湘江長沙綜合樞紐工程魚道選型設計

劉新征

（湖南省水利水電勘測設計研究總院 長沙市 410007）

1 湘江長沙綜合樞紐工程概況

湘江長沙綜合樞紐工程是湘江干流航道發展規劃8個梯級自上而下的最后一個梯級水庫，其正常蓄水位58.0m，相應庫容1.97億m3，船閘設計通航船舶噸級2000t，電站裝機57MW。

湘江是長江洞庭湖水系中最大河流，湘江流域魚類資源豐富，已知的魚類155種（亞種），湘江是全國“四大家魚”重要產卵場之一，同時也是它們棲息和索餌的重要場所。湘江干流有8個梯級水庫瀟湘、浯溪、湘祁、近尾洲、大源渡、株洲、土谷塘樞紐、長沙樞紐，均為徑流式大壩，水頭多在10m左右，是進行梯級過魚設施建設的理想流域。

2 魚道設計概況

本工程魚道位于壩址右岸，魚道采用單側垂直豎縫式。魚道最大設計水位差9.30m，豎縫設計流速（0.8～1.0）m/s，魚道內平均設計流速（0.3～0.5）m/s。魚道全長1051.2m，魚道底坡選用均一底坡，坡度0.0088，池間落差0.051m。魚道寬4.0m，池室長4.8m，池室深3.5 m，豎縫寬度50cm。工程共設18個休息池，池長9.6 m。魚道進口設在電站右岸緊靠廠房處，共設3個進口。魚道出口設在岸邊距電站（50～100）m處。

3 重要特性選型

3.1 魚道設施類型選擇

過魚設施的形式多種多樣，目前國際上使用的類型主要有魚道、仿自然通道、升魚機、魚閘、集運魚設施等，這些形式都是為不同的工程、不同的過魚種類設計，具有不同的特點，附表是各種過魚設施的優缺點比較。

由于本工程最大水頭不足10m，屬于低水頭工程，同時，因樞紐電站位于壩址右岸，在電站右岸布置魚道，其進口傍岸，集誘魚效果較好，水位變化適應能力較強，且整個魚道都處于岸上，便于觀測和維修，所以工程選用電站右岸魚道方案。

3.2 魚道形式選擇

本工程下游水位變化在（20.40～25.85）m，變幅達5.45m，最適應該水位變化的魚道形式為垂直豎縫式。垂直豎縫式魚道中有許多不同的隔板設計樣式，如：單側豎縫式、異側豎縫式、雙側豎縫式等，不同樣式適用于不同的水力特點和不同的魚類對象。本工程由于過魚對象都是體型較小的魚類，游泳能力較差，對池室的休息條件有較高要求。單側豎縫式魚道結構簡單，水流相對穩定；池室內有一部分流速相對較緩的水域，有利于魚類在池室內休息，故選用單側垂直豎縫魚道。

附表 不同過魚設施優缺點比較

3.3 過魚對象選擇

空間遷徙受工程影響的所有魚類都應是魚道的過魚對象。本工程重點考慮工程河段受影響的江湖洄游及具有短距離遷移特征的的魚類，同時兼顧咸淡水洄游及其他魚類。根據魚類資源調查，本工程選擇青魚、草魚、鰱、鳙四大家魚為主要過魚對象，并兼顧鳊、銀鲴、團頭魴、三角魴、黃尾鲴、翹嘴鲌、南方鲇等其它魚類。

3.4 過魚季節選擇

本工程在枯水期和中水期電站發電，泄水閘關閉或部分開啟；洪水期左汊泄水閘全開，河流基本回復自然狀態，魚類可以自由通行。所以，本工程的過魚季節為湘江的枯水期和中水期，根據工程的調度運行方式即來水量<4000m3/s的時段。

4 魚道重要參數設計

4.1 魚道流速設計

魚道流速的設計原則是：魚道內流速應小于魚類的巡航速度，這樣魚類可以保持在魚道中前進；豎縫流速應小于魚類的突進速度，這樣魚類才能夠通過魚道中的孔或縫。

根據已有的研究成果，四大家魚性成熟時的體長一般>30cm，其極限速度約為1.0m/s，按照經驗公式，V=1.98×（0.3）1/2=1.08m/s，所以對于性成熟的四大家魚來說，豎縫流速取1.0m/s應可以滿足其要求。但因魚道也要兼顧其它游泳能力較弱的魚類和其它體型相對較小的魚類，同時為防止魚在魚道中產生過度疲勞，魚道豎縫流速取（0.8～1.0）m/s，魚道內平均流速（0.3～0.5）m/s。

4.2 魚道池室尺寸設計

（1）池室寬度。池室寬度B主要由過魚量和過魚對象個體大小決定的，過魚量越大，魚道寬度要求越大。國外魚道寬度多為（2～5）m，國內魚道寬度多為（2～4）m。由于湘江魚類種類和資源都較為豐富，為滿足過魚需要，本魚道寬度取4m。

（2）池室長度。池室長度L與水流的消能效果和魚類的休息條件關系密切。較長的池室，水流條件較好，休息水域較大，對于過魚有利。同時，過魚對象個體越大，池室長度也應越大。本工程設計取，L=（1.2～ 1.5）B，即（4.8～6.0）m，因此，本魚道池室長度取4.8m。

（3）豎縫設計。池室內的豎縫寬度b直接關系到魚道的消能效果和魚類的可通過性，一般要求豎縫式魚道的豎縫寬度b不小于過魚對象體長的1/2，國外同側豎縫式魚道寬度一般為池室寬度的1/8～1/10，而我國同側豎縫的寬度一般為池室寬度的1/5，為水池長度的1/5～1/6。據臺灣許銘熙教授對同側豎縫式魚道的數值模擬試驗表明，豎縫寬度b越小，低流速區所占的面積越大。所以本工程魚道豎縫寬度取60cm。

（4）池室深度。魚道水深h主要視過魚對象習性而定，底層魚和體型較大的成魚相應要求水深較深。國內外魚道深度一般為（1.0～3.0）m，本工程要兼顧表層魚類和底層魚類，所以魚道正常運行水位為3.0m，池室深度可取3.5m，防止魚道運行時因水流波動溢出。

（5）休息池。魚類上溯途中要設置一定的休息場所，方便魚類上溯過程中暫時休息，恢復體力。本工程休息室每隔10個池室設一個，共設18個休息池，休息池無底坡，其長度為一般池室的2倍長，長9.6m。

4.3 魚道進口

（1）進口位置。魚道進口一般選擇在經常有水流下泄的地方，緊靠在主流兩側，且能適應下游水位的漲落，保證在過魚季節中進魚口有一定的水深（1.0m以上）的地方。本工程魚道進口設在電站右岸緊靠廠房處，此處魚道進口緊靠尾水，可以借廠房尾水誘集魚類。

（2）進口高程。本工程下游運行水位上限為25.85 m，下限為21.90m，考慮河床沖刷，水位下降，最低壩下水位采用20.40m。為滿足這樣的水位變幅，避免魚道進口出現壅水或水面線突然下降，本魚道設3個魚道進口，高程分別為18.85m（滿足最低水位20.40m時魚道中有1.55m的運行水位）、20.85m，22.85m（滿足下游最高25.85m時魚道運行水位不超過3m）。

4.4 魚道出口

（1）出口位置。魚道出口應布置在距電站上游一定距離的地方，距離太近，上溯成功的魚類容易被發電泄水卷入水輪機，隨水流帶入壩下；距離太遠，魚類感受不到水流，容易迷失方向。本工程魚道出口設置在岸邊距電站（50～100）m處。

（2）出口高程。出口工程須適應上游水位的變化，保證在任何水位變化情況下，出口底部均不能露出，而且要有一定的水深，魚道出口底板要與河床平緩銜接。

本工程魚道出口高程26.7m，用閘門控制，連接至上游河道。閘門的啟閉均采用螺桿升降方式，并可實現自動與手動兩種控制，自動控制時采用電力驅動，通過水位控制開關、控制器、電動機來實現。在不同水位下調節閘門，控制下泄流量，以使在任何水位情況下，進入魚道最上一級泄水的流量均能保持大致不變，使魚道能連續運轉。

5 魚道運行建議

（1）開展過魚效果觀察和水力學監測，對魚道結構進行合理調整和改進。魚道結構參數主要是依據歷史經驗進行設計，因魚道內流態、魚類習性、實地水文情勢都很復雜，很難做到一次設計完全滿足所有魚類長期的過壩要求。因此在下階段應及時開展過魚效果觀察和水力學監測，根據研究結果對池室結構、魚道進出口等進行適當調整和完善。

（2）制定魚道運行操作規程。根據魚道的運行維護以及監測評價結果，結合本工程的運行方式，制定魚道的運行操作規程。并根據實際運行情況及時調整操作管理思路，修改完善操作規程和管理制度。

（3）開展湘江中下游各電站的生態聯合調度。建議在每年家魚繁殖季節的4月底到6月底，對湘江大源渡、株洲航電樞紐、土谷塘樞紐、到長沙綜合樞紐的大壩實行統一調度，統一開閘下泄，基本恢復湘江自然狀態，修復從張家鋪至香爐山江段的“四大家魚”產卵場，為家魚的產卵繁殖和魚苗孵化創造適宜的環境水文條件。

[1]王興勇，郭軍.國內外魚道研究與建設[J].中國水利水電科學研究院學報，2005，3（3）.

[2]湖南省交通規劃勘察設計院，湖南省水利水電勘測設計研究總院.湘江長沙綜合樞紐工程可行性研究報告[R].2005.

[3]湖南省環境保護科學研究院.湘江長沙綜合樞紐工程環境影響報告書[R].2008.