已建水电工程增建过鱼设施设计参数体系研究

万 帆，牛天祥，李天宇

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

0 引 言

班多水电站为目前黄河上游已经建成运行的最上游一级电站，河段分布有多种黄河上游高原土著鱼类，电站于2011年建成，运行多年以来对鱼类生境形成了阻隔。在国家加大生态文明建设力度，高度重视黄河上游生态保护修复的形势下，为了保护黄河上游高原鱼类栖息生境和种群，针对电站建成运行形成的生境阻隔，班多水电站在黄河上游首个实施补建过鱼设施，恢复河流生境连通性，修复河段水生生态系统。

在各类过鱼设施中，鱼道虽然投资较大，对地形地质条件要求较高，但作为连系坝上水库和坝下河流的永久性建筑物，可一定程度上恢复河流的连通性，实现鱼类双向主动性通过；也为其提供了休憩场所，是一种保护水生物种资源和维持河道连续性的工程措施[1]。有些学者更是将其称之为“生态廊道”[2]；班多水电站最大水头41.5 m，具备修建鱼道的场地条件。因此，选择鱼道作为班多水电站补建过鱼设施的方式。

在班多鱼道设计阶段，已建大型水电站增建鱼道在国内尚无先例，其设计方案既要保障鱼道布置合理、过鱼效果可靠，也要兼顾考虑施工过程中对电站运行安全的影响，并满足电站建成后坝址区现状地质地形条件限制。因此，设计过程中更应注重从工程运行实际出发，扎实做好确定设计参数的基础研究，以指导鱼道设计。本次研究探索了将鱼类资源复核调查、鱼类游泳能力试验、坝下和库区地形实测、坝下和库区流场模拟及原型观测、水库日运行数据统计分析、水力学模型试验等多项基础研究相结合，确定班多水电站补建鱼道的设计参数体系。

1 工程概况

班多水电站工程位于青海省海南州同德县与兴海县交界的班多峡谷出口处，坝址处控制流域面积10.75万km2，多年平均流量565 m3/s。水库正常蓄水位2 760 m，死水位2 757 m，正常蓄水位下库容0.15亿m3，为径流式电站。最大坝高为78.72 m，最大水头41.5 m，电站装机容量360 MW，单独运行年发电量14.12亿kW·h。

班多水电站拦河大坝为河床式厂房混凝土重力坝，施工导流明渠位于左岸，厂房尾水位于右岸。工程枢纽布置从左岸到右岸分别为左岸挡水副坝(前期为导流明渠)、泄洪闸坝段、安装间坝段、厂房坝段、右岸挡水副坝。2011年5月，全部机组投产发电。

根据班多水电站工程运行后开展的多次鱼类资源复核调查，河段原分布的土著鱼类均能调查到，鱼类种类并未减少，河段仍有保护鱼类生境的价值。作为黄河上游目前已建的最上游一级电站，有必要尽快增建过鱼设施，实现鱼类双向交流，保护河段鱼类资源及栖息生境。

表2 鱼道过鱼时段一览

2 研究方法及过程

2.1 过鱼对象、过鱼季节和过鱼规格确定

2.1.1 过鱼对象确定

根据历史资料和工程运行后近年来开展的鱼类资源现状复核调查，河段无长距离洄游性鱼类，部分鱼类具有短距离生殖洄游需求。过鱼对象选择主要从完成生活史价值、保护其物种多样性价值和保护其经济价值等3个方面分析。根据以上判断依据，应将河段分布的花斑裸鲤、厚重裸重唇鱼、骨唇黄河鱼、极边扁咽齿鱼、拟鲶高原鳅、黄河裸裂尻和刺鮈几种土著鱼类列为主要过鱼对象。

表1 鱼道过鱼对象一览

2.1.2 过鱼时段确定

河段无大型长距离洄游性鱼类，厚唇裸重唇鱼具有一定短距离产卵洄游习性。因此班多鱼道主要为鱼类提供索饵和产卵的洄游通道，过鱼时间选择在鱼类的生长、繁殖季节，重点为鱼类的产卵季节。

根据调查，过鱼对象主要产卵季节在4月～6月，不同鱼类产卵时间有所差异。考虑到部分高原鳅类繁殖季节可能延后，因此过鱼时段选择在4月～8月，其中重点过鱼时段选择在4月～6月。

2.1.3 过鱼规格确定

工程建设前后，在本河段开展了多次鱼类调查，工程运行后开展了鱼类资源复核调查。河段历次调查的各种鱼类性成熟时体长在80～240 mm不等，最大渔获物体长392 mm。因此，本工程最大过鱼对象规格取400 mm，并在设计时适当考虑超过此规格的大个体鱼类过鱼需求。

2.2 设计流速确定

水电水利工程鱼道设计除了要考虑鱼类的生活习性外，还要考虑鱼道能否为各种鱼类提供所需要的水力条件，过鱼孔中的流速要小于过鱼对象所能克服的流速[3- 4]。

2.2.1 鱼类游泳能力测试

本次设计参数研究过程中，在青海黄河上游对部分过鱼对象开展了游泳能力试验[5]，测试每种过鱼对象的感应流速、突进游泳速度与持续游泳速度，采用变频环形试验水槽、旋桨流速仪、溶氧仪等仪器进行测试。测试结果见表3。

表3 部分过鱼对象游泳能力试验结果 m/s

2.2.2 最大流速确定

根据水电工程鱼道设计规范[6]，鱼道的最大设计流速需要按照过鱼对象中游泳能力最弱鱼的突进游泳速度而定；同时，兼顾河流中其他鱼类。根据游泳能力测试结果，班多鱼道内最大流速建议不超过1.1 m/s。

2.2.3 缓流区流速确定

根据游泳能力试验结果，所测量过鱼对象的最大感应流速为0.147 m/s，鱼道内缓流区流速按不小于0.2 m/s设计。

2.3 进口位置确定

2.3.1 库区及坝下地形实测

由于班多水电站已运行多年，受枢纽建设和施工布置的影响，工程区地形相比建设前已发生较大变化，设计前对工程库区及坝下1 km区域岸边和水下地形进行了实地测量。

2.3.2 流场模拟

采用MIKE21二维水动力模型，利用地形实测结果构建班多坝轴线以下1 000 m范围内的三角地形网格，进行不同运行工况下坝下河段水流数值模拟。模拟结果显示，电站1台机、2台机、3台机发电情况下，受地形和工程布置影响，坝下200 m内左岸河道为泄洪闸出口明渠静水区域，坝下100～200 m河道中部区域以及坝下500 m以下左侧河道存在高流速区，形成流速屏障。各工况下坝下游右侧河道均存在连续的流速0.2～1.1 m/s的鱼类可通过范围。

图1 坝下流场分布模拟结果(河流流向为自南向北)

2.3.3 流场原型观测

为验证流场模拟结果，并掌握过鱼季节内典型工况下坝下流场实际情况，本次研究对坝下1 km范围内的流场进行了原型观测(见图2)。实测采用矩阵布点，相邻测点间隔30～50 m。测量时间为5月，实测期间电站2台机组运行，出库平均流量691 m3/s，实测结果如下。

图2 坝下实测流场分布(河流流向自南向北)

(1)坝下200 m以上范围。各断面流速均较大，各垂线流速基本都大于1.1 m/s，河道中间位置部分区域流速大于3 m/s。

(2)坝下200 m以下范围。左侧河道从坝下约200～500 m流速在0.83～1.20 m/s之间，坝下500 m以下左侧河道流速均远大于1.1 m/s；中间河道各断面流速均大于1.1 m/s；右侧河道在坝下300 m以上测量点流速大于1.1 m/s，坝下300 m以下流速均在0.2～1.1 m/s之间，出现连续的流速适宜通道。

流场实际测量结果与二维数值模拟结果基本吻合。

2.3.4 进口位置确定

鱼道进口位置应选择水流平顺、流速适宜且不大于1.1 m/s的区域，有利于鱼类发现并能顺利进入鱼道进口。班多水电站厂房尾水位于右岸，左岸坝下200 m内范围为泄洪闸出口明渠静水区域，左岸明渠下游流场不够平顺，易受电站弃水、泄洪等不稳定工况影响，且下游500 m以下左侧河道存在高流速区，因此本工程鱼道进口布置在右岸为宜。根据坝下流场数值模拟和实测结果，坝下300 m及以下右侧河道存在流速在0.2～1.1 m/s的适宜通道区域，且该范围内河道中间和左岸流速较大，鱼类容易寻找右岸适宜的水流，适合在该范围内布置鱼道进鱼口。

由于班多水电站已经建成运行，电站为径流式，水库无调蓄能力。鱼道进口布置受岸边场地地形条件限制，且需要兼顾鱼道进口围堰施工对厂房尾水的安全影响，无法靠近厂房尾水。右岸厂房尾水下游约310、380 m处岸边流速量值相对适中，且水流流态较为平顺，在此区域分别布置2个进鱼口。

2.4 进口、出口数量及高程确定

鱼道进口、出口数量需根据水位变化特征考虑，并考虑运行方便。

2.4.1 坝下运行水位及鱼道进口高程确定

鱼道进鱼口高程，既要适应过鱼对象对水深的要求，还要适应下游水位的变幅。过鱼时段电站运行工况主要集中在1台机～3台机发电，本次鱼道设计取1台机发电流量379.24 m3/s～3台机满发流量1 137.72 m3/s下的水位作为鱼道坝下工作水位范围，可满足大多数时段过鱼需求。鱼道下游运行最低水位为1台机满发下游水位2 719.75 m，最高运行水位为3台机满发下游水位2 721.53 m，水位变幅1.78 m。

结合进鱼口附近河床地形，以及鱼道运行水深的要求，设计布置2个进鱼口，1号进鱼口底板高程为2 718.44 m、2号进鱼口底板高程为2 719.33 m，进鱼口运行水深为1.31～2.20 m。

2.4.2 库区运行水位分析及鱼道出口高程确定

班多水电站水库正常蓄水位2 760.00 m，死水位2 757.00 m，变幅3 m。为结合工程运行以来实际情况合理确定鱼道出口高程及数量，使鱼道运行尽量简单高效，参数研究阶段对电站运行期5年的日运行数据进行了统计，见表4。

表4 鱼类产卵及主要生长季节库区水位统计

结果显示，每年4月～8月过鱼时段，库区水位多数在2 759.00～2 760.00 m，占到55.86%，水库尽量靠近正常蓄水位运行。部分天数由于汛期电站泄洪等原因导致水库水位较低，而泄洪期间鱼道不运行。因此，库区工作水位取2 759.00～2 760.00 m，水位变幅1.00 m。

根据设计规范[6]，出鱼口最低水深0.5 m要求，确定出鱼口底板高程为2 758.50 m，出鱼口工作水深为0.5～1.5 m。

2.5 鱼道池室参数确定

班多水电站最大水头41.5 m，根据本工程主要过鱼对象的生活习性，以及各种鱼道形式的适应性和消能特点，采用矩形断面的垂直竖缝式鱼道。主要池室参数确定过程如下：

(1)鱼道池室长度。池室长度与鱼体大小及鱼的习性有关。个体愈大，池室应愈长，躁性急窜的鱼类，应有较长的池室。对于各种鱼类，池室长度不应小于大个体鱼长的4～5倍，对躁性鱼类应更大。根据本工程鱼道过鱼对象体长统计，池室长度2.5 m大于最大鱼类体长的5倍；因此池室长度取2.5 m。

(2)鱼道池室竖缝宽度。根据调查，过鱼对象最大体长约400 mm，根据鱼道一般设计要求，过鱼孔口宽度最小不应小于过鱼最大体长1/2，本次设计取池室竖缝宽度≥0.3 m。

(3)池室水深。鱼道内的水深主要视鱼类习性而定。底层活动的鱼类和大个体成鱼，喜欢较深的水体和暗淡的光色，故要求水深大一些；幼鱼一般喜在水表层活动，池室水深可小一些。国内有关水电站鱼道通过观测，建议鱼道运行水深控制在1.5～2.0 m[4]。根据调查结果，在兼顾过鱼对象的生态习性和工程投资的情况下，本次班多鱼道池室水深取0.5～2.2 m。

2.6 研究结果

根据以上研究过程，班多水电站鱼道主要设计参数体系成果如表5所示。

表5 鱼道设计参数体系

3 讨论和结论

在国家加大生态文明建设力度，高度重视黄河上游生态修复的形势下，本次研究对大型水电站补建鱼道主要设计参数的探索，其方法和成果对于国内后续水电工程鱼类生境修复工程设计工作具有很强的借鉴意义。

本次研究围绕在已建大型水电站补建鱼道这一特征，依据工程运行后的场地地形、流场、水位变幅等实际情况，充分考虑鱼道过鱼效果和施工对电站运行的影响，开展了鱼类资源复核调查、鱼类游泳能力测试、坝下和库区地形实测、坝下和库区流场原位观测及模拟、水库日运行数据统计分析等多项基础工作，客观合理地研究确定各项设计参数，形成了班多水电站鱼道过鱼对象、过鱼季节、过鱼规格、设计流速、进鱼口位置、进出口工作水深及底板高程、池室水深、池室长度、竖缝宽度等鱼道基本设计参数体系。

值得注意的是，虽然本次研究流场观测成果提示右岸厂房下游300 m范围内存在高流速区域，但国内部分已建水电站已调查到鱼类出现在尾水处的实际情况。已建水电站增建鱼道时，受场地条件限制，且考虑进口围堰施工对厂房尾水安全的影响，往往无法将鱼道进口布置在尾水处，鱼道槽身段布置也较为困难，这也是已建水电站增建过鱼设施的局限之处，也体现出了过鱼设施在水库蓄水前应建设完成这一要求的必要性。为进一步提高班多鱼道的过鱼效果，下一阶段可开展坝下鱼类集群观测及鱼道过鱼效果观测，研究在鱼道进口设置拦鱼、导鱼和诱鱼设施。