低水头枢纽仿生态鱼道水流条件研究

于广年，王义安

（交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

近年来，在低水头水利工程的过鱼设施建设中，仿生态鱼道［1］由于与天然河道较为相似和有较广的过鱼对象等优点，越来越被重视，成为低水头水利工程过鱼设施的发展方向之一。与其他类型的过鱼设施相比，仿生态鱼道不仅满足了不同鱼类的洄游需要，同时还增加了河道内鱼类生境的数量与多样性，在鱼类资源的恢复中发挥了重要作用。实际监测结果表明，不仅游泳能力较强鱼类可以利用其作为上溯繁殖的通道，一些游泳能力较弱的鱼类也可以通过仿生态鱼道顺利上溯至上游。在仿生态鱼道内发现多种不同发育阶段的个体表明，仿生态鱼道本身也成为了这些鱼类栖息、生长的重要场所［2］；在条件允许时，采用仿生态的形式设计、修建鱼道，不仅可以满足鱼类迁徙的需要，同时对于河道渠化较为严重的河流，能够提供鱼类栖息、繁衍的生境数量，对鱼类资源保护的效果较好。

芬兰修建的150 余座过鱼设施中就有83%是采用仿生态鱼道形式，相当一部分收到了良好的过鱼效果。而韩国也计划在4 条主要河流上建设33 条仿生态鱼道，著名的巴西Itaipu 鱼道及德国Harkortsee 水电站鱼道，均为仿生态鱼道典型成功案例。但国内仿生态鱼道刚处于起步阶段，王桂华［1］在总结我国鱼道现状基础上提出了鱼道的生态学发展方向。本文以松花江依兰航电枢纽为依托，采用大比尺物理模型对低水头枢纽仿生态鱼道进行水力学试验研究。

1 依兰枢纽概况

依兰航电枢纽位于松花江中游“三姓”浅滩下段，牡丹江与松花江干流汇合口上游，是松花江干流梯级渠化的第五个梯级，是一座以航运、发电为主，同时具有交通、水产养殖和旅游等综合利用功能的低水头航电枢纽工程，总装机容量120 MW，渠化上游河道88 km，航道等级为Ⅲ级。枢纽总体布置方案从左到右依次为土坝、船闸、工程管理区、30 孔泄洪闸、河床式水电站、导流墩台及鱼道组成。

2 模型设计

2.1 模型设计［3］

目前，鱼道的水工模型试验一般分为整体模型和局部模型两类［4］，鉴于仿生态鱼道的复杂性，本研究采用整体物理模型，包括电站（两台机组）、鱼道集鱼系统、鱼道进口［5］、主体以及出口部分，根据模型设计计算结果（表1），模型选择正态，选取几何比尺λL=λH＝20，可满足试验及数据采集要求。

表1 模型设计计算成果表Tab.1 Result of model design

鱼道模型进、出口边界条件由“依兰航电枢纽1：100 物理模型”提供，模拟范围上游至鱼道出口以上约0.3 km，下游至鱼道入口以下约0.8 km。

2.2 鱼道设计流速

过鱼设施内流速小于鱼类的巡游速度，这样鱼类可以保持在过鱼设施中前进；过鱼断面流速小于鱼类的突进速度［6］，这样鱼类才能够通过过鱼设施中的孔或缝。国外鱼道的主要过鱼对象一般为鲑鱼（salmon）和鳟鱼（trout）等具有较高经济价值的洄游性鱼类,这些鱼类个体较大，克服流速的能力很强（一般2.0～3.0 m/s），对复杂流态的适应性也较好［7-10］。而实际调查显示国内鱼道的主要过鱼对象一般为珍贵鱼类、鲤科鱼类和虾蟹等幼苗，洄游性较差，因此国外鱼道设计流速标准不适于国内鱼道。根据中科院水工程生态研究所统计，国内河流中鲤科鱼类持久游速一般小于1.0 m/s，克流流速一般在1.0～1.4 m/s（体长20～50 cm），台湾省八宝圳试验鱼道研究站研究成果显示，其本地鱼类克流流速一般在1.0～1.5 m/s，因此，本次研究确定鱼道内平均流速0.5～0.7 m/s，最大流速1～1.2 m/s。

3 设计方案

根据国外对仿生态鱼道的研究，仿生态鱼道存在着适应水位变动能力差及与集鱼系统衔接较困难的缺点，因此本次研究通过在仿生态鱼道与集鱼系统间设置一段竖缝式结构型鱼道解决以上问题。

3.1 工程布置

本次试验鱼道布置在电站右侧的右岸上，鱼道绕厂前区转折一次后延伸至上游（图1），整个鱼道系统由鱼道进口、集鱼系统、结构型鱼道段、过渡池、仿生态鱼道段（图2）、鱼道出口及观察室等附属设施组成，其中结构型鱼道段全长168 m，竖缝宽度0.6 m［11］，仿生态段全长786 m，石缝宽度1.0 m，鱼道正常运行水位为2.5 m，设计最大克服枢纽上下游水头差10 m。

3.2 试验结果分析

（1）各级流量下仿生态段鱼道内水深基本保持在2.5 m 左右，平均水面比降为0.81%，鱼池内流速保持在0.4～0.6 m/s，缝隙处流速在0.9～1.2 m/s，满足鱼道设计流速要求。

（2）结构型鱼道下段，出现局部壅水现象，鱼池内水深超过3 m；结构型鱼道上段，当枢纽上下游水位差大于8 m 时，平均水面比降2.3%，最大水面比降6.3%，竖缝处最大水流流速超过2.2 m/s，远远超过鱼的克流流速，不能满足过鱼设施设计流速。

（3）仿生态段缝隙宽度1.0 m，结构型鱼道段竖缝宽度0.6 m，导致两种结构形式连接处壅水现象明显，进一步加大了鱼道进口段水面比降。

4 方案优化

4.1 优化方案1

根据设计方案试验成果，优化方案1 主要做以下两点修改：①根据仿生态段缝隙宽度，将结构型鱼道段竖缝宽度增加至1 m；②考虑弯道阻力影响，将两处90°弯道上游第一道隔板取消。修改后鱼道内水力要素变化试验，结果如下：

（1）修改后，枢纽上下游水位差10 m 时，过渡池附近水位较设计方案下降约0.6 m，但壅水现象仍存在。

（2）鱼道进口段水流流急、比降大，局部最大水面比降达到4.1%，竖缝最大水流流速2.18 m/s，远远超过鱼的克流流速。

（3）枢纽上下游水位差小于8 m 时，鱼道内竖缝水流最大流速为0.86～1.26 m/s，两竖缝之间鱼池内水流流速为0.5～0.6 m/s，基本满足过鱼设施设计流速。

4.2 优化方案2

根据设计及优化方案1 试验成果，优化方案2 主要修改如下：①针对鱼道进口段比降大现象，将鱼道进口高程降低0.5 m，鱼道出口高程保持不变；②针对结构段鱼道壅水现象，将结构段鱼道长度延长至274 m，仿生态段鱼道长度保持不变；③在主进鱼口下游弯道休息池处，设置辅助进鱼口，辅助进鱼口宽度为0.30 m，高度为2.5 m。水力要素试验结果如下：

（1）枢纽上下游水位差10 m 时，鱼道进口段水流流急、比降大的情况有所改善，但流速仍无法满足设计要求；

（2）结构型鱼道池室长度4.8 m，底坡1/96，仿自然通道段池室长度6 m，底坡1/117.6，因此，相同竖缝宽度情况下过渡段仍存在壅水现象；

（3）仿生态段鱼道内水深基本保持在2.5 m 左右，竖缝处最大流速小于1.2 m/s，满足设计要求。

根据试验成果，仿生态段水面比降及流速均满足设计要求，但过渡至结构段时，由于池室长度、结构形式及鱼道底坡不同，导致结构段鱼道上游水位壅高，而鱼道入口段局部比降过大，流速超过设计要求。

4.3 优化方案3

针对优化方案2 结构段壅水现象，优化方案3 主要修改如下：①将结构型鱼道竖缝宽度由60 cm 增加至70 cm；②将结构型鱼道休息池由隔10 个普通池一个改为隔6 个普通池一个；③考虑弯道阻力影响，去除过渡池下游两连续弯道间竖缝。试验结果如下：

（1）该方案情况下，过渡池附近壅水现象明显改善，整治效果明显；

（2）鱼道主进鱼口附近局部比降、最大流速均明显减小，但当枢纽上下游水位差为10 m 时，最大流速仍无法满足设计要求；

（3）当枢纽上下游水位差小于8.5 m 时，鱼道内竖缝处最大流速均小于1.2 m/s，两竖缝之间鱼池内流速基本在0.5～0.6，满足设计流速要求；

（4）当枢纽上下游水位差小于8.0 m 时，随电站尾水位抬高，鱼道主进鱼口附近流速小于0.7 m/s，鱼道辅助进鱼口水深在0.55～1.6 m，水流流速在0.5～1.0 m/s，大部分鱼类可经由该进鱼口进入鱼道。

5 推荐方案

5.1 方案修改

分析优化方案试验成果，适当增加结构型鱼道段竖缝宽度，可以有效解决过渡段水位壅高问题，但优化方案3 情况下，过渡段仍存在壅水现象，从而导致鱼道主进鱼口附近局部最大流速超过设计要求，因此，推荐方案在优化方案3 基础上将结构型鱼道段竖缝宽度增加至75 cm。

5.2 试验结果分析

（1）结构型鱼道竖缝宽度增加至75 cm 后，过渡池附近壅水现象基本消失，鱼道主进鱼口附近局部比降过大现象得到明显改善，竖缝最大水流流速在0.8～1.2 m/s，两竖缝之间鱼池内水流流速为0.5～0.6 m/s，满足过鱼设施设计流速要求。

（2）当枢纽上下游水位差小于7 m 时，辅助进鱼口开启情况下，主、辅进鱼口之间流速小于0.5 m/s，无法满足设计平均流速要求，但辅助进鱼口水深超过1 m，水流流速在0.5～1.0 m/s，大部分鱼类可经由该进鱼口进入鱼道；当辅助进鱼口关闭时，主、辅进鱼口之间流速增加至0.5～0.7 m/s，满足设计流速要求。

（3）当枢纽上下游水位差大于7 m 时，集鱼系统及主进鱼口为过鱼通道。当枢纽上下游水位差小于7 m时，由辅助进鱼口为进鱼通道，或辅助进鱼口关闭，可由集鱼系统及主进鱼口为进鱼通道。

6 结论

（1）鱼道的进口能否为鱼类较快发现和顺利地进入，是鱼道成败的关键。鱼道进口应选定在经常有水流下泄的地方，紧靠主流的两侧；合适的进口形态、底板高程可有效改善进鱼口附近局部流态，提高进鱼能力。

（2）鱼类进入鱼道后，需要在较短的距离内克服较大的水位差，其体力消耗必然较大，特别是鱼道断面较小，鱼类可以选择的溯游区域和途径远不如天然河道宽阔。据此，鱼道水池的设计，既要有利于鱼类的通行，又要减少鱼类体力的消耗。影响鱼道池室水流条件的因素有：鱼道上下游总水位差和单个池室的平均水位差、鱼道池室内的消能布置、鱼道平均坡降、水池的容积和过鱼孔孔宽与水池宽度的比例及鱼道上下游水位的运行变幅和变化速率等。

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