**章绪论
1.1引言
本章简要回顾鱼道技术的发展历史，指出竖缝式鱼道是目前国内外运用*为广泛且应用效果*好的鱼道布置方式。针对前人已有的研究进行综述与分析，指出过鱼对象的游泳能力是鱼道水力设计的主要控制参数，而在实际鱼道工程中，如何确保鱼道进口良好的集诱鱼效果是鱼道成败的关键因素。人类为了发电、防洪、供水、灌溉、航运、景观等目的而在江河上修建了大量的闸坝建筑物（王琲，2016；陈凯麒等，2013，2012；Silva et al.，2012；Yagci，2010），尤其是随着社会事业的飞速发展，我国在珠江流域、长江流域、黄河流域、淮河流域、辽河流域、海河流域与松花江流域等主要水系上建设了诸多水工建筑物，2010～2012年**次全国水利普查数据（中华人民共和国水利部和中华人民共和国国家统计局，2013）显示：我国分布水库数量为98002座，其中已建与在建水库数量分别为97246座与756座；水电站数量为46758座，其中规模以上的水电站中已建与在建水电站数量分别为20866座与1324座；过流流量为1m3/s及以上的水闸数量为268476座，其中规模以上的水闸中已建与在建水闸数量分别为96226座与793座；橡胶坝数量为2685座。上述闸坝建筑物给人类带来了巨大经济效益与高质量生活保证，同时也对其周围环境造成了影响（梅峰顺和王玉华，2012；胡望斌等，2008；周世春，2007），其中*突出问题之一是闸坝建筑物阻断了江河的连通性、破坏了江河固有的自然属性，导致鱼类栖息地的水环境与水生态环境发生改变（易雨君和王兆印，2009），尤其对鱼类资源产生了不利影响（曹文宣等，2021，2011；Karisch and Power，1994），譬如鱼类产卵、越冬、索饵洄游活动延迟或终止，鱼类下行通过水轮机时遭受伤害与生态景观破碎等，上述不利影响将导致鱼类种群多样性丧失（施炜纲等，2009；黄亮，2006）、经济鱼类品质退化（于晓东等，2005；陈银瑞等，1998），甚至造成中华鲟等溯河性洄游鱼类种群濒临灭绝（杨宇，2007；刘绍平等，2002）。为了有效减缓闸坝建筑物阻挡江河连通性的不利影响、帮助恢复鱼类与其他生物物种在江河中的自由洄游，河流水生态修复（龙笛和潘巍，2006）技术研究受到国内外学者的广泛关注与环保行政部门的高度重视（高玉玲等，2004；廖国璋，2004；陈曾龙，1998）。
针对闸坝建筑物对其周围环境造成的不利影响，国内外专家进行了诸多修复措施研究（陈明千等，2013；Aunins et al.，2013；王尚玉等，2008；Quang and Geiger，2002），主要实施方式与预期效果为：在闸坝建筑物与其附近区域内修建过鱼设施（Baek and Kim，2014；Cooke and Hinch，2013；Bunt et al.，2001），可促使洄游鱼类越过障碍物，完成其在江河中的溯河与降河洄游行为；依据地形条件修建增殖放流站，经过野生亲鱼采集、亲鱼驯养、人工催产、鱼卵孵化、鱼苗培育、增殖放流等工艺流程，可补偿闸坝建筑物开发造成的鱼类资源衰退、保护珍稀濒危鱼类物种延续与补充经济鱼类资源；基于鱼类产卵时对水环境的严格要求，人类修建满足水温、水流、光线、盐度与幼鱼营养条件的产卵场，促使鱼类产卵与鱼卵孵化，以提高江河中鱼类物种数量；划定自然保护区，以保护国家珍稀濒危鱼类；人造洪峰促使鱼类产卵，以丰富经济鱼类资源。其中，利用过鱼设施帮助鱼类越过障碍物措施的生态修复效果显著，得到了国内水生态学家的重点提倡。
根据洄游鱼类的游泳特性，过鱼设施主要分为上行与下行两类，上行过鱼设施主要包括鱼道、升鱼机、鱼闸与集鱼渔船等，下行过鱼设施主要分为拦网与电栅等（乔娟等，2013）。自1662年法国贝阿恩省颁布了在闸坝建筑物上修建过鱼设施的规定以来（Kim，2001），鱼道成为*主要的过鱼设施形式，据不完全统计，截至20世纪末期，北美修建鱼道的数量约为400座，日本国内鱼道数量多达1400余座（杨宇等，2006）；我国鱼道研究大致经历了初步发展期、停滞期与二次发展期，随着21世纪我国鱼道事业步入二次发展期，近20年我国共有24个***水利水电项目鱼道经过环境影响技术评估，截至2012年我国修建鱼道的数量约为40～60座（陈凯麒等，2012）。鱼道建设涉及水力学与鱼类行为学两大领域（李修峰等，2006），是一项技术要求很高、风险非常大的工程，需要考虑的关键因素众多，如目标鱼类洄游特性、进口诱鱼措施、细部结构水力特性、运行管理与检测评估等（吕巍和王晓刚，2013；汪亚超等，2013；艾克明，2010），所述环节务必尽善尽美，若存在任何技术上的疏漏，都将严重影响鱼道实际的过鱼效率，甚至导致鱼道过鱼功能的丧失，因此鱼道内水流流态能否适应鱼类洄游习性引起了国内外鱼类专家的高度关注，鱼道的水力特性研究已成为水力学学科内*为炙热的课题之一（汪红波等，2013；闫滨等，2013；肖玥，2012；吕海艳等，2011）。
1.2竖缝式鱼道的发展和分类
1.2.1竖缝式鱼道的发展史
鱼道发展经历了几百年历史，*早可追溯到1662年，当时法国法律规定在闸坝建筑物及其附近区域内为鱼类上溯与下行活动修建通道，贝阿恩省修建的鱼道为一条宽浅明渠，在其地面上布满的石块、树枝等降低水流流速，有利于鱼类顺利游向上游；鱼道水流流态接近仿自然鱼道的水流情况，但流场特性并未经过科学研究（宋德敬等，2008）。
在19世纪中叶，水利事业快速发展促使世界诸多国家在江河上修建了大量堰、闸、坝等水工建筑物，同时也加快了鱼道工程的修建进度。1852～1854年，英格兰政府在巴利索达雷（Ballisodare）河上修建了诸多过鱼设施，随后在1883年建成世界上**座池式鱼道，该鱼道位于伯思谢尔地区胡里坝，其内部共设置了80个大型池室，上下游水位落差仅1.52m，但设计鱼道时未考虑鱼类洄游习性，导致过鱼效率甚低。1870年，日本境内为了促使鱼类游入十和田湖内，利用当地自然瀑布修建了过鱼设施，该过鱼设施布置形式形成了日本鱼道的雏形。
20世纪初，1909～1913年比利时工程师丹尼尔对鱼道进行了一系列水槽基础试验研究，结果表明在水槽边壁与底板上布置间距密集、向上倾斜的阻板与底坎后，将形成水流漩涡与对冲现象，可有效降低水槽内水流流速（Bunt et al.，2001）。该研究成果为鱼道设计、修建工作提供了重要参考价值，为了纪念丹尼尔这一重要发现，当今鱼道科研工作者将这种*具特色的鱼道布置形式称为丹尼尔式鱼道。在20世纪中后期，美国、法国、加拿大与丹麦等国鱼道专家深入研究了丹尼尔式鱼道的水力特性，并提出了阻板与底坎的不同布置形式，到目前为止，丹尼尔式鱼道布置形式主要分为平面障碍物、灵活障碍物与陡峭通道三种类型（Mallen-Cooper and Stuart，2007；Haro et al.，1999；Wada et al.，1999）。
20世纪40年代，世界鱼道专家提出了池式、槽式鱼道的诸多布置形式，并开始研究竖缝式鱼道的水流流场特性。1943年，加拿大政府在弗雷泽（Fraser）河上修建了世界上**座竖缝式鱼道，即鬼门峡双侧竖缝式鱼道（Larinier et al.，2002），其内部布置了一系列大型水池，池长与池宽分别为5.5m与6.1m，竖缝宽度为0.6m；水体通过双缝流入常规水池，由于两股竖缝射流在中央部分混合消能，水池下游部分形成静水区域，其水流流态适合鲑溯游与休憩。
截至20世纪70年代，据不完全统计美国与加拿大两国共修建200余座以鱼道为主的过鱼设施，法国、英格兰等欧洲国家修建的过鱼设施超过100座，日本与苏联两国境内的过鱼设施数量分别为35座与15座（许晓蓉，2012；张国强和孙双科，2012）；我国设计、修建了七里垅鱼道、鲤鱼港鱼道、新开流鱼道与斗龙港鱼道等40余座鱼道，当时国内鱼道研究步入初步发展期。
1971～1988年，我国正处于建设葛洲坝水利枢纽工程的时期，国内水利与鱼类专家针对中华鲟保护工作进行了诸多研究，但经过研讨后决定葛洲坝水利枢纽工程不必附建过鱼设施（易伯鲁，1981）；此后20年时间，我国基本不考虑在闸坝建筑物与其附近区域内建设鱼道，导致我国鱼道研究工作步入停滞期；同时，早期建设的鱼道也未合理运行与监测管理，造成我国部分鱼道目前仍处于废弃状态。
20世纪80～90年代，鱼道研究工作得到世界各国水利专家广泛关注，并召开了多次规模较大的专题国际会议。1986年，贝尔（Bell）出版了一本指导鱼道水力设计的手册；1990年与1995年，在日本岐阜市分别召开了**届与第二届国际鱼道研讨会；自2011年开始，美国渔业协会每年召开一届鱼道研究会议，并针对会议讨论内容出版一系列鱼道技术出版物；1996年，联合国粮食及农业组织出版了鱼道设计的专业技术指导书；1997年，日本政府修订了《河川法》，法律增加了保护河流水环境的规定，日本鱼类专家提出鱼道不仅为鱼类洄游提供通道，也是鱼类良好的休憩场所；1999年，美国政府在博舍（Bosher）坝建造了竖缝式鱼道，解决了自1823年以来鱼类不能洄游的问题，该鱼道当年过鱼数量高达6万余条，种类约为20种，次年过鱼数量增至11万条（宋德敬等，2008）。
2000年以来，我国鱼道研究工作再次得到重视，鱼道修建事业步入二次发展期（王珂等，2013；徐海洋等，2013；农静，2008；杨宇等，2006）。近年来，我国24个***水利水电项目鱼道经过环境保护技术评估，以竖缝式鱼道为主要布置形式，如北京上庄新闸鱼道（孙双科等，2007）、大渡河枕头坝一级水电站鱼道（徐海洋等，2013）与吉林老龙口水利枢纽工程鱼道（程玉辉和薛兴祖，2010）等。但我国鱼道水力学与鱼类游泳行为学研究仍处于初步探索阶段（毛熹等，2011；曹庆磊等，2010b），并且国内洄游鱼类游泳能力较弱，致使某些鱼道工程运行时过鱼效果不佳，因此我国鱼道水流流态适应鱼类洄游特性技术研究仍是鱼类专家与环保行政部门*为重视的课题之一（董志勇等，2008；王桂华等，2007；杨德国等，2005）。
1.2.2竖缝式鱼道的分类与作用
鱼道是在人工建筑物或天然障碍物处为沟通鱼类洄游通道而布置的一种过鱼设施。鱼道可分为工程鱼道与仿自然式鱼道，而工程鱼道分为池式鱼道（Alex and re et al.，2013）与槽式鱼道两类。其中，池式鱼道包括竖缝式鱼道、堰流式鱼道、淹没式鱼道、涵洞式鱼道与组合式鱼道等，槽式鱼道包括简单槽式鱼道、丹尼尔式鱼道等。鱼道具体布置形式与结构特点如下。
（1）竖缝式鱼道（董志勇等，2008）：在水槽两侧边墙与底板上布置导板与隔板，其将水槽分隔成系列常规水池，导板位于隔板的下游位置，导板与隔板之间形成竖缝；水流通过竖缝流入下一阶常规水池，并在常规水池内经过扩散、折返对冲作用进行消能，消能效果显著；竖缝式鱼道适合表层、中层、底层鱼类进行溯河洄游行为。
（2）堰流式鱼道（Santos et al.，2014）：在水槽内每隔一定距离布置一块溢流堰式隔板，堰顶可设计为倾斜矩形堰式或三角堰式，水流以堰流形式流向下一阶常规水池；水流通过水垫作用进行消能，消能效果显著；堰流式鱼道适合游泳能力强、具有一定跳跃能力的鱼类进行溯游行为。
（3）淹没式鱼道：水槽内布置的隔板将其分隔成系列常规水池，在隔板上开孔，其孔口淹没在水深中层与底层；水流通过孔口扩散与隔板阻挡作用进行消能；淹没式鱼道适合中、底层具有强洄游能力的鱼类进行溯游行为，如图1.1所示。
（a）整体（b）局部图1.1湖南衡阳的洋塘鱼道
（4）涵洞式鱼道（Ead et al.，2014；许晓蓉，2012；Morrison et al.，2009）：在涵洞内布置的隔板将其分隔成系列常规水池，隔板形式包含偏移式、槽堰
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