鱼道设计与运行过程中影响过鱼效率的相关问题分析

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(安徽理工大学，安徽淮南232001)

如今，世界上大多数较大的河流已经或正在修建大坝，包括一些生物多样性丰富的河流[1-2]。虽然修建水库大坝能够满足防洪、发电、灌溉、供水以及航运等需求，但是过多地修筑挡水建筑物势必会对流域连通性产生较大的负面影响。大坝拦蓄水会导致流域内栖息地破碎，从而对流域内水生生物的生存构成威胁，特别对鱼类的威胁更大[3-4]。鱼类通常依靠迁徙活动来获得其生长过程中所需要的营养物质，迁徙过程中，它们通常会选择具有平缓水流和细粒基质的地区作为最佳栖息地[5-7]。水库大坝破坏了鱼类等水生生物的栖息地，而栖息地质量直接关系到生态系统的生物多样性[8-9]，因此，研究鱼道、升鱼机等过鱼建筑物对减小大坝的阻隔影响，帮助鱼类顺利洄游迁徙以及保护河流水生生物多样性具有重要的意义。本文通过分析大量文献，归纳鱼道类型、鱼道设计与建设以及鱼道研究领域亟待解决的问题，提出了一些建设性意见。

1 鱼道类型及其特点

1.1 鱼道类型

鱼道的类型大致可以分为：工程技术型鱼道(池堰式、竖缝式、丹尼尔式和旁道系统等)、仿自然型鱼道(仿自然通道、加糙坡道型鱼道[10]等)和专用鱼道(鳗鱼梯、鱼闸和升鱼机等)，见图1。目前工程上采用最多的鱼道类型是丹尼尔式[11-12]、池堰式[13-14]和竖缝式[15-18]。

1.2 工程常用鱼道的特点

常用鱼道的特征可以概括为以下几点。①池堰式鱼道：池室中的水流横截面积较小，池室中容易出现沉积物淤积和碎屑杂物的累积，使得池室的底部孔口极易被堵塞，严重时可能会影响水位变化，这种类型的鱼道不适用较大的水位波动。②丹尼尔式鱼道：占用空间较小，不受空间限制，但是容易受到水位波动的影响，且通道容易被沉积物和碎屑杂物堵塞。与其他类型鱼道相比，丹尼尔式鱼道需要更高的水位。③竖缝式鱼道：具有宽敞的内部池室空间，能够很好地适应大而频繁的水位波动，能够为鱼类提供平滑区域，且不容易发生沉积物淤积的情况。竖缝式鱼道既可以应用于低流量的溪流，还可以应用于大流量的山区河流。在3种常用类型的鱼道中，竖缝式鱼道的优点更为突出，被许多国家广泛应用于鱼道工程领域[19-24]。

2 鱼道研究问题

2.1 鱼类的游泳能力和行为特征

鱼道的工程建设涉及到诸多学科领域，包括水力学、鱼类行为学、鱼类生理学等等。但是在过去的一段时间内，国内的鱼道设计过多地注重于工程结构方面的问题，而较少涉及到鱼类迁徙行为和鱼类生理等相关科学领域[25]。鱼类迁徙行为包括不同栖息地之间的补偿性洄游迁徙、产卵迁徙、淡水生态系统与海洋之间的跨区域迁徙、下游迁徙和捕食肥育迁徙以及在不同生命阶段满足生物个体需求的迁徙等。鱼类自身的游泳能力大小是决定鱼类能否通过鱼道迁徙上溯的客观条件。爬岩鳅、青石爬鮡、鲢鱼、裂腹鱼等国内鱼道过鱼目标物种相比于其他国家的鲑鱼、鲟鱼等表现出较弱的游泳能力，这直接导致大多数按照国外设计标准建设的鱼道运行效果不理想[22]。

同时，在影响鱼类洄游行为的水力因子和温度、盐度、水质和光线等环境因子中，水力因子被普遍认为是影响鱼类游泳行为的主要因素，鱼类在不同流速和水流紊动下通过改变摆尾频率与幅度或者采用爆发-滑行游泳方式来应对流速障碍[26]。Amaral等[27]对淡水洄游性鲤科鱼类通过宽顶堰是选择跳跃还是游泳的方式提出猜想，并通过物理模型试验验证了堰高、瀑流高度及堰顶流量的大小是影响鱼类采取何种方式通过宽顶堰的主要因素；Link等[28]通过观察分析智利本土鱼类物种经过圆柱尾流时尾鳍的尾拍频率及尾拍振幅的变化，研究鱼类在水流条件复杂情况下的迁徙行为，发现流态和流速对鱼类迁徙行为影响显著。因此，在鱼道设计和建设过程中，鱼道的水流条件、鱼类的游泳能力、生活习性和迁徙行为特征都是十分重要的因素。

2.2 鱼道进口的位置布设

图2为鱼道进口示意，鱼道进口应尽量设在鱼类洄游路线的途中且有活水下泄的位置。通常鱼道进口的宽度与堰、坝相比较窄，如何使鱼类能够快速发现鱼道进口并进入鱼道内是鱼道设计和建设需要考虑的重要问题。科学合理规划鱼道进口区域、营造吸引鱼类进入鱼道的水流条件有助于帮助鱼类发现鱼道进口和解决鱼类洄游迁徙延迟问题。

鱼道进口的布设位置与布置方式直接影响着鱼道集诱鱼水流的水力学特性，集诱鱼水流能否被鱼类识别决定着鱼道进口的诱鱼效果，合理布设鱼道进口是鱼道设计和建设取得成功的关键[29]。郑铁刚等[30]基于生态学与水力学理论和数值模拟方法，结合过鱼对象的游泳能力和生活习性，划分了适宜布置鱼道进口的河道区域；王猛等[31]采用物理模型试验对某工程仿自然鱼道进出口的流态、水流速度大小及分布进行研究，认为鱼道需要布置多个高程的进出口以适应不同的水位变幅；Andersson等[32]对有发电尾水河流中的鱼道进口流场进行模拟，发现在靠近尾水出口附近布设鱼道进口，集诱鱼水流对鱼类更具吸引力；Bravo-Cordoba等[33]利用集成雷达遥测技术研究布置2个鱼道进口的池堰式鱼道，认为设计2个鱼道进口更有利于多种鱼类进入鱼道；梁朝皇[34]等对石虎塘航电枢纽鱼道设计时采用主进鱼口和集鱼系统进鱼口，并将主进鱼口布置在电站厂房尾水渠旁，研究表明主进鱼口和集鱼系统进鱼口联合运用，进鱼效果更好；黎贤访等[35]采用数值模拟方法研究了鱼道进口下游流场分布，认为鱼道进口轴线与河道成30°时，下游流态更有利于集诱鱼。虽然国内外学者对鱼道进口的水流结构、水流流态、流速分布等水力特性开展了大量研究[36-39]，但是对鱼道进口位置的布设原则和鱼道进口的体形结构研究仍不成熟，这往往会导致模型试验获得的鱼道结构在应用到实际工程中时过鱼效果并不理想。

汪亚超、Bunt等[40-41]提出鱼道进口位置设置在电站厂房尾水渠或溢洪道出口旁侧的方案，便于利用下泄水流进行诱鱼。中国葛洲坝的3个船闸下游是鱼类积聚最多的地方，说明有流动水流下泄的地方最容易吸引鱼类聚集。工程技术鱼道中，利用电站厂房尾水集诱鱼是相对比较理想的鱼道进口布设方式，但发电机组位置以及发电机组的运行方式仍然值得关注。郑铁刚等[30]基于FLUENT软件并结合UDF技术，采用Reynolds方程和RNGk-ε模型研究了电站发电机组不同组合运行时的尾水流场，研究表明：尾水渠内流态信息较为丰富，存在不同程度的竖向环流或横向回流，因此利用电站厂房尾水集诱鱼需要研究发电机组的合理运行方式。

2.3 鱼道内沉积物淤积问题

在多沙河流中修建鱼道时，鱼道内沉积物淤积问题应受到重视。中国年均输沙量1 000万t以上的河流有42条，黄河、长江的总输沙量占世界13条大河总量的1/3，其中黄河是世界上泥沙最多的大河，多年平均输沙量达16亿t。虽然泥沙受到水库大坝阻隔大部分会淤积在库底，但在洪水期或上游水库冲沙闸运行时，浑水中的泥沙、垃圾等会进入鱼道，给鱼类洄游带来负面影响，严重的淤积可能会导致鱼道难以正常运行，特别是池堰式鱼道更容易发生沉积物淤积。建于1980年的湖南洋塘鱼道，在最初运行的前9个月内通过40.9万尾鱼，平均每小时大约通过900尾，通过鱼类的总数超过了128万尾。然而，由于洪水挟带着大量的沉积物进入鱼道，导致鱼道内发生严重的淤积现象，1987年以后，鱼道停止了运行[42]。除了泥沙沉积外，垃圾沉积、淡水生物附着问题，在长江、珠江的许多鱼道中较为明显。鱼道内泥沙、垃圾等沉积物淤积会堵住底孔池式鱼道的孔口，严重影响鱼道过鱼效率，甚至导致鱼道运行失败。国外研究人员曾提出一种类似于鱼骨形状的鱼道[43]，试图来解决鱼道内沉积物淤积的问题，但这种类型的鱼道过鱼效率却并不理想。如何确保鱼道不淤是提高鱼道过鱼效果需要关注的问题。

2.4 鱼类的下游迁徙问题

鱼类的下游迁徙问题也是鱼道研究领域需要关注的问题。中国常见的过鱼对象是多次产卵的鲤科鱼类，在产卵后会有下行的行为。中国学者目前关注鱼类下行的问题比较少，一方面是中国淡水河流中，河海洄游的鱼类较少，鱼类群体下行规模并不显著；另一方面，下行的主要是仔稚鱼，水轮机对其伤害率不算太高。但国外有许多鱼类完成上溯迁徙和产卵后，会沿着水流向下游游动，如鲑鱼、鳗鱼和鳟鱼等。Thorstad等[44]研究发现大西洋鲑鱼下游迁徙过程中，通常选择溢洪道、水轮机发电水流向下游迁徙，受到涡轮撞击和高速旋转影响，鲑鱼出现死亡的机率明显升高。Norrgard等[45]研究发现只有很少一部分鱼类个体会选择鱼道向下游迁徙，绝大多数鱼类个体会沿河下溯，进入溢洪道、水轮机或其他水工结构和进水系统，这会导致鱼类遭受不同程度的伤害或死亡。不同的水轮机对鱼类的影响不一样，如冲击式水轮机，下行鱼类的死亡率几乎达到100%[22]。向下游迁徙的幼鱼个体数目庞大，有很重要的生态价值和经济价值，它们是下游迁徙过程中最需要保护的重要对象。

3 讨论与分析

a) 没有科学依据表明单一的鱼道设计能够同时满足具有不同生理特征、游泳能力、体型和迁徙行为的鱼类物种顺利迁徙。因此，在鱼道设计时，应当结合本土鱼类的游泳能力、游泳特点及栖息习性，充分考虑过鱼对象的迁徙行为及其所有生命周期过程，不仅要收集成鱼游泳能力和迁徙行为的资料，还应该包括小型幼鱼的游泳能力和迁徙行为的资料。在控制水力条件时，要考虑水深-流量、湍流动能、湍流能量消散、回水区的尺寸等对鱼类的迁徙行为的影响[46-49]。在鱼道模型试验时，应从鱼类生理学角度对鱼类的游泳能力进行研究，分析鱼类生理机能在过饱和溶解氧、长时间耐久游泳或突进游泳情况下的运动代谢和体能变化[50-51]，为科学合理设计鱼类洄游通道提供理论支撑。

b) 鱼道的进口应该布置在鱼类密集活动的区域，以满足大多数河流鱼类上溯迁徙的需要，帮助鱼类快速、准确地找到鱼道进口。鱼道进口的水力参数应该适宜鱼类聚集成群，需要对鱼群区域的水流速度、湍流动能和水深进行分析，并结合鱼类集群特征、鱼群的空间分布和运动轨迹等，确定鱼类进入鱼道的水流速度和水深。同时，鱼道进口要尽可能地设置诱鱼灯，或利用工程措施增加水流声音，吸引鱼类快速找到进口。

c) 解决鱼道内沉积物淤积问题，可以在不影响鱼道良好过鱼效果的前提下，在鱼道内安设沉积物清除装置。同时，鱼道运行时间要根据鱼类的正常洄游时节进行合理的安排，在鱼道停运期间，对鱼道内的淤积物进行及时清理。对存在大量淤积物的鱼道要进行结构优化，对于鱼类通过时间较短且进入下游水域的鱼道入口，配备疏浚设施。

d) 鱼类通过水轮机向下游迁徙死亡较高，死亡原因可能是机械损伤，也可能是由于快速的压力变化及通过极端湍流区域而产生的剪切作用引起的空化损伤。有研究表明：在不采取任何保护措施的情况下，鱼类下游迁徙通过水轮机时的死亡率接近100%[52]；当水流速度达到或超过16 m/s时，鱼类会处于危险状态，而溢洪道中的水流速度通常很高，不利于鱼类向下游安全迁徙[53]。世界上大多数水坝兼具防洪和发电功能，如果不采取任何保护措施，鱼类通过水轮机、溢洪道向下游迁徙时，势必会受到伤害。因此，为了实现鱼类顺利向下游迁徙，尤其是幼鱼个体，需要在工程上采取有效的保护措施，设计鱼类分离装置和集群措施，将鱼类从溢洪道、水力涡轮机和其他进水系统中分离出来，聚集成群后通过鱼道或旁通管道安全运输到下游。

4 结语

中国水利水电事业蓬勃发展，水能资源的开发极大地促进了社会经济的发展，但水库大坝阻隔了河流的连通性，对河流水生生物构成了较大的威胁。本文讨论了不同类型鱼道的优缺点，从鱼类的游泳能力和行为特征、鱼道进口的位置选择、鱼道内沉积物淤积和鱼类的下游迁徙等方面，分析并讨论了鱼道设计与建设过程中面临的诸多问题，提出了一些措施和建议，以期促进鱼道的建设与发展，提高鱼道的过鱼效率。