仿自然型鱼道结构形式改进及水力特性试验研究

张 艳 艳，胡 晓 张，杨 芳，吕 文 斌，张 金 明，莫 伟 均

(珠江水利委员会 珠江水利科学研究院，广东 广州 510611)

水利工程在防洪、发电、灌溉等方面发挥重要作用的同时，对河流生态环境也带来了不利影响。大坝的修建截断了河流自下而上的物质与能量输移，阻隔了鱼类的洄游通道[1]，而鱼道作为一种过鱼设施，能有效缓解水坝对鱼类洄游通道的阻隔作用。传统结构型鱼道多是针对某种经济鱼类或珍惜鱼类设计的[2]，从运行实践来看，可以取得较好的过鱼效果[3-4]。但是，随着人们对生态环境整体性认识的不断深入，传统鱼道作为生态廊道和景观廊道的作用[5]，为更多不同鱼类提供洄游、栖息和繁殖的场所是远远不够的。工程鱼道与天然河道在水力特性上的本质差异是影响工程鱼道过鱼效率的关键。因此，仿自然型鱼道应运而生[6-7]。

所谓仿自然型鱼道，就是采用天然漂石、砂砾、木头等天然材质，尽可能地模拟天然河流的水流流态，水流条件更为鱼类所熟悉[8]，适用于多种鱼类通过，因此过鱼效果更好[6]。但这种鱼道自身的稳定性较差，完全依靠材料自身重力所产生的摩擦阻力和形状阻力来抵挡水流冲击力。因此，对于这种鱼道结构而言，研究的重点分2个方面：① 寻找一种可以为不同鱼类提供上溯通道的断面结构形式，即水流流态研究；② 在给定底坡前提下，寻找一种可以将水流能量均匀消耗掉、沿程水流能量不累加、并且在不同流量情况下鱼道断面形式不被破坏掉的断面结构形式，即鱼道消能率的研究。

仿自然型鱼道分2种形式：水池浅滩型鱼道和加糙坡道型鱼道[9]。水池浅滩型鱼道是阶梯型的，由陡峭的短渠或低堰联结长且平坦的水池组成。浅滩处水深较浅，流速较大，水池则相反[10]。2个相邻水池水位差异越大，浅滩处流速越大。为了鱼类能成功上溯，浅滩处最大流速要小于鱼类的突进速度，该鱼道长度较长，可顺直亦可弯曲。加糙坡道型鱼道由一个长的斜槽构成，坡道的长度和坡度受鱼类的耐久性游泳能力限制，需要每隔一段添加一个休息室。

这2种鱼道布置形式不同，但具有几个共同点[11-12]：① 就地取材，尽可能地模拟天然河道水流形态；② 适合各种鱼类上溯和降河，过鱼效率高且具有生态廊道功能；③ 占地面积大，需要合适的地形，在低水位时容易干涸，需底床封闭；④ 为防止洪水、冰冻以及其他极端条件的破坏，需要保持结构完整、稳定，因此，建造费用低、维护费用高。国内以往在这方面做过很多研究，并在工程实践中进行了应用[13-15]，但是并没有达到预期效果。

如何在原有仿自然型鱼道结构型式的基础上提出改进措施，使其适应于更大水头差、有较好的水流流态、满足不同鱼种对水流流速的需求，且不增加鱼道的长度，成为工程设计、造价及科研人员所关注的焦点。

本文主要依托南渡江鱼道项目，通过水横槽模型试验的方法，采用天然块石研究不同断面结构形式对仿自然型鱼道水流流态的影响，针对主要过鱼对象大鳞鲢、光倒刺鲃、黄尾鲴、草鱼、赤眼鱒等南方鱼类，提出一种具有多级流速通道的过鱼断面形式，能适用的流速范围是0.8～1.5 ms，研究结果可为仿自然型鱼道结构设计提供参考依据。

1 鱼道断面结构试验

1.1 模型建立和测量仪器

鱼道单体模型长10.50 m、宽2.50 m、高0.60 m，上游设进水前池，下游设尾水池，上下游各2.50 m的直段为过渡段(见图1)，试验段长2.85 m，两岸坡度为1∶2，鱼道底坡为1∶40，采用碎石铺底。碎石直径约为1.50～2.50 cm，试验选择直径10～20 cm的石块进行断面布置。模型试验段和过渡段均采用断面板进行制作，水泥砂浆抹面，采用铁丝网包裹碎石子进行铺底和护坡。模型流量由流量计控制，上、下游水位由固定测针量测；流速由精细的LS-3C光电旋桨流速仪施测；沿程流态由数码相机记录。

图1 模型布置(单位：cm)Fig.1 Model arrangement

1.2 试验条件

试验主要采用上下游水位测针控制水位，流量为38.5 L/s，鱼道水深维持在20 cm，随时检验断面流态特征。

1.3 试验成果

(1) 传统仿自然型鱼道断面型式。传统的仿自然型鱼道断面多采用蛮石均匀布设，一般在过流断面留有1～2个上下贯通的过鱼通道，整个断面形成3～4个流速通道，供鱼类上溯。断面布置形式如图2所示。

图2 传统仿自然型鱼道断面型式Fig.2 Cross section of traditional natural fishway

这种断面型式结构简单，容易施工，但是由于各通道上下断面贯穿，各通道内流速均较大，且流速值相差不大，难以通过调整通道的宽度来同时达到水位与流速相协调的要求。因此，要对断面型式进行优化。

(2) 基于传统断面型式的优化方案1。在主断面过鱼通道上下游加设辅助蛮石，以起到调整过鱼通道内水流流速的作用。试验通过不断调整蛮石的摆放形式、过鱼通道的过流面积、辅助蛮石的阻水面积和位置，最终达到多流速通道的过鱼水流条件。

为达到多流速通道的过鱼水流条件，试验优化方案1在水流控制段沿程设置6条蛮石主断面，并在部分流速通道上设置辅助蛮石阻水，来形成1个低流速通道(0.8～1.0 m/s)、1个中流速通道(1.0～1.2 m/s)和2个高流速通道(1.2～1.5 m/s)，水流控制段蛮石布置如图3～5所示。

优化后断面流速普遍降低，形成高速、中速和低速3级流速通道，但是中速和低速流速通道流速值相差不大，水流流路较顺直，水流消能效率较低。

图3 仿自然型鱼道断面型式(优化方案1)Fig.3 Cross section of optimal scheme 1 based on natural fishway

图4 仿自然型鱼道(优化方案1)流速分布(单位：m/s)Fig.4 The velocity distribution of natural fishway (Optimal scheme 1)

图5 仿自然型鱼道(优化方案1)流速通道分布Fig.5 The velocity path distribution of natural fishway (Optimal scheme 1)

(3) 基于优化方案1的断面型式(优化方案2)。为了使鱼道断面水流流态更加多样化，流速通道能够适用于更多不同种类的鱼类上溯，基于优化方案1，对辅助蛮石摆放方式再次进行优化。

优化方案2包括3排、6组蛮石，形成5条不同流速的过鱼通道，包括2条流速高达1.5 m/s的高速通道、2条流速为1.0～1.2 m/s的中速通道和1条流速为0.8 m/s的低速通道，分别满足不同鱼类洄游上溯的需求。鱼道断面第一排由2组蛮石并排组成，从左往右，第一组长度是第二组的2倍；第二排由4组蛮石组成，从左往右，第一组长度是其他长度的1/2；第三排由2组长度相当的蛮石组成。6组蛮石交错布置，形成5条绕流通道，水流在第一排蛮石的作用下被分成3股，经过第二排蛮石后被分成5股，最后经过第三排蛮石后又合并为3股。水流通过不断分分合合地碰撞来消能，从而达到降低流速的目的，一般水头差越大，需要的过鱼通道越多，蛮石的高度也越大。断面结构如图6所示。

从图6可以看出，仿自然型鱼道断面由3排6组蛮石组成，分别为布置在第一排左侧的L1，1、右侧的L1，2，L1，1=2×L1，2；该断面第二排由4组蛮石组成，从左往右依次为L2，1、L2，2、L2，3、L2，4。其中L2，2=L2，3=L2，4=2×L2，1，依次形成高速通道1、低速通道、中速通道1、中速通道2和高速通道2；第三排由L3，1、L3，22组蛮石组成，L3，1=L3，2，各排蛮石交错设置，形成具有不同流速大小的过鱼通道。优化方案2中水流流线分布如图7所示。

从图7可以看出，来自上级鱼道池室的水体通过第一排蛮石，被L1，1和L1，2分成3股下泄。3股水流再经过第二排蛮石，其中左侧一股水流在L2，1作用下被分成2股，左侧一股通过高速通道1下泄，右侧一股通过低速通道下泄。中间一股水流在蛮石L2，2和L2，3作用下被分成3股，左侧一股在L2，2作用下与左侧水流碰撞后通过低速通道下泄，由于L1，1的长度比较长，这股水流能量被大部分消耗，以形成低速通道，右侧一股在L2，3作用下通过中速通道2下泄，剩余一股通过中速通道1下泄。第一排右侧一股水流经过第二排蛮石时，在L2，4作用下被分成2股，左侧一股与左侧水流碰撞后通过中速通道2下泄，右侧一股通过高速通道2下泄。

图6 优化方案2断面布置Fig.6 Cross section arrangement of optimal scheme 2

水流经过第二排蛮石后被分成5股，5股水流在第三排2组蛮石作用下，通过碰撞合并为3组。水流经过各组蛮石的流态如图7～8所示。

图7 优化方案2流线分布Fig.7 The streamline distribution of optimal scheme 2

仿自然鱼道断面型式在传统仿自然鱼道断面型式基础上，一方面通过增加第一排第一组蛮石的长度和高度，在增大断面上下游水头差的前提下，进一步延长水流路径，降低了低流速通道的水流流速；另一方面通过增加一条中流速通道，进一步降低了两侧高速通道的流速，均衡了各通道流速，增加了断面的过鱼效率。采用该设计既可增加鱼道的过鱼效率和过鱼种类，又可使鱼道适应较大水头差，与以往设计相比可缩短鱼道长度、减小工程投资。

图8 优化方案2流速分布(单位：m/s)Fig.8 The velocity distribution of optimal scheme 2

2 鱼道消能效率试验

2.1 试验条件

为研究该鱼道断面的消能效率，在断面模型上铺设了2组断面，通过改变上游来流量，控制尾门水位，使其维持一个定值，测量不同流量下鱼道上、下游流速和水深，以及河床上下游高程；并根据能量守恒原理，采用总流能量方程计算该鱼道断面的效能率。总流能量方程见式(1)，效能率计算公式见式(2) 。试验工况如表1所列。

(1)

(2)

表1 试验工况设计Tab.1 Experiment conditions and results

2.2 试验结果

利用消能率计算公式，分别计算出以上8种工况下交错石块式鱼道的消能率，消能率随水深的变化规律如图9所示。

图9 消能率与水深的关系Fig.9 The relationship between energy dissipation ratio and water depth

从试验结果可以看出，随着水深的增大，消能率呈减少趋势，流量和石块高度是决定消能率的重要因素，随着流量增大，断面石块被淹没，其形状阻力逐渐变小，消能率也逐渐变小。仿生态鱼道消能率的主要影响因素包括上游来流量Q、坡降S、糙率n、粒径D84和阶梯高度Hs。

(1) 随着流量增大，突出的大石块逐渐被淹没，边界形成的阻力和边界突触造成的水流翻滚导致的能量消耗大量减少，因此消能率会随着流量的增加而减小。

(2) 随着坡降增大，水深会减小，水深减小对应着断面单位能量的减小，因此，消能率会增加。

(3) 随着n增大，床面阻力消耗能量增大，因而消能率增大，但对于生态鱼道断面结构来说，消能主要是依靠形态阻力作用下水流的掺混和漩滚摩擦，n对其消能率的影响其实不大。

(4) 由于粒径的增大会使床面阻力增大，因而可以提高消能率，但是效果也不是很明显。

(5) 阶梯高度Hs对消能率的影响从消能率计算公式可以看出，随着Hs的增大，消能率会显著提高。

3 结 论

本文通过水槽模型试验和资料分析的方法，研究不同断面结构形式对仿自然型鱼道水流流态的影响，提出一种具有多级流速通道的过鱼断面形式，并在此基础上对这种鱼道的消能率进行了研究，主要得出以下结论。

(1) 在传统仿自然鱼道断面型式的基础上，提出了在主断面过鱼通道上下游加设辅助蛮石，以起到调整过鱼通道内水流流速的作用，有效降低了过鱼通道的流速。

(2) 在优化方案1的基础上提出了一种具有多级流速通道的过鱼断面型式(优化方案2)，断面包括3排、6组蛮石，形成5条不同流速的过鱼通道，其中2条流速高达1.5 m/s的高速通道、2条流速为1.0～1.2 m/s的中速通道和1条流速为0.8 m/s的低速通道，分别满足不同鱼类洄游上溯的需求。

(3) 基于文中提出的仿自然鱼道断面型式，进一步深入研究了石块摆放位置、石块高度与水深的关系对鱼道消能效率的影响。计算结果表明，文中提出的鱼道断面型式最大效能率能达到48.7%。

(4) 本文提出的仿自然型鱼道断面布置型式依托的是南渡江鱼道项目，主要过鱼对象是大鳞鲢、光倒刺鲃、黄尾鲴、草鱼、赤眼鳟等南方鱼类，适应的流速范围是0.8～1.5 m/s。因此，该断面型式可以作为南方地区仿自然型鱼道设计参考。