豎縫式與仿自然結合魚道水力特性及其優(yōu)化

魏炳乾，黃 磊，袁海石，李林博，荊海曉

(1. 西安理工大學 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048；2. 國電電力青海萬立水電開發(fā)有限公司，青海 西寧 810007；3. 陜西水環(huán)境工程勘測設計研究院，陜西 西安 710018)

魚道是幫助洄游性魚類越過閘、壩或天然障礙物的一種過魚設施[1]。設計合理的魚道能讓魚類快速發(fā)現并迅速通過，避免魚類在進口或魚道內長時間滯留而延誤洄游[2- 4]。目前修建的魚道主要有結構型魚道和仿自然魚道兩類。結構型魚道主要采用混凝土等硬性材料制作，結構單一，針對特定種類的洄游魚類，過魚效果較為理想；仿自然魚道利用自然地形、卵石等模擬天然河流，與結構型魚道相比，其水流形態(tài)更為魚類熟悉，具有更廣的過魚范圍和更高的過魚效率[5- 6]。

關于兩種類型的魚道，國內外研究者都做了較多探索，Komura等[7]研究了障礙物位置的改變對魚道水流流態(tài)的影響；Bombac等[8]借助PCFLOW 2D模型探討了垂直豎縫魚道內水位、流量、縫寬等不同因素對水流流態(tài)的影響；Tran等[9]利用二維淺水方程計算了具有各種淹沒阻水設施的仿自然通道內的水力學特性，認為二維計算可以為仿自然魚道的建設提供更加精細的計算結果，可用于魚道的設計；劉志雄等[10]分析討論了不同豎縫寬度及池室長度下的流速分布及流速衰減情況，對不同工況下水流流態(tài)進行了分析；劉本芹等[11]研究了豎縫式魚道池室長寬比小于1.0時的隔板布置及水力特性，提出了減小隔板前局部水位壅高及提高豎縫流速沿程均勻性的設計原則；何雨艨等[12]對比研究了對縫排列和錯縫排列兩種類型的蠻石斜坡型仿自然魚道，結果表明對縫排列比錯縫排列具有更加合理的魚道水力學特性；林寧亞等[13]結合工程實際研究了交錯蠻石墻式仿自然魚道的水力特性，為仿自然魚道實際工程應用提供了參考。

受地形條件限制，常需要將仿自然魚道和結構型魚道相結合來布置過魚設施。但是目前關于魚道的研究主要集中在對單一底坡條件下魚道池室水流結構的研究上，對于底坡發(fā)生變化且斷面存在突變的不同型式魚道相銜接時魚道水流特性的研究相對缺乏，如何針對不同形式魚道的銜接段進行結構優(yōu)化以改善魚道內水流在該段的流態(tài)、流速及池室消能率等，尚未見有相關研究報道，也未形成針對相應實際工程的指導意見。結合青海省地盤子魚道，本文采用整體物理模型試驗對初步設計方案和優(yōu)化方案中的水位、流速、流態(tài)等水流條件進行研究，論證了設計方案的合理性及優(yōu)化方案的優(yōu)化效果，以期為類似工程提供借鑒參考。

1 工程概況

地盤子水電站是位于青海省祁連縣扎馬什鄉(xiāng)的一座引水式電站，庫區(qū)河道內魚類資源豐富，并分布有青海省省級保護魚類祁連裸鯉。根據規(guī)劃，地盤子水電站下游擬建黃藏寺水利樞紐，考慮到該水利樞紐的建成將可能造成河道連通性的進一步破壞，擬建魚道以保護地盤子電站庫區(qū)及黃藏寺庫區(qū)的漁業(yè)資源，滿足魚類的越冬、育肥以及洄游繁殖要求。地盤子魚道整體示意見圖1。

圖1 地盤子魚道整體示意

初步設計的魚道上游為垂直豎縫式結構段(以下簡稱結構段)，長184.00 m，包含51個池室以及4個平底休息池，其平面布置如圖2(a)所示；池室底部鋪設0.2 m厚礫石，底坡1/53.57，相鄰池間落差0.056 m，總落差2.860 m；魚道下游為交錯石塊式仿自然段，總長644.81 m(中心線展開長度)，設置64個池室，池室采用如圖2(b)所示的梯形斷面；池室底部鋪設0.5 m厚礫石；池室底坡1/128.57，相鄰池間落差0.070 m，總落差4.410 m，仿自然通道內水頭每提升1 m設一平底休息池，休息池長12 m，寬10 m。垂直豎縫式魚道和仿自然通道由5#休息池連接，長18 m，寬10 m。魚道上游出口水位2 682.00 m，設計運行水深2.20 m，下游進口水位2 673.50 m，設計水深1.00 m；魚道設計過流流量為0.67 m3/s。由于尚無魚道目標魚種祁連裸鯉游泳能力的研究資料，其游泳能力參考與其生活在同一區(qū)域的、在生活習性和體型上都接近的拉薩裸裂尻魚的試驗結果。由于設計水頭較低，過魚設施設計流速取1.00 m/s，祁連裸鯉突進流速取1.20 m/s，考慮到鯉魚科魚類的游泳能力[14- 15]，魚道整體流速控制在0.20～1.20 m/s。

圖2 魚道結構段平面布置及仿自然段典型斷面(單位：mm)

2 物理模型試驗

試驗測定了57個結構段豎縫和68個仿自然段隔板溢流槽的水流運動要素。魚道沿程各池室水深和水面線采用水位測針測定，測量精度為±0.1 mm，由于溢流槽實際寬度較大，故測定每個溢流槽水面線時，選取溢流槽進、出口的左、中、右共計6個點進行測量。魚道溢流槽中心處流速采用旋槳流速儀測量，測量時旋槳流速儀測針每提升15 mm測1次數據，每次測量3組數據，取平均值作為最終流速值。

3 設計方案中的魚道水流結構

3.1 設計方案的流速與水面線

模型試驗結果表明，由于設計方案中結構段魚道和仿自然段魚道底坡差異較大，魚道各豎縫和溢流槽平均流速以5#休息池為界呈現明顯的分段特點，如圖3(a)所示。由于5#休息池上游結構段斷面形態(tài)規(guī)則，故從魚道進水口開始，斷面平均流速沿程緩慢增大。S52斷面以上各斷面，豎縫平均流速為0.83～0.93 m/s；S52斷面以下各斷面，豎縫處平均流速均大于1.00 m/s，且沿程增長較快，直至結構段最末端斷面，其平均流速達到了1.25 m/s，超過了目標魚種的突進流速。

圖3 設計方案魚道流速及水面線沿程變化

仿自然段上游部分斷面平均流速超過1.00 m/s。這是因為結構段水流進入5#休息池時流速偏大，進而對與5#休息池相連接的下游溢流槽的斷面平均流速產生了一定影響，導致斷面平均流速超過設計值，但均小于1.20 m/s的突進流速。隨著流態(tài)的沿程調整，仿自然魚道內流速分布趨于平穩(wěn)，F48斷面上游各溢流槽的斷面平均流速均小于設計流速。從F48斷面開始，仿自然段內各溢流槽平均流速開始超過設計值并緩慢增加，至1#休息池下游，各溢流槽斷面平均流速增速加快，這是由于在魚道進口附近，水深迅速趨近進口水深，而1#休息池和魚道進口水位相差較大，導致槽內水深沿程減少較快，以致魚道進口斷面的平均流速達到了1.41 m/s。

設計方案中魚道的水面線沿程變化如圖3(b)所示。由于仿自然段溢流槽具有一定寬度且水面在槽內存在比降和波動，故溢流槽中心處的水面高程取溢流槽前后測點水面高程的平均值。由圖3(b)可知，水面線整體呈下降趨勢，在結構段末端和仿自然段魚道進口處，水面線出現明顯跌落，這與該區(qū)域流速增長較快是對應的。

3.2 設計方案的池室消能率

池室消能率反映魚道池室內單位水體平均消耗的水流功率，通常將之作為考察豎縫式魚道過魚能力的指標。池室消能率過大或過小都不利于過魚。Larinier等[16]的研究指出，豎縫式魚道各級池室的消能率不宜超過150 W/m3，文獻[17]要求鯉科魚類的最大允許消能率為80 W/m3。池室消能率[E]按下式計算：

式中：V為池室水體體積(m3)；Q為流量(m3/s)；ρ為水密度(kg/m3)；g為重力加速度(m/s2)，Δh為相鄰池室水位差(m)。

圖4為魚道結構段各級池室消能率沿程變化。由圖4可知，S53斷面的上游各池室的消能率小于80 W/m3；S53斷面下游各池室消能率均超過了設計允許值，且增長較快，至結構段最末端斷面，消能率增大至155.6 W/m3，不能滿足過魚要求。S53斷面下游各池室消能率變化規(guī)律與圖3(a)中豎縫平均流速沿程變化規(guī)律相似，這是因為該段池室隔板前后水位相差較大，且在結構段末端水位迅速趨近于5#休息池進口水位過程中，該差值亦沿程迅速增大，從而導致S53斷面下游豎縫平均流速以及池室消能率均迅速超過了設計允許值。

圖4 結構段豎縫沿程各級池室消能率

3.3 設計方案的魚道水流流態(tài)

設計方案的過魚設施各段水流流態(tài)平順。試驗繪制了魚道沿程池室水流動力軸線，圖5僅給出部分典型池室的水動力軸線。由圖5可見，結構段魚道水動力軸線平順；仿自然段各池室盡管結構不同，但主流明確。魚道沿程各池室和休息池內均存在低流速回流區(qū)，為洄游魚類提供了休憩場所。進一步計算發(fā)現魚道各斷面的弗勞德數均小于1，表明整個魚道內部水流均為緩流。

圖5 典型池室水動力軸線

模型試驗結果表明，設計方案的過魚設施各部分水流流態(tài)良好，各豎縫或溢流槽平均流速整體上滿足過魚要求。但在結構段末端(S52—S57)豎縫和仿自然段末端(F63—F68)溢流槽的平均流速受其下游邊界影響而偏大；結構段與5#休息池銜接處上游部分池室水面線存在較大跌落，池室消能率超過設計允許值，故需要對原設計進行局部優(yōu)化，以滿足目標魚類的過魚要求。

4 優(yōu)化方案的魚道水流結構

4.1 優(yōu)化方案設計

擬定優(yōu)化方案時采用對比試驗對局部區(qū)域進行優(yōu)化，同時利用計算機仿真模擬分析了局部結構改變對魚道整體水流結構的影響。對比試驗和模擬結果表明：① 結構段末端S52—S57豎縫斷面平均流速、消能率等水力參數隨隔板導角的增大而增大，導角維持45°為宜；豎縫寬度增大至50 cm時(原為40 cm)，各水力參數明顯改善，繼續(xù)增大豎縫寬度會導致S47—S52斷面各水力參數增大；② 降低仿自然段溢流槽底鋪石厚度對減小槽內流速有明顯作用，這是由于溢流槽底部鋪石厚度降低后，溢流槽前后水位幾乎無變化，但水流流經溢流槽時過流面積相應增大所致。

最終確定的優(yōu)化方案為：① 直道段底部鋪石厚度不變，其下游部分斷面的豎縫寬度增至50 cm(模型上為50 mm)，去掉結構段S57斷面的隔墩，同時直道段最末端增加1個簡易隔板S57′，修改簡圖見圖6；② 仿自然段各池室底部鋪石厚度不變，1#至5#休息池之間，溢流槽底部鋪石厚度減小至10 cm((圖7(a)模型上為10 mm)；1#休息池進口至魚道進口斷面(含溢流槽)底部鋪石40 cm(圖7(b)模型上為40 mm)；1#休息池底部鋪石厚度維持50 cm不變(模型上為50 mm)，與進出口溢流槽底部鋪石采用1∶1坡比進行過渡；③ 魚道進口水深調整為1.3 m(原為1.0 m)。

圖6 結構段優(yōu)化方案(單位：mm)

圖7 優(yōu)化方案典型斷面橫剖面示意(單位：mm)

4.2 優(yōu)化方案實測流速與水面線結果分析

圖8為優(yōu)化方案魚道流速沿程變化?？梢钥闯?結構段各豎縫斷面平均流速在1.00 m/s附近波動，最大斷面平均流速為1.17 m/s，調整后結構段末端S52—S57′斷面，由于豎縫寬度增大，豎縫平均流速明顯低于設計方案, S52上游部分豎縫斷面平均流速略有提高，這是由于S52斷面下游豎縫寬度增大，結構段末端隔板壅水能力減弱，進而引起S52上游部分豎縫水深減小所致,但均小于祁連裸鯉的突進流速1.20 m/s。

圖8 優(yōu)化方案斷面平均流速Fig.8 Mean velocity of transverse cross- section of optimization scheme

仿自然段各溢流槽平均流速均小于魚道設計流速。1#休息池上游各溢流槽底部鋪石厚度減至10 mm，各溢流槽平均流速均有所降低；在1#休息池下游，魚道進口水面抬高，使得進口附近溢流槽斷面平均流速大幅減小，其中魚道進口斷面(F68)流速由1.41 m/s降至0.742 m/s，降幅達52%。

優(yōu)化方案中結構段末端S52至S57′豎縫及仿自然段1#休息池下游各溢流槽水面高程沿程變化如圖9所示。結構段S52—S57′豎縫處水面高程(圖9(a))較設計方案有所降低且水面比降有所增大，這是由于優(yōu)化方案中流量不變而該段豎縫寬度增大所致；魚道進口水位抬升后，仿自然段1#休息池下游各溢流槽水面高程明顯增加(圖9(b))。另外,魚道進口水位抬升至1.3 m 時，其回水上溯至F48斷面附近，回水范圍內各溢流槽平均流速均有降低，且相鄰溢流槽內流速變化更小，這對過魚有利。

圖9 優(yōu)化方案結構段末端及仿自然段1#休息池下游水面線

4.3 優(yōu)化方案的池室消能率結果與分析

圖10 結構段末端池室消能率Fig.10 Energy dissipation rate of adjacent fishway pool of structural section end

優(yōu)化方案結構段S47斷面下游各池室消能率沿程變化如圖10所示。由圖10可知，結構段末端結構調整后，S53—S57斷面之間的池室消能率較設計方案明顯減小，其中結構段最末端斷面的池室消能率減小至設計方案的50%。

S47—S52斷面之間池室消能率略有提高，這是由于S52下游隔板豎縫寬度增大，導致S47—S52上游隔板前后水位差增大引起的，但均未超過消能率允許值，能滿足目標魚種的洄游要求。

5 結 語

針對地盤子魚道工程，基于設計方案與優(yōu)化方案分別建立了1∶10的整體物理模型，對兩種方案的魚道水流特性進行了對比研究，得出了以下主要結論：

(1) 豎縫式和仿自然式相結合的魚道內水流流態(tài)良好，結構段和仿自然段分段采用較大底坡比(3∶1)進行銜接對銜接段水流流態(tài)并無不利影響。

(2) 過魚設施內各溢流槽和豎縫平均流速基本保持在0.70～1.20 m/s，大流速區(qū)主要分布在銜接段及魚道進口附近。

(3) 相比于設計方案，優(yōu)化方案中過魚設施結構段末端部分豎縫寬度增大25%，池室消能率最大降低50%；仿自然魚道段進口處水深由1.0 m增至1.3 m，F63—F68斷面流速最大降低52%，同時回水上溯至F48斷面附近，有效保障了過魚條件。