西藏扎拉水電站魚道工程布置與設(shè)計(jì)研究

王改會(huì) 沈坤民 黎賢訪

收稿日期：2023-09-01

作者簡(jiǎn)介：

王改會(huì)，女，高級(jí)工程師，主要從事魚道及其他水工建筑物設(shè)計(jì)方面的工作。E-mail：wanggaihui@cjwsjy.com.cn

引用格式：

王改會(huì)，沈坤民，黎賢訪.

西藏扎拉水電站魚道工程布置與設(shè)計(jì)研究

［J］.水利水電快報(bào)，2024，45（6）：62-68.

摘要：

為解決西藏扎拉水電站工程設(shè)計(jì)中過魚設(shè)施的比選、魚道進(jìn)出口位置的合理選擇及魚道結(jié)構(gòu)型式的確定這三大工程設(shè)計(jì)技術(shù)難點(diǎn)，重點(diǎn)分析了過魚設(shè)施比選的思路和方法，針對(duì)魚類的趨流特性、克流能力等生物學(xué)特性，結(jié)合物理模型試驗(yàn)研究成果，對(duì)魚道總體布置、進(jìn)口、出口、主體段以及附屬建筑物等進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)，創(chuàng)新性地提出魚道布置采用單道折疊+雙道層疊+隧洞+單道的型式。該魚道總體布置型式為國(guó)內(nèi)首次采用。扎拉水電站魚道的建成，對(duì)高山峽谷中，中高水頭水電站魚道總體設(shè)計(jì)具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：

過魚設(shè)施; 魚道; 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì); 總體布置； 扎拉水電站

中圖法分類號(hào)：S956.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.011

文章編號(hào)：1006-0081（2024）06-0062-07

0? 引? 言

在內(nèi)河水資源開發(fā)利用過程中修建的閘壩，一定程度上改變了河流固有的連續(xù)性，對(duì)閘壩上下游的魚類洄游和水生物環(huán)境產(chǎn)生明顯的影響。過魚設(shè)施的研究和建設(shè)可恢復(fù)河流自然特性和保護(hù)水中生物。在水利工程樞紐總體布置中需合理選擇過魚建筑物，并充分考慮過魚建筑物和通航建筑物、擋水及泄水建筑物、水電站等樞紐其他建筑物之間的關(guān)系。目前，過魚設(shè)施的選擇還沒有相應(yīng)的規(guī)范，魚道的總體布置在SL609-2013《水利水電工程魚道設(shè)計(jì)導(dǎo)則》雖有規(guī)定，但因不同的樞紐所處河段條件不同，過魚設(shè)施的選擇與總體布置原則存在差異。

扎拉水電站屬中高水頭水電站，過魚設(shè)施工作水頭約54 m，原則上宜采取升魚機(jī)等人工輔助類過魚設(shè)施。本文從誘魚能力、過魚能力、魚類適應(yīng)能力、運(yùn)行維護(hù)、生態(tài)環(huán)保等方面，綜合比較分析各種過魚設(shè)施選取方案的優(yōu)劣，并通過水工模型試驗(yàn)對(duì)庫區(qū)流場(chǎng)和壩下流場(chǎng)分析論證魚道進(jìn)魚口和出魚口位置選取的合理性，旨在為類似狹窄河道條件下中高水頭樞紐工程中過魚設(shè)施的選取、魚道進(jìn)出魚口的確定提供參考。

1? 工程概況

扎拉水電站的主要開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，并促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。樞紐主要建筑物由擋泄水建筑物、引水隧洞、電站廠房組成。

扎拉水電站的中上游河段河谷開闊，礫石淺灘豐富，適宜裂腹魚類產(chǎn)卵，是裂腹魚類的重要產(chǎn)卵場(chǎng)地。扎拉水電站建成后，原有峽谷急流連續(xù)的河流生態(tài)系統(tǒng)將被大壩阻隔，特別是對(duì)繁殖時(shí)期裂腹魚亞科魚類會(huì)產(chǎn)生一定阻隔影響。為緩解工程阻隔影響，需配套建設(shè)過魚建筑物。

2? 過魚對(duì)象分析

2.1? 魚類資源及其生態(tài)習(xí)性

扎拉水電站所屬河流分布的魚類種類共有15種，主要由鯉形目鯉科的裂腹魚亞科、鰍科的條鰍亞科和鲇形目的鮡科3類群組成。

裂腹魚有4種，分別為怒江裂腹魚、貢山裂腹魚、裸腹葉須魚和溫泉裸裂尻魚，在繁殖季節(jié)有上溯的洄游習(xí)性。高原鰍屬魚類和鮡科魚類均為定居性種類，一般沒有在較長(zhǎng)距離進(jìn)行遷移和洄游的習(xí)性。

裂腹魚類對(duì)產(chǎn)卵環(huán)境要求并不是很高，它們多數(shù)產(chǎn)黏沉性卵，需要在水流較緩的“灘”和“沱”里產(chǎn)卵，有的裂腹魚甚至在河灘的沙礫掘成淺坑，產(chǎn)卵于其中。在繁殖季節(jié)，裂腹魚類會(huì)上溯，到達(dá)適合產(chǎn)卵水域產(chǎn)卵。高原鰍等一些小型種類，種群數(shù)量較多，分布于不同的河段及支流等水域，完成生活史所要求的環(huán)境范圍不大，主要在沿岸帶適宜的小環(huán)境中產(chǎn)卵。鮡科魚類也屬于定居性魚類，完成生活史所要求的環(huán)境范圍不大，產(chǎn)卵場(chǎng)多位于峽谷江段急流與緩流之間的區(qū)域，卵有微弱黏性，也需在礫石堆中孵化。

裂腹魚屬的種類和葉須魚屬的種類更適應(yīng)于流速較大的水體，而裸裂尻魚屬和高原鰍屬的種類一般適應(yīng)于水流較緩甚至靜水環(huán)境。

2.2? 過魚對(duì)象

本工程的主要過魚對(duì)象是具有一定洄游遷移需求的4種裂腹魚，使壩下分布的裂腹魚在繁殖季節(jié)能夠順利到達(dá)壩上產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵繁殖及保證種群的交流；其他魚類如高原鰍類及鮡科魚類作為兼顧過魚對(duì)象，這類魚雖沒有特殊的洄游需求，但可以根據(jù)需要自由通過，以促進(jìn)魚類種群交流。

2.3? 過魚季節(jié)

主要魚類繁殖季節(jié)為4～7月，考慮到少量繁殖較早的親魚早期上溯要求，3月下旬至7月為主要過魚季節(jié)。此外，根據(jù)當(dāng)?shù)佤~類生活史特性，為滿足魚類交流需求，8～10月為兼顧過魚季節(jié)。

3? 過魚設(shè)施型式比選

過魚設(shè)施主要有魚道、仿自然通道、人工輔助類過魚設(shè)施（升魚機(jī)、魚閘、集運(yùn)魚系統(tǒng)及捕撈過壩）等不同型式［1］。

本工程過魚設(shè)施工作水頭約54 m，屬中高水頭水電站，原則上宜采取人工輔助類過魚設(shè)施。人工輔助類過魚設(shè)施中，升魚機(jī)和集運(yùn)魚設(shè)施近年來應(yīng)用較多，魚閘因?yàn)楹乃看?、效率不高等原因，在?guó)際上已較少采用；集運(yùn)魚系統(tǒng)適合應(yīng)用在具有通航建筑物的工程中；網(wǎng)撈過壩一般作為臨時(shí)過渡性過魚措施，不作為永久性過魚設(shè)施。升魚機(jī)在國(guó)際高水頭大壩中采用較多，技術(shù)較為成熟，因此升魚機(jī)方案作為重點(diǎn)比選方案。

仿自然通道布置難度較大，基本不具備建設(shè)條件：① 工程所在河段河道狹窄，河谷深切，多呈“V”形，不具備布置條件；② 上游工作水位2 811.50～2 815.00 m，下游工作水位2 761.02～2 766.80 m，具有一定的變幅，仿自然通道過水面積與水深呈非線性變化，對(duì)水位變化適應(yīng)能力低，當(dāng)水位變化時(shí)，通道內(nèi)流速變化較大，影響魚類通過；③ 仿自然通道最大的優(yōu)點(diǎn)是通道內(nèi)存在大小分區(qū)的非均勻流

場(chǎng)，適合不同魚類及不同規(guī)格的魚類通過，本河段過魚對(duì)象主要為裂腹魚亞科魚類，種類組成單一，克流能力較強(qiáng)，對(duì)非均勻流場(chǎng)需求較小。因此，本工程不適合采用仿自然通道方案。

和仿自然通道相比，魚道方案雖存在著布置難度大的問題，但其長(zhǎng)度較短，寬度較窄，基本具備布置條件。另外，已建的藏木魚道的初步有效運(yùn)行證明：① 魚類能夠上溯通過水頭超過60 m的魚道；② 魚道的結(jié)構(gòu)型式能夠滿足裂腹魚類的上溯需求。因此，參考藏木魚道取得的過魚效果，從生態(tài)效益最大化考慮，魚道方案亦作為重點(diǎn)比選方案。

魚道方案和升魚機(jī)兩種方案均具備可行性，進(jìn)口布置在壩下相同位置，在進(jìn)口誘魚能力方面不存在差異。差異主要是魚道方案中魚類需要自行上溯，雖然可能耗時(shí)較長(zhǎng)，但運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定，過魚量較大。升魚機(jī)方案中，魚類通過集魚通道、集魚箱和索道系統(tǒng)提升過壩，魚類過壩較為省力，但升魚機(jī)運(yùn)行不連續(xù)，過魚量較小，同時(shí)升魚機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障的概率相對(duì)較高。魚道除投資明顯高于升魚機(jī)外，在過魚能力、魚類適應(yīng)能力、運(yùn)行維護(hù)等方面都明顯優(yōu)于升魚機(jī)方案，所以，本工程過魚設(shè)施采用魚道方案。

4? 魚道布置

4.1? 進(jìn)魚口選址

為確定壩下環(huán)境流場(chǎng)，在1∶30局部整體模型上開展了物理模型試驗(yàn)，對(duì)生態(tài)電站單機(jī)發(fā)電-滿發(fā)等不同工況下壩下環(huán)境流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試［2］。模型模擬范圍包括上游河道300 m、下游河道200 m，建筑物包括泄洪表孔、兩個(gè)底孔、生態(tài)孔、電站出水孔，魚道進(jìn)魚口及部分魚道，模型上游進(jìn)口段及下游出口段留有足夠長(zhǎng)度的水流調(diào)整段，生態(tài)電站過流按照流量相似模擬，模型布置見圖1和圖2。

生態(tài)電站單機(jī)發(fā)電-滿發(fā)的下游河道流場(chǎng)分布的試驗(yàn)結(jié)果顯示：生態(tài)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，尾水沿出流方向垂直河道流出后，沿左岸邊坡下泄，尾水渠及下游河道最大流速約為0.2～0.5 m/s，洄游魚類可從左岸順主流上溯至布置在電站尾水附近的魚道進(jìn)口，試驗(yàn)結(jié)果見圖3（僅示意生態(tài)電站3臺(tái)機(jī)過流下游河道流場(chǎng)分布試驗(yàn)結(jié)果）。

根據(jù)魚類的趨流特性、克流能力結(jié)合壩下流場(chǎng)分析不同下游水位的過魚需要，確定魚道進(jìn)口緊鄰生態(tài)機(jī)組廠房尾水口布置，共設(shè)2個(gè)進(jìn)魚口［3］。進(jìn)魚口的平面布置見圖4。

4.2? 出魚口選址

為合理選擇魚道出口位置，在1∶80水工整體模型上開展了物理模型試驗(yàn)，對(duì)生態(tài)電站單機(jī)發(fā)電-滿發(fā)以及110 m3/s等不同工況下庫區(qū)流場(chǎng)進(jìn)行了研究。模型模擬范圍包括上游河道1 000 m、混凝土

重力壩、泄洪表孔、泄洪沖沙底孔、電站進(jìn)水口和下

游河道800 m，模型上游進(jìn)口段及下游出口段留有足夠長(zhǎng)度的水流調(diào)整段，模型布置見圖5。

根據(jù)物理模型試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)樞紐較小流量運(yùn)行時(shí)，庫區(qū)水流平順，無大范圍回流區(qū)，右側(cè)魚道布置區(qū)域流速普遍小于0.2 m/s，不存在魚類被水流吸入的風(fēng)險(xiǎn)，魚道出口在壩上50 m以上均可布置。

魚道出口設(shè)置在庫區(qū)，根據(jù)物理模型試驗(yàn)，分析不同工況下庫區(qū)流場(chǎng)并結(jié)合不同上游水位的過魚需要，確定魚道出魚口在壩上50 m以上均可布置，共設(shè)3個(gè)出魚口［4-5］。出魚口的平面布置見圖6。

4.3? 整體布置

根據(jù)大壩總體布置，魚道布置在大壩壩下右岸，為滿足不同下游水位的過魚需要，共設(shè)2個(gè)進(jìn)魚口，進(jìn)魚口緊鄰生態(tài)機(jī)組廠房尾水口布置，進(jìn)口底板高程分別為2 758.00 m、2 761.50 m。在進(jìn)口處轉(zhuǎn)折后，沿地形向下游延伸，并在距壩下約1.25 km處（高程2 782.00 m）向上游折返，沿地形向上游延

伸。由于魚道過長(zhǎng)，加之本段山峰陡峭，開挖困難，

在向上游折返段，采用單道折疊+雙道層疊+隧洞

的結(jié)構(gòu)型式，可以減少開挖，簡(jiǎn)化魚道結(jié)構(gòu)，在高程

為2 807.50 m處魚道穿過大壩，并從廠房進(jìn)水洞上方穿過，沿地形延伸至上游庫區(qū)，壩上段總長(zhǎng)度約330 m，為滿足不同上游水位的過魚需要，共設(shè)3個(gè)出魚口，底板頂高程分別為2 810.50 m、2 811.50 m和2 812.50 m。魚道全長(zhǎng)約2.97 km。魚道平面總體布置見圖7。

5? 魚道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1? 池室結(jié)構(gòu)類型

魚道由一級(jí)一級(jí)的水池組成，通過水池內(nèi)的隔板起到消能減緩流速的目的。根據(jù)隔板形式的不同，魚道又有不同的結(jié)構(gòu)類型。目前常見的魚道結(jié)構(gòu)類型有丹尼爾式、溢流堰式和豎縫式3種。3種結(jié)構(gòu)類型的魚道優(yōu)缺點(diǎn)比較見表1。

垂直豎縫式魚道過魚豎縫上下貫通，表層魚類和底層魚類均可以發(fā)現(xiàn)和通過，更利于上下游各種魚類的交流。同時(shí)下游水位變幅較大，只有垂直豎縫式魚道能夠適應(yīng)。所以采用垂直豎縫式魚道。

5.2? 池室規(guī)模尺寸

池室長(zhǎng)度、寬度與水流的消能效果和魚類的休息條件關(guān)系密切，同時(shí)也直接影響魚道的全長(zhǎng)。較長(zhǎng)的池室，水流條件較好，休息水域較大，對(duì)于過魚

有利。同時(shí)，過魚對(duì)象個(gè)體越大，池室長(zhǎng)度也應(yīng)越

長(zhǎng)。本工程過魚對(duì)象主要為裂腹魚類，一般尺寸小于80 cm，很少有超過此規(guī)格的魚類，綜合考慮本魚道的過魚規(guī)模、過魚對(duì)象、池室流態(tài)及魚道總體長(zhǎng)度，魚道池室長(zhǎng)度取3.0 m。

魚道寬度主要由豎縫寬度以及過魚量、過魚種類、個(gè)體大小決定，過魚量越大，過魚個(gè)體越大，魚道

寬度要求越大。國(guó)外魚道寬度多為2.0～5.0 m，國(guó)

內(nèi)魚道寬度多為2.0～4.0 m。綜合考慮池室內(nèi)的水力學(xué)特性，池室寬度與池室長(zhǎng)度比例關(guān)系，本魚道寬度取2.5 m。

5.3? 魚道豎縫設(shè)計(jì)

魚道的豎縫寬度直接關(guān)系到魚道的消能效果和

魚類的可通過性。豎縫寬度越寬，越適合大型魚類的通過，但魚道的消能效果也隨之降低，魚道內(nèi)緩流區(qū)所占面積也相應(yīng)減少［6］。魚道豎縫一般在20～60 cm，豎縫的設(shè)計(jì)既要考慮幼魚及成魚的通過需求，還須考慮大規(guī)格魚類的上溯需求［7］。綜合考慮過魚對(duì)象的體型以及魚道的尺寸，同時(shí)兼顧魚道消能要求，豎縫式魚道豎縫寬度取30 cm。魚道結(jié)構(gòu)尺寸見圖8。

5.4? 池間落差及底坡

豎縫的流速是由魚道底坡及豎縫上下游水頭差來決定。綜合考慮，池間落差Δh取0.06 m，池室長(zhǎng)度L取3.0 m，魚道底坡坡比：

i=Δh/L=0.06/3.0= 1/50

魚道有效池室數(shù)量

N=ΔH/Δh-1=54/0.06-1=899（個(gè)）

5.5? 休息池

為避免魚類連續(xù)上溯后引起疲勞，魚類上溯途中應(yīng)設(shè)置一定的休息場(chǎng)所。豎縫式魚道池室中由于存在相應(yīng)的緩流區(qū)域，部分魚類可以在池室中得到短暫休息，但規(guī)格較大的種類及游泳能力較弱的種類仍然需要流速更低、紊動(dòng)強(qiáng)度更低的場(chǎng)所休息以恢復(fù)體力。因此，本魚道中原則上高程每提升1 m設(shè)一個(gè)休息室，休息池?zé)o底坡，長(zhǎng)度為5 m。另外，在魚道的轉(zhuǎn)角設(shè)置休息池，休息池必須足夠長(zhǎng)，防止上游游程水流撞擊對(duì)面墻壁的力量過大（尤其是方向180°轉(zhuǎn)彎的地方），或防止游程水流干擾下一個(gè)下游游程的水流（例如，抑制形成螺旋水流）。

5.6? 輔助設(shè)施設(shè)計(jì)

魚道在壩上靠近壩軸線位置設(shè)觀測(cè)室，詳見圖9，用以統(tǒng)計(jì)成功上溯的魚類種類和數(shù)量，評(píng)估魚道的過魚效果，同時(shí)兼具宣傳和演示功能。

6? 結(jié)? 論

（1） 扎拉水電站壩址為縱-斜向河谷，河床狹窄，根據(jù)水電站的總體布置方案，魚道布置在樞紐右岸，魚道的最大工作水頭約54 m，采用單道折疊+雙道層疊+隧洞+單道的總體布置型式，為國(guó)內(nèi)首次采用。

（2） 魚道的布置中，最關(guān)鍵環(huán)節(jié)是魚道進(jìn)口的選址。魚道進(jìn)口根據(jù)魚類的趨流特性、克流能力結(jié)合壩下流場(chǎng)分析，初步選定在電站尾水附近，進(jìn)而根據(jù)物理模型試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)不同工況下壩下環(huán)境流場(chǎng)流速進(jìn)行了測(cè)試，找出尾水渠及下游河道最大流速范圍，判定洄游魚類是否可以從左岸順主流上溯至布置在電站尾水附近的魚道進(jìn)口，并結(jié)合不同下游水位的過魚需要，最終確定魚道進(jìn)口合理位置。扎拉魚道進(jìn)口通過上述過程分析研究，選定緊鄰生態(tài)機(jī)組廠房尾水口布置，共設(shè)2個(gè)進(jìn)魚口。

（3） 魚道出口設(shè)置在庫區(qū)，但出口應(yīng)避免受電站引水口、溢洪道進(jìn)口、泄水孔進(jìn)口等泄水建筑物運(yùn)行影響，若處在流速較大的水域，魚類可能被水流被動(dòng)吸入壩下，根據(jù)物理模型試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)不同工況下庫區(qū)流場(chǎng)進(jìn)行了分析，并結(jié)合不同上游水位的過魚需要，確定魚道出魚口合理位置。扎拉魚道出口通過上述過程分析研究，出魚口在壩上50 m以上均可布置，共設(shè)3個(gè)出魚口。

（4） 扎拉水電站過魚設(shè)施的比選思路和方法及魚道的進(jìn)出口位置確定的分析研究過程，對(duì)高山峽谷中，中高水電站魚道的總體布置具有參考價(jià)值。

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（編輯：李? 晗）

Study on layout and design of fish passage project of Xizang Zhala Hydropower Station

WANG Gaihui1，SHEN Kunmin2，LI Xianfang1

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；

2. Hunan Lishui Hydro & Power Co.，Ltd.，Changsha 410000，China）

Abstract：

In order to solve the engineering design difficulties in the selection of fish passage facilities，the reasonable choice of fish passage import and export location and the determination of fish passage structure type of Xizang Zhala Hydropower Station was analyzed. We focused on the analysis of the fish passage facilities selection ideas and methods，the fish flow characteristics，the ability to grasp the flow and other biological characteristics，combined with the physical model test research results，the overall layout of the fish passage，inlet，outlet，main section and ancillary buildings，etc，were reasonably designed. The innovative proposal of single fold + double laminated + tunnel + single type of fish passage layout was adopted for the first time. The completion of Zhala Hydropower Station fish passage can provide a reference for the overall design of fish passage in high mountain valley or medium and high head hydropower station.

Key words：

fish passing facilities； fish passage； structure design； general layout； Zhala Hydropower Station