仿自然型魚道在堰壩工程中的設(shè)計(jì)研究

吳軍君，賀 俊，魏小旺

（浙江省錢塘江管理局勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州310016）

0 引 言

為開發(fā)利用水資源，打造美麗生態(tài)景觀帶，越來(lái)越多的固定堰或活動(dòng)堰在天然河道上筑起，但同時(shí)河道里洄游性魚類的游行通道被阻斷，上下游營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的交換受影響，上游產(chǎn)卵區(qū)的魚苗無(wú)法對(duì)下游漁業(yè)資源進(jìn)行有效補(bǔ)充，原本一個(gè)開放、連續(xù)的系統(tǒng)在能量交換、物質(zhì)流轉(zhuǎn)及信息傳送等方面發(fā)生了較大的改變，導(dǎo)致系統(tǒng)中的魚類生存所需的水質(zhì)水環(huán)境、水文水資源產(chǎn)生變化，最終影響了魚類資源產(chǎn)生，如：魚類的洄游或其它活動(dòng)可能被耽誤或停止、魚類往下游通過(guò)大壩壩體或發(fā)電水輪機(jī)時(shí)受到傷害等。這些影響會(huì)導(dǎo)致魚類種群遺傳多樣性喪失和經(jīng)濟(jì)魚類品質(zhì)退化等。因此，保護(hù)魚類豐富種類，提升河道生態(tài)功能，過(guò)魚設(shè)施的研究研究發(fā)展顯得日趨重要[1]。

目前針對(duì)大壩、堰壩等水利工程對(duì)魚類造成的不利影響有如下幾種常規(guī)保護(hù)對(duì)策：修建過(guò)魚通道、開展魚種人工投放、實(shí)行水庫(kù)生態(tài)功能調(diào)配和創(chuàng)建魚種保護(hù)區(qū)等。其中，在國(guó)內(nèi)以修建過(guò)魚通道和開展魚種人工投放最為常見。在修建過(guò)魚通道方面，國(guó)內(nèi)外目前的主要類型有：魚道、仿自然型魚道、升魚機(jī)、集運(yùn)魚設(shè)施和魚閘等[2]。本文結(jié)合浙江省天臺(tái)縣始豐溪一處堰壩改造工程，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)、過(guò)魚效果等多方面比較確定了設(shè)計(jì)方案。

1 魚道形式及特點(diǎn)

過(guò)魚通道主要分為上行過(guò)魚設(shè)施和下行過(guò)魚設(shè)施。上行過(guò)魚設(shè)施包括魚道、魚閘、升魚機(jī)和集運(yùn)漁船等，下行過(guò)魚設(shè)施包括設(shè)置攔網(wǎng)、電柵等。在低水頭水利樞紐工程中過(guò)魚設(shè)施一般指修建魚道，近代魚道的設(shè)計(jì)研究已有100多年歷史[3]，衍生出了多種形式，其形式和特點(diǎn)見表1和圖1。

2 魚道設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

天臺(tái)縣城始豐三橋下游約140m有一堰壩中間為翻板壩，寬234m，兩側(cè)為固定堰，各寬30m。經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行后，翻板壩經(jīng)常卡死，約76%的混凝土消力池、拋石防沖槽均已沖毀，本次結(jié)合堰壩改建成液壓式升降壩工程，在原右側(cè)30m寬固定堰處修建魚道，堰壩水頭差為2m。

2.2 過(guò)魚目標(biāo)確定

根據(jù)當(dāng)?shù)貪O業(yè)部門提供的有效數(shù)據(jù)，典型常見洄游性魚類包括青、草、鰱、鳙四大家魚，偶見香魚、鰻鱺等，爬行類的河蟹較為常見，同時(shí)每年漁業(yè)部分都會(huì)投放數(shù)萬(wàn)條各類魚苗[4]。

魚道的設(shè)計(jì)流速通常要小于設(shè)計(jì)范圍內(nèi)魚類的巡游速度，根據(jù)上述的魚類統(tǒng)計(jì)情況，通過(guò)查詢表2和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算對(duì)比后確定了設(shè)計(jì)流速。

游泳能力估算經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：v為魚的克流能力（m/s）；L為魚的體長(zhǎng)（m）。

2.3 魚道型式選擇

根據(jù)工程條件及過(guò)魚目標(biāo)，結(jié)合省內(nèi)已建魚道的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，初步確定兩種魚道型式設(shè)計(jì)方案，即豎縫式和仿自然型。

在對(duì)兩種方案技術(shù)對(duì)比后，豎縫式方案有3個(gè)缺點(diǎn)：保護(hù)對(duì)象單一。很少考慮到其他生物、有機(jī)質(zhì)、泥沙等在堰壩上下游的交換和平衡，僅滿足于個(gè)別魚類的縱向遷移要求，對(duì)于恢復(fù)河道生態(tài)平衡，維護(hù)生態(tài)完整性作用不大；進(jìn)口通常狹小，過(guò)魚效果一般；原材料和施工方法不環(huán)保。主要為建筑材料，即便流態(tài)滿足所過(guò)魚類的需求，魚池周邊環(huán)境與天然河道相比差別較大。

表1 魚道的主要形式和特點(diǎn)

圖1 魚道的形式

表2 我國(guó)典型洄游魚類生態(tài)習(xí)性及游泳能力[5]

而仿自然型方案相對(duì)而言，有3大優(yōu)點(diǎn)：魚類保護(hù)種類多、范圍廣，所有水生動(dòng)物基本都適用；能使上下游魚群得到廣泛溝通交換，原有魚種的完整性得到有效維持；泥沙、有機(jī)質(zhì)和其它水生生物能順利通過(guò)自然或人工建筑物，下游魚類的肥育需求得到滿足。

從投資、施工、后期運(yùn)行來(lái)看，豎縫式方案過(guò)魚目標(biāo)單一、施工難度大，而仿自然型方案盡管斜坡道工程量較大，但本工程堰壩上下游水頭差較小，同時(shí)運(yùn)行管理較簡(jiǎn)便、維護(hù)經(jīng)費(fèi)低，坡度坡比不規(guī)則，流態(tài)特征貼近自然，豎砌條石檻跌水后形成的水池為魚在枯水期找到蔽所并存活提供了保障。還有個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)，即仿自然型不需要調(diào)控上游來(lái)水流量，下游水位變動(dòng)時(shí)水生動(dòng)物仍能輕易地找到魚道入口[6]。

綜上所述，該工程采用仿自然型魚道方案，其中過(guò)魚設(shè)施采用加糙坡道型，蟹等爬行生物采用魚坡，見圖2、圖3。

圖2 加糙坡道

圖3 魚坡

2.4 魚池結(jié)構(gòu)尺寸[2]

（1）魚池寬度B：主要由過(guò)魚對(duì)象的大小和過(guò)魚量決定。國(guó)外一般取2~5m；國(guó)內(nèi)多取2~4m。

（2）魚池長(zhǎng)度l：與魚類的休息條件及水流的消能效果有關(guān)。一般初設(shè)時(shí)取l=（1.2~1.5）B。魚體大，取大值；魚體小，取小值。

（3）魚池深度h：主要依過(guò)魚習(xí)性而定。底層魚和體形大的成魚要求水深較深。國(guó)內(nèi)外一般取1.5~2.5m。

（4）孔口或豎縫寬度b：一般不宜小于過(guò)魚對(duì)象體長(zhǎng)的1/2。

（5）魚池?cái)?shù)目

式中：k為消能系數(shù)，一般取0.85~0.90；v為魚道孔口或豎縫流速（m/s）；H為最大水位差，即上游最高運(yùn)行水位減下游最低運(yùn)行水位（m）；g為重力加速度。

（6）魚池間的落差：△h=H/n；

（7）魚池的底坡=△h/l；

（8）魚道平均底坡i=魚道進(jìn)、出口底部高程差除以魚道的有效全長(zhǎng)[6]。

2.5 魚道進(jìn)口

魚道能否被魚類較快的發(fā)現(xiàn)和順利的進(jìn)入是設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。為此必須研究魚類的洄游規(guī)律。通常魚道進(jìn)口應(yīng)避開河流主流，設(shè)置在流速略小的主流兩側(cè)上游處；魚道的選址設(shè)置在常年有流水處，并確保進(jìn)魚口處有1~1.5m的水深。進(jìn)魚口的底板高程根據(jù)下游水位變動(dòng)的情況確定。進(jìn)口處的出水流速維持在0.3~0.5m/s左右。進(jìn)水口與河床間不可有陡坎等，可用砂卵石等鋪筑成緩坡與之連接[7]。

在滿足以上要求的同時(shí)，本工程設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合地形特點(diǎn)，將魚道進(jìn)口由上游的6m漸變至16m，占河寬比重增加，角度也作了調(diào)整，這樣更有利于魚類發(fā)現(xiàn)順道。

2.6 魚道出口

出口處通常設(shè)置在岸邊，水流平順且能滿足上游水位變動(dòng)處，出口底板處水深在1.5m以上。如水庫(kù)消落水深較大，可設(shè)置多個(gè)出口加以輔助，并確保出水深度在1.5m以上[7]。

2.7 設(shè)計(jì)成果

如圖4所示，液壓式升降堰壩布置于現(xiàn)狀河道主槽，升降壩堰頂高程48.0m，26.2m寬魚坡和5.5m寬加糙坡道型魚道分別布置在堰壩右側(cè)。

其中加糙坡道型魚道的斷面結(jié)構(gòu)見圖5，魚道頭部為C25混凝土擋墻，擋墻頂高程47.45m，頂寬0.87m，上游坡度為1∶0.3，下游坡度為1∶0.1，魚道長(zhǎng)72m，高程落差2.4m，坡比1∶30，每2 m豎砌密排大漂石，形成仿自然魚池，大漂石大頭朝下，單塊平均高度0.8m（0.7~0.9m），平均重500 kg，密排嵌入漿體0.35m，尤其是上游側(cè)首排單塊大漂石平面尺寸每一邊不小于0.8m，魚池低為大漂石平躺埋設(shè)，平均厚0.65m，此類魚池結(jié)構(gòu)擁更為豐富的底質(zhì)，水流結(jié)構(gòu)更富多樣化。魚池后緊接長(zhǎng)5m、60 cm厚C30鋼筋混凝土平臺(tái)，再是長(zhǎng)10m、100 cm厚大塊石拋填層其后與天然河床順接，此平臺(tái)既為魚道起防沖保護(hù)作用，又是魚道進(jìn)口，需保證水深在1~1.5m。

魚坡斷面結(jié)構(gòu)見圖6，魚道頭部為C25混凝土擋墻，擋墻頂高程48.0m，頂寬0.65m，上游坡度為1∶0.3，下游坡度為1∶0.1，魚坡長(zhǎng)38m，高程落差3.8m，坡比1∶10，坡面為漂石埋放，厚0.7m，漂石間凹縫2 cm，漂石表面向上游傾斜，單塊平均厚度0.45m（0.35~0.55m），單塊重量不小于250 kg，魚坡后緊接長(zhǎng)8m、60 cm厚C30鋼筋混凝土消力池，再是長(zhǎng)33m、100 cm厚大塊石拋填層其后與天然河床順接，如圖4所示與魚道后平臺(tái)一起形成一個(gè)大平臺(tái)，即為魚道進(jìn)口[8，9]。

圖4 總平面布置圖（單位：m）

圖5 加糙坡道型魚道斷面結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

圖6 魚坡斷面結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）在活動(dòng)堰壩或固定堰旁設(shè)置仿自然型魚道對(duì)于維持良好生態(tài)環(huán)境，保護(hù)魚類資源是十分有效的措。

（2）與傳統(tǒng)工程魚道相比，仿自然型魚道適用于各種魚類上溯或下行，過(guò)于效果甚佳。

（3）仿自然型魚道具有生態(tài)的景觀效果，不與堵塞，運(yùn)行管理費(fèi)用低，在完建之初根據(jù)試運(yùn)行效果，可以方便地對(duì)漂石擺放等細(xì)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。

（4）仿自然型魚道也有不易適應(yīng)上下游水位較大的變動(dòng)，占用空間較大等缺陷，同時(shí)也要根據(jù)天然河道地形、落差等條件靈活掌握，切忌生搬硬套。

（5）我國(guó)生態(tài)魚道起步晚，工程經(jīng)驗(yàn)少，但河道生態(tài)需求的恢復(fù)日益強(qiáng)烈，接下來(lái)需與生物工程師結(jié)合，加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)研究。