依蘭航電樞紐豎縫式魚道優(yōu)化研究

于廣年

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300456）

天然河流上修建永久性攔河建筑物后，使原來連續(xù)的河流生態(tài)系統(tǒng)被分隔成不連續(xù)的環(huán)境單元，對(duì)魚類造成的最直接的不利影響就是阻隔了洄游通道。

這對(duì)完成生活史過程中需要進(jìn)行大范圍遷移的洄游性和半洄游性種類往往是毀滅性的，它們不能到達(dá)原來的繁殖場、索餌場或越冬場去完成生活史，其資源量會(huì)受到嚴(yán)重影響；對(duì)在局部水域內(nèi)能完成生活史的種類則可能影響不同水域群體之間的遺傳交流，導(dǎo)致種群整體遺傳多樣性下降，魚類的品質(zhì)退化，對(duì)于一些珍稀瀕危的魚類則可能面臨絕跡的風(fēng)險(xiǎn)。

過魚設(shè)施使上下游的洄游通道得以恢復(fù)，不僅增加了魚類過壩完成洄游，以及生活史的可能性，而且對(duì)于其它生物也有積極的生態(tài)意義［3］。

目前針對(duì)水利樞紐工程對(duì)魚類造成不利影響所采取的保護(hù)措施，一般包括：修建過魚設(shè)施、開展人工增殖放流、施行水庫生態(tài)調(diào)度和建立魚類保護(hù)區(qū)等。

其中，以修建過魚設(shè)施最為常見。

1 模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)控制條件

1.1 模型設(shè)計(jì)

魚道整體模型包括整個(gè)電站、魚道集魚系統(tǒng)、魚道進(jìn)口、主體以及出口部分，根據(jù)模型設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，模型選擇正態(tài)，魚道的整體模型選取幾何比尺λL＝λH ＝20，模型可不分整體和局部，豎縫式魚道最小豎縫的寬度0.45m，對(duì)應(yīng)模型最小豎縫寬度2.25cm，可滿足試驗(yàn)及數(shù)據(jù)采集要求。

1.2 試驗(yàn)控制條件

（1）魚道內(nèi)設(shè)計(jì)流速：過魚設(shè)施內(nèi)流速小于魚類的巡游速度，這樣魚類可以保持在過魚設(shè)施中前進(jìn)；過魚斷面流速小于魚類的突進(jìn)速度，這樣魚類才能夠通過過魚設(shè)施中的孔或縫，同時(shí)要參考天然河道的流速而確定過魚設(shè)施設(shè)計(jì)流速。初步設(shè)計(jì)過魚設(shè)施內(nèi)平均流速0.5～0.7m／s，過魚設(shè)施內(nèi)最大設(shè)計(jì)流速1～1.2m／s［6］。

（2）試驗(yàn)控制條件：現(xiàn)狀過魚保證率95%條件下，依蘭樞紐最小過魚流量為750m3／s，當(dāng)來水量Q松＞7500m3／s時(shí)，電站停機(jī)、泄水閘泄洪，洄游魚類由泄水閘通過。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 工程布置［4］

依蘭航電樞紐豎縫式魚道系統(tǒng)主要由魚道進(jìn)口、集魚系統(tǒng)、主體槽身、魚道出口以及觀察室等附屬設(shè)施組成。魚道布置在電站右側(cè)的右岸上，魚道繞廠前區(qū)轉(zhuǎn)折一次后延伸至上游 （圖1）。

圖1 魚道設(shè)計(jì)方案布置圖

圖2 魚池室結(jié)構(gòu)平面布置

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

（1）魚道進(jìn)口段水流流急、比降大，上游來水量小于1665m3／s時(shí)，魚道內(nèi)豎縫最大水流流速超過魚的克流流速，不能滿足過魚設(shè)施設(shè)計(jì)流速。

（2）魚道平面設(shè)計(jì)兩個(gè)直角彎道，在彎道上游形成壅水，進(jìn)一步加大魚道進(jìn)口段水面比降。

（3）各級(jí)流量下魚道豎縫最大水流流速大多為0.8～1.0m／s，兩豎縫之間魚池內(nèi)水流流速為0.5～0.6m／s，魚道泄流量約為1.06m3／s；滿足過魚設(shè)施設(shè)計(jì)流速的流量為1665～2220m3／s。

3 修改方案

3.1 修改方案1

根據(jù)設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)成果，設(shè)計(jì)方案沒有考慮彎道阻力影響，加大了魚道進(jìn)口段水面比降，經(jīng)計(jì)算彎道阻力影響同一道豎縫的阻力相近，故將彎道上游第一道豎縫取消，研究修改后魚道內(nèi)水力因素變化，結(jié)果如下。

（1）彎道引起的上游壅水基本消失，魚道進(jìn)口段水流條件有所改善。

（2）魚道進(jìn)口段水流仍存在流急、比降大的問題，上游來水量小于1665m3／s時(shí)，魚道內(nèi)豎縫最大水流流速超過魚的克流流速，不能滿足過魚設(shè)施設(shè)計(jì)流速。

（3）各級(jí)流量下魚道豎縫最大水流流速大多為0.8～1.0m／s，兩豎縫之間魚池內(nèi)水流流速為0.5～0.6m／s，魚道泄流量約為1.06m3／s；滿足過魚設(shè)施設(shè)計(jì)流速的流量為1665～2220m3／s。

3.2 修改方案2

根據(jù)設(shè)計(jì)及修改方案1試驗(yàn)成果，豎縫設(shè)計(jì)有效寬度為0.45m，而魚道進(jìn)口寬度為1m，由于過水寬度不同，使得魚道豎縫與進(jìn)口段內(nèi)水流擴(kuò)散，引起該段流急、比降大。將魚道進(jìn)口改為不同寬度矩形，魚道進(jìn)口水位91.0m以下，進(jìn)口寬度改為0.5m，91.0m以上魚道進(jìn)口寬度仍為1.0m，進(jìn)行修改后魚道內(nèi)水力因素變化試驗(yàn)，結(jié)果如下。

（1）魚道進(jìn)口段水流仍存在流急、比降大的問題，魚道進(jìn)口段水流條件有所改善，上游來水量小于1665m3／s時(shí)，魚道內(nèi)豎縫最大水流流速超過魚的克流流速，不能滿足過魚設(shè)施設(shè)計(jì)流速。

（2）各級(jí)流量下魚道豎縫最大水流流速大多為0.8～1.0m／s，兩豎縫之間魚池內(nèi)水流流速為0.5～0.6m／s，魚道泄流量約為1.06m3／s；滿足過魚設(shè)施設(shè)計(jì)流速的流量為1665～2220m3／s。

4 優(yōu)化方案

4.1 方案修改

依據(jù)修改方案試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化方案主要改變?yōu)椋孩亵~道主進(jìn)魚口高度由3.0m改為5.0m；②尾水渠邊墻高程由92.0m改為93.50m；③魚道底板高程由89.0m改為88.50m；④在主進(jìn)魚口下游彎道休息池處，設(shè)置輔助進(jìn)魚口，輔助進(jìn)魚口寬度為0.30m，底板高程為91.0m，高度為2.5m。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

（1）各級(jí)流量下，魚道內(nèi)沿程水面比降較均勻，無明顯跌水現(xiàn)象；

（2）優(yōu)化后，上游來流量Q松≤1943m3／s時(shí)，魚道內(nèi)豎縫處最大水流流速在0.6～1.2m／s之間，兩豎縫間魚池內(nèi)流速基本在0.5～0.6m／s之間，滿足設(shè)計(jì)過魚流速要求；

（3）當(dāng)依蘭斷面流量Q松＞1943m3／s時(shí)，輔助進(jìn)魚口開啟情況下，主、輔進(jìn)魚口之間流速小于0.5m／s，但輔助進(jìn)魚口水深在0.8～1.5m 之間，水流流速在0.65～1.0m／s之間，大部分魚類可經(jīng)由該進(jìn)魚口進(jìn)入魚道；若考慮集魚系統(tǒng)進(jìn)魚，將輔助進(jìn)魚口關(guān)閉時(shí)，主、輔進(jìn)魚口之間流速增加至0.6～0.7m／s之間，亦滿足設(shè)計(jì)要求。

（4）當(dāng)Q松≤1943m3／s時(shí)，集魚系統(tǒng)及主進(jìn)魚口為過魚通道。當(dāng)Q松＞1943m3／s時(shí)，由輔助進(jìn)魚口為進(jìn)魚通道；或輔助進(jìn)魚口關(guān)閉，可由集魚系統(tǒng)及主進(jìn)魚口為進(jìn)魚通道。

5 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)方案情況下，上游來水量小于1665m3／s時(shí)，魚道內(nèi)豎縫最大水流流速超過魚的克流流速，不能滿足過魚設(shè)施設(shè)計(jì)流速要求。

（2）優(yōu)化后，魚道內(nèi)水深變化均勻，無明顯跌水及壅水現(xiàn)象，最大水面比降1.78%，出現(xiàn)在魚道主進(jìn)魚口附近；豎縫處最大水流流速1.19m／s，兩豎縫間池室內(nèi)水流流速基本保持在0.5～0.7m／s之間，休息池內(nèi)水流流速基本在0.2～0.5m／s之間，水流條件滿足過魚設(shè)施設(shè)計(jì)流速要求。當(dāng)Q松≤1943m3／s時(shí)，集魚系統(tǒng)及主進(jìn)魚口為過魚通道；當(dāng)Q松＞1943m3／s時(shí)，由輔助進(jìn)魚口為進(jìn)魚通道；或輔助進(jìn)魚口關(guān)閉，可由集魚系統(tǒng)及主進(jìn)魚口為進(jìn)魚通道。

1 于廣年，王義安 .松花江干流依蘭航電樞紐工程過魚設(shè)施整體物理模型試驗(yàn)研究 ［R］.天津：交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2010

2 Bell M C.Fisheries Handbook of Engineering Requirements and Biological Criteria ［M］.Fisheries Engineering Research program.Corps of Engineers.1973

3 王桂華，夏自強(qiáng)，吳瑤，蔡玉鵬 .魚道規(guī)劃設(shè)計(jì)與建設(shè)的生態(tài)學(xué)方法研究 ［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2007（12）：7－12

4 戚印鑫，孫娟，邱秀云 .水利樞紐中的魚道設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究 ［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2009（9）：55－58

5 Guiny E，Ervine A，Armstrong J D.Hydraulic and biological aspects of fish passes for Atlantic salmon ［J］.Journal of Hydraulic Engineering，ASCE，2005，131 （7）：542～553

6 王翔，鄭金秀等 .松花江干流依蘭航電樞紐工程過魚設(shè)施方案研究 ［R］.武漢：水利部／中國科學(xué)院水工程生態(tài)研究所，2009