藏木水電站魚道設(shè)計

曾海釗,周小波,陳子海

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

藏木水電站魚道設(shè)計

曾海釗,周小波,陳子海

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

藏木水電樞紐工程位于西藏高原。為了滿足興建藏木工程后洄游魚類上溯的要求，保護雅魯藏布江水生生態(tài)環(huán)境的完整性，減緩工程對魚類種群遺傳交流的影響，針對藏木工程對魚類的影響、魚類習(xí)性、藏木魚道的布置、水力設(shè)計、進出口型式的選擇、結(jié)構(gòu)型式選擇等進行論述，對藏木魚道設(shè)計進行了較為詳細(xì)的介紹。

魚道；布置；結(jié)構(gòu)形式；藏木水電站

0 前 言

藏木水電站是雅魯藏布江干流開發(fā)的第一座電站，開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，兼顧生態(tài)環(huán)境用水要求，無航運、漂木、防洪、灌溉等綜合利用要求。電站采用壩式開發(fā)，左側(cè)河床布置6孔溢流壩，右側(cè)河床布置6臺水輪發(fā)電機組的壩后式地面廠房方案。正常蓄水位3 310 m，汛期排沙水位3 305 m，死水位3 305 m，具有日調(diào)節(jié)能力，總裝機容量510 MW，年發(fā)電量25.008億kW·h。

對藏木水電站壩址附近漁獲物99%以上的種類進行了生物學(xué)特征的分析，涉及到影響區(qū)域的常見種類和少見種類，分別為異齒裂腹魚、巨須裂腹魚、拉薩裂腹魚、尖裸鯉、雙須葉須魚、拉薩裸裂尻魚、黑斑原鮡、黃斑褶鮡共計8種。為了更好地保護好雅魯藏布江水生生態(tài)環(huán)境的完整性，減緩大壩阻隔對魚類種群遺傳交流的影響，根據(jù)國家有關(guān)法律法規(guī)的規(guī)定，藏木水電站采取適當(dāng)過魚措施是非常必要的。通常過魚設(shè)施包括魚道、仿自然通道、魚閘、升魚機和集運漁船等[1]。藏木水電站工程運行水頭較低，魚道具有不需要人工操作、且可持續(xù)過魚、運行費用低、過魚效果好等因素，魚道相對更適用于本工程。因此，本工程過魚設(shè)施擇優(yōu)選擇魚道過魚方式。

1 工程特點

藏木水電站位于西藏高原，有其自身獨有的特點，每一項特點都注定了藏木魚道設(shè)計的艱巨性和挑戰(zhàn)性。首先，藏木水電站是雅魯藏布江中游規(guī)劃建設(shè)的第一座大型電站，生態(tài)環(huán)境較為薄弱，環(huán)保要求高；其次，藏木水電站壩高116 m，最大水頭67.0 m，額定水頭53.5 m，而國內(nèi)外成功運行魚道的水頭一般在30 m以下，可供參照的高壩魚道工程成功案例很少；第三，本工程魚道出口水位變幅5 m，進口水位最大變幅4.52 m，變幅較大，魚道的設(shè)計難度較大；第四，目前國內(nèi)仍未頒布魚道工程的設(shè)計規(guī)范，缺乏指導(dǎo)設(shè)計的規(guī)程、規(guī)范作為依據(jù)；最后，雅魯藏布江工程河段魚類生態(tài)習(xí)性、游泳能力等基礎(chǔ)研究薄弱也是魚道工程設(shè)計的制約因素之一。

2 魚道布置

藏木水電站水庫總庫容0.93億m3，電站裝機容量510 MW，為二等工程，工程規(guī)模為大(2)型，其永久性主要水工建筑物按2級設(shè)計，永久性次要水工建筑物按3級設(shè)計。魚道出口明渠段、過壩段與大壩結(jié)合，系擋水建筑物，按2級設(shè)計，其它部分按3級建筑物設(shè)計。

藏木水電站引水發(fā)電系統(tǒng)布置在右岸，泄洪系統(tǒng)布置在左岸。電站正常運行期，泄洪系統(tǒng)關(guān)閉，左岸無穩(wěn)定水流下泄，魚類不易在此聚集，進口誘魚效果較差，不滿足《水電工程過魚設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(送審稿)中關(guān)于“魚道進口應(yīng)布置在經(jīng)常有水流下泄的地方，且緊靠魚類能上溯的最上游處”的要求，同時泄洪系統(tǒng)也布置在左岸，泄洪時魚道進口容易被損毀破壞。

若魚道進口布置在右岸，可結(jié)合尾水渠導(dǎo)墻布置，此處常年有穩(wěn)定尾水下泄，魚類易在此聚集，進口誘魚效果較好，且此處避開了泄洪對魚道進口造成損毀破壞的威脅。因此，藏木水電站魚道整體布置在河床右岸。

圖1 魚道總體布置

3 設(shè)計流速

魚道進口通常采用較大的流速以吸引魚類，但魚道進口流速需要在魚類的耐受范圍之內(nèi)，應(yīng)大于臨界流速，小于突進流速，為使魚道進口能夠適應(yīng)更多種類及規(guī)格的魚類進入，魚道進口流速值適當(dāng)放寬。綜合考慮主要過魚對象異齒裂腹魚、巨須裂腹魚和拉薩裂腹魚的臨界游速和突進游速，本魚道進口流速應(yīng)控制在0.8～1.2 m/s之間。而魚道過縫流速既要考慮過魚孔流速安全值和最大值，又要綜合考慮魚類通過能力和工程建設(shè)的平衡，因此本魚道設(shè)計過縫流速值取為1.10 m/s。3種主要過魚對象的臨界游速和突進游速見表1。

表1 3種主要過魚對象臨界游速和突進游速比較

4 進 口

藏木水電站魚道布置了1號常用進口，位于尾水渠左側(cè)的導(dǎo)墻末端，進口底板高程為3 241.00 m，頂高程3 250.00 m。1號進口在指向下游及兩側(cè)三個方向上各布置了一道進魚縫，縫寬0.7 m。當(dāng)不同機組臺數(shù)發(fā)電運行時，下游水深不同，當(dāng)1～2臺機組發(fā)電時，下游尾水位為3 243.55～3 244.93 m；當(dāng)3～6臺機組發(fā)電時，下游尾水位為3 246.13～3 248.05 m。

由于電站發(fā)電尾水可能將魚類吸引到尾水出口處，故本魚道在尾水渠左、右兩側(cè)的導(dǎo)墻始端布置了3號、4號兩個備用進口，其底板高程分別為3 243.30 m、3 245.60 m。在1號常用進魚口過魚效果不理想時后期可改建為常用進魚口。圖2給出了三個魚道進口的平面圖。

5 明渠段

魚道明渠段由池室、休息池和觀測室組成。

5.1 池室

4.3.4 金安區(qū)屬于大別山區(qū)余脈，地勢由南向北傾斜，崗地沖地相間存在，大部分地區(qū)耕地平坦，東方、北方耕地級別較西方、南方好。

5.1.1 結(jié)構(gòu)形式

池室結(jié)構(gòu)根據(jù)國內(nèi)外已建工程，包括溢流堰式、底(潛)孔式、豎縫式。每種形式都有其自身特點，溢流堰式適用于非常小的魚和爬行種類，底(潛)孔式水流的紊動度小，對上游水位變動的適應(yīng)性好。

本工程過魚對象主要為裂腹魚類和鮡科魚類，其中裂腹魚類棲息于深水沱或河槽中，鮡科魚類常吸附于底層石塊上。豎縫式魚道由于豎縫流速上下基本一致，適合各種水層生活的魚類，過魚種類較廣，可以最大限度地起到溝通上下游魚類交流的目的。同時，豎縫式魚道能夠適應(yīng)本工程下游水位變幅較大的情況。

5.1.2 豎縫寬度

豎縫寬度與魚類個體大小、池室大小、消能效果、流速控制、水位落差等因素有關(guān)。為使垂直豎縫可以滿足多數(shù)魚類的通過需求，一般要求豎縫式魚道的豎縫寬度不小于過魚對象體長的1/2[2]。通過對當(dāng)?shù)貪O民的調(diào)查走訪，確定本工程過魚對象最大體長約0.6 m，因此，魚道豎縫寬度取0.3 m。藏木水電站過魚對象體長見表2。

圖2 魚道進口平面示意

過魚對象常規(guī)體長/mm最小性成熟體長/mm最大體長/mm主要過魚尺寸/mm主要過魚對象異齒裂腹魚200～450233500233～500巨須裂腹魚170～290212450212～450拉薩裂腹魚190～350252600252～600兼顧過魚對象尖裸鯉200～350210600210～600雙須葉須魚200～400347400347～400拉薩裸裂尻魚150～300224350224～350黑斑原鮡140～220142300142～300黃斑褶鮡120～180約150220150～220

注：最大個體體長主要參照漁民調(diào)查問卷結(jié)果，常規(guī)體長為主要漁獲物體長分布范圍。

5.1.3 池室?guī)缀纬叽?/p>

(1) 池室長寬。N.Rajaratnam[3]針對18種形式的豎縫式魚道進行了研究，得出了池室長度、寬度和豎縫寬度的比例關(guān)系(見圖3)。

L=10b0

(1)

b=8b0

(2)

式中L——池室長度，m；

b——池室寬度，m；

bo——豎縫寬度，m；

圖3 池室長度、寬度、豎縫比例關(guān)系

本工程豎縫寬度選取0.3 m，則池室長度取為3.0 m，池室寬度取為2.4 m。

(2)池室深度。魚道水深主要視過魚對象習(xí)性而定，底層魚和體型較大的成魚相應(yīng)要求水深較深，國內(nèi)外魚道深度一般為1.0～3.0 m[4]。雅魯藏布江分布的大多魚類喜淺水礫石環(huán)境，藏木水電站魚道結(jié)合上下游水文資料，確定正常運行水深設(shè)計為1.0～2.7 m，池室深度采用3.5 m，以防止魚道運行時水流波動外溢。

(3)池間落差及縱坡。池間落差決定了過魚豎縫處的流速以及池室內(nèi)部流態(tài)，按以下公式確定：

(3)

(4)

式中Δh——池間落差,m；

U0——過魚豎縫處的流速,m/s；

i——魚道縱坡。

通過魚道水工模型試驗，實測過魚豎縫流速U0=1.01～1.08 m/s。當(dāng)魚道縱坡i取0.02，L取3.0 m時，過魚豎縫處的流速U0為1.058 m/s，滿足魚道的設(shè)計流速要求。

5.2 休息池

考慮魚類上溯途中要設(shè)置一定的休息場所，本工程每升高9.00 m布置一個休息池，在魚道轉(zhuǎn)彎位置處也設(shè)置休息池，休息池底坡i=0。休息池可供魚類上溯過程中暫時休息，恢復(fù)體力，有利于魚類的繼續(xù)上溯。

5.3 觀測室

本工程共設(shè)置兩個魚道觀測研究室，分別位于魚道進口段和出口段。魚道進口觀測研究室承擔(dān)統(tǒng)計進魚數(shù)量、觀察研究和參觀游覽的功能，出口魚道觀測研究室承擔(dān)統(tǒng)計成功過魚數(shù)量和觀察研究的功能。

6 出口

魚道出口水位變幅5 m，共布置了4個出口，底板高程分別為3 304.00 m、3 305.00 m、3 306.00 m和3 307.50 m。為使魚類順利通過，魚道4個出口與魚道軸線夾角為30°，朝向上游。魚道4個出口各布置了一道出魚孔，孔寬1.5 m，高3 m，出魚孔內(nèi)均設(shè)一道工作檢修閘門。1號出口工作水位范圍為3 306.70～3 305.00 m；2號出口工作水位范圍為3 307.70～3 306.50 m；3號出口工作水位范圍為3 308.70～3 307.50 m；4號出口工作水位范圍為3 310.00～3 308.50 m。圖4給出了四個魚道出口的平面圖。

圖4 魚道出口平面示意

7 運行、維護及監(jiān)測

由于上下游水位的變化，需要對魚道的進水量和運行水位進行控制，以使通道內(nèi)的流速和流態(tài)保持穩(wěn)定并滿足魚類上溯的要求。在不同水位情況下，通過上游出口閘門的啟閉，控制出口的進水量和進水水位，避免出現(xiàn)局部較大的水位跌落或水位雍高，造成魚類上溯障礙。2～6月，為過魚季節(jié)，全時段運行；7～10月，當(dāng)藏木水電站機組發(fā)電且不泄洪的工況下，魚道保持運行；當(dāng)藏木水電站在泄洪工況下，魚道停止運行。

魚道投入運行后，必須加強保養(yǎng)和維修。每年11月至翌年1月，魚道停止運行，進行魚道清污、維護、保養(yǎng)及檢修，在過魚季節(jié)來臨前進行全面整修，保證過魚設(shè)施功能的正常發(fā)揮。

在運行后根據(jù)觀測評估及調(diào)查研究的結(jié)果，結(jié)合魚道運行情況、過魚對象的洄游和上溯要求、水力條件現(xiàn)場實測結(jié)果可為其他類似工程魚道設(shè)計提供參考和借鑒；同時根據(jù)運行情況對過魚設(shè)施的運行、管理和維護規(guī)程進行完善。

8 結(jié) 語

為保護雅魯藏布江流域水生生態(tài)環(huán)境、恢復(fù)工程河段魚類物種交流通道、緩解工程運行對雅魯藏布江工程河段水生生態(tài)的不利影響，在藏木水電站修建魚道，將進一步提高我國在高壩魚道的設(shè)計、施工和管理水平。

[1] 曹慶磊,楊文俊, 周良景. 國內(nèi)外過魚設(shè)施研究綜述[J].長江科學(xué)院院報, 2010(05).

[2] LO Y C，Chen S D，Chen C Y，et al． Combining enzymatic hydrolysis and dark - photo fermentation processes for hydrogen production from starch feed - stock: A feasibility study[J]． Internation Journal of Hydrogen Energy，2008，33 ( 19 ) :5224 - 5233.

[3] N.Rajaratnam. T New designs vertical slot fishways[J]: CAN. J. CIV. ENO. VOL. 19, 1992.

[4] 金弈,康建民,喻衛(wèi)奇,譚奇林. 旬陽水電站的魚道設(shè)計[J].水力發(fā)電,2011(12).

2016-08-23

曾海釗(1986-)，男，四川蓬溪人，碩士，工程師，從事水工設(shè)計工作。

S956.3

B

1003-9805(2017)01-0068-04