蒙古國都日根水電站魚道建設(shè)的啟示

謝三湘，李 燕，郭燕杰，毛江濤

（1.河北省邯鄲市水利水電勘測設(shè)計研究院，邯鄲 056005；2.河北省邯鄲市躍峰渠管理處，邯鄲 056200；3.河北省邯鄲市水利局，邯鄲 056005）

1 蒙古國都日根水電站工程概述

1.1 工程簡介

都日根水電站位于蒙古國西部霍夫德盟境內(nèi)的秦諾哈拉依赫河干流上游，距離源頭哈爾湖4km，距都日根蘇木15km。該工程以水利發(fā)電為主，總裝機(jī)容量為1.2萬kW （3×4000kW）,設(shè)計水頭為13.5m，單機(jī)設(shè)計流量為35.8m3/s。本工程于2004年4月開始興建，2008年9月全部建成。

由于該水電站的建設(shè)將對魚類洄游產(chǎn)生直接影響，就此問題設(shè)計人員于2001、2002年先后兩次進(jìn)入蒙古國境內(nèi)進(jìn)行實地考察，一方面向蒙古國能源部搜集秦諾哈拉依赫河魚類的種類、生活習(xí)性、大小和上溯能力等；另一方面，在魚類的產(chǎn)卵和洄游季節(jié)親臨項目位置進(jìn)行實地監(jiān)測，收集第一手資料。

1.2 秦諾哈拉依赫河主要魚類

在秦諾哈拉依赫河主要生長五類魚：蒙古茴魚、大嘴黃爪魚、矮生性黃爪魚、食草黃爪魚、西伯利亞嘉魚。其中分布最廣泛且最有經(jīng)濟(jì)價值的有大嘴黃爪魚、食草黃爪魚及蒙古茴魚，它們是當(dāng)?shù)靥禺a(chǎn)魚類。

秦諾哈拉依赫河中魚類遷徙都是從湖泊游入河流，或從河流游入湖泊，魚類產(chǎn)卵是在河流或湖間水道中，水溫在零上2—5.6℃，基本上是在水流急的地方和靠近湖岸地段。產(chǎn)卵期的持續(xù)時間根據(jù)天氣條件和水溫變化。蒙古茴魚的產(chǎn)卵遷徙始于融冰期的4月初到5月中旬；黃爪魚，4月底開始產(chǎn)卵遷徙，產(chǎn)卵期從5月中旬到7月中旬。所有魚類均在湖中過冬，過冬遷徙開始于9月中旬。

都日根水電建成后，將直接影響魚類的過冬遷徙和產(chǎn)卵遷徙，影響到魚類的正常繁殖，將不可避免的對秦諾哈拉依赫河的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。必須采取工程措施，將工程對當(dāng)?shù)佤~類生長繁殖的影響降到最小。

2 常用魚道比較分析

魚道是在閘壩或天然障礙處為溝通魚類洄游通道而設(shè)置的一種過魚建筑物。依據(jù)隔板過魚孔的形狀和位置，魚道可分為：溢流堰式、淹沒孔口式、垂直豎縫式和組合式四種魚道。4種魚道簡要介紹和比較分析見表1。

近幾年來，國外對垂直豎縫式加淹沒孔口式魚道的研究取得了可喜的成就，特別是加拿大和美國，在該領(lǐng)域的研究居世界領(lǐng)先水平，新建和改建了一大批垂直豎縫式加淹沒孔口式魚道，并對新建和改建后的魚道進(jìn)行了跟蹤評估，用實事說明了垂直豎縫式加淹沒孔口式魚道的優(yōu)越性。

3 都日根水電站魚道方案論證

3.1 魚道設(shè)計依據(jù)

以蒙古國能源部提供的都日根水電站樞紐工程大壩及壩上、壩下相關(guān)區(qū)域地形圖、工程設(shè)計圖、水文地質(zhì)資料，主要保護(hù)魚類的生活及洄游習(xí)性、種類、數(shù)量等圖文資料，作為魚道工程技施設(shè)計的原始材料和技術(shù)依據(jù)。在設(shè)計中充分借鑒了國內(nèi)外已建成魚道的成功經(jīng)驗，并參考 《水工設(shè)計手冊》，嚴(yán)格執(zhí)行國家相關(guān)部門關(guān)于建造過魚設(shè)施的有關(guān)法規(guī)。同時在設(shè)計時還考慮到每年的4月底到7月中旬是魚類產(chǎn)卵的季節(jié)，每年9月中旬至10月中旬是魚類過冬遷徙的時期。因此，依據(jù)以上基礎(chǔ)數(shù)據(jù)確定魚道的特征水位和相關(guān)參數(shù)。

表1 魚道分類比較表

魚道工程水庫內(nèi)過魚設(shè)計水位為1159.50m，下游河道設(shè)計水位1146.00m。

3.2 魚道類型的確定

秦諾哈拉依赫河主要類魚為：蒙古茴魚、黃爪魚和西伯利亞嘉魚。此三種魚類中，蒙古茴魚個體居中，適應(yīng)流速也居中，要求水流底層通過；黃爪魚個體最小，適應(yīng)流速也最小，要求水流表層通過；西伯利亞嘉魚個體最大，適應(yīng)流速最高，要求水流底層通。依據(jù)秦諾哈拉依赫河各種魚類的習(xí)性及對流速的要求，結(jié)合前面分析的各式魚道的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)，本工程采用垂直豎縫式加淹沒孔口式相結(jié)合的組合式魚道。

垂直豎縫上層流速低，適合表層習(xí)性的黃爪魚通過，而其底層流速適中，正適合蒙古茴魚底層通過的習(xí)性。淹沒孔口是為了解決西伯利亞嘉魚對流速要求以及底層通過習(xí)性而設(shè)置的。因此垂直豎縫式與淹沒孔口式相結(jié)合的組合式魚道很好的解決了秦諾哈拉依赫河水電站的多種魚類洄游問題，方案較合理。

圖1 魚道平面圖

由于垂直豎縫式魚道沿豎縫上下的流速基本相同，再加上淹沒式孔口，魚類可根據(jù)不同的習(xí)性選擇自己喜歡的水深通過。因而，同時過魚的數(shù)量將成倍增加，適合的過魚種類也非常廣泛。

綜上所述，采用垂直豎縫式加淹沒式孔口相結(jié)合的組合式魚道，對于都日根水電站的主要洄游魚類的生殖洄游將是最佳選擇。

3.3.魚道設(shè)計參數(shù)的確定

（1）魚道主要參數(shù)的確定

目前國內(nèi)暫沒有設(shè)計規(guī)范，根據(jù)實際情況，參考國內(nèi)外現(xiàn)有魚道的設(shè)計經(jīng)驗及相關(guān)設(shè)計手冊，對魚道進(jìn)行了有關(guān)計算和設(shè)計。各主要設(shè)計參數(shù)確定如下：

a）魚道凈寬：2.0m

魚道凈寬尺寸越大，每級魚道內(nèi)的平均流速就越小，利于魚類的中間休息，但凈寬尺寸越大，魚道造價也就越高?？紤]到秦諾哈拉依赫河所過魚類的習(xí)性，并參考國內(nèi)外已建魚道的經(jīng)驗，通常設(shè)計寬度范圍是1m～4m，本工程結(jié)合流量、地形及過魚量，魚道凈寬取2.0m，既能滿足過魚要求又比較經(jīng)濟(jì)、合理。

b）魚道凈深：2.1m

圖2 魚道立面圖

在其他條件一定時，魚道越深，需要的魚道出魚口數(shù)量就越少，相對減少了建設(shè)出魚口的投資和施工難度。但魚道深度的增加，又將增加建設(shè)魚道主體的投資。通常，在選擇魚道深度時，主要考慮的是深度的增加，將增加魚道中水的流量。由于本水利樞紐工程主要目的是發(fā)電，應(yīng)盡可能減少魚道中水的流量。因此：綜合地形、流量、投資、流速、施工和過魚量等因素，選取2.5m、2.1m及1.8m三種魚道深度進(jìn)行了比較。其中，2.5m深方案，優(yōu)點(diǎn)是：過魚量最大。缺點(diǎn)是：流量最大，投資也最大；1.8m深方案，優(yōu)點(diǎn)是：開挖量最少，投資最省，施工難度小。缺點(diǎn)是：流速范圍窄，適合過魚種類和數(shù)量有限；2.1m深方案，優(yōu)點(diǎn)是：開挖量少，投資省，過魚所需流量少，流速區(qū)間正好滿足要求，施工難度較小，過魚量適中。缺點(diǎn)是：沒有明顯的不足之處。綜上所述，魚道深度選取2.1m。

c）魚道每級凈長：1.48m

魚道凈長尺寸越大，每級魚道內(nèi)的平均流速就越小，利于魚類的中間休息，但凈長尺寸越大，魚道總長度就越長，魚道造價也就越高。蒙古茴魚、黃爪魚及西伯利亞嘉魚的上溯流速區(qū)間為0.3～1.2m3/s，參考國內(nèi)已建魚道的經(jīng)驗。依據(jù) 《水力計算手冊》中的堰流公式計算垂直豎縫的流速區(qū)間為0.15～0.8m3/s，而依據(jù) 《水力計算手冊》中的孔口出流公式計算淹沒孔口的流速區(qū)間為0.75～1.2m3/s。因此，依據(jù) 《水力計算手冊》中的消能和能量守恒公式，經(jīng)計算，當(dāng)魚道凈長取1.48m，能滿足魚的休息流速要求，且投資上比較經(jīng)濟(jì)。

d）魚道的坡度：1/32

當(dāng)上下游水位差一定時，魚道的坡度越大，所需魚道的級數(shù)就越少，魚道的總長度相應(yīng)較小，魚道的建設(shè)費(fèi)用也就越低。但魚道的坡度越大，魚道中水的流速就越大，魚類不容易通過魚道。蒙古茴魚、黃爪魚及西伯利亞嘉魚的上溯流速區(qū)間為0.3～1.2m3/s，當(dāng)坡度設(shè)計為1/32，垂直豎縫的流速區(qū)間為0.15～0.8m3/s，而淹沒孔口的流速區(qū)間為0.75～1.2m3/s，因此，采1/32的設(shè)計底坡既能比較好的滿足魚類的流速要求，且比較經(jīng)濟(jì)。

e）魚道垂直豎縫的寬度：0.3m

選擇魚道垂直豎縫的寬度首先應(yīng)考慮所過魚類的個體大小。本魚道所過魚類主要是黃爪魚和蒙古茴魚，其個體較大，所以垂直豎縫的寬度應(yīng)適當(dāng)加大，但是垂直豎縫的寬度越大，魚道中的水的流量就越大，由于本水利樞紐工程主要是為了發(fā)電，所以應(yīng)盡可能減小魚道中水的流量。參考國內(nèi)外現(xiàn)有魚道的設(shè)計，結(jié)合當(dāng)?shù)鼐唧w魚類習(xí)性、特點(diǎn)，最終選擇豎縫寬度為0.3m。

f）魚道設(shè)計水深：1.5m

考慮到垂直豎縫處的流速、水深，以及魚的習(xí)性，保證魚道中有一定的流量，使魚道進(jìn)口產(chǎn)生一定的水流，吸引魚類進(jìn)入魚道。要滿足各種魚類要求的流速區(qū)間為0.3～1.2m3/s，則所需要的水深區(qū)間為1.5～2.0m。出于節(jié)約流量發(fā)電的考慮，取低值1.5m。

g）魚道的梯級數(shù)：292級依據(jù)參考文獻(xiàn)3：

h）魚道的總長度：519.76m

依據(jù)老龍口水利樞紐工程中魚道的研究一文計算公式，得出：

總長度=級數(shù)×每級長度=292×1.78=519.76m

i）魚道垂直豎縫處的最大流速：0.92m/s

依據(jù)老龍口水利樞紐工程中魚道的研究一文計算公式，得出：

j）魚道過流流量：0.322m3/s

依據(jù)老龍口水利樞紐工程中魚道的研究一文計算公式，得出：

（2）魚道的位置

魚道的布放位置主要有兩種方案：一是將魚道布置右壩頭，二是將魚道布置右岸山溝內(nèi)。

a）魚道布置在右壩頭

此方案優(yōu)點(diǎn)是線路較短，但距土壩右壩頭較近，施工干擾較大，且均為大量石方開挖，投資較大。另外魚道坡度大、流速高，不利于魚類上溯。

b）魚道布置在右側(cè)山溝內(nèi)

此方案的優(yōu)點(diǎn)：利用現(xiàn)有地形施工，投資小，施工難度小，流速適中，有利魚類上溯，且進(jìn)魚口與原河道順接。缺點(diǎn)是線路長，部分投資有所增加，但總的投資比布置在右壩頭小。

通過上述比較，本次設(shè)計采用垂直豎縫式加小底孔相結(jié)合形式將魚道布置在右側(cè)山溝內(nèi)的方案。

4 結(jié)論

蒙古國都日根水電站魚道建成后，試運(yùn)行1年，當(dāng)關(guān)閉上游進(jìn)水閘，各級魚道內(nèi)都存有大量魚類。另一方面，自2008年建成以來，經(jīng)過2年多的運(yùn)行，由蒙古國能源部提供的數(shù)據(jù)顯示，秦諾哈拉依赫河上的蒙古茴魚、黃爪魚及西伯利亞嘉魚的數(shù)量未見明顯變化，充分證明了魚道達(dá)到了預(yù)期作用。

蒙古國都日根水電站魚道的成功設(shè)計不僅保護(hù)了秦諾哈拉依赫河的生態(tài)環(huán)境和內(nèi)陸地區(qū)寶貴的魚類資源，也充分證明了采用垂直豎縫加淹沒孔口相結(jié)合的組合式魚道設(shè)計的科學(xué)性、優(yōu)越性、合理性和實用性，對我國中小河道樞紐建設(shè)具有一定的參考價值。

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