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任 苇,焦 健 (中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065) 摘 要：分析了鱼道与水闸等泄水建筑物水力设计方法差异，并论证了隔板竖缝式鱼道流量计算公式的合理性，分析了隔板竖缝式、丹尼尔式鱼道的水力特性，认为各种形式的鱼道设计均从能量方程的不同角度出发，采取不同措施，改变其边界参数，达到适应鱼类特性、节约工程量为目的，如竖缝式、丹尼尔式鱼道通过平面设置隔板的形式，溢流堰式和潜孔式则通过竖向抬升水面，形成堰流的方法，均在很短的距离内增大局部水头损失，而仿自然通道一般糙率较大，沿程损失较大，辅以局部束窄的措施，达到经济、适用的目的。 关键词：鱼道;水力特性;差异;丹尼尔式;竖缝式 0 前 言水利水电工程挡水建筑物的修建，阻断了原河流的连续性，改变了河流固有的自然特性，对闸坝上下游的水环境与水生态环境条件产生比较大的影响。一般而言，隔流闸坝修建后，鱼类栖息地环境因素(如水位、流量、水温等)将会出现变化，会对鱼类活动产生重要影响，往往需要建造过鱼设施或采取其它补救措施[1]。目前，对于拦河闸和水头较低的大坝，修建鱼道、鱼闸等永久性的过鱼建筑物已经成为趋势。水电水利行业相继出台了《水电工程过鱼设施设计规范》、《水利水电工程鱼道设计导则》对过鱼建筑物设计进行规范。 欧洲早在300多年前就开始修建鱼道，1662年法国贝阿尔恩省颁布相关法规要求在堰坝上建造过鱼通道[2]。中国鱼道的建设和研究主要开始于20世纪50年代末，1958年富春江七里垄水电站规划设计时，开展了生态环境调查和水工模型科学试验，1960年黑龙江兴凯湖附近首次建成了新开流鱼道，1966年建成江苏大丰斗龙港鱼道[3]，1980年建成的湖南衡东洋塘水闸鱼道较具代表性，在鱼道建设、模型试验、运行观测及过鱼效果等方面进行了较系统的探索实践[4]。这些已建的鱼道大多布置在沿海沿江平原地区，水位上下游变幅一般在10 m左右，底坡较缓。 鱼道一般由进口、槽身、出口和诱鱼补水系统组成。进口多布置在水流平稳，且有一定水深的岸边或尾水出口附近。常用的槽身横断面为矩形，用隔板将水槽上、下游的水位差分成若干个小的梯级，板上设有过鱼孔，利用水垫、沿程摩阻、水流对冲或扩散来消除多余能量，减缓流速[5]。由于孔形不同，鱼道又可分为丹尼尔式、竖缝式、溢流堰式和潜孔式等[6],见图1。  图1 技术性鱼道结构形式图 技术性鱼道与一般泄水建筑物相比，二者水力学设计目的有着本质的区别，一般泄水建筑物通过下泄不同频率洪水，确保工程运行安全，而鱼道水力设计则以满足鱼类生存基本条件为原则，因此，二者在设计上存在较大差异。然而，在实现手段上，鱼道通过下泄水流，形成适于鱼类环境的水流条件，均存在水力学满足问题，二者在水力学上的异同是本文研究的重点。 1 技术性鱼道与水闸等建筑物水力设计差异概述与一般泄水建筑物一样，鱼道水力设计目的在于确定鱼道的布置及体形尺寸。而鱼道修建的目的在于适应鱼类特性，所以要尽量体现“以鱼为本”的理念，经过对比分析，除上述设计目的不同外，鱼道与水闸等建筑物水力设计差异可以表现在以下几个方面： (1) 水力计算的思路不同 一般水闸等泄水建筑物水力设计的思路是以最合理的泄流规模使各级洪水安全下泄，因此，其基础资料一般为校核、设计以及其他频率的洪峰流量，计算建筑物尺寸、水面线、流速分布，是流量—流速的过程。而鱼道则不同，首先应进行鱼类游泳能力试验，分析鱼类的临界流速、水深等参数，进一步根据水力学计算分析，确定满足这些参数的布置及体形参数以及流量范围，是流速—流量的过程(见图2)。  图2 技术性鱼道与水闸等建筑物水力设计路线示意图 (2) 控制断面位置不同 为适应鱼类特性需要，鱼道全段控制流速、水深均较小，其进出口段尺寸大于过流流量需要，对于丹尼尔式、竖缝式、溢流堰式和潜孔式，其流量控制断面均位于各隔板束流处。而一般泄水建筑物控制断面均在进、出口位置。 (3) 进出口选择的原则不同 鱼类的下行通道通常可沿溢洪道、厂房通过，因此中国鱼道设计常见为上行鱼道，为鱼类到上游产卵、栖息提供便利，鱼道进、出口相应为水流出、进口。 与一般泄水建筑物需考虑来流、出流条件、地形地质条件制约较大等不同，鱼道进口选择尽量体现“以鱼为本”，由于流量、流速小，受地形、地质条件制约较少，主要考虑因素包括：水流感应、上溯最前沿原则、水流平稳原则等；出口则一般考虑远离溢洪道、厂房进水口等泄水、取水建筑物，以防进入水库的鱼被水流带回下游，流向要明确、没有漩涡，以便鱼类能沿着水流和岸边线顺利上溯[7]。 2 隔板竖缝式、丹尼尔式鱼道流量计算公式的理解(1) 隔板竖缝式 竖缝式鱼道是池式鱼道中一种应用比较广泛、过鱼效率较高的布置形式。最早的竖缝式鱼道是位于加拿大弗雷塞(Fraser)河上的鬼门峡(Hellt Gate)[8]，加拿大阿尔伯特(Albert)大学的Nallamuthu Rajamtnam曾对7种设计形式的竖缝式鱼道进行流场分析，得到鱼道的尾水深度对鱼道内水流流态的影响[9]；中国老龙口、三湾水利枢纽，以及长洲、西藏狮泉河鱼道也都采用竖缝式鱼道设计[10]，水利水电科学研究院的徐体兵和孙双科研究了鱼道池的长宽比及墩头长短对鱼道内的流态影响[11]。 《水电工程过鱼设施设计规范》中，提出了竖缝式鱼道流量计算的公式，该公式按照1条竖缝的过流能力进行计算，笔者试图建立单个池室上下断面的能量方程[12]，对该公式进行分析探讨，则有：  (1) 式中:Δh1、Δh2分别代表相邻鱼池沿程、局部水头损失；C为谢才系数；ζ为1条竖缝的局损系数；A、R、V分别为过水面积、水力半径、平均流速。 表1 不同流量、水深、底宽竖缝式鱼道水头损失计算表  Q/(m3·s-1)H/mnB/mΔh1/mΔh2/mDh/mΔh1/Dh/%0．510．020．420．000110．020．0150．690．51．250．020．330．000090．020．0150．620．51．50．020．280．000090．020．0150．5511．50．020．560．000130．020．0150．8711．750．020．480．000120．020．0150．80120．020．420．000110．020．0150．741．520．020．630．000150．020．0150．971．52．250．020．560．000140．020．0150．911．52．50．020．500．000130．020．0150．85 表1列出了不同流量、水深、缝宽情况下，流速为1.2 m/s、糙率为0.02、池室长3 m、局损系数取0.8时沿程、局部、总水头损失，以及沿程占总水头损失的比率。 可以看出，沿程水头损失仅占总水头不足1%，基本可以忽略。通过对其他流速、单个池室长度、糙率变化进行计算后发现，沿程水头损失均在1%左右，因此有：  (2) 式(2)与规范公式一致，可以看出，规范推荐公式中没有考虑沿程水头损失的影响，按照1条竖缝过流能力计算的方法是合理的。 从另外一个角度考察式(2)，可以发现，如果不设置隔板，没有局部水头损失，全部按照沿程损失适应水头差，由于上下游水位差是固定的，则需要的鱼道长度将成百倍增加。 (2) 丹尼尔式鱼道 丹尼尔式鱼道的不同在于，利用三角形断面水力半径较矩形断面小的特点，不用设置竖缝，使鱼道水面宽度显著增大，因此，较好适应了喜好在水面附近洄游的鱼类特性。 假定丹尼尔式鱼道三角形夹角为直角，且水深未超过三角形顶部时，由于公式(1)同样适应，按表2列出了不同流量、水深、缝宽情况下，流速分别为0.8、1、1.2 m/s、糙率为0.02、池室长3 m时沿程、局部、总水头损失，以及沿程占总水头损失的比率。 可以看出，沿程水头损失占总水头在1%左右，基本可以忽略。式(2)同样适用。 表2 不同流量、水深、底宽丹尼尔式鱼道水头损失计算表  Q/(m3·s-1)流速/(m·s-1)H/mnΔh1/mΔh2/mDh/mΔh1/Dh/%0．50．80．790．020．000100．0100．0100．990．510．710．020．000140．0150．0150．920．51．20．650．020．000190．0220．0220．8610．81．120．020．000130．0100．0101．29111．000．020．000180．0150．0151．1811．20．910．020．000250．0220．0221．111．50．81．370．020．000150．0100．0101．491．511．220．020．000210．0150．0161．381．51．21．120．020．000290．0220．0221．29 3 结 语按照一般明渠均匀流要求满足鱼类对沿程流速、水深的要求，不考虑局部水头损失时，其需要的鱼道长度将成百倍增加。为此技术性鱼道从能量方程的不同角度出发，采取了各种措施，改变边界参数，增大局部水头损失。如竖缝式、丹尼尔式鱼道采用设置隔板的形式，溢流堰式和潜孔式则通过竖向抬升水面，形成堰流的方法，而仿自然通道一般糙率较大，沿程损失较大，辅以局部束窄的措施，以上思路均有助于设计不同类型鱼道时开拓思路。 参考文献： [1] 刘志雄,周赤,黄明海.鱼道应用现状和研究进展[J].长江科学院院报，2010,27(04)：28-32. [2] 王兴勇,郭军.国内外鱼道研究与建设[J].中国水利水电科学研究院学报,2005,3(03)：222-228. [3] 南京水利科学研究所.鱼道[M].北京：电力工业出版社，1982. [4] 林钦豪.略谈洋塘鱼道的设计和运行情况[J].衡地科技，1981(01)：1-9. [5] 郭坚,芮建良.以洋塘水闸鱼道为例浅议我国鱼道的有关问题[J].水力发电，2010，36(04)：8-10. [6] 闫滨,王铁良.刘桐渤.鱼道水力特性研究进展[J].长江科学院院报，2013，30(06)：35-40. [7] 中国水电工程顾问集团公司.水电工程过鱼设施设计规范：NB/T35054-2015[M].北京：中国电力出版社，2015. [8] 董志勇,冯玉平,ERVINE A.异侧呸缝式鱼道水力特性及放鱼实验研究[J].水力发电学报，2008，27(06)：126-130. [9] RAJARATNAM N.Van der VINNE G，KATOPODIS C．Hydraulics of vertical slot fishways [J].HydrauhcEngineering，1986，112(10)：909-207. [10] 罗小凤,李嘉. 竖缝式鱼道结构及水力特性研究[J].长江科学院院报,2010，27(10)，50-52. [11] 徐体兵,孙双科.竖缝式鱼道水流结构的数值模拟[J].水利学报,2009，40(11)：1386-1391. [12] 许荫椿,胡德保，薛朝阳.水力学[M].3版.北京：科学出版社,1992：439. 文章编号：1006—2610(2017)02—0077—04 Study on Design Difference of Fishway and General Outlet Structure REN Wei, JIAO Jian (Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China) Abstract：The hydraulic design difference between fishway and outlet structure such as gate is analyzed as well as rationality of the calculation formula for discharge from the diaphragm vertical slot fishway is demonstrated. The hydraulic characteristics of the diaphragm vertical slot fishay and the Denil fishway are studied. It concludes that design of various fishways are performed from different views of energy equation. Different facilities are taken to change its boundary parameters for satisfying fish habits and minimizing work quantity. The vertical slot and Denil fishways, for example, create the weir flow by provision of the plane diaphragm, accordingly increasing local head loss in a very short distance. Similarly, the overflow weir fishway and submerged outlet fishway operate the same but by raising water surface. But the simulated natural channel is with higher roughness and the linear loss is higher, too. With provision of the local narrowing facilities, the economic and applicable purposes are realized. Key words：fishway; hydraulic characteristic; difference; Denil type; vertical slot type 文章编号：1006—2610(2017)02—0074—03 收稿日期：2017-03-09 作者简介：任苇(1974- )，男，陕西省礼泉县人，高级工程师，从事水利水电设计工作. 中图分类号：TV143.5 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1006-2610.2017.02.019 |
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