依蘭航電樞紐過魚設施水流條件研究

于廣年，王義安

（交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456）

依蘭航電樞紐過魚設施水流條件研究

于廣年，王義安

（交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456）

采用正態1：20整體物理模型，對豎縫式魚道及仿自然通道2種魚道型式進行水力學試驗研究。重點研究了不同流量下，魚道內沿程水位、比降及流速等水力要素變化。進而優化了魚道主、輔進魚口結構形式，以及魚道平面布置、魚道長度、底坡、豎縫寬度及池室個數。通過對魚道總體布置、池室結構、魚道泄流量、沿程水位及比降變化、沿程水流流速變化，以及魚道施工與運行維護等多方面綜合比選，提出了適宜依蘭航電樞紐的魚道優化方案。

魚道；物理模型；豎縫式魚道；仿自然通道魚道

Biography：YU Guang-nian（1979－），male，associate professor.

天然河流上修建永久性攔河建筑物后，使原來連續的河流生態系統被分隔成不連續的環境單元，對魚類造成的最直接的不利影響就是阻隔了洄游通道。這對完成生活史過程中需要進行大范圍遷移的洄游性和半洄游性種類往往是毀滅性的，它們不能到達原來的繁殖場、索餌場或越冬場去完成生活史，其資源量會受到嚴重影響；對在局部水域內能完成生活史的種類則可能影響不同水域群體之間的遺傳交流，導致種群整體遺傳多樣性下降，魚類的品質退化，對于一些珍稀瀕危的魚類則可能面臨絕跡的風險。過魚設施使上下游的洄游通道得以恢復，不僅增加了魚類過壩完成洄游，以及生活史的可能性，而且對于其他生物也有積極的生態意義［1］。目前針對水利樞紐工程對魚類造成不利影響所采取的保護措施，一般包括修建過魚設施、開展人工增殖放流、施行水庫生態調度和建立魚類保護區等。其中，以修建過魚設施［2］最為常見。

1 模型設計及試驗控制條件

1.1 模型設計［3-4］

魚道整體模型包括整個電站、魚道集魚系統、魚道進口［5］、主體以及出口部分，根據模型設計計算結果，模型選擇正態，魚道的整體模型選取幾何比尺λL=λH＝20，模型可不分整體和局部，豎縫式魚道最小豎縫的寬度0.45 m，對應模型最小豎縫寬度2.25 cm，可滿足試驗及數據采集要求。

1.2 試驗控制條件

（1）魚道內設計流速［6］：過魚設施內流速小于魚類的巡游速度，這樣魚類可以保持在過魚設施中前進；過魚斷面流速小于魚類的突進速度，這樣魚類才能夠通過過魚設施中的孔或縫，同時要參考天然河道的流速而確定過魚設施設計流速。初步設計過魚設施內平均流速0.5～0.7 m/s，最大設計流速1～1.2 m/s。

（2）試驗控制條件：現狀過魚保證率95%條件下，依蘭樞紐最小過魚流量為750 m3/s，當來水量Qs＞7 500 m3/s（Qs為牡丹江匯入前流量，Qy為匯入后流量）時，電站停機、泄水閘泄洪，洄游魚類由泄水閘通過。

2 設計方案研究

2.1 豎縫式魚道［7］整體物理模型設計方案

2.1.1 平面布置

本方案由魚道進口、集魚系統、主體槽身、魚道出口以及觀察室等附屬設施組成（圖1）。

2.1.2 方案評價

（1）魚道進口段水流流急、比降大，上游來水量小于1 665 m3/s時，魚道內豎縫最大水流流速超過魚的克流流速，不能滿足過魚設施設計流速。

（2）魚道平面設計2個直角彎道，在彎道上游形成壅水，進一步加大魚道進口段水面比降。

（3）各級流量下魚道豎縫最大水流流速多為0.8～1.0 m/s，兩豎縫之間魚池內水流流速為0.5～0.6 m/s，魚道泄流量約為1.06 m3/s；滿足過魚設施設計流速的流量為 1 665～2 220 m3/s。

圖1 豎縫式魚道設計方案布置圖Fig.1 Design layout of vertical-slot fishway

2.2 仿自然通道魚道整體物理模型設計方案

2.2.1 平面布置

本方案主要由集魚系統、主進口、魚道段、過渡池、仿自然通道段、出口、觀察室及附屬設施組成（圖2）。

2.2.2 方案評價

（1）魚道進口段水流流急比降大，最大局部水面比降達到6.3%，豎縫處最大水流流速超過2.2 m/s，遠遠超過魚的克流流速，不能滿足設計要求。

（2）仿自然通道段豎縫寬度1 m，結構型魚道段豎縫寬度0.6 m，導致2種結構形式連接處壅水現象明顯，進一步加大了魚道進口段水面比降。

圖2 仿自然通道魚道設計方案布置圖Fig.2 Design layout of natural imitated fishway

3 優化方案研究

3.1 豎縫式魚道整體物理模型優化方案

3.1.1 平面布置

與豎縫式魚道設計方案相比，主要改變為：主進魚口寬度由1.0 m改為0.50 m；尾水渠邊墻高程由92.0 m改為93.50 m；魚道底板高程由89.0 m改為88.50 m；主進魚口高度由3.0 m改為5.0 m。

3.1.2 方案評價

（1）各級流量下，魚道內沿程水面比降較均勻，無明顯跌水現象；

（2）優化后，上游來流量Qs≤1 943 m3/s時，魚道內豎縫處最大水流流速在0.6～1.2 m/s，兩豎縫間魚池內流速基本在0.5～0.6 m/s，滿足設計過魚流速要求；

（3）當依蘭斷面流量Qs＞1 943 m3/s時，輔助進魚口開啟情況下，主、輔進魚口之間流速小于0.5 m/s，但輔助進魚口水深在0.8～1.5 m，水流流速在0.65～1.0 m/s，大部分魚類可經由該進魚口進入魚道；若考慮集魚系統進魚，將輔助進魚口關閉時，主、輔進魚口之間流速增加至0.6～0.7 m/s，亦滿足設計要求。

3.2 仿自然通道式魚道整體物理模型優化方案

3.2.1 平面布置

與仿自然通道式魚道設計方案相比，主要改變為：魚道段進口高程由89.0 m改為88.5 m，魚道段池室數量N=H/Δh=（90.55-88.5）/0.05≈41；結構型魚道段與仿自然通道魚道段交接處增加一20 m×11 m方形過渡池；將結構型魚道段豎縫寬度增加至75 cm。

3.2.2 方案評價

（1）結構型魚道豎縫寬度增加至75 cm后，過渡池附近壅水現象基本消失，枯水流量下魚道主進魚口附近局部比降過大現象得到明顯改善，當依蘭斷面流量Qy≤2 350 m3/s時，豎縫最大水流流速在0.8～1.2 m/s，兩豎縫之間魚池內水流流速為0.5～0.6 m/s，滿足過魚設施設計流速要求；

（2）當依蘭斷面流量Qy＞2 350 m3/s時，輔助進魚口開啟情況下，主、輔進魚口之間流速小于0.5 m/s，無法滿足設計平均流速要求，但輔助進魚口水深超過1 m，水流流速在0.5～1.0 m/s，大部分魚類可經由該進魚口進入魚道；當輔助進魚口關閉時，主、輔進魚口之間流速增加至0.5～0.7 m/s，滿足設計要求。

4 優化方案對比

4.1 魚道泄流量比較

豎縫式魚道泄流量約為1.06 m3/s，而仿自然通道魚道泄流量約為1.5 m3/s。從水資源綜合利用而言，豎縫式魚道需水量優于仿自然通道魚道。

4.2 沿程水位變化比較

通過對2種過魚設施試驗研究表明，魚道內水力要素變化較大段位于魚道進口段（進口以上約400 m范圍內），該段水力要素能否滿足要求，是魚道能否成功的關鍵所在。

豎縫式魚道過魚期內，當輔助進魚口開啟時，流量Qs=1 665～1 943 m3/s時，魚道內水深為2.43～2.53 m，水面比降約為1.1%，為最佳過魚時段；隨來水量增減或下游水位增減，進口段最大水面比降在0.24%～1.78%之間變化，變化范圍約為魚道進口以上300 m，而輔助進魚口關閉時，變化范圍約為魚道進口以上400 m。水深增加最大位置出現在輔助進魚口附近，水深增加0.2 m左右，主、輔進魚口之間比降增加約0.3%。

仿自然通道魚道過魚期內，當輔助進魚口開啟時，流量Qs=1 665～1 943 m3/s時，魚道內水深為2.42～2.53 m，水面比降為0.6%～0.72%，為最佳過魚時段；隨來水量增減或下游水位增減，進口段最大水面比降在0.17%～1.39%之間變化，魚道內水面比降變化范圍為魚道進口至過渡休息池。當輔助進魚口關閉時，魚道內水面比降變化范圍約為魚道進口過渡休息池，水深增加最大位置出現在輔助進魚口附近，水深增加0.1～0.2 m，主、輔進魚口之間比降增加約0.1%～0.2%。

就推薦過魚設施沿程比降變化而言，仿自然通道魚道優于豎縫式魚道。

4.3 沿程流速變化比較

各級流量下，推薦過魚設施出口段最大流速見圖3，由圖3可以看出：

（1）隨著流量的增加，兩方案魚道內最大水流流速均呈減小趨勢；（2）豎縫式魚道最大水流流速變化范圍為0.97～1.19 m，各級流量下最大水流流速均滿足設計要求；（3）仿自然通道魚道最大水流流速變化范圍為1.02～1.18 m，各級流量下最大水流流速均滿足設計要求；（4）當上游來流量Qs≤1 388 m3/s時，兩方案魚道內最大流速相差不大，當上游來流量Qs＞1 388 m3/s時，仿自然通道方案最大流速略大于豎縫式方案。

就推薦過魚設施內最大流速而言，兩種魚道結構型式相當。

4.4 運行維護比較

豎縫式魚道建成后，試運行期相對較短，加強日常維護即可。而仿自然通道魚道試運行期相對較長，根據松花江來水、來沙特點，可能需要幾年調試期，使過魚期內沿程水面比降平順，相鄰池室流速變化不大，并需長期保持其空隙率不能有太大變化。因此，就魚道運行維護而言，豎縫式魚道施工與運行維護難度遠遠小于仿自然通道方案。

圖3 兩方案魚道內最大流速對比Fig.3 Comparison of maximum velocity in fishway between two schemes

5 結論

（1）豎縫式魚道優化方案，魚道內水深變化均勻，無明顯跌水及壅水現象，最大水面比降1.78%，出現在魚道主進魚口附近；豎縫處最大水流流速1.19 m/s，兩豎縫間池室內水流流速基本保持在0.5～0.7 m/s，休息池內水流流速基本在0.2～0.5 m/s。當Qs≤1 943 m3/s時，集魚系統及主進魚口為過魚通道；當Qs＞1 943 m3/s時，由輔助進魚口為進魚通道；或輔助進魚口關閉，可由集魚系統及主進魚口為進魚通道。

（2）仿自然通道魚道優化方案，魚道內水深變化均勻，無明顯跌水及壅水現象，最大水面比降1.39%，出現在魚道主進魚口附近；豎縫處最大水流流速1.18 m/s，普通池室內水流流速基本保持在0.5～0.7 m/s，休息池內水流流速基本在0.2～0.5 m/s。當Qs≤2 350 m3/s時，集魚系統及主進魚口為過魚通道；當Qs＞2 350 m3/s時，由輔助進魚口為進魚通道，或輔助進魚口關閉，可由集魚系統及主進魚口為進魚通道。

（3）豎縫式魚道總體布置、池室結構、魚道泄流量及魚道施工與運行維護等方面優于仿自然通道魚道方案，豎縫式魚道沿程水流流速變化與結合集魚系統仿自然通道相當，豎縫式魚道沿程水位及比降變化相對于仿自然通道方案略差。綜合考慮以上因素，以豎縫式魚道優化方案為推薦方案。

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Study on flow condition in fish-pass structures of Yilan navigation and hydropower project

YU Guang-nian，WANG Yi-an
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Engineering Sediment，Ministry of Transport，Tianjin300456，China）

The vertical-slot fishway and the natural imitated fishway were studied through hydraulics experiment by using the normal integral model with the scale of 1：20.The variation of hydraulic factors such as water level，gradient ratio and flow rate in the fishway with different flow conditions were mainly studied.Then the primary and secondary structure，length，bottom slope，slit width and pool room number of the fishway were optimized.The fishway optimization scheme for Yilan navigation-power junction project was proposed through comprehensive comparison of fishway general layout，pool room structure，discharge volume，water level，gradient ratio changes，flow velocity variation，fishway construction，operation and maintenance.

fishway；physical model；vertical-slot fishway；natural imitated fishway

TV 61；TV 131.61

A

1005-8443（2011）06-0423-04

2011-02-16；

2011-03-21

于廣年（1979-），男，山東省萊州市人，副研究員，主要從事港口航道及治河工程研究。