于廣年，王義安

（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）

近年來，在低水頭水利工程的過魚設(shè)施建設(shè)中，仿生態(tài)魚道［1］由于與天然河道較為相似和有較廣的過魚對象等優(yōu)點(diǎn)，越來越被重視，成為低水頭水利工程過魚設(shè)施的發(fā)展方向之一。與其他類型的過魚設(shè)施相比，仿生態(tài)魚道不僅滿足了不同魚類的洄游需要，同時還增加了河道內(nèi)魚類生境的數(shù)量與多樣性，在魚類資源的恢復(fù)中發(fā)揮了重要作用。實(shí)際監(jiān)測結(jié)果表明，不僅游泳能力較強(qiáng)魚類可以利用其作為上溯繁殖的通道，一些游泳能力較弱的魚類也可以通過仿生態(tài)魚道順利上溯至上游。在仿生態(tài)魚道內(nèi)發(fā)現(xiàn)多種不同發(fā)育階段的個體表明，仿生態(tài)魚道本身也成為了這些魚類棲息、生長的重要場所［2］；在條件允許時，采用仿生態(tài)的形式設(shè)計(jì)、修建魚道，不僅可以滿足魚類遷徙的需要，同時對于河道渠化較為嚴(yán)重的河流，能夠提供魚類棲息、繁衍的生境數(shù)量，對魚類資源保護(hù)的效果較好。

芬蘭修建的150 余座過魚設(shè)施中就有83%是采用仿生態(tài)魚道形式，相當(dāng)一部分收到了良好的過魚效果。而韓國也計(jì)劃在4 條主要河流上建設(shè)33 條仿生態(tài)魚道，著名的巴西Itaipu 魚道及德國Harkortsee 水電站魚道，均為仿生態(tài)魚道典型成功案例。但國內(nèi)仿生態(tài)魚道剛處于起步階段，王桂華［1］在總結(jié)我國魚道現(xiàn)狀基礎(chǔ)上提出了魚道的生態(tài)學(xué)發(fā)展方向。本文以松花江依蘭航電樞紐為依托，采用大比尺物理模型對低水頭樞紐仿生態(tài)魚道進(jìn)行水力學(xué)試驗(yàn)研究。

1 依蘭樞紐概況

依蘭航電樞紐位于松花江中游“三姓”淺灘下段，牡丹江與松花江干流匯合口上游，是松花江干流梯級渠化的第五個梯級，是一座以航運(yùn)、發(fā)電為主，同時具有交通、水產(chǎn)養(yǎng)殖和旅游等綜合利用功能的低水頭航電樞紐工程，總裝機(jī)容量120 MW，渠化上游河道88 km，航道等級為Ⅲ級。樞紐總體布置方案從左到右依次為土壩、船閘、工程管理區(qū)、30 孔泄洪閘、河床式水電站、導(dǎo)流墩臺及魚道組成。

2 模型設(shè)計(jì)

2.1 模型設(shè)計(jì)［3］

目前，魚道的水工模型試驗(yàn)一般分為整體模型和局部模型兩類［4］，鑒于仿生態(tài)魚道的復(fù)雜性，本研究采用整體物理模型，包括電站（兩臺機(jī)組）、魚道集魚系統(tǒng)、魚道進(jìn)口［5］、主體以及出口部分，根據(jù)模型設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果（表1），模型選擇正態(tài)，選取幾何比尺λL=λH＝20，可滿足試驗(yàn)及數(shù)據(jù)采集要求。

表1 模型設(shè)計(jì)計(jì)算成果表Tab.1 Result of model design

魚道模型進(jìn)、出口邊界條件由“依蘭航電樞紐1：100 物理模型”提供，模擬范圍上游至魚道出口以上約0.3 km，下游至魚道入口以下約0.8 km。

2.2 魚道設(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［6］，這樣魚類才能夠通過過魚設(shè)施中的孔或縫。國外魚道的主要過魚對象一般為鮭魚（salmon）和鱒魚（trout）等具有較高經(jīng)濟(jì)價值的洄游性魚類,這些魚類個體較大，克服流速的能力很強(qiáng)（一般2.0～3.0 m/s），對復(fù)雜流態(tài)的適應(yīng)性也較好［7-10］。而實(shí)際調(diào)查顯示國內(nèi)魚道的主要過魚對象一般為珍貴魚類、鯉科魚類和蝦蟹等幼苗，洄游性較差，因此國外魚道設(shè)計(jì)流速標(biāo)準(zhǔn)不適于國內(nèi)魚道。根據(jù)中科院水工程生態(tài)研究所統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)河流中鯉科魚類持久游速一般小于1.0 m/s，克流流速一般在1.0～1.4 m/s（體長20～50 cm），臺灣省八寶圳試驗(yàn)魚道研究站研究成果顯示，其本地魚類克流流速一般在1.0～1.5 m/s，因此，本次研究確定魚道內(nèi)平均流速0.5～0.7 m/s，最大流速1～1.2 m/s。

3 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)國外對仿生態(tài)魚道的研究，仿生態(tài)魚道存在著適應(yīng)水位變動能力差及與集魚系統(tǒng)銜接較困難的缺點(diǎn)，因此本次研究通過在仿生態(tài)魚道與集魚系統(tǒng)間設(shè)置一段豎縫式結(jié)構(gòu)型魚道解決以上問題。

3.1 工程布置

本次試驗(yàn)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），整個魚道系統(tǒng)由魚道進(jìn)口、集魚系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)型魚道段、過渡池、仿生態(tài)魚道段（圖2）、魚道出口及觀察室等附屬設(shè)施組成，其中結(jié)構(gòu)型魚道段全長168 m，豎縫寬度0.6 m［11］，仿生態(tài)段全長786 m，石縫寬度1.0 m，魚道正常運(yùn)行水位為2.5 m，設(shè)計(jì)最大克服樞紐上下游水頭差10 m。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）各級流量下仿生態(tài)段魚道內(nèi)水深基本保持在2.5 m 左右，平均水面比降為0.81%，魚池內(nèi)流速保持在0.4～0.6 m/s，縫隙處流速在0.9～1.2 m/s，滿足魚道設(shè)計(jì)流速要求。

（2）結(jié)構(gòu)型魚道下段，出現(xiàn)局部壅水現(xiàn)象，魚池內(nèi)水深超過3 m；結(jié)構(gòu)型魚道上段，當(dāng)樞紐上下游水位差大于8 m 時，平均水面比降2.3%，最大水面比降6.3%，豎縫處最大水流流速超過2.2 m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過魚的克流流速，不能滿足過魚設(shè)施設(shè)計(jì)流速。

（3）仿生態(tài)段縫隙寬度1.0 m，結(jié)構(gòu)型魚道段豎縫寬度0.6 m，導(dǎo)致兩種結(jié)構(gòu)形式連接處壅水現(xiàn)象明顯，進(jìn)一步加大了魚道進(jìn)口段水面比降。

4 方案優(yōu)化

4.1 優(yōu)化方案1

根據(jù)設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)成果，優(yōu)化方案1 主要做以下兩點(diǎn)修改：①根據(jù)仿生態(tài)段縫隙寬度，將結(jié)構(gòu)型魚道段豎縫寬度增加至1 m；②考慮彎道阻力影響，將兩處90°彎道上游第一道隔板取消。修改后魚道內(nèi)水力要素變化試驗(yàn)，結(jié)果如下：

（1）修改后，樞紐上下游水位差10 m 時，過渡池附近水位較設(shè)計(jì)方案下降約0.6 m，但壅水現(xiàn)象仍存在。

（2）魚道進(jìn)口段水流流急、比降大，局部最大水面比降達(dá)到4.1%，豎縫最大水流流速2.18 m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過魚的克流流速。

（3）樞紐上下游水位差小于8 m 時，魚道內(nèi)豎縫水流最大流速為0.86～1.26 m/s，兩豎縫之間魚池內(nèi)水流流速為0.5～0.6 m/s，基本滿足過魚設(shè)施設(shè)計(jì)流速。

4.2 優(yōu)化方案2

根據(jù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化方案1 試驗(yàn)成果，優(yōu)化方案2 主要修改如下：①針對魚道進(jìn)口段比降大現(xiàn)象，將魚道進(jìn)口高程降低0.5 m，魚道出口高程保持不變；②針對結(jié)構(gòu)段魚道壅水現(xiàn)象，將結(jié)構(gòu)段魚道長度延長至274 m，仿生態(tài)段魚道長度保持不變；③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0.30 m，高度為2.5 m。水力要素試驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）樞紐上下游水位差10 m 時，魚道進(jìn)口段水流流急、比降大的情況有所改善，但流速仍無法滿足設(shè)計(jì)要求；

（2）結(jié)構(gòu)型魚道池室長度4.8 m，底坡1/96，仿自然通道段池室長度6 m，底坡1/117.6，因此，相同豎縫寬度情況下過渡段仍存在壅水現(xiàn)象；

（3）仿生態(tài)段魚道內(nèi)水深基本保持在2.5 m 左右，豎縫處最大流速小于1.2 m/s，滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)試驗(yàn)成果，仿生態(tài)段水面比降及流速均滿足設(shè)計(jì)要求，但過渡至結(jié)構(gòu)段時，由于池室長度、結(jié)構(gòu)形式及魚道底坡不同，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)段魚道上游水位壅高，而魚道入口段局部比降過大，流速超過設(shè)計(jì)要求。

4.3 優(yōu)化方案3

針對優(yōu)化方案2 結(jié)構(gòu)段壅水現(xiàn)象，優(yōu)化方案3 主要修改如下：①將結(jié)構(gòu)型魚道豎縫寬度由60 cm 增加至70 cm；②將結(jié)構(gòu)型魚道休息池由隔10 個普通池一個改為隔6 個普通池一個；③考慮彎道阻力影響，去除過渡池下游兩連續(xù)彎道間豎縫。試驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）該方案情況下，過渡池附近壅水現(xiàn)象明顯改善，整治效果明顯；

（2）魚道主進(jìn)魚口附近局部比降、最大流速均明顯減小，但當(dāng)樞紐上下游水位差為10 m 時，最大流速仍無法滿足設(shè)計(jì)要求；

（3）當(dāng)樞紐上下游水位差小于8.5 m 時，魚道內(nèi)豎縫處最大流速均小于1.2 m/s，兩豎縫之間魚池內(nèi)流速基本在0.5～0.6，滿足設(shè)計(jì)流速要求；

（4）當(dāng)樞紐上下游水位差小于8.0 m 時，隨電站尾水位抬高，魚道主進(jìn)魚口附近流速小于0.7 m/s，魚道輔助進(jìn)魚口水深在0.55～1.6 m，水流流速在0.5～1.0 m/s，大部分魚類可經(jīng)由該進(jìn)魚口進(jìn)入魚道。

5 推薦方案

5.1 方案修改

分析優(yōu)化方案試驗(yàn)成果，適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)型魚道段豎縫寬度，可以有效解決過渡段水位壅高問題，但優(yōu)化方案3 情況下，過渡段仍存在壅水現(xiàn)象，從而導(dǎo)致魚道主進(jìn)魚口附近局部最大流速超過設(shè)計(jì)要求，因此，推薦方案在優(yōu)化方案3 基礎(chǔ)上將結(jié)構(gòu)型魚道段豎縫寬度增加至75 cm。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）結(jié)構(gòu)型魚道豎縫寬度增加至75 cm 后，過渡池附近壅水現(xiàn)象基本消失，魚道主進(jìn)魚口附近局部比降過大現(xiàn)象得到明顯改善，豎縫最大水流流速在0.8～1.2 m/s，兩豎縫之間魚池內(nèi)水流流速為0.5～0.6 m/s，滿足過魚設(shè)施設(shè)計(jì)流速要求。

（2）當(dāng)樞紐上下游水位差小于7 m 時，輔助進(jìn)魚口開啟情況下，主、輔進(jìn)魚口之間流速小于0.5 m/s，無法滿足設(shè)計(jì)平均流速要求，但輔助進(jìn)魚口水深超過1 m，水流流速在0.5～1.0 m/s，大部分魚類可經(jīng)由該進(jìn)魚口進(jìn)入魚道；當(dāng)輔助進(jìn)魚口關(guān)閉時，主、輔進(jìn)魚口之間流速增加至0.5～0.7 m/s，滿足設(shè)計(jì)流速要求。

（3）當(dāng)樞紐上下游水位差大于7 m 時，集魚系統(tǒng)及主進(jìn)魚口為過魚通道。當(dāng)樞紐上下游水位差小于7 m時，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。

6 結(jié)論

（1）魚道的進(jìn)口能否為魚類較快發(fā)現(xiàn)和順利地進(jìn)入，是魚道成敗的關(guān)鍵。魚道進(jìn)口應(yīng)選定在經(jīng)常有水流下泄的地方，緊靠主流的兩側(cè)；合適的進(jìn)口形態(tài)、底板高程可有效改善進(jìn)魚口附近局部流態(tài)，提高進(jìn)魚能力。

（2）魚類進(jìn)入魚道后，需要在較短的距離內(nèi)克服較大的水位差，其體力消耗必然較大，特別是魚道斷面較小，魚類可以選擇的溯游區(qū)域和途徑遠(yuǎn)不如天然河道寬闊。據(jù)此，魚道水池的設(shè)計(jì)，既要有利于魚類的通行，又要減少魚類體力的消耗。影響魚道池室水流條件的因素有：魚道上下游總水位差和單個池室的平均水位差、魚道池室內(nèi)的消能布置、魚道平均坡降、水池的容積和過魚孔孔寬與水池寬度的比例及魚道上下游水位的運(yùn)行變幅和變化速率等。

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