浅论鱼道设计方法与过程<br/>——以藏木水电站鱼道设计为例

浅论鱼道设计方法与过程
——以藏木水电站鱼道设计为例

2017-09-14周小波张连明

水电站设计 2017年3期

关键词：尾水渠过鱼鱼道

周小波, 陈静, 张连明

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

浅论鱼道设计方法与过程
——以藏木水电站鱼道设计为例

周小波, 陈静, 张连明

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

拦河大坝的兴建阻断了鱼类洄游通道，使工程河段鱼类生境更趋片段化。鱼道作为恢复鱼类洄游通道，缓解工程建设对鱼类生存环境影响的重要工程措施之一，被越来越多的水利水电工程所采用，鱼道设计也因此越来越受到重视。目前，国内鱼道设计方面的文献，以介绍某一特定类型鱼道或鱼道某一特定部位的居多，结合实际工程介绍鱼道设计过程与方法的较少。本文以藏木水电站鱼道设计为例，重点介绍鱼道设计方法与过程，供类似工程鱼道设计参考。

鱼道设计；生态习性；竖缝式鱼道；鱼道进口；鱼道出口

0 前言

藏木水电站系“雅鲁藏布江中游桑日～加查峡谷段规划”的第4级水电站，上游衔接街需水电站，下游为加查水电站，电站场址位于西藏山南地区加查县城上游。电站安装6台水力发电机组，引用流量1 071.3 m3/s，总装机容量510 MW。

2009年1月，国家环保部对《雅鲁藏布江藏木水电站环境影响报告书》进行了批复，指示藏木水电站应修建鱼道设施。2009年12月，藏木水电站鱼道设计工作启动。

本文将结合藏木鱼道工程，着重从设计准备和鱼道设计两方面介绍鱼道设计过程与方法。

1 设计准备

1.1 制定工作方案

鱼道设计工作开展之前，应制定切实可行的工作方案，保障鱼道设计工作有序地推进。

藏木鱼道设计提出“鱼类资源调查→过鱼对象确定→过鱼对象生态习性研究→过鱼对象游泳能力测试→鱼道设计参数确定→鱼道初步设计→模型试验→鱼道设计方案确定→鱼道实施及优化→原型实验→鱼道运行过鱼监测→鱼道持续研究”一整套工作方案，用于指导藏木鱼道设计。

1.2 收集基础资料

鱼道设计应收集过鱼对象生态习性、游泳能力、电站枢纽布置、电站特征水位等基础资料。

1.2.1 过鱼对象与过鱼季节

雅鲁藏布江中上游鱼类主要有异齿裂腹鱼、巨须裂腹鱼、拉萨裂腹鱼、尖裸鲤、双须叶须鱼、拉萨裸裂尻鱼、黑斑原鮡、黄斑褶鮡等。

藏木鱼道过鱼对象可分为两类：第一类，异齿裂腹鱼、巨须裂腹鱼和拉萨裂腹鱼，具有短距离生殖洄游习性，资源量较大，为主要过鱼对象；第二类，尖裸鲤、双须叶须鱼、拉萨裸裂尻鱼、黑斑原鮡和黄斑褶鮡，为兼顾过鱼对象。过鱼对象选择结果与体长规格见表1。

藏木鱼道过鱼对象均为高原鱼类区系的种类，有明显的迁移交流，但没有典型的洄游习性，拉萨裂腹鱼、异齿裂腹鱼和巨须裂腹鱼在繁殖季节3～6月具有趋流特性和短距离洄游特性。

1.2.2 过鱼对象生态习性

主要过鱼对象异齿裂腹鱼、巨须裂腹鱼和拉萨裂腹鱼具有深水缓流底栖性，栖息于干流深水沱和河槽之中。兼顾过鱼对象黄斑褶鮡常吸附于石块上生活，双须叶须鱼、拉萨裸裂尻鱼和黑斑原鮡栖居于沙底、水流缓慢的河流中以及深潭中，尖裸鲤喜欢栖息于浅水，反应迅速。

1.2.3 过鱼对象游泳能力

设计过程中，在藏木鱼道场址针对主要过鱼对象夏季(6月)的感应流速、临界游速和突进游速进行了测试，测试成果见表2。

游泳能力测试的同时，对主要过鱼对象持续游泳时间也进行了测试。测试发现：异齿裂腹鱼、巨须裂腹鱼和拉萨裂腹鱼3种主要过鱼对象持续游泳能力较为接近，临界游速0.8 m/s时的持续游泳时间约1 h，突进游速1.2 m/s时的持续游泳时间不足20 min。

表1 过鱼对象选择与体长规格

表2 主要过鱼对象夏季和冬季游泳能力

1.2.4 电站布置格局与特征水位

藏木水电站枢纽布置格局为混凝土重力坝+坝后式厂房。电站枢纽布置自左岸向右岸分别为左岸挡水坝段、6个表孔溢流坝段、左冲砂底孔坝段、6个厂房坝段、右冲砂底孔坝段、右岸挡水坝段，大坝坝顶总长度389.50 m。

藏木水电站水库具有日调节能力，水库与尾水渠特征水位见表3。

表3 水库与尾水渠特征水位

2 鱼道设计

鱼道设计的内容包括鱼道类型、进口及补水、底坡与池室、休息池、鱼道出口等。

2.1 根据过鱼对象生态习性，选用鱼道类型

鱼道类型分为槽式、池式和组合式。槽式包括简单加糙型和丹尼尔型，池式包括溢流堰式、竖缝式、底(潜)孔式，组合式包括堰孔、堰缝组合式。鱼道类型的适应性见表4。

竖缝式鱼道水流流态平稳，不会因水流流态急剧变化影响过鱼对象洄游。过鱼竖缝水深范围大，可满足过鱼对象不同的水深喜好。过鱼竖缝由水底至水面水流流速逐层增大，不同过鱼对象均能寻找到喜好的流速水层洄游。

根据过鱼对象的生态习性，藏木水电站选择了竖缝式鱼道，并在此基础上设计出圆弧导流竖缝式鱼道(见图1)，竖缝前设置导流圆弧，竖缝底顶同宽。

2.2 根据过鱼对象生态习性，结合进口水位，设计鱼道进口及补水

鱼道进口通常布置在原始河道过鱼对象聚集处，并且进口内只设置一道进鱼门，但水利水电工程建设改变了原始河道，过鱼对象聚集位置也将随之会发生变化，据此原则布置的鱼道进口难以被过鱼对象发现。

表4 不同鱼道类型适应性

藏木鱼道过鱼对象具有深水缓流性，聚集于干流深水沱、河槽之中。电站尾水渠首端水深较大，末端流速较缓，模型试验和原型实验也观察到电站尾水渠左导墙首端(见图2)和尾端、左导墙两侧(尾水渠侧和消力池侧)常见大量的过鱼对象聚集，尾水渠右导墙首端也常见过鱼对象聚集。

藏木鱼道布置了3个分散式进口(见图3)，1号进口位于尾水渠左导墙的尾端，2号进口位于尾水渠左导墙的首端，3号进口位于尾水渠右导墙的首端，鱼道建成后，根据过鱼对象聚集情况，对应开启1个鱼道进口运行。

为使尾水渠侧和消力池侧聚集的过鱼对象进入鱼道，1号进口设置了3道进鱼门(2号、3号进口各设一道进鱼门)，进鱼门宽0.7 m，分别指向为尾水渠、尾水渠下游和消力池(见图4)。

鱼道进口水流流速应介于过鱼对象临界游速和突进游速之间，以达到最佳诱鱼效果。

图1 圆弧导流竖缝式鱼道图2 鱼道进口布置

图3 尾水渠左导墙过鱼对象聚集图4 鱼道1号进口进鱼门布置

藏木水电站1台机组满发尾水位为3 243.55 m，6台机组满发尾水位为3 248.05 m，尾水渠底板高程为3 211.00 m。如鱼道进口高程均与尾水渠底板高程一致，进口水深最大将达7.05m，而鱼道流量仅为0.27～0.74 m3/s，进口流速最低将至0.02 m/s，远低于主要过鱼对象临界游速(0.83～0.95 m/s)。

针对这一问题，藏木鱼道采用了设计不同高程的进口和补充进口流量相结合的解决方案。

(1)设计不同高程的进口，监测进口水位，即时开启相应进口。1号进口高程3 241.00 m，进口水位在3 243.55～3 244.60 m之间，开启1号进口。2号进口高程3 243.00 m，进口水位在3 244.60～3 246.60 m之间，开启2号进口。3号进口高程3 245.60 m，进口水位在3 246.60～3 248.05 m之间，开启3号进口。

(2)监测进口水位，即时补充流量。1号进口补水量1.3～2.0 m3/s，2号进口补水量1.3～3.0 m3/s，3号进口补水量0.8～1.3 m3/s。

采用这一解决方案后，进口水流最小流速为0.90 m/s，最大流速为1.29 m/s，高于主要过鱼对象临界游速，同时低于主要过鱼对象突进游速(1.22～1.53 m/s)。

藏木鱼道进口最大补水量达3.0 m3/s，若采用进口集中补水出流，出流流速将超过鱼对象突进游速，水体将在进口形成洄游通道屏障，过鱼对象无法突破屏障进入鱼道。因此，藏木鱼道设计了进口分散出流和鱼道沿程补水结构。1号、2号和3号进口设置集中补水池，3个集中补水池内均设计了分散出流导水管，将补入的水均匀分散出流在进口各部位，出流流速低于过鱼对象突进游速，不会形成洄游通道屏障。3号进口还设计了沿程补水导水管，将补入的水均匀引向鱼道沿程各部分，增强鱼道沿程补水诱鱼效果。

2.3 根据过鱼对象游泳能力和体长规格，设计鱼道底坡与池室

主要过鱼对象夏季临界游速仅在0.83～0.95 m/s之间，夏季突进游速仅在1.22～1.53 m/s之间，游泳能力较弱。因此，过鱼竖缝水流流速须在主要过鱼对象的临界游速和突进游速之间。藏木鱼道过鱼竖缝设计流速选择为1.10 m/s，由此计算出鱼池池间落差为0.06 m。

过鱼竖缝宽度与过鱼对象个体大小、池室大小等因素相关，为使过鱼竖缝可以满足大多数鱼类通过的需求，一般要求过鱼竖缝的宽度不小于过鱼对象体长的1/2。藏木鱼道过鱼对象最大体长约0.6 m，因此，过鱼竖缝宽度选择为0.3m。

藏木鱼道通过水工模型试验，研究了多种“鱼池-竖缝” 尺寸组合的水流特性和流场稳定性。研究发现：保持“池长∶池宽∶竖缝宽=10∶8∶1”不变(鱼道底坡不变)，在各种尺寸组合情况下，过鱼竖缝均能保持水流平均流速一致，水流流态稳定。

根据这一发现，藏木鱼道设计采用“鱼池长3.0 m、宽0.24 m，过鱼竖缝宽0.3 m”，并且由“鱼池池间落差0.06 m”和“鱼池长3.0 m”，计算出鱼道底坡为2%。

鱼道采用“底坡2%，鱼池长3.0 m、宽0.24 m，过鱼竖缝宽0.3 m”，进一步的水工模型试验成果表明：鱼池、过鱼竖缝水流流态平稳(见图5)，过鱼竖缝由水底到水面，水流流速均在1.0～1.2 m/s范围之内，中下层水流流速均低于1.1 m/s，接近水面水流流速均在1.1～1.2 m/s范围之内(见图6)。

图5 鱼池、过鱼竖缝流态图6 过鱼竖缝垂线流速分布

2.4 根据过鱼对象持续游泳能力，设计休息池

异齿裂腹鱼、巨须裂腹鱼和拉萨裂腹鱼3种主要过鱼对象持续游泳能力较为接近，临界游速0.8 m/s时的持续游泳时间约1 h，突进游速1.2 m/s时的持续游泳时间不足20 min，3种主要过鱼对象持续游泳最大距离2 880 m，而藏木水电站上下游水位差高达67 m，按2%的鱼道底坡计算，鱼道最小长度为3 323 m，主要过鱼对象无法持续洄游通过鱼道。为保障过鱼对象有足够的体能洄游通过鱼道，需在鱼道中途设置休息池，恢复体能。休息池内主流流速过低，过鱼对象将感知不到水流。休息池内主流流速过高，过鱼对象将无法休息。因此，休息池内主流流速应介于过鱼对象感应流速和临界游速之间。

藏木鱼道每上升4.5 m设置一个休息池，共设计了10个休息池(含纵向休息池和横向旁通休息池)，以供过鱼对象在洄游过程中休息、觅食。纵向休息池长9 m，宽2.4 m，平坡。横向旁通休息池长3 m，宽4.8 m，底坡2%。

藏木鱼道通过水工模型试验研究了休息池内水流流态及流速分布，试验成果表明：藏木鱼道休息池内水流流态稳定(见图7)，主流流速在0.15～0.45 m/s之间。鱼道主要过鱼对象感应流速在0.04～0.08 m/s之间，临界游速在0.83～0.95 m/s之间，休息池内主流流速介于主要过鱼对象感应流速和临界游速之间，主要过鱼对象能感知到水流，并能充分地休息。

2.5 根据电站水库运行水位，设计鱼道出口

藏木水电站水库正常蓄水位3 310 m，死水位3 305 m，水位变幅5 m，而鱼道设计水深仅为1.0～2.5 m，流量仅为0.27～0.74 m3/s。若鱼道采用单一出口，鱼道内最大水深将达到5.0 m，流量将超过1.5 m3/s，鱼道规模和建设难度将大大增加。

图7 休息池水流流态

针对这一问题，藏木鱼道设计了4个分散式的鱼道出口。1～4号出口高程分别为3 304.00 m、3 305.00 m、3 306.00 m和3 307.50 m。1号出口开启运行水位范围为3 305.00～3 306.50 m，2号出口开启运行水位范围为3 306.50～3 307.50 m，3号出口开启运行水位范围为3 307.50～3 308.50 m，4号出口开启运行水位范围为3 308.50～3 310.00 m。

4个出口在设定的水位范围内开启，保障鱼道设计水深始终保持在1.0～2.5 m范围以内，流量始终保持在0.27～0.74 m3/s范围之内，大大降低了鱼道规模和建设难度。