周小波, 陳 靜, 張連明

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

淺論魚道設(shè)計(jì)方法與過程
——以藏木水電站魚道設(shè)計(jì)為例

周小波, 陳 靜, 張連明

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

攔河大壩的興建阻斷了魚類洄游通道，使工程河段魚類生境更趨片段化。魚道作為恢復(fù)魚類洄游通道，緩解工程建設(shè)對(duì)魚類生存環(huán)境影響的重要工程措施之一，被越來越多的水利水電工程所采用，魚道設(shè)計(jì)也因此越來越受到重視。目前，國(guó)內(nèi)魚道設(shè)計(jì)方面的文獻(xiàn)，以介紹某一特定類型魚道或魚道某一特定部位的居多，結(jié)合實(shí)際工程介紹魚道設(shè)計(jì)過程與方法的較少。本文以藏木水電站魚道設(shè)計(jì)為例，重點(diǎn)介紹魚道設(shè)計(jì)方法與過程，供類似工程魚道設(shè)計(jì)參考。

魚道設(shè)計(jì)； 生態(tài)習(xí)性； 豎縫式魚道； 魚道進(jìn)口； 魚道出口

0 前 言

藏木水電站系“雅魯藏布江中游桑日～加查峽谷段規(guī)劃”的第4級(jí)水電站，上游銜接街需水電站，下游為加查水電站，電站場(chǎng)址位于西藏山南地區(qū)加查縣城上游。電站安裝6臺(tái)水力發(fā)電機(jī)組，引用流量1 071.3 m3/s，總裝機(jī)容量510 MW。

2009年1月，國(guó)家環(huán)保部對(duì)《雅魯藏布江藏木水電站環(huán)境影響報(bào)告書》進(jìn)行了批復(fù)，指示藏木水電站應(yīng)修建魚道設(shè)施。2009年12月，藏木水電站魚道設(shè)計(jì)工作啟動(dòng)。

本文將結(jié)合藏木魚道工程，著重從設(shè)計(jì)準(zhǔn)備和魚道設(shè)計(jì)兩方面介紹魚道設(shè)計(jì)過程與方法。

1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)備

1.1 制定工作方案

魚道設(shè)計(jì)工作開展之前，應(yīng)制定切實(shí)可行的工作方案，保障魚道設(shè)計(jì)工作有序地推進(jìn)。

藏木魚道設(shè)計(jì)提出“魚類資源調(diào)查→過魚對(duì)象確定→過魚對(duì)象生態(tài)習(xí)性研究→過魚對(duì)象游泳能力測(cè)試→魚道設(shè)計(jì)參數(shù)確定→魚道初步設(shè)計(jì)→模型試驗(yàn)→魚道設(shè)計(jì)方案確定→魚道實(shí)施及優(yōu)化→原型實(shí)驗(yàn)→魚道運(yùn)行過魚監(jiān)測(cè)→魚道持續(xù)研究”一整套工作方案，用于指導(dǎo)藏木魚道設(shè)計(jì)。

1.2 收集基礎(chǔ)資料

魚道設(shè)計(jì)應(yīng)收集過魚對(duì)象生態(tài)習(xí)性、游泳能力、電站樞紐布置、電站特征水位等基礎(chǔ)資料。

1.2.1 過魚對(duì)象與過魚季節(jié)

雅魯藏布江中上游魚類主要有異齒裂腹魚、巨須裂腹魚、拉薩裂腹魚、尖裸鯉、雙須葉須魚、拉薩裸裂尻魚、黑斑原鮡、黃斑褶鮡等。

藏木魚道過魚對(duì)象可分為兩類：第一類，異齒裂腹魚、巨須裂腹魚和拉薩裂腹魚，具有短距離生殖洄游習(xí)性，資源量較大，為主要過魚對(duì)象；第二類，尖裸鯉、雙須葉須魚、拉薩裸裂尻魚、黑斑原鮡和黃斑褶鮡，為兼顧過魚對(duì)象。過魚對(duì)象選擇結(jié)果與體長(zhǎng)規(guī)格見表1。

藏木魚道過魚對(duì)象均為高原魚類區(qū)系的種類，有明顯的遷移交流，但沒有典型的洄游習(xí)性，拉薩裂腹魚、異齒裂腹魚和巨須裂腹魚在繁殖季節(jié)3～6月具有趨流特性和短距離洄游特性。

1.2.2 過魚對(duì)象生態(tài)習(xí)性

主要過魚對(duì)象異齒裂腹魚、巨須裂腹魚和拉薩裂腹魚具有深水緩流底棲性，棲息于干流深水沱和河槽之中。兼顧過魚對(duì)象黃斑褶鮡常吸附于石塊上生活，雙須葉須魚、拉薩裸裂尻魚和黑斑原鮡棲居于沙底、水流緩慢的河流中以及深潭中，尖裸鯉喜歡棲息于淺水，反應(yīng)迅速。

1.2.3 過魚對(duì)象游泳能力

設(shè)計(jì)過程中，在藏木魚道場(chǎng)址針對(duì)主要過魚對(duì)象夏季(6月)的感應(yīng)流速、臨界游速和突進(jìn)游速進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試成果見表2。

游泳能力測(cè)試的同時(shí)，對(duì)主要過魚對(duì)象持續(xù)游泳時(shí)間也進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試發(fā)現(xiàn)：異齒裂腹魚、巨須裂腹魚和拉薩裂腹魚3種主要過魚對(duì)象持續(xù)游泳能力較為接近，臨界游速0.8 m/s時(shí)的持續(xù)游泳時(shí)間約1 h，突進(jìn)游速1.2 m/s時(shí)的持續(xù)游泳時(shí)間不足20 min。

表1 過魚對(duì)象選擇與體長(zhǎng)規(guī)格

表2 主要過魚對(duì)象夏季和冬季游泳能力

1.2.4 電站布置格局與特征水位

藏木水電站樞紐布置格局為混凝土重力壩+壩后式廠房。電站樞紐布置自左岸向右岸分別為左岸擋水壩段、6個(gè)表孔溢流壩段、左沖砂底孔壩段、6個(gè)廠房壩段、右沖砂底孔壩段、右岸擋水壩段，大壩壩頂總長(zhǎng)度389.50 m。

藏木水電站水庫(kù)具有日調(diào)節(jié)能力，水庫(kù)與尾水渠特征水位見表3。

表3 水庫(kù)與尾水渠特征水位

2 魚道設(shè)計(jì)

魚道設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括魚道類型、進(jìn)口及補(bǔ)水、底坡與池室、休息池、魚道出口等。

2.1 根據(jù)過魚對(duì)象生態(tài)習(xí)性，選用魚道類型

魚道類型分為槽式、池式和組合式。槽式包括簡(jiǎn)單加糙型和丹尼爾型，池式包括溢流堰式、豎縫式、底(潛)孔式，組合式包括堰孔、堰縫組合式。魚道類型的適應(yīng)性見表4。

豎縫式魚道水流流態(tài)平穩(wěn)，不會(huì)因水流流態(tài)急劇變化影響過魚對(duì)象洄游。過魚豎縫水深范圍大，可滿足過魚對(duì)象不同的水深喜好。過魚豎縫由水底至水面水流流速逐層增大，不同過魚對(duì)象均能尋找到喜好的流速水層洄游。

根據(jù)過魚對(duì)象的生態(tài)習(xí)性，藏木水電站選擇了豎縫式魚道，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出圓弧導(dǎo)流豎縫式魚道(見圖1)，豎縫前設(shè)置導(dǎo)流圓弧，豎縫底頂同寬。

2.2 根據(jù)過魚對(duì)象生態(tài)習(xí)性，結(jié)合進(jìn)口水位，設(shè)計(jì)魚道進(jìn)口及補(bǔ)水

魚道進(jìn)口通常布置在原始河道過魚對(duì)象聚集處，并且進(jìn)口內(nèi)只設(shè)置一道進(jìn)魚門，但水利水電工程建設(shè)改變了原始河道，過魚對(duì)象聚集位置也將隨之會(huì)發(fā)生變化，據(jù)此原則布置的魚道進(jìn)口難以被過魚對(duì)象發(fā)現(xiàn)。

表4 不同魚道類型適應(yīng)性

藏木魚道過魚對(duì)象具有深水緩流性，聚集于干流深水沱、河槽之中。電站尾水渠首端水深較大，末端流速較緩，模型試驗(yàn)和原型實(shí)驗(yàn)也觀察到電站尾水渠左導(dǎo)墻首端(見圖2)和尾端、左導(dǎo)墻兩側(cè)(尾水渠側(cè)和消力池側(cè))常見大量的過魚對(duì)象聚集，尾水渠右導(dǎo)墻首端也常見過魚對(duì)象聚集。

藏木魚道布置了3個(gè)分散式進(jìn)口(見圖3)，1號(hào)進(jìn)口位于尾水渠左導(dǎo)墻的尾端，2號(hào)進(jìn)口位于尾水渠左導(dǎo)墻的首端，3號(hào)進(jìn)口位于尾水渠右導(dǎo)墻的首端，魚道建成后，根據(jù)過魚對(duì)象聚集情況，對(duì)應(yīng)開啟1個(gè)魚道進(jìn)口運(yùn)行。

為使尾水渠側(cè)和消力池側(cè)聚集的過魚對(duì)象進(jìn)入魚道，1號(hào)進(jìn)口設(shè)置了3道進(jìn)魚門(2號(hào)、3號(hào)進(jìn)口各設(shè)一道進(jìn)魚門)，進(jìn)魚門寬0.7 m，分別指向?yàn)槲菜?、尾水渠下游和消力?見圖4)。

魚道進(jìn)口水流流速應(yīng)介于過魚對(duì)象臨界游速和突進(jìn)游速之間，以達(dá)到最佳誘魚效果。

圖1 圓弧導(dǎo)流豎縫式魚道 圖2 魚道進(jìn)口布置

圖3 尾水渠左導(dǎo)墻過魚對(duì)象聚集 圖4 魚道1號(hào)進(jìn)口進(jìn)魚門布置

藏木水電站1臺(tái)機(jī)組滿發(fā)尾水位為3 243.55 m，6臺(tái)機(jī)組滿發(fā)尾水位為3 248.05 m，尾水渠底板高程為3 211.00 m。如魚道進(jìn)口高程均與尾水渠底板高程一致，進(jìn)口水深最大將達(dá)7.05m，而魚道流量?jī)H為0.27～0.74 m3/s，進(jìn)口流速最低將至0.02 m/s，遠(yuǎn)低于主要過魚對(duì)象臨界游速(0.83～0.95 m/s)。

針對(duì)這一問題，藏木魚道采用了設(shè)計(jì)不同高程的進(jìn)口和補(bǔ)充進(jìn)口流量相結(jié)合的解決方案。

(1)設(shè)計(jì)不同高程的進(jìn)口，監(jiān)測(cè)進(jìn)口水位，即時(shí)開啟相應(yīng)進(jìn)口。1號(hào)進(jìn)口高程3 241.00 m，進(jìn)口水位在3 243.55～3 244.60 m之間，開啟1號(hào)進(jìn)口。2號(hào)進(jìn)口高程3 243.00 m，進(jìn)口水位在3 244.60～3 246.60 m之間，開啟2號(hào)進(jìn)口。3號(hào)進(jìn)口高程3 245.60 m，進(jìn)口水位在3 246.60～3 248.05 m之間，開啟3號(hào)進(jìn)口。

(2)監(jiān)測(cè)進(jìn)口水位，即時(shí)補(bǔ)充流量。1號(hào)進(jìn)口補(bǔ)水量1.3～2.0 m3/s，2號(hào)進(jìn)口補(bǔ)水量1.3～3.0 m3/s，3號(hào)進(jìn)口補(bǔ)水量0.8～1.3 m3/s。

采用這一解決方案后，進(jìn)口水流最小流速為0.90 m/s，最大流速為1.29 m/s，高于主要過魚對(duì)象臨界游速，同時(shí)低于主要過魚對(duì)象突進(jìn)游速(1.22～1.53 m/s)。

藏木魚道進(jìn)口最大補(bǔ)水量達(dá)3.0 m3/s，若采用進(jìn)口集中補(bǔ)水出流，出流流速將超過魚對(duì)象突進(jìn)游速，水體將在進(jìn)口形成洄游通道屏障，過魚對(duì)象無法突破屏障進(jìn)入魚道。因此，藏木魚道設(shè)計(jì)了進(jìn)口分散出流和魚道沿程補(bǔ)水結(jié)構(gòu)。1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)進(jìn)口設(shè)置集中補(bǔ)水池，3個(gè)集中補(bǔ)水池內(nèi)均設(shè)計(jì)了分散出流導(dǎo)水管，將補(bǔ)入的水均勻分散出流在進(jìn)口各部位，出流流速低于過魚對(duì)象突進(jìn)游速，不會(huì)形成洄游通道屏障。3號(hào)進(jìn)口還設(shè)計(jì)了沿程補(bǔ)水導(dǎo)水管，將補(bǔ)入的水均勻引向魚道沿程各部分，增強(qiáng)魚道沿程補(bǔ)水誘魚效果。

2.3 根據(jù)過魚對(duì)象游泳能力和體長(zhǎng)規(guī)格，設(shè)計(jì)魚道底坡與池室

主要過魚對(duì)象夏季臨界游速僅在0.83～0.95 m/s之間，夏季突進(jìn)游速僅在1.22～1.53 m/s之間，游泳能力較弱。因此，過魚豎縫水流流速須在主要過魚對(duì)象的臨界游速和突進(jìn)游速之間。藏木魚道過魚豎縫設(shè)計(jì)流速選擇為1.10 m/s，由此計(jì)算出魚池池間落差為0.06 m。

過魚豎縫寬度與過魚對(duì)象個(gè)體大小、池室大小等因素相關(guān)，為使過魚豎縫可以滿足大多數(shù)魚類通過的需求，一般要求過魚豎縫的寬度不小于過魚對(duì)象體長(zhǎng)的1/2。藏木魚道過魚對(duì)象最大體長(zhǎng)約0.6 m，因此，過魚豎縫寬度選擇為0.3m。

藏木魚道通過水工模型試驗(yàn)，研究了多種“魚池-豎縫” 尺寸組合的水流特性和流場(chǎng)穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)：保持“池長(zhǎng)∶池寬∶豎縫寬=10∶8∶1”不變(魚道底坡不變)，在各種尺寸組合情況下，過魚豎縫均能保持水流平均流速一致，水流流態(tài)穩(wěn)定。

根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，藏木魚道設(shè)計(jì)采用“魚池長(zhǎng)3.0 m、寬0.24 m，過魚豎縫寬0.3 m”，并且由“魚池池間落差0.06 m”和“魚池長(zhǎng)3.0 m”，計(jì)算出魚道底坡為2%。

魚道采用“底坡2%，魚池長(zhǎng)3.0 m、寬0.24 m，過魚豎縫寬0.3 m”，進(jìn)一步的水工模型試驗(yàn)成果表明：魚池、過魚豎縫水流流態(tài)平穩(wěn)(見圖5)，過魚豎縫由水底到水面，水流流速均在1.0～1.2 m/s范圍之內(nèi)，中下層水流流速均低于1.1 m/s，接近水面水流流速均在1.1～1.2 m/s范圍之內(nèi)(見圖6)。

圖5 魚池、過魚豎縫流態(tài) 圖6 過魚豎縫垂線流速分布

2.4 根據(jù)過魚對(duì)象持續(xù)游泳能力，設(shè)計(jì)休息池

異齒裂腹魚、巨須裂腹魚和拉薩裂腹魚3種主要過魚對(duì)象持續(xù)游泳能力較為接近，臨界游速0.8 m/s時(shí)的持續(xù)游泳時(shí)間約1 h，突進(jìn)游速1.2 m/s時(shí)的持續(xù)游泳時(shí)間不足20 min，3種主要過魚對(duì)象持續(xù)游泳最大距離2 880 m，而藏木水電站上下游水位差高達(dá)67 m，按2%的魚道底坡計(jì)算，魚道最小長(zhǎng)度為3 323 m，主要過魚對(duì)象無法持續(xù)洄游通過魚道。為保障過魚對(duì)象有足夠的體能洄游通過魚道，需在魚道中途設(shè)置休息池，恢復(fù)體能。休息池內(nèi)主流流速過低，過魚對(duì)象將感知不到水流。休息池內(nèi)主流流速過高，過魚對(duì)象將無法休息。因此，休息池內(nèi)主流流速應(yīng)介于過魚對(duì)象感應(yīng)流速和臨界游速之間。

藏木魚道每上升4.5 m設(shè)置一個(gè)休息池，共設(shè)計(jì)了10個(gè)休息池(含縱向休息池和橫向旁通休息池)，以供過魚對(duì)象在洄游過程中休息、覓食?？v向休息池長(zhǎng)9 m，寬2.4 m，平坡。橫向旁通休息池長(zhǎng)3 m，寬4.8 m，底坡2%。

藏木魚道通過水工模型試驗(yàn)研究了休息池內(nèi)水流流態(tài)及流速分布，試驗(yàn)成果表明：藏木魚道休息池內(nèi)水流流態(tài)穩(wěn)定(見圖7)，主流流速在0.15～0.45 m/s之間。魚道主要過魚對(duì)象感應(yīng)流速在0.04～0.08 m/s之間，臨界游速在0.83～0.95 m/s之間，休息池內(nèi)主流流速介于主要過魚對(duì)象感應(yīng)流速和臨界游速之間，主要過魚對(duì)象能感知到水流，并能充分地休息。

2.5 根據(jù)電站水庫(kù)運(yùn)行水位，設(shè)計(jì)魚道出口

藏木水電站水庫(kù)正常蓄水位3 310 m，死水位3 305 m，水位變幅5 m，而魚道設(shè)計(jì)水深僅為1.0～2.5 m，流量?jī)H為0.27～0.74 m3/s。若魚道采用單一出口，魚道內(nèi)最大水深將達(dá)到5.0 m，流量將超過1.5 m3/s，魚道規(guī)模和建設(shè)難度將大大增加。

圖7 休息池水流流態(tài)

針對(duì)這一問題，藏木魚道設(shè)計(jì)了4個(gè)分散式的魚道出口。1～4號(hào)出口高程分別為3 304.00 m、3 305.00 m、3 306.00 m和3 307.50 m。1號(hào)出口開啟運(yùn)行水位范圍為3 305.00～3 306.50 m，2號(hào)出口開啟運(yùn)行水位范圍為3 306.50～3 307.50 m，3號(hào)出口開啟運(yùn)行水位范圍為3 307.50～3 308.50 m，4號(hào)出口開啟運(yùn)行水位范圍為3 308.50～3 310.00 m。

4個(gè)出口在設(shè)定的水位范圍內(nèi)開啟，保障魚道設(shè)計(jì)水深始終保持在1.0～2.5 m范圍以內(nèi)，流量始終保持在0.27～0.74 m3/s范圍之內(nèi)，大大降低了魚道規(guī)模和建設(shè)難度。

3 試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)

魚道設(shè)計(jì)方案完成后，應(yīng)開展模型試驗(yàn)加以檢驗(yàn)和完善。魚道建成后，應(yīng)開展原型實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)運(yùn)行情況和過魚效果，持續(xù)深入魚道研究。

魚道設(shè)計(jì)方案完成后，藏木魚道開展了水工物理模型試驗(yàn)(見圖8)，驗(yàn)證了魚道設(shè)計(jì)方案的合理性；開展了可通過性物理模型試驗(yàn)(見圖9)，實(shí)驗(yàn)魚順利地找到了魚道進(jìn)口并通過魚道洄游至上游水庫(kù)。

魚道實(shí)施建成后，藏木魚道開展了魚道原型實(shí)驗(yàn)(見圖10)，單次監(jiān)測(cè)到最大過魚量475尾，魚種與體長(zhǎng)規(guī)格與設(shè)計(jì)過魚對(duì)象匹配良好。

圖8 水工模型試驗(yàn) 圖9 可通過性模型試驗(yàn) 圖10 原型實(shí)驗(yàn)

4 結(jié) 語

藏木魚道成功地實(shí)現(xiàn)了過魚對(duì)象洄游，且過魚效果良好，為了達(dá)到更好地過魚效果，藏木魚道的后續(xù)研究工作仍在進(jìn)行之中。

總結(jié)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，旨為更好服務(wù)于工程設(shè)計(jì)。撰寫此文的目的也正是為魚道設(shè)計(jì)提供實(shí)際工程參考，為進(jìn)一步提高我國(guó)魚道設(shè)計(jì)水平貢獻(xiàn)綿薄之力。

[1] 陳靜,周小波,蘭崗,等.西藏雅魯藏布江藏木水電站魚道設(shè)計(jì)報(bào)告[R].中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,2014.

2017-04-12

周小波(1980-)，男，四川南部縣人，碩士，高級(jí)工程師，從事水工設(shè)計(jì)與項(xiàng)目管理工作。

S956.3

：B

：1003-9805(2017)03-0029-04