淺論魚道設(shè)計方法與過程
——以藏木水電站魚道設(shè)計為例

周小波, 陳 靜, 張連明

(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)

淺論魚道設(shè)計方法與過程
——以藏木水電站魚道設(shè)計為例

周小波, 陳 靜, 張連明

(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)

攔河大壩的興建阻斷了魚類洄游通道，使工程河段魚類生境更趨片段化。魚道作為恢復(fù)魚類洄游通道，緩解工程建設(shè)對魚類生存環(huán)境影響的重要工程措施之一，被越來越多的水利水電工程所采用，魚道設(shè)計也因此越來越受到重視。目前，國內(nèi)魚道設(shè)計方面的文獻(xiàn)，以介紹某一特定類型魚道或魚道某一特定部位的居多，結(jié)合實際工程介紹魚道設(shè)計過程與方法的較少。本文以藏木水電站魚道設(shè)計為例，重點介紹魚道設(shè)計方法與過程，供類似工程魚道設(shè)計參考。

魚道設(shè)計； 生態(tài)習(xí)性； 豎縫式魚道； 魚道進口； 魚道出口

0 前 言

藏木水電站系“雅魯藏布江中游桑日～加查峽谷段規(guī)劃”的第4級水電站，上游銜接街需水電站，下游為加查水電站，電站場址位于西藏山南地區(qū)加查縣城上游。電站安裝6臺水力發(fā)電機組，引用流量1 071.3 m3/s，總裝機容量510 MW。

2009年1月，國家環(huán)保部對《雅魯藏布江藏木水電站環(huán)境影響報告書》進行了批復(fù)，指示藏木水電站應(yīng)修建魚道設(shè)施。2009年12月，藏木水電站魚道設(shè)計工作啟動。

本文將結(jié)合藏木魚道工程，著重從設(shè)計準(zhǔn)備和魚道設(shè)計兩方面介紹魚道設(shè)計過程與方法。

1 設(shè)計準(zhǔn)備

1.1 制定工作方案

魚道設(shè)計工作開展之前，應(yīng)制定切實可行的工作方案，保障魚道設(shè)計工作有序地推進。

藏木魚道設(shè)計提出“魚類資源調(diào)查→過魚對象確定→過魚對象生態(tài)習(xí)性研究→過魚對象游泳能力測試→魚道設(shè)計參數(shù)確定→魚道初步設(shè)計→模型試驗→魚道設(shè)計方案確定→魚道實施及優(yōu)化→原型實驗→魚道運行過魚監(jiān)測→魚道持續(xù)研究”一整套工作方案，用于指導(dǎo)藏木魚道設(shè)計。

1.2 收集基礎(chǔ)資料

魚道設(shè)計應(yīng)收集過魚對象生態(tài)習(xí)性、游泳能力、電站樞紐布置、電站特征水位等基礎(chǔ)資料。

1.2.1 過魚對象與過魚季節(jié)

雅魯藏布江中上游魚類主要有異齒裂腹魚、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、黃斑褶鮡等。

藏木魚道過魚對象可分為兩類：第一類，異齒裂腹魚、巨須裂腹魚和拉薩裂腹魚，具有短距離生殖洄游習(xí)性，資源量較大，為主要過魚對象；第二類，尖裸鯉、雙須葉須魚、拉薩裸裂尻魚、黑斑原鮡和黃斑褶鮡，為兼顧過魚對象。過魚對象選擇結(jié)果與體長規(guī)格見表1。

藏木魚道過魚對象均為高原魚類區(qū)系的種類，有明顯的遷移交流，但沒有典型的洄游習(xí)性，拉薩裂腹魚、異齒裂腹魚和巨須裂腹魚在繁殖季節(jié)3～6月具有趨流特性和短距離洄游特性。

1.2.2 過魚對象生態(tài)習(xí)性

主要過魚對象異齒裂腹魚、巨須裂腹魚和拉薩裂腹魚具有深水緩流底棲性，棲息于干流深水沱和河槽之中。兼顧過魚對象黃斑褶鮡常吸附于石塊上生活，雙須葉須魚、拉薩裸裂尻魚和黑斑原鮡棲居于沙底、水流緩慢的河流中以及深潭中，尖裸鯉喜歡棲息于淺水，反應(yīng)迅速。

1.2.3 過魚對象游泳能力

設(shè)計過程中，在藏木魚道場址針對主要過魚對象夏季(6月)的感應(yīng)流速、臨界游速和突進游速進行了測試，測試成果見表2。

游泳能力測試的同時，對主要過魚對象持續(xù)游泳時間也進行了測試。測試發(fā)現(xiàn)：異齒裂腹魚、巨須裂腹魚和拉薩裂腹魚3種主要過魚對象持續(xù)游泳能力較為接近，臨界游速0.8 m/s時的持續(xù)游泳時間約1 h，突進游速1.2 m/s時的持續(xù)游泳時間不足20 min。

表1 過魚對象選擇與體長規(guī)格

表2 主要過魚對象夏季和冬季游泳能力

1.2.4 電站布置格局與特征水位

藏木水電站樞紐布置格局為混凝土重力壩+壩后式廠房。電站樞紐布置自左岸向右岸分別為左岸擋水壩段、6個表孔溢流壩段、左沖砂底孔壩段、6個廠房壩段、右沖砂底孔壩段、右岸擋水壩段，大壩壩頂總長度389.50 m。

藏木水電站水庫具有日調(diào)節(jié)能力，水庫與尾水渠特征水位見表3。

表3 水庫與尾水渠特征水位

2 魚道設(shè)計

魚道設(shè)計的內(nèi)容包括魚道類型、進口及補水、底坡與池室、休息池、魚道出口等。

2.1 根據(jù)過魚對象生態(tài)習(xí)性，選用魚道類型

魚道類型分為槽式、池式和組合式。槽式包括簡單加糙型和丹尼爾型，池式包括溢流堰式、豎縫式、底(潛)孔式，組合式包括堰孔、堰縫組合式。魚道類型的適應(yīng)性見表4。

豎縫式魚道水流流態(tài)平穩(wěn)，不會因水流流態(tài)急劇變化影響過魚對象洄游。過魚豎縫水深范圍大，可滿足過魚對象不同的水深喜好。過魚豎縫由水底至水面水流流速逐層增大，不同過魚對象均能尋找到喜好的流速水層洄游。

根據(jù)過魚對象的生態(tài)習(xí)性，藏木水電站選擇了豎縫式魚道，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計出圓弧導(dǎo)流豎縫式魚道(見圖1)，豎縫前設(shè)置導(dǎo)流圓弧，豎縫底頂同寬。

2.2 根據(jù)過魚對象生態(tài)習(xí)性，結(jié)合進口水位，設(shè)計魚道進口及補水

魚道進口通常布置在原始河道過魚對象聚集處，并且進口內(nèi)只設(shè)置一道進魚門，但水利水電工程建設(shè)改變了原始河道，過魚對象聚集位置也將隨之會發(fā)生變化，據(jù)此原則布置的魚道進口難以被過魚對象發(fā)現(xiàn)。

表4 不同魚道類型適應(yīng)性

藏木魚道過魚對象具有深水緩流性，聚集于干流深水沱、河槽之中。電站尾水渠首端水深較大，末端流速較緩，模型試驗和原型實驗也觀察到電站尾水渠左導(dǎo)墻首端(見圖2)和尾端、左導(dǎo)墻兩側(cè)(尾水渠側(cè)和消力池側(cè))常見大量的過魚對象聚集，尾水渠右導(dǎo)墻首端也常見過魚對象聚集。

藏木魚道布置了3個分散式進口(見圖3)，1號進口位于尾水渠左導(dǎo)墻的尾端，2號進口位于尾水渠左導(dǎo)墻的首端，3號進口位于尾水渠右導(dǎo)墻的首端，魚道建成后，根據(jù)過魚對象聚集情況，對應(yīng)開啟1個魚道進口運行。

為使尾水渠側(cè)和消力池側(cè)聚集的過魚對象進入魚道，1號進口設(shè)置了3道進魚門(2號、3號進口各設(shè)一道進魚門)，進魚門寬0.7 m，分別指向為尾水渠、尾水渠下游和消力池(見圖4)。

魚道進口水流流速應(yīng)介于過魚對象臨界游速和突進游速之間，以達(dá)到最佳誘魚效果。

圖1 圓弧導(dǎo)流豎縫式魚道 圖2 魚道進口布置

圖3 尾水渠左導(dǎo)墻過魚對象聚集 圖4 魚道1號進口進魚門布置

藏木水電站1臺機組滿發(fā)尾水位為3 243.55 m，6臺機組滿發(fā)尾水位為3 248.05 m，尾水渠底板高程為3 211.00 m。如魚道進口高程均與尾水渠底板高程一致，進口水深最大將達(dá)7.05m，而魚道流量僅為0.27～0.74 m3/s，進口流速最低將至0.02 m/s，遠(yuǎn)低于主要過魚對象臨界游速(0.83～0.95 m/s)。

針對這一問題，藏木魚道采用了設(shè)計不同高程的進口和補充進口流量相結(jié)合的解決方案。

(1)設(shè)計不同高程的進口，監(jiān)測進口水位，即時開啟相應(yīng)進口。1號進口高程3 241.00 m，進口水位在3 243.55～3 244.60 m之間，開啟1號進口。2號進口高程3 243.00 m，進口水位在3 244.60～3 246.60 m之間，開啟2號進口。3號進口高程3 245.60 m，進口水位在3 246.60～3 248.05 m之間，開啟3號進口。

(2)監(jiān)測進口水位，即時補充流量。1號進口補水量1.3～2.0 m3/s，2號進口補水量1.3～3.0 m3/s，3號進口補水量0.8～1.3 m3/s。

采用這一解決方案后，進口水流最小流速為0.90 m/s，最大流速為1.29 m/s，高于主要過魚對象臨界游速，同時低于主要過魚對象突進游速(1.22～1.53 m/s)。

藏木魚道進口最大補水量達(dá)3.0 m3/s，若采用進口集中補水出流，出流流速將超過魚對象突進游速，水體將在進口形成洄游通道屏障，過魚對象無法突破屏障進入魚道。因此，藏木魚道設(shè)計了進口分散出流和魚道沿程補水結(jié)構(gòu)。1號、2號和3號進口設(shè)置集中補水池，3個集中補水池內(nèi)均設(shè)計了分散出流導(dǎo)水管，將補入的水均勻分散出流在進口各部位，出流流速低于過魚對象突進游速，不會形成洄游通道屏障。3號進口還設(shè)計了沿程補水導(dǎo)水管，將補入的水均勻引向魚道沿程各部分，增強魚道沿程補水誘魚效果。

2.3 根據(jù)過魚對象游泳能力和體長規(guī)格，設(shè)計魚道底坡與池室

主要過魚對象夏季臨界游速僅在0.83～0.95 m/s之間，夏季突進游速僅在1.22～1.53 m/s之間，游泳能力較弱。因此，過魚豎縫水流流速須在主要過魚對象的臨界游速和突進游速之間。藏木魚道過魚豎縫設(shè)計流速選擇為1.10 m/s，由此計算出魚池池間落差為0.06 m。

過魚豎縫寬度與過魚對象個體大小、池室大小等因素相關(guān)，為使過魚豎縫可以滿足大多數(shù)魚類通過的需求，一般要求過魚豎縫的寬度不小于過魚對象體長的1/2。藏木魚道過魚對象最大體長約0.6 m，因此，過魚豎縫寬度選擇為0.3m。

藏木魚道通過水工模型試驗，研究了多種“魚池-豎縫” 尺寸組合的水流特性和流場穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)：保持“池長∶池寬∶豎縫寬=10∶8∶1”不變(魚道底坡不變)，在各種尺寸組合情況下，過魚豎縫均能保持水流平均流速一致，水流流態(tài)穩(wěn)定。

根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，藏木魚道設(shè)計采用“魚池長3.0 m、寬0.24 m，過魚豎縫寬0.3 m”，并且由“魚池池間落差0.06 m”和“魚池長3.0 m”，計算出魚道底坡為2%。

魚道采用“底坡2%，魚池長3.0 m、寬0.24 m，過魚豎縫寬0.3 m”，進一步的水工模型試驗成果表明：魚池、過魚豎縫水流流態(tài)平穩(wěn)(見圖5)，過魚豎縫由水底到水面，水流流速均在1.0～1.2 m/s范圍之內(nèi)，中下層水流流速均低于1.1 m/s，接近水面水流流速均在1.1～1.2 m/s范圍之內(nèi)(見圖6)。

圖5 魚池、過魚豎縫流態(tài) 圖6 過魚豎縫垂線流速分布

2.4 根據(jù)過魚對象持續(xù)游泳能力，設(shè)計休息池

異齒裂腹魚、巨須裂腹魚和拉薩裂腹魚3種主要過魚對象持續(xù)游泳能力較為接近，臨界游速0.8 m/s時的持續(xù)游泳時間約1 h，突進游速1.2 m/s時的持續(xù)游泳時間不足20 min，3種主要過魚對象持續(xù)游泳最大距離2 880 m，而藏木水電站上下游水位差高達(dá)67 m，按2%的魚道底坡計算，魚道最小長度為3 323 m，主要過魚對象無法持續(xù)洄游通過魚道。為保障過魚對象有足夠的體能洄游通過魚道，需在魚道中途設(shè)置休息池，恢復(fù)體能。休息池內(nèi)主流流速過低，過魚對象將感知不到水流。休息池內(nèi)主流流速過高，過魚對象將無法休息。因此，休息池內(nèi)主流流速應(yīng)介于過魚對象感應(yīng)流速和臨界游速之間。

藏木魚道每上升4.5 m設(shè)置一個休息池，共設(shè)計了10個休息池(含縱向休息池和橫向旁通休息池)，以供過魚對象在洄游過程中休息、覓食?？v向休息池長9 m，寬2.4 m，平坡。橫向旁通休息池長3 m，寬4.8 m，底坡2%。

藏木魚道通過水工模型試驗研究了休息池內(nèi)水流流態(tài)及流速分布，試驗成果表明：藏木魚道休息池內(nèi)水流流態(tài)穩(wěn)定(見圖7)，主流流速在0.15～0.45 m/s之間。魚道主要過魚對象感應(yīng)流速在0.04～0.08 m/s之間，臨界游速在0.83～0.95 m/s之間，休息池內(nèi)主流流速介于主要過魚對象感應(yīng)流速和臨界游速之間，主要過魚對象能感知到水流，并能充分地休息。

2.5 根據(jù)電站水庫運行水位，設(shè)計魚道出口

藏木水電站水庫正常蓄水位3 310 m，死水位3 305 m，水位變幅5 m，而魚道設(shè)計水深僅為1.0～2.5 m，流量僅為0.27～0.74 m3/s。若魚道采用單一出口，魚道內(nèi)最大水深將達(dá)到5.0 m，流量將超過1.5 m3/s，魚道規(guī)模和建設(shè)難度將大大增加。

圖7 休息池水流流態(tài)

針對這一問題，藏木魚道設(shè)計了4個分散式的魚道出口。1～4號出口高程分別為3 304.00 m、3 305.00 m、3 306.00 m和3 307.50 m。1號出口開啟運行水位范圍為3 305.00～3 306.50 m，2號出口開啟運行水位范圍為3 306.50～3 307.50 m，3號出口開啟運行水位范圍為3 307.50～3 308.50 m，4號出口開啟運行水位范圍為3 308.50～3 310.00 m。

4個出口在設(shè)定的水位范圍內(nèi)開啟，保障魚道設(shè)計水深始終保持在1.0～2.5 m范圍以內(nèi)，流量始終保持在0.27～0.74 m3/s范圍之內(nèi)，大大降低了魚道規(guī)模和建設(shè)難度。

3 試驗與實驗

魚道設(shè)計方案完成后，應(yīng)開展模型試驗加以檢驗和完善。魚道建成后，應(yīng)開展原型實驗，檢驗運行情況和過魚效果，持續(xù)深入魚道研究。

魚道設(shè)計方案完成后，藏木魚道開展了水工物理模型試驗(見圖8)，驗證了魚道設(shè)計方案的合理性；開展了可通過性物理模型試驗(見圖9)，實驗魚順利地找到了魚道進口并通過魚道洄游至上游水庫。

魚道實施建成后，藏木魚道開展了魚道原型實驗(見圖10)，單次監(jiān)測到最大過魚量475尾，魚種與體長規(guī)格與設(shè)計過魚對象匹配良好。

圖8 水工模型試驗 圖9 可通過性模型試驗 圖10 原型實驗

4 結(jié) 語

藏木魚道成功地實現(xiàn)了過魚對象洄游，且過魚效果良好，為了達(dá)到更好地過魚效果，藏木魚道的后續(xù)研究工作仍在進行之中。

總結(jié)工程設(shè)計經(jīng)驗，旨為更好服務(wù)于工程設(shè)計。撰寫此文的目的也正是為魚道設(shè)計提供實際工程參考，為進一步提高我國魚道設(shè)計水平貢獻(xiàn)綿薄之力。

[1] 陳靜,周小波,蘭崗,等.西藏雅魯藏布江藏木水電站魚道設(shè)計報告[R].中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司,2014.

2017-04-12

周小波(1980-)，男，四川南部縣人，碩士，高級工程師，從事水工設(shè)計與項目管理工作。

S956.3

：B

：1003-9805(2017)03-0029-04