許曉蓉，劉德富，汪紅波，王從鋒

(三峽大學水利與環(huán)境學院，湖北宜昌 443002)

水利工程在防洪、發(fā)電、航運、灌溉等方面取得巨大成就的同時，也造成了河流生態(tài)環(huán)境不同程度的破壞，其中修建的大壩等水利設施改變了魚類棲息地的環(huán)境(如水位、流量、水溫等)，阻礙了魚類的洄游通道，甚至導致某些溯河洄游魚類種群的滅絕［1］。又如跨河的路橋建設破壞了河流的流態(tài)，修建過水涵洞時，由于涵管內(nèi)壁粗糙度不夠，流速過大，也將阻礙魚類洄游。作為江河水體生物主體的魚類，其生態(tài)價值怎么高估都不過分，保護魚類的生物多樣性就是保護人類自己［2］。因此，在水利工程建設和路橋建設中，不僅要考慮工程經(jīng)濟效益，更要注重工程的生態(tài)環(huán)保效益，比如為滿足魚類繁殖棲息的要求而設置專門的過魚通道［3］。本文通過對國外涵洞式魚道發(fā)展過程的綜述，評述了其水力特性及其優(yōu)缺點，分析了涵洞式魚道設計要點，以期為相關研究提供參考。

1 魚道工程的由來與現(xiàn)狀

魚道是人工修建的供魚類等生物通過水閘、大壩等障礙物的人工水槽或水道。有關魚道最早的記載出現(xiàn)在300多年前的歐洲，直到100年前才有了近代的魚道設計。對魚道研究較多的國家主要有美國、加拿大和日本等。在上世紀50年代，McKinley等［4］設計了低隔板和交替隔板式涵洞魚道，但并不成功。2000年以后，在歐洲和新西蘭，研究者對涵洞魚道各種擾流擋板設計進行了開發(fā)和測試［5］，①KOPEINING T，BOUBéE J，RUTSCHMANN P.Numerical Study of Flow Through a Culvert-Investigation on Various Modifications Using a 3D Turbulent Navier-Stokes Code［C］.2007.。在日本，Muraoka等人把修改后的側(cè)擋板式的丹尼爾魚道運用到斜坡箱式涵洞中，并進行了相關實驗研究。在美國，Powers等人對大馬哈魚在不同直徑、不同坡度和速度下通過涵洞的游泳能力進行了研究［6］。2000年澳大利亞地方政府開始實施“從海洋到休姆大壩”魚道計劃，該計劃對15座大壩進行了過魚設施的設計、測試和評價［7］。1996—2001年，美國進行了一系列的實驗研究來論證魚道建設的必要性、方案設計的合理性，并為鰻魚的洄游設計了一條通道［8］。至20世紀晚期，國外已建魚道數(shù)量明顯上升，在北美有近400座，日本則有1 400余座。

國內(nèi)過魚設施的研究和建設主要在上世紀50年代末至80年代初。80年代在修建葛洲壩時，沒有修建過魚設施，而是采用增殖放流的措施來解決魚類的洄游問題。據(jù)XIN D等報道②XIN D，ZONGLIN D，MINGYAN C.Spawning Population Characteristics of Acipenser Sinensis in Yangtze River just Below Gezhouba Dam［C］.1991:235-242.，葛洲壩建造后，中華鱘的成熟個體在該河流中的比例波動于13.5% ～78.0%之間;自1981年截流以來，中華鱘種群保持了1∶1的性別比。因此，XIN D等人認為葛洲壩對該物種不是一個威脅。所以，在后面的幾年中，修建大壩時，并沒有考慮修建過魚設施，導致接下來十幾年里，魚道建設基本處于停滯狀態(tài)［9］。直到1980年建成的湖南洋塘魚道，其過魚效果良好，將我國具有集魚系統(tǒng)的過魚設施的設計、研究向前推進了一步［9］。但運行幾年后，由于受洪水影響和設備老化等原因，洋塘魚道從1987年至今一直停止運行［10］。2000年以后，我國又修建了一些生態(tài)魚道，如西藏獅泉河魚道［11］、珠江長灘樞紐魚道、北京上莊新閘生態(tài)魚道、湖北襄樊崔家營生態(tài)魚道、專供香魚等洄游魚類通行的“貴賓魚道”——浙江楠溪江魚道等。還有一部分正在建設中的湖北漢江興隆魚道和西藏藏木魚道等。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國在各類水利工程中已建魚道80余座［12］，近幾年來，由于對生態(tài)、環(huán)保的重視，魚道研究有所恢復，目前水利部正在積極組織有關部門編寫魚道規(guī)范。

魚道作為一種生態(tài)補償工程，是保護魚類資源的重要措施之一［13］。國內(nèi)外已建的魚道類型較多。按照結(jié)構形式，魚道可分為［9］:池式魚道、槽式魚道(簡單槽式和丹式尼爾)、特殊結(jié)構形式的魚道(通常為那些爬行、粘附、善于穿過草叢縫隙的魚類而設)、仿自然型魚道和涵洞式魚道等，此外還有一些其它類型的過魚設施，如魚閘、升魚機、能使魚類穿過大壩底部的潛水魚道等。而在跨河的路橋建設中，一般修建涵洞式魚道來解決魚類的洄游問題。

2 涵洞式魚道

在道路、高速公路和鐵路建設中經(jīng)常用到各種類型的涵洞，按類型分主要有混凝土涵洞、波形鋼管涵洞和木質(zhì)涵洞等，按橫截面形狀分主要有長方形涵洞、城門洞形涵洞、弧形涵洞和圓形涵洞等。實際工程中的涵洞的長度不一，從幾米到幾十米，有的甚至可達幾百米［14］。一般情況下，涵洞主要有3個作用:一是為公路基礎或鐵路基礎提供一個輸水通道;二是為魚類或其他某些動物提供穿過公路和鐵路的通道［15］;三是在某些水電大壩建設中可以合理布置節(jié)約場地，降低工程造價。有些涵洞作為過魚通道時，過魚效果不好，阻礙了魚類上溯，解決的方法主要有:①在涵洞內(nèi)制造回水，回水由一個或一系列有斜坡或出口的水池產(chǎn)生，可以消除水流的垂直下降，減小通過涵洞的水流速度，但應注意回水影響涵洞的深度不超過0.25 m;②由于涵洞內(nèi)水流流速大，進出口湍流多、流態(tài)復雜，涵洞內(nèi)部缺乏魚類休息區(qū)，可在涵洞內(nèi)安裝隔板，以減小流速，穩(wěn)定流態(tài)［14］。從上世紀80年代至今，國外已將涵洞式魚道廣泛應用于道路、鐵路、堤壩中輸水。據(jù)1999年華盛頓魚類野生動物部門統(tǒng)計，華盛頓州有超過2 000座有問題的涵洞阻礙了鮭魚的洄游，使華盛頓失去了3 000多英里的魚類棲息地［15］。所以合理地設計和安裝涵洞式魚道對保護魚類具有重要意義。

2.1 涵洞式魚道的隔板類型

涵洞式魚道的隔板有6種形式［16］:①偏移式隔板;②槽堰式隔板;③堰式隔板;④擾流式隔板;⑤阿爾伯達堰式隔板;⑥阿爾伯達式隔板。如圖1所示。此外，還有“EL”型隔板，“Quad”型隔板等。

圖1 涵洞式魚道的隔板類型Fig.1 Baffle types of culvert fishway

下面以偏移式隔板為例，分析隔板的結(jié)構及水流特性。偏移式隔板魚道最早是1956年由McKinley和Webb在箱式涵洞試驗中發(fā)展的，已經(jīng)證明了能夠有效地為魚類上溯提供良好的水流條件，而且沿著魚道邊界的呈螺旋形的水流能夠?qū)︳~道進行自身清潔［17］。1974年Engel在管式涵洞中采用了偏移式隔板，該涵洞式魚道是由一系列布置在涵洞底部的低隔板組成。在涵洞底部一邊布置與涵洞軸線成90°角的短隔板，在另一邊布置與涵洞軸線成30°角的長隔板。如圖2、圖3所示［18］。偏移式隔板型魚道的功能與豎縫式魚道相類似，在擋板間的豎縫處有最高流速，水在底部的擋板間形成環(huán)流。

圖2 University Creek上的索蘭德路偏移式隔板魚道Fig.2 University Creek Solander Road pipe culvert prototype offset baffle fishway

圖3 Engel在試驗中用到的偏移式隔板布置圖Fig.3 Layout of offset baffle used in Engel’s experiment

國內(nèi)涵洞式魚道在跨河路橋建設中，幾乎沒有應用到;但在水利工程中，只是局部地應用于其他形式的魚道中。如在北京上莊魚道中應用到了一段涵洞式魚道，其斷面為長方形;在漢江崔家營水電樞紐中，為了減少魚道的長度，而使魚道穿過了安裝間和左岸壩體，運用到了204.92 m長的涵洞式魚道，其斷面形狀為城門洞形。正在建設的漢江興隆水利樞紐工程中，參照崔家營魚道也采用了部分涵洞式魚道。目前，在我國的路橋建設中，基本上沒有考慮到魚類洄游問題，這是我國生態(tài)水利發(fā)展中存在的不足。

2.2 涵洞式魚道的水流特性

涵洞式魚道沿軸線方向可以分為A，B，C，D 4個水力特性不同的區(qū)域［18］，如圖4所示。A區(qū)是河道下游及護坦急坡區(qū)，因此該區(qū)水面坡降大，存在湍流，其中某些部分流速較大，在護坦末端可能會發(fā)生水躍。B區(qū)是涵洞出口和下游護坦區(qū)，該區(qū)水流從涵洞出口高速射向下游護坦，整個區(qū)域內(nèi)流速很大。若該區(qū)上下游水位差較大，可以布置其他形式的魚道使C區(qū)到A區(qū)平緩過渡。C區(qū)是整個涵洞內(nèi)部區(qū)域，該區(qū)湍流充分發(fā)展，流速很大。D區(qū)是涵洞進口和上游河道區(qū)域，流速很大，流量過大時容易將魚類逼回涵洞內(nèi)。

圖4 涵洞式魚道的水流特性Fig.4 Characteristics of flow in culvert fishway

2.3 涵洞式魚道優(yōu)缺點

涵洞式魚道主要優(yōu)點為建造方便，造價低;此外由于涵洞內(nèi)壁較光滑，直順，所以與自然河道相比，涵洞式魚道還有流速大、輸水快的特點。

這種魚道的主要缺點較為明顯:在涵洞進口、出口和隔板處的流速較大，而且水流過度紊亂，涵洞內(nèi)的平均流速比自然河道平均流速大;由于不具有自然河道的糙率和可變性，因此消能效果不顯著。在涵洞進口、出口及下游護坦區(qū)缺少低流速區(qū)或魚類休息地;涵洞出口處和下游護坦處的高流速可能導致下游河床和堤岸被侵蝕;涵洞內(nèi)的水深一般較淺，淺水是大型魚類上溯的一大障礙;一些借助視覺器官判定食物方位的魚類，進入涵洞后，由于光照不夠，其攝食功能將喪失［19］。例如在漢江崔家營魚道中，在涵洞內(nèi)部布置有用來誘魚的光纖照明設施。此外由于部分泥沙碎石和水草淤積容易造成涵洞內(nèi)水路堵塞，從而水質(zhì)或其他環(huán)境因子下降，并使排洪受到限制。鑒于以上缺點，我們可以采取一些措施，比如，在涵洞內(nèi)制造回水，減小涵洞內(nèi)的流速;在可能的情況下，在涵管的底部填充鵝卵石，使其接近自然河道的糙率;涵洞內(nèi)部按一定間隔為魚類提供休息區(qū)，特別是在上游進口處，魚類上溯后，要有足夠的休息區(qū);在涵管的下游出口處建一個的消力池等。涵洞式魚道一般適用于小溪或小河流，經(jīng)常與橋梁、高速公路和鐵路結(jié)合。

3 涵洞式魚道的設計

合理設計涵洞式魚道有助于保障魚道的正常運行。涵洞式魚道設計不合理或者位置選擇不當，水流長時間對河道的過度沖刷可能使涵洞末端垂向落差較大，魚類將難以到達涵洞出口。涵洞設計的坡度過陡時，涵洞內(nèi)水流流速過大、水深過淺都將影響魚類上溯。

3.1 收集資料

一般設計一個涵洞式魚道要收集以下信息:①河道的水文信息，比如流量、流速、水位、汛期、水溫和冰期等;②路橋建設信息，如地質(zhì)、地形、路網(wǎng)等;③過魚對象的生物學信息，包括魚種、魚類習性、魚類的游泳能力、洄游行為和洄游期等。在設計之前，為掌握河段水生生物多樣性現(xiàn)狀，應開展對工程及上下游河段水生生物調(diào)查與影響評價工作。魚類的游泳行為是魚道設計中必須考慮的重要因素之一，缺乏對魚類行為學研究的魚道設計往往是失敗的［20］。魚道設計中各個參數(shù)的優(yōu)化，取決于水力學變量與生物學變量的相互作用。而魚道類型，魚道入口流速，魚道內(nèi)流速控制，魚道出口位置選擇等基本設計，都應根據(jù)魚類游泳能力及行為確定。

3.2 魚道的選址

絕大部分涵洞式魚道是與路橋相結(jié)合的，所以涵洞式魚道的選址在很大程度上受到路橋工程的限制。涵洞式魚道的選址應該注意以下幾點:①盡量避免坡度較陡的河段;②應使涵洞盡可能短，涵洞軸線與河道軸線盡可能重合，其夾角不能超過30°;③要選在河床穩(wěn)定處。

3.3 選擇合適隔板類型

隔板改變了涵洞內(nèi)的水流流態(tài)，為魚類通過涵洞提供了休息場所和適當?shù)牧魉?。偏移式或交替式隔板被認為是最好的選擇，一般由木頭或混凝土制成。隔板安裝在涵洞基礎上較安全，在隔板之間的低流速區(qū)要能為上溯的魚類提供休息地。偏移式隔板一般用在水流很淺，流速非常大的涵洞中。偏移式隔板設計比較復雜，而其他的槽堰式隔板、堰式隔板設計相對要簡單一些。槽堰式隔板、堰式隔板與阿爾伯達堰式隔板的設計和非涵洞式魚道隔板設計基本相同。擾流式隔板和阿爾伯達魚式隔板利用錯開的墩來達到消能目的，其設計主要是確定墩的尺寸和錯開距離。對于圓截面的涵洞式魚道，設計的重要參數(shù)有隔板高度h與涵洞直徑D的比值和隔板間距L。當h/D在0.1～0.15之間時，隔板間距應該在一倍涵洞直徑D之內(nèi)［16］。

3.4 魚道水力計算

魚道的水力設計主要基于對目標魚種的游泳能力的研究。正確的涵洞式魚道設計必須同時考慮涵洞的尺寸、坡度、材料、水深和適合魚類游泳能力的水力縱斷面。魚道的水力計算主要包括以下內(nèi)容:

(1)涵洞的設計流量。涵洞式魚道水力設計準則必須滿足目標魚種在過魚季節(jié)90%的時間內(nèi)都能通過［21］，還要滿足排洪要求。對于大洪水流量的涵洞式魚道我們要進行如下分析:流量測定、連續(xù)水流模擬模型、當?shù)鼗貧w模型分析和區(qū)域回歸模型分析。對于低洪水流量的涵洞式魚道設計，必須滿足涵洞的最小水深要求。

(2)涵洞內(nèi)的速度和水深。我國以魚類體長來確定設計流速的方法在初選是可行的，然后進行魚道寬度、長度、水深、池室數(shù)目等參數(shù)以及斷面的選擇。涵洞內(nèi)的水深一般較淺，當淺水不足以讓魚類特別是大型魚種順暢地游泳時，淺水就是魚類運動的障礙。如果魚類嘗試通過太淺的水，尤其是高速水流條件時，魚類將會受傷。對于中小型魚種，涵洞內(nèi)的最小水深不得低于0.2 ～0.3 m［18］。根據(jù)曼寧糙率系數(shù)和BATES K，BARNARD B，HEINER B等人提出的涵洞內(nèi)速度和水深計算方法，可按如下公式計算［21］:

式中:Q為涵洞的流量;A為橫截面面積;S為涵洞的坡度;Rh為水力半徑;V為涵洞的平均流速;n為涵洞的粗糙度。

(3)按如下公式進行隔板的水力計算，

式中:Q為流量;C為隔板布置系數(shù);y0為水深，D為涵洞的直徑;a為基于涵洞布置的指數(shù);g為重力加速度;S0為涵洞的坡度。

一般情況下，涵洞魚道的設計必須同時滿足魚類通道標準和排水的水流容量要求。此外，在涵洞式魚道結(jié)構設計中應考慮河道的輸沙能力。而不只是以魚類通道為重點，更要考慮為整個生態(tài)系統(tǒng)提供自然生態(tài)功能［15］。

4 展望

目前，我國涵洞魚道較少，我們可以借鑒國外涵洞魚道的成功案例，運用到合適的工程建設中來。在路橋建設中，我們要注意魚類的洄游問題，恢復河流生物多樣性，使現(xiàn)代路橋工程建設與環(huán)境和生態(tài)相和諧。同時，在水利建設與水電開發(fā)時，要注意到水利工程的建設與水生生物保護之間的矛盾，而魚道建設不失為一種緩解或解決這一問題的工程措施［8］。

4.1 利用現(xiàn)代化技術手段進行輔助設計

FishXing是用來幫助工程師、水文學家和生物學家來評價和設計涵洞式魚道的一款交互式軟件，它集成了涵洞設計和魚道評估。FishXing模型可以適應涵洞復雜的水力特性和魚類行為的多樣性。通過漸變流方程計算出各種涵洞的水面線的形狀、速度和目標魚種游泳能力的跳躍條件。主要的輸入信息包括涵洞位置信息、涵洞信息(包括尺寸、安裝信息)、魚類信息(包括魚類尺寸、游泳能力信息)、魚道水流信息(最大流量、最小流量和設計流量)。主要的輸出信息包括流速、水深和進出口條件的各種圖表，以及魚類通過每個涵洞式魚道的限制因素等。FishXing軟件將為我們合理地設計涵洞式魚道提供大量幫助。2001年，加利福尼亞交通和漁政部門利用FishXing設計，改建了Little French Creek魚道，新的魚道采用了池堰式設計，并增加了整體的坡度。利用可移動的木隔板，以方便清除魚道內(nèi)積累的碎屑。Little French Creek魚道主要是提供成年鮭魚的洄游需要，其過魚效果良好。

4.2 合理的規(guī)劃與建設

在今后建設水利工程與跨河的路橋工程中，優(yōu)先要考慮把魚道的建設納入規(guī)劃中。在修建前做好充分的準備工作，如地形、氣候、水文狀況、生物組成、分析洄游魚類、了解魚類特性的變化等。對于已建的工程，我們要跟蹤調(diào)查，對過魚量進行觀測，總結(jié)出所建工程的優(yōu)缺點、運行中存在的問題等，為以后的工程提供參考意見。

4.3 模型論證

國內(nèi)外已經(jīng)有研究者在魚道的數(shù)值模型和物理模型試驗方面做過相關的研究，因為魚道中的水流特性較復雜，特別是隔板處的流速，隔板間的流態(tài)以及隔板孔口的寬度和隔板的間距、魚道底坡設計等都需要經(jīng)過模型實驗。物理模型是魚道建設的基礎，一個成功的魚道與模型的驗證有著直接關系。通過模型的驗證可以幫助深入了解魚道結(jié)構設計及相應的水流特性與魚類通過率之間的關系，從而建立三者之間的函數(shù)關系，為將來優(yōu)化已有的魚道或者建立全新的高通過率魚道提供科學依據(jù)。

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