依蘭航電樞紐過魚設(shè)施水流條件研究

于廣年，王義安

（交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456）

依蘭航電樞紐過魚設(shè)施水流條件研究

于廣年，王義安

（交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456）

采用正態(tài)1：20整體物理模型，對豎縫式魚道及仿自然通道2種魚道型式進(jìn)行水力學(xué)試驗研究。重點研究了不同流量下，魚道內(nèi)沿程水位、比降及流速等水力要素變化。進(jìn)而優(yōu)化了魚道主、輔進(jìn)魚口結(jié)構(gòu)形式，以及魚道平面布置、魚道長度、底坡、豎縫寬度及池室個數(shù)。通過對魚道總體布置、池室結(jié)構(gòu)、魚道泄流量、沿程水位及比降變化、沿程水流流速變化，以及魚道施工與運行維護(hù)等多方面綜合比選，提出了適宜依蘭航電樞紐的魚道優(yōu)化方案。

魚道；物理模型；豎縫式魚道；仿自然通道魚道

Biography：YU Guang-nian（1979－），male，associate professor.

天然河流上修建永久性攔河建筑物后，使原來連續(xù)的河流生態(tài)系統(tǒng)被分隔成不連續(xù)的環(huán)境單元，對魚類造成的最直接的不利影響就是阻隔了洄游通道。這對完成生活史過程中需要進(jìn)行大范圍遷移的洄游性和半洄游性種類往往是毀滅性的，它們不能到達(dá)原來的繁殖場、索餌場或越冬場去完成生活史，其資源量會受到嚴(yán)重影響；對在局部水域內(nèi)能完成生活史的種類則可能影響不同水域群體之間的遺傳交流，導(dǎo)致種群整體遺傳多樣性下降，魚類的品質(zhì)退化，對于一些珍稀瀕危的魚類則可能面臨絕跡的風(fēng)險。過魚設(shè)施使上下游的洄游通道得以恢復(fù)，不僅增加了魚類過壩完成洄游，以及生活史的可能性，而且對于其他生物也有積極的生態(tài)意義［1］。目前針對水利樞紐工程對魚類造成不利影響所采取的保護(hù)措施，一般包括修建過魚設(shè)施、開展人工增殖放流、施行水庫生態(tài)調(diào)度和建立魚類保護(hù)區(qū)等。其中，以修建過魚設(shè)施［2］最為常見。

1 模型設(shè)計及試驗控制條件

1.1 模型設(shè)計［3-4］

魚道整體模型包括整個電站、魚道集魚系統(tǒng)、魚道進(jìn)口［5］、主體以及出口部分，根據(jù)模型設(shè)計計算結(jié)果，模型選擇正態(tài)，魚道的整體模型選取幾何比尺λL=λH＝20，模型可不分整體和局部，豎縫式魚道最小豎縫的寬度0.45 m，對應(yīng)模型最小豎縫寬度2.25 cm，可滿足試驗及數(shù)據(jù)采集要求。

1.2 試驗控制條件

（1）魚道內(nèi)設(shè)計流速［6］：過魚設(shè)施內(nèi)流速小于魚類的巡游速度，這樣魚類可以保持在過魚設(shè)施中前進(jìn)；過魚斷面流速小于魚類的突進(jìn)速度，這樣魚類才能夠通過過魚設(shè)施中的孔或縫，同時要參考天然河道的流速而確定過魚設(shè)施設(shè)計流速。初步設(shè)計過魚設(shè)施內(nèi)平均流速0.5～0.7 m/s，最大設(shè)計流速1～1.2 m/s。

（2）試驗控制條件：現(xiàn)狀過魚保證率95%條件下，依蘭樞紐最小過魚流量為750 m3/s，當(dāng)來水量Qs＞7 500 m3/s（Qs為牡丹江匯入前流量，Qy為匯入后流量）時，電站停機、泄水閘泄洪，洄游魚類由泄水閘通過。

2 設(shè)計方案研究

2.1 豎縫式魚道［7］整體物理模型設(shè)計方案

2.1.1 平面布置

本方案由魚道進(jìn)口、集魚系統(tǒng)、主體槽身、魚道出口以及觀察室等附屬設(shè)施組成（圖1）。

2.1.2 方案評價

（1）魚道進(jìn)口段水流流急、比降大，上游來水量小于1 665 m3/s時，魚道內(nèi)豎縫最大水流流速超過魚的克流流速，不能滿足過魚設(shè)施設(shè)計流速。

（2）魚道平面設(shè)計2個直角彎道，在彎道上游形成壅水，進(jìn)一步加大魚道進(jìn)口段水面比降。

（3）各級流量下魚道豎縫最大水流流速多為0.8～1.0 m/s，兩豎縫之間魚池內(nèi)水流流速為0.5～0.6 m/s，魚道泄流量約為1.06 m3/s；滿足過魚設(shè)施設(shè)計流速的流量為 1 665～2 220 m3/s。

圖1 豎縫式魚道設(shè)計方案布置圖Fig.1 Design layout of vertical-slot fishway

2.2 仿自然通道魚道整體物理模型設(shè)計方案

2.2.1 平面布置

本方案主要由集魚系統(tǒng)、主進(jìn)口、魚道段、過渡池、仿自然通道段、出口、觀察室及附屬設(shè)施組成（圖2）。

2.2.2 方案評價

（1）魚道進(jìn)口段水流流急比降大，最大局部水面比降達(dá)到6.3%，豎縫處最大水流流速超過2.2 m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過魚的克流流速，不能滿足設(shè)計要求。

（2）仿自然通道段豎縫寬度1 m，結(jié)構(gòu)型魚道段豎縫寬度0.6 m，導(dǎo)致2種結(jié)構(gòu)形式連接處壅水現(xiàn)象明顯，進(jìn)一步加大了魚道進(jìn)口段水面比降。

圖2 仿自然通道魚道設(shè)計方案布置圖Fig.2 Design layout of natural imitated fishway

3 優(yōu)化方案研究

3.1 豎縫式魚道整體物理模型優(yōu)化方案

3.1.1 平面布置

與豎縫式魚道設(shè)計方案相比，主要改變?yōu)椋褐鬟M(jìn)魚口寬度由1.0 m改為0.50 m；尾水渠邊墻高程由92.0 m改為93.50 m；魚道底板高程由89.0 m改為88.50 m；主進(jìn)魚口高度由3.0 m改為5.0 m。

3.1.2 方案評價

（1）各級流量下，魚道內(nèi)沿程水面比降較均勻，無明顯跌水現(xiàn)象；

（2）優(yōu)化后，上游來流量Qs≤1 943 m3/s時，魚道內(nèi)豎縫處最大水流流速在0.6～1.2 m/s，兩豎縫間魚池內(nèi)流速基本在0.5～0.6 m/s，滿足設(shè)計過魚流速要求；

（3）當(dāng)依蘭斷面流量Qs＞1 943 m3/s時，輔助進(jìn)魚口開啟情況下，主、輔進(jìn)魚口之間流速小于0.5 m/s，但輔助進(jìn)魚口水深在0.8～1.5 m，水流流速在0.65～1.0 m/s，大部分魚類可經(jīng)由該進(jìn)魚口進(jìn)入魚道；若考慮集魚系統(tǒng)進(jìn)魚，將輔助進(jìn)魚口關(guān)閉時，主、輔進(jìn)魚口之間流速增加至0.6～0.7 m/s，亦滿足設(shè)計要求。

3.2 仿自然通道式魚道整體物理模型優(yōu)化方案

3.2.1 平面布置

與仿自然通道式魚道設(shè)計方案相比，主要改變?yōu)椋呼~道段進(jìn)口高程由89.0 m改為88.5 m，魚道段池室數(shù)量N=H/Δh=（90.55-88.5）/0.05≈41；結(jié)構(gòu)型魚道段與仿自然通道魚道段交接處增加一20 m×11 m方形過渡池；將結(jié)構(gòu)型魚道段豎縫寬度增加至75 cm。

3.2.2 方案評價

（1）結(jié)構(gòu)型魚道豎縫寬度增加至75 cm后，過渡池附近壅水現(xiàn)象基本消失，枯水流量下魚道主進(jìn)魚口附近局部比降過大現(xiàn)象得到明顯改善，當(dāng)依蘭斷面流量Qy≤2 350 m3/s時，豎縫最大水流流速在0.8～1.2 m/s，兩豎縫之間魚池內(nèi)水流流速為0.5～0.6 m/s，滿足過魚設(shè)施設(shè)計流速要求；

（2）當(dāng)依蘭斷面流量Qy＞2 350 m3/s時，輔助進(jìn)魚口開啟情況下，主、輔進(jìn)魚口之間流速小于0.5 m/s，無法滿足設(shè)計平均流速要求，但輔助進(jìn)魚口水深超過1 m，水流流速在0.5～1.0 m/s，大部分魚類可經(jīng)由該進(jìn)魚口進(jìn)入魚道；當(dāng)輔助進(jìn)魚口關(guān)閉時，主、輔進(jìn)魚口之間流速增加至0.5～0.7 m/s，滿足設(shè)計要求。

4 優(yōu)化方案對比

4.1 魚道泄流量比較

豎縫式魚道泄流量約為1.06 m3/s，而仿自然通道魚道泄流量約為1.5 m3/s。從水資源綜合利用而言，豎縫式魚道需水量優(yōu)于仿自然通道魚道。

4.2 沿程水位變化比較

通過對2種過魚設(shè)施試驗研究表明，魚道內(nèi)水力要素變化較大段位于魚道進(jìn)口段（進(jìn)口以上約400 m范圍內(nèi)），該段水力要素能否滿足要求，是魚道能否成功的關(guān)鍵所在。

豎縫式魚道過魚期內(nèi)，當(dāng)輔助進(jìn)魚口開啟時，流量Qs=1 665～1 943 m3/s時，魚道內(nèi)水深為2.43～2.53 m，水面比降約為1.1%，為最佳過魚時段；隨來水量增減或下游水位增減，進(jìn)口段最大水面比降在0.24%～1.78%之間變化，變化范圍約為魚道進(jìn)口以上300 m，而輔助進(jìn)魚口關(guān)閉時，變化范圍約為魚道進(jìn)口以上400 m。水深增加最大位置出現(xiàn)在輔助進(jìn)魚口附近，水深增加0.2 m左右，主、輔進(jìn)魚口之間比降增加約0.3%。

仿自然通道魚道過魚期內(nèi)，當(dāng)輔助進(jìn)魚口開啟時，流量Qs=1 665～1 943 m3/s時，魚道內(nèi)水深為2.42～2.53 m，水面比降為0.6%～0.72%，為最佳過魚時段；隨來水量增減或下游水位增減，進(jìn)口段最大水面比降在0.17%～1.39%之間變化，魚道內(nèi)水面比降變化范圍為魚道進(jìn)口至過渡休息池。當(dāng)輔助進(jìn)魚口關(guān)閉時，魚道內(nèi)水面比降變化范圍約為魚道進(jìn)口過渡休息池，水深增加最大位置出現(xiàn)在輔助進(jìn)魚口附近，水深增加0.1～0.2 m，主、輔進(jìn)魚口之間比降增加約0.1%～0.2%。

就推薦過魚設(shè)施沿程比降變化而言，仿自然通道魚道優(yōu)于豎縫式魚道。

4.3 沿程流速變化比較

各級流量下，推薦過魚設(shè)施出口段最大流速見圖3，由圖3可以看出：

（1）隨著流量的增加，兩方案魚道內(nèi)最大水流流速均呈減小趨勢；（2）豎縫式魚道最大水流流速變化范圍為0.97～1.19 m，各級流量下最大水流流速均滿足設(shè)計要求；（3）仿自然通道魚道最大水流流速變化范圍為1.02～1.18 m，各級流量下最大水流流速均滿足設(shè)計要求；（4）當(dāng)上游來流量Qs≤1 388 m3/s時，兩方案魚道內(nèi)最大流速相差不大，當(dāng)上游來流量Qs＞1 388 m3/s時，仿自然通道方案最大流速略大于豎縫式方案。

就推薦過魚設(shè)施內(nèi)最大流速而言，兩種魚道結(jié)構(gòu)型式相當(dāng)。

4.4 運行維護(hù)比較

豎縫式魚道建成后，試運行期相對較短，加強日常維護(hù)即可。而仿自然通道魚道試運行期相對較長，根據(jù)松花江來水、來沙特點，可能需要幾年調(diào)試期，使過魚期內(nèi)沿程水面比降平順，相鄰池室流速變化不大，并需長期保持其空隙率不能有太大變化。因此，就魚道運行維護(hù)而言，豎縫式魚道施工與運行維護(hù)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于仿自然通道方案。

圖3 兩方案魚道內(nèi)最大流速對比Fig.3 Comparison of maximum velocity in fishway between two schemes

5 結(jié)論

（1）豎縫式魚道優(yōu)化方案，魚道內(nèi)水深變化均勻，無明顯跌水及壅水現(xiàn)象，最大水面比降1.78%，出現(xiàn)在魚道主進(jìn)魚口附近；豎縫處最大水流流速1.19 m/s，兩豎縫間池室內(nèi)水流流速基本保持在0.5～0.7 m/s，休息池內(nèi)水流流速基本在0.2～0.5 m/s。當(dāng)Qs≤1 943 m3/s時，集魚系統(tǒng)及主進(jìn)魚口為過魚通道；當(dāng)Qs＞1 943 m3/s時，由輔助進(jìn)魚口為進(jìn)魚通道；或輔助進(jìn)魚口關(guān)閉，可由集魚系統(tǒng)及主進(jìn)魚口為進(jìn)魚通道。

（2）仿自然通道魚道優(yōu)化方案，魚道內(nèi)水深變化均勻，無明顯跌水及壅水現(xiàn)象，最大水面比降1.39%，出現(xiàn)在魚道主進(jìn)魚口附近；豎縫處最大水流流速1.18 m/s，普通池室內(nèi)水流流速基本保持在0.5～0.7 m/s，休息池內(nèi)水流流速基本在0.2～0.5 m/s。當(dāng)Qs≤2 350 m3/s時，集魚系統(tǒng)及主進(jìn)魚口為過魚通道；當(dāng)Qs＞2 350 m3/s時，由輔助進(jìn)魚口為進(jìn)魚通道，或輔助進(jìn)魚口關(guān)閉，可由集魚系統(tǒng)及主進(jìn)魚口為進(jìn)魚通道。

（3）豎縫式魚道總體布置、池室結(jié)構(gòu)、魚道泄流量及魚道施工與運行維護(hù)等方面優(yōu)于仿自然通道魚道方案，豎縫式魚道沿程水流流速變化與結(jié)合集魚系統(tǒng)仿自然通道相當(dāng)，豎縫式魚道沿程水位及比降變化相對于仿自然通道方案略差。綜合考慮以上因素，以豎縫式魚道優(yōu)化方案為推薦方案。

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Study on flow condition in fish-pass structures of Yilan navigation and hydropower project

YU Guang-nian，WANG Yi-an
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Engineering Sediment，Ministry of Transport，Tianjin300456，China）

The vertical-slot fishway and the natural imitated fishway were studied through hydraulics experiment by using the normal integral model with the scale of 1：20.The variation of hydraulic factors such as water level，gradient ratio and flow rate in the fishway with different flow conditions were mainly studied.Then the primary and secondary structure，length，bottom slope，slit width and pool room number of the fishway were optimized.The fishway optimization scheme for Yilan navigation-power junction project was proposed through comprehensive comparison of fishway general layout，pool room structure，discharge volume，water level，gradient ratio changes，flow velocity variation，fishway construction，operation and maintenance.

fishway；physical model；vertical-slot fishway；natural imitated fishway

TV 61；TV 131.61

A

1005-8443（2011）06-0423-04

2011-02-16；

2011-03-21

于廣年（1979-），男，山東省萊州市人，副研究員，主要從事港口航道及治河工程研究。