龍?zhí)了l樞紐生態(tài)魚道過魚孔斷面設計優(yōu)化

熊 暉，李小五，黃康鑫

（1.中水珠江規(guī)劃勘測設計有限公司，廣州 510610；2.廣西水利電力勘測設計研究院有限責任公司，南寧 530023）

1 工程概況

龍?zhí)了l樞紐工程位于海南省海口市瓊山區(qū)，是一座集灌溉、供水、發(fā)電及防洪等綜合效益為一體的大（2）型水利樞紐工程。

工程于1970 年動工興建，包括左岸船閘、左右岸泄洪沖砂閘及引水閘、溢流壩、左右岸副壩。工程擋水高度6.8 m，屬低水頭水工建筑物，未設置過魚設施，魚類可通過泄水閘及溢流壩等下行，但洄游上行通道被堵死。近年來，環(huán)保與生態(tài)文明要求逐步提高，為加強水生生態(tài)系統(tǒng)的保護，擬于樞紐工程右岸補建生態(tài)魚道（見圖1）。

圖1 龍?zhí)了l樞紐工程總布置圖

2 魚道初步設計方案

2.1 總體布置

初步設計魚道方案采用天然蠻石（粒徑約1.0 m）將魚道沿程分隔成若干水池以消減上下游水位差6.8 m，形成魚類洄游上溯的上行通道。魚道總長度696 m，底部縱坡1/97，橫斷面寬3 m，魚道水池長度即過魚孔斷面斷面間距6 m，設計水深1.0 m，魚道進口底板高程0.57 m，魚道出口底板高程7.35 m。魚道初步設計平面布置見圖2。

圖2 魚道初步設計平面布置圖

2.2 過魚孔斷面設計

過魚孔斷面設計是形成供不同魚類所需不同流速區(qū)間的關鍵，關系著魚道設計的成敗。

本工程所需流速區(qū)間范圍大（0.18～1.20 m/s），參照相關工程經(jīng)驗,通過不同區(qū)域不同通道形成不同流速，滿足不同魚類不同的習性要求。初步設計方案過魚孔斷面蠻石按3 區(qū)4 通道布置，高流速通道2個，中低流速通道各1個（見圖3和圖4）。蠻石分別設置在橫向斷面的兩個坡腳及中央位置，主斷面蠻石阻水寬度分別為0.7、1.7 和0.7 m，相應形成兩個頂寬1.3 m的三角形通道，一個寬0.8 m的近似矩形通道，一個寬為0.5 m 的近似矩形通道。為形成不同的流速通道目標，0.8 m 和0.5 m 的通道上游1.47 m 處加設輔助蠻石，同時在0.5 m 通道的下游1.6 m 處再加設輔助蠻石，形成寬1.3 m 的三角形高速通道，寬0.8 m 的矩形中速通道，寬0.5 m 的矩形低速通道。

圖3 過魚孔斷面典型槽身橫斷面圖

圖4 過魚孔斷面蠻石擺放平面示意圖

3 局部水工模型試驗

3.1 模型設計

魚道局部模型采用正態(tài)模型，按重力相似準則設計。根據(jù)魚道各段的斷面尺寸、試驗場地、設備、供水量和儀器量測精度等要求，根據(jù)《水利水電工程魚道設計導則》（SL609-2013），確定模型幾何比尺、流量比尺、流速比尺、時間比尺、糙率比尺分別為8、181.02、2.83、1.41。

魚道局部模型主要研究典型斷面的過魚水流條件，試驗選擇魚道中部長47.8 m，底寬3 m的典型區(qū)段作為研究范圍，并將其分為3段，分別為上游過渡段、試驗段、下游過渡段，其中試驗段長4.375 m，設計方案包括6 個蠻石斷面和5 個過魚池，各蠻石斷面相距87.5 cm，底坡1∶97，相鄰水池水頭差9 mm。模型布置見圖5。

圖5 模型布置圖

3.2 試驗方法

研究魚道在設計水深1 m，模型12.5 m 時的水力條件。由于局部模型主要目的是實測各方案流速流態(tài)，進行蠻石斷面擺放方案的比較，擇優(yōu)選擇，流量不起控制作用，故無實測流量。模型放水后，用進水閥和上下游水位測針控制上下游水位，確保模型中相鄰魚池的平均水頭為9 mm，水深12.5 cm。待水位穩(wěn)定后用旋槳式流速儀實測蠻石各擺放方案下主要過魚孔斷面流速。

3.3 試驗結果

3.3.1 初步設計方案

初步設計方案魚道局部模型過流流態(tài)見圖6，魚道典型段的過魚池表層流速見圖7。由圖7可知，主要蠻石斷面上左岸三角形高速通道的流速在1.8 m/s左右，右岸三角形高速通道的流速在1.65 m/s左右，中速通道的流速在0.9 m/s 左右，低速通道流速在1.0 m/s，過魚池中部中速通道的下方流速在0.6 m/s左右。

圖6 初步設計方案魚道局部模型過流流態(tài)

圖7 初步設計方案局部模型表層流速

從物理模型的表層流速實驗結果來看，高速通道的過魚孔斷面流速偏大，已超出主要過魚對象及我國魚類的極限流速，中速通道的流速反而高于低速通道流速值，并未達到預測的設想目的。另外，初步設計方案中過魚主通道布置在兩邊，其寬度達1.3 m，本工程的重點過魚對象是日本鰻鱺、花鰻鱺等游泳能力較弱的魚類。根據(jù)相關研究，鰻鱺是一種具有明顯的邊緣導向型魚類，它會沿著建筑物的邊界向上洄游[1]，而設計方案中兩側的過魚通道為高速通道且流速高達1.8 m/s，這對于鰻鱺來說是無法克服的流速障礙，綜上所述有必要對初步設計方案進行優(yōu)化。

3.3.2 優(yōu)化方案

根據(jù)《水利水電工程魚道設計導則》（SL 609-2013）要求，仿生態(tài)魚道底坡應根據(jù)主要過魚種類特性具體確定，宜為1∶100 至1∶20。魚道主要過魚種類為四大家魚、花鰻鱺及日本鰻鱺，其洄游流速相對較小，設計方案中底坡定位1∶97 是較為合理的，無需進行優(yōu)化。針對設計方案中出現(xiàn)的流速過大問題，主要考慮從過魚池長度與蠻石斷面擺放形式進行優(yōu)化。蠻石擺放過程中，為達到不同流速通道要求，需要加設輔助蠻石，而蠻石的增加直接改變了魚道的阻水程度，相應粗糙度改變，需要不停地調整水位、糙率與流速三者的關系，最終達到理想的過魚孔斷面流速。

（1）優(yōu)化方案結構形式。經(jīng)多方案對比，推薦方案為將過魚池的長度由7 m 調整為6 m。在試驗段共有7 個蠻石斷面、6 個過魚池，底坡不變，每個水池的水頭差為0.062 m。將蠻石斷面的過魚通道改為3區(qū)3通道，高中低流速通道各一個，高速通道布置在左岸寬0.5 m，中速主通道布置在斷面中心處寬0.8 m，低速通道布置在右岸，是一個寬為0.5 m的三角形過魚孔斷面。在此基礎上，為達到梯級流速的過魚孔斷面要求，在中速通道上游1.1 m 處以及低速通道下游1.10 m處加設輔助蠻石，蠻石粒徑分別為0.8、0.5 m，各斷面蠻石的擺放形式相同，蠻石高度均保持1 m 以上。優(yōu)化方案中，過魚孔斷面面積占整個過水斷面面積的26.8%，優(yōu)化結構形式見圖8、圖9。

圖8 優(yōu)化方案過魚孔斷面典型槽身橫斷面圖

圖9 優(yōu)化方案典型槽身斷面蠻石俯視圖

（2）優(yōu)化方案流速流態(tài)分布。優(yōu)化方案魚道局部模型過流流態(tài)見圖10，魚道典型段過魚池表層、中層、底層流速分別見圖11～13。

圖10 優(yōu)化方案魚道局部模型過流流態(tài)

由圖11 可知，優(yōu)化方案布置下，水流在各蠻石斷面處形成了較為明顯的3 條通道，并將過魚池分為兩部分，除右岸蠻石處有小范圍回流，池中未見明顯回流，對魚類的上溯不會造成影響，其中A和B的區(qū)域流速較小，一定程度上可為魚類提供休息空間。在距離水面深3、8、12 cm處分別測試主要過魚孔斷面的分層流速，低速通道由于水深較淺未測中下層流速。表層流速中，過魚池的流速分布在0.10～1.2 m/s 間，低速通道的流速分布在0.44～0.50 m/s，中速通道的流速值分布在0.82～0.96 m/s，高速通道分布在1.03 ～1.11 m/s，形成了3個梯度的流速通道，輔助蠻石形成的通道流速范圍均在0.40～0.63 m/s，池中部位于中速通道下的流速為0.49～0.74 m/s，其它部位的流速在0.2 m/s左右。

圖11 優(yōu)化方案局部模型表層流速

由圖12 可知，中速通道的流速范圍為0.8～1.05 m/s，高速通道的流速范圍1.03～1.05 m/s，同樣實現(xiàn)了不同梯級的流速通道，輔助蠻石形成的過魚孔斷面以及池中的流速均在0.8 m/s以下，不會對魚類的洄游產(chǎn)生影響。

圖12 優(yōu)化方案局部模型中層流速

由圖13可知，中速通道流速范圍0.68～1.05 m/s，高速通道流速范圍0.9～1.28 m/s，除個別點外，中高速通道的流速差別不大，二者流速較為相近，其它測點的流速均小于0.8 m/s。

圖13 優(yōu)化方案局部模型底層流速

4 結語

綜上所述，優(yōu)化方案下過魚池的過魚通道能夠形成不同的流速級別，可供具有不同游泳能力的魚類通過，并且中高低流速通道的設計符合工程主要過魚對象的生物洄游習性，低速通道靠右岸解決了鰻鱺這一較為特殊的魚類洄游問題，寬度為0.8 m的最大通道流速范圍處于我國大多魚類如四大家魚的克流范圍，是普通魚類的最佳洄游通道，而少數(shù)游泳能力較強的魚類也可從左岸的高速通道越過阻礙，因此優(yōu)化后方案為最終推薦方案，可供魚道整體模型試驗及魚道設計選用。本文僅探討局部水工模型試驗在過魚孔斷面調整和優(yōu)化中的作用，不涉及魚道整體水工模型試驗與數(shù)值模擬試驗，相關工作應繼續(xù)開展。