通江河口长槽多隔仓双向鱼道结构研究与应用

高兴和，陈 浩，王 津

(1.江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏 苏州 215103； 2.江苏省太湖地区水利工程管理处，江苏 苏州 215128)

新沟河江边枢纽工程位于新沟河入江口，是太湖联通长江引排调控的龙头口门，由5孔拦河挡潮闸(总净宽48m)、大(2)型泵站(180m3/s)、Ⅴ级船闸(16m×180m)和鱼道(宽2～3m)组成，具有引排改善水环境、挡潮、防洪、排涝、航运及生态等综合功能。其中，鱼道是沿江水生态保护与修复的重要工程措施，满足该水域鱼种及其上溯习性[1]需求，本工程设置了长槽型双向鱼道。

1 鱼道功能与主要技术要求

鱼道是供鱼类洄游过闸的人工通道[2]。鱼类在低水位侧，依靠水流吸引，逆流进入鱼道，靠自身力量克服流速溯游至高水位侧。其功能要素及主要技术要求如下。

1.1 鱼道功能要素

鱼道设计时，首先要确定所在河道过鱼种类，并对其生活习性及游泳能力、体型等相关资料进行研究。通过水生生态调查，明确保护对象[3]，进行鱼类游泳能力[4]测试，主要有两类指标：趋流特性和克流能力。趋流特性反映鱼类洄游路线中出现的最小流速，在这个流速上鱼类会较易找到洄游方向；克流能力分为持续游泳速度、耐久游泳速度和突进速度，其中持续游泳速度在鱼道内出现几率较小，不作要求；耐久游泳速度是鱼道长度以及休息池设计的参考依据；突进游泳速度主要用于鱼道的一些特殊结构及高流速区[5]。鱼类依靠自身上溯溯游能力克服水流影响，通过鱼道全程，因此，在鱼道设计时，要考虑水流流态、水流紊动能以及水流流速对鱼类洄游的影响。

1.2 主要参数指标

鱼道设计需要获取的主要参数指标包括：①鱼种，即过鱼种类的生态习性和游泳能力等基本资料。②洄游时间与时机，明确主要过鱼对象通过的时间与时机。③特征潮水位与上下游水位差，根据过鱼时段水位变化情况，选定上下游水位。④确定流速，主要与鱼类克流能力相关，鱼道过鱼效果主要取决于鱼道的流速与流态，要求流速小于克流能力，且主流明确。⑤鱼道布置与主要尺寸确定，主要包括布置位置、鱼道长度、宽度、高度(水深)及细部结构尺寸等。

2 沿江渔业资源与鱼种习性调研

本工程对通江水系专题进行了渔业资源调研，通过收集鱼种相关习性资料，为设计提供依据。

(1)长江中上游四大家鱼为青鱼、草鱼、鲢鱼、鳙鱼，体长150～1100mm[6]，体重1000～5000g；其它鱼类：鲤鱼、铜鱼、长吻鮠、南方鲇、黄颡等，体长100～600mm[7]，体重30～1500g。

(2)长江江阴段优势鱼种及体重。该段不仅是长江水系入海通道，也是许多江、海鱼类洄游通道、产卵场、索饵场。渔获物的优势种类组成结果显示，该段鱼类有36种，其鲤形目20种占55.6%，鲶形目6种占16.7%，鲈形目5种，占13.9%，鲱形目、鳗鲡目、鲽形目、刺鳅目、纯形目各1种各占2.8%。居前十位优势种中，重量百分比以鳊鱼为高，占40.74%，最小为刀鲚1.97%。尾数百分比以鳊鱼为高28.96%，最小为鲤鱼0.77%。优势种平均体重60 g 以下鱼类占80%，最大为鲤鱼，平均体重352.8 g，最小为蛇鮈，平均体重9.7 g[8]。

(3)附近水域走马塘通江鱼道鱼种及体重。2014年调查发现该区域鱼种包括鳊鱼、草鱼、鲢鱼、鳙鱼、鲤鱼、铜鱼、鲦鱼、吻鮈、黄颡鱼、鲈鱼以及一些小杂鱼等；2015年5月，鱼道内1h内捕获各种鱼类共9条，计1.8kg，平均体重为200g，包括鳊鱼、鲤鱼、鲢鱼、黄颡鱼、鳙鱼等。

(4)感应与喜好流速及范围。以上鱼种特征中，江阴段和附近水域主要鱼种及习性，是本工程鱼道设计依据。根据鱼道设计导则[9]，可直接采用规范附表整编成果，主要鱼类感应流速0.20m/s，喜好流速范围0.3～1.0m/s，极限流速范围0.6～1.3m/s，详见表1。

表1 鱼类的感应流速、喜好流速和极限流速

(5)洄游时间与时段。鱼类每年的洄游时间为4～8月，该时期对应上、下游水位详见表2。

表2 鱼道上下游设计水位 单位：m

3 鱼道选型与设计

3.1 结构选型

综合国内外已建的鱼道资料，鱼道按结构布置可分为池堰式、潜孔式、垂直竖缝式、仿生态式[10]及特殊结构型式等；按类型可分为槽式、池式和组合式，槽式包括简单加糙型和丹尼尔型，池式包括溢流堰式、竖缝式、底(潜)孔式[11]，组合式包括堰孔、堰缝组合式[12]。对各种鱼道的型式进行比较筛选，长槽型竖缝式鱼道一般由槽身边墙、竖直平面隔板、休息室[13]及进出口建筑物组成，其结构简单，消能充分；且水流平稳，适应上下游水位变动能力强，不会因内外河水位的急剧变化而影响鱼道内的水流流态，从而影响鱼类的洄游，且水深范围大，水流流速从水底至水面呈逐层增加的分布态势，可满足多种鱼类洄游时对不同流速、不同水深的喜好。

结合新沟河江边枢纽运行工况和节制闸结构设计，在竖缝式鱼道基础上进行适当优化，将鱼道依附于节制闸及其上下游翼墙布置，采用“长槽型双竖缝多隔仓”结构型式，通过多个竖缝和隔仓，将上下游总水位差分成若干个小的梯级，消能效果好，能适应较大水位的频繁、动态变化，能同时适应栖息于表层和底层的鱼类洄游习性的需求。同时鱼道采用开放式运行方式，有利于过鱼时间的延长，增加过鱼数量；有利于适应不同鱼类的洄游条件，运行过程中，上下游水头差、流速、流量等水力条件动态变化，有利于不同洄游习性鱼类找到适合自己洄游所需的条件和路径。

3.2 主要结构尺寸拟定原则

鱼道结构尺寸主要包括：池室长度、宽度，竖缝宽度与水深高度等。其拟定原则如下。

(1)池室宽度：按鱼种和体长综合分析确定，一般取2～3m，且不小于最大过鱼体长的2倍。

(2)池室长度：一般不小于池宽，同时，不小于最大过鱼体长的2.5倍，池长与水流消能及鱼类的休息习性密切相关。池室长，则水流条件好，休息水域大，对过鱼有利，池室短则与之相反。

(3)竖缝宽度：与鱼体大小和水位梯级与流速有关，竖缝宽度一般不小于通过鱼类胸鳍水平展开最大距离，考虑多数鱼类通过需求，鱼道竖缝宽度一般不小于多数过鱼对象体长的一半；同时，考虑上下游水位梯级与主流流速要求，缝宽宜小不宜大。

(4)池室水深：结合上下游进出口河床地势，按鱼类洄游习性而定，一般取1.5～2.5m[14]，不宜大于3m，同时，不应小于最大过鱼目标体高的5倍或体长的2.5倍。

3.3 结构布置与设计

根据渔业资源及习性调研成果，结合工程建设实践，本工程鱼道进出口布置在水流平稳，且有一定水深的岸边，采用“长槽型双竖缝多隔仓”双向洄游鱼道，依附于通江枢纽节制闸西岸，结合节制闸及其上下游翼墙长槽型布置，将狭长水槽上下游总水位差，通过多个竖缝[15]和隔仓，分成若干小梯级，利用水垫、沿程摩阻、水流对冲、回旋和扩散来消除水头能量，并形成各种鱼类喜好的溯游水流。鱼道由进口、槽身与控制和出口三部分组成，总长50～60m。槽身横断面为矩形，底高程0.6m，净宽2～3m，双侧竖缝由两侧边柱与中隔板错位形成，中隔板下部生根于底板之上，边柱固支于侧壁，边柱与中隔板上部以顶撑梁衔接固定，底板、侧壁及边柱、中隔板、顶撑梁形成槽型双侧竖缝和隔仓单元体，相邻单元体形成一个隔仓，隔仓长2～3m，多个隔仓组成长槽型鱼道，共布设20～25个隔仓，槽身居中部位隔仓设胸墙和闸门控制，临

土侧设置侧壁观察室(井)，鱼道进出口设检修门槽，顶部高程需按结构衔接需要确定。鱼道主体局部结构布置如图1—2所示。

3.4 鱼道特点

本工程所采用“长槽型双侧竖缝多隔仓双向洄游鱼道”结构，具有如下特点。

(1)本工程鱼道位于入江口，在调研渔业资源及洄游习性的基础上，结合通江口门条件，满足多数鱼类喜好，合理选择鱼道布置和结构型式，长槽型鱼道依附节制闸及其上下游翼墙，不仅适合上下游水位动态多变条件，满足鱼道基本功能要求，而且节省鱼道专项工程投资。

(2)适应双向水头运行工况，结合河床地势和内外水位关系，鱼道总体尺寸及隔仓与竖缝长、宽、高结构尺寸，由水系鱼类大小和习性而定，确保常规水头下主要和多数鱼类正常洄游需要。

(3)鱼道隔仓功能与设置，需根据上下游水头和鱼类溯游能力进行分级，形成合适梯度的梯级水流，本工程控制每级水头5～10cm，竖缝与隔仓梯级之间流态平稳，流速适当，便于鱼类洄游。

(4)鱼道竖缝结构边角倒圆处理，避免锐缘触伤鱼类，改善流态，使水流平顺，便于鱼类通过。

(5)满足鱼类聚光、向阳、喜氧习性，鱼道顶部设置顶撑梁，不仅增加结构整体性，关键是形成开敞、开放、露天水槽，既能采光，又能与大气沟通，更好的满足鱼类逐光[16]和供氧需求。

(6)鱼道侧壁设有观察窗，可实时实地观察记录鱼类洄游情况，以便验证并指导类似工程设计。

(7)鱼道进口一般设在经常有水流下泄、鱼类洄游路线及经常集群处，并尽可能靠近鱼类上溯能到达的最前沿[17]；鱼道出口应确保有一定的水深，附近不应有妨碍鱼类继续上溯的不利环境[16]。

图1 鱼道平/剖面图(局部)

图2 鱼道纵剖视图(局部)

(8)有条件可增加导鱼、诱鱼[18]设施，完善监测手段，便于全面掌握鱼道洄游生物特性，为制定更合理的运行方案提供依据，确保鱼道持续有效工作，消除工程建设对鱼类洄游影响。

4 数值模拟分析与研究

利用Flow- 3D软件工具进行模拟分析，验证了鱼道布置及体型设计的合理性。

4.1 鱼道水流流态

双向水流主流位于两侧，流态总体上对称，底、中、表层的水流流态基本一致，如图3所示。

图3 鱼道水流流态(局部，上图-正向，下图-反向)

4.2 鱼道沿程水面线分析

经数模计算获得的正反向运行的沿程水面线如图4所示。每个梯级落差大致相同，数模结果与设计成果基本吻合。

图4 正反向运行鱼道沿程水面线

4.3 流速分布与分析

鱼道过鱼效果主要取决于隔板间流速及相邻隔仓水流流态。要求流速小于过鱼的克流能力，水池间主流明确，需要一定回流，但回流又不能过于剧烈，范围不能过大，防止鱼类迷失方向，延误上溯时间。根据数值模拟分析成果，正反向运行典型断面平均流速见表3。

表3 正、反向运行典型断面平均流速

表4 正向运行水位差与竖缝最大断面平均流速计算结果

数模成果显示，鱼道内流速分布相对均匀，沿程无明显增大或减小现象。鱼道内流速分布总体上对称，两级隔板间休息室存在大小及强度随时间变化、流速较小的回流。如图5所示(横纵坐标尺寸单位：m；图6—7同。)。

图5 流速分布图(上图-正向，下图-反向)

4.4 竖缝流速影响分析

本工程鱼道外河连接长江，为感潮河道，潮位动态变化中，为了解水位差变化对鱼道过鱼的影响，对不同水位差与竖缝最大断面流速进行计算分析，成果见表4和图6。

图6 竖缝流速分布图(上图-正向；下图-反向)

图7 紊动能等值线分布图(上图-正向；下图-反向)

数模成果显示，双向运行竖缝最大断面平均流速与水位差均具有很好的线性关系，正向水位差在0.05～1.20m之间变化时，竖缝最大断面平均流速变化范围为0.28～1.30m/s，反向水位差在0.03～1.30m之间变化时，竖缝最大断面平均流速变化范围为0.18～1.33m/s。

4.5 紊流与紊动能分布

紊流产生紊动能，令鱼类不适，紊动变强，伤害鱼鳞、鱼鳃，损害鱼眼。紊动能等值线成果显示，如图7所示，鱼道紊动能极值0.017～0.021 m2/s2；深度方向呈底部小、上部大的分布规律；相对而言，主流区紊动能比回流区小。总体而言，鱼道内紊流对鱼类影响较小。

4.6 数模验证主要结论

基于鱼类调研及数模计算成果，新沟河通江鱼道采用长槽型双竖缝多隔仓式双向结构，可形成双向梯级水流，鱼道总体布置和体型设计优良，能适应长江口双向水头特性，鱼道过流参数符合通江水系各类洄游鱼类洄游习性要求，满足该水域绝大部分洄游鱼类的需要。双向运行时，内部水流流态相近，进流平顺，隔仓休息室内为回流区，主流对称位于两侧，且不同深度的水流流态基本一致；各级竖缝水位差范围1.74～6.46cm；竖缝间流速明显增大，竖缝内流速0～1.0m之间动态变化，最大平均流速0.85～0.93m/s，隔仓内流速较小，回流流速0.1～0.35m/s，适合主要鱼类洄游与休息；双向运行紊动能最大值0.017 ～0.021 m2/s2，影响较小；鱼道最大断面平均流速与水位差基本成线性关系，总水位差达到1.3～1.5m时，最大断面平均流速达到1.33m/s。

5 结语

经数模和实践验证，“长槽型双侧竖缝多隔仓”鱼道结构，构造简单，施工简便，可形成多种鱼类喜好的溯游水流，符合沿江动态水头特性和该水域鱼种习性需求；鱼道依附节制闸布置，经济合理；鱼道上口开敞，可保证水流全程自然采光和掺气供氧，对鱼类活动有利；竖缝边缘倒圆处理，避免锐缘触伤鱼类，改善流态，使主流平顺，有利于鱼类通行。查新成果[19]显示为新型结构，其尺寸可变，具有通用性，后续推广应用中，有条件可配齐导鱼、诱鱼及自动监测设施，既为沿江水系鱼种及其习性的全息数据采集与动态监控提供便利，也为进一步改进提供依据。