黃河班多水電站魚道設(shè)計(jì)

王玉孝，張 雷，李天宇

(1.國家電投集團(tuán)黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司,西寧 810003；2.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

1 魚道工程建設(shè)目的

習(xí)近平總書記在2016年8月考察青海時(shí)指出“中華水塔”是國家的生命之源，青海最大的價(jià)值在生態(tài)、最大的責(zé)任在生態(tài)、最大的潛力也在生態(tài)，必須把生態(tài)文明建設(shè)放在突出位置來抓，筑牢國家生態(tài)安全屏障。

國家電投集團(tuán)黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司為響應(yīng)習(xí)近平總書記號(hào)召，積極推進(jìn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作，充分發(fā)揮表率及示范作用，組織開展了黃河上游茨哈峽至羊曲河段水電梯級(jí)開發(fā)環(huán)境影響評(píng)價(jià)及對(duì)策研究工作。在國家生態(tài)環(huán)境部、水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院的幫助和支持下，著力建設(shè)黃河流域第1座魚道及生態(tài)放水設(shè)施工程即班多水電站魚道及生態(tài)放水設(shè)施工程，減少大壩阻隔對(duì)水生生態(tài)環(huán)境的影響。

班多水電站2010年建成蓄水至今已有11 a，根據(jù)漁獲物補(bǔ)充調(diào)查結(jié)果顯示，其對(duì)水生生態(tài)的影響正在逐漸顯現(xiàn)。為此，根據(jù)黃河班多水電站影響范圍內(nèi)的魚類資源的調(diào)查成果及電站的工程特點(diǎn)，進(jìn)行了魚道設(shè)計(jì)及實(shí)施方案，以期減少大壩阻隔對(duì)水生生態(tài)環(huán)境的影響，保障河段連通性，保護(hù)流域魚類，改善生態(tài)環(huán)境，發(fā)揮魚類生境的示范效應(yīng)[1-4]。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)選定

根據(jù)對(duì)黃河班多水電站影響范圍內(nèi)的魚類資源的研究成果，魚道池室設(shè)計(jì)需滿足以下參數(shù)要求：

(1) 黃河班多水電站工程的過魚對(duì)象為花斑裸鯉、厚重裸重唇魚、骨唇黃河魚、極邊扁咽齒魚、擬鯰高原鰍、黃河裸裂尻和刺鮈；過魚時(shí)段選擇在4～8月，重點(diǎn)過魚時(shí)段選擇在4～6月。

(2) 魚道內(nèi)最大流速不超過1.1 m/s，緩流區(qū)流速不小于0.2 m/s。

(3) 魚道底寬為2.0 m，魚道池室水深可取0.5～2.2 m。

(4) 魚道進(jìn)口應(yīng)布置在右岸壩下300 m以下區(qū)域，進(jìn)口水深不小于0.5 m；出口須與庫岸平順銜接，朝向應(yīng)迎著水流方向，工作水深不小于0.5 m。

3 魚道布置方案比選

在過魚對(duì)象調(diào)查研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合班多水電站工程的樞紐布置和運(yùn)行方式，進(jìn)行了魚道布置，初步擬定左岸魚道、右岸魚道2種布置方案進(jìn)行比選。

左岸魚道布置方案：本方案將魚道進(jìn)魚口布置在樞紐下游約400 m處，原導(dǎo)流明渠末端岸坡外側(cè)。魚道進(jìn)魚口段線路逆水流方向向上游延伸，在原導(dǎo)流明渠及其左岸邊坡范圍以“之”字路的形式迂回向上，向上游延伸至水電站樞紐，以開孔的形式在左壩肩設(shè)置出魚口。

右岸魚道布置方案：本方案將魚道進(jìn)魚口布置在廠房尾水下游約460 m處岸坡外側(cè)。魚道進(jìn)魚口段線路逆水流方向向上游延伸，在廠房尾水下游約350～500 m范圍的右岸邊坡以“之”字路的形式迂回向上，于廠房尾水下游約500 m處岸坡內(nèi)側(cè)開始延右岸施工道路向上游延伸至水電站樞紐，以開孔的形式通過右壩肩，之后繼續(xù)延施工道路向上游延伸至出魚口。

2種魚道布置方案從水力條件、工程布置、施工難度、運(yùn)行維護(hù)、工程量及投資等方面進(jìn)行綜合比選，最終確定右岸魚道布置為班多水電站魚道設(shè)計(jì)推薦方案。

4 魚道主要建筑物設(shè)計(jì)

4.1 魚道布置

根據(jù)魚道模型試驗(yàn)結(jié)論，結(jié)合工程特點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了右岸魚道方案[5-11]。

推薦方案魚道總體布置如下：魚道結(jié)構(gòu)主要由進(jìn)魚口、魚道池室、休息室、觀察室、出魚口等組成。本工程結(jié)合平面轉(zhuǎn)彎段共布置休息室16個(gè)(含大型休息室1個(gè))、進(jìn)魚口2個(gè)、出魚口1個(gè)、觀察室1個(gè)，全長2 016.70 m。根據(jù)壩下流場流速實(shí)測情況以及生態(tài)放水管布置情況，將魚道2個(gè)進(jìn)魚口分別布置在廠房尾水下游約310、380 m處岸坡外側(cè)。出魚口布置在樞紐上游約140 m庫區(qū)右岸。魚道進(jìn)魚口段線路逆水流方向向上游延伸，在廠房尾水下游約60～360 m范圍的右岸邊坡以“之”字路的形式迂回向上，于廠房尾水下游約250 m處岸坡內(nèi)側(cè)開始延右岸施工道路向上游延伸至水電站樞紐，以開孔的形式通過右壩肩，之后繼續(xù)延施工道路向上游延伸至出魚口。班多水電站魚道布置見圖1，班多水電站魚道全景見圖2。

圖1 班多水電站魚道布置圖

圖2 班多水電站魚道全景圖

4.2 魚道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2.1進(jìn)魚口設(shè)計(jì)

魚道的進(jìn)魚口設(shè)計(jì)的合理性直接影響過魚效果，一般應(yīng)在魚類最易發(fā)覺又能順利進(jìn)入的地方進(jìn)行布設(shè)。根據(jù)壩下流場數(shù)值模擬和實(shí)測結(jié)果，結(jié)合本工程右岸生態(tài)放水孔的布置情況，廠房尾水下游約310、380 m處岸邊流速的量值相對(duì)適中，且水流流態(tài)較為平順，適宜各布置一個(gè)進(jìn)魚口。

本工程下游河道4～8月的魚道運(yùn)行期下游水位在2 719.75～2 721.53 m之間，因此按魚道運(yùn)行下游最低水位2 719.75 m作為本工程魚道進(jìn)魚口的設(shè)計(jì)水位。結(jié)合進(jìn)魚口附近原河床地形，以及魚道運(yùn)行水深的要求，設(shè)計(jì)布置2個(gè)進(jìn)魚口，確定1號(hào)進(jìn)魚口底板高程為2 718.44 m、2號(hào)進(jìn)魚口底板高程為2 719.33 m，進(jìn)魚口運(yùn)行水深為1.31～2.2 m。

4.2.2池室設(shè)計(jì)

(1) 池室結(jié)構(gòu)選擇

魚道池室主要有丹尼爾式和池式2種。池式魚道分為溢流堰式、潛孔式、垂直豎縫式等類型。根據(jù)班多水電站主要過魚對(duì)象的生活習(xí)性，以及各種魚道形式的適應(yīng)性和消能特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)采用矩形斷面的垂直豎縫式魚道。

豎縫式魚道也分為同側(cè)、異側(cè)、雙側(cè)等不同的形式，隔板上過魚孔的位置及相鄰兩塊隔板上過魚孔的布置方式，直接影響池室水流條件。根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)選定同側(cè)豎縫方案。班多水電站魚道池室結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 班多水電站池室結(jié)構(gòu)圖

(2) 魚道凈寬

魚道的寬度主要由過魚量、過魚對(duì)象的習(xí)性、豎縫寬度及消能條件而定。目前，國外魚道寬度多為3～5 m；國內(nèi)魚道寬度多為2～3 m。班多水電站的過魚對(duì)象漁獲物最大體長40 cm，而資料記載過魚對(duì)象中花斑裸鯉在黃河上游體長可達(dá)57 cm，因此班多水電站魚道的凈寬取2 m能滿足過魚要求，且比較經(jīng)濟(jì)。

(3) 池室水深

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，在兼顧過魚對(duì)象的生態(tài)習(xí)性和工程投資的情況下，魚道池室水深取0.5～2.2 m。魚道邊墻高度按最大運(yùn)行水深2.2 m加超高進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(4) 池室長度

一般認(rèn)為池室的長度與水流的消能效果和魚類的休息條件關(guān)系較大。較長的水池，水流條件好，休息水域大，過魚條件好，但同時(shí)魚道造價(jià)也就越高；反之，較小的水池，會(huì)造成消能不充分或水流紊動(dòng)大，過魚條件差。池室長度L應(yīng)與魚道寬度B有一定的比例，可取L=(1.2～1.5)B，式中系數(shù)取1.2，適用于孔口流速不大于1.0 m/s的情況；當(dāng)流速較大時(shí)，系數(shù)應(yīng)在1.2～1.5或更大范圍取值。據(jù)前所述，推薦采用同側(cè)豎縫式魚道，水流順直，有利于溯游能力強(qiáng)的魚類較快上溯，建議系數(shù)取1.25，則班多水電站魚道池室長度為2.5 m。

(5) 池室底坡

根據(jù)NB/T 35054-2015《水電工程過魚設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》、SL 609-2013《水利水電工程魚道設(shè)計(jì)導(dǎo)則》，豎縫內(nèi)設(shè)計(jì)流速為0.8～1.1 m/s，計(jì)算得魚道池室底坡坡度為1.8%～2.6%，本次設(shè)計(jì)取2.22%(1∶45)。

(6) 垂直豎縫寬度

參考主要過魚對(duì)象的規(guī)格，調(diào)查捕獲的魚類最大體長約0.4m。根據(jù)魚道一般設(shè)計(jì)要求，過魚孔口的高度和寬度最小不應(yīng)小于過魚最大體長1/2，因此，本魚道豎縫寬度為0.3 m。

(7) 休息室設(shè)計(jì)

為避免出現(xiàn)不利于魚類上溯的水流流態(tài)，魚道休息室盡可能結(jié)合轉(zhuǎn)彎段布置，共布置14處轉(zhuǎn)彎段休息室，在較長的順直段增設(shè)2處休息室，共布置16處休息室。結(jié)合魚道水工模型試驗(yàn)結(jié)果，確定休息室的結(jié)構(gòu)尺寸為：凈寬2 m,水深1.5～2.5 m,長度5 m,底坡水平,豎縫寬度0.3 m,導(dǎo)板長度0.5 m,導(dǎo)向角度取20°，隔板與導(dǎo)板厚度均取0.2 m。其中，在魚道中間部位180°轉(zhuǎn)彎處布置軸線長度為25 m的大型休息室，為本工程魚道的過魚對(duì)象提供了更加充分休息空間，提高了魚道的過魚效果。班多水電站魚道休息室見圖4、5。

圖4 轉(zhuǎn)彎段休息室圖

圖5 順直段休息室圖

4.2.3出魚口設(shè)計(jì)

根據(jù)環(huán)保對(duì)生態(tài)調(diào)度的要求，布置1個(gè)出魚口。結(jié)合水流條件、縱坡、休息室、出魚口高程等因素，出魚口布置于樞紐上游約140 m庫區(qū)右岸?？紤]漂浮物影響及有利于魚類出游，出魚口與上游水流方向成夾角布置。

根據(jù)本工程水庫運(yùn)行特征，4～8月魚道運(yùn)行期，除電站泄洪等情況以外，庫區(qū)水位基本在維持在2 759.00～2 760.00 m之間，靠近正常蓄水位運(yùn)行。本次魚道設(shè)計(jì)庫區(qū)工作水位為2 759.00～2 760.00 m，并提出對(duì)電站進(jìn)行生態(tài)調(diào)度，重點(diǎn)過魚時(shí)段4～6月水庫盡量維持正常蓄水位運(yùn)行。按照工藝參數(shù)中出魚口運(yùn)行最低水深0.5 m要求，設(shè)計(jì)確定出魚口底板高程為2 758.50 m，出魚口工作水深為0.5～1.5 m。

5 過魚監(jiān)測系統(tǒng)

5.1 功能及目的

為了觀測魚道過魚效果，掌握魚道過魚數(shù)量、種類和規(guī)律，開展魚道觀測試驗(yàn)，進(jìn)而總結(jié)魚道設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。班多水電站魚道工程配置1套魚道在線監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)備安裝固定在過魚通道上，利用紅外掃描技術(shù)和高分辨率數(shù)碼相機(jī)，可以對(duì)通過魚道的魚進(jìn)行計(jì)數(shù)、物種識(shí)別和輪廓圖像記錄。

5.2 系統(tǒng)組成及布置

班多水電站魚道在線監(jiān)測系統(tǒng)由誘魚系統(tǒng)、魚道觀測系統(tǒng)、射頻標(biāo)記定位觀測系統(tǒng)(RFID)等組成。

5.2.1誘魚系統(tǒng)

誘魚系統(tǒng)結(jié)合魚的活動(dòng)特點(diǎn)以及進(jìn)食習(xí)性，通過模仿魚活動(dòng)的生理參數(shù)，利用魚的趨光性，逆流性、實(shí)現(xiàn)對(duì)魚道里的魚呼喚引誘，刺激并吸引魚類集中游向上游。

班多水電站魚道工程誘魚系統(tǒng)由誘魚燈組和控制系統(tǒng)組成，在1號(hào)、2號(hào)進(jìn)魚口分別設(shè)置1套誘魚燈組，采用高亮度大功率LED光源。誘魚控制系統(tǒng)設(shè)備安裝在魚道觀察室內(nèi)。

5.2.2魚道觀測系統(tǒng)

魚道觀測系統(tǒng)主要由前端監(jiān)測設(shè)備、后臺(tái)觀測設(shè)備和后臺(tái)分析軟件等組成。

前端監(jiān)測設(shè)備由安裝在過魚通道上的掃描單元、攝像單元及控制單元等組成。后臺(tái)觀測設(shè)備包括1套魚道觀測工作站，布置在魚道觀察室。

掃描單元可視為放置在魚道上的一個(gè)“門”。掃描單元的二級(jí)管發(fā)射高頻(100 Hz)的紅外波束，當(dāng)魚游過掃描單元時(shí)中斷紅外線波束，系統(tǒng)獲取過魚的輪廓、測量其尺寸、魚游過時(shí)的速度等信息。考慮在魚道進(jìn)口段2號(hào)休息室和魚道出口段15號(hào)休息室的通道上，分別安裝1套由1個(gè)框架內(nèi)的2個(gè)掃描板 (20 cm×100 cm)組成的掃描單元，間距在10～45 cm。

攝像單元包含水下高清相機(jī)和光學(xué)補(bǔ)償系統(tǒng)，用于記錄當(dāng)魚通過掃描單元時(shí)的視頻或靜止圖像。當(dāng)魚通過掃描單元時(shí)，掃描單元傳給控制單元觸發(fā)信號(hào)以及魚通過時(shí)的速度和相機(jī)距離，通過攝像通道模塊延時(shí)觸發(fā)數(shù)碼相機(jī)獲取每一條魚1～5張數(shù)碼圖片或視頻段，并同時(shí)傳給控制單元,通過處理軟件自動(dòng)將數(shù)碼圖片或視頻跟系統(tǒng)獲取的其他信息關(guān)聯(lián)起來，如魚的尺寸、通過時(shí)間、速度、外形輪廓、溫度等。本工程考慮在魚道進(jìn)口段2號(hào)休息室和魚道出口段15號(hào)休息室的通道上分別配置1套攝像單元設(shè)備，安裝在相應(yīng)位置的掃描單元框架上。同時(shí)在魚道進(jìn)口段1號(hào)休息室、回頭彎池段8號(hào)休息室、過壩段、出口異形池段16號(hào)休息室的通道上分別配置1套攝像單元設(shè)備(包括水下相機(jī)、水下LED和時(shí)間控制器)，安裝在不銹鋼支架上，不銹鋼支架采用導(dǎo)軌方式安裝在魚道側(cè)壁上。

控制單元軟件可以監(jiān)視系統(tǒng)工作狀態(tài)，監(jiān)測實(shí)時(shí)過魚信息，也可以查看魚道過魚歷史數(shù)據(jù)。在魚道進(jìn)口段2號(hào)休息室和魚道出口段15號(hào)休息室的通道上分別配置1套控制單元模塊，模塊安裝在相應(yīng)位置的掃描單元框架上。

水文水質(zhì)模塊監(jiān)測不同研究情況下魚類聚集區(qū)域、魚道口、魚道內(nèi)的水質(zhì)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析得出最適宜魚類聚集的水質(zhì)數(shù)據(jù)，詳細(xì)包括溫度、PH、溶氧、渾濁度等。水質(zhì)數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的傳感設(shè)備無線通信設(shè)備連接服務(wù)器實(shí)時(shí)監(jiān)測并回傳到系統(tǒng)。在魚道進(jìn)口段1號(hào)休息室、回頭彎池段8號(hào)休息室、過壩段、出口異形池段16號(hào)休息室的通道上分別配置1個(gè)流速、水位模塊，與相應(yīng)位置配置的攝像單元設(shè)備、射頻識(shí)別(RFID)模塊一起安裝固定在不銹鋼支架上，不銹鋼支架采用導(dǎo)軌方式安裝在魚道側(cè)壁上。在魚道出口段15號(hào)休息室的通道上安裝1個(gè)水質(zhì)模塊，安裝在相應(yīng)位置的掃描單元框架上。

5.2.3視頻標(biāo)記定位觀測系統(tǒng)(RFID)

系統(tǒng)組件包括：RFID標(biāo)簽、注射器、射頻識(shí)別(RFID)模塊(主機(jī)和天線一體)及監(jiān)測軟件組成。在魚道2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、8號(hào)、10號(hào)、12號(hào)、14號(hào)、16號(hào)休息室的通道上分別配置1套射頻識(shí)別(RFID)模塊，模塊安裝固定在魚道側(cè)壁。需要檢測的魚類采用RFID射頻標(biāo)簽標(biāo)記，每個(gè)RFID有唯一編碼。當(dāng)標(biāo)有RFID標(biāo)簽的魚通過天線時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測記錄。通過射頻識(shí)別(RFID)模塊可實(shí)現(xiàn)魚道全段魚類通過數(shù)據(jù)的收集。監(jiān)測軟件安裝在魚道觀測工作站上，魚道過魚數(shù)據(jù)可通過魚道監(jiān)測集成設(shè)備進(jìn)行采集數(shù)量、規(guī)格、視頻、運(yùn)動(dòng)軌跡等數(shù)據(jù)，并采用無線方式上傳到魚道觀測工作站。

6 結(jié) 論

(1) 班多水電站魚道是魚類上溯通道，主要過魚對(duì)象為花斑裸鯉、厚重裸重唇魚、骨唇黃河魚、極邊扁咽齒魚、擬鯰高原鰍、黃河裸裂尻和刺鮈。過魚時(shí)段選擇在4～8月，重點(diǎn)過魚時(shí)段選擇在4～6月。根據(jù)魚類游泳能力測試，魚道內(nèi)最大流速不超過1.1 m/s，緩流區(qū)流速不小于0.2 m/s。

(2) 通過對(duì)左岸魚道、右岸魚道2個(gè)布置方案的比較，選擇右岸魚道布置方案為推薦方案，將魚道2個(gè)進(jìn)魚口分別布置在廠房尾水下游約310、380 m處岸坡外側(cè)，此處常年有穩(wěn)定尾水下泄，進(jìn)口誘魚效果較好，且工程安全性高。

(3) 經(jīng)過對(duì)丹尼爾式和池式2種主要魚道池室型式的比較，針對(duì)池式型魚道又比較了溢流堰式、垂直豎縫式、潛孔式等型式，并通過模型試驗(yàn)，對(duì)垂直豎縫式池室比較了異側(cè)豎縫和同側(cè)豎縫2種方案，采用同側(cè)豎縫式魚道型式。

(4) 經(jīng)過計(jì)算及模型試驗(yàn)，確定了魚道推薦方案的進(jìn)出口布置和底板高程，確定了魚道池室、休息室和隔板、導(dǎo)板的具體結(jié)構(gòu)形式。

(5) 班多水電站魚道工程配置一套魚道在線監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)備安裝固定在過魚通道上。

班多水電站魚道的設(shè)計(jì)，為以后的過魚建筑物，尤其是魚道的設(shè)計(jì)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，值得在其他水電站工程的魚道設(shè)計(jì)過程中借鑒和推廣。