，还会鱼类早期资源量下降，最后会对整个鱼类生态系统带来损害，即使是不洄游的鱼类，对整个鱼类而言，大坝会阻止鱼类的基因交流，导致生物多样性较低，破坏生态平衡。

一、国内外过鱼设施概况

最早的过鱼设施记载约出现在17世纪的法国，即17世纪中叶，欧洲始建第一座过鱼建筑物。1883年苏格兰在泰斯河上建成世界上第一座鱼道。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。国外这些过鱼设施不仅实现了工程建设中的环境生态保护目标，还将工程的建设和科研、科普教育和旅游开发相结合促进当地的经济发展。

我国过鱼建筑物的建设和研究历史很短，大约始于20世纪60年代，1958年，富春江七里垅水电站规划开发时，首次涉及鱼道并进行了一系列的科学实验研究。至20世纪80年代，相继建成40余座鱼道，但是自葛洲坝水利枢纽建设增殖放流站解决中华鲟等珍稀鱼类的保护问题以来的20多年，我国对于鱼道的建设及研究进入了停滞期。

二、“过鱼加农炮”模型介绍

（一）设计思路

“过鱼加农炮”以使鱼类“温柔，快速”地通过，顺利洄游到上游为原则，利用真空管道进行超高速运输，低耗能，环保，安全，管道采用高分子材料，管道中设有压力保护装置，在水底设置相关诱鱼装置，由于鱼类在洄游期间对光周期和强度有一定偏好，故可使用声波诱鱼器或荧光诱鱼灯，将鱼类引诱到模型入口处，模型入口置于与水面相平处，呈喇叭状，类似倒置的漏斗，喇叭状入口周围有密闭的孔口。入口与圆形管道的连接处设置类似于鱼笱倒须的格网，既可以防止鱼类倒行，不会回落到水中，又能起到一定的拦污作用，使入口不会被污染物堵塞，阻止鱼类进入管道中。入口处装真空计和感应装置，真空管道中设置真空保护阀，根据所吸鱼类的不同，调节管道内压力。

（二）相关原理

1.“过鱼加农炮”的入口设计采用了鱼笱捕鱼的原理

鱼笱是中国古代一种竹制的捕鱼器具，呈圆锥形，口大颈细，腹大而长。开口处装有一个倒须的漏斗，鱼顺水而入，因为有倒须的阻拦，鱼只能进而不能出［2］。基于鱼笱的设计原理，当鱼类在加农炮管道内前行时，就不会发生倒退的情况，能够保证进入真空管道中的鱼类顺利通过。

真空管道主体采用UPVC管，其特性有质轻，搬运装卸便利：UPVC管材材质很轻，搬运，施工便利，可节省人工。

流体阻力小：UPVC管材的管壁非常光滑，阻力很小，其粗糙系数仅为0.009。

耐腐蚀性、耐药品性优良UPVC管材具有优异的耐酸，耐碱，耐腐蚀，不受潮湿水份和酸碱度的影响，不需任何防腐处理。

机械强度大：UPVC管的耐水压强度，耐外压强度，耐冲击强度等均良好。

具有良好的水密性：UPVC管材的安装，不论采用粘接还是橡胶圈连接，均具有良好的水密性。因而，鱼类在真空管道中游动时，管道摩擦阻力极小，管壁不会对鱼类造成伤害。

2.鱼类在真空管道中的运动

鱼类的游泳类型依据游泳时间的不同，大致可划分为：爆发式游泳、持续式游泳和延长式游泳。爆发式游泳也被称为短跑游泳，是鱼类逃脱捕获及逃避猎食者时采取的重要方式，对鱼类生存有重要的影响，也是鱼能达到的最大速度。在真空管道中，鱼类的运动属于无氧运动，但是不需要像在水中洄游时到达爆发速度，因而在短时间内鱼类呼吸代谢小，几乎无需耗氧，且因鱼类不需要使用突进速度，从而疲劳致死的几率大大下降。

鱼从“加农炮”模型中射出时，由于真空负压的作用，鱼类获得一定的速度，加上鱼自身的速度，鱼的初始爆发速度较大，初速度和“过鱼加农炮”的出口角度共同决定了鱼的跳跃能，可按以下运动学公式计算鱼的跳跃高度：

X=V（cosθ）t

H=V（sinθ）t-（1/2）gt2

X为t时间内跳跃的水平距离，H为t时间内跳跃的垂直高度，θ为跳跃角度，g为重力加速度 由以上式子可以得到不同跳跃角度下目标鱼的跳跃曲线和鱼在某一跳跃角度下最大跳跃高度对应的时间t，然后可以得到某跳跃角度下的最大跳跃高度：

H=（Vsinθ）2/2g因而在模型出口处适当调节出口管的角度，使鱼获得最大跳跃高度，在真空的冲击力作用下，获得较大初速度，凌空跳跃，从而顺利飞越大坝。

（三）“过鱼加农炮”的优势及效益分析

1.生态经济分析

从生态经济学的角度来看，经济系统作为生态系统的子系统，从生态系统中获取资源，这属于其成本，通过对资源的消耗利用产生收益增加社会福利，这就相当于其效用。

2.优势分析

目前世界上的各类过鱼设施，过鱼率大多仅为10～15%左右，有的则完全不能过鱼。原因有鱼道的进出水口未正确置于洄游通道上，水位与流量的变动使鱼类不易找到进出水口，坝太高、鱼道内流速过大使溯游能力弱的鱼类难以通过鱼道等。各类过鱼设施的建造、运行和维修费用也很大，有的国家正努力研究改进鱼道的型式和建造位置，力争使鱼的通过率提高到50%左右。

三、结语

“过鱼加农炮”这一鱼道模型结合现有过鱼设施的优势，充分发挥真空运输技术的潜能，在理论上创新性地帮助鱼类洄游，能大大提高洄游鱼类的存活率，为鱼类的后代繁衍提供了有力保障，同时有助于维持生态系统的平衡，维护河道的健康，“过鱼加农炮”不需大量的人力监管，它利用现有的机械控制技术，能实现智能化，能改变我国现有的过鱼设施监管体系的不良局面。

［1］physiological knowledge has improved our ability to sustainabl y manage Pacific salmon during up - river migration［J］.

［2］刘明镜.鱼类无氧运动及其适应 ［J］.安徽农业科学.

基金：江西省自然科学基金资助项目 编号：20161BAB211009