宣城市水陽江海棠灣水利樞紐工程魚道設(shè)計(jì)

張玉程，董宸中

（1.山東外事職業(yè)大學(xué)，山東 威海 264500；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）第六設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230061）

宣城市水陽江海棠灣水利樞紐工程位于敬亭山腳下，海棠灣碼頭上游約0.9 km 處。海棠灣水利樞紐工程鋼壩閘50 年一遇設(shè)計(jì)過閘流量為4 746 m3/s，樞紐工程等別為Ⅱ等，規(guī)模為大（2）型水閘樞紐工程。樞紐主要由蓄水壩、調(diào)節(jié)閘、升船機(jī)、魚道組成，其中升船機(jī)位于水陽江左岸，蓄水壩位于右岸，調(diào)節(jié)閘位于升船機(jī)分流島與蓄水壩之間，魚道位于升船機(jī)分流島中間。鋼壩閘共6孔，閘孔總凈寬204 m，為底軸驅(qū)動(dòng)翻板鋼閘門，通過直徑1.8 m 底轉(zhuǎn)軸和鉸支座安裝在底板上，采用集成式液壓啟閉機(jī)控制。

1 過魚對(duì)象及季節(jié)

水陽江屬長江一級(jí)支流，宣城境內(nèi)共有支流7 條，于新河莊匯入水陽江直達(dá)長江。姑溪河是水陽江下游入長江的主干道，其入江口為長江馬鞍山當(dāng)涂口。經(jīng)初步調(diào)查，關(guān)于水陽江城區(qū)段的近年來的魚類資源無相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)報(bào)告，本次研究采用的水陽江城區(qū)段魚類資源基礎(chǔ)資料來源于長江中下游的安徽蕪湖段、馬鞍山段相關(guān)報(bào)告。

本項(xiàng)目魚道設(shè)計(jì)旨在建立壩址上、下游的魚類洄游通道。蓄水壩影響區(qū)分布的魚類中，主要保護(hù)對(duì)象為水陽江（參考長江蕪湖段）的傳統(tǒng)洄游魚類，包括草魚、鰱魚、鳙魚、鳊魚，兼顧考慮區(qū)域其他經(jīng)濟(jì)魚類。根據(jù)保護(hù)對(duì)象的洄游需要，結(jié)合樞紐的運(yùn)行方式確定本工程的過魚季為3～6月，此季節(jié)為枯水和平水期，蓄水壩關(guān)閘蓄水，阻隔了魚類通過。

2 魚道總體布置及型式選擇

根據(jù)海棠灣水利樞紐的布置、運(yùn)行特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)魚道布置在鋼壩閘與升船機(jī)之間的分流島上，工程布置湊，不單獨(dú)占地，土方挖填量小，方便管理，可以充分利用調(diào)節(jié)閘放水誘魚。

分流島長度245 m，寬度20 m，其中蓄水壩上游長度107 m，蓄水壩下游長度138 m。魚道總長度321.5 m，進(jìn)口布置在調(diào)節(jié)閘消力池末端的分流島邊墻上，距離調(diào)節(jié)閘下游端42 m，出口布置在調(diào)節(jié)閘上游的分流島邊墻上，距離調(diào)節(jié)閘上游端65 m，采用豎縫式魚道。

魚道進(jìn)魚口設(shè)計(jì)水位為5.8~7.0 m，進(jìn)口底高程4.2 m，出魚口設(shè)計(jì)水位9.50 m，出口底高程7.8 m，可以滿足上、下游低水位時(shí)過魚要求。由于魚道較長，采用直線布置，因分流島長度不滿足魚道縱坡要求，所以部分段采用對(duì)折布置，其中鋼壩閘側(cè)魚道長度92.5 m，升船機(jī)側(cè)魚道長度為209 m。

采用豎縫式魚道，魚道槽身凈寬2m，在進(jìn)、出魚口暗涵式魚道頂蓋板處均設(shè)置植草或格柵蓋板，便于后期清淤維修，每隔20 m 設(shè)置一處鋼化玻璃蓋板用于魚道內(nèi)采光。采用預(yù)制豎縫式隔板，共布置隔板107 塊，縫寬0.4 m，隔板間距2.5 m。隔板均采用C30 鋼筋預(yù)制隔板，高度為3.0 m。隔板底高程4.20~7.80 m；隔板頂高程7.20~10.80 m。魚道每9~11 個(gè)隔板設(shè)置一個(gè)休閑池，共設(shè)9 個(gè)休息池，池長5 m。魚道斷面設(shè)計(jì)、隔板平面布置如圖1 所示。

魚道采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底部用碎石、砂卵石加糙，從而達(dá)到親近自然效果。魚道進(jìn)、出魚口分別設(shè)檢修閘門擋水，考慮到影響分流島景觀布置，進(jìn)魚口檢修閘閘門采用平面鋼閘門暗桿式啟閉機(jī)啟閉，出魚口檢修閘閘門采用一字閘門人工啟閉，魚道中間設(shè)置簡易觀察室。

3 魚道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 豎縫及淹沒孔口尺寸

一般情況下，根據(jù)過魚對(duì)象捕獲物的尺寸來確定豎縫及淹沒孔口寬度，本項(xiàng)目中通過魚類的最大體長為500 mm 左右。據(jù)此，魚道豎縫及淹沒孔口尺寸采用0.4 m。

3.2 池室水深、凈寬及長度

魚道池室水深主要根據(jù)過魚對(duì)象體長及池室消能要求確定，底層魚和體型較大的成魚相應(yīng)要求較深。對(duì)于體長超過0.2 m 的魚類，最小池室水深應(yīng)大于過魚體長的2.5 倍，據(jù)此魚道池室水深取1.3 m。魚道池室凈寬根據(jù)過魚對(duì)象個(gè)體尺寸及過魚量確定，一般情況下池室凈寬不應(yīng)小于過魚體長的2 倍，據(jù)此魚道池室凈寬取2 m。池室長度一般取池室凈寬的1.25～1.5 倍，據(jù)此魚道池室長度取2.5 m。

魚道池室的尺寸直接決定池室內(nèi)魚類的休息條件和水流的消能效果。在合理尺寸下，池室尺寸越大，則魚類的休息水域越大；池內(nèi)的水流條件越好，對(duì)過魚越有利。

3.3 進(jìn)、出口設(shè)置

本工程鋼壩閘運(yùn)行方式如下：1）非汛期運(yùn)行。9 月初至次年5 月底為非汛期運(yùn)行期，工程任務(wù)主要是提高枯水期水位，改善城市水環(huán)境。閘門關(guān)閉蓄水。2）汛期運(yùn)行。6 月初至8 月底汛期期間，根據(jù)天氣預(yù)報(bào)情況，水情預(yù)報(bào)，制定閘門開啟方案。通常情況下，閘門全部開啟。

在魚道運(yùn)行期間，蓄水壩上游設(shè)計(jì)正常蓄水位10.0 m，實(shí)際運(yùn)行水位一般為9.1 m。因此采用正常蓄水位減0.5 m，即9.5 m 作為出魚口設(shè)計(jì)水位，9.1 m 為出魚口的最低運(yùn)行水位。

魚道下游枯水位為7.0~5.3 m，過魚季節(jié)在每年3 月份以后，閘下游水位較最低枯水位高，故采用最低枯水位5.3 m 加0.5 m，選取5.8 m 作為進(jìn)魚口最低運(yùn)行水位。

3.4 休息池

一般情況下，休息池間距宜為隔板間距的10～20 倍，休息池長度不宜小于池室長度的2 倍，池底宜為水平。據(jù)前述，本項(xiàng)目魚道池室長2.5 m，休息池長取5 m，每隔約25 m 設(shè)一處，即間隔10塊隔板。

3.5 輔助設(shè)施

為引導(dǎo)魚群順利找到魚道進(jìn)口，保證魚道設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期的過魚效果，本項(xiàng)目在魚道進(jìn)口設(shè)置噴灑水管網(wǎng)，借助噴灑水聲及水花引誘魚群游向魚道進(jìn)口。水管網(wǎng)選用直徑0.3m 鋼管，通過蓄水壩上游引水至進(jìn)魚口上部噴灑。

魚道兩側(cè)墻頂部設(shè)防護(hù)欄，起到安全防護(hù)作用，防止當(dāng)?shù)卮迕襁M(jìn)入魚道捕魚。

4 魚道水力設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)流速

魚道設(shè)計(jì)流速根據(jù)主要過魚對(duì)象的克流能力而定，通常情況下取主要過魚對(duì)象極限流速。具體到本項(xiàng)目中，魚類的感應(yīng)流速取0.2 m/s，極限流速為1.0 m/s，即魚道的進(jìn)口應(yīng)保證流速在0.2~1.0 m/s 之間。據(jù)此本項(xiàng)目魚道設(shè)計(jì)采用流速采用0.8 m/s。

4.2 隔板水位差

計(jì)算公式如下：

式中：v為魚道設(shè)計(jì)流速，取0.8 m/s；g為重力加速度，9.81 m/s2；φ 為隔板流速系數(shù)，取值范圍0.85～1.0。

經(jīng)計(jì)算，隔板水位差0.033～0.045 m，設(shè)計(jì)選0.04 m。

4.3 魚道底坡

魚道底坡為隔板水位差與池室長度之比。由前述知，隔板水位差為0.04 m，池室長度為2.5 m，故魚道底坡為0.016。

4.4 魚道流量

計(jì)算公式如下：

式中：μ 為流量系數(shù)，取值范圍0.2～0.6，本次設(shè)計(jì)取0.25；s 為豎縫寬度，取0.4 m；h0為隔板前水深，取1.3 m。

經(jīng)計(jì)算，本次設(shè)計(jì)魚道流量為0.44 m3/s。

4.5 單位水體功率耗散

計(jì)算公式如下：

式中：[E] 為單位水體功率耗散允許指標(biāo)，通常采用200 W/m3；ρ 為水的密度，1 000 kg/m3；V為池內(nèi)水量，約6.5 m3；其余參數(shù)同前。

經(jīng)計(jì)算，本次設(shè)計(jì)魚道單位水體功率耗散為26.6 W/m3，低于200 W/m3，滿足要求。

4.6 池室數(shù)量

池室數(shù)量為魚道最大設(shè)計(jì)水位差與隔板水位差之比。由前述，魚道出魚口設(shè)計(jì)水位9.50 m，進(jìn)魚口設(shè)計(jì)水位5.8 m，則最大設(shè)計(jì)水位差3.7 m；隔板水位差0.04 m。故池室數(shù)量為91.5。

結(jié)合本工程魚道總體布置及結(jié)構(gòu)型式，池室數(shù)量設(shè)計(jì)采用值為98。

4.7 魚道總長

魚道總長為池室與休息池總長之和。由前述，池室凈長2.5 m，數(shù)量為94 個(gè)；休息池凈長5 m，數(shù)量為9 個(gè)。需要注意的是，單個(gè)池室、單個(gè)休息池的長度要計(jì)入隔板厚度0.08 m。故魚道總長為298.56 m。

結(jié)合本工程魚道總體布置及結(jié)構(gòu)型式，魚道總長取301.5 m。

5 結(jié)論與建議

1）本次對(duì)宣城段水陽江段魚類資源的研究主要借鑒了長江中下游的安徽蕪湖段、馬鞍山段相關(guān)基礎(chǔ)資料。綜合考慮相關(guān)資料，對(duì)本區(qū)段魚類的種群結(jié)構(gòu)及生態(tài)習(xí)性有了初步了解，可為同地區(qū)相關(guān)水利工程過魚設(shè)計(jì)提供參考。

2）結(jié)合海棠灣水利樞紐流場、該區(qū)段魚類生態(tài)習(xí)性及池室水力特性等方面的分析，對(duì)本工程魚道展開設(shè)計(jì)研究。針對(duì)本工程鋼壩閘運(yùn)行方式有非汛期、汛期之分等情況確定魚道進(jìn)出口設(shè)計(jì)水位，提出雙進(jìn)魚口、單出魚口的豎縫式魚道布置方式，確保流速及流態(tài)的平穩(wěn)過渡，從而滿足魚類洄游上溯需求，提升了魚道的過魚效果，不僅解決了本工程過魚問題，也可為同類型鋼壩閘水利樞紐工程的過魚設(shè)施提供借鑒。

3）工程投入運(yùn)行后，對(duì)過魚效果進(jìn)行實(shí)際觀測。結(jié)果表明，過魚數(shù)量及上行魚數(shù)量呈逐年增加的趨勢，魚道的存在有效緩解海棠灣水利樞紐工程對(duì)魚類洄游帶來的阻隔效應(yīng)，促進(jìn)了上下游魚類種群的遺傳交流。2022 年在本項(xiàng)目魚道中觀測到的魚類約16 種，以草魚、鰱魚為主，尚未觀測到鳙魚、鳊魚；個(gè)頭以體長20 cm 左右的中小魚為主。過魚時(shí)段主要集中在當(dāng)年的第二、第三季度，其中以6 月數(shù)量為最多。