魚道設計與運行過程中影響過魚效率的相關問題分析

，，，

(安徽理工大學，安徽淮南232001)

如今，世界上大多數較大的河流已經或正在修建大壩，包括一些生物多樣性豐富的河流[1-2]。雖然修建水庫大壩能夠滿足防洪、發電、灌溉、供水以及航運等需求，但是過多地修筑擋水建筑物勢必會對流域連通性產生較大的負面影響。大壩攔蓄水會導致流域內棲息地破碎，從而對流域內水生生物的生存構成威脅，特別對魚類的威脅更大[3-4]。魚類通常依靠遷徙活動來獲得其生長過程中所需要的營養物質，遷徙過程中，它們通常會選擇具有平緩水流和細粒基質的地區作為最佳棲息地[5-7]。水庫大壩破壞了魚類等水生生物的棲息地，而棲息地質量直接關系到生態系統的生物多樣性[8-9]，因此，研究魚道、升魚機等過魚建筑物對減小大壩的阻隔影響，幫助魚類順利洄游遷徙以及保護河流水生生物多樣性具有重要的意義。本文通過分析大量文獻，歸納魚道類型、魚道設計與建設以及魚道研究領域亟待解決的問題，提出了一些建設性意見。

1 魚道類型及其特點

1.1 魚道類型

魚道的類型大致可以分為：工程技術型魚道(池堰式、豎縫式、丹尼爾式和旁道系統等)、仿自然型魚道(仿自然通道、加糙坡道型魚道[10]等)和專用魚道(鰻魚梯、魚閘和升魚機等)，見圖1。目前工程上采用最多的魚道類型是丹尼爾式[11-12]、池堰式[13-14]和豎縫式[15-18]。

1.2 工程常用魚道的特點

常用魚道的特征可以概括為以下幾點。①池堰式魚道：池室中的水流橫截面積較小，池室中容易出現沉積物淤積和碎屑雜物的累積，使得池室的底部孔口極易被堵塞，嚴重時可能會影響水位變化，這種類型的魚道不適用較大的水位波動。②丹尼爾式魚道：占用空間較小，不受空間限制，但是容易受到水位波動的影響，且通道容易被沉積物和碎屑雜物堵塞。與其他類型魚道相比，丹尼爾式魚道需要更高的水位。③豎縫式魚道：具有寬敞的內部池室空間，能夠很好地適應大而頻繁的水位波動，能夠為魚類提供平滑區域，且不容易發生沉積物淤積的情況。豎縫式魚道既可以應用于低流量的溪流，還可以應用于大流量的山區河流。在3種常用類型的魚道中，豎縫式魚道的優點更為突出，被許多國家廣泛應用于魚道工程領域[19-24]。

2 魚道研究問題

2.1 魚類的游泳能力和行為特征

魚道的工程建設涉及到諸多學科領域，包括水力學、魚類行為學、魚類生理學等等。但是在過去的一段時間內，國內的魚道設計過多地注重于工程結構方面的問題，而較少涉及到魚類遷徙行為和魚類生理等相關科學領域[25]。魚類遷徙行為包括不同棲息地之間的補償性洄游遷徙、產卵遷徙、淡水生態系統與海洋之間的跨區域遷徙、下游遷徙和捕食肥育遷徙以及在不同生命階段滿足生物個體需求的遷徙等。魚類自身的游泳能力大小是決定魚類能否通過魚道遷徙上溯的客觀條件。爬巖鰍、青石爬鮡、鰱魚、裂腹魚等國內魚道過魚目標物種相比于其他國家的鮭魚、鱘魚等表現出較弱的游泳能力，這直接導致大多數按照國外設計標準建設的魚道運行效果不理想[22]。

同時，在影響魚類洄游行為的水力因子和溫度、鹽度、水質和光線等環境因子中，水力因子被普遍認為是影響魚類游泳行為的主要因素，魚類在不同流速和水流紊動下通過改變擺尾頻率與幅度或者采用爆發-滑行游泳方式來應對流速障礙[26]。Amaral等[27]對淡水洄游性鯉科魚類通過寬頂堰是選擇跳躍還是游泳的方式提出猜想，并通過物理模型試驗驗證了堰高、瀑流高度及堰頂流量的大小是影響魚類采取何種方式通過寬頂堰的主要因素；Link等[28]通過觀察分析智利本土魚類物種經過圓柱尾流時尾鰭的尾拍頻率及尾拍振幅的變化，研究魚類在水流條件復雜情況下的遷徙行為，發現流態和流速對魚類遷徙行為影響顯著。因此，在魚道設計和建設過程中，魚道的水流條件、魚類的游泳能力、生活習性和遷徙行為特征都是十分重要的因素。

2.2 魚道進口的位置布設

圖2為魚道進口示意，魚道進口應盡量設在魚類洄游路線的途中且有活水下泄的位置。通常魚道進口的寬度與堰、壩相比較窄，如何使魚類能夠快速發現魚道進口并進入魚道內是魚道設計和建設需要考慮的重要問題。科學合理規劃魚道進口區域、營造吸引魚類進入魚道的水流條件有助于幫助魚類發現魚道進口和解決魚類洄游遷徙延遲問題。

魚道進口的布設位置與布置方式直接影響著魚道集誘魚水流的水力學特性，集誘魚水流能否被魚類識別決定著魚道進口的誘魚效果，合理布設魚道進口是魚道設計和建設取得成功的關鍵[29]。鄭鐵剛等[30]基于生態學與水力學理論和數值模擬方法，結合過魚對象的游泳能力和生活習性，劃分了適宜布置魚道進口的河道區域；王猛等[31]采用物理模型試驗對某工程仿自然魚道進出口的流態、水流速度大小及分布進行研究，認為魚道需要布置多個高程的進出口以適應不同的水位變幅；Andersson等[32]對有發電尾水河流中的魚道進口流場進行模擬，發現在靠近尾水出口附近布設魚道進口，集誘魚水流對魚類更具吸引力；Bravo-Cordoba等[33]利用集成雷達遙測技術研究布置2個魚道進口的池堰式魚道，認為設計2個魚道進口更有利于多種魚類進入魚道；梁朝皇[34]等對石虎塘航電樞紐魚道設計時采用主進魚口和集魚系統進魚口，并將主進魚口布置在電站廠房尾水渠旁，研究表明主進魚口和集魚系統進魚口聯合運用，進魚效果更好；黎賢訪等[35]采用數值模擬方法研究了魚道進口下游流場分布，認為魚道進口軸線與河道成30°時，下游流態更有利于集誘魚。雖然國內外學者對魚道進口的水流結構、水流流態、流速分布等水力特性開展了大量研究[36-39]，但是對魚道進口位置的布設原則和魚道進口的體形結構研究仍不成熟，這往往會導致模型試驗獲得的魚道結構在應用到實際工程中時過魚效果并不理想。

汪亞超、Bunt等[40-41]提出魚道進口位置設置在電站廠房尾水渠或溢洪道出口旁側的方案，便于利用下泄水流進行誘魚。中國葛洲壩的3個船閘下游是魚類積聚最多的地方，說明有流動水流下泄的地方最容易吸引魚類聚集。工程技術魚道中，利用電站廠房尾水集誘魚是相對比較理想的魚道進口布設方式，但發電機組位置以及發電機組的運行方式仍然值得關注。鄭鐵剛等[30]基于FLUENT軟件并結合UDF技術，采用Reynolds方程和RNGk-ε模型研究了電站發電機組不同組合運行時的尾水流場，研究表明：尾水渠內流態信息較為豐富，存在不同程度的豎向環流或橫向回流，因此利用電站廠房尾水集誘魚需要研究發電機組的合理運行方式。

2.3 魚道內沉積物淤積問題

在多沙河流中修建魚道時，魚道內沉積物淤積問題應受到重視。中國年均輸沙量1 000萬t以上的河流有42條，黃河、長江的總輸沙量占世界13條大河總量的1/3，其中黃河是世界上泥沙最多的大河，多年平均輸沙量達16億t。雖然泥沙受到水庫大壩阻隔大部分會淤積在庫底，但在洪水期或上游水庫沖沙閘運行時，渾水中的泥沙、垃圾等會進入魚道，給魚類洄游帶來負面影響，嚴重的淤積可能會導致魚道難以正常運行，特別是池堰式魚道更容易發生沉積物淤積。建于1980年的湖南洋塘魚道，在最初運行的前9個月內通過40.9萬尾魚，平均每小時大約通過900尾，通過魚類的總數超過了128萬尾。然而，由于洪水挾帶著大量的沉積物進入魚道，導致魚道內發生嚴重的淤積現象，1987年以后，魚道停止了運行[42]。除了泥沙沉積外，垃圾沉積、淡水生物附著問題，在長江、珠江的許多魚道中較為明顯。魚道內泥沙、垃圾等沉積物淤積會堵住底孔池式魚道的孔口，嚴重影響魚道過魚效率，甚至導致魚道運行失敗。國外研究人員曾提出一種類似于魚骨形狀的魚道[43]，試圖來解決魚道內沉積物淤積的問題，但這種類型的魚道過魚效率卻并不理想。如何確保魚道不淤是提高魚道過魚效果需要關注的問題。

2.4 魚類的下游遷徙問題

魚類的下游遷徙問題也是魚道研究領域需要關注的問題。中國常見的過魚對象是多次產卵的鯉科魚類，在產卵后會有下行的行為。中國學者目前關注魚類下行的問題比較少，一方面是中國淡水河流中，河海洄游的魚類較少，魚類群體下行規模并不顯著；另一方面，下行的主要是仔稚魚，水輪機對其傷害率不算太高。但國外有許多魚類完成上溯遷徙和產卵后，會沿著水流向下游游動，如鮭魚、鰻魚和鱒魚等。Thorstad等[44]研究發現大西洋鮭魚下游遷徙過程中，通常選擇溢洪道、水輪機發電水流向下游遷徙，受到渦輪撞擊和高速旋轉影響，鮭魚出現死亡的機率明顯升高。Norrgard等[45]研究發現只有很少一部分魚類個體會選擇魚道向下游遷徙，絕大多數魚類個體會沿河下溯，進入溢洪道、水輪機或其他水工結構和進水系統，這會導致魚類遭受不同程度的傷害或死亡。不同的水輪機對魚類的影響不一樣，如沖擊式水輪機，下行魚類的死亡率幾乎達到100%[22]。向下游遷徙的幼魚個體數目龐大，有很重要的生態價值和經濟價值，它們是下游遷徙過程中最需要保護的重要對象。

3 討論與分析

a) 沒有科學依據表明單一的魚道設計能夠同時滿足具有不同生理特征、游泳能力、體型和遷徙行為的魚類物種順利遷徙。因此，在魚道設計時，應當結合本土魚類的游泳能力、游泳特點及棲息習性，充分考慮過魚對象的遷徙行為及其所有生命周期過程，不僅要收集成魚游泳能力和遷徙行為的資料，還應該包括小型幼魚的游泳能力和遷徙行為的資料。在控制水力條件時，要考慮水深-流量、湍流動能、湍流能量消散、回水區的尺寸等對魚類的遷徙行為的影響[46-49]。在魚道模型試驗時，應從魚類生理學角度對魚類的游泳能力進行研究，分析魚類生理機能在過飽和溶解氧、長時間耐久游泳或突進游泳情況下的運動代謝和體能變化[50-51]，為科學合理設計魚類洄游通道提供理論支撐。

b) 魚道的進口應該布置在魚類密集活動的區域，以滿足大多數河流魚類上溯遷徙的需要，幫助魚類快速、準確地找到魚道進口。魚道進口的水力參數應該適宜魚類聚集成群，需要對魚群區域的水流速度、湍流動能和水深進行分析，并結合魚類集群特征、魚群的空間分布和運動軌跡等，確定魚類進入魚道的水流速度和水深。同時，魚道進口要盡可能地設置誘魚燈，或利用工程措施增加水流聲音，吸引魚類快速找到進口。

c) 解決魚道內沉積物淤積問題，可以在不影響魚道良好過魚效果的前提下，在魚道內安設沉積物清除裝置。同時，魚道運行時間要根據魚類的正常洄游時節進行合理的安排，在魚道停運期間，對魚道內的淤積物進行及時清理。對存在大量淤積物的魚道要進行結構優化，對于魚類通過時間較短且進入下游水域的魚道入口，配備疏浚設施。

d) 魚類通過水輪機向下游遷徙死亡較高，死亡原因可能是機械損傷，也可能是由于快速的壓力變化及通過極端湍流區域而產生的剪切作用引起的空化損傷。有研究表明：在不采取任何保護措施的情況下，魚類下游遷徙通過水輪機時的死亡率接近100%[52]；當水流速度達到或超過16 m/s時，魚類會處于危險狀態，而溢洪道中的水流速度通常很高，不利于魚類向下游安全遷徙[53]。世界上大多數水壩兼具防洪和發電功能，如果不采取任何保護措施，魚類通過水輪機、溢洪道向下游遷徙時，勢必會受到傷害。因此，為了實現魚類順利向下游遷徙，尤其是幼魚個體，需要在工程上采取有效的保護措施，設計魚類分離裝置和集群措施，將魚類從溢洪道、水力渦輪機和其他進水系統中分離出來，聚集成群后通過魚道或旁通管道安全運輸到下游。

4 結語

中國水利水電事業蓬勃發展，水能資源的開發極大地促進了社會經濟的發展，但水庫大壩阻隔了河流的連通性，對河流水生生物構成了較大的威脅。本文討論了不同類型魚道的優缺點，從魚類的游泳能力和行為特征、魚道進口的位置選擇、魚道內沉積物淤積和魚類的下游遷徙等方面，分析并討論了魚道設計與建設過程中面臨的諸多問題，提出了一些措施和建議，以期促進魚道的建設與發展，提高魚道的過魚效率。