郑铁刚，孙双科，柳海涛，姜 涵，李广宁



基于鱼类行为学与水力学的水电站鱼道进口位置选择

郑铁刚，孙双科，柳海涛，姜 涵，李广宁

（中国水利水电科学研究院流域水循环模拟及调控国家重点实验室，北京100038）

鱼道进口位置选择属于鱼类行为学与水力学交叉研究范畴，设置的合适与否直接影响鱼道工程的过鱼效果。根据过鱼对象的游泳能力和生活习性，提出了将下游河道内区域划分为鱼道进口优选区域、鱼道进口备选区域及鱼道进口禁布区域的方法和思路。以某大型水电工程为例，在鱼类行为学基础上，通过对水电站下游流速和流场等水力特性进行分析，结果表明：左岸存在低流速带，鱼类可顺利上溯至尾水渠附近，为鱼道进口主要布置区域；综合生物学指标和水力学指标，利用回流屏障建议将鱼道进口布置于桩号0+200～0+210 m范围内；考虑到部分上溯性较强的鱼类，建议在电站发电机组上方布置备用进口。该研究可为水电工程鱼道进口位置选择提供参考。

水力学；流场；流速；水电工程；鱼道进口；数值模拟；游泳能力

0 引 言

鱼道是帮助鱼类顺利通过闸坝等障碍物的专用设施，在维系河流连续性与生物种群交流方面具有不可替代的作用[1-3]。鱼道建筑物的成功与否是河流生态系统健康的评价指标之一，也是水利水电工程环境影响评价中生态环境保护的重要评价指标[4]。鱼道最早出现于17世纪的欧洲，并于20世纪在国内外得到迅速发展，并取得了一定的过鱼效果[5-6]。从水利工程建设角度看，鱼道首先是众多水工建筑物中的一类，鱼道水力学是鱼道水力设计首先需要研究的关键技术问题。文献检索表明，国内外针对鱼道进行了大量的室内试验研究与数值模拟计算研究，通过这些研究，优化了鱼道内部的水流流态与结构布置尺寸，规范了鱼道设计方法，对于旧式鱼道的改建与新型高效鱼道的建设起到了关键的技术指导作用。Rajaratnam等[7-8]系统开展了竖缝式鱼道的水力特性模型试验研究，对4种不同比尺的竖缝式鱼道模型在不同结构形式的池室进行了水流流态分析；随后，Liu等[9]和Wu等[10]测量了竖缝式鱼道内的流速分布与紊动特性等水力指标；董志勇等[11-12]研究了同侧和异侧竖缝式鱼道的水力特性，并进行了过鱼试验研究；随着计算机模拟技术的发展，徐体兵、张国强、边永欢等[13-15]分别通过数值模拟方法进一步优化了竖缝式鱼道结构。除关于竖缝式鱼道研究外，Yagci[16]和Ead[17]等则分别对池堰式鱼道的水力特性进行了试验及理论研究；孙双科等[18]对近自然鱼道的设计方法和设计理念等进行了分析阐述。

无论前人对何种鱼道何种结构进行研究，其最终目的均为实现目标鱼类顺利完成洄游。为了使鱼道更加有效，必须使目标鱼类可以尽可能没有洄游延误的条件下发现鱼道进口，即鱼道进口位置选择的优劣直接决定整个鱼道的过鱼效果[19]。国外一些专家学者，如Clay、Bunt等[20-21]对鱼道进口设计及位置选择进行了阐述，建议将鱼道进口设置于溢洪道附近，通过溢洪道水流进行诱鱼。然而国内鱼类生活习性与国外鱼类资源不同，其克流流速较小，因此文献指出的设计思路不能完全适用于国内鱼类。而国内文献关于鱼道水力学研究以鱼道水力结构设计及优化居多，或仅有少量文字叙述鱼道进口选择原则，如：汪亚超等[22]对鱼道进口布置原则进行了阐述；汤荆燕等[23]开展了不同流态对鱼道进口诱鱼效果影响的试验研究，针对鱼道工程进出口具体布置方法及思路则是鲜有报道。

综合国内鱼道资料来看，目前国内鱼道大部分运行效果不理想，尚需进一步开展基础研究和应用实践的改进，而鱼道进口位置的选择合适与否则更是直接影响鱼道运行的成败[24-25]。成功过鱼设施的设计需要生物学和水力学的紧密结合，因此，本文以鱼类行为学和水力学为基础，结合鱼道设计理论，以某大型水利工程为例，详尽阐述鱼道进口位置的选择思路及方法，从而为其他工程鱼道布置提供参考。

1 工程概况

某大型水电站位于西南山区雅鲁藏布江，总装机容量360 MW，多年平均发电量16亿 kWh，最大坝高87.00 m，上下游水位最大落差42 m，主要建筑物由挡水建筑物（混凝土重力坝）、泄水建筑物（溢流表孔和冲砂底孔）、消能防冲建筑物、引水发电厂房建筑物等组成。该电站共有3台发电机组，单机发电流量为403.0 m3/s。为了更好地保护好江段水生生态环境的完整性，减缓大坝阻隔对鱼类种群遗传交流的影响，根据国家有关法律法规的规定，电站拟修建过鱼设施以保护库区水生生态系统。鱼道作为该工程主要过鱼设施之一进行了专门技术研究。

西南地区具有复杂的地理条件和气候差异，从而造就了多样的水生生境和复杂的鱼类区系。前人多年对雅鲁藏布江鱼类资源调查得知，江内共分布25种鱼类，主要由裂腹鱼亚科、条鳅亚科及鮡科3 个类群组成，其中拉萨裸裂尻鱼、双须叶须鱼、异齿裂腹鱼、拉萨裂腹鱼、巨须裂腹鱼等构成鱼类产量的90%以上[26]。根据流域鱼类资源以及其生物学、生态学特点，江内鱼类可分为4类：第1类是异齿裂腹鱼、巨须裂腹鱼和拉萨裂腹鱼等，它们具有一定的短距离生殖洄游习性，在繁殖季节对流水生境具有一定的趋向性，并且资源量较大，占调查统计鱼类的82%，受工程阻隔影响最大，应作为主要过鱼对象；第2类为尖裸鲤，资源量较低，但为自治区一级保护动物，从促进交流和物种保护的角度而言，将其作为兼顾过鱼种类；第3类为双须叶须鱼和拉萨裸裂尻鱼，它们属定居性种类，且资源量较大，受水电站影响较小，但为兼顾其坝上坝下基因交流将其列为兼顾过鱼对象，可以随机通过。第4类，如黑斑原鮡和黄斑褶鮡，它们资源量较少，从促进交流和物种保护的角度将其列入兼顾过鱼对象。

过鱼对象的生物学指标和水动力指标是鱼道进口位置选择中必须考虑的重要因素，缺乏鱼类行为学研究的鱼道设计往往是失败的[27]。基于文献资料调查结果[28-29]，异齿裂腹鱼、巨须裂腹鱼和拉萨裂腹鱼等适应急流冷水环境，喜栖息于河流入口交汇，水深一般在1 m左右，主要洄游繁殖季节为每年的3―6月；巨须裂腹鱼的最小性成熟体长为25.3 cm，异齿裂腹鱼的最小性成熟体长为24.5 cm，拉萨裂腹鱼的最小性成熟体长为26.2 cm。

2 研究方法

鱼道进口一般布置在经常有水流下泄、鱼类洄游路线以及鱼类经常聚集的区域，并尽可能靠近鱼类能上溯到达的最前沿即阻碍鱼类上溯的障碍物附近[22]。鉴于下游流场复杂，通过物理模型试验难以捕捉详尽的流场结构，且耗时费力，因此本文采用数值模拟方法对电站下游河道进行数值模拟，分析流速、流场结构等水力特性，以选择适宜区域布置鱼道进口。

2.1 数学模型

对于复杂的紊流场研究，在一定程度上依赖于准确的数值模拟结果。根据流体力学理论，满足连续介质假设的流体运动可以用Navier-Stokes方程准确计算。厂房上下游水体内紊动剧烈，并伴有旋涡和回流，下游地形复杂，水流具有较强的各向异性。RNG-模型中，通过修正紊动黏度，能够很好地模拟强旋流或带有弯曲壁面的流动[30]。因此，本文将基于FLUENT软件平台，结合UDF技术，采用Reynolds时均N-S方程和RNG-紊流计算模型，对水电站下游流场进行三维精细模拟。

2.2 计算区域及边界条件

本项研究中，计算区域包括厂房尾水出口、尾水渠、海漫和下游河道，全长约1.0 km，如图1所示。图中人工建筑物及河道天然地形建模采用原型数据资料，坐标与坝轴线垂直，坐标与坝轴线平行，坐标代表高程。定义尾水管末端断面即尾水渠首部断面为=0断面，尾水渠右边墙为=0断面，方向以尾水管末端底板为0断面，见图1。

计算中上游采用速度进口边界条件，以保证恒定的入流流量。出口假设为充分发展的紊流，且各变量均取零梯度条件，从而消除下游对上游水流的影响。水电站在同一水位下，由于下游水位波动较小，为提高计算效率，故本文选取刚盖假定模拟自由水面。固壁边界规定为无滑移边界条件，采用标准壁函数作为近壁区与充分发展紊流区之间的桥梁。

2.3 计算网格划分

水电站下游由于河道地形复杂，计算过程中综合考虑计算效率，网格采用混合网格，包括结构化网格和非结构化网格两种类型。考虑到结构网格的优越性，在网格划分过程中优先采用结构化网格。

由于厂房出口水流流速较大，尾水渠内紊动剧烈，该区域为重点关注区域，因此该区域采用收敛性较好的结构网格划分，方向和方向节点间距为1.0～2.0 m，方向节点间距为0.5～1.0 m。下游河道内，受边坡开挖等影响，较难形成结构化网格，且下游流速较低，紊动较弱，因此下游网格以非结构化网格为主，方向和方向节点间距为3～5 m，方向节点间距为1～2 m，计算区域内网格单元总数100多万个。局部计算网格划分如图2所示。

3 结果与分析

3.1 计算模型准确性分析

基于FLUENT平台对三维流场的模拟已较为成熟，并在多篇文献资料中有诸多应用[31-33]。为论证计算模型的可靠性，本文采用西藏尼洋河多布水电站工程下游河道桩号0+300.0 m断面流速进行数值模型验证[34]。多布水电站与本文研究依托工程类似，主要开发任务均以发电为主，由挡水建筑物、泄水消能建筑物、引水发电系统等组成，其中发电厂房均为河床式厂房。引水发电厂房下游布置型式相近，均接尾水渠，尾水渠与消力池由隔墙隔开，发电厂房尾水在尾水渠内经反坡段进入下游河道。多布水电站工程水工模型比尺为1:40，模拟范围包括上游库区（长约600 m）、引水发电系统与尾水渠、放水闸、与部分下游河道（长约1 000 m）。水工模型中模拟了1～4台发电机组分别组合运行工况，对应的下游水位分别为3054.40～3056.28 m。本文分别选取1#+2#和1#+2#+3#两组机组运行工况试验结果对数学模型进行论证，数学模型与本文采用的模型一致。

图3为两组工况下典型断面实测与计算流速对比情况，结果表明，下游实测断面流速与模拟断面流速变化趋势基本一致，除个别点外，监测点流速偏差不大，二者平均相对误差为4.28%，小于15%，在允许范围之内[35]。由此说明，本文采用的计算方法准确，计算模型可靠，可以较好地模拟下游河道三维流场结果，计算结果可信。

3.2 河道下游流场分析

研究文献[36]指出，鱼道进口处应保持有1～1.5 m的水深，而通常情况下鱼道内设计水深为2 m，也就是说，鱼道底板高程位于水下0.5～1.0 m处，因此本文主要选取水下1.0 m位置平面流场为研究分析对象，纵剖面图则选取左侧工作机组中轴线断面为代表断面，这是考虑到水电站右岸地形受限，鱼道方案初步设计为左岸鱼道布置方案。图示结果中颜色及标示数值代表、、方向矢量流速合成值大小。通常情况下，随着发电机组运行数量的不同，下游水位不同，进而上下游产生的水位落差不同，因此通常需要设计多个鱼道进口来满足上下游水位落差需要。受篇幅限制，本文仅选取3台机组全部发电运行工况进行示例分析，即研究该水位落差条件下鱼道进口布置方案。

图4a为3台机组全部开启工况下尾水渠及下游平面流场情况。计算结果表明，3台机组全部开启时，尾水渠内表层流速以负向流速为主，且最大回流流速达到1.5 m/s。1∶4反坡末端流速为2.3～2.5 m/s，右侧区域流速略大于左侧区域流速。水流出渠后，左岸附近流速约为1.5 m/s，桩号0+650.0 m下游断面平均流速约为1.8 m/s，左岸岸边流速为0.9 m/s左右。图4b为3台机组运行工况下，左侧机组中轴断面尾水渠纵剖面图流场情况。计算结果表明，3台机组全部运行时，受剪切作用，机组上方形成回流，表面为负向流速，尾水渠末端为正向流速。

综上所述，水电站发电机组运行时，尾水渠内流态较为复杂，存在不同程度的竖向环流或横向回流；尾水渠下游左岸附近最大流速为1.5 m/s，最小流速为0.8 m/s；受天然地形条件影响，桩号0+550.0 m下游河道内流速值较大，断面平均流速最大可达1.8 m/s，最小为1.0 m/s左右，但左岸岸边流速相对较小，为0.3～0.9 m/s。

3.3 鱼道进口位置分析

水生生物对水流的察觉对它们在河流中辨别方向起着决定性作用，文献[28]中通过对西藏典型裂腹鱼（体长约200～500 mm）游泳能力进行试验研究指出，主要过鱼对象游泳能力较为相似，可感知到与主流差为0.04～0.13 m/s的流速，临界流速约为0.77～1.29 m/s，突进流速约为0.89～1.59 m/s。由此可知，主要过鱼对象临界速度为0.77～1.29 m/s，即鱼道进口出水流速，而过鱼对象能够感知与主流差为0.04～0.13 m/s的流速，也就是说，当河道内流速不高于1.2 m/s时，鱼类可以通过水流感知到鱼道进口，同时文献[37]中通过现场调研指出裂腹鱼对平均流速的需求主要集中于0.4～1.2 m/s，由此可知小于1.2 m/s流速值的区域均适宜布置鱼道进口。

0.4～0.8 m/s流速带在鱼类喜好流速范围内，该区域内水流流速与鱼道进口出流流速能够形成明显吸引流，在过鱼对象正驱流性反应下，鱼类将聚集于此较容易察觉到鱼道进口，因此该区域作为鱼道进口布置优选区域。然而受河道地形影响，下游河道流态复杂，若仅限于寻找河道内限定区域布置进口，则后期施工难度较大，受地形限制可能无法完成布置。为此，本研究将0～0.4和0.8～1.2 m/s流速带作为鱼道进口备选布置区域，从而为后期鱼道进口位置具体选址和施工条件提供便利。0.8～1.2 m/s流速带虽同样在过鱼对象喜好流速范围内，但该区域内布置鱼道进口时，由过鱼对象可感知流速差可知鱼道进口出流未能形成明显吸引流，诱鱼效果稍差，该区域内布置鱼道进口时，需要采用一定的补水措施提高鱼道进口出水流速，进而满足过鱼对象的感知流速，因此该区域仅可作为鱼道进口备选区域I。0～0.4 m/s流速区域内水流流速较低，该流速带非过鱼对象喜好流速，但由于鱼道进口出流可以在该区域内形成明显吸引流，因此将该区域作为鱼道备选区域II。1.2～1.5 m/s流速带内流速大于过鱼对象的临界流速，鱼类难以在此聚集，过鱼效率较低，若前述优选和备选区域受条件均无法布置鱼道进口，则该区域内布置鱼道进口需结合声学、光学等其他诱鱼设施辅助，因此将该区域作为鱼道备选区域III。大于1.5 m/s流速带内流速高于过鱼对象的突进流速，该区域内禁止布置鱼道进口。鉴于此，本研究将下游河道内流速分为5个流速带，分别为0～0.4、>0.4～0.8、>0.8～1.2、>1.2～1.5及>1.5 m/s，5个流速带的含义分别为：鱼道进口备选区域II、鱼道进口优选区域、鱼道进口备选区域I、鱼道进口备选区域III及鱼道进口禁布区域。

a. 尾水渠及下游河道表层流场

a. Flow field near tailrace and downstream

b. 尾水渠附近纵剖面流场

b. Flow field at longitudinal section near tailrace

图4尾水渠下游河道表层流场及附近纵剖面流场

Fig.4 Flow field in downstream and longitudinal section near tailrace

图5为发电机组满发工况下尾水渠附近及下游河道流速区域划分情况。图示桩号0+550.0 m下游为天然河道段，计算结果表明，3台机组运行时，河道内为高流速带，平均流速大于1.5 m/s，洄游鱼类无法由河道中央上溯。但数据分析表明，受天然地形影响，河道左岸存在低流速带，因此鱼类可以穿过下游窄深河道沿岸边自由上溯至尾水渠下游附近，故本文以尾水渠附近流态特性为主要研究对象，拟将鱼道进口位置调整至尾水渠附近，且鱼道进口应布置在岸边，与主要流向平行，以便鱼类不改变方向就能游入。同时，鱼道的入口不应离障碍物下游太远，以防止洄游鱼类找到鱼道进口困难，降低过鱼效率。研究过鱼对象的突进流速最大达到1.5 m/s左右，可以短时间内穿过高流速区上溯至障碍物附近，因此河道内流速大于1.5 m/s区域为过鱼对象洄游路线的屏障，鱼类无法通过。同时，根据鱼类洄游习性，漩涡、水跃和回流等均有可能将洄游鱼类困住，从而导致无法寻找到鱼道进口，因此漩涡、水跃和回流等流态可以作为鱼类洄游路线的另一道屏障。

由图5可知，发电机组满发运行时，尾水渠末端一定范围内合成流速值均大于1.5 m/s；除此之外，发电机组不满发工况下，通过模拟研究可知，尾水渠末端流速仍高于1.5 m/s，即洄游鱼类难以由下游继续上溯至尾水渠内。同时结合图4可知，尾水渠右侧存在大范围回流区域，该区域的鱼类无法聚集，而将沿主流方向向左侧聚集。

根据流速区域划分图我们可以发现，洄游鱼类沿左岸上溯，穿过局部高流速区可以上溯至尾水渠末端附近，为具体确定鱼道进口适宜布置位置，本文列举了尾水渠下游附近岸边流速情况，如表1所示。表中灰色显示区域为负流速区域，即回流区域，该区域不适宜设置鱼道进口。由表可知，上溯鱼类沿左岸上溯至桩号0+200 m，上游存在回流区域，故该桩号可以作为过鱼对象上溯路径的屏障。桩号0+220 m下游，河道内流速值均高于1.1 m/s，达到过鱼对象的突进流速，鱼类难以在此区域聚集。左岸桩号0+200～0+210 m区域，该区域内岸边流速为0.4～0.8 m/s，符合研究过鱼对象的持续游泳流速，且该桩号岸边流态稳定，流速较为均匀，适宜布置鱼道进口。除此之外，在该区域内布置鱼道进口，可采用适当补水进行诱鱼，为补水量最小区域，同时符合鱼道入口不能离障碍物太远的设计原则。鉴于以上分析，建议将鱼道进口布置于左岸桩号0+200～0+210 m离岸10 m范围以内，但该鱼道进口仅适用于3台机组运行时鱼类上溯，而其他进口位置选择则需根据其他机组运行工况综合考虑而定。除此之外，建议在尾水渠首部，即发电机组上方增加备用鱼道进口，这是由于发电机组出流能够形成诱鱼水流，当鱼类上溯至尾水渠末端区域，部分上溯性较强的鱼类能够迅速穿过高流速带上溯至尾水渠内。但根据前文流场分析，尾水渠内存在不同程度的回流和环流，上溯鱼类在此区域难以找到鱼道进口，因此该处鱼道进口仅建议为备用进口。

表1 尾水渠下游左岸附近流速值

4 结论与讨论

以某大型水电工程为例，本文在鱼类行为学和水力学基础上，分析了电站鱼道进口位置选择方法，主要结论如下：

1）雅鲁藏布江鱼类资源丰富，根据流域鱼类资源以及其生物学、生态学特点，将江内鱼类分为4类，并将异齿裂腹鱼、巨须裂腹鱼和拉萨裂腹鱼作为主要过鱼对象，同时兼顾其他鱼类。

2）通过分析电站过鱼对象的游泳行为指标发现，河道内流速小于1.2 m/s的区域为鱼道进口适宜布置区域；同时根据鱼类游泳能力及产生吸引流效果，提出将电站下游河道内区域划分为鱼道进口优选布置区域（0.4～0.8 m/s）、鱼道进口备选布置区域I（0.8～1.2 m/s）、鱼道进口备选布置区域II（0～0.4 m/s）、鱼道进口备选布置区域III（1.2～1.5 m/s）和鱼道进口禁布区域（>1.5 m/s）。

3）通过对电站下游流场进行三维精细模拟，结果表明，左岸岸边存在低流速带，上溯鱼类可以沿岸边低流速带顺利上溯至尾水渠附近，而尾水渠末端流速大于过鱼对象突进流速，鱼类难以继续上溯至尾水渠内；桩号0+200 m上游存在回流区域，为过鱼对象上溯路径的屏障；桩号0+220 m下游岸边流速均高于1.1 m/s，鱼类难以在此区域聚集；考虑到流速和回流屏障等，同时桩号0+200 m～桩号0+210 m范围流速符合鱼道进口位置布置优选区域要求，建议在此区域布置进口；考虑到一些上溯能力较强的鱼类，建议在机组上方增加布置备用鱼道进口。

鱼道进口位置选择属于鱼类行为学与水力学交叉研究范畴，然而目前大多文献提及鱼道进口布置均从工程运行角度和水力学角度考虑，从而可能降低鱼道的过鱼效率。文中通过深入分析过鱼对象游泳行为，提出了鱼道进口优选布置区域、备选布置区域以及禁布区域等新方法与新思路。然而由于鱼类行为学较为复杂，目前缺乏过鱼对象特有生活习性研究文献，因此本文对鱼道进口布置区域的划分时过多的依赖过鱼对象的游泳能力与常规生活习性，研究方法尚处于探索阶段，仍需进一步开展研究。本文采用的方法及思路可为电站鱼道工程方案布置提供参考。

[1] 南京水利科学研究所. 鱼道[M]. 北京：电力工业出版社，1982.

[2] DVWK. Fish passes: Design, dimensions and monitoring [M]. Food and Agriculture Organization of the United Nations. Rome, 2002.

[3] 张俊杰，鄢庆枇. 我国鱼类资源的危机和保护[J]. 水利渔业，2007，27(2)：55－57.

[4] 陈凯麒，常仲农，曹晓红，等. 我国鱼道建设现状与展望[J]. 水利学报，2012，43(2)：182－188.

Chen Kaiqi，Chang Zhongnong，Cao Xiaohong, et al. Status and prospection of fish pass construction in China[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2012, 43(2): 182－188. (in Chinese with English abstract)

[5] 陈凯麒，葛怀凤，郭军，等. 我国过鱼设施现状分析及鱼道适宜性管理的关键问题[J]. 水生态学杂志，2013，34(4)：1－6.

Chen Kaiqi, Ge Huaifeng, Guo Jun, et al. Study on the Situation analysis of fish passages and the key issues of adaptive management in China[J]. Journal of Hydroecology, 2013, 34(4): 1－6. (in Chinese with English abstract)

[6] 王珂，刘绍平，段辛斌，等. 崔家营航电枢纽工程鱼道过鱼效果[J]. 农业工程学报，2013，29(3)：184－189.

Wang Ke, Liu Shaoping, Duan Xinbin, et al. Fishway effect of Cuijiaying navigation-power junction project[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(3): 184－189. (in Chinese with English abstract)

[7] Rajaratnam N, Vinne G V, Katopodis C. Hydraulics of vertical slot fishways[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1986, 112(10): 909－927.

[8] Rajaratnam N, Katopadis C, Paccagnan R. Field studies of fishways in Albeta[J]. Canadian Journal of Civil Engineering, 1992, 19(4): 627－638.

[9] Liu M, Rajaratnam N, Zhu D Z. Mean flow and turbulence structure in vertical slot fishway[J]. Journal of Hydraulics Engineering, 2006, 132(8): 765－777.

[10] Wu S, Rajaratnam N, Katopodis C. Structure of flow in vertical slot fishway[J]. Journal of Hydraulics Engineering, 1999, 125(4): 351－360.

[11] 董志勇，冯玉平，Ervine A. 同侧竖缝式鱼道水力特性及放鱼试验研究[J]. 水力发电学报，2008，27(6)：121－125.

Dong Zhiyong, Feng Yuping, Ervine A. An experimental study of hydraulic characteristic and fish test in vertical slot fishway to one side[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2008, 27(6): 121－125. (in Chinese with English abstract)

[12] 董志勇，冯玉平，Ervine A. 异侧竖缝式鱼道水力特性及放鱼试验研究[J]. 水力发电学报，2008，27(6)：126－130.

Dong Zhiyong, Feng Yuping, Ervine A. An experimental study of hydraulic characteristic and fish test in vertical slot fishway from side to side[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2008, 27(6): 126－130. (in Chinese with English abstract)

[13] 徐体兵，孙双科. 竖缝式鱼道水流结构的数值模拟计算[J]. 水利学报，2009，40(11)：1386－1391.

Xu Tibing, Sun Shuangke. Numerical simulation of the flow structure in the vertical slot fishway[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2009, 40(11): 1386－1391. (in Chinese with English abstract)

[14] 张国强，孙双科. 竖缝宽度对竖缝式鱼道水流结构的影响[J]. 水力发电学报，2012，43(1)：151－156.

Zhang Guoqiang, Sun Shuangke. Effect of slot width on the flow structure of vertical slot fishway[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2012, 43(1): 151－156. (in Chinese with English abstract)

[15] 边永欢，孙双科. 竖缝式鱼道的水力特性研究[J]. 水利学报，2013，44(12)：1462－1467.

Bian Yonghuan, Sun Shuangke. Study on hydraulic characteristic of flow in the vertical slot fishway[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2013, 44(12): 1462－1467. (in Chinese with English abstract)

[16] Yagci O. Hydraulic aspects of pool-weir fishways as ecologically friendly water structure[J]. Ecological Engineering, 2009, 36(1): 36－46.

[17] Ead S A, Katopodis C，Sikora G J，et al. Flow regimesand structure in pool and weir fishways[J]. Journal of Environmental Engineering and Science, 2004, 3(5): 379－390.

[18] 孙双科，张国强. 环境友好的近自然型鱼道[J]. 中国水利水电科学研究院学报，2012，10(1)：41－46.

Sun Shuangke, Zhang Guoqiang. Environment-friendly fishway in close-to-nature types[J]. Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research, 2012, 10(1): 41－46. (in Chinese with English abstract)

[19] BFPP. Fishways: Biological Basis, Design Criteria and Monitoring[M]. Copublished by FAO, CSP, Cemagref. 2002.

[20] Clay C H. Design of fishways and other fish facilities[M]. Florida: CRC Press, 1995.

[21] Bunt C M. Fishway Entrance Modifications Enhance Fish Attraction[J]. Fisheries Management and Ecology, 2001, 8: 95－105.

[22] 汪亚超，陈小虎，张婷，等. 鱼道进口布置方案研究[J]. 水生态学杂志，2013，34(4)：30－34.

Wang Yachao, Chen Xiaohu, Zhang Ting, et al. Study on layout scheme of fishway entrance[J]. Journal of Hydroecology, 2013, 34(4): 30－34. (in Chinese with English abstract)

[23] 汤荆燕，高策，陈旻，等. 不同流态对鱼道进口诱鱼效果影响的实验研究[J]. 红水河，2013，32(1)：34－39.

Tang Jingyan, Gao Ce, Chen Min, et al. Study on influence of different flow patterns on fish attracting effect at fish way entrance[J]. Hongshui River, 2013, 32(1): 34－39. (in Chinese with English abstract)

[24] 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(3)：222－228.

Wang Xingyong, Guo Jun. Brief review on research and construction of fish-ways at home and abroad[J]. Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research, 2005, 3(3): 222－228. (in Chinese with English abstract)

[25] 吴晓春，史建全. 基于生态修复的青海湖沙柳河鱼道建设与维护[J]. 农业工程学报，2014，30(22)：130－136.

Wu Xiaochun, Shi Jianquan. Construction and management of fish passage on Shaliu River adjacent to Qinghai Lake based on ecological restoration[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(22): 130－136. (in Chinese with English abstract)

[26] 杨汉运，黄道明. 雅鲁藏布江中上游鱼类区系和资源状况初步调查[J]. 华中师范大学学报：自然科学版，2011，45(4)：629－633.

Yang Hanyun, Huang Daoming. A preliminary investigation on fish fauna and resources of the upper and middle Yalu Tsangpo River[J]. Journal of Huazhong Normal University: Natural Sciences, 2011, 45(4): 629－633. (in Chinese with English abstract)

[27] 郑金秀，韩德举，胡望斌，等. 与鱼道设计相关的鱼类游泳行为研究[J]. 水生态学杂志，2010，3(5)：104－110.

Zheng Jinxiu, Han Deju, Hu Wangbin, et al. Fish swinmming performance related to fishway design[J]. Journal of Hydroecology, 2010, 3(5): 104－110. (in Chinese with English abstract)

[28] 许晓蓉. 西藏典型裂腹鱼游泳能力及鱼道方案优化数值模拟研究[D]. 宜昌：三峡大学，2012.

Xu Xiaorong. Study on Swimming Ability of Typical Fish in Tibet and Numercial Simulating of Optimizing for Fishway Project[D]. Yichang: China Three Gorges University, 2012. (in Chinese with English abstract)

[29] 涂志英. 雅砻江流域典型鱼类游泳特性研究[D]. 武汉：武汉大学，2012.

Tu Zhiying. Research of Swimming Performance of Several Typical Fish in the Yalong River[D]. Wuhan: Wuhan University, 2012. (in Chinese with English abstract)

[30] Yakhot V, Orszag S A. Renormalization group analysis of turbulence. I. Basic theory[J]. Journal of Scientific Computing, 1986, 1(1): 3－51.

[31] 宗全利，郑铁刚，刘焕芳，等. 滴灌自清洗网式过滤器全流场数值模拟与分析[J]. 农业工程学报，2013，29(16)：57－65.

Zong Quanli, Zheng Tiegang, Liu Huanfang, et al. Numerical simulation and analysis on whole flow field for drip self-cleaning screen filter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(16): 57－65. (in Chinese with English abstract)

[32] 王娟，王春光，王芳. 基于Fluent 的9R-40 型揉碎机三维流场数值模拟[J]. 农业工程学报，2010，26(2)：165－169.

Wang Juan, Wang Chunguang, Wang Fang. Numerical simulation on three-dimensional turbulence air flow of 9R-40 rubbing and breaking machine based on Fluent software[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(2): 165－169. (in Chinese with English abstract)

[33] 郭嘉明，吕恩利，陆华忠，等. 冷藏运输厢体结构对流场影响的数值模拟[J]. 农业工程学报，2012，28(增刊1)：74－80.

Guo Jiaming, Lü Enli, Lu Huazhong, et al. Numerical simulation of effects of transport enclosure structure on flow field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(Supp.1): 74－80. (in Chinese with English abstract)

[34] 孙双科. 西藏尼洋河多布水电站工程鱼道及生态放水闸水工模型试验报告[R]. 北京：中国水利水电科学研究院, 2013.

[35] Moriasi D N, Arnold J G, Liew M W V, et al. Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations[J]. Transactions of the American Society of Agricultural and Biological Engineers (Transactions of the ASABE), 2007, 50(3): 885－900.

[36] 艾克明. 鱼道水力设计的基本要点与工程实例[J]. 水利科技与经济，2012，18(10)：82－85.

[37] 王玉蓉，谭燕平. 裂腹鱼自然生境水力学特征的初步分析[J]. 四川水利，2010(6)：55－59.

Location choice of fishway entrance in hydropower project based on fish behavioristics and hydraulics

Zheng Tiegang, Sun Shuangke, Liu Haitao, Jiang Han, Li Guangning

(,100038)

A large hydropower project is located on the stream of Yalong River in China, and the multi-year average energy output of hydropower station is 1.6 billion kWh, having a total installed capacity of 360 MW. In order to protect the river ecology and environment, it is planned to build some facilities for fish passing, such as fishway. In order to be effective for a fishway, it is necessary for the migratory fish to find the entrance with as little delay as possible. The entrance to the fishway must be located at the furthest point upstream in the immediate area where fishes are congregating downstream the obstruction. It should not be positioned either in the center of the river or too far downstream. The attractivity of a fishway is linked to its location in relation to the obstruction, and particularly to the location of its entrances and the hydrodynamic conditions (flow discharges, velocities and flow patterns) in the vicinity of the entrances. In other words, successful fishway design requires the close combination of fish biology and hydraulics. Combined with specific engineering, the primary goal is to establish a new idea and method for location choice of fishway entrance. Based on the resources, biology and ecology in the Yalong River, the migratory fishes in the river are divided into 4 categories, and the,andare the main migratory fishes in present study. Through analyzing the swimming abilities of the main migratory fishes, it is found that the regions where the velocity does not exceed 1.2 m/s are fit to install the entrance. In present study, it is first offered that the regions where the velocity ranges from 0.4 to 0.8 m/s are the optimal to install the entrance. And, given other factors, the regions where the velocity is 0.8-1.2, 0-0.4 and 1.2-1.5 m/s are the alternative locations of I, II and III respectively to install the entrance. It is forbidden to install the entrance in the area where the normal velocity exceeds 1.5 m/s. Taking a large hydropower project as the example, the hydraulic characteristics of the velocity and flow field at downstream were analyzed. When the power units were running, there was complex flow pattern in the tail channel, with some circulation and backflow. The maximum and minimum velocities near the left bank at downstream of tail channel were 1.5 and 0.8 m/s, respectively. It was also shown that the migratory fish could travel as far upstream as possible along the left bank. Because of the high velocity at the end of tailrace, the fishes were impossible to pass. It is therefore advisable to install the entrance to the fishway near the tailrace. Considering the velocity and flow pattern, there was backflow region at upstream that was also the situation of the stake number 0+200, which was the obstruction for migratory fishes. In addition, the average velocity near the bank was all larger than 1.1 m/s, which indicated the migratory fishes could not congregate in this area. It was pointed that the optimal location of entrances was the area 200-210 m away from the axis of the dam at the downstream, where the velocity and flow pattern conditions were fit to set the entrance to the fishway. And some fishway entrances should be arranged above the power station generators for standby. Accordingly as an inter-disciplinary subject, the choice of fishway entrance is not perfect. In the further, the study should be developed combined with the special life habits of migratory fish.

hydrodynamics; flow fields; flow velocity; hydropower project; fishway entrance; numerical simulation; swimming ability

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.24.021

TV61

A

1002-6819(2016)-24-0164-07

2016-03-22

2016-10-25

国家自然科学基金资助项目（51309256，51679261）

郑铁刚，男，河北定州人，高级工程师，博士，主要从事水工水力学与生态水力学研究工作。北京 中国水利水电科学研究院100038。Email：zhengtg@iwhr.com