高興和,陳 浩,王 津
(1.江蘇省太湖水利規(guī)劃設計研究院有限公司,江蘇 蘇州 215103; 2.江蘇省太湖地區(qū)水利工程管理處,江蘇 蘇州 215128)
新溝河江邊樞紐工程位于新溝河入江口,是太湖聯(lián)通長江引排調控的龍頭口門,由5孔攔河擋潮閘(總凈寬48m)、大(2)型泵站(180m3/s)、Ⅴ級船閘(16m×180m)和魚道(寬2~3m)組成,具有引排改善水環(huán)境、擋潮、防洪、排澇、航運及生態(tài)等綜合功能。其中,魚道是沿江水生態(tài)保護與修復的重要工程措施,滿足該水域魚種及其上溯習性[1]需求,本工程設置了長槽型雙向魚道。
魚道是供魚類洄游過閘的人工通道[2]。魚類在低水位側,依靠水流吸引,逆流進入魚道,靠自身力量克服流速溯游至高水位側。其功能要素及主要技術要求如下。
魚道設計時,首先要確定所在河道過魚種類,并對其生活習性及游泳能力、體型等相關資料進行研究。通過水生生態(tài)調查,明確保護對象[3],進行魚類游泳能力[4]測試,主要有兩類指標:趨流特性和克流能力。趨流特性反映魚類洄游路線中出現(xiàn)的最小流速,在這個流速上魚類會較易找到洄游方向;克流能力分為持續(xù)游泳速度、耐久游泳速度和突進速度,其中持續(xù)游泳速度在魚道內出現(xiàn)幾率較小,不作要求;耐久游泳速度是魚道長度以及休息池設計的參考依據(jù);突進游泳速度主要用于魚道的一些特殊結構及高流速區(qū)[5]。魚類依靠自身上溯溯游能力克服水流影響,通過魚道全程,因此,在魚道設計時,要考慮水流流態(tài)、水流紊動能以及水流流速對魚類洄游的影響。
魚道設計需要獲取的主要參數(shù)指標包括:①魚種,即過魚種類的生態(tài)習性和游泳能力等基本資料。②洄游時間與時機,明確主要過魚對象通過的時間與時機。③特征潮水位與上下游水位差,根據(jù)過魚時段水位變化情況,選定上下游水位。④確定流速,主要與魚類克流能力相關,魚道過魚效果主要取決于魚道的流速與流態(tài),要求流速小于克流能力,且主流明確。⑤魚道布置與主要尺寸確定,主要包括布置位置、魚道長度、寬度、高度(水深)及細部結構尺寸等。
本工程對通江水系專題進行了漁業(yè)資源調研,通過收集魚種相關習性資料,為設計提供依據(jù)。
(1)長江中上游四大家魚為青魚、草魚、鰱魚、鳙魚,體長150~1100mm[6],體重1000~5000g;其它魚類:鯉魚、銅魚、長吻鮠、南方鲇、黃顙等,體長100~600mm[7],體重30~1500g。
(2)長江江陰段優(yōu)勢魚種及體重。該段不僅是長江水系入海通道,也是許多江、海魚類洄游通道、產(chǎn)卵場、索餌場。漁獲物的優(yōu)勢種類組成結果顯示,該段魚類有36種,其鯉形目20種占55.6%,鯰形目6種占16.7%,鱸形目5種,占13.9%,鯡形目、鰻鱺目、鰈形目、刺鰍目、純形目各1種各占2.8%。居前十位優(yōu)勢種中,重量百分比以鳊魚為高,占40.74%,最小為刀鱭1.97%。尾數(shù)百分比以鳊魚為高28.96%,最小為鯉魚0.77%。優(yōu)勢種平均體重60 g 以下魚類占80%,最大為鯉魚,平均體重352.8 g,最小為蛇鮈,平均體重9.7 g[8]。
(3)附近水域走馬塘通江魚道魚種及體重。2014年調查發(fā)現(xiàn)該區(qū)域魚種包括鳊魚、草魚、鰱魚、鳙魚、鯉魚、銅魚、鰷魚、吻鮈、黃顙魚、鱸魚以及一些小雜魚等;2015年5月,魚道內1h內捕獲各種魚類共9條,計1.8kg,平均體重為200g,包括鳊魚、鯉魚、鰱魚、黃顙魚、鳙魚等。
(4)感應與喜好流速及范圍。以上魚種特征中,江陰段和附近水域主要魚種及習性,是本工程魚道設計依據(jù)。根據(jù)魚道設計導則[9],可直接采用規(guī)范附表整編成果,主要魚類感應流速0.20m/s,喜好流速范圍0.3~1.0m/s,極限流速范圍0.6~1.3m/s,詳見表1。
表1 魚類的感應流速、喜好流速和極限流速
(5)洄游時間與時段。魚類每年的洄游時間為4~8月,該時期對應上、下游水位詳見表2。
表2 魚道上下游設計水位 單位:m
綜合國內外已建的魚道資料,魚道按結構布置可分為池堰式、潛孔式、垂直豎縫式、仿生態(tài)式[10]及特殊結構型式等;按類型可分為槽式、池式和組合式,槽式包括簡單加糙型和丹尼爾型,池式包括溢流堰式、豎縫式、底(潛)孔式[11],組合式包括堰孔、堰縫組合式[12]。對各種魚道的型式進行比較篩選,長槽型豎縫式魚道一般由槽身邊墻、豎直平面隔板、休息室[13]及進出口建筑物組成,其結構簡單,消能充分;且水流平穩(wěn),適應上下游水位變動能力強,不會因內外河水位的急劇變化而影響魚道內的水流流態(tài),從而影響魚類的洄游,且水深范圍大,水流流速從水底至水面呈逐層增加的分布態(tài)勢,可滿足多種魚類洄游時對不同流速、不同水深的喜好。
結合新溝河江邊樞紐運行工況和節(jié)制閘結構設計,在豎縫式魚道基礎上進行適當優(yōu)化,將魚道依附于節(jié)制閘及其上下游翼墻布置,采用“長槽型雙豎縫多隔倉”結構型式,通過多個豎縫和隔倉,將上下游總水位差分成若干個小的梯級,消能效果好,能適應較大水位的頻繁、動態(tài)變化,能同時適應棲息于表層和底層的魚類洄游習性的需求。同時魚道采用開放式運行方式,有利于過魚時間的延長,增加過魚數(shù)量;有利于適應不同魚類的洄游條件,運行過程中,上下游水頭差、流速、流量等水力條件動態(tài)變化,有利于不同洄游習性魚類找到適合自己洄游所需的條件和路徑。
魚道結構尺寸主要包括:池室長度、寬度,豎縫寬度與水深高度等。其擬定原則如下。
(1)池室寬度:按魚種和體長綜合分析確定,一般取2~3m,且不小于最大過魚體長的2倍。
(2)池室長度:一般不小于池寬,同時,不小于最大過魚體長的2.5倍,池長與水流消能及魚類的休息習性密切相關。池室長,則水流條件好,休息水域大,對過魚有利,池室短則與之相反。
(3)豎縫寬度:與魚體大小和水位梯級與流速有關,豎縫寬度一般不小于通過魚類胸鰭水平展開最大距離,考慮多數(shù)魚類通過需求,魚道豎縫寬度一般不小于多數(shù)過魚對象體長的一半;同時,考慮上下游水位梯級與主流流速要求,縫寬宜小不宜大。
(4)池室水深:結合上下游進出口河床地勢,按魚類洄游習性而定,一般取1.5~2.5m[14],不宜大于3m,同時,不應小于最大過魚目標體高的5倍或體長的2.5倍。
根據(jù)漁業(yè)資源及習性調研成果,結合工程建設實踐,本工程魚道進出口布置在水流平穩(wěn),且有一定水深的岸邊,采用“長槽型雙豎縫多隔倉”雙向洄游魚道,依附于通江樞紐節(jié)制閘西岸,結合節(jié)制閘及其上下游翼墻長槽型布置,將狹長水槽上下游總水位差,通過多個豎縫[15]和隔倉,分成若干小梯級,利用水墊、沿程摩阻、水流對沖、回旋和擴散來消除水頭能量,并形成各種魚類喜好的溯游水流。魚道由進口、槽身與控制和出口三部分組成,總長50~60m。槽身橫斷面為矩形,底高程0.6m,凈寬2~3m,雙側豎縫由兩側邊柱與中隔板錯位形成,中隔板下部生根于底板之上,邊柱固支于側壁,邊柱與中隔板上部以頂撐梁銜接固定,底板、側壁及邊柱、中隔板、頂撐梁形成槽型雙側豎縫和隔倉單元體,相鄰單元體形成一個隔倉,隔倉長2~3m,多個隔倉組成長槽型魚道,共布設20~25個隔倉,槽身居中部位隔倉設胸墻和閘門控制,臨
土側設置側壁觀察室(井),魚道進出口設檢修門槽,頂部高程需按結構銜接需要確定。魚道主體局部結構布置如圖1—2所示。
本工程所采用“長槽型雙側豎縫多隔倉雙向洄游魚道”結構,具有如下特點。
(1)本工程魚道位于入江口,在調研漁業(yè)資源及洄游習性的基礎上,結合通江口門條件,滿足多數(shù)魚類喜好,合理選擇魚道布置和結構型式,長槽型魚道依附節(jié)制閘及其上下游翼墻,不僅適合上下游水位動態(tài)多變條件,滿足魚道基本功能要求,而且節(jié)省魚道專項工程投資。
(2)適應雙向水頭運行工況,結合河床地勢和內外水位關系,魚道總體尺寸及隔倉與豎縫長、寬、高結構尺寸,由水系魚類大小和習性而定,確保常規(guī)水頭下主要和多數(shù)魚類正常洄游需要。
(3)魚道隔倉功能與設置,需根據(jù)上下游水頭和魚類溯游能力進行分級,形成合適梯度的梯級水流,本工程控制每級水頭5~10cm,豎縫與隔倉梯級之間流態(tài)平穩(wěn),流速適當,便于魚類洄游。
(4)魚道豎縫結構邊角倒圓處理,避免銳緣觸傷魚類,改善流態(tài),使水流平順,便于魚類通過。
(5)滿足魚類聚光、向陽、喜氧習性,魚道頂部設置頂撐梁,不僅增加結構整體性,關鍵是形成開敞、開放、露天水槽,既能采光,又能與大氣溝通,更好的滿足魚類逐光[16]和供氧需求。
(6)魚道側壁設有觀察窗,可實時實地觀察記錄魚類洄游情況,以便驗證并指導類似工程設計。
(7)魚道進口一般設在經(jīng)常有水流下泄、魚類洄游路線及經(jīng)常集群處,并盡可能靠近魚類上溯能到達的最前沿[17];魚道出口應確保有一定的水深,附近不應有妨礙魚類繼續(xù)上溯的不利環(huán)境[16]。
圖1 魚道平/剖面圖(局部)
圖2 魚道縱剖視圖(局部)
(8)有條件可增加導魚、誘魚[18]設施,完善監(jiān)測手段,便于全面掌握魚道洄游生物特性,為制定更合理的運行方案提供依據(jù),確保魚道持續(xù)有效工作,消除工程建設對魚類洄游影響。
利用Flow- 3D軟件工具進行模擬分析,驗證了魚道布置及體型設計的合理性。
雙向水流主流位于兩側,流態(tài)總體上對稱,底、中、表層的水流流態(tài)基本一致,如圖3所示。
圖3 魚道水流流態(tài)(局部,上圖-正向,下圖-反向)
經(jīng)數(shù)模計算獲得的正反向運行的沿程水面線如圖4所示。每個梯級落差大致相同,數(shù)模結果與設計成果基本吻合。
圖4 正反向運行魚道沿程水面線
魚道過魚效果主要取決于隔板間流速及相鄰隔倉水流流態(tài)。要求流速小于過魚的克流能力,水池間主流明確,需要一定回流,但回流又不能過于劇烈,范圍不能過大,防止魚類迷失方向,延誤上溯時間。根據(jù)數(shù)值模擬分析成果,正反向運行典型斷面平均流速見表3。
表3 正、反向運行典型斷面平均流速
表4 正向運行水位差與豎縫最大斷面平均流速計算結果
數(shù)模成果顯示,魚道內流速分布相對均勻,沿程無明顯增大或減小現(xiàn)象。魚道內流速分布總體上對稱,兩級隔板間休息室存在大小及強度隨時間變化、流速較小的回流。如圖5所示(橫縱坐標尺寸單位:m;圖6—7同。)。
圖5 流速分布圖(上圖-正向,下圖-反向)
本工程魚道外河連接長江,為感潮河道,潮位動態(tài)變化中,為了解水位差變化對魚道過魚的影響,對不同水位差與豎縫最大斷面流速進行計算分析,成果見表4和圖6。
圖6 豎縫流速分布圖(上圖-正向;下圖-反向)
圖7 紊動能等值線分布圖(上圖-正向;下圖-反向)
數(shù)模成果顯示,雙向運行豎縫最大斷面平均流速與水位差均具有很好的線性關系,正向水位差在0.05~1.20m之間變化時,豎縫最大斷面平均流速變化范圍為0.28~1.30m/s,反向水位差在0.03~1.30m之間變化時,豎縫最大斷面平均流速變化范圍為0.18~1.33m/s。
紊流產(chǎn)生紊動能,令魚類不適,紊動變強,傷害魚鱗、魚鰓,損害魚眼。紊動能等值線成果顯示,如圖7所示,魚道紊動能極值0.017~0.021 m2/s2;深度方向呈底部小、上部大的分布規(guī)律;相對而言,主流區(qū)紊動能比回流區(qū)小。總體而言,魚道內紊流對魚類影響較小。
基于魚類調研及數(shù)模計算成果,新溝河通江魚道采用長槽型雙豎縫多隔倉式雙向結構,可形成雙向梯級水流,魚道總體布置和體型設計優(yōu)良,能適應長江口雙向水頭特性,魚道過流參數(shù)符合通江水系各類洄游魚類洄游習性要求,滿足該水域絕大部分洄游魚類的需要。雙向運行時,內部水流流態(tài)相近,進流平順,隔倉休息室內為回流區(qū),主流對稱位于兩側,且不同深度的水流流態(tài)基本一致;各級豎縫水位差范圍1.74~6.46cm;豎縫間流速明顯增大,豎縫內流速0~1.0m之間動態(tài)變化,最大平均流速0.85~0.93m/s,隔倉內流速較小,回流流速0.1~0.35m/s,適合主要魚類洄游與休息;雙向運行紊動能最大值0.017 ~0.021 m2/s2,影響較??;魚道最大斷面平均流速與水位差基本成線性關系,總水位差達到1.3~1.5m時,最大斷面平均流速達到1.33m/s。
經(jīng)數(shù)模和實踐驗證,“長槽型雙側豎縫多隔倉”魚道結構,構造簡單,施工簡便,可形成多種魚類喜好的溯游水流,符合沿江動態(tài)水頭特性和該水域魚種習性需求;魚道依附節(jié)制閘布置,經(jīng)濟合理;魚道上口開敞,可保證水流全程自然采光和摻氣供氧,對魚類活動有利;豎縫邊緣倒圓處理,避免銳緣觸傷魚類,改善流態(tài),使主流平順,有利于魚類通行。查新成果[19]顯示為新型結構,其尺寸可變,具有通用性,后續(xù)推廣應用中,有條件可配齊導魚、誘魚及自動監(jiān)測設施,既為沿江水系魚種及其習性的全息數(shù)據(jù)采集與動態(tài)監(jiān)控提供便利,也為進一步改進提供依據(jù)。