仿自然型鱼道在堰坝工程中的设计研究

吴军君，贺 俊，魏小旺

（浙江省钱塘江管理局勘测设计院，浙江 杭州310016）

0 引 言

为开发利用水资源，打造美丽生态景观带，越来越多的固定堰或活动堰在天然河道上筑起，但同时河道里洄游性鱼类的游行通道被阻断，上下游营养物质的交换受影响，上游产卵区的鱼苗无法对下游渔业资源进行有效补充，原本一个开放、连续的系统在能量交换、物质流转及信息传送等方面发生了较大的改变，导致系统中的鱼类生存所需的水质水环境、水文水资源产生变化，最终影响了鱼类资源产生，如：鱼类的洄游或其它活动可能被耽误或停止、鱼类往下游通过大坝坝体或发电水轮机时受到伤害等。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，保护鱼类丰富种类，提升河道生态功能，过鱼设施的研究研究发展显得日趋重要[1]。

目前针对大坝、堰坝等水利工程对鱼类造成的不利影响有如下几种常规保护对策：修建过鱼通道、开展鱼种人工投放、实行水库生态功能调配和创建鱼种保护区等。其中，在国内以修建过鱼通道和开展鱼种人工投放最为常见。在修建过鱼通道方面，国内外目前的主要类型有：鱼道、仿自然型鱼道、升鱼机、集运鱼设施和鱼闸等[2]。本文结合浙江省天台县始丰溪一处堰坝改造工程，通过技术经济、过鱼效果等多方面比较确定了设计方案。

1 鱼道形式及特点

过鱼通道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，下行过鱼设施包括设置拦网、电栅等。在低水头水利枢纽工程中过鱼设施一般指修建鱼道，近代鱼道的设计研究已有100多年历史[3]，衍生出了多种形式，其形式和特点见表1和图1。

2 鱼道设计

2.1 工程概况

天台县城始丰三桥下游约140m有一堰坝中间为翻板坝，宽234m，两侧为固定堰，各宽30m。经过多年运行后，翻板坝经常卡死，约76%的混凝土消力池、抛石防冲槽均已冲毁，本次结合堰坝改建成液压式升降坝工程，在原右侧30m宽固定堰处修建鱼道，堰坝水头差为2m。

2.2 过鱼目标确定

根据当地渔业部门提供的有效数据，典型常见洄游性鱼类包括青、草、鲢、鳙四大家鱼，偶见香鱼、鳗鲡等，爬行类的河蟹较为常见，同时每年渔业部分都会投放数万条各类鱼苗[4]。

鱼道的设计流速通常要小于设计范围内鱼类的巡游速度，根据上述的鱼类统计情况，通过查询表2和经验公式计算对比后确定了设计流速。

游泳能力估算经验公式：

式中：v为鱼的克流能力（m/s）；L为鱼的体长（m）。

2.3 鱼道型式选择

根据工程条件及过鱼目标，结合省内已建鱼道的现场调查情况，初步确定两种鱼道型式设计方案，即竖缝式和仿自然型。

在对两种方案技术对比后，竖缝式方案有3个缺点：保护对象单一。很少考虑到其他生物、有机质、泥沙等在堰坝上下游的交换和平衡，仅满足于个别鱼类的纵向迁移要求，对于恢复河道生态平衡，维护生态完整性作用不大；进口通常狭小，过鱼效果一般；原材料和施工方法不环保。主要为建筑材料，即便流态满足所过鱼类的需求，鱼池周边环境与天然河道相比差别较大。

表1 鱼道的主要形式和特点

图1 鱼道的形式

表2 我国典型洄游鱼类生态习性及游泳能力[5]

而仿自然型方案相对而言，有3大优点：鱼类保护种类多、范围广，所有水生动物基本都适用；能使上下游鱼群得到广泛沟通交换，原有鱼种的完整性得到有效维持；泥沙、有机质和其它水生生物能顺利通过自然或人工建筑物，下游鱼类的肥育需求得到满足。

从投资、施工、后期运行来看，竖缝式方案过鱼目标单一、施工难度大，而仿自然型方案尽管斜坡道工程量较大，但本工程堰坝上下游水头差较小，同时运行管理较简便、维护经费低，坡度坡比不规则，流态特征贴近自然，竖砌条石槛跌水后形成的水池为鱼在枯水期找到蔽所并存活提供了保障。还有个重要优点，即仿自然型不需要调控上游来水流量，下游水位变动时水生动物仍能轻易地找到鱼道入口[6]。

综上所述，该工程采用仿自然型鱼道方案，其中过鱼设施采用加糙坡道型，蟹等爬行生物采用鱼坡，见图2、图3。

图2 加糙坡道

图3 鱼坡

2.4 鱼池结构尺寸[2]

（1）鱼池宽度B：主要由过鱼对象的大小和过鱼量决定。国外一般取2~5m；国内多取2~4m。

（2）鱼池长度l：与鱼类的休息条件及水流的消能效果有关。一般初设时取l=（1.2~1.5）B。鱼体大，取大值；鱼体小，取小值。

（3）鱼池深度h：主要依过鱼习性而定。底层鱼和体形大的成鱼要求水深较深。国内外一般取1.5~2.5m。

（4）孔口或竖缝宽度b：一般不宜小于过鱼对象体长的1/2。

（5）鱼池数目

式中：k为消能系数，一般取0.85~0.90；v为鱼道孔口或竖缝流速（m/s）；H为最大水位差，即上游最高运行水位减下游最低运行水位（m）；g为重力加速度。

（6）鱼池间的落差：△h=H/n；

（7）鱼池的底坡=△h/l；

（8）鱼道平均底坡i=鱼道进、出口底部高程差除以鱼道的有效全长[6]。

2.5 鱼道进口

鱼道能否被鱼类较快的发现和顺利的进入是设计成败的关键。为此必须研究鱼类的洄游规律。通常鱼道进口应避开河流主流，设置在流速略小的主流两侧上游处；鱼道的选址设置在常年有流水处，并确保进鱼口处有1~1.5m的水深。进鱼口的底板高程根据下游水位变动的情况确定。进口处的出水流速维持在0.3~0.5m/s左右。进水口与河床间不可有陡坎等，可用砂卵石等铺筑成缓坡与之连接[7]。

在满足以上要求的同时，本工程设计时结合地形特点，将鱼道进口由上游的6m渐变至16m，占河宽比重增加，角度也作了调整，这样更有利于鱼类发现顺道。

2.6 鱼道出口

出口处通常设置在岸边，水流平顺且能满足上游水位变动处，出口底板处水深在1.5m以上。如水库消落水深较大，可设置多个出口加以辅助，并确保出水深度在1.5m以上[7]。

2.7 设计成果

如图4所示，液压式升降堰坝布置于现状河道主槽，升降坝堰顶高程48.0m，26.2m宽鱼坡和5.5m宽加糙坡道型鱼道分别布置在堰坝右侧。

其中加糙坡道型鱼道的断面结构见图5，鱼道头部为C25混凝土挡墙，挡墙顶高程47.45m，顶宽0.87m，上游坡度为1∶0.3，下游坡度为1∶0.1，鱼道长72m，高程落差2.4m，坡比1∶30，每2 m竖砌密排大漂石，形成仿自然鱼池，大漂石大头朝下，单块平均高度0.8m（0.7~0.9m），平均重500 kg，密排嵌入浆体0.35m，尤其是上游侧首排单块大漂石平面尺寸每一边不小于0.8m，鱼池低为大漂石平躺埋设，平均厚0.65m，此类鱼池结构拥更为丰富的底质，水流结构更富多样化。鱼池后紧接长5m、60 cm厚C30钢筋混凝土平台，再是长10m、100 cm厚大块石抛填层其后与天然河床顺接，此平台既为鱼道起防冲保护作用，又是鱼道进口，需保证水深在1~1.5m。

鱼坡断面结构见图6，鱼道头部为C25混凝土挡墙，挡墙顶高程48.0m，顶宽0.65m，上游坡度为1∶0.3，下游坡度为1∶0.1，鱼坡长38m，高程落差3.8m，坡比1∶10，坡面为漂石埋放，厚0.7m，漂石间凹缝2 cm，漂石表面向上游倾斜，单块平均厚度0.45m（0.35~0.55m），单块重量不小于250 kg，鱼坡后紧接长8m、60 cm厚C30钢筋混凝土消力池，再是长33m、100 cm厚大块石抛填层其后与天然河床顺接，如图4所示与鱼道后平台一起形成一个大平台，即为鱼道进口[8，9]。

图4 总平面布置图（单位：m）

图5 加糙坡道型鱼道断面结构图（单位：mm）

图6 鱼坡断面结构图（单位：mm）

3 结 语

（1）在活动堰坝或固定堰旁设置仿自然型鱼道对于维持良好生态环境，保护鱼类资源是十分有效的措。

（2）与传统工程鱼道相比，仿自然型鱼道适用于各种鱼类上溯或下行，过于效果甚佳。

（3）仿自然型鱼道具有生态的景观效果，不与堵塞，运行管理费用低，在完建之初根据试运行效果，可以方便地对漂石摆放等细部结构进行调整。

（4）仿自然型鱼道也有不易适应上下游水位较大的变动，占用空间较大等缺陷，同时也要根据天然河道地形、落差等条件灵活掌握，切忌生搬硬套。

（5）我国生态鱼道起步晚，工程经验少，但河道生态需求的恢复日益强烈，接下来需与生物工程师结合，加强相关技术研究。