低水頭樞紐仿生態魚道水流條件研究

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）

近年來，在低水頭水利工程的過魚設施建設中，仿生態魚道［1］由于與天然河道較為相似和有較廣的過魚對象等優點，越來越被重視，成為低水頭水利工程過魚設施的發展方向之一。與其他類型的過魚設施相比，仿生態魚道不僅滿足了不同魚類的洄游需要，同時還增加了河道內魚類生境的數量與多樣性，在魚類資源的恢復中發揮了重要作用。實際監測結果表明，不僅游泳能力較強魚類可以利用其作為上溯繁殖的通道，一些游泳能力較弱的魚類也可以通過仿生態魚道順利上溯至上游。在仿生態魚道內發現多種不同發育階段的個體表明，仿生態魚道本身也成為了這些魚類棲息、生長的重要場所［2］；在條件允許時，采用仿生態的形式設計、修建魚道，不僅可以滿足魚類遷徙的需要，同時對于河道渠化較為嚴重的河流，能夠提供魚類棲息、繁衍的生境數量，對魚類資源保護的效果較好。

芬蘭修建的150 余座過魚設施中就有83%是采用仿生態魚道形式，相當一部分收到了良好的過魚效果。而韓國也計劃在4 條主要河流上建設33 條仿生態魚道，著名的巴西Itaipu 魚道及德國Harkortsee 水電站魚道，均為仿生態魚道典型成功案例。但國內仿生態魚道剛處于起步階段，王桂華［1］在總結我國魚道現狀基礎上提出了魚道的生態學發展方向。本文以松花江依蘭航電樞紐為依托，采用大比尺物理模型對低水頭樞紐仿生態魚道進行水力學試驗研究。

1 依蘭樞紐概況

依蘭航電樞紐位于松花江中游“三姓”淺灘下段，牡丹江與松花江干流匯合口上游，是松花江干流梯級渠化的第五個梯級，是一座以航運、發電為主，同時具有交通、水產養殖和旅游等綜合利用功能的低水頭航電樞紐工程，總裝機容量120 MW，渠化上游河道88 km，航道等級為Ⅲ級。樞紐總體布置方案從左到右依次為土壩、船閘、工程管理區、30 孔泄洪閘、河床式水電站、導流墩臺及魚道組成。

2 模型設計

2.1 模型設計［3］

目前，魚道的水工模型試驗一般分為整體模型和局部模型兩類［4］，鑒于仿生態魚道的復雜性，本研究采用整體物理模型，包括電站（兩臺機組）、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（表1），模型選擇正態，選取幾何比尺λL=λH＝20，可滿足試驗及數據采集要求。

表1 模型設計計算成果表Tab.1 Result of model design

魚道模型進、出口邊界條件由“依蘭航電樞紐1：100 物理模型”提供，模擬范圍上游至魚道出口以上約0.3 km，下游至魚道入口以下約0.8 km。

2.2 魚道設計流速

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［6］，這樣魚類才能夠通過過魚設施中的孔或縫。國外魚道的主要過魚對象一般為鮭魚（salmon）和鱒魚（trout）等具有較高經濟價值的洄游性魚類,這些魚類個體較大，克服流速的能力很強（一般2.0～3.0 m/s），對復雜流態的適應性也較好［7-10］。而實際調查顯示國內魚道的主要過魚對象一般為珍貴魚類、鯉科魚類和蝦蟹等幼苗，洄游性較差，因此國外魚道設計流速標準不適于國內魚道。根據中科院水工程生態研究所統計，國內河流中鯉科魚類持久游速一般小于1.0 m/s，克流流速一般在1.0～1.4 m/s（體長20～50 cm），臺灣省八寶圳試驗魚道研究站研究成果顯示，其本地魚類克流流速一般在1.0～1.5 m/s，因此，本次研究確定魚道內平均流速0.5～0.7 m/s，最大流速1～1.2 m/s。

3 設計方案

根據國外對仿生態魚道的研究，仿生態魚道存在著適應水位變動能力差及與集魚系統銜接較困難的缺點，因此本次研究通過在仿生態魚道與集魚系統間設置一段豎縫式結構型魚道解決以上問題。

3.1 工程布置

本次試驗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），整個魚道系統由魚道進口、集魚系統、結構型魚道段、過渡池、仿生態魚道段（圖2）、魚道出口及觀察室等附屬設施組成，其中結構型魚道段全長168 m，豎縫寬度0.6 m［11］，仿生態段全長786 m，石縫寬度1.0 m，魚道正常運行水位為2.5 m，設計最大克服樞紐上下游水頭差10 m。

3.2 試驗結果分析

（1）各級流量下仿生態段魚道內水深基本保持在2.5 m 左右，平均水面比降為0.81%，魚池內流速保持在0.4～0.6 m/s，縫隙處流速在0.9～1.2 m/s，滿足魚道設計流速要求。

（2）結構型魚道下段，出現局部壅水現象，魚池內水深超過3 m；結構型魚道上段，當樞紐上下游水位差大于8 m 時，平均水面比降2.3%，最大水面比降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，不能滿足過魚設施設計流速。

（3）仿生態段縫隙寬度1.0 m，結構型魚道段豎縫寬度0.6 m，導致兩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。

4 方案優化

4.1 優化方案1

根據設計方案試驗成果，優化方案1 主要做以下兩點修改：①根據仿生態段縫隙寬度，將結構型魚道段豎縫寬度增加至1 m；②考慮彎道阻力影響，將兩處90°彎道上游第一道隔板取消。修改后魚道內水力要素變化試驗，結果如下：

（1）修改后，樞紐上下游水位差10 m 時，過渡池附近水位較設計方案下降約0.6 m，但壅水現象仍存在。

（2）魚道進口段水流流急、比降大，局部最大水面比降達到4.1%，豎縫最大水流流速2.18 m/s，遠遠超過魚的克流流速。

（3）樞紐上下游水位差小于8 m 時，魚道內豎縫水流最大流速為0.86～1.26 m/s，兩豎縫之間魚池內水流流速為0.5～0.6 m/s，基本滿足過魚設施設計流速。

4.2 優化方案2

根據設計及優化方案1 試驗成果，優化方案2 主要修改如下：①針對魚道進口段比降大現象，將魚道進口高程降低0.5 m，魚道出口高程保持不變；②針對結構段魚道壅水現象，將結構段魚道長度延長至274 m，仿生態段魚道長度保持不變；③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0.30 m，高度為2.5 m。水力要素試驗結果如下：

（1）樞紐上下游水位差10 m 時，魚道進口段水流流急、比降大的情況有所改善，但流速仍無法滿足設計要求；

（2）結構型魚道池室長度4.8 m，底坡1/96，仿自然通道段池室長度6 m，底坡1/117.6，因此，相同豎縫寬度情況下過渡段仍存在壅水現象；

（3）仿生態段魚道內水深基本保持在2.5 m 左右，豎縫處最大流速小于1.2 m/s，滿足設計要求。

根據試驗成果，仿生態段水面比降及流速均滿足設計要求，但過渡至結構段時，由于池室長度、結構形式及魚道底坡不同，導致結構段魚道上游水位壅高，而魚道入口段局部比降過大，流速超過設計要求。

4.3 優化方案3

針對優化方案2 結構段壅水現象，優化方案3 主要修改如下：①將結構型魚道豎縫寬度由60 cm 增加至70 cm；②將結構型魚道休息池由隔10 個普通池一個改為隔6 個普通池一個；③考慮彎道阻力影響，去除過渡池下游兩連續彎道間豎縫。試驗結果如下：

（1）該方案情況下，過渡池附近壅水現象明顯改善，整治效果明顯；

（2）魚道主進魚口附近局部比降、最大流速均明顯減小，但當樞紐上下游水位差為10 m 時，最大流速仍無法滿足設計要求；

（3）當樞紐上下游水位差小于8.5 m 時，魚道內豎縫處最大流速均小于1.2 m/s，兩豎縫之間魚池內流速基本在0.5～0.6，滿足設計流速要求；

（4）當樞紐上下游水位差小于8.0 m 時，隨電站尾水位抬高，魚道主進魚口附近流速小于0.7 m/s，魚道輔助進魚口水深在0.55～1.6 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。

5 推薦方案

5.1 方案修改

分析優化方案試驗成果，適當增加結構型魚道段豎縫寬度，可以有效解決過渡段水位壅高問題，但優化方案3 情況下，過渡段仍存在壅水現象，從而導致魚道主進魚口附近局部最大流速超過設計要求，因此，推薦方案在優化方案3 基礎上將結構型魚道段豎縫寬度增加至75 cm。

5.2 試驗結果分析

（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，魚道主進魚口附近局部比降過大現象得到明顯改善，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）當樞紐上下游水位差小于7 m 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，滿足設計流速要求。

（3）當樞紐上下游水位差大于7 m 時，集魚系統及主進魚口為過魚通道。當樞紐上下游水位差小于7 m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。

6 結論

（1）魚道的進口能否為魚類較快發現和順利地進入，是魚道成敗的關鍵。魚道進口應選定在經常有水流下泄的地方，緊靠主流的兩側；合適的進口形態、底板高程可有效改善進魚口附近局部流態，提高進魚能力。

（2）魚類進入魚道后，需要在較短的距離內克服較大的水位差，其體力消耗必然較大，特別是魚道斷面較小，魚類可以選擇的溯游區域和途徑遠不如天然河道寬闊。據此，魚道水池的設計，既要有利于魚類的通行，又要減少魚類體力的消耗。影響魚道池室水流條件的因素有：魚道上下游總水位差和單個池室的平均水位差、魚道池室內的消能布置、魚道平均坡降、水池的容積和過魚孔孔寬與水池寬度的比例及魚道上下游水位的運行變幅和變化速率等。

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