SW工程魚道設(shè)計(jì)方案的可行性研究

焉嵐

（丹東市三灣水利樞紐及輸水工程建設(shè)管理局，遼寧 丹東 118000）

魚道是為減緩樞紐工程對(duì)洄游性魚類的阻隔影響，供魚類洄游通過閘、壩等建筑物或天然建筑物的一種人工建筑物，其不僅涉及水利工程施工和仿生學(xué)問題，還涉及水力學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境工程等多方面學(xué)科的交叉融合。在設(shè)計(jì)魚道時(shí)，需要考慮魚類的回溯習(xí)慣、溯游能力和過魚季節(jié)，以及魚類被吸引進(jìn)入魚道所依靠的特定水流流態(tài)等。本文以SW 工程為例，針對(duì)愛河流域珍稀水生動(dòng)物松江鱸魚為主要保護(hù)對(duì)象，兼顧其他魚種，進(jìn)行魚道設(shè)計(jì)。

1 SW 工程概況

遼寧省SW 水利樞紐及輸水工程（簡(jiǎn)稱SW 工程），主要由SW 水利樞紐、輸水管線和凈水廠工程組成。SW 工程位于愛河干流下游，是愛河流域規(guī)劃中的重要樞紐工程。該工程由國家發(fā)改委批復(fù)，于2009 年4 月下達(dá)項(xiàng)目開工令，工程規(guī)模為大（2）型。樞紐壩址在丹東市振安區(qū)九連城鎮(zhèn)廟嶺村，距丹東市25 km，控制流域面積為5 869 km2，以承擔(dān)丹東市城市供水為主，并兼顧發(fā)電，為丹東城市供水安全提供保障。樞紐大壩總長(zhǎng)度約500.00 m，正常蓄水位21.00 m，共33 個(gè)壩段，包括擋水壩段、取水壩段、泄洪閘、電站廠房及擋水部分、取水泵站、魚道、升壓站等。

2 魚道設(shè)計(jì)技術(shù)要求

2.1 魚道位置

SW 工程的魚道布置在大壩左側(cè)的2 號(hào)壩段，此位置可以避免受泄水閘出水的影響。魚道進(jìn)口附近電站尾水下游可設(shè)計(jì)集魚系統(tǒng)，可以利用電站泄水或設(shè)置誘魚設(shè)施進(jìn)行誘魚，通過會(huì)合池進(jìn)入魚道。較為簡(jiǎn)便的誘魚措施是在魚道側(cè)板上設(shè)置誘魚水管，利用噴水水聲誘魚。魚道進(jìn)口的誘魚示意圖如圖1 所示。

圖1 魚道進(jìn)口的誘魚示意圖

SW 工程魚道的布置既滿足誘魚水利條件，又降低了幼魚遭到卷吸的不利情況。因此，選擇緊靠左岸的位置設(shè)計(jì)魚道是合理的。

2.2 魚道形式

魚道應(yīng)該使其流態(tài)接近自然河道，便于魚類能夠順利安全地雙向通行。大部分魚道設(shè)置都是針對(duì)某特殊魚種或某些特殊魚群，在該水利工程中，魚道設(shè)計(jì)重點(diǎn)應(yīng)考慮松江鱸魚的洄游與溯游能力，并保證所有“雜魚”的通行，維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡及穩(wěn)定。因此，在魚道的選型與設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮受保護(hù)的魚類中溯游能力最差的允許流速作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

目前，我國魚道常采用的形式主要有平面式魚道、導(dǎo)墻式魚道和梯級(jí)式（階梯式）魚道。平面式魚道是較早的魚道形式，類似于水渠，有直線形、彎曲形等，魚道流速較大，適用于游泳能力較強(qiáng)的洄游魚類[1]。導(dǎo)墻式魚道為我國目前采用較為普遍的形式，即在魚道水渠中設(shè)置橫隔水墻（導(dǎo)墻）以減緩水流的流速，導(dǎo)墻的形狀、間距、突出方向多種多樣，有直角、斜角和復(fù)式導(dǎo)墻等，導(dǎo)墻的橫斷面一般為長(zhǎng)方形，可減少由于斷面狹窄、過流能力較小而產(chǎn)生的渦流。梯級(jí)式魚道又稱水池梯級(jí)式魚道[2]，在平面水渠內(nèi)設(shè)置控制水流的隔墻，在減小坡度的同時(shí)可形成一個(gè)個(gè)相連的水池，并產(chǎn)生溢流，魚道以斜坡形式延伸，其空間較大，隔板與階梯之間設(shè)計(jì)有休息池來緩沖水流和給魚以休息的空間，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便等特點(diǎn)，適于大部分魚種和甲殼類動(dòng)物的通行。

松江鱸魚個(gè)體小，溯游能力差，每年4 月下旬至6 月上旬幼魚會(huì)上溯至淡水區(qū)域，因此，魚道的設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮幼魚上溯期的游動(dòng)特性，魚道中流速應(yīng)盡可能接近原河道4—6 月的平均流速。梯級(jí)式魚道隨著攔水壩高度的增加，坡道長(zhǎng)度加長(zhǎng)，可降低魚道中水流速度，適宜于喜溫性、個(gè)體短小、底棲、洄游、溯游能力差的松江鱸魚幼魚的習(xí)性。綜合考慮松江鱸魚及其他不同類型魚道的優(yōu)缺點(diǎn)及工程特性，故梯級(jí)式魚道最為適宜松江鱸魚的溯游能力。

2.3 魚道設(shè)計(jì)

2.3.1 主要結(jié)構(gòu)尺寸

魚道尺寸包括總長(zhǎng)度、池室大小、過魚孔大小等?？傞L(zhǎng)度取決于魚道運(yùn)用水位差、隔板間距、休息池和允許流速等。若魚道池室大小已定，每隔10 塊隔板設(shè)一休息池，休息池為普通池室1 倍大小，則魚道有效總長(zhǎng)度L總：

式中：△l為隔板間距；n為池室數(shù)目。

池寬長(zhǎng)度取決于隔板消能效果、魚體消耗及休息條件等。假定孔口寬為B，則池室長(zhǎng)為L(zhǎng)計(jì)算公式：

池室水深一般為1.50～2.50 m，池室水位差△h一般為0.15～0.20 m，坡比為1∶10～1∶20。

池室數(shù)或隔板數(shù)n計(jì)算公式：

式中：H為魚道的總水位差。

魚道下游長(zhǎng)度L下游初步確定為150.00～200.00 m；考慮到上游緊鄰發(fā)電廠取水壩段，為防止發(fā)電取水的水流卷吸影響，上游段長(zhǎng)度L上游初步確定為100.00 m。

2.3.2 魚道進(jìn)口

SW 工程魚道進(jìn)口布置在電站出水渠的下游左岸主河道附近。魚道進(jìn)口設(shè)在常有水流下泄、魚類洄游路線及魚類常集群的地方，并盡可能靠近魚類能上溯到達(dá)的最前沿；魚道進(jìn)口附近水流不能有漩渦和水躍[3]，魚道下泄水流應(yīng)使魚類易從樞紐的各種水流中分辨出來；當(dāng)魚道延伸至河道時(shí)，進(jìn)口不宜超過河床太高，應(yīng)與河床斜坡銜接，進(jìn)口處水深至少1.00～1.50 m。由于進(jìn)口的寬度相對(duì)整個(gè)攔河壩而言占比很小，為了保證魚道的過魚效果，一般要求進(jìn)口寬度等于魚道寬度。

SW 工程魚道進(jìn)口高程為7.00 m，魚道進(jìn)口段寬2.00 m、深2.00 m。在進(jìn)口處設(shè)置集魚區(qū)，并在集魚區(qū)右側(cè)的電站尾水下方設(shè)置攔魚、導(dǎo)魚設(shè)施，將上溯幼魚導(dǎo)向集魚區(qū)及魚道。水壩的下游150.00 m 處水流流態(tài)適應(yīng)魚類進(jìn)入魚道，魚道進(jìn)口段向主河槽彎曲，既可以避開發(fā)電尾水的影響，又可保持進(jìn)口一定的水深。

典型平水年松江鱸魚洄游期時(shí)，壩下150.00 m處原始河道的流量及相應(yīng)主河道水位見表1。工程建成后，魚道進(jìn)口在電站出口附近，電站單機(jī)滿負(fù)荷發(fā)電流量為69.23 m3/s，在原始河道流量區(qū)間內(nèi)。魚道進(jìn)口設(shè)在主河槽內(nèi)，能夠保證洄游期魚道的相應(yīng)水深，當(dāng)完全利用洄游期河道流量發(fā)電時(shí)，既可以為魚道進(jìn)口創(chuàng)造滿足洄游條件的水深，也可充分利用水資源。綜上，魚道進(jìn)口設(shè)計(jì)方案完全滿足天然河道流量及洄游水深條件的要求。

表1 壩下游150.00 m處典型平水年松江鱸魚洄游期河道流量及水位

2.3.3 魚道出口

魚道出口在庫區(qū)，要求布置在水較深（至少1.00 m）和流速較小地點(diǎn)，出口高程設(shè)在最低水位線下，便于松江鱸魚上溯。為適應(yīng)水庫水位變動(dòng)，利用岸邊的地形，在正常高水位21.00 m 至死水位15.00 m 間設(shè)3 個(gè)魚道出口，出口高程分別為20.00，16.00，14.00 m，魚道出口寬為2.50 m。洄游期，工作閘門應(yīng)開啟至與魚道出口相應(yīng)的高程，以保證在相應(yīng)水位情況下，進(jìn)入魚道最上一級(jí)泄水的流量均能保持大致不變，使魚道能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3.4 魚道流速

此次魚道為多種魚通行，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮溯游能力最差的一種魚類作為研究對(duì)象，來確定魚類允許通過的流速標(biāo)準(zhǔn)，且在過魚期，各種水位和樞紐運(yùn)行情況下都應(yīng)能正常過魚。此次設(shè)計(jì)時(shí)考慮的對(duì)象為上溯洄游的松江鱸魚幼魚，其體長(zhǎng)均在10 cm 以下。根據(jù)松江鱸魚幼魚體長(zhǎng)小、回游力差等特點(diǎn)，為降低魚道流速，該工程在隔墻頂部和底部同時(shí)開孔，上部水流較急，下部水流較緩，這樣更適應(yīng)魚體較小的幼魚洄游。

天然河道壩址斷面的平均流速為0.34 m/s，與設(shè)計(jì)手冊(cè)里魚類的體長(zhǎng)與適應(yīng)的魚道設(shè)計(jì)流速表（見表2）中身長(zhǎng)10 cm 以下幼魚適應(yīng)的流速具有一致性，適合松江鱸魚幼魚洄游，因此滿足松江鱸魚及多種魚類上溯生長(zhǎng)及洄游要求。初步推薦魚道設(shè)計(jì)流速為0.30 ～0.50 m/s[4]。

表2 魚道設(shè)計(jì)流速（考慮游泳能力較弱的鯉科魚類）

3 結(jié)語

綜上所述，為了保護(hù)屬國家Ⅱ級(jí)保護(hù)動(dòng)物的松江鱸魚，并結(jié)合松江鱸魚的洄游特性及幼魚溯游能力而設(shè)計(jì)的SW 工程魚道，滿足流速要求，洄游期各種水位下魚道都能正常過魚。工程建設(shè)運(yùn)行后，應(yīng)繼續(xù)對(duì)水生生物進(jìn)行調(diào)查，包括浮游生物、底棲生物和維管束生物等，調(diào)查魚類的區(qū)系成分、種群、資源量等現(xiàn)狀，分析魚類生態(tài)類型和環(huán)境適應(yīng)性等。通過對(duì)魚道建成前后水生生物的種類及數(shù)量進(jìn)行調(diào)查，使魚道更加適合工程建設(shè)需要。魚道投入使用后，必須精準(zhǔn)分析各項(xiàng)特性是否完全接近天然河道，對(duì)魚道建成后進(jìn)行后評(píng)價(jià)；如未滿足生態(tài)要求，需要進(jìn)行后續(xù)的補(bǔ)充設(shè)計(jì)及研究分析，確保魚道發(fā)揮其真正的生態(tài)效益。