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      金沙水電站過魚方案比選研究

      2022-03-21 12:32:34楊俊鋒張菡
      水利水電快報 2022年3期
      關鍵詞:魚道

      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)

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