楊秀榮，易 靈

(中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510610)

1 我國魚道建設(shè)概況

與國外相比，我國魚道建設(shè)及研究工作起步較晚。自20世紀50年代至今六十年間的建設(shè)歷程可以分為快速發(fā)展、基本停滯、再發(fā)展三個階段。。1960年，我國成功于興凱湖建設(shè)了第一座魚道，該魚道全長70m，建成后運行良好，后于洪水時損毀，1974年，原水電部和原農(nóng)林部聯(lián)合召開了“水利工程過魚設(shè)施經(jīng)驗交流會議”，會議極大地推動了魚道的建設(shè)研究工作。在此期間，斗龍港、太平閘、瀏河及洋塘等魚道相繼建成，魚道建設(shè)研究工作蓬勃發(fā)展，二十年間共建過魚設(shè)施40座左右。從20世紀80年代初長江葛洲壩水利樞紐建設(shè)時采用了增值放流方案而非魚道等過魚設(shè)施建設(shè)方案開始，其后二十年間國內(nèi)除綏芬河上增設(shè)一座魚道外幾乎未再新建過魚設(shè)施，一些已建設(shè)施也基本多因失修而難以發(fā)揮功用。步入21世紀后，水利設(shè)施建設(shè)再次進入高峰期，生態(tài)文明理念逐步發(fā)展，魚道建設(shè)研究熱潮重啟，水利部于2013年發(fā)布了SL609—2013《魚道設(shè)計導(dǎo)則》。據(jù)不完全統(tǒng)計，這二十年來新建魚道超過40座。近年來筆者也參與了江西省石虎塘航電樞紐及新干航電樞紐等數(shù)座魚道設(shè)計、建設(shè)及研究工作。

南渡江為海南島上三大河流之一，其干流從上游至下游已建有松濤水庫、九龍灘電站及龍?zhí)了l等大型水利樞紐工程。根據(jù)中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司(以下簡稱珠江設(shè)計公司)編制的《南渡江引水工程初步設(shè)計報告》，海口市計劃于南渡江下游東山鎮(zhèn)處建設(shè)東山閘壩樞紐工程，截至日前，該樞紐已基本完工，設(shè)有生態(tài)魚道一座(以下簡稱東山魚道)。

2015年7月，原環(huán)境保護部于文獻中要求補建龍?zhí)了l樞紐魚道，加強水生生態(tài)系統(tǒng)的保護，補建魚道增加的投資計入南渡江引水工程。

2 基礎(chǔ)資料

設(shè)計前，收集并整理了龍?zhí)了l上下游河段漁情資料、龍?zhí)了l原設(shè)計文件、竣工文件及運行記錄等資料，為龍?zhí)了l補建魚道的設(shè)計提供了詳實完整的基礎(chǔ)資料。

2.1 龍?zhí)了l概況

龍?zhí)了l樞紐工程位于海南省海口市瓊山區(qū)龍?zhí)伶?zhèn)下游約0.7km處，是一座集灌溉、供水、發(fā)電及防洪等綜合效益為一體的大型水利樞紐工程。壩址以上游流域面積6841km2，龍?zhí)琳灸昶骄髁?67m3/s。

水閘樞紐于1970年動工興建，包括左右岸泄洪沖砂閘及引水閘、溢流壩、左右岸副壩、左岸船閘。左岸建有自來水廠取水口一個，取水規(guī)模36萬m3/d，并建有一座裝機容量1125kW壩后式水電站；右岸建有一座裝機容量5000 kW壩后式水電站，并有進水渠引水灌溉本工程灌區(qū)，設(shè)計灌溉面積8萬畝，其樞紐總布置如圖1所示。

水閘樞紐完工于1971年，擋水高度6.8m，屬低水頭水工建筑物，未設(shè)置過魚設(shè)施，魚類可通過泄水閘及溢流壩等下行，但洄游上行通道被堵死。

2.2 漁情資料

擬建魚道上下游河段漁情資料準確性關(guān)系著魚道設(shè)計的成敗，本次魚道設(shè)計所用資料主要取自于當?shù)貪O業(yè)部門資料、龍?zhí)了l運行記錄并咨詢漁業(yè)相關(guān)專家，包括主要過魚對象與主要過魚季節(jié)。

龍?zhí)了l位于南渡江下游，距南渡江河口約26km處，根據(jù)漁業(yè)部門資料并結(jié)合該段河道漁情，本次魚道設(shè)計考慮主要過魚對象為日本鰻鱺、花鰻鱺、七絲鱭及四大家魚(鰱、鳙、青、草)。南渡江魚類繁殖盛期主要集中在4～8月，該段時間為魚類溯江上行的時段，亦是本次魚道設(shè)計考慮的主要過魚季節(jié)。

龍?zhí)了l在過魚季節(jié)時上下游水位即為魚道的設(shè)計運行水位。根據(jù)水閘運行記錄，過魚季節(jié)時樞紐下游最低水位為1.57 m，上游為正常蓄水位8.375m，最大水位差達6.805m。

3 魚道設(shè)計

根據(jù)筆者理解，魚道設(shè)計同其他水工建筑物設(shè)計流程相同，即先根據(jù)類似工程經(jīng)驗結(jié)合擬建建筑物所在位置的自然地理條件進行數(shù)個方案的初步布置。后對其進行方案比選、模型實驗及結(jié)構(gòu)核算等，定性分析與定量分析相結(jié)合。

魚道設(shè)計中如魚道選型，若有生態(tài)景觀要求可直接確定其結(jié)構(gòu)形式為仿生態(tài)式，魚道設(shè)計流速可根據(jù)主要過魚對象習(xí)性并查詢資料初步確定，有誘魚要求的進魚口往往布置在電站尾水渠的出口，而出魚口需要布置在遠離溢流設(shè)施等的水流平順之處。

3.1 魚道選型與布置

3.1.1魚道選型

按結(jié)構(gòu)型式進行分類，魚道可分為仿生態(tài)式、隔板式及槽式等。本工程待建魚道水位落差為6.8m，屬于低水頭魚道工程，適合修建隔板式和仿生態(tài)式魚道。兩種魚道整體布置基本相同，均由進魚口、出魚口及斜坡段槽身組成，均能滿足過魚要求。仿自然魚道占地稍多但更接近天然河道，適應(yīng)魚類范圍廣，更能滿足生物多樣性要求，橫隔板式魚道為純混凝土結(jié)構(gòu)，造型較為生硬，魚類也更難適應(yīng)。本次設(shè)計在綜合考慮征地、造價及生態(tài)景觀要求等因素后選用仿生態(tài)式魚道方案。

3.1.2魚道布置

當過魚季節(jié)到來時，過魚對象能順利進入上游安全水域的布置即為合適的魚道布置方案，同時應(yīng)兼顧考慮后期運行維護。龍?zhí)了l左岸為南渡江堤防及龍?zhí)伶?zhèn)大力村所在，無布置魚道的場地，因此將其置于水閘右岸，具體布置如圖1所示。

3.2 魚道進出口

3.2.1魚道進口

魚道進口常兼有誘魚功能。同筆者所設(shè)計的石虎塘航電樞紐類似，龍?zhí)了l未設(shè)置生態(tài)放水口，除去流過溢流壩壩面的水流外，唯一動水是電站尾水渠處的下泄水流，因此，結(jié)合石虎塘航電樞紐魚道經(jīng)驗，將進口布置在電站尾水渠處，吸引魚類靠近進而游入進魚口。

圖1 龍?zhí)了l樞紐工程總布置圖

魚道進口水深在主要過魚季節(jié)不宜小于1.0m。結(jié)合建筑物結(jié)構(gòu)布置需要，進魚口底板設(shè)計高程確定為0.57m，以保證在水閘下游最低水位1.57 m時仍有1m淹沒水深。

3.2.2魚道出口

本工程魚道出口上游水位變幅較小，多為正常蓄水水位8.375m，采用單個出魚口即可滿足出魚需求。將其布置于遠離溢流壩、泄洪沖砂閘、水廠取水口等水流變動劇烈的群英閘上游60m處，該處流速較小，便于魚類繼續(xù)上溯至上游水體內(nèi)，出魚口底板設(shè)計高程為7.35m，保證有1m淹沒水深。

3.3 魚道槽身設(shè)計

3.3.1魚道設(shè)計流速

幼鰻喜愛的流速為0.18～0.25m/s，體長0.3m以上的鯉科魚類喜愛的流速為1.0～1.20m/s。本次魚道設(shè)計流速選用較大范圍的0.18～1.20m/s，以適應(yīng)主要過魚對象的游泳特性。

3.3.2槽身底坡和橫斷面尺寸

魚道槽身底坡越緩，截面越大，魚道流速就越小，越有利于魚的中間休息，但成本也就越高。仿生態(tài)式魚道實為渠道，根據(jù)過魚孔設(shè)計流速要求、進出口位置選擇及魚道周邊的地形條件，確定魚道槽身底坡為1∶97，槽身橫斷面采用等邊梯形，底坡寬3.0m，上接1∶2斜坡至兩側(cè)地面，底部采用格賓網(wǎng)石籠，厚度0.5m，并鋪設(shè)0.2m厚砂卵石摻耕植土層，最后在面上噴灑高性能生態(tài)基材，利于水生植物生長，兩邊坡設(shè)置0.2m耕植土層，同樣噴灑高性能生態(tài)基材，具體如圖6所示。

3.3.3魚道水池凈深

其它影響因素相同時，魚道水池越深，可過魚的橫截面槽身就越大，魚道的工程造價也將增加，過深的魚道還往往難以實現(xiàn)自然采光，需要人工模擬自然光。對于有發(fā)電效益的龍?zhí)了l樞紐，還需考慮設(shè)計水池深度的增加將增大魚道的流量，水能白白浪費，所以應(yīng)盡量減小魚道流量，本次設(shè)計水池凈深僅考慮最小淹沒深度，取1.0m。

3.3.4魚道每級水池長

水池凈長越長，水池內(nèi)平均流速就越小，越利于魚類中間休息，但魚道總長度就越長，魚道工程造價也就越高。根據(jù)已建工程經(jīng)驗，結(jié)合文獻魚類游泳能力研究成果，本次設(shè)計水池長取6.0m，不額外設(shè)置休息池。

3.4 魚道過魚孔設(shè)計與研究

過魚孔設(shè)計是形成供不同魚類所需不同流速區(qū)間的關(guān)鍵，關(guān)系著魚道設(shè)計的成敗，本工程所需流速區(qū)間范圍大，是設(shè)計難點所在。本次過魚孔設(shè)計參照珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院與珠江設(shè)計公司所共有的《具有多級流速通道的生態(tài)魚道》專利技術(shù)(以下簡稱魚道專利技術(shù))。

3.4.1初步方案

主斷面蠻石初步按3區(qū)4通道布置，高流速通道兩個，中低流速通道各一個，具體如圖2—3所示，通過不同區(qū)域不同通道形成不同流速，滿足不同魚類不同習(xí)性要求，如鰻鱺這類邊緣導(dǎo)向性且游泳能力較差的魚類可沿低速通道上溯。

3.4.2數(shù)值模擬及物理模型試驗

為驗證初步方案的合理性，隨后進行了數(shù)值模擬及物理模型試驗。其主要目的：揭示魚道出口水動力條件，分析一定范圍上下游區(qū)域流速分布；探討魚道過魚孔斷面設(shè)計合理性，分析該方案下的流速、流態(tài)是否符合目標魚類的洄游需求，并提出存在的問題及優(yōu)化措施，為后續(xù)的設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。本節(jié)主要論述魚道過魚孔斷面設(shè)計部分，其余不贅敘。

圖2 過魚孔典型槽身斷面橫剖圖

圖3 過魚孔蠻石擺放平面示意圖

初步方案的實物流態(tài)如圖4所示，根據(jù)數(shù)模與物模試驗的對比分析，初步方案3區(qū)4通道過魚孔流速未能達到預(yù)期目標。具體如下：魚道典型段的過魚池表層流速如圖5所示，即主要蠻石斷面上左岸三角形高速通道的流速在1.8m/s左右，右岸三角形高速通道的流速在1.65m/s左右，中速通道的流速在0.9m/s左右，低速通道流速在1.0m/s左右，過魚池中部中速通道的下方流速在0.6m/s左右。通過以上結(jié)論可知高速通道的過魚孔流速偏大，已超出主要過魚對象及我國魚類的極限流速，中速通道的流速反而低于低速通道流速值。

圖4 初步方案魚道局部模型過流流態(tài)

圖5 初步方案魚道典型區(qū)段表層流速分布

針對初步方案中出現(xiàn)各通道流速普遍過大問題，經(jīng)過分析研究后，對主要影響流速因素的過魚池長度與蠻石斷面擺放形式進行了優(yōu)化，為達到不同流速通道要求，需要增設(shè)輔助蠻石，通過增加蠻石改變魚道的阻水程度，相應(yīng)改變過水斷面的粗糙度。通過不停地調(diào)整水位、糙率與流速三者關(guān)系，最終達到理想的過魚孔流速效率

優(yōu)化調(diào)整后的最終方案槽身長度由7m調(diào)整至6m，過魚斷面按3區(qū)3通道設(shè)置，高中低流速通道各一個，如圖6所示。不同區(qū)域不同通道形成不同流速，滿足不同魚類不同的習(xí)性要求。高速通道布置在左岸，寬0.5m，中速主通道布置在斷面中心處，寬0.8m，低速通道布置在右岸，是一個寬為0.5m的三角形過魚孔。在此基礎(chǔ)上，為達到梯級流速的過魚孔要求，在中速通道上游1.1m處以及高速通道下游1.10m處加設(shè)輔助蠻石，蠻石粒徑分別為0.8m和0.5m，各斷面蠻石的擺放形式相同，蠻石高度均保持1m以上。平面位置擺放如圖7所示。試驗結(jié)果表明：高速通道流速在1.0～1.2m/s，中速通道流速在0.7～1.0m/s，高速通道流速在0.4～0.7m/s，能夠形成不通的流速通道，滿足魚類洄游要求。

4 其他設(shè)施

為方便檢修，魚道進出口設(shè)檢修閘門?？紤]樞紐交通要求，在穿過堤防處設(shè)擋洪閘門，在閘頂布置交通橋。原樞紐已經(jīng)有水位監(jiān)控系統(tǒng)，本次不再額外設(shè)置，僅于進出口處布置攝像頭和計數(shù)器等觀測設(shè)備。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

南渡江引水工程已經(jīng)于2015年底開工建設(shè)，工程中除龍?zhí)了l樞紐補建生態(tài)魚道(簡稱龍?zhí)留~道)外，還建設(shè)有東山魚道，東山閘壩樞紐位于龍?zhí)了l上游42km處，兩樞紐魚道的布置設(shè)計基本相同。目前，東山魚道已建設(shè)完工，龍?zhí)留~道已完成初步設(shè)計：采用天然蠻石(粒徑約1.0m)將魚道沿程分隔成若干水池消減上下游水位差，形成魚類上洄游上行通道， 魚道總長度696m，底板縱坡1/97，魚道橫斷面寬度3m，魚道水池長度(控制斷面間距)6m，設(shè)計水深1.0m，魚道進口底板高程0.57m，魚道出口底板高程7.35m。

東山魚道的設(shè)計與建設(shè)經(jīng)驗證明，通過蠻石堆砌擺放形成多個過流區(qū)間，人造多級流速通道的生態(tài)魚道技術(shù)是行之有效的，該魚道為魚道專利技術(shù)的實踐首例，其先行建設(shè)為龍?zhí)留~道的布置設(shè)計提供了充足的實踐經(jīng)驗。數(shù)值模擬及物理模型試驗研究和驗證工作對魚道初始的整體布置及各設(shè)計參數(shù)進行了一系列的方案對比及優(yōu)化，為龍?zhí)留~道的布置設(shè)計提供了科學(xué)理論技術(shù)支撐。本次設(shè)計結(jié)合實際地形將專利技術(shù)過魚孔3區(qū)4通道優(yōu)化為3區(qū)3通道，槽身長度由專利推薦7m調(diào)整至6m，魚道投資也由東山魚道4.24萬元/m減少至龍?zhí)留~道3.31萬元/m，更具經(jīng)濟性。

圖6 最終方案過魚孔槽身典型橫斷面蠻石擺放示意圖

圖7 最終方案過魚孔蠻石擺放平面示意圖

5.2 建議

生態(tài)文明在新時代黨和國家的事業(yè)中處于戰(zhàn)略地位，水利行業(yè)也在積極踐行人與自然和諧共生理念，不斷強化水生態(tài)文明建設(shè)，生態(tài)魚道技術(shù)作為過魚建筑物的一種也得到了快速的發(fā)展，但目前水利行業(yè)魚道設(shè)計規(guī)范僅有設(shè)計導(dǎo)則可依，大量的建設(shè)經(jīng)驗尚未總結(jié)升華。南渡江引水工程計劃于2019年底完工，本工程兩個魚道的建成必能進一步提高相關(guān)從業(yè)人員魚道設(shè)計水平，并為同行業(yè)者提供參考與借鑒。筆者將繼續(xù)跟蹤后續(xù)設(shè)計、施工及管理運行等相關(guān)情況，以與同行共饗。