東江河源至石龍主要樞紐補建魚道設計參數研究

劉永安 ，劉 霞 ，2

（1.珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣東 廣州，510611；2.水利部珠江河口治理與保護重點實驗室，廣東 廣州，510611）

0 引言

水電工程建設與運行在防洪、發(fā)電、航運等方面對我國社會經濟發(fā)展起到重要的推動作用，但工程阻隔導致河流連通性受損、生境條件改變、生態(tài)環(huán)境負效應[1]。東江河源至石龍段已建的木京、瀝口和劍潭電站樞紐在前期建設中未修建魚道等過魚設施，阻礙了魚類洄游通道和上下游長期的基因交流。

隨著水利水電開發(fā)建設對魚類影響認知的不斷深入，針對早期已建工程進行改建和補建過魚設施的要求也越來越多[2]。目前已建大型水電站補建魚道在國內尚無先例，其設計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電站運行安全的影響[3]。因此，為做好木京、瀝口和劍潭水利樞紐補建魚道建設的前期研究，本文探究了這三個樞紐魚道水位和設計流速，為后續(xù)魚道設計提供參考。

1 過魚目標分析

1.1 過魚對象確定

過魚對象選擇主要從具有洄游習性、受保護物種多樣性、具有經濟價值等三方面考慮[4]。根據魚類資源調查和查閱相關資料[5]，確定東江魚道主要過魚對象為青魚、草魚、鰱魚、鳙魚、七絲鱭、鰻鱺、赤眼鱒，兼顧過魚對象為廣東魴。

1.2 過魚季節(jié)確定

過魚設施的主要目的是促進大壩上下游魚類遺傳基因交流，因此，過魚時段的選擇應重點保證主要過魚對象在繁殖季節(jié)的過壩需求，根據過魚對象的生態(tài)習性，結合魚類資源調查情況，初步擬定木京、瀝口和劍潭樞紐魚道過魚季節(jié)為2～11月份[5]，見表1所示。

表1 魚道過魚季節(jié)選擇

1.3 過魚規(guī)格確定

過魚對象規(guī)格主要按照魚類最小性成熟個體體長進行確定，以提高魚類上行過壩個體參加當年繁殖的可能性。根據相關文獻資料[6-9]，青魚大多數性成熟為4～5齡，性成熟體長100cm；鳙魚性成熟年齡為4～5齡，體長約90cm；七絲鱭性成熟最小個體體長9cm。因此，建議魚道過魚規(guī)格為9～100cm，具體見表2。

表2 過魚對象漁獲物數量與體長匯總表 cm

2 魚道設計的基本參數

魚道是幫助魚類順利通過閘壩等障礙物的專用設施，在維系河流連續(xù)性與生物種群交流方面具有重要作用[10]。然而魚道設計中仍存在諸多局限性和運行不確定性，魚道進水口設計流速、進出口設計運行水位與實際水位的偏差對魚道過魚效果存在影響[11]。本次以木京、瀝口和劍潭水利樞紐為研究對象，提出了東江樞紐魚道水位和流速的建議值。

2.1 魚道水位的確定

魚道上下游的運行水位，直接影響到魚道在過魚季節(jié)中是否有適宜的過魚條件；魚道上下游的水位變幅，也會影響魚道出口和進口的水面銜接和池室水流條件，使到達出口部位的魚無法進入水庫，也可以使下游進口附近的魚無法進入魚道。木京、瀝口和劍潭樞紐運行日志[5]及魚道上下游水位確定原則如下：

（1）木京樞紐運行方式。當上游來水流量小于677.1m3/s時，以滿負荷發(fā)電，不開啟閘門泄洪，保持正常蓄水位42.74m；當來水流量大于2 000m3/s時，木京水電站以最大負荷發(fā)電，保持壩前水位在41m運行。因此，建議魚道上游高水位設計為42.74m，上游設計低水位采用壩前水位41m。當木京水電站單臺機組發(fā)電時，木京樞紐下游尾水位為34.30m；當木京水電站所有機組滿發(fā)時，下游尾水位為36.25m。因此，魚道下游最低設計水位采用木京水電站單臺機組發(fā)電時的下游水位為34.30m，魚道下游高水位采用木京電站滿發(fā)機組時的水位為36.25m。

（2）瀝口樞紐運行方式。根據瀝口樞紐調度運行情況，在正常情況下瀝口壩前水位始終控制在正常蓄水位27.74m；當樞紐上游來水流量在1 128m3/s～1 940m3/s之間，閘前水位保持在26.5m；當來水流量大于1 940m3/s時，閘門逐步打開泄流，直至上游水位恢復到正常蓄水位。因此，建議瀝口樞紐魚道上游設計最低水位為26.50m，設計高水位為正常蓄水位27.74m。

當瀝口水電站機組一臺滿發(fā)時的下游水位為18.11m；當機組滿發(fā)時下游水位為22.09m。根據《水電工程過魚設施設計規(guī)范》[12]，魚道設計運行水位應根據壩（閘）上、下游可能出現的水位變動情況合理選擇。因此，建議瀝口樞紐魚道下游設計低水位為18.11m，魚道下游設計高水位為22.09m。

（3）劍潭樞紐運行方式。根據《水利水電工程魚道設計導則》[13]，魚道上下游運行水位較為穩(wěn)定時，魚道上游設計水位可采用在過魚季節(jié)相應的閘、壩正常運行水位，下游設計水位取過魚季節(jié)多年的運行水位。通過樞紐運行以來歷年實測水位資料分析，魚道上游設計高水位采用劍潭樞紐正常運行水位為11.24m，上游設計低水位采用過魚季節(jié)98%保證率為10.98m；下游水位變動對魚道的影響較大，為應對過魚季節(jié)水位變動，考慮過魚季節(jié)98%保證率為下游設計低水位，即0.84m，過魚季節(jié)50%保證率為下游高水位，下游設計高水位為1.85m。水位綜合歷時保證率結果如表3所示。

表3 劍潭樞紐過魚季節(jié)（2～11月）水位綜合歷史保證率表 m

根據上述原則和水文計算分析，劍潭、瀝口、木京樞紐設計水位及魚道上下游設計水位如表4所示。

表4 劍潭、瀝口、木京樞紐設計水位及魚道上下游設計水位 m

結合上述樞紐的運行日志和相關文獻資料，總結了魚道上下游水位確定的幾種方法：

（1）魚道上游設計高水位一般采用樞紐正常蓄水位，設計低水位大多結合水電站滿額發(fā)電時最大下泄量或考慮過魚季節(jié)保證率進行確定。

（2）魚道下游設計水位可選擇在單臺機組發(fā)電與全部機組發(fā)電的下游水位之間或考慮過魚季節(jié)多年的運行水位。

2.2 魚道流速設計

在進行魚道設計時，魚道進口流速應大于魚類的感應流速，魚道進口通常采用一個較大的流速以吸引魚類，一般最佳的誘魚流速范圍在臨界游泳速度和突進游泳速度之間。本次東江河源至石龍段魚類游泳能力試驗測試方法如下：

（1）感應流速。將暫養(yǎng)48h后的單尾實驗魚放置于游泳能力測試水槽中，靜水下適應1h后每隔5s以微調方式逐步增大流速，記錄實驗魚游泳狀態(tài)由自由游動轉變?yōu)槟媪饔蝿訒r的流速大小，得到實驗魚的感應流速，并在每條魚實驗結束后測量其體長、體重等形態(tài)學參數。

（2）臨界游泳速度測試。臨界游泳速度的測定采用“遞增流速法”：待魚暫養(yǎng)48h后，將單尾魚轉移至測試水槽中。實驗前先對實驗魚體長進行估測，而后在1.0BL/s（1倍體長每秒）流速下適應1h以消除轉移過程對魚體的脅迫影響，適應后每20min提高一次流速，流速增量為1.0BL/s。當魚達到疲勞狀態(tài)后，停止實驗（魚疲勞狀態(tài)的判定：魚?？吭谙掠尉W上時，輕拍下游壁面20s，魚仍不重新游動，視為疲勞）。取出疲勞后的實驗魚并測量體重及常規(guī)形態(tài)學參數，測試樣本量至少保證10尾。相對臨界游泳速度（Ucrit，BL/s）按以下公式計算：

式中：Umax為魚能夠完成持續(xù)時間（△t）的最大游泳速度；t為在最高流速下的實際持續(xù)時間（t<△t）；△t為改變流速的時間間隔（20min）；△U為速度增量（1.0BL/s）。

絕對臨界游泳速度Ucrit（m/s）由相對臨界游泳速度Ucrit（BL/s）與魚體長（BL）相乘求得。

（3）突進游泳速度測試。突進游泳速度的測定亦采用“遞增流速法”，與臨界游速的測試方法及公式基本一致，僅將流速提升時間間隔△t改為20s，流速增量仍為1.0BL/s，魚體疲勞時對應的流速即為突進游泳速度。當每尾魚測試完成后，取出疲勞后的實驗魚并測量體重及常規(guī)形態(tài)學參數。

（4）持續(xù)游泳時間測試。將單尾暫養(yǎng)后的實驗魚放入實驗水槽中，在1.0BL/s的流速下適應1h，消除轉移過程對魚體的脅迫影響，然后在1min以內調至設定流速后開始計時，觀察魚的游泳行為，當實驗魚疲勞無法繼續(xù)游動時結束實驗并記錄游泳時間。以200min為時間閾值，在設定流速下持續(xù)游泳時間大于200min的速度均稱為可持續(xù)游泳速度。

根據魚類游泳能力測試結果[5]，建議魚道進口流速設計為 0.70～1.25m/s。

表5 魚類游泳能力測試結果

3 結論

（1）在魚類通道設施的設計中，明確工程所在河段主要過魚對象和過魚目標，并掌握魚類生態(tài)行為習性，是魚道設計的基本前提。

（2）根據魚類資源調查，建議東江魚道主要過魚對象為青魚、草魚、鰱魚、鳙魚、七絲鱭、鰻鱺、赤眼鱒，兼顧過魚對象為廣東魴。建議魚道過魚季節(jié)為2～11月份，過魚體長為9～100cm。

（3）根據魚類游泳能力測試結果，建議魚道進口流速設計為 0.70m/s～1.25m/s。

（4）本文通過分析木京、瀝口和劍潭電站的運行調度確定了魚道上下游設計水位，同時結合魚類游泳能力試驗和魚道設計規(guī)范確定了魚道進口設計流速，為后續(xù)三個樞紐魚道設計提供了參考依據。