依蘭航電樞紐豎縫式魚道優化研究

于廣年

（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）

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，而且對于其它生物也有積極的生態意義［3］。

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，以修建過魚設施最為常見。

1 模型設計及試驗控制條件

1.1 模型設計

魚道整體模型包括整個電站、魚道集魚系統、魚道進口、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0.45m，對應模型最小豎縫寬度2.25cm，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：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0.5～0.7m／s，過魚設施內最大設計流速1～1.2m／s［6］。

（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750m3／s，當來水量Q松＞7500m3／s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

2.1 工程布置［4］

依蘭航電樞紐豎縫式魚道系統主要由魚道進口、集魚系統、主體槽身、魚道出口以及觀察室等附屬設施組成。魚道布置在電站右側的右岸上，魚道繞廠前區轉折一次后延伸至上游 （圖1）。

圖1 魚道設計方案布置圖

圖2 魚池室結構平面布置

2.2 試驗結果

（1）魚道進口段水流流急、比降大，上游來水量小于1665m3／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）魚道平面設計兩個直角彎道，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大多為0.8～1.0m／s，兩豎縫之間魚池內水流流速為0.5～0.6m／s，魚道泄流量約為1.06m3／s；滿足過魚設施設計流速的流量為1665～2220m3／s。

3 修改方案

3.1 修改方案1

根據設計方案試驗成果，設計方案沒有考慮彎道阻力影響，加大了魚道進口段水面比降，經計算彎道阻力影響同一道豎縫的阻力相近，故將彎道上游第一道豎縫取消，研究修改后魚道內水力因素變化，結果如下。

（1）彎道引起的上游壅水基本消失，魚道進口段水流條件有所改善。

（2）魚道進口段水流仍存在流急、比降大的問題，上游來水量小于1665m3／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。

（3）各級流量下魚道豎縫最大水流流速大多為0.8～1.0m／s，兩豎縫之間魚池內水流流速為0.5～0.6m／s，魚道泄流量約為1.06m3／s；滿足過魚設施設計流速的流量為1665～2220m3／s。

3.2 修改方案2

根據設計及修改方案1試驗成果，豎縫設計有效寬度為0.45m，而魚道進口寬度為1m，由于過水寬度不同，使得魚道豎縫與進口段內水流擴散，引起該段流急、比降大。將魚道進口改為不同寬度矩形，魚道進口水位91.0m以下，進口寬度改為0.5m，91.0m以上魚道進口寬度仍為1.0m，進行修改后魚道內水力因素變化試驗，結果如下。

（1）魚道進口段水流仍存在流急、比降大的問題，魚道進口段水流條件有所改善，上游來水量小于1665m3／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）各級流量下魚道豎縫最大水流流速大多為0.8～1.0m／s，兩豎縫之間魚池內水流流速為0.5～0.6m／s，魚道泄流量約為1.06m3／s；滿足過魚設施設計流速的流量為1665～2220m3／s。

4 優化方案

4.1 方案修改

依據修改方案試驗結果，優化方案主要改變為：①魚道主進魚口高度由3.0m改為5.0m；②尾水渠邊墻高程由92.0m改為93.50m；③魚道底板高程由89.0m改為88.50m；④在主進魚口下游彎道休息池處，設置輔助進魚口，輔助進魚口寬度為0.30m，底板高程為91.0m，高度為2.5m。

4.2 試驗結果

（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Q松≤1943m3／s時，魚道內豎縫處最大水流流速在0.6～1.2m／s之間，兩豎縫間魚池內流速基本在0.5～0.6m／s之間，滿足設計過魚流速要求；

（3）當依蘭斷面流量Q松＞1943m3／s時，輔助進魚口開啟情況下，主、輔進魚口之間流速小于0.5m／s，但輔助進魚口水深在0.8～1.5m 之間，水流流速在0.65～1.0m／s之間，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0.6～0.7m／s之間，亦滿足設計要求。

（4）當Q松≤1943m3／s時，集魚系統及主進魚口為過魚通道。當Q松＞1943m3／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。

5 結論

（1）設計方案情況下，上游來水量小于1665m3／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要求。

（2）優化后，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1.19m／s，兩豎縫間池室內水流流速基本保持在0.5～0.7m／s之間，休息池內水流流速基本在0.2～0.5m／s之間，水流條件滿足過魚設施設計流速要求。當Q松≤1943m3／s時，集魚系統及主進魚口為過魚通道；當Q松＞1943m3／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。

1 于廣年，王義安 .松花江干流依蘭航電樞紐工程過魚設施整體物理模型試驗研究 ［R］.天津：交通部天津水運工程科學研究所，2010

2 Bell M C.Fisheries Handbook of Engineering Requirements and Biological Criteria ［M］.Fisheries Engineering Research program.Corps of Engineers.1973

3 王桂華，夏自強，吳瑤，蔡玉鵬 .魚道規劃設計與建設的生態學方法研究 ［J］.水利與建筑工程學報，2007（12）：7－12

4 戚印鑫，孫娟，邱秀云 .水利樞紐中的魚道設計及試驗研究 ［J］.水利與建筑工程學報，2009（9）：55－58

5 Guiny E，Ervine A，Armstrong J D.Hydraulic and biological aspects of fish passes for Atlantic salmon ［J］.Journal of Hydraulic Engineering，ASCE，2005，131 （7）：542～553

6 王翔，鄭金秀等 .松花江干流依蘭航電樞紐工程過魚設施方案研究 ［R］.武漢：水利部／中國科學院水工程生態研究所，2009