生态水工建筑物——鱼道的建设及研究进展.pdf

'第44卷第9期人民长江VOl_44．No．92013年5月YangtzeRiverMay，2013文章编号：1001—4179(2013)09—0088—05生态水工建筑物鱼道的建设及研究进展王琳，杨文俊2，陈辉(1．河海大学水利水电学院，江苏南京210098；2．长江科学院，湖北武汉430010)摘要：水利工程的建设将不可避免地影响河流的自然属性，破坏鱼类的生存环境，而在我国一直存在着重水利开发，轻鱼类保护的现状。为了促进我国鱼道的研究和建设，根据国内外已建的鱼类保护设施，从鱼类游泳能力、水工模型试验、数值模拟、实际观测等方面，分析总结了我国水利工程鱼道建设及研究的现状，探讨了鱼道建设方面存在的问题。在此基础上，提出了我国未来鱼道建设研究的方向。关键词：水利工程；鱼道建设；模型试验；数值模拟；研究方向中图法分类号：TVl35文献标志码：A口布置在鱼道的中低层，适用于生活需要一定水深的1概述中、大型鱼类。淹没孔口式通道孔口的直径视不同我国水资源的治理和开发已进入一个全新阶段，过鱼种类而异，如英国1954年修建的皮特罗基里鱼越来越多的隔流建筑物严重影响了河流系统的能量流道，其潜孔直径为0．83m，孔中流速为2．4m／s。我国动、物质循环等。近年来，随着社会的发展，同时采用淹没孔口式鱼道的有江苏团结河闸鱼道、洋口北兼顾经济建设与环境保护，正成为人们的共识。一般闸鱼道等，均为长方型孔口；为了控制适当的流速和流而言，隔流建筑物的修建会改变鱼类栖息地环境，如对态，相邻隔板上的孔口采取交叉布置形式，取得了很好鱼类活动产生不利影响，进而鱼类洄游或其他活动延的效果。竖缝式鱼道水流消能效果比堰式和淹没孔口迟或终止、鱼类通过坝体建筑物或水轮机时易受伤害式更充分，且较能适应上下游水位变化，一般适用于等。这些影响可能导致鱼类种群遗传多样性丧失，经大、中型鱼类，且常用于施工期和天然障碍处过鱼。济鱼类品质退化，甚至直接导致某些溯河洄游鱼类种国外对这类鱼道隔板作了较多的研究，其中以加拿大群灭绝。为保护鱼类资源、恢复河流生物多样性，对过弗雷塞河上的鬼门峡鱼道最为著名。组合式鱼道鱼设施的研究和建设十分必要。是以上3种形式鱼道(溢流堰式、淹没孑L口式及竖缝式)的组合，较好地综合了各种鱼道水力特性的优势，2鱼道定义及结构分类但结构较复杂，设计难度大。鱼道是供鱼类洄游通过水闸或大坝的人工水槽。3国内外鱼道发展鱼道中通常设有隔板将上下游水位差分为若干级，利用水垫、沿程摩阻及水流对冲、扩散来改善池内流态。鱼道这一概念最早出现在17世纪的西欧。原始按隔板过鱼孔的形状及位置，鱼道分为溢流堰式、淹没的鱼道是在礁石、急滩等天然障碍中开凿过鱼的洄游孔口式、竖缝式以及组合式等(图1)。线路。1662年法国贝阿尔恩省颁布法规，要求在堰坝对溢流堰式鱼道，鱼类翻过堰顶上溯，此类鱼道水上建造供鱼过坝的通道。1909年，比利时工程师丹尼流平稳，适用于在水流表层活动和有跳跃习性的鱼类，尔设计了排列紧密的阻板和底坎鱼道，称为“丹尼尔国外早期使用较多，如英国的特鲁因姆鱼道及卡拉格型鱼道”。1913年，美国和加拿大共同建造了著名的鱼道。淹没孔口式鱼道主要依靠水流扩散来消能，孔赫尔斯门鱼道。1938年美国西部哥伦比亚河上建成收稿日期：2012—12—30作者简介：王绯，男，硕士研究生，主要从事生态水力学方面的研究。E—mail：interbei@sina．eom 90人民长江试验、数值模拟、原型试验等方法对鱼道内水流的水力2g△h。孙双科对北京上庄新闸竖缝式鱼道进特性进行了研究，获得了适合鱼类上溯的水流条件，为行了水工1：2．5比尺水工试验，试验结果表明，竖缝式鱼道的结构优化提供了科学依据。由于竖缝式鱼道结鱼道仅设隔板无法获得理想的水流流态，而增设导板构简单，消能充分，且适应上下游水位变动的能力较可能显著改善池室内水流流态。强，对其开展的研究较多。2008年，LaurentTarrade对同侧竖缝式鱼道进行4．2水工模型实验了模型试验研究，测量了3个坡度、3个流量和4个池1986年，加拿大Albert大学的N．Rajaratnam等人宽时鱼道内水流的水力特性。研究结果表明，长宽比对7种形式的同侧竖缝式鱼道进行了模型试验研究。较小的池室内存在弯曲的射流主流区，主流两侧存在研究发现：无量纲流量Q与相对水深之间存在线大范围的回流区；长宽比较大时池室内主流得不到充分发展，最终撞击边墙；鱼道内流速与紊动随着坡度的性关系，QQ：，。，式中s为池室坡度，6。5增大而增大⋯。董志勇通过对同侧、异侧竖缝式鱼道的研究，指出紧靠竖缝的断面流速呈正态分布，稍远处为竖缝宽度，Y为池室平均水深，并且池室内存在可供则呈壁面射流形态；横向流速分布几乎不随流量而变鱼类休息的回流区。1992年，N．Rajaratnam等人在之前研究的基础化；异侧竖缝式鱼道主流轨迹呈S形曲线。上，又对11种型式的鱼道进行了更加深入的研究，并2009年，R．W．Wang利用PIV观测鱼道瞬态流场，发现竖缝式鱼道池室内存在周期性变化的不稳定得出结论：当鱼道的长度与宽度分别为10b。和86。时，水流流态，且不稳定水流由高频波动和低频移动组成；池室内水流较有利于鱼类上溯⋯。另外，竖缝处水流紊动剧烈。1999年，S．Wu对坡度分别为5％，10％及20％的2010年，陆芳春对感潮河口溢流堰和潜孑L口组合竖缝式鱼道进行了分析研究，提出了池室内单位体积式鱼道的水力特性进行了水工模型试验。研究结果表水流消能率计算公式，并获得以下成果：当坡度为5％明：长度固定的鱼道中，不同鱼类上溯的水头不同；对时，水流二维特征明显，主流两侧可形成占池室体积于同种鱼类，长度不同的鱼道满足其上溯要求的运行73％的回流区；当坡度为10％和20％时，水流三维特水头不同。R．W．Wang对同侧竖缝式鱼道进行研征明显，挡板附近可形成占池室体积38％的回流区；究，发现坡度和长宽比显著影响流量系数，并得出主流竖缝处的水流可粗略看做平面射流。区与回流区的分界点。2004年，美国土木工程协会的Pue~as对有、无墩2011年，刘志雄对异侧竖缝式鱼道的水力特性进头两种型式的竖缝式鱼道进行了模型试验研究，并对行了模型试验，并得出结论：异侧竖缝式鱼道不同水深Rajaratnam的成果进行了验证，证实了无量纲流量与的平面流速主流曲线几乎重合，水流具有明显的二维相对水深存在线性关系。他还指出在坡度一定的情况特征；主流流速与竖缝平均流速的比值较稳定。吕下，池室内任何一点的流速都是独立的，消能效果是鱼海艳通过水工模型试验，得出结论：鱼道进口设施可直类成功上溯的重要因素。L．Pena对设有底坎的竖接影响过鱼效果，需设置诱鱼及拦鱼设施；鱼道出口须缝式鱼道进行了三维水流观测分析，分析了不同坎高适应上游水位变化，并远离泄水建筑物进15。及流量时池室内水流情况，发现：竖缝处的流量与水深2012年，郭维东利用ADV对同侧竖缝式鱼道水呈线性关系，且与坎高成正比；流速的垂直分量远小于流的水力特性进行了研究，研究结果表明：同侧竖缝式水平分量。但其在流态的发展中起到重要作用；竖缝鱼道主流曲线呈反S形；主流从竖缝进入池室后，流速平均流速基本恒定，且与流量和底坎高无关。先逐渐增大，至最大值后，开始减小，在接近下一池室2006年，LiuMinnan等利用ADV开展了实验研竖缝时达到极小值；竖缝断面至上而下流速先增后减，究，对坡度为5．06％和10．12％的竖缝式鱼道的水流最大流速靠近池底。和紊动结构进行了分析，发现两种坡度对应着两种不同的水流形态，每种形态又都可分为射流区和回流区，4．3数值模拟且主要紊动特征与平面射流差别较大。D．G．2002年，FujiharaMasayuki应用Godunov格式的Sanagiotto利用ADV测试了竖缝式鱼道池室内流速、二维浅水模型计算了2种同侧和1种异侧竖缝式鱼道紊动动能及雷诺剪切力，发现水流可分为流速、紊动动水流的水力特性，研究结果表明：池室内最大流速出现能和雷诺剪切力均较大但紊动强度很小的主流区，和在竖缝下游而不是在竖缝处；相同情况下，同侧竖缝式与其水力特性相反的休息区；池室内最大平均流速为低流速区范围较异侧式更大。 第9期王诽，等：生态水工建筑物——鱼道的建设及研究进展912003年，Ba~onA．F利用Fluent软件RNG紊流模鱼类的生态习性进行深入研究，导致有些建成的鱼道型分析了同侧竖缝式鱼道内水流的水力特性，验证了不能完全满足鱼类的上溯要求。S．Wu之前的物理模型试验结果。(3)管理不善，维修经费缺乏。以我国湖南洋塘2006年，S．Hermerl采用FENFLOSS分析了溢流鱼道为例，该鱼道建成于1980年3月，初期过鱼效果堰一竖缝组合鱼道的三维水流，指出该类型鱼道池室良好，但受洪水影响，致使鱼道淤塞、闸门锈蚀，加之经内回流区和主流区与单一的竖缝式鱼道内水力特性有费不足，年久失修，从1987年起一直处于停用状明显差异。态；2007年，L．Ceal应用混合长度模型、k一模型和(4)对鱼类下行的研究鲜有涉及。我国现存鱼道代数应力模型对竖缝式鱼道水流的水力特性进行分析往往只考虑鱼类过坝上溯，却并未涉及鱼类的下行，生研究，并将计算数据与水工模型试验结果进行了比较，态阻隔依旧存在，鱼道的研究任重道远。发现两者吻合较好。L_J．Alvarez—Vazquez利用6我国鱼道建设研究展望二维潜水模型，优化了竖缝式鱼道的结构。2008年，FujiharaMasayuki采用三维紊流模型及在今后较长时间内水利科技工作者和鱼类专家需VOF自．由水面处理方法分析溢流堰一潜孔组合式鱼要联合科研攻关，对鱼道开展如下研究：①过鱼设施道水力特性，结果表明三维的VOF模型能较好地模拟的建设及规划布局，包括对已建鱼道的改建和新建鱼鱼道内三维水力特性。道工程的布置；②过坝鱼类的生理特性及其适宜的鱼2009年，徐体兵利用Fluent软件RNGk一8模型，道池室流态；③鱼道的科学运行及管理，鱼道内流量对竖缝式鱼道内水流水力特性进行分析，研究了不同控制调节及有利于鱼类上溯的水库运行调度方式；④长宽比及不同隔板墩头布置形式对池室内水流结构的鱼类的下行通道及其相关问题，在一定程度上减轻生影响。研究结果表明：长宽比对竖缝式鱼道流态影响态阻隔影响。较大，当长宽比在10：8左右时，水流流态较好；隔板墩参考文献：头对水流结构影响有限。[1]杨军严．初探水利水电工程阻隔作用对水生生物资源及水生态环2010年，曹庆磊分别采用RSM模型和k—s模型境影响与对策[J]．西北水力发电，2006，4(22)：22—29．[2]龙笛，潘巍．河流保护与生态修复[J]．水利水电科技进展，2006，对同侧竖缝式鱼道内水流流场进行三维数值模拟，指2(26)：21—26．出RSM模型的计算结果与水工模型试验更为贴[3]罗小凤，李嘉．竖缝式鱼道结构及水力特性研究[J]．长江科学院近。罗小凤利用Fluent软件模拟了竖缝式鱼道的院报，2010，27(10)：50—54．二维流场。研究结果表明：不考虑边壁阻碍时，竖缝导[4]南京水利科学研究所．鱼道[M]．北京：电力工业出版社，1982．角越大，主流衰减越迅速，且主流轨迹弯曲程度越大，[5]王兴勇，郭军．国内外鱼道研究与建设[J]．水利水电科学研究院更容易撞到边壁；导板长度对主流的扩散和衰减基本学报，2005，3(3)：222—228．没有影响。[6]中村俊六．日本现有鱼道设计参考资料的概况[J]．水利渔业，1990，(4)：15—19．‘2012年，张国强利用Fluent软件k—s模型对不[7]涂志英，袁喜，韩京成，等．鱼类游泳能力研究进展[J]．长江流域同b／B(b为竖缝宽度，B为池室宽度)值的竖缝式鱼道资源与环境，2011，20(1)：59—64．内流场进行了分析，并指出：当b／B为0．1～0．25时，[8]张建江，范翠红．我国鱼类资源知多少[J]．渔业致富指南，2006，主流区基本位于池室中央，两侧回流区大致对称，主流(1)：4．区流速沿程衰减显著，水流消能效果较好；竖缝宽度对[9]NallamuthuRajaratnam，GaryVanderVinne，ChristosKatopodis．Hy，竖缝处流速影响明显，过宽则横向流速过大，过窄则径draulicsofverticalslotfishways[J]．JournalofHydraulicEngineer—向流速分布不均匀，竖缝宽度宜为池室宽的0．15～ing，1986，112(10)：909—927．0．20倍’。[1O]N．Rajaratnam，C．Katopodis，S．SolankiNewdesignsforverticalslotfishways[J]．JournalofHydraulicEngineering，1992，118(3)：5我国鱼道建设中存在的问题402—414．[11]SWu，N．Rajaratnam，C．Katopodis．Structureofflowinverticalslot(1)社会对鱼类保护意识淡漠，鱼道建设过程中fishways[J]．JournalofHydraulicEngineering，1999，125(4)：35l往往只将其作为水利工程中的一个附属部分，未给予一360．充分重视。[12]PuertasJ，PenaA，DavidL．Experimentalapproachtothehydraulics(2)基础研究和资料累计匮乏。鱼道是用于保护ofverticalslotfishwaysfJ]．HydraulicEngineering，2004，130(1)：鱼类的水工建筑物，但我国大多数鱼道的建设并未对】0—23． 92人民长江2013生[13]L．Pena，L．Cea，Puertas，T．Teijeiro．Anexperimentalstudyofve—[25]FujiharaMasayuki，FukushimaTadao，TachibanaKazuko．Numeri—focityfieldsandflowpatternsinaligneddeepslotfishways[J]．Rivercalmodelingofflowsinverticalsingle—slotfishways[c]∥13rdFlow，2004，(2)，1359—1364．IAHR_-APDCongressAdvancesinHydraulicsandWaterEngineer—[14]LiuMinnan，N．Rajaratnam，ZDavid，M．Zhu．Meanflowandtur-ingAug6—8，Singapore，2002：1019—1024．bulencestructureinverticalslotfishways[J]．JournalofHydraulic[26]BartonAF，KellerRJ．2003．3DfreesurfacemodelforaverticalEngineering，2006，l32(8)：765—777．slotfishway[c]∥XXXIAHRCongress．Vol2．AUTh，Thessal—[15]D．G．Sanagiotto，J．Z．Coletti，G．Marquesm．Velocityandhy—oniki．Greece．2003：409—416．draulicturbulenceOilaverticalfishway[c]∥Hydropower2006In-[27]S．Hermerl，M．Hegmeyer，BKohler．ExplainingflowstructureinternationalConferenee，2006：1056—1064．apool—typefishwayfishway[J]．InternationalJournalonHydro—[16]孙双科，邓明玉，李英勇．北京市上庄新闸竖缝式鱼道的水力设powerandDams，2006，13(4)：74—81．计研究[c]∥水电2006国际讨论会．2006。951—957．[28]L．Ceal，L．Pena，J．Puertas，eta1．Applicationofseveraldepth—[17]LTarrade，A．Tixier，L．David，M．Larinier．Topologiesandmeas—averagedturbulencemodelstosimulateflowinverticalslotfishwaysurementsofturbulentflowinverticalslotfishways[J]．Hydrobiolo-[J]．HydraulicEngineering，2007，133(2)：160—172．gia．2008．609：177～188．[29]L_J．Alvarez—Vazquez，A．Martinez，C．Rodriguez，etalOptimal[18]董志勇，冯玉平，AlanEwine．同侧竖缝式鱼道水力特征及放鱼试shapedesignforfishwaysinrivers[C]∥MathematicsandComputers验[J]．水力发电学报，2008，27(6)：121—125．inSimulation，[s．1．]：2007，(76)：218—222．[19]WangRW，D．Calluaud，G．Pineau，M．Larinier，A．Texier，D．Da—[3O]FujiharaMasayuki，AkimotoMai，humiMattashi．3Dflowsimula—vid．Studyofunsteadyflowinaverticalslotfishpass[c]∥33rdtionofanIce—HarborFishway[c]∥Proceedingsof16thIAHR—IAHRBiennialCongress：WaterEngineeringforaSustainableEnvi·APDCongressand3rdSymposiumofIAHR—ISHS，HohaiUniversi—ronment，Vancouver，Canada，2009．ty，Nanjing，China，2008：2241—2246．[2O]陆芳春，陆国鑫．感潮河口鱼道水力特性实验研究[J]．中国农村[31]徐体兵，孙双科．竖缝式鱼道水流结构的数值模拟[J]．水利学水利水电，2010，(2)：117—120．报，2009，40(11)：1386—1391．[21]WangRW，L．David，M．Larinier．2010．Contributionofexperi-[32]曹庆磊，杨文俊，陈辉．同侧竖缝式鱼道水力特征的数值模拟mentalfluidmechanicstothedesignofverticalslotfishpasses[c][J]．长江科学院院报，2010，27(10)：26—3O．∥KnowledgeandManagementofAquaticEcosystem，[s．1．]：396，[33]罗小凤，李嘉．竖缝式鱼道结构及水力特性研究[J]长江科学院02．院报，2010，27(10)：5O一54[22]刘志雄，刘东，周赤．异侧竖缝式鱼道水力特性研究[J]．人民长[34]张国强，孙双科．竖缝宽度对竖缝式鱼道水流结构的影响[J]．水江，201l，42(15)：66—68力发电学报，2012，31(1)：151—156．[23]吕海艳，徐威，叶茂鱼道水力学实验研究[J]．水电站设计，[35]郭坚，莴建良．以洋塘水闸鱼道为例浅议我国鱼道的有关问题2011，27(4)：102—109．[J]．水力发电，2010，4(4)：8一l】[24]郭维东，孙磊，高宇，等．同侧竖缝式鱼道水力特性研究[J]．水电能源科学，2012，30(3)：8l一83．(编辑：常汉生)Constructionandresearchprogressofecologicalfish—-wayofhydraulicstructureWANGBei，YANGWenjun，CHENHui(1．CollegeofWaterandConservancyHydropowerEngineering，HohaiUniversity，Nanjing210098，China；2．Chan~iangRiverScientificResearchInstitute，Wuhan430010，China)Abstract：Theconstructionofwaterconservancyprojectwillinevitablyinfluencethenaturalfeaturesofriversanddestroythesurvivalenvironmentoffish．Atpresent，thesituationofpayingattentiontowaterresourcesexploitation，butignoringfishprotec—tionisstillexistedinChina．Inordertopromotetheresearchandconstructionoffish—wayinChina，basedonthebuiltfishpro—tectionfacilities，theresearchsituationoffish—wayofwaterconservancyprojectinChinaisanalyzedandsummarizedfromtheaspectsoffishswimmingability，hydraulicmodeltest，numericalsimulationandpracticalmeasuring．Theexistedproblemsinfish—wayconstructionarediscussed．Onthebasisofanalysis，thedirectionoffuturefish—wayconstructionandresearchareputforward．Keywords：waterconservancyproject：fish—wayconstruction；modeltest；numericalsimulation；researchdirection'