已建水電工程增建過魚設(shè)施設(shè)計(jì)參數(shù)體系研究

萬 帆，牛天祥，李天宇

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

班多水電站為目前黃河上游已經(jīng)建成運(yùn)行的最上游一級(jí)電站，河段分布有多種黃河上游高原土著魚類，電站于2011年建成，運(yùn)行多年以來對(duì)魚類生境形成了阻隔。在國家加大生態(tài)文明建設(shè)力度，高度重視黃河上游生態(tài)保護(hù)修復(fù)的形勢下，為了保護(hù)黃河上游高原魚類棲息生境和種群，針對(duì)電站建成運(yùn)行形成的生境阻隔，班多水電站在黃河上游首個(gè)實(shí)施補(bǔ)建過魚設(shè)施，恢復(fù)河流生境連通性，修復(fù)河段水生生態(tài)系統(tǒng)。

在各類過魚設(shè)施中，魚道雖然投資較大，對(duì)地形地質(zhì)條件要求較高，但作為連系壩上水庫和壩下河流的永久性建筑物，可一定程度上恢復(fù)河流的連通性，實(shí)現(xiàn)魚類雙向主動(dòng)性通過；也為其提供了休憩場所，是一種保護(hù)水生物種資源和維持河道連續(xù)性的工程措施[1]。有些學(xué)者更是將其稱之為“生態(tài)廊道”[2]；班多水電站最大水頭41.5 m，具備修建魚道的場地條件。因此，選擇魚道作為班多水電站補(bǔ)建過魚設(shè)施的方式。

在班多魚道設(shè)計(jì)階段，已建大型水電站增建魚道在國內(nèi)尚無先例，其設(shè)計(jì)方案既要保障魚道布置合理、過魚效果可靠，也要兼顧考慮施工過程中對(duì)電站運(yùn)行安全的影響，并滿足電站建成后壩址區(qū)現(xiàn)狀地質(zhì)地形條件限制。因此，設(shè)計(jì)過程中更應(yīng)注重從工程運(yùn)行實(shí)際出發(fā)，扎實(shí)做好確定設(shè)計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)研究，以指導(dǎo)魚道設(shè)計(jì)。本次研究探索了將魚類資源復(fù)核調(diào)查、魚類游泳能力試驗(yàn)、壩下和庫區(qū)地形實(shí)測、壩下和庫區(qū)流場模擬及原型觀測、水庫日運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、水力學(xué)模型試驗(yàn)等多項(xiàng)基礎(chǔ)研究相結(jié)合，確定班多水電站補(bǔ)建魚道的設(shè)計(jì)參數(shù)體系。

1 工程概況

班多水電站工程位于青海省海南州同德縣與興海縣交界的班多峽谷出口處，壩址處控制流域面積10.75萬km2，多年平均流量565 m3/s。水庫正常蓄水位2 760 m，死水位2 757 m，正常蓄水位下庫容0.15億m3，為徑流式電站。最大壩高為78.72 m，最大水頭41.5 m，電站裝機(jī)容量360 MW，單獨(dú)運(yùn)行年發(fā)電量14.12億kW·h。

班多水電站攔河大壩為河床式廠房混凝土重力壩，施工導(dǎo)流明渠位于左岸，廠房尾水位于右岸。工程樞紐布置從左岸到右岸分別為左岸擋水副壩(前期為導(dǎo)流明渠)、泄洪閘壩段、安裝間壩段、廠房壩段、右岸擋水副壩。2011年5月，全部機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。

根據(jù)班多水電站工程運(yùn)行后開展的多次魚類資源復(fù)核調(diào)查，河段原分布的土著魚類均能調(diào)查到，魚類種類并未減少，河段仍有保護(hù)魚類生境的價(jià)值。作為黃河上游目前已建的最上游一級(jí)電站，有必要盡快增建過魚設(shè)施，實(shí)現(xiàn)魚類雙向交流，保護(hù)河段魚類資源及棲息生境。

表2 魚道過魚時(shí)段一覽

2 研究方法及過程

2.1 過魚對(duì)象、過魚季節(jié)和過魚規(guī)格確定

2.1.1 過魚對(duì)象確定

根據(jù)歷史資料和工程運(yùn)行后近年來開展的魚類資源現(xiàn)狀復(fù)核調(diào)查，河段無長距離洄游性魚類，部分魚類具有短距離生殖洄游需求。過魚對(duì)象選擇主要從完成生活史價(jià)值、保護(hù)其物種多樣性價(jià)值和保護(hù)其經(jīng)濟(jì)價(jià)值等3個(gè)方面分析。根據(jù)以上判斷依據(jù)，應(yīng)將河段分布的花斑裸鯉、厚重裸重唇魚、骨唇黃河魚、極邊扁咽齒魚、擬鯰高原鰍、黃河裸裂尻和刺鮈幾種土著魚類列為主要過魚對(duì)象。

表1 魚道過魚對(duì)象一覽

2.1.2 過魚時(shí)段確定

河段無大型長距離洄游性魚類，厚唇裸重唇魚具有一定短距離產(chǎn)卵洄游習(xí)性。因此班多魚道主要為魚類提供索餌和產(chǎn)卵的洄游通道，過魚時(shí)間選擇在魚類的生長、繁殖季節(jié)，重點(diǎn)為魚類的產(chǎn)卵季節(jié)。

根據(jù)調(diào)查，過魚對(duì)象主要產(chǎn)卵季節(jié)在4月～6月，不同魚類產(chǎn)卵時(shí)間有所差異?？紤]到部分高原鰍類繁殖季節(jié)可能延后，因此過魚時(shí)段選擇在4月～8月，其中重點(diǎn)過魚時(shí)段選擇在4月～6月。

2.1.3 過魚規(guī)格確定

工程建設(shè)前后，在本河段開展了多次魚類調(diào)查，工程運(yùn)行后開展了魚類資源復(fù)核調(diào)查。河段歷次調(diào)查的各種魚類性成熟時(shí)體長在80～240 mm不等，最大漁獲物體長392 mm。因此，本工程最大過魚對(duì)象規(guī)格取400 mm，并在設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)考慮超過此規(guī)格的大個(gè)體魚類過魚需求。

2.2 設(shè)計(jì)流速確定

水電水利工程魚道設(shè)計(jì)除了要考慮魚類的生活習(xí)性外，還要考慮魚道能否為各種魚類提供所需要的水力條件，過魚孔中的流速要小于過魚對(duì)象所能克服的流速[3- 4]。

2.2.1 魚類游泳能力測試

本次設(shè)計(jì)參數(shù)研究過程中，在青海黃河上游對(duì)部分過魚對(duì)象開展了游泳能力試驗(yàn)[5]，測試每種過魚對(duì)象的感應(yīng)流速、突進(jìn)游泳速度與持續(xù)游泳速度，采用變頻環(huán)形試驗(yàn)水槽、旋槳流速儀、溶氧儀等儀器進(jìn)行測試。測試結(jié)果見表3。

表3 部分過魚對(duì)象游泳能力試驗(yàn)結(jié)果 m/s

2.2.2 最大流速確定

根據(jù)水電工程魚道設(shè)計(jì)規(guī)范[6]，魚道的最大設(shè)計(jì)流速需要按照過魚對(duì)象中游泳能力最弱魚的突進(jìn)游泳速度而定；同時(shí)，兼顧河流中其他魚類。根據(jù)游泳能力測試結(jié)果，班多魚道內(nèi)最大流速建議不超過1.1 m/s。

2.2.3 緩流區(qū)流速確定

根據(jù)游泳能力試驗(yàn)結(jié)果，所測量過魚對(duì)象的最大感應(yīng)流速為0.147 m/s，魚道內(nèi)緩流區(qū)流速按不小于0.2 m/s設(shè)計(jì)。

2.3 進(jìn)口位置確定

2.3.1 庫區(qū)及壩下地形實(shí)測

由于班多水電站已運(yùn)行多年，受樞紐建設(shè)和施工布置的影響，工程區(qū)地形相比建設(shè)前已發(fā)生較大變化，設(shè)計(jì)前對(duì)工程庫區(qū)及壩下1 km區(qū)域岸邊和水下地形進(jìn)行了實(shí)地測量。

2.3.2 流場模擬

采用MIKE21二維水動(dòng)力模型，利用地形實(shí)測結(jié)果構(gòu)建班多壩軸線以下1 000 m范圍內(nèi)的三角地形網(wǎng)格，進(jìn)行不同運(yùn)行工況下壩下河段水流數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示，電站1臺(tái)機(jī)、2臺(tái)機(jī)、3臺(tái)機(jī)發(fā)電情況下，受地形和工程布置影響，壩下200 m內(nèi)左岸河道為泄洪閘出口明渠靜水區(qū)域，壩下100～200 m河道中部區(qū)域以及壩下500 m以下左側(cè)河道存在高流速區(qū)，形成流速屏障。各工況下壩下游右側(cè)河道均存在連續(xù)的流速0.2～1.1 m/s的魚類可通過范圍。

圖1 壩下流場分布模擬結(jié)果(河流流向?yàn)樽阅舷虮?

2.3.3 流場原型觀測

為驗(yàn)證流場模擬結(jié)果，并掌握過魚季節(jié)內(nèi)典型工況下壩下流場實(shí)際情況，本次研究對(duì)壩下1 km范圍內(nèi)的流場進(jìn)行了原型觀測(見圖2)。實(shí)測采用矩陣布點(diǎn)，相鄰測點(diǎn)間隔30～50 m。測量時(shí)間為5月，實(shí)測期間電站2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，出庫平均流量691 m3/s，實(shí)測結(jié)果如下。

圖2 壩下實(shí)測流場分布(河流流向自南向北)

(1)壩下200 m以上范圍。各斷面流速均較大，各垂線流速基本都大于1.1 m/s，河道中間位置部分區(qū)域流速大于3 m/s。

(2)壩下200 m以下范圍。左側(cè)河道從壩下約200～500 m流速在0.83～1.20 m/s之間，壩下500 m以下左側(cè)河道流速均遠(yuǎn)大于1.1 m/s；中間河道各斷面流速均大于1.1 m/s；右側(cè)河道在壩下300 m以上測量點(diǎn)流速大于1.1 m/s，壩下300 m以下流速均在0.2～1.1 m/s之間，出現(xiàn)連續(xù)的流速適宜通道。

流場實(shí)際測量結(jié)果與二維數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。

2.3.4 進(jìn)口位置確定

魚道進(jìn)口位置應(yīng)選擇水流平順、流速適宜且不大于1.1 m/s的區(qū)域，有利于魚類發(fā)現(xiàn)并能順利進(jìn)入魚道進(jìn)口。班多水電站廠房尾水位于右岸，左岸壩下200 m內(nèi)范圍為泄洪閘出口明渠靜水區(qū)域，左岸明渠下游流場不夠平順，易受電站棄水、泄洪等不穩(wěn)定工況影響，且下游500 m以下左側(cè)河道存在高流速區(qū)，因此本工程魚道進(jìn)口布置在右岸為宜。根據(jù)壩下流場數(shù)值模擬和實(shí)測結(jié)果，壩下300 m及以下右側(cè)河道存在流速在0.2～1.1 m/s的適宜通道區(qū)域，且該范圍內(nèi)河道中間和左岸流速較大，魚類容易尋找右岸適宜的水流，適合在該范圍內(nèi)布置魚道進(jìn)魚口。

由于班多水電站已經(jīng)建成運(yùn)行，電站為徑流式，水庫無調(diào)蓄能力。魚道進(jìn)口布置受岸邊場地地形條件限制，且需要兼顧魚道進(jìn)口圍堰施工對(duì)廠房尾水的安全影響，無法靠近廠房尾水。右岸廠房尾水下游約310、380 m處岸邊流速量值相對(duì)適中，且水流流態(tài)較為平順，在此區(qū)域分別布置2個(gè)進(jìn)魚口。

2.4 進(jìn)口、出口數(shù)量及高程確定

魚道進(jìn)口、出口數(shù)量需根據(jù)水位變化特征考慮，并考慮運(yùn)行方便。

2.4.1 壩下運(yùn)行水位及魚道進(jìn)口高程確定

魚道進(jìn)魚口高程，既要適應(yīng)過魚對(duì)象對(duì)水深的要求，還要適應(yīng)下游水位的變幅。過魚時(shí)段電站運(yùn)行工況主要集中在1臺(tái)機(jī)～3臺(tái)機(jī)發(fā)電，本次魚道設(shè)計(jì)取1臺(tái)機(jī)發(fā)電流量379.24 m3/s～3臺(tái)機(jī)滿發(fā)流量1 137.72 m3/s下的水位作為魚道壩下工作水位范圍，可滿足大多數(shù)時(shí)段過魚需求。魚道下游運(yùn)行最低水位為1臺(tái)機(jī)滿發(fā)下游水位2 719.75 m，最高運(yùn)行水位為3臺(tái)機(jī)滿發(fā)下游水位2 721.53 m，水位變幅1.78 m。

結(jié)合進(jìn)魚口附近河床地形，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，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1.31～2.20 m。

2.4.2 庫區(qū)運(yùn)行水位分析及魚道出口高程確定

班多水電站水庫正常蓄水位2 760.00 m，死水位2 757.00 m，變幅3 m。為結(jié)合工程運(yùn)行以來實(shí)際情況合理確定魚道出口高程及數(shù)量，使魚道運(yùn)行盡量簡單高效，參數(shù)研究階段對(duì)電站運(yùn)行期5年的日運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見表4。

表4 魚類產(chǎn)卵及主要生長季節(jié)庫區(qū)水位統(tǒng)計(jì)

結(jié)果顯示，每年4月～8月過魚時(shí)段，庫區(qū)水位多數(shù)在2 759.00～2 760.00 m，占到55.86%，水庫盡量靠近正常蓄水位運(yùn)行。部分天數(shù)由于汛期電站泄洪等原因?qū)е滤畮焖惠^低，而泄洪期間魚道不運(yùn)行。因此，庫區(qū)工作水位取2 759.00～2 760.00 m，水位變幅1.00 m。

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范[6]，出魚口最低水深0.5 m要求，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。

2.5 魚道池室參數(shù)確定

班多水電站最大水頭41.5 m，根據(jù)本工程主要過魚對(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)，采用矩形斷面的垂直豎縫式魚道。主要池室參數(shù)確定過程如下：

(1)魚道池室長度。池室長度與魚體大小及魚的習(xí)性有關(guān)。個(gè)體愈大，池室應(yīng)愈長，躁性急竄的魚類，應(yīng)有較長的池室。對(duì)于各種魚類，池室長度不應(yīng)小于大個(gè)體魚長的4～5倍，對(duì)躁性魚類應(yīng)更大。根據(jù)本工程魚道過魚對(duì)象體長統(tǒng)計(jì)，池室長度2.5 m大于最大魚類體長的5倍；因此池室長度取2.5 m。

(2)魚道池室豎縫寬度。根據(jù)調(diào)查，過魚對(duì)象最大體長約400 mm，根據(jù)魚道一般設(shè)計(jì)要求，過魚孔口寬度最小不應(yīng)小于過魚最大體長1/2，本次設(shè)計(jì)取池室豎縫寬度≥0.3 m。

(3)池室水深。魚道內(nèi)的水深主要視魚類習(xí)性而定。底層活動(dòng)的魚類和大個(gè)體成魚，喜歡較深的水體和暗淡的光色，故要求水深大一些；幼魚一般喜在水表層活動(dòng)，池室水深可小一些。國內(nèi)有關(guān)水電站魚道通過觀測，建議魚道運(yùn)行水深控制在1.5～2.0 m[4]。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，本次班多魚道池室水深取0.5～2.2 m。

2.6 研究結(jié)果

根據(jù)以上研究過程，班多水電站魚道主要設(shè)計(jì)參數(shù)體系成果如表5所示。

表5 魚道設(shè)計(jì)參數(shù)體系

3 討論和結(jié)論

在國家加大生態(tài)文明建設(shè)力度，高度重視黃河上游生態(tài)修復(fù)的形勢下，本次研究對(duì)大型水電站補(bǔ)建魚道主要設(shè)計(jì)參數(shù)的探索，其方法和成果對(duì)于國內(nèi)后續(xù)水電工程魚類生境修復(fù)工程設(shè)計(jì)工作具有很強(qiáng)的借鑒意義。

本次研究圍繞在已建大型水電站補(bǔ)建魚道這一特征，依據(jù)工程運(yùn)行后的場地地形、流場、水位變幅等實(shí)際情況，充分考慮魚道過魚效果和施工對(duì)電站運(yùn)行的影響，開展了魚類資源復(fù)核調(diào)查、魚類游泳能力測試、壩下和庫區(qū)地形實(shí)測、壩下和庫區(qū)流場原位觀測及模擬、水庫日運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等多項(xiàng)基礎(chǔ)工作，客觀合理地研究確定各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)，形成了班多水電站魚道過魚對(duì)象、過魚季節(jié)、過魚規(guī)格、設(shè)計(jì)流速、進(jìn)魚口位置、進(jìn)出口工作水深及底板高程、池室水深、池室長度、豎縫寬度等魚道基本設(shè)計(jì)參數(shù)體系。

值得注意的是，雖然本次研究流場觀測成果提示右岸廠房下游300 m范圍內(nèi)存在高流速區(qū)域，但國內(nèi)部分已建水電站已調(diào)查到魚類出現(xiàn)在尾水處的實(shí)際情況。已建水電站增建魚道時(shí)，受場地條件限制，且考慮進(jìn)口圍堰施工對(duì)廠房尾水安全的影響，往往無法將魚道進(jìn)口布置在尾水處，魚道槽身段布置也較為困難，這也是已建水電站增建過魚設(shè)施的局限之處，也體現(xiàn)出了過魚設(shè)施在水庫蓄水前應(yīng)建設(shè)完成這一要求的必要性。為進(jìn)一步提高班多魚道的過魚效果，下一階段可開展壩下魚類集群觀測及魚道過魚效果觀測，研究在魚道進(jìn)口設(shè)置攔魚、導(dǎo)魚和誘魚設(shè)施。