曹慶磊，楊文俊，周良景

（1．長江科學(xué)院水利部江湖治理與防洪重點實驗室，武漢 430010；2．長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，武漢 430010）

國內(nèi)外過魚設(shè)施研究綜述

曹慶磊1，楊文俊1，周良景2

（1．長江科學(xué)院水利部江湖治理與防洪重點實驗室，武漢 430010；2．長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，武漢 430010）

隨著水利事業(yè)高速發(fā)展，現(xiàn)代水利水電工程必須與環(huán)境和生態(tài)相和諧。分析了水利水電工程等對魚類資源的影響，概述了國外過魚設(shè)施的發(fā)展?fàn)顩r，總結(jié)了我國過魚設(shè)施研究和建設(shè)的3個時期；并介紹了過魚設(shè)施的種類，其中詳細(xì)闡述了魚道的主要類型、特點及其技術(shù)參數(shù)；最后分析了近年來該領(lǐng)域研究的最新技術(shù)手段，并結(jié)合新時期水利發(fā)展戰(zhàn)略，提出了研究展望。

魚類資源；過魚設(shè)施；魚道；新進(jìn)展

水利水電工程等截斷河流，導(dǎo)致這個開放、連續(xù)的系統(tǒng)在能量流動、物質(zhì)循環(huán)及信息傳遞等方面發(fā)生一系列的改變，使生活其中的魚類生存所需的生境條件、水文情勢發(fā)生變化，最終對魚類資源產(chǎn)生影響，如：洄游或魚類其它活動可能被延遲或終止、魚類下行通過壩體建筑物或水輪機(jī)時遭受的傷害、生態(tài)景觀破碎。這些影響會導(dǎo)致魚類種群遺傳多樣性喪失和經(jīng)濟(jì)魚類品質(zhì)退化等。因此，為了保護(hù)魚類資源，恢復(fù)河流生物多樣性，過魚設(shè)施的研究和建設(shè)是十分必要的。

1 過魚設(shè)施的發(fā)展概況

過魚設(shè)施是指讓魚類通過障礙物的人工通道和設(shè)施，最早的過魚設(shè)施，是開鑿河道中的礁石、疏浚急灘等天然障礙以溝通魚類的洄游路線。

據(jù)不完全統(tǒng)計，至20世紀(jì)60年代初期，美國和加拿大有過魚設(shè)施200座以上，西歐各國100座以上，前蘇聯(lián)18座以上，這些過魚設(shè)施主要為魚道。至上世紀(jì)晚期，魚道數(shù)量明顯上升，在北美有近400座，日本則有1 400余座。其中，最高、最長的魚道分別是美國的北汊壩魚道（爬升高度60 m）和帕爾頓魚道（全長4 800 m）［1］。這些過魚設(shè)施都是以通過某種主要經(jīng)濟(jì)魚類為目的，比如美國大西洋鮭魚、鱒魚，法國西鯡魚和日本香魚等。

我國過魚設(shè)施的研究和建設(shè)大致經(jīng)歷了3個時期：

（1）初步發(fā)展期。1958年在規(guī)劃開發(fā)富春江七里壟水電站時首次提及魚道，1960年在興凱湖附近首先建成新開流魚道；至上世紀(jì)80年代，對魚的生境因素及過魚設(shè)施進(jìn)行了初步研究并相繼建設(shè)了40余座魚道。

（2）停滯期。自葛洲壩水利樞紐中采取建設(shè)增殖放流站的措施來解決中華鱘等珍稀魚類的保護(hù)問題至此后的20多年，我國在建設(shè)水利水電工程時很少修建過魚設(shè)施，相關(guān)的技術(shù)研究工作幾乎沒有開展，已建過魚設(shè)施多數(shù)運(yùn)行效果不理想，因而閑置或被廢棄（如湖南洋塘魚道）。

（3）二次發(fā)展期。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著我國水利水電資源開發(fā)逐步加深，天然漁業(yè)資源嚴(yán)重退化，甚至危及到國家級自然保護(hù)區(qū)珍稀特有魚類，過魚設(shè)施的研究和建設(shè)重新受到重視，一批過魚設(shè)施已建成運(yùn)行或在規(guī)劃建設(shè)中。如北京上莊水庫魚道①、西藏獅泉河魚道［2］、珠江長灘樞紐魚道和長江小南海魚道等。

2 過魚設(shè)施的類型及特點

過魚設(shè)施主要分為上行過魚設(shè)施和下行過魚設(shè)施。上行過魚設(shè)施包括魚道、魚閘、升魚機(jī)和集運(yùn)漁船等，下行過魚設(shè)施包括攔網(wǎng)、電柵等。

2．1 魚 道

魚道一般只適應(yīng)于低水頭水利樞紐，魚道也是最常見的上行過魚設(shè)施，其類型和特點見表1［3］和圖1所示。

①孫雙科，鄧明玉，李英勇，等．北京市上莊新閘豎縫式魚道的水力設(shè)計研究［C］∥水電2006國際討論會，951－957．

表1 魚道的主要類型和特點Table 1 Themain types and characteristics of fishways

圖1 魚道的形式Fig．1 Several types of fishways

魚道的設(shè)計要結(jié)合過魚對象、樞紐建筑物、閘壩地形等因素綜合考慮，但為了保證魚道的良好運(yùn)行，應(yīng)符合以下主要技術(shù)參數(shù)①：

（1）魚道進(jìn)口。魚道進(jìn)口是否易被魚類發(fā)現(xiàn)和利于魚類集結(jié)，是魚道設(shè)計成敗的關(guān)鍵因素之一?？梢钥紤]布置在電站尾水前沿、溢流壩兩側(cè)或通航船閘泄水處等，這里水流相對集中，利于誘魚?？紤]到下游水位變化和不同魚類的習(xí)性，可以按不同高程多設(shè)幾個進(jìn)口。如鱘魚喜歡在深潭和坑洼間游動，進(jìn)口應(yīng)選擇具有水下地形的位置；鰱魚喜歡在水的表層游動，進(jìn)口高程要相對高些。

（2）魚道流速。魚道流速與大壩水頭及魚的克流能力有關(guān)。幼小體弱等溯游能力差的魚大多在0．3～0．8 m／s的水流中行進(jìn)；成魚、親魚等溯游能力強(qiáng)的魚，大多在0．8～1．0 m／s的水流中行進(jìn)。對于鮭魚，魚道內(nèi)允許流速約為1．52 m／s，香魚約1．2 m／s，鯉屬魚約0．4 m／s。在河流梯級開發(fā)中，下游魚道的允許流速可略大于上游魚道的允許流速。當(dāng)魚道為多種過魚對象設(shè)計時，以溯游能力最差對象的允許流速為標(biāo)準(zhǔn)。

（3）魚道尺寸。魚道尺寸是指魚道寬度、池室大小和過魚孔大小等。魚道寬由過魚量和河道寬決定。在日本，魚道寬為河道寬的4%～5%，有的2～3 m，有的3～5 m不等。池室大小取決于隔板消能效果、魚體能消耗及休息條件等。過魚孔、豎縫大小與魚體大小及習(xí)性有關(guān)，應(yīng)不小于擬通過魚類胸鰭水平展開距離，以滿足魚類自由游泳需要。加拿大漁業(yè)部和國際太平洋鮭漁業(yè)協(xié)會（1995年）建議孔口以0．50～1 m2為宜，每個孔口流量保持在0．68～2．7 m3／s。

（4）魚道出口。魚道出口要適應(yīng)庫水位的變動，當(dāng)庫水位變化時，既要保證出口有足夠的水深，又要使進(jìn)入魚道的流量基本保持不變，使魚道能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。出口應(yīng)遠(yuǎn)離溢洪道、廠房進(jìn)水口等泄水、取水建筑物，以防進(jìn)入水庫的魚，又被這股水流帶回下游。出口高程應(yīng)適應(yīng)過魚對象的習(xí)性，對于底層魚類，應(yīng)設(shè)置深潛的出口；幼魚、中上層魚類，出口可設(shè)在水面以下1．0～1．5 m處。

（5）其他條件。各種魚類喜光性不一，魚道要根據(jù)過魚對象的要求采光。如鰻魚要求在黑暗條件下過魚，香魚可建明魚道。此外，魚道還應(yīng)設(shè)有導(dǎo)魚設(shè)備、觀察計數(shù)設(shè)備、攔污及檢修設(shè)備等。

2．2 中高水頭水利樞紐上行過魚設(shè)施

魚道運(yùn)行時受上游水位和流量的影響，流速、流態(tài)都不穩(wěn)定，且魚上溯過程中需要耗費(fèi)很大能量，使過魚效果難以保證。因此，魚道一般只適用壩高在20～25 m以下的低水頭水利樞紐，對于中高水頭水

①《水電水利建設(shè)項目河道生態(tài)用水、低溫水和過魚設(shè)施環(huán)境影響評價技術(shù)指南（試行）》．國家環(huán)境保護(hù)總局環(huán)境工程評估中心文件，環(huán)評函（2006）4號。利樞紐的上行過魚設(shè)施主要有魚閘、升魚機(jī)和集運(yùn)魚船等。魚閘的運(yùn)行方式與船閘相似，魚類在閘室憑借水位的上升，不必溯游便可過壩（見圖2）。由于魚閘過魚不連續(xù)，且過魚量有限，有些學(xué)者認(rèn)為魚閘可能會被逐步淘汰，但也有些學(xué)者持相反觀點，如文獻(xiàn)［4］通過研究認(rèn)為，對于澳大利亞一些熱帶河流上具有固定洄游季節(jié)的熱帶魚，未來魚閘可能會得到廣泛的應(yīng)用；升魚機(jī)是利用機(jī)械升魚和轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)施過壩，能適用于高壩和庫水位變幅較大的樞紐過魚，也可用于較長距離轉(zhuǎn)運(yùn)魚類。Francfort等分析了美國16個水利樞紐過魚設(shè)施的過魚效果后，認(rèn)為Conowingo壩的兩個升魚機(jī)在使Susquehanna河的鯡魚種群的資源恢復(fù)過程中發(fā)揮了重要作用［5］。集運(yùn)魚船，又稱“浮式魚道”，目前在世界上的應(yīng)用不多，自1989年P(guān)avlov對前蘇聯(lián)在里海流域的伏爾加河、頓河和庫班河流域為鱘科、鯡科和鯉科的一些種類設(shè)計的集運(yùn)魚船報道后，幾乎再沒有關(guān)于集運(yùn)漁船的研究成果發(fā)表。

圖2 魚閘運(yùn)行示意圖Fig．2 The sketch of fish lock operation

2．3 下行過魚設(shè)施

目前對下行過魚設(shè)施的研究和實踐遠(yuǎn)沒有上行過魚設(shè)施深入。相對來說，歐洲和北美對鮭科等溯河性魚類幼魚的下行問題有較為深入的研究和實踐，主要是采取物理欄柵或行為屏障（如電柵、音篩等）來防止下行魚類進(jìn)入水輪機(jī)，并建造表層或側(cè)、下輔助通道讓它們安全過壩。

3 研究方法

目前主要采用模型試驗和數(shù)值模擬的技術(shù)手段對過魚設(shè)施進(jìn)行研究，通過優(yōu)化其結(jié)構(gòu)形式，以獲得適合魚類上溯的理想流速和流態(tài)，為過魚設(shè)施的設(shè)計提供了依據(jù)。部分研究成果付諸工程應(yīng)用，取得較好效果。

3．1 模型試驗

文獻(xiàn)①對單側(cè)導(dǎo)豎式魚道內(nèi)的流場、紊動能的等值線圖、紊流強(qiáng)度、雷諾應(yīng)力的初步試驗結(jié)果進(jìn)行了分析，并經(jīng)過運(yùn)行效果的觀測后認(rèn)為，一個比較適合魚類的流態(tài)紊動標(biāo)準(zhǔn)是可能存在的。Larinier等通過對單側(cè)導(dǎo)豎式魚道的紊流研究表明，隨著池長／池寬的變化和坡度的不同，池室內(nèi)的水流出現(xiàn)2種流態(tài)［6］。Rajaratana等通過對多種不同形式單側(cè)導(dǎo)豎式魚道的研究發(fā)現(xiàn)，無量綱流量和相對水深之間存在線性關(guān)系［7］。

Matsushita等發(fā)現(xiàn)在傾斜的池槽內(nèi)可以觀測到滾動流；Uddin等提出，階梯型魚道中出現(xiàn)的滾動流將產(chǎn)生涌波，而它的周期性可能會嚴(yán)重危害魚道，并發(fā)現(xiàn)這種滾動流源于魚道的上游；Rajatana等通過試驗研究得出，這種滾動流的發(fā)生可以用無量綱流量來預(yù)知［8］。

3．2 數(shù)值模擬

豎縫式魚道中當(dāng)流速大于平均流速后，要對水流紊動的影響因素進(jìn)行評價。Pena等用沿水深平均的二維淺水方程的混合長模型和代數(shù)應(yīng)力模型，對單側(cè)導(dǎo)豎式魚道中的紊流場進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明：流速、紊動能強(qiáng)度和雷諾應(yīng)力與相同條件下的試驗結(jié)果吻合較好［9］。張高華等用標(biāo)準(zhǔn)的三維紊流模型對池堰式魚道和魚類行進(jìn)能力進(jìn)行模擬后得出，同一魚種最省能之路徑為魚體采用跳躍方式上溯且接近液面時的路徑［10］。文獻(xiàn)［11］研究了單側(cè)導(dǎo)豎式魚道的優(yōu)化設(shè)計問題，確定了由魚的休息區(qū)尺寸和適合魚類游泳能力的流速構(gòu)成的目標(biāo)函數(shù)，得出了最優(yōu)設(shè)計變量豎縫尺寸的數(shù)值解。Young等用ADV、GPS以及非恒定非結(jié)構(gòu)化的雷諾平均NS（U2RANS）模型，采集和計算了密西西比河上游的流態(tài)，詳細(xì)分析了淡水蠓生活區(qū)域的水力特性，討論了建壩對它們分布的影響，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施［1］。

3．3 運(yùn)行監(jiān)測

日本提出一種由鋼筋和石籠等組成的簡易式魚道，其制作簡單，成本低廉，可以機(jī)動靈活地在適宜河道架設(shè)安裝［12］。伊泰普水電站在每一節(jié)魚道的表面都設(shè)有供有鱗魚種通過的通道，而在底部設(shè)有供無鱗魚種通過的通道，流經(jīng)每節(jié)魚道的水流在底部形成一個正弦圈，在表面相反方向形成另一個正弦圈，這樣便能提供一個有利于把魚吸引進(jìn)入魚道

①SANAGIOTTO D G，COLETTIJZ，MARQUESM G．豎縫式魚道流速和水力紊動特性研究［C］∥水電2006國際討論會．855－957．的溶解氧梯度。澳大利亞在伯內(nèi)特河壩建成了完全集成的基于PLC（可編程邏輯控制器）的SCADA（監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集）魚道系統(tǒng)，它可以監(jiān)控魚道的各個方面［13］。美國內(nèi)華達(dá)州里諾（Reno）東部特拉基（Truckee）河上設(shè)計了一條明渠繞壩魚道，供瀕危的Cui－ui、Lahontan美洲鮭和其它魚類洄游，通過大卵石控制魚道中的水流，為魚類提供了良好的休息場所。加拿大在尚布利壩上翻修改造了魚道，使具有相當(dāng)規(guī)模的商業(yè)性銀色美洲鰻魚能夠重新自由洄游［14］。

4 展 望

我國水能資源開發(fā)利用的歷史源遠(yuǎn)流長，建國以來我國的水電開發(fā)事業(yè)蓬勃發(fā)展，然而，水能資源的開發(fā)伴隨著對河流生態(tài)系統(tǒng)脅迫的日益加劇，與之配套的過魚設(shè)施的研究和建設(shè)卻起步較晚，發(fā)展緩慢，其建設(shè)數(shù)量和運(yùn)行效果都與要求相差甚遠(yuǎn)，加快過魚設(shè)施的研究和建設(shè)，建立生態(tài)環(huán)境友好型的水利水電工程體系勢在必行。

（1）加強(qiáng)河段或區(qū)域生態(tài)環(huán)境特征代表性生物（魚類）的研究，并加強(qiáng)其原型生境要素的監(jiān)測；

（2）開展特征魚類生態(tài)習(xí)性、游泳能力的試驗和魚道水力條件的研究；

（3）進(jìn)行新型過魚設(shè)施的研制和魚類下行設(shè)施的研究；

（4）加強(qiáng)水工程（梯級水庫）建設(shè)及投運(yùn)對魚類生存環(huán)境的疊加累積影響的研究；

（5）盡快建立一部過魚設(shè)施規(guī)范，并將過魚設(shè)施納入河流健康運(yùn)行評價體系，維護(hù)河流健康。

［1］ 王興勇，郭 軍．國內(nèi)外魚道研究與建設(shè)［J］．中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2005，3（3）：222－228．（WANG Xing yong，GUO Jun．Brief review on research and construction of fishways at home and abroad［J］．Journal of China Institute ofWater Resources and Hydro power Research，2005，3（3）：222－228．（in Chinese））

［2］ 嚴(yán) 莉，陳大慶，張 信，等．西藏獅泉河魚道設(shè)計初探［J］．淡水魚業(yè)，2005，35（4）：31－33．（YAN Li，CHEN Da qing，ZHANG Xin，et al．Preliminary study of Tibet Shiquanhe design［J］．Freshwater Fisheries，2005，35（4）：31－33．（in Chinese）））

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［5］ 長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院．長江小南海水電站建設(shè)項目對長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護(hù)區(qū)影響及其減免對策專題研究報告［R］．武漢：長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，2008．（Changjiang Sur vey Planning Design Institute．The special report of im pacts and its reliefmeasures for Xiao Nan haiHydropower Project on the Yangtze River nature reserve of rare and u nique fishes［R］．Wuhan：Changjiang Survey Planning Design Institute，2008．（in Chinese））

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（編輯：周曉雁）

Review on Study of Fishery Facilities at Home and Abroad

CAO Qing lei1，YANGWen jun1，ZHOU Liang jing2
（1．Key Laboratory of Management of Rivers and Lakes＆Flood Control of Ministry ofWater Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2．Changjiang Survey，Planning，Design＆Institute，Wuhan 430010，China）

With the rapid development of water resources，modern hydraulic and hydro power engineeringmust be in harmony with environment and ecology．First，the impacts of hydraulic and hydro power engineering on fish re sourceswere analyzed，the development of dam passing facilities for fishes abroad，and the three periods of re search and construction for fishery facilities at home were summarized．Second，the types of fishery facilities at home and abroad were introduced，and themain types，technical parameters and characteristics of fishways were summarized in detail．Meanwhile the recent advance of technicalmethods in this field was presented．Finally，the research prospectswere put forward in combination with the strategy ofwater resources in the new era．

fish resources；fishery facilities；fishway； recent advance

TV135．1；S956

A

1001－5485（2010）05－0039－05

2009 04 01；

2010 03 03

曹慶磊（1983 ），男，河南永城人，碩士研究生，主要從事水力學(xué)與河流動力學(xué)研究，（電話）15071309036（電子信箱）caoqin glei2008＠163．com。