水利水电工程鱼道设计方法简析

李洋洋 苏 慧 张 游 刘娜娜

（1.徐州市水利建筑设计研究院 徐州 221100 2.徐州市水利工程运行管理中心 徐州 221100 3.江苏泓科工程咨询集团有限公司 徐州 221100）

1 引言

本次拟建的5#闸是拉萨河城区段综合整治工程6级梯级蓄水闸之一。该闸建成后，能够留住下泄河水，用于改善河道水生态环境和水景观，提升拉萨城市整体形象和综合能力，促进人与自然和谐共生。对于鱼类而言，由于觅食、繁殖等原因，鱼类自然情况下是在河道上、下游自由地游动，但是由于水闸的建成，将河道形成物理拦截，鱼类无法跨越水闸，阻碍部分鱼类回归大自然，严重影响了该闸附近的生态环境，因此鱼道的规划设计尤为重要。

2 工程概况

本次建设的拉萨河5#闸为《拉萨河流域综合规划修编报告（2015—2035年）》和《拉萨市拉萨河（城区段）综合整治工程规划报告》规划建设的6级梯级蓄水闸之一，该工程主要工程任务是在不影响河道行洪能力的前提下，营造滨水湿地景观，改善河道生态环境，提升城市整体形象，加快修复拉萨河流域山水林田湖草生态系统，是创建人水和谐、宜商宜居拉萨水城的重要基础设施工程，不仅具有显著的旅游效益及土地增值效益，而且还具有巨大的生态效益和社会效益，工程的实施对拉萨市的经济社会发展具有重要而深远的意义。

拉萨河5#闸闸室垂直水流方向总宽517.32m，顺水流方向总长192.0m，共6孔，其中为便于水闸检修、冲砂及泄流调节，左侧位于天然主槽的1孔设为深孔，底板高程3649.0m，其余5孔为浅孔，底板高程3650.0m；左右岸设液压启闭机房各1处。

3 计算案例

拉萨河5#闸闸址处河道天然主槽位于左岸，为便于枯水期鱼类洄游，过鱼设施布置于左岸，与左岸翼墙及闸室左岸边墩结合。过鱼设施采用竖缝式鱼道，顺水流方向总长194.0m，其中借用水闸深孔段左岸边墩长12.0m，进出口连接翼墙段长44.0m，进出口控制闸各9.0m。鱼道净宽3.0m，通过空箱内填埋石混凝土形成i=1∶46的纵向底坡；鱼道内采用交错隔板形成竖缝，缝宽0.3m；进出口控制闸采用胸墙式，孔高2.0m，配3.0m×2.0m铸铁闸门各1扇，配手电两用暗杆式启闭机。

5#闸工程主要过鱼对象见表1。

表1 鱼道过鱼对象一览表

根据本河段水生调查成果，该工程的两种主要过鱼对象异齿裂腹鱼、拉萨裸裂尻的繁殖期分别为3—5月、5—6月，确定鱼道主要过鱼季节为3—6月。

3.1 鱼道设计流速

依据《水利水电工程鱼道设计导则》（SL609-2013）3.0.5条，鱼道设计流速可取主要过鱼对象极限流速，条件允许时可兼顾主要过鱼对象喜好流速。

依据《水利水电工程鱼道设计导则》（SL609-2013）附录A.2鱼类的游泳能力利用公式A.2.2估算鱼类极限流速。

结合环境保护章节，该工程鱼道设计流速取1.10m/s，下阶段结合鱼类游泳能力试验成果确定鱼道的设计流速。

3.2 竖缝

竖缝宽度一般依据过鱼对象捕获物的大小决定。由观测资料可知，5#闸附近有大型鱼类（拉萨裂腹鱼，体长0.5m左右）通过。经综合考虑竖缝取0.3m。

3.3 鱼道净宽

鱼道净宽主要由过鱼量和过鱼对象个体大小决定，过鱼量或鱼的个体越大，鱼道要求越宽。鱼道宽度直接决定鱼池的水量，鱼池水量除满足消能要求外，还需满足过鱼能力的要求。鱼道净宽一般不宜小于主要过鱼对象体长的2倍。经综合考虑鱼道净宽取3m。

3.4 池室长度

池室长度与水流的消能效果和鱼类的休息条件密切相关。较长的池室水流条件较好，休息水域大，对过鱼有利。该工程池室长度取3.3m。

3.5 鱼道水深

鱼道水深一般不宜小于主要过鱼对象体长的2.5倍，经综合考虑鱼道水深取1.5～2.0m。

3.6 休息池设置

休息池设置原则：每隔10～20块隔板宜设一个休息池，休息池宜为平底。

该工程鱼道结构型式采用竖缝式组合鱼道，断面为矩形，水深1.5～2.0m，净宽3m，鱼池长3.3m，每9块隔板设一个休息池，休息池长6.5m。鱼道采用钢筋混凝土结构型式，内部用埋石混凝土以增加鱼道糙率，从而达到近自然效果。

3.7 鱼道出口设置

鱼道出口设置于远离闸轴线位置，以免上溯鱼类被闸顶溢流带回下游。本次出口设置于水闸上游护砌段附近，距闸轴线73.5m。

在主要过鱼季节（每年3—6月），鱼道闸门全开；其余时间，闸门关闭。

在鱼道运行期间，5#闸上游正常蓄水位为3653.0m，故在高程3653.0m以下设出鱼口，出口底板高程3651.0m。

3.8 鱼道进口设置

鱼道进口设置于闸下消能防冲设施以外，以保证进口较为平稳的水流流态。本次进口设置于防冲槽下游，距闸轴线76.5m。

在鱼道运行期间，5#闸下游水位3650.0m附近，故在高程3650.0m以下设进鱼口，进口底板高程为3648.5m。

3.9 辅助设施

鱼类在上溯时总是循着水流溯流而上，喜欢向阳和具有聚光性特性。根据此特点以及其他鱼道设计的经验，为了增加过鱼效果，鱼道入口需设立洒水诱鱼装置，并架设灯光，晚上开启引诱。

光源可采用LED水下聚光照明灯，外壳采用不锈钢材料，具有光线强度可调节、亮度柔和、防潮密封性能好等特点。

4 鱼道水利设计

4.1 隔板水位差

隔板水位差按下式计算：

式中：Δh—隔板水位差，m；

v—鱼道设计流速，取1.10m/s；

g—重力加速度，取9.81m/s2；

经计算隔板水位差Δh=0.06～0.09m，隔板水位差按照实际确定的鱼道底坡最终选定。

4.2 鱼道底坡

鱼道底坡可按下式计算：

式中：I—鱼道底坡；

Δh—隔板水位差，m；

l—鱼道池室净长，取3.3m；

图1 鱼道隔板平面布置图

d—隔板厚度，取0.2m。

经计算鱼道底坡=0.018～0.026。该工程取1/46=0.022，实际隔板水位差为0.09m。

4.3 鱼道流量

按照《水利水电工程鱼道设计导则》（SL609-2013）条文说明6.1.9条，竖缝式隔板鱼道流量按下式计算：

式中：Q—竖缝式鱼道流量，m³/s；

μ—流量系数；

s—竖缝宽度，取0.3m；

ho—池室内下游水深，m；

hu—池室内上游水深，m；

Δh—隔板水位差，取0.09m。

经计算竖缝式鱼道流量为0.52m³/s。

4.4 单位水体功率耗散

单位水体功率耗散按下式计算：

式中：

E—鱼道单位水体功率耗散，W/m³；

[E]—允许单位水体功率耗散，取200W/m³；

ρ—水的密度，取1000kg/m³；

Δh—隔板水位差，取0.09m；

Q—鱼道流量，取0.52m³/s；

V—池室水体积，经计算得13.96m³。

经计算鱼道单位水体功率耗散E=32.94W/m³＜200W/m³，满足要求。

4.5 池室数量

鱼道最大设计水位差为3m，鱼道运行期间，其中鱼道上游水位为3653.00m，鱼道下游水位为3650.00m，隔板水位差为0.09m，则池室数量为：

式中：n—鱼道池室数量；

H—鱼道最大设计水位差，m；

Δh—隔板水位差，m。

依据汛期及非汛期鱼道设计水位差及隔板水位差，结合5#闸工程鱼道实际布置，鱼道池室数量为32个。

4.6 鱼道总长

鱼道池室数量为32个，池室净长度为3.3m，隔板宽度为0.2m，休息池数量为3个，休息池净为6.5m。则鱼道总长为：

L=n（1+d）+m（Δl+d）

式中：L—鱼道总长，m；

m—休息池个数；

Δl —休息池池室净长，6.5m。

依据鱼道池室、休息池数量和长度以及隔板厚度，考虑进、出鱼口，实际鱼道长132.1m，加上进出口控制闸及连接翼墙，鱼道工程总长194m。

5 鱼道生态综合监控系统平台

鱼道生态综合监控系统管理平台应能实现数据展示分析软件单元、鱼道附属设备控制单元、鱼道周边生态环境监测单元、鱼道过鱼监测系统单元的统一操作界面管理。

鱼道附属设备控制单元控制平台，实现在鱼道观测室对诱导鱼系统、过鱼控制设备的远程监控，包括对鱼道出入口的闸门监控、诱鱼驱鱼设施监控；应能根据上、下游水位情况通过控制鱼道上、下游闸门开度来实现整体流速控制；根据补水点区域的流速情况，通过控制补水设施对该区域的流速进行补偿，实现鱼道各部位均能保持生态流速。

鱼道生态环境监测单元实现对鱼道区域自然环境的监测显示和图像存储，诸如气压、水温、各处流态等，以支撑不同气象环境下鱼类迁移习性的分析。同时，实现操作设备的画面实时视频监控，如操作闸门时自动推送闸门视频监视画面，对采集到的所有运行环境数据进行综合处理。

鱼道过鱼监测系统平台，实现对鱼道过鱼情况及鱼道水位、水温、流速、水质、视频、PIT等信息的采集与监测分析，过鱼数量自动统计、过鱼轮廓（长度、宽度）测量、过鱼种类分类、过鱼数据存储、过鱼视频图像记录及抓拍、过鱼视频录制，并提供数据分类统计、查询等功能。

6 结语

5#闸工程通过新建鱼道，改善了拉萨河的水生生态系统。通过对鱼道的布置形式的优化，以及对拉萨河段的水位特征分析，表明本次鱼道设计的布置方案是可行的