花園水庫工程魚道設(shè)計及調(diào)度運(yùn)行說明

李云鵬

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080)

花園水庫工程魚道設(shè)計及調(diào)度運(yùn)行說明

李云鵬

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080)

當(dāng)代水利工程越來越重視環(huán)境生態(tài)因素，以往的水利工程中對傳統(tǒng)的邊坡、植被等生態(tài)已有足夠重視，近年來隨著天然漁業(yè)資源由于各種原因退化嚴(yán)重，水利樞紐的過魚設(shè)施再次被環(huán)保部門重視，花園水庫工程列為為“十三五”期間172項重大水利工程項目，可研設(shè)計中的生態(tài)護(hù)坡、生態(tài)環(huán)境流量、分層取水、魚道工程等設(shè)計元素充分體現(xiàn)了設(shè)計者的生態(tài)保護(hù)意識。文章在參照國內(nèi)外眾多已建魚道的成功案例，論述了魚道的設(shè)計過程，并總結(jié)提出實(shí)施前仍需重點(diǎn)研究的問題。

水利工程；生態(tài)環(huán)境；魚道；模型試驗；調(diào)度運(yùn)行

0 前 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在各種工程建設(shè)中，生態(tài)環(huán)境的要求和制約越來越受到人們重視，水利工程亦如此。水利樞紐工程除在工程上對山、林、土等生態(tài)環(huán)境的破壞外。還有工程運(yùn)行后，截斷水流后都對上下游水文、水生態(tài)的破壞。當(dāng)代水利工程對于減少生態(tài)環(huán)境的影響做了很多詳實(shí)工作，例如：山、林、土的恢復(fù)，不惜增大投資采用了各種生態(tài)類型的護(hù)坡結(jié)構(gòu)，增設(shè)環(huán)保施工措施及水土保持措施；對水文水生態(tài)的保護(hù)采用了生態(tài)放流結(jié)合小流量電站的方式，既解決了樞紐下游不斷流，又充分利用了水資源。

但對于水生物，尤其是洄游性魚類，河道內(nèi)的大壩阻閣其上溯洄游。在水生態(tài)關(guān)鍵影響區(qū)內(nèi)對河流生態(tài)的阻斷，必然影響洄游型魚類的生存條件，甚至引起河流內(nèi)洄游魚類種群的消亡。20世紀(jì)60年代到80年代，我國對過魚設(shè)施進(jìn)行了初步研究，建設(shè)了數(shù)十座魚道。但由于效果不理想，葛洲壩水利樞紐中采用了以人工繁殖的方法代替修建魚道，但效果也不理想。進(jìn)入21世紀(jì)后，天然漁業(yè)資源由于各種原因退化嚴(yán)重，水利工程過魚設(shè)施的研究和建設(shè)重新受到重視，為此國家環(huán)保部分再提修建過魚設(shè)施，首批建設(shè)的魚道工程包括北京上莊水庫魚道、珠江長灘樞紐魚道和長江小南海魚道等?；▓@水庫列為國家重點(diǎn)172項目之一，過魚設(shè)施的建設(shè)應(yīng)在規(guī)劃設(shè)計階段給予足夠的重視，因此在可研階段進(jìn)行魚道的方案設(shè)計。

1 花園水庫概況

花園水庫總庫容4.31×108m3，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電等綜合利用的大(2)型水利樞紐工程。灌溉面積8.03萬hm2，工程屬Ⅱ等，主要建筑物攔河壩、溢洪道、輸水洞等為2級，相應(yīng)防洪標(biāo)準(zhǔn)按100a一遇洪水設(shè)計，2000a一遇洪水校核；溢洪道為河岸式，消能防沖設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇。電站為結(jié)合灌溉用水發(fā)電，按灌溉功能確定主要建筑物為2級，電站按2級建筑物設(shè)計，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)100a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500a一遇。魚道為3級建筑物。永久交通道路參照4級公路，荷載標(biāo)準(zhǔn)采用公路-Ⅱ級。主要建筑物邊坡級別為2級[1]。

2 過魚種類及設(shè)施的選擇

調(diào)查采用現(xiàn)場調(diào)查并結(jié)合漁民捕撈作業(yè)，根據(jù)調(diào)查走訪及查閱相關(guān)歷史資料，雅魯河、濟(jì)沁河共有魚類有18種，經(jīng)篩查《中國瀕危動物紅皮書·魚類》，結(jié)合環(huán)評及水產(chǎn)部分提出的過魚種類，主要涉及到的包括細(xì)鱗魚、哲羅魚、七鰓鰻、懷頭鯰、江鱈等、兼顧鰱、鳙、鯉、銀鯽等溫水性魚。

魚道運(yùn)行作用的最大設(shè)計水頭差H=26.4m。水頭相對較低，魚道和仿自然通道適用于在低水頭水利工程，仿自然魚道具有適應(yīng)生態(tài)恢復(fù)原則、易于根據(jù)過魚情況調(diào)整改造等優(yōu)點(diǎn)。但由于占地面積較大，且需結(jié)合較平緩的地形，在本工程中左岸偏于平緩，但有大面積居民區(qū)，涉及工程量及占地均較大，投資相對較大，同時，其進(jìn)出口距離樞紐軸線較遠(yuǎn)，運(yùn)行管理不便等劣勢[2]。豎縫式魚道投資較少，施工影響較小，運(yùn)行管理方便，安全可靠，因此初步采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)豎縫式魚道，優(yōu)缺點(diǎn)詳見表1。

表1 仿生態(tài)魚道與鋼混豎縫式魚道比較

3 魚道的設(shè)計

3.1 魚道設(shè)計參數(shù)

1)主要過魚種類：本魚道過魚保護(hù)對象主要是七鰓鰻、哲羅鮭兼顧“四大家魚”中的草魚。

2)主要過魚季節(jié)：為每年4-7月，全年中的其它時間，魚類也可以根據(jù)生活習(xí)性需要通過過魚設(shè)施過壩[3]。

3)魚道設(shè)計水力學(xué)參數(shù)：花園水庫位于嫩江縣濟(jì)沁河下游，為保證濟(jì)沁河內(nèi)原有洄游魚類魚繁殖期的上溯過壩問題，的運(yùn)行最大設(shè)計水頭26.40m，設(shè)計魚道運(yùn)行上游庫區(qū)水位277.50-282.00m，設(shè)計魚道運(yùn)行下游最低水位255.60m。設(shè)計最大運(yùn)行水深2.50m，設(shè)計最小運(yùn)行水深1.0m，設(shè)計流速1.0m/s。實(shí)際運(yùn)行中，可按最終選定的設(shè)計斷面根據(jù)運(yùn)行條件要求調(diào)整表面的粗糙度，微調(diào)流速，以保證魚類可洄游。各水力學(xué)參數(shù)詳見表2。

表2 魚道工程主要特性表

以上參數(shù)中，較為重要水力學(xué)參數(shù)的是設(shè)計流速及池室寬度的確定，設(shè)計流速主要參照過魚種類，成魚體長等確定，按各類魚種感應(yīng)流速與極限流速交叉取，爭取兼顧各類重要過魚對象，必要時應(yīng)修建2條甚至多條魚道，以保證重要過魚種類可上溯洄游；過魚寬度則需根據(jù)主要過魚對象大小取值，國內(nèi)多通過個體不大的鯉科魚類，池室寬度一般可取2-3m。設(shè)計取設(shè)計流速v=1.0m/s，池室寬度b=3.0m。其它設(shè)計參數(shù)在設(shè)計導(dǎo)則中均可查，或可通過設(shè)計流速及池室寬度計算出范圍值，適當(dāng)選取。

3.2 魚道的平面布置

通過簡單的比較，在右岸修建豎縫式魚道雖然開挖量較大，但可利用開挖石料上壩，經(jīng)濟(jì)比較上更節(jié)省，且地形也便于布置魚道。魚道布置于樞紐右岸山體[4]。

花園水庫魚道總長2389m(不含1#、2#進(jìn)出口控制閘長度)，樁號由下游往上游遞增進(jìn)行編制(魚0+000-魚2+389)。魚道底板縱坡除控制閘、休息室段采用水平底板外，各標(biāo)準(zhǔn)池室底板縱坡比采用1∶78。魚道標(biāo)準(zhǔn)池室長度取4.0m。平均每10個標(biāo)準(zhǔn)池設(shè)1個休息池，共50個。

大壩下游段(魚0+000-魚1+972)，樁號0+000為魚道進(jìn)口處，設(shè)拋石混凝土槽與魚道池室相接，首節(jié)池室底高程254.40m。魚道進(jìn)口設(shè)有控制閘一座，設(shè)工作閘門、檢修閘門；閘門進(jìn)口位于魚道1#休息室上游位置，位于樁號0+048處。閘門底高程254.91m。大壩上游段(魚1+972-魚2+389)魚道出口設(shè)有不同高程控制閘三座，設(shè)工作閘門、檢修閘門。其中1#出口閘門底高程276.50m，2#出口閘門底高程278.0m，3#出口工作閘門279.50m。進(jìn)口閘門僅作為較高水位狀態(tài)下檢修上游池室使用，不承擔(dān)防洪功能。大壩上游段魚道(樁號1+972-2+389段)承擔(dān)防洪功能，墩頂高程同壩頂高程285.55m，3個出口閘門擋校核洪水位284.76m。布置型式見圖1。

圖1 花園水庫魚道布置

4 魚道的運(yùn)行管理

魚道運(yùn)行進(jìn)在所保護(hù)魚類洄游期，通常為每年4-7月，依實(shí)際要求，且可間斷運(yùn)行，最多4個月。下游水位需高于255.60最小運(yùn)行水位。上游運(yùn)行水位為277.50-282.00m。

4.1 魚道運(yùn)行與各建筑物運(yùn)行工況關(guān)系

當(dāng)溢洪道泄流時，魚道不運(yùn)行。

魚道運(yùn)行時需要下游水深0.8m以上，滿足下游水深0.8m的流量要求需大于10.0m3/s。魚道運(yùn)行時各建筑物可能存在以下流量組合方式。

1)電站不發(fā)電：生態(tài)流量+魚道流量1.35m3/s+電站空放流量=10.0m3/s。

2)電站單機(jī)發(fā)電：單機(jī)流量11.65m3/s+魚道流量1.35m3/s=13.0m3/s。

3)電站大+小發(fā)電：雙機(jī)組流量13.66m3/s+魚道流量1.35m3/s=15.01m3/s。

4)電站雙大機(jī)組發(fā)電：雙機(jī)組流量23.3m3/s+魚道流量1.35m3/s=24.65m3/s。

5)機(jī)組全運(yùn)行發(fā)電：三機(jī)組流量25.31m3/s+魚道流量1.35m3/s=24.66m3/s。

4.2 閘門控制

4.2.1 下游進(jìn)口閘門

當(dāng)下游水位高于256.00且有檢修要求時，關(guān)閉進(jìn)口閘門，同時關(guān)閉上游1#、2#、3#閘門，可對樁號0+52.5-1+972段內(nèi)的魚道進(jìn)行檢修。其余時段均可敞開。

4.2.2 下游出口閘門

1)1#出口閘門：當(dāng)魚道需運(yùn)行，下游水位滿足運(yùn)行要求時，且上游庫區(qū)水位在277.50-279.00m之間時，打開1#出口閘門。其余時間均為關(guān)閉狀態(tài)；

2)2#出口閘門：當(dāng)魚道需運(yùn)行，下游水位滿足運(yùn)行要求時，且上游庫區(qū)水位在279.00-280.50m之間時，打開1#出口閘門。其余時間均為關(guān)閉狀態(tài)；

3)3#出口閘門：當(dāng)魚道需運(yùn)行，下游水位滿足運(yùn)行要求時，且上游庫區(qū)水位在280.50-282.00m之間時，打開1#出口閘門。其余時間均為關(guān)閉狀態(tài)。

5 待解決的問題

可研設(shè)計階段對魚道工程的布置型式，結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了設(shè)計，對水力參數(shù)采用了經(jīng)驗公式進(jìn)行計算，需要根據(jù)模型試驗?zāi)M的結(jié)果對設(shè)計本身進(jìn)行修正。主要驗證：

1)魚道坡比、沿程流速及水面線變化情況等水力條件。

2)優(yōu)化魚道進(jìn)、出口的數(shù)量和布置方式。

3)確定補(bǔ)水系統(tǒng)布置及補(bǔ)水量的大小。

由于魚道內(nèi)豎縫尺寸較小，進(jìn)口閘門有必要設(shè)置攔污柵。對進(jìn)口處的攔污柵尺寸布置的論證較為難，如何在不影響魚類洄游的同時布置尺寸適宜的攔污柵，是下一階段應(yīng)與水產(chǎn)部門溝通論證的問題[5]。

除上述實(shí)際問題外，還應(yīng)多走訪成功過魚的已建魚道導(dǎo)魚及誘魚設(shè)施部分，結(jié)合成功案例效仿布置。

[1]水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院.水工設(shè)計手冊第七卷·泄水與過壩建筑物[M].北京：中國水利水電出版社，2014：62-70.

[2]王興勇，郭軍.國內(nèi)外魚道研究與建設(shè)[J].北京，中國水利水電研究學(xué)報，2005，03(03)：222-227.

[3]劉洪波.魚道建設(shè)現(xiàn)狀、問題與前景[J].水利經(jīng)濟(jì)報，2009，15(06)：477-479.

[4]艾克明.魚道水利設(shè)計的基本要點(diǎn)與工程實(shí)例[J].湖南水利水電報，2010(03)：3-6.

[5]宋德敬，姜輝，關(guān)長濤，等.老龍口水利樞紐工程中魚道的設(shè)計研究[J].海洋水產(chǎn)研究，2008(01)：12-14.

1007-7596(2017)07-0057-03

2017-06-20

李云鵬(1984-)，男，黑龍江肇東人，工程師，從事水利工程設(shè)計工作。

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