金沙水電站過魚方案比選研究

楊俊鋒 張菡

摘要：為了選擇金沙水電站適用的過魚設施，結合該水電站過魚要求和工程特點，對目前5種主要過魚設施：魚道、仿自然通道、升魚機、魚閘、集運魚系統(tǒng)的優(yōu)缺點進行了分析比較，最終確定選擇豎縫式魚道作為金沙水電站過魚設施。應用實踐表明：金沙水電站魚道過魚效果良好，魚類種類、數(shù)量滿足前期設計目標?？晒╊愃扑娬具^魚設施建設參考借鑒。

關鍵詞：過魚設施; 魚道; 魚類行為學; 過魚效果; 金沙水電站

中圖法分類號：TV653文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.019

文章編號：1006 - 0081（2022）03 - 0086 - 05

0 引 言

在河流中修建水利水電工程時，會阻斷洄游魚類通道、影響魚類資源、引發(fā)相關生態(tài)問題。為了減少水電工程對魚類資源的破壞，保護魚類生存環(huán)境，有必要修建魚道、魚閘和升魚機等過魚設施。

國外過魚設施建設起步較早。1662年法國首次提出采用建設人工通道的方式解決魚類洄游阻隔，即過魚設施雛形。1880年美國羅得島州帕塔克塞特（Pawtuxet）大壩建成了世界上第一座魚道。隨著大壩修建和水力發(fā)電的興起，魚道等上行過魚設施作為解決溯河洄游魚類上行的方案，得到了廣泛應用。然而，由于缺乏科學和工程技術標準，這一時期建設的魚道基本沒有過魚效果。隨著水力學及魚類生態(tài)、行為學在魚道設計研究中的應用，過魚設施的設計和建設日趨多樣化，技術型魚道（池堰式、豎縫式、仿自然魚道等）、魚閘（升魚機）和集運魚系統(tǒng)等相繼出現(xiàn)。20世紀60年代初期，美國和加拿大已建過魚設施200座以上，歐洲建設100 座以上，前蘇聯(lián)建設18座以上，過魚設施類型主要以魚道為主。至20世紀末，北美有魚道近400座，日本有1 400余座[1]。目前，巴西伊泰普水電站魚道爬升高度達120 m，屬全球最高;總長度達10 km，屬全球最長。

中國過魚設施建設起步時間較晚，1960年中國大陸第一座魚道建于黑龍江興凱湖附近。20世紀60～80年代，中國建成過魚設施40余座。80年代以來，隨著中國水利事業(yè)的繁榮發(fā)展，開始出現(xiàn)天然漁業(yè)資源退化的問題，一些水生物種甚至瀕臨滅絕。因此，對過魚設施建設重要性的認識不斷加深。進入21世紀，大批過魚設施已建成運行或在規(guī)劃建設中，包括白鶴灘水電站集運魚系統(tǒng)、烏東德水電站集運魚系統(tǒng)、北京上莊新閘魚道、西藏獅泉河魚道和曹娥江大閘魚道等[2]。

長江干流金沙江是長江流域魚類生長繁衍的重要基地。金沙水電站工程建設使魚類賴以生存的外部環(huán)境、水文條件等發(fā)生變化，魚類洄游、繁殖等活動被迫延遲或終止，魚類生存環(huán)境面臨重大威脅。為了保護金沙江豐富的魚類資源，保證河流生物多樣性，金沙水電站采取增殖放流與修建過魚設施相結合的方式對水生生態(tài)進行保護。本文對金沙水電站工程過魚設施進行了比選，確定魚道作為過魚設施方案。介紹了魚道設計要點，并根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測的過魚效果證明了魚道的有效性。

1 工程概況

金沙水電站位于長江金沙江干流（圖1），是金沙江中游十級水電樞紐規(guī)劃的第九級，上距觀音巖水電站壩址28.9 km，下距銀江水電站壩址21.3 km。金沙水電站壩址地處攀枝花市西區(qū)，所在河段河床狹窄。金沙水電站攔河建筑物采用重力壩，最大壩高66 m，壩頂高程1 027.00 m。水庫正常蓄水位1 022.00 m，死水位1 020.00 m，水庫總庫容為1.08億m3，調(diào)節(jié)庫容1 120.00萬m3。電站采用河床式，上游水位變幅2.0 m;下游發(fā)電最高水位1 003.43 m，最低水位995.35 m，下游水位變幅8.08 m;電站最大水頭差26.65 m。

金沙水電站優(yōu)先考慮的過魚對象包括：① 具有洄游及江湖洄游特性的魚類;② 受到保護的魚類;③ 珍稀、特有及土著、易危魚類;④ 具有經(jīng)濟價值的魚類;⑤ 其他具有遷徙特征的魚類。根據(jù)金沙江中下游魚類資源歷史資料，結合近年來該江段調(diào)查采集到的魚類及其分布特點，考慮《金沙江中游河段水電規(guī)劃環(huán)境影響評價及對策研究報告》和《金沙江觀音巖水電站水生生態(tài)影響評價專題報告》提出的保護對象，基于梯級電站建設后環(huán)境變化的影響，將胭脂魚、圓口銅魚、長薄鰍、長鰭吻鮈、巖原鯉、鱸鯉、四川白甲魚、泉水魚8種魚類作為主要過魚對象，裸體異鰾鰍鮀、短須裂腹魚、長絲裂腹魚、四川裂腹魚、白緣魚央、前臀鮡、細鱗裂腹魚、中華金沙鰍和硬刺松潘裸鯉等魚類作為兼顧過魚對象。金沙水電站主要過魚對象多數(shù)具有洄游習性，且以底層魚類比例最大。

2 過魚設施比選

2.1 過魚季節(jié)及運行水位

金沙水電站過魚對象集中在繁殖季節(jié)，每年從3月開始并延至6月，因此過魚設施的重點過魚季節(jié)為3～6月。根據(jù)金沙水電站運行調(diào)度方式，魚道上游最高運行水位采用水庫正常蓄水位1 022.00 m，最低運行水位采用水庫死水位1 020.00 m。下游最高運行水位為1 002.20 m，最低運行水位為995.50 m，過魚季節(jié)3～6月多年平均流量為511～3 140 m3/s。

金沙水電站魚道保護魚類多為底棲珍稀魚類，個體小于1 m。基于魚類行為生態(tài)學研究以及魚類游泳能力測試成果，金沙水電站魚道設計坡度為1/58、池寬3.0 m、池長3.6 m，采用同側導豎式隔板，豎縫寬度0.6 m、射流角初定為45°，豎縫孔口流速1.0～1.3 m/s ，以上參數(shù)和國內(nèi)已建且成功運行的魚道基本相近。

2.2 過魚設施優(yōu)缺點分析

目前，應用較多的過魚設施類型包括魚道、仿自然通道、升魚機、魚閘、集運魚系統(tǒng)等，主要原理和優(yōu)缺點分析見表1。

2.3 過魚設施選擇

首先，金沙水電站位于金沙江干流，對過魚設施的要求較高。為了最大限度地降低對魚類洄游的影響，宜選擇過魚效果好、過魚效率高的設施。由于該河段的過魚目標中底層魚類占比最大，過魚設施應適合底層魚類通過。升魚機、魚閘和集運魚設施存在過魚不連續(xù)、過魚效果不穩(wěn)定、不能大量過魚等缺點，且操作復雜、運行費用高，不適合金沙水電站過魚設施采用。

其次，金沙水電站壩址所在河段河床狹窄，采用仿自然魚道所需的水量和占地面積大，相應工程量也大，從地形地質(zhì)條件上不具備布置仿自然魚道的條件。同時，金沙水電站上游水位變幅2.00 m、下游水位變幅達8.08 m，仿自然魚道較難適應上下游水位變幅。另外，仿自然魚道雖然過魚效果較好，但設計難度較大，目前國內(nèi)成功范例較少，運行效果存在不確定性，后期需要進行長期維護和調(diào)整，技術支撐較為薄弱。

綜上分析，根據(jù)各類過魚建筑物特點，結合過魚對象的洄游習性、魚體大小以及技術條件，并參考國內(nèi)外已建工程經(jīng)驗，從持續(xù)過魚以及運行費用方面綜合考慮，金沙水電站過魚設施選擇采用魚道的結構型式。

3 魚道建設情況

金沙水電站魚道布置在廠房左岸，由進魚口、過魚池、出魚口、廠房集魚系統(tǒng)以及補水系統(tǒng)等組成，全長約1 486 m（圖2）。

魚道池室寬3.0 m，共設置383道隔板，形成69個過魚池和24個休息室。過魚池長3.5 m，底板坡度2%，休息室長7 m，底板坡度1%。魚道下游設置有3個進魚口，1，2，3號進魚口底板高程分別為994，996 m和999 m，其中1號和2號進魚口相毗鄰，最常用的2號進魚口與廠房集魚系統(tǒng)相連通（圖3）。

上游2個出魚口，底板高程分別為1 018.00 m和1 020.00 m，如圖4所示。

根據(jù)計算分析和模型試驗論證，最終采用豎縫式結構設計，魚道內(nèi)設計流速為0.6～1.1 m/s。魚道過魚池水流形態(tài)物理模型試驗結果及CFD數(shù)值模擬結果如圖5所示。

4 過魚效果分析

金沙水電站采用PIT芯片跟蹤試驗（圖6）、魚道堵截法采樣、魚道視頻的方式對魚道過魚種類、數(shù)量、規(guī)格等情況進行監(jiān)測，分析魚道實際過魚效果。

通過魚道堵截法采樣在魚道中捕捉到中華金沙鰍、麥穗魚、餐條、白甲魚、齊口裂腹魚等3科15種魚類（圖7），其中，麗魚科魚類1種，鰍科魚類6種，鯉科魚類8種。魚道發(fā)現(xiàn)重要過魚對象——白甲魚和裂腹魚。監(jiān)測結果表明：魚道對包括過魚對象在內(nèi)的多種魚類均具有吸引力，且魚類可以順利通過。

截至2021年6月，監(jiān)測數(shù)據(jù)和監(jiān)控視頻表明：魚道日均過魚數(shù)量為85尾，最大日過魚量達到153尾，并且過魚數(shù)量呈逐月上升趨勢，可見金沙水電站魚道過魚效率較高。從魚類的形態(tài)規(guī)格來看，體型最大的是一尾鯉魚，全長460 mm，體長390 mm，體重1 621.5 g;體型最小的是麥穗魚，全長40 mm，體長34 mm，體重0.5 g。魚道聚集的魚群中，數(shù)量占比較大的是中華金沙鰍、餐條和麥穗魚。由此可見，金沙水電站魚道對魚的大小規(guī)格并沒有嚴格限制，大多數(shù)魚的成年個體和小部分幼年個體均可以順利進入魚道。綜合以上分析，金沙水電站魚道過魚效果良好。

5 結 語

金沙水電站魚道是長江干流上第一座魚道。魚道運行監(jiān)測結果表明，魚道方案合理可行，且運行效果良好，適合大部分具有洄游習性的魚類。金沙水電站魚道的建成和運行，將對維護金沙江中游流域的生態(tài)連續(xù)性產(chǎn)生積極作用，還可為類似水電站過魚設施設計和建設提供參考。

參考文獻：

[1] 曹慶磊，楊文俊，周良景. 國內(nèi)外過魚設施研究綜述[J]. 長江科學院院報，2010，27（5）：39-43.

[2] 伍銘杰，諸 韜 . 國內(nèi)外魚道發(fā)展探析[J]. 東北水利水電，2018（9）：68-70.

[3] 艾克明. 魚道水力設計的基本要點與工程實例[J]. 水利科技與經(jīng)濟，2012，18（10）：82-85.

[4] 黃建清. 魚閘適應性探討[J]. 湖南交通科技，2014，40（1）：129-130.

（編輯：李 慧）