高水头鱼道整体布置及进口段优化试验研究

程玉珍，梁 砚，周 招

(1. 黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080; 2. 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

0 前 言

近年来，水利工程建设快速发展，闸坝等水工建筑物的建设将鱼类等水生生物的迁徙通道隔断，对鱼类的洄游、繁殖及基因交流等产生了一定程度的影响。随着对生态保护的进一步认识，国内修建了一系列的过鱼设施，其中，鱼道作为最主要的过鱼设施，得到了广泛的应用。国内对鱼道的研究起步较晚，较多的借鉴了国外鱼道的设计方法，但由于国内外水利工程特点以及过鱼对象存在较大的差异，使得很多鱼道的实际过鱼效果并不理想。与国外鱼道设计不同，我国已建鱼道工程运行水头较低(大多数都在20 m以下)，随着水利工程进一步发展，一批高水头鱼道正在进行设计和研究，如西藏、陕西、新疆等地的一些水利枢纽中，鱼道运行水头接近或超过40 m[1]。同时，由于我国大部分鱼道过鱼对象游泳能力相对较弱，底坡设计较缓，因此鱼道总长度远超国外等水头鱼道。在这种高水头、长距离鱼道中，鱼道的布置方式、池室结构、进出口设计等都需要做进一步研究。

竖缝式鱼道消能效果较充分, 能适应较大水位变幅，一般用于能适应较复杂流态的大、中型鱼类[2]，与仿自然型鱼道以及池式鱼道相比，可适用的上下游水头差更大。国外对此形式鱼道做了较多的研究，其中，最著名的是鬼门峡(Hell's Gate)鱼道。我国采用双侧导竖式的有斗龙港闸鱼道、瓜州闸鱼道、利民河大鱼道等；采用单侧导竖式的有浙江七里垅鱼道、安徽裕溪闸鱼道和安徽巢湖闸鱼道等。20世纪80年代，Rajaratnam等[3]首次对竖缝式鱼道进行了系统的试验研究。近年来，竖缝式鱼道在国内得以广泛应用，曹庆磊等[4]，边永欢，孙双科等[5-7]，刘志雄，王猛等[8, 9]分别对竖缝式鱼道的池室结构，水流流态以及流速、紊动能等方面进行了研究。胡涛等[10]对多折回通道型竖缝式鱼道的沿程流速分布进行了研究并提出了减小竖缝流速的方法。但是，竖缝式鱼道在高水头、长距离工程中的应用，仍然需要进一步探索。本文以奋斗鱼道为基础，通过模型试验对采用多折回竖缝式设计的高水头鱼道的水流特性进行分析，并针对进口段进行优化研究。

1 工程概况

奋斗水库位于黑龙江省穆棱市，是一座以供水为主，兼顾防洪、发电、灌溉等综合利用水库。如图1所示，鱼道布置在厂房尾水渠的右侧平坦山坡上，设有1个进鱼口以及4个出鱼口，全长约为2 213.5 m。主要建筑物包括进鱼口、过鱼池、休息池和出鱼口等。鱼道采用循环曲线形集中布置，鱼道从左岸重力坝坝身穿过，设4个出鱼口，共设有531个池室和48个休息池。

图1 奋斗鱼道平面图Fig.1 Layout of Fendou fishway

鱼道为竖缝式鱼道，主要过鱼池室结构如图2所示，池室高3.0 m，宽度为2.5 m，单个池室长度3.5 m，竖缝宽度0.45 m，底坡为1∶60，每间隔小于20个过鱼池或在鱼道弯折处设置一个长7.0 m的休息池，休息室底坡为0。竖缝隔板处设置导板以调整水流方向。

图2 典型池室结构(单位：cm)Fig.2 Classic structure of pool room

穆棱河是乌苏里江左岸最大的支流，鱼类组成比较复杂。据调查采集鱼类和文献记载， 主要洄游鱼有细鳞鱼、茴鱼、马口鱼、蛇鮈等，本鱼道过鱼对象主要是细鳞鱼，茴鱼等。细鳞鱼，茴鱼均为鲑形目，淡水类鲑鱼极限流速为2.3～3.5 m/s[11]。综合各因素考虑，鱼道竖缝流速取1.0 m/s。

水库正常蓄水位382.00 m，电站下最低水位349.57 m，上下水头达32.43 m，为高水头鱼道，上游水位变幅9 m，下游水位变幅1.43 m，上下游水位变化幅度较大且鱼道全长达2 213.5 m，隔板数量多，鱼道水流能否满足过鱼需求，有必要进行水工模型试验验证评价。

2 模型设计

2.1 模型布置

在药用高分子材料学的教学中，可以通过微信群的功能，在上课前就给学生设置问题，引导学生自己思考。例如，在讲述淀粉与纤维素特点时，可以设疑“淀粉与纤维素结构类似，为何牛以吃草为生，而人却不能”，引导学生去认识，虽然淀粉与纤维素结构类似，但淀粉是以α-1,4糖苷键相连，纤维素是以β-1,4糖苷键相连，两者分子式一致但构型不同；人体内仅存在水解α-1,4糖苷键的酶，缺乏水解β-1,4糖苷键的酶，从而导致纤维素在体内不能被吸收。

图3 奋斗鱼道1∶20水工模型Fig.3 1∶20 Physical model of Fendou fishway

2.2 试验工况

根据上下游库水位组合变化以及不同出口闸门启闭，按表1工况进行试验。其中，工况1、4上游出口水深为1.0 m左右，工况2、3上游出口水深为2.5 m左右，下游进口水深根据电站流量不同在1.1～2.5 m间变化。

核苷酸二钠（I＋G）的来源还是比较安全的，通常是从酵母中提取出来的。GB 2760－2011食品添加剂使用标准将核苷酸二钠（I＋G）列在《可在各类食品中按生产需要适量使用的食品添加剂》的名单上。这说明适量使用核苷酸二钠（I＋G）是符合国家食品安全标准的，不具有危害[4]。

表1 试验工况Tab.1 Experiment working condition

可以看到，鱼道竖缝流速变化趋势与沿程水深一致，基本保持平稳，沿程略有上线波动。在各工况下，流速绝大多数保持在0.8～1.2 m/s之间，本鱼道工程主要过鱼对象上溯的极限流速在2.3 m/s以上，感应流速约为0.3 m/s，喜好流速一般在1.0 m/s左右，因此，在该流速变化范围内，是适宜过鱼的。

3 试验结果

考虑到进口连接段流速较小以及A、B段水深流速变化较大，将A、B两段及进口连接段底坡改为1∶75，相较于原设计中进口连接段底坡1∶500，A、B段底坡1∶60，均匀底坡有利于防止水面陡升陡降，进而造成水流流速的突然变化。同时，在进口连接段，增加12个隔板，隔板形式尺寸及间隔与鱼道上游一致。通过增加隔板，减小过流面积，使水流更加集中，流速提高，明确鱼类上溯方向。

3.1 沿程水深

鱼道水面线(水深)是鱼道能否正常运行的必要条件之一，根据本工程主要过鱼对象细鳞鱼、黑龙江茴鱼等的体型特点与生活习性，能够满足过鱼需求的水深为1.0～2.5 m，试验采用控制上下游水位的方法，上游根据1～4号不同出口闸门高程，分别采取1.0 m与2.5 m两种出口水深对应的水位，下游采用不同电站运行状态对应的水位，对沿程水面线进行了测量。

为模拟鱼道整体运行情况，同时考察池室流态等，模型几何比尺确定为1∶20。 模拟建筑物包括鱼道整体(包括进口闸门、鱼道下游段、过坝连接段、鱼道上游段、出口闸门1～4号等)、上游水库、电站尾水管、尾水渠等，模拟范围上游水库鱼道出口闸门附近20 m，下游电站尾水渠距鱼道入口50 m，模型模拟范围可保证试验工作段的水流流态相似。模型全长22 m，其中上游水库高0.7 m，长6.5 m，宽3.0 m；鱼道下游段高1.5 m，长4.7 m，宽3.0 m；电站及尾水渠段，高0.7 m，长9 m，宽2.7 m。见图3。其中，上游库水位变化幅度较大，通过叠梁门与管道阀门进行控制，下游水位通过尾门控制，电站流量通过三角堰控制。

图4 沿程水深Fig.4 Water depth along distance

选取各工况测量数据中，进口闸门至1号出口闸门段典型过鱼池的水深数据，并按桩号沿程绘制成图，如图4所示。观察可以发现，在不同工况下，鱼道内水深与出口闸门水深基本保持一致，水深总体上保持平稳，沿程略有上下波动。本工程中过鱼池室结构及底坡设计可以较好的适应高水头差鱼道工程。

对比工况2和工况3，可以发现，在不同出口闸门开启时，尽管上游库水位不同，只要出口闸门水深保持一致，鱼道内沿程水深均可以保持一致。在上游闸门开启情况下，尽管上游库水位较高，但经过鱼道内隔板沿程消能，水流流至下游闸门时，水头已基本与原水位一致，因此，可将鱼道出口水深作为鱼道运行的控制条件。

在各个试验工况中，水深基本保持稳定，未出现水位大幅雍高，其中工况2水深最大，达到2.76 m，与鱼道边墙高度3.00 m有一定富余。而出口水深在1.0 m时，鱼道水深均保持在1.0 m以上，可以满足过鱼水深要求。因此，上游库水位保持鱼道出口水深在1.0～2.5 m以内，可以满足鱼类通过的基本要求。

与原方案进行对比，优化后，水深变化区段由原来的A、B段扩展至连接渠段，使得相邻池室水位差减小，从而减小了最大竖缝流速。

各工况下，在来流水深一致时，鱼道水深变化基本一致，由上游至下游水深均沿程减小。但在临近鱼道进口的A、B段时，如图5，不论上游来流水深为多少，均迅速降低或增加为鱼道进口水深。这种在较短距离内水深大幅度变化，使得竖缝流速增大或减小，对鱼类上溯可能产生阻碍。

图5 鱼道下游段平面图Fig.5 Layout of downstream section

3.2 竖缝流速

竖缝式鱼道中，竖缝流速是设计的关键参数，过鱼对象是否能顺利上溯，很大程度上取决于竖缝流速是否接近鱼类喜好流速，并且不能超过其极限流速。选取鱼道典型过鱼池竖缝流速按桩号沿程绘制成图6。

图6 竖缝流速Fig.6 Velocity of water in vertical slot

分别对1-4工况下鱼道内沿程水深，竖缝流速等进行测量，分析对比不同工况下的变化规律，以及对鱼类上溯造成的影响。

随着屏底温度提高，水冷壁辐射吸热量下降明显，分离器出口蒸汽温度亦下降明显；而末级过热器出口汽温呈下降趋势，虽然过热器总吸热量随屏底温度提高而增加，但上升幅度小于水冷壁吸热量的降低幅度；再热器吸热量随着屏底温度上升而增加，故再热器出口温度也相应增加。屏底温度每上升10℃，分离器出口蒸汽温度下降2.0℃，过热器出口蒸汽温度下降1.1℃，再热器出口蒸汽温度上升1.6℃，具体结果见图5。

但是在临近鱼道进口部分，由于水深快速变化，导致流速大范围变化。工况1下，由于流速小于0.3 m/s，低于鱼类感应流速，不能为鱼类上溯提供明确方向。而在工况2下，最大流速达到1.7 m/s，这对于体型较小，极限流速较低的鱼类以及幼鱼来说，又会对上溯形成阻碍。

3.3 AB段水深及流速分析

对水深及流速变化剧烈段进行分析，可以发现，主要集中在鱼道进口附近A、B两段。主要原因是下游电站尾水位变化，使鱼道进口水深与上游出口水深不同，从而使水深变化集中在进口附近。

综上所述，与玉米醇溶蛋白相比，玉米醇溶蛋白经碱性蛋白酶酶解后，其锌离子螯合物对DPPH自由基、羟自由基、ABTS+·清除能力均有不同程度的增加。

图7 AB段水深及竖缝流速Fig.7 Water depth and velocity in vertical slot of part AB

4 优化方案

试验分别对过鱼池、休息池、转弯段等沿程水深及竖缝处流速进行测量，水深取池室中部左右两侧平均水深，由于竖缝流速垂直方向变化不大，选取隔板竖缝处水深1/2处流速。以鱼道进口闸门处桩号为0 m，上游方向为正，对鱼道水深及竖缝流速沿程进行分析。

根据不同进出口水深工况进行试验，如表2所示。

表2 试验工况Tab.2 Experiment working condition

对以上工况下A、B段鱼道水深，竖缝流速进行测量，如图8所示，在工况1中，出口水深为2.51 m，进口水深为1.49 m，在A、B段，水深仅降低至1.94 m，流速则由0.98 m/s增大至1.21 m/s。与原方案中最大流速1.7 m/s相比较，更接近主要过鱼对象的喜好流速，可以认为不会对鱼类上溯造成影响。

对A、B段水深及竖缝流速测点加密，并沿程绘制成图7。可以发现，工况4中，进口水深与出口闸门水深接近时，水深基本保持一致，竖缝流速基本保持稳定。而工况2，3中，鱼道水深迅速由出口闸门水深变化为进口水深，竖缝流速由1.0 m/s左右增大至1.5 m/s左右。

图8 AB段水深及竖缝流速Fig.8 Water depth and velocity in vertical slot of part AB

谁知李陆峰却笑着说：“老话说得好，躲得了初一，躲不了十五。这不，十五元宵节，说到就到。躲躲藏藏，畏首畏尾，这般担心受怕，何日才是尽头？我倒不信了，灯节禁地，除了皇亲国戚、京城高官，常人皆不容入内，他纵有三头六臂，能奈我何？再说了，他早晚都在算计我，却不知我连做梦也在算计他，就盼他敢现身。只要他敢来灯节禁地，只要他敢出头，我就有把握擒住他！”

图9 AB段水深及竖缝流速优化Fig.9 Optimism of Water depth and velocity in vertical slot of part AB

选优化前后相同工况进行对比，如图9，在各工况下，优化后A、B段水深变化幅度明显较小，更加平稳，进而使得流速变化较小，最大竖缝流速减小至1.2m/s以下，使得流速控制在鱼类喜好流速范围内，并且稳定的流速可以使鱼类较快熟悉鱼道，上溯更为顺利以满足鱼类上溯的流速要求。

5 结 语

通过对竖缝式鱼道在长距离、高水头差工程中应用进行试验研究，可以得出以下结论。

(1)对于高水头差长距离鱼道工程，竖缝式鱼道可以起到很好的消能效果，可以使沿程水深、流速保持在相对平稳的状态。

食品安全数据的来源广泛，包括抽查、检测结果、监测数据、互联网数据等，在其采集、使用、处理等过程中处处存在着影响其质量的因素，同时食品安全数据覆盖面广、更新速度快、数量庞大，各个环节都可能出现误差，存在着较大的不确定性。

(2)采用本鱼道工程中的竖缝隔板形式，鱼道沿程水深与鱼道出口水深基本保持一致。

(3)在鱼道进口附近，由于水深迅速趋于进口水深，当进出口水深相差较大时，水深的迅速变化，会导致竖缝流速过大或过小，对鱼类上溯形成阻碍。

（5）单体浓度在m(AMPS)∶m(AA)∶m(AM)为6∶4∶2，水浴温度65℃，引发剂加量0.2%，pH值为6条件下合成缓凝剂，并配置水泥浆（配方A）进行性能评价，实验数据显示最佳的合成单体浓度为30%（表5）。

李泽厚先生曾言：书法一方面可以是“创作者有意识和无意识的内心秩序的全部展露”；另一方面它可以是“宇宙普遍性形式和规律的情感同构”；是这种“人与自然、情绪与感受、内在心理秩序结构与外在宇宙（包括社会）秩序结构直接相碰撞，相斗争，相调节，相协奏的伟大的生命之歌。”［9］这就是说，所谓书者，抒也。感情的抒发还只是书法的功能，时空情绪的秩序化才是书法的本质。

(4)通过减小进口附近段底坡坡度，增加连接段隔板，可以增大水深变化区段，减小相邻池室水位差，有效减小最大竖缝流速。

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[1] 吴剑疆, 邵剑南, 李宁博. 水利水电工程中高水头鱼道的布置和设计[J]. 水利水电技术, 2016,(9):34-38.

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