淺析大樟溪東方紅水電站魚道設(shè)計(jì)

林 樟

（福州市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司,福建 福州 350001）

1 項(xiàng)目概況

大樟溪發(fā)源于福建省德化縣境內(nèi)的戴云山脈,自西南向東北流經(jīng)德化、永泰至閩侯的江口注入閩江南港,是閩江右岸最下游靠近沿海地區(qū)的一條支流。流域面積4843 km2,河道總長(zhǎng)234 km,平均坡降2.1‰。

東方紅水電站位于永泰縣葛嶺鎮(zhèn)臺(tái)口村,距離界竹口水電站壩址約16.9 km,壩址以上流域面積4067 km2,河道長(zhǎng)度197.7 km,平均坡降2.73‰。電站建站初期是一座集灌溉、發(fā)電、通航于一體的綜合性工程,目前主要用于發(fā)電和供水。工程包括滾水壩、航道、引水渠、進(jìn)水閘、機(jī)坑、廠房等。

電站建成后,阻隔了魚類的上溯通道,破壞了河道的生態(tài)環(huán)境,對(duì)魚類資源的分布產(chǎn)生不利影響,因此,需要補(bǔ)建過魚建筑物以部分恢復(fù)魚類的上溯通道。

2 主要過魚對(duì)象及季節(jié)

根據(jù)調(diào)查并參考有關(guān)文獻(xiàn)可知,大樟溪魚類有69 種,常見魚類有花鱸、日本鰻、草、鰱、鳙、鳊等[1]。

本工程過魚對(duì)象主要是大樟溪中稀有、珍貴及經(jīng)濟(jì)價(jià)值比較高的半洄游性、洄游性魚類,半洄游性魚種有鳙魚、鰱魚、草魚等,洄游性魚種有花鰻鱺、花鱸和日本鰻等,除花鰻鱺為國(guó)家二級(jí)保護(hù)水生動(dòng)物之外,均為常見魚種。

依據(jù)主要過魚對(duì)象的洄游特點(diǎn)及繁殖時(shí)段,主要過魚季節(jié)確定為2 月～11 月。

3 過魚建筑物選型

過魚建筑物的型式多種多樣,主要型式包括：升魚機(jī)、集運(yùn)魚設(shè)施、魚閘及魚道等,以上型式是為不一樣的工程和不一樣的過魚品種而設(shè)計(jì)的,各有各的特色。過魚建筑物的特點(diǎn)比較見表1。

表1 過魚建筑物優(yōu)缺點(diǎn)比較表

由于升魚機(jī)、魚閘以及集運(yùn)魚設(shè)施通常適用于中、高水頭項(xiàng)目,而本項(xiàng)目屬于低水頭攔河壩工程,應(yīng)用以上3 種型式過魚建筑物,鑒于過魚效果不佳、操作繁雜、運(yùn)行費(fèi)用較高、過魚不連續(xù)等緣由,均不適用于本項(xiàng)目。而魚道普遍運(yùn)用在低水頭的水利項(xiàng)目上,可以在比較小的間距內(nèi)獲得滿足魚類洄游且穩(wěn)定的水流形態(tài)和速度,可行性較高。故本工程過魚建筑物推薦選取魚道的型式。

4 魚道設(shè)計(jì)

4.1 魚道布置方案選擇

根據(jù)水電站的布置及兩岸地形條件,滾水壩左岸為水電站進(jìn)水渠,左岸下游為水電站進(jìn)水口閘門、前池及廠房；滾水壩右岸緊鄰永泰南江濱大道（在建）；且滾水壩兩岸邊坡陡立,均不適合布置魚道。魚道作為緩坡過魚建筑物,需要較長(zhǎng)的軸線,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)水電站布置的實(shí)際情況,推薦本工程利用已有的航道改造成魚道使用；航道位于水電站滾水壩和進(jìn)水渠之間,兩側(cè)為漿砌塊石擋墻,底部采用水泥砂漿抹面,長(zhǎng)度175 m,凈寬5 m～9.5 m,凈高2 m～5.5 m；航道的長(zhǎng)度和寬度基本滿足要求,且遠(yuǎn)離公路和居民點(diǎn),受人類活動(dòng)干擾小,目前航道已無(wú)用途,適合布置魚道。因此推薦本工程魚道布置在原有航道上。

4.2 魚道型式比選

根據(jù)魚道設(shè)計(jì)導(dǎo)則,魚道按其結(jié)構(gòu)型式可分為仿生態(tài)式、丹尼爾及隔板式等。國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多的是隔板式魚道,按隔板型式可分為溢流堰式、淹沒孔口式、豎縫式、組合式 。魚道優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍比較見表2。

表2 魚道優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍比較表

通過對(duì)上述魚道優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍進(jìn)行比較,并結(jié)合電站布置及主要過魚對(duì)象特點(diǎn),由于該電站屬于低水頭項(xiàng)目,且主要過魚對(duì)象中花鰻鱺、日本鰻鱺、花鱸游泳能力較弱,草魚、鰱魚、鳙魚的游泳能力較強(qiáng),故推薦采用豎縫隔板式魚道,并輔以復(fù)式斷面設(shè)計(jì),則豎縫處的上下層流速不一樣,洄游魚種可以根據(jù)自身的不同習(xí)性選擇喜歡的水深及流速通過。

4.3 運(yùn)行條件選定

4.3.1 設(shè)計(jì)水位及池室水深

上下游運(yùn)用水位較為穩(wěn)定時(shí),魚道上游設(shè)計(jì)水位可采用主要過魚季節(jié)相應(yīng)的閘壩正常運(yùn)行水位；下游設(shè)計(jì)水位取主要過魚季節(jié)的多年平均低水位[2]。本工程過魚季節(jié)是2 月～11 月,過魚時(shí)段大部分是汛期,汛期魚道上游水位維持在正常蓄水位（21.50 m）或更高水位運(yùn)行；在非汛期,為了滿足發(fā)電需要,魚道上游水位會(huì)出現(xiàn)在個(gè)別時(shí)段低于正常蓄水位的情況,即上游水位在最低水位（20.80 m）至最高水位（21.50 m）之間浮動(dòng),其余時(shí)段維持正常蓄水位運(yùn)行。所以,上游設(shè)計(jì)水位選取正常蓄水位21.50 m,下游設(shè)計(jì)水位選取其下游多年平均低水位16.30 m。

池室水深主要是按照過魚對(duì)象的體長(zhǎng)和池室的消能要求選取,一般選取1.5 m～2.5 m。由于本工程的過魚尺寸相對(duì)不大,并結(jié)合魚道下游水深較小及地形地質(zhì)情況,本工程池室設(shè)計(jì)水深取1.7 m,故魚道出口底高程為19.80 m,進(jìn)口底高程為14.60 m。魚道出口即使遇到正常運(yùn)行的最低水位20.80 m,也有1.0 m 的水深；魚道進(jìn)口即使遇到正常運(yùn)行的最低水位15.80 m,也有1.2 m 的水深,均能基本滿足過魚要求。

4.3.2 設(shè)計(jì)流速

魚類是否能順利通過魚道與魚道內(nèi)流速大小密切相關(guān),魚類的極限流速與魚類體長(zhǎng)有關(guān)。半洄游性魚種如草魚、鰱魚、鳙魚等的喜好流速是0.3 m/s～1.27 m/s；降海洄游性魚種如鰻鱺的喜愛流速是0.18 m/s～0.25 m/s,且能爬行通過障礙物。故為兼顧各種不同喜好流速的魚種通過滾水壩,魚道設(shè)計(jì)流速選用1.0 m/s。

魚道進(jìn)口最佳流速通常介于極限流速和感應(yīng)流速之間,結(jié)合聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織與江蘇省淡水水產(chǎn)研究所的研究成果,魚道進(jìn)口誘魚流速建議取值為0.45 m/s～0.5 m/s[3]。

魚道內(nèi)、魚道出口及其上游流速若小于魚類的感應(yīng)流速,將使魚類迷失繼續(xù)上溯洄游的方向,故魚道最小感應(yīng)流速建議取值為0.18 m/s～0.25 m/s。

4.4 主要建筑物尺寸

4.4.1 池室凈寬

根據(jù)相關(guān)資料,洄游魚類的體長(zhǎng)一般為0.1 m～0.5 m,池室凈寬不宜小于主要過魚對(duì)象體長(zhǎng)的2 倍,綜合考慮原有航道寬度及經(jīng)濟(jì)性,并參照類似工程經(jīng)驗(yàn),池室凈寬取1.75 m（槽身段底部?jī)魧挘?/p>

4.4.2 池室凈長(zhǎng)

池室凈長(zhǎng)越長(zhǎng),消能效果越好,越有利于魚類上溯；但池室凈長(zhǎng)越長(zhǎng),魚道總長(zhǎng)度就越長(zhǎng),投資及占地面積也就越大。池室凈長(zhǎng)可取池室凈寬的1.25～1.5 倍,故綜合考慮原有航道長(zhǎng)度、魚道布置及縱坡等因素,池室凈長(zhǎng)取 1.26 倍的池室凈寬,即池室凈長(zhǎng)為2.2 m。

4.4.3 池室數(shù)量及底坡

根據(jù)魚道設(shè)計(jì)導(dǎo)則,可求得池室數(shù)量為74 個(gè),池室底坡為2.04%～2.82%,綜合考慮原有航道的長(zhǎng)度及魚道布置,本魚道池室底坡取2.80%。

4.4.4 休息池個(gè)數(shù)及凈長(zhǎng)

根據(jù)魚道設(shè)計(jì)導(dǎo)則,本魚道每隔18 塊或19 塊隔板設(shè)置一個(gè)休息池,休息池底坡為0,其個(gè)數(shù)為3 個(gè),凈長(zhǎng)取4.5m。

4.5 總體布置

東方紅水電站魚道布置于水電站滾水壩和進(jìn)水渠之間的原有航道內(nèi),總長(zhǎng)212.2 m,分進(jìn)口段（樁號(hào)H0+000.0～H0+005.0）、槽身段（樁號(hào)H0+005.0～H0+204.2）和出口段（樁號(hào)H0+204.2～H0+212.2）三部分。其中,進(jìn)口段布置在航道下游,長(zhǎng)5.0 m；槽身段縱坡2.80%,長(zhǎng)199.2 m,折線型布置,單個(gè)池室長(zhǎng)2.2 m,設(shè)3 個(gè)休息池,為平底,單個(gè)休息池長(zhǎng)4.5 m；出口段布置在航道上游,長(zhǎng)8.0 m,包括閘室段和漸變段,其中閘室段設(shè)有出口控制閘,長(zhǎng)5.0 m,漸變段長(zhǎng)3 m。魚道平面布置簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 魚道平面布置簡(jiǎn)圖

4.6 斷面型式選擇

通過大量觀測(cè)表明,矩形斷面魚道豎縫流速的變幅很小,不適用于喜好流速相差較大的多種魚類的洄游情況。而本魚道不僅要通過喜好流速較小的日本鰻、花鰻鱺等,又要通過喜好流速較大的鳙魚、鰱魚、草魚等,允許流速相差比較大,故宜采用上部梯形+下部矩形的復(fù)式斷面,上部梯形斷面流速較小,下部矩形斷面流速較大,可適應(yīng)不同規(guī)格、不同喜好流速的多種魚類上溯。魚道槽身段池室下部矩形斷面設(shè)計(jì)凈寬1.75 m,凈高0.8 m,池室底部設(shè)厚0.15 m的漿砌卵石鋪面；池室上部梯形斷面設(shè)計(jì)凈寬1.75 m～4.30 m,凈高1.7 m,邊墻坡比為1∶0.75；池室總高度為2.5 m。池室隔板采用上部梯形+下部矩形的組合式橫隔板,橫隔板沿途交錯(cuò)布設(shè),其厚度為0.3 m,并設(shè)置豎縫,豎縫底部?jī)魧?.45 m,沿著豎縫可形成不同流速區(qū)域的水流,供不同喜好流速的魚類上溯洄游。

4.7 輔助設(shè)施

本工程在魚道進(jìn)口下游兩側(cè)布置夾角為60°喇叭狀的導(dǎo)魚墻作為導(dǎo)魚設(shè)施,以匯集分散的魚類進(jìn)入魚道,提高過魚效率。

當(dāng)河道來水量較小時(shí),魚道進(jìn)口下游水位較低,流速較小,魚類不容易感應(yīng)到魚道出口水流,不利于魚類聚集上溯。本工程在魚道左岸擋墻內(nèi)埋設(shè)直徑80 mm 的誘魚引水鍍鋅鋼管,進(jìn)水口位于魚道出口上游,管中心線高程20.80 m；出水口位于魚道進(jìn)口下游附近,管中心線高程16.60 m,并設(shè)置閘閥控制流量,可在魚道進(jìn)口附近形成一定的水花和水聲,將魚類引誘至魚道進(jìn)口,增強(qiáng)過魚效果。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）考慮到主要過魚對(duì)象的游泳技能差距比較大,故魚道槽身段適合運(yùn)用上部梯形+下部矩形的復(fù)式斷面,以適應(yīng)不同規(guī)格、不同喜好流速的多種魚類上溯。

（2）補(bǔ)建過魚建筑物時(shí),要充分考慮利用已有建筑物的可能性,以降低工程投資和占地面積。

（3）鑒于目前我國(guó)過魚建筑物建設(shè)仍處在摸索當(dāng)中,本魚道設(shè)計(jì)合理與否,需在今后運(yùn)行過程中檢驗(yàn),可為后續(xù)類似項(xiàng)目建設(shè)累積經(jīng)驗(yàn)。