适合多目标种群的窄深型仿自然鱼道研究

王智娟，朱世洪2,周 赤，黄明海，姜伯乐

(1.长江科学院 水力学研究所，武汉 430010； 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司 航建室，武汉 430010)

1 研究背景

河道中修建闸坝等建筑物后，鱼类生存环境被改变，洄游通道被切断，鱼类活动受到影响。随着人们环境保护意识的逐渐增强，水利建设也开始从工程水利向资源水利转变，如何保护洄游性水生物的洄游通道，有效保证鱼类的生存繁衍，实现人与自然和谐共生，成为水生态领域和水利工程的迫切需求。

鱼道是通过修建坡度较缓的水槽并在其中设置卡口，将大坝水位差分解成多个较小落差，从而帮助鱼类洄游通过的工程措施。传统的鱼道按卡口型式不同主要有池式、槽式和横隔板式等[1]。简单的池式和槽式鱼道，由于水头适应性较差，较少应用；横隔板式水流条件易于控制，水头适应性好，结构简单，维修方便，故近代鱼道大多采用此种形式[2]。但是，由于此类传统的鱼道一般是按照水工水力学的流速、水深等指标要求进行的结构设计，鱼道边界采用浆砌石或混凝土建造，从而使其环境较为生硬，与鱼类生活的自然环境差别较大，导致很多鱼道过鱼效果不好，甚至有些鱼道被废弃[3-4]。

仿自然鱼道从生态学角度出发，结合鱼类习性、水力特性、生态保护以及模拟天然河道内的水流特征等来进行设计，底坡一般采用较为天然的石块起伏错落堆砌而成，边坡采用土、岩石、植物等制作，收缩卡口一般采用可透水的生态石笼或者条石等材料制作，不仅满足水力学指标，还使整个仿自然通道形成深潭-浅滩的形状，尽可能地模仿了坡度变化丰富的天然河道“蜿蜒曲折、滩潭相间、主急侧缓、有深有浅”的特点[5]，且在过水边界覆盖植被，为鱼类提供友好的环境。由于仿自然过鱼通道的近天然特性，不仅可以实现传统鱼道对于鱼类迁移的需要，还可以有效地维护生态的连续性和完整性，具有较强的生态效应，已逐渐成为鱼道建设的新趋势[6]。

仿自然型鱼道自问世以来，在欧洲、北美、澳大利亚、日本等地区得到了较多应用。比如伊泰普水电站的仿自然鱼道，很好地满足了鱼类洄游产卵等需求，改善了大坝下游鱼类的恢复繁殖条件[7]。巴西的Santo Antonio工程，包含了仿自然过鱼通道，尽可能地减少对鱼类生态的破坏。德国的Loue河上的鲑鱼自然旁路渠道和法国西南部的Adour河上修建的西鲱鱼自然旁路渠道，均对生态的连续性起到了较好的效果[8]。

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对于优化体型结构布置方案进行了1∶5的物理模型试验。在过鱼通道的所有接触水流的部位，包括过鱼通道侧壁、底部，隔墩消能墩的侧壁和底部进行仿自然化，过鱼通道底部和侧壁及隔侧壁墩采用短轴长约为15～25 cm的近椭圆体鹅卵石，消能墩侧壁和顶部采用5～15 cm的较小的鹅卵石。对过鱼通道模型进行仿自然化后形态见图5。

由于断面窄深,鱼道内各水力学特性受各内部结构体型及边壁的影响较大，流场对结构变化敏感性很高。初步的研究发现，主要的影响因素包括断面形状、收缩卡口型式、内部消能措施等。断面形状受场地及水力学指标等影响，可通过水力学计算确定。收缩卡口的形状与面积、卡口间距以及卡口和池室内其它消能工相互关系等，决定了鱼道的阻力、落差、流速、流态等整体流场特征，因此,卡口设置得是否合理是整个仿自然鱼道成败的关键,需要经过水力学试验及数值模拟计算后，反复对比研究确定。卡口及其附近区域流速是鱼道的最关键水力指标，为满足鱼类上溯需求,要控制其在鱼类的临界流速之下，是水力学试验和计算需要解决的最主要问题,也是本文需要重点攻克的难题。初步分析及试验研究发现，卡口和内部消能设施对流场的影响主要有以下3个方面特点：

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影响窄深型仿自然鱼道过鱼效果的因素很多，本文的主要研究目的是结合实际工程，基于过鱼种群实际游泳能力，按照鱼道设计流量、水深及池室间落差的要求，经过水工模型试验及数值计算，探索出既能满足仿自然鱼道基本形态特征，又能实现多目标过鱼种群流场需求的解决方案，是拓宽仿自然鱼道研究领域的新尝试。

2 窄深型仿自然鱼道水流结构主要影响因素初步探讨

为了满足仿自然鱼道自身的结构特点及鱼类对水流条件的需求，仿自然鱼道采用宽浅型过水断面较为适宜，宽深比一般在10以上，目前国内外尚无宽深比5以下的仿自然鱼道先例。以往窄深型断面均修建为传统鱼道结构，但是，随着环境保护要求的提高，在某些鱼类资源丰富的、河道断面较为狭窄的河道修建水电工程时，也有建设仿自然鱼道的需求。如我国长江上游某拟建水电站中，由于该河段鱼类资源丰富，对鱼类保护要求非常高，传统竖缝式鱼道过鱼目标较为单一,不能满足多目标过鱼种群的需要,因而需要建设仿自然鱼道，但由于河道狭窄，鱼道宽度受到整体布置限制，断面非常窄深,因此便产生了窄深型仿自然鱼道。窄深型断面由于水深较大，流速、流态等水力学特性受边壁变化影响较大，流速垂向和横向分布变化剧烈，要兼顾蜿蜒曲折特性和鱼类的洄游流场要求，特别是对于多目标过鱼种群，对流速要求跨度大，难度较高，加上目前并无相关经验借鉴,因此需要进行全面的分析研究。

(1)收缩卡口的形状和大小是总体阻力的决定因素，其形状和大小决定了整个流场分布特点。通过在鱼道内部规律性地布置收缩卡口，形成一个个池室，用于分配落差、塑造流场和消能加糙。进行初步研究时，对其结构进行了概化和归类，主要有以下3种体型及布置，如图1所示。试验研究发现，卡口处隔墩形状对局部流场影响很大。采用图1(a)和图1(b)的梯形横剖面的隔墩体型，卡口处过水断面上宽下窄，容易在底部形成高流速区，而一些生活在底部的小型鱼和幼鱼，游泳能力较差，更加难以跨越。特别是图1(b)的梯形中墩型式，两侧水流通道更为狭窄，边壁效应对水流产生的侧收缩较强，容易导致卡口处流速过高，超过鱼类的极限游泳能力。相比之下，采用图1(c)类矩形断面的隔墩体型，不仅体型简单，底部过水断面放宽后水流条件得到改善。另外，收缩卡口需要有合适的大小，卡口面积小，则卡口附近流速相对较大，易于超标；而如果卡口面积过大，会使鱼道内阻力下降，流量、流速、落差等指标增大，亦无法形成适合的流场环境。因此，卡口面积和形状是决定鱼道水力条件的重要指标。

图1 常见的卡口隔墩体型

(2)收缩卡口间距决定了池室长度及池室间落差，并且影响着整体流态。水流经过卡口后进入池室，过流面宽度增加，会产生纵向和横向扩散，但由于池室断面仍旧相对狭窄，扩散过程中主流遇到两侧边壁后折返往复。池室长度是决定主流的折返过程和能否充分扩散的主要因素。池室过短需要的隔墩数较多，不仅造成工程浪费，还可能导致水流调整不充分，从而无法形成有效的水流环境。池室过长则池室间落差过大，导致卡口处水面跌落过大，流速过高，因此池室长度也是决定鱼道水流条件的重要指标。

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(3)卡口及池室内的辅助消能工可对局部流场进行调整，以满足不同鱼类对流场的要求。对于窄深型的仿自然鱼道，往往会产生流速过于集中的现象，必要时需要在池室内布置消能辅助设施，用于调整局部流场，其大小和位置决定了其消能效果。另外，底部加糙型式也对改变整体流场分布起到一定的作用。

图6(a)显示，卡口处表层流速靠近隔墩及中部流速基本在1.5 m/s以上，最大值为1.95 m/s，另一侧略小，最大值为1.05 m/s。进入池室后，过流断面加宽，流速有所降低。主流由前一个收缩卡口逐渐转向后一个收缩卡口。通过对表层流场流速>1.5 m/s区域范围分析，存在流速<1.5 m/s的连通区域，该区域最小宽度在1.6 m左右。可以形成上下游连通的<1.5 m/s的流速通道。同样，图6(b)显示，根据中部流速分布特点为靠近大隔墩侧流速较高，另一侧较低，通过流速>1.5 m/s区域范围分析，存在流速<1.5 m/s的连通区域，该区域最小宽度在1.4 m左右。图6(c)显示，底部流速值基本在0.5 m/s以下，仅个别点>0.5 m/s，最大值为0.69 m/s，已经基本能够满足底部流速≤0.5 m/s的要求，以保证底部弱小鱼类顺利通过。因此，由试验结果可以看出，采用优化体型后，在收缩卡口处表层、中部和底部均存在连通的满足要求的低流速区，可以满足不同游泳能力鱼类通过。

3 问题的解决方法

3.1 研究实例

以某水电站仿自然过鱼通道1∶5局部模型试验研究为例，对窄深型仿自然鱼道开展了一系列的试验研究。受该电站场地限制，鱼道池室断面较为窄深，鱼道总宽度7.0 m，设计水深3.0 m, 宽深比2.33，属于非常窄深型的断面。边坡采用透水砂石制作的钢筋石笼堆砌而成，除去边坡宽度后，过水面宽度顶部6.4 m，底部5.0 m，断面更为窄深，设计流量为10 m3/s。经调研，主要有长薄鳅、红唇薄鳅、圆口铜鱼、圆筒吻鮈、异鳔鳅鮀、中华金沙鳅6种产漂流性卵鱼类的卵苗通过该江段。由于过鱼目标种群范围较广，根据对当地过鱼目标种群的调查研究，要求仿自然通道底部流速≤0.5 m/s，中部和表层≤1.5 m/s，流速要求跨度较大[12]。

经过大量的摸索研究和优化，基本确定池长及卡口面积等大的构架，如图2所示，隔墩形状为横断面为矩形的立柱，并在大隔墩对侧布置小隔墩，两个卡口之间间距为10.0 m，即池室长度为10.0 m，经初步试验该体型基本可以满足各个池室水深3.0 m、各池室间落差不超过0.1 m等要求。但通过内部流场测量发现，仍存在局部流速的严重超标现象，卡口及其上下游主流区域流速基本在1.5 m/s以上，局部超过2.0 m/s，底部流速也在1.0 m/s左右。针对收缩卡口附近底部区域流速也超标严重现象，又开展了大量的试验和计算研究工作，分别进行了卡口底部增加消能柱、池室内增加消能柱、卡口处设置导流隔板等消能方案，图3为几种典型优化方案。其中图3(a)为在卡口处增加圆柱形消能柱，以期达到降低卡口流速作用，但测量发现，该方法可使圆柱后部流速降低，但圆柱间隙中流速相反却有所增加，更加不利于底部鱼类通过。图3(b)为在图3(a)的基础上，在池室中增加消能柱，希望通过整体加糙达到整个底部流速下降的目的，但是经研究发现，该方法在卡口附近底部流速仍非常高，达到了1.5 m/s左右，无法形成满足需要的流速通道。图3(c)是在图3(b)基础上作进一步的调整，在高流速区和低流速区之间增加隔板，以期在一侧形成一个低流速通道，但由于卡口处流场能量较高，水流可越过隔板冲入底部，经多次调整隔板位置及大小，均无法实现低流速通道的设想。卡口及其附近底部流速仍在1.0 m/s左右，无法满足底部流速<0.5 m/s的要求。

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图2 主体结构初步优化体型

图3 优化过程对比方案

图4 优化体型不同层结构

3.2 问题解决思路

局部的流速超标，对鱼类来说也是无法逾越的鸿沟。经进一步分析，以流量为10.0 m3/s计算，卡口处断面平均流速达到了1.1 m/s，由于卡口处断面更为窄深，流场受两侧边壁影响较大，水平方向流场集中非常明显，全断面流速基本都超标，要想实现多目标种群的上溯要求，需采用新的思路。经不断摸索总结，拟通过内部体型调整，对窄深型仿自然鱼道流场进行“垂向分层、横向分区”(图4)。“垂向分层”的总体思路是：充分利用水深比较深的特点，将流场沿水深方向按流速分层，针对不同的鱼类的通过要求，在不同水深层分别为其创造水流条件，使其能各取所需。比如，为游泳能力强的鱼类创造适合的流速区间和空间，同时可以最大程度地分担总流量，缓解弱小鱼类通行难度；对于游泳能力差的弱小鱼类，可以利用其体型较小的特征，在底部增加辅助设施，为其创造流速条件。“横向分区”的思路是：由于窄深型仿自然鱼道断面本身较为狭窄，在断面缩窄时，容易造成流速的横向收缩，从而产生流速集中，会导致全断面流速超标，即使游泳能力较强的鱼类也有可能无法穿越，同时又受到过鱼通道流量、水深等要求的限制，很难完全消除高流速区。为了解决这个问题，在垂向分层的基础上，对流场进行横向分区，水平方向通过结构优化制造出高流速区和低流速区，但需保证低流速区的联通性与足够的宽度，从而满足鱼类通行要求。通过垂向分层和横向分区的思路，可将窄深型的特点充分利用，不仅允许高流速区的存在，还可以充分利用高流速区分担流量，从而缓解低流速区的压力。

杂，物理模型试验测量有一定的局限性，因此还进行了数学模型计算，并对比计算值与试验值以对其进行验证。计算采用与物理模型相同的边界条件进行，数值计算模型见图7，结果见图8。

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3.3 物理模型试验研究

目前我国仿自然鱼道建设得较少，但随着国家对生态环境的日益重视，科研工作者已开展了大量的研究工作。孙双科和张国强[9]对环境友好的近自然型鱼道进行了研究，发现与传统的工程鱼道相比，仿自然型鱼道由于构建了鱼类熟悉的水流流态， 因而往往具有更高的过鱼效率。于广年和王义安[10]采用正态1∶20整体物理模型，对低水头枢纽仿生态鱼道进行水力学试验研究，对池室结构进行了系列优化试验，得出了适合国内鱼类的低水头航电枢纽仿生态鱼道平面布置方案。杨宇等[11]进行了鱼道的生态廊道功能研究，引入景观生态学中提高河流连接度的思想，在设计鱼道的过程中既考虑水工水力学和生态水力学的要求，又兼顾景观生态学的原理，使最终建成的鱼道不但满足过鱼的要求，同时还应满足提高景观连接度的要求。

图5 优化体型仿自然化模型照片

主流经过卡口处时，产生较强收缩，主流偏向隔墩一侧，另一侧边壁处约有1.0 m左右宽度范围流速较低，出卡口后，主流逐渐向对侧扩散，受后一个隔墩阻挡作用，主流转向下一个卡口部位。由于该体型在卡口上下增加高度分别为1.0 m和2.0 m的小隔墩，对主流向边壁扩散产生一定的阻挡作用，在前一隔墩后部和后一隔墩对侧边壁处会出现一个较低流速区，且该低流速区在池室中部和上一级低流速区连通。

本文进行了流量为10.0 m3/s的试验，观测了鱼道内表层流态，测量了表、中、底部流速分布。

图6 物理模型流速试验值

针对以上窄深型仿自然鱼道结构特点分析，对于该类窄深型仿自然过鱼通道，水流结构变化较多，受边壁影响很大，其流场非常复杂，具有明显的三维特性。为了实现目标鱼类通过的水流条件，需要采取新的研究思路与方法。

图7 数值模型

3.4 数值模拟计算研究

由于鱼道内部结构复

基于“垂向分层、横向分区”的设想，形成了优化体型结构布置方案。主体上，首先将小隔墩取消，仅单侧交替布置大隔墩(图4(a))，适当增加卡口面积。在大隔墩对侧上下游布置辅助的高度较低的中高隔墩(图4(b))，在此两个中高隔墩的遮挡作用下，在卡口处该侧形成了低流速区，使卡口处表层和中部流速形成了可以满足过鱼条件的足够的水域宽度。在大隔墩同侧后部，为了防止经过卡口后的中上层主流侵入底部，设置了中低隔墩(图4(c))。对于底部，制定了有别于表层和中部的方案，在池室中部和卡口处分别采用了在横向条状消能墩(图4(d))的方案，经过反复消能，以期形成整体的低流速区。经过对结构体型的整体优化后，在不同层形成不同的平面和立体结构，从而使不同层形成不同的流态，且可以相互影响和补充，实现流场的立体分层和横向分区。

这套书一共5本，分别描述了花金龟、圣金龟、大孔雀蛾、节腹泥蜂等家族和直翅目家族等。每一幅画和每一段文字都充满着作者对法布尔先生的敬意，也体现了作者跟昆虫融为一体的境界。

图8 数值模型流速计算值

图8(a)和图8(b)分别展示流速>1.5 m/s的流速区间，图8(c)为底部流速分布等值线图。整体来看，计算值流速分布规律与试验值分布规律相似。从图中可知：在上层，收缩卡口处流速在1.0～1.9 m/s之间，最大流速均在大隔墩墩头附近，约为1.9 m/s；在中部水深处，大隔墩至对侧中高隔墩之间流速较高，流速大小在1.4～1.5 m/s之间，但>1.5 m/s的区域较少。池室内主流流速均在1.5 m/s以下；计算的底层流速分布基本与试验的底层流速分布一致，大隔墩上下游两侧的通道流速最大，上游侧最大流速均接近0.5 m/s，下游侧最大流速最大值接近0.7 m/s，中隔墩附近2条底部通道流速较小，在0.1 m/s以下。

式中:Q*,GH,ΔM分别为双堆垛机执行出库任务运行时间的数学期望、货架重心高度、成组货架质量差的绝对值，已于式(10)中详细描述；分别为当代栖息地中，对应各目标函数的最大值。以此为HSI，可以保证：①HSIQ*最大的货位分配方案双堆垛机执行出库任务运行时间的数学期望最小；②HSIGH最大的货位分配方案货架重心高度最低；③HSIΔM最大的货位分配方案成组货架质量差的绝对值最小。

综上，数值模拟与物理模型试验的流场特点及流速分布基本一致，在表层和中部均能找到足够宽度的连通流速<1.5 m/s的区域，而底部流速基本在0.5 m/s以下，能够满足不同种群鱼类的上溯需求。

4 结论与讨论

(1)本文结合理论分析、物理模型试验、数值模拟的方法，对窄深型仿自然鱼道进行了较为全面的研究，总结归纳了影响窄深型仿自然鱼道内水力学指标的主要因素及其相互关系。

(2)以工程实例为研究背景，对窄深型仿自然鱼道流场构建进行进一步的研究。通过鱼道内部结构体型的立体变化，将流场“垂向分层，横向分区”，从而实现了表、中、底部均有足够的宽度满足过鱼流速要求，经过数学模型计算验证，两者流场分布吻合较好。

(3)由于窄深型仿自然鱼道内部结构复杂，满足多目标种群通过的难度较高，本文的研究是对此问题的初步探索，解决了特定条件下的工程问题，而进一步的总结归纳分层分区的普适规律，各层各区之间的相互影响以及鱼类在此种流场中的适应性等，需要进一步深入研究并完善。