孤山航電樞紐工程魚道布置設計

徐宇航,張典典,袁 達,高 樂

(1.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司,湖北 武漢 430010; 2.流域水安全保障湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430010)

0 引 言

隨著中國水利水電資源開發(fā)逐步加深,水利樞紐過魚設施的研究和建設日益受到重視。過魚設施作為輔助魚類通過攔河閘壩的工程手段[1-2],在維持流域內魚類基因交流以及河道生態(tài)系統(tǒng)連通中起著重要作用[3-5]。魚類行為學、生態(tài)學等基礎生物學數(shù)據是設計有效過魚設施的基礎,開展水力學模型研究是檢驗設計成果的有效手段[6]。1966年修建的江蘇省斗龍港魚道在進行順灌或倒灌時,均發(fā)現(xiàn)各種幼魚和成魚通過魚道溯閘上游,以往在閘上很少見到或瀕臨絕跡的鰻鱺、鯔、梭魚、鱸等魚類大量出現(xiàn),魚類產量也顯著增加;1980年建成的湖南省洋塘魚道在實際觀察期間,65個白天中,僅青、草、鰱、鳙、鯉、鯽、鳊、鱖等經濟魚類就達40多萬尾,在過魚高峰4月上中旬,平均每小時過魚達2 600多尾;2009年建成的廣西長洲水利樞紐魚道試運行期間,過魚達18種,日過魚量3 798尾,以赤眼鱒、鯪魚為優(yōu)勢種群。由此可見,魚道的建設可以有效減緩水利水電工程對魚類上溯的阻隔影響,起到保護水產資源的作用。

本文結合孤山航電樞紐工程,對漢江上游魚類資源現(xiàn)狀進行分析,確定了過魚目標,并通過經濟技術比選確定了過魚方案。針對漢江上游河段河谷深窄、洪水陡漲陡落、下游水位變幅較大的特點,進行了魚道布置和設計,并結合物理模型試驗對布置結果進行了驗證,相關經驗可供類似工程借鑒。

1 工程概況

孤山航電樞紐工程位于漢江干流夾河-丹江口水利樞紐回水末端河段內,是漢江15個梯級中的第7個梯級,上距白河梯級壩址約35 km,下距丹江口水利樞紐壩址179 km。壩址控制流域面積60 440 km2,多年平均流量783 m3/s,多年平均年徑流量247億m3。樞紐工程等別為Ⅱ等,由泄水閘、船閘、水電站廠房、生態(tài)放水閘、兩岸混凝土擋水壩等建筑物組成,主要開發(fā)任務是航運和發(fā)電,船閘級別為Ⅳ級,電站安裝4臺貫流式機組,裝機容量180 MW。樞紐建成后,原天然河道被隔斷,魚類難以通過樞紐上溯,需建設過魚設施解決魚群洄游隔斷問題。

2 過魚方案比選

2.1 過魚對象及季節(jié)

根據漢江魚類資源現(xiàn)狀,結合孤山航電樞紐工程的特點,重點考慮江湖洄游、半洄游及具有短距離遷移特征的魚類過壩問題,同時兼顧該河段分布的所有魚類,確定本工程主要過魚對象為草魚、青魚、鰱、鳙、吻鮈、鳡等產漂流性卵的魚類。孤山航電樞紐工程主要過魚季節(jié)在半洄游性魚類與短距離遷移魚類的產卵季節(jié),即每年4～7月。

2.2 過魚設施方案比選

過魚建筑物分為魚道、魚閘、升魚機和集運魚船等,過魚設施方案比選見表1。

表1 過魚設施方案比選

孤山航電樞紐工程位于漢江干流,對過魚設施的要求較高,而升魚機、魚閘和集運魚船等設施過魚不連續(xù)、效果不穩(wěn)定、操作復雜、運行費用高[7],因此,魚閘、升魚機和集運魚船不適用于本工程。

魚道和仿自然過魚通道均可連續(xù)過魚,適應與通過的魚類范圍廣,可以滿足孤山水電站過魚目標的要求。仿自然魚道坡度非常低、占地面積大,結合孤山航電樞紐地形地質條件,推薦過魚建筑物采取魚道的結構型式。

3 魚道設計

3.1 過魚流量及水位

根據孤山航電樞紐工程的運行調度方式,魚道上游最高運行水位為正常蓄水位177.23 m,最低運行水位為死水位175.00 m,下游最高運行水位為164.87 m(考慮丹江口水庫90%保證率水位164.20 m的頂托作用),樞紐下泄流量為1 541.2 m3/s,最低運行水位為158.55 m,樞紐下泄流量為生態(tài)流量120 m3/s,過魚設施的最大工作水頭為18.68 m,最小工作水頭為10.13 m。

3.2 魚類克流能力評估及魚道流速設計

(1) 目標魚類克流能力。該工程魚道的主要過魚對象為吻鮈、鳡以及四大家魚等,魚道的設計流速主要參考這幾種魚類的克流能力。國內科研單位對四大家魚的克流能力進行了測試試驗,主要成果見表2。

表2 四大家魚克流能力測試成果

(2) 魚道設計流速。魚類一般以高速沖刺的形式短時間通過魚道過魚孔口或豎縫,通過高流速區(qū)時間為5～20 s,通過魚道后魚類會尋找到緩流區(qū)或回流區(qū)進行休息[8]。因此,過魚斷面流速主要參考魚類突進速度(極限游速)確定。

根據表2的研究成果,四大家魚的突進速度為0.98～1.25 m/s。本工程魚道主要過魚目的是幫助上下游魚類進行基因交流,兼顧具有洄游習性的魚類繁殖上溯過壩,因此,在保證大規(guī)格魚類通過的同時,需兼顧一些小規(guī)格魚類?？紤]到各種年齡、規(guī)格的魚類,孤山魚道孔口、豎縫最大設計流速取0.6～0.9 m/s。

3.3 魚道總體布置

魚道布置在電站廠房的右側邊坡上,經右?guī)r非溢流壩段過壩,根據漢江孤山航電樞紐工程下游水位變幅較大的特點,設有3個不同高程的進口以及兩個出口,全長1 189.75 m。主要建筑物有廠房集魚系統(tǒng)、魚道池室、魚道進魚口、出魚口以及補水系統(tǒng)等。魚道平面布置見圖1,魚道主要參數(shù)見表3。

圖1 魚道平面布置Fig.1 Layout of fishway

表3 魚道主要參數(shù)

3.3.1 池室結構

(1) 過魚池。魚道池室尺寸取決于過魚量和過魚對象的大小,本工程主要過魚對象中規(guī)格較大的為四大家魚成魚,因此將其規(guī)格作為限制性指標。四大家魚最大體長一般可達到1.0 m,故魚道池室凈寬取為2.5 m,魚道池室長度取3.0 m,魚道正常運行水深為1.5～3.0 m。

(2) 休息池。為避免魚類在過壩過程中體力不支,設置休息池以供魚類暫時休息。每隔10個過魚池設一個長度為6.0 m的平底休息池,凈寬為2.5 m,水深1.5～2.5 m。

(3) 隔板型式。豎縫式魚道隔板消能效果較好,適應水位變幅能力強,各水層魚類均可通過[9]。根據孤山航電樞紐工程過魚對象特點,選擇單側豎縫式隔板,豎縫寬度選為50 cm,魚道最大流速控制在1.1 m/s以內。

(4) 池間落差及魚道底坡。為滿足過魚豎縫中的設計流速,取池間距3.0 m,魚道池間落差6.0 cm,魚道縱向底坡坡比為1∶50。

3.3.2 廠房集魚系統(tǒng)

廠房集魚系統(tǒng)主要由集魚渠和進魚孔組成。集魚渠和補水渠構成集魚補水渠。集魚補水渠平行壩軸線布置在電站尾水出口的頂部。集魚渠為U形結構,寬2.5 m;補水渠為箱型結構,寬1.5 m;集魚補水渠總長約為82 m,頂高程164 m。在集魚渠上設若干個尺寸為1.0 m×1.0 m的進魚孔,孔底高程錯落布置以適應下游低水位進魚口158.55～161.50 m的水位變化。

3.3.3 進魚口

為適應下游6.32 m的水位變幅,孤山魚道共設置3個進魚口,分別對應158.55～161.50 m、161.50～163.54 m、163.54～164.87 m的運行水位,3個進魚口的底板頂高程分別為157.00,160.0,162.04 m,距離壩軸線的距離分別為80,279,415 m。為增強誘魚效果,在中水位、高水位進魚口布置補水系統(tǒng)及噴淋誘魚系統(tǒng)。進魚口布置見圖2～4。

圖2 低水位進魚口布置Fig.2 Layout of fish inlet at low water level

圖3 中水位進魚口布置Fig.3 Layout of fish inlet at medium water level

圖4 高水位進魚口布置Fig.4 Layout of fish inlet at high water level

水力學模型試驗表明[10]:孤山航電樞紐工程4臺機組運行情況下,結合丹江口水庫水位不同頂托條件,通過改變機組組合運行方式,能在下游河道形成供魚類進入相應進魚口的水流通道,魚類可沿右岸非溢流壩段進入相應水位進魚口。

3.3.4 過壩段

在魚道與右岸非溢流壩段相交處均設有防洪擋水平板門及啟閉機室。上游過壩段擋水門門檻高程170.2 m,魚道孔口尺寸2.5 m×3.0 m,擋水胸墻厚2.0 m,啟閉機安裝平臺高程181.9 m。下游過壩段擋水門門檻高程169.3 m,魚道孔口尺寸2.5 m×3.0 m,擋水胸墻厚2.0 m,啟閉機安裝平臺高程181.9 m。過壩段內設有一座魚道觀測室,觀測室內布置有觀察窗、過魚計數(shù)器等設備,以便掌握魚道的過魚規(guī)律。

3.3.5 出魚口

魚道上游布置兩個出魚口,距壩軸線的距離分別約217 m與293 m,底板頂高程分別為173.50 m與174.70 m,底板底部采用鉆孔灌注樁基礎,側墻頂高程為178.00 m。高水位出魚口設有一道檢修平板門,低水位出魚口設有一道檢修平板門和一道節(jié)制閘門,出魚口布置見圖5。

圖5 出魚口布置Fig.5 Layout of fish outlet

水力學模型試驗表明[10]:在上游水位175.0～177.23 m條件下,不論是電站4臺機組滿發(fā)運行,還是1臺機組運行,在魚道出口周圍40 m水域內水流平順,流動緩慢,流速均未超過0.4 m/s,滿足魚類的喜好要求。

3.3.6 補水系統(tǒng)

補水系統(tǒng)設有引水管、節(jié)制閥(球閥)、檢修閥(蝶閥)和補水渠等。補水系統(tǒng)通過內徑1 000 mm的引水管從上游補水,由球閥控制流量,水流通過補水渠與集魚渠之間隔墻上的補水孔消能進入集魚渠。補水渠與集魚渠均與壩軸線平行布置,布置在廠房尾水出口的頂部。

4 結 語

魚道布置設計時應充分考慮過魚對象的習性,結合運行水位與水流條件確定魚道進口、出口位置,針對性地布置各項設施,創(chuàng)造適宜的過魚環(huán)境。魚道工程是一門涉及多專業(yè)的學科,需實現(xiàn)生態(tài)學、水力學和工程學的有機結合,以使魚道等過魚設施發(fā)揮效益,最大限度減小樞紐建設對魚類阻隔的影響。