淺談南渡江龍塘水閘樞紐補建生態魚道設計

楊秀榮，易 靈

(中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣東 廣州 510610)

1 我國魚道建設概況

與國外相比，我國魚道建設及研究工作起步較晚。自20世紀50年代至今六十年間的建設歷程可以分為快速發展、基本停滯、再發展三個階段。。1960年，我國成功于興凱湖建設了第一座魚道，該魚道全長70m，建成后運行良好，后于洪水時損毀，1974年，原水電部和原農林部聯合召開了“水利工程過魚設施經驗交流會議”，會議極大地推動了魚道的建設研究工作。在此期間，斗龍港、太平閘、瀏河及洋塘等魚道相繼建成，魚道建設研究工作蓬勃發展，二十年間共建過魚設施40座左右。從20世紀80年代初長江葛洲壩水利樞紐建設時采用了增值放流方案而非魚道等過魚設施建設方案開始，其后二十年間國內除綏芬河上增設一座魚道外幾乎未再新建過魚設施，一些已建設施也基本多因失修而難以發揮功用。步入21世紀后，水利設施建設再次進入高峰期，生態文明理念逐步發展，魚道建設研究熱潮重啟，水利部于2013年發布了SL609—2013《魚道設計導則》。據不完全統計，這二十年來新建魚道超過40座。近年來筆者也參與了江西省石虎塘航電樞紐及新干航電樞紐等數座魚道設計、建設及研究工作。

南渡江為海南島上三大河流之一，其干流從上游至下游已建有松濤水庫、九龍灘電站及龍塘水閘等大型水利樞紐工程。根據中水珠江規劃勘測設計有限公司(以下簡稱珠江設計公司)編制的《南渡江引水工程初步設計報告》，海口市計劃于南渡江下游東山鎮處建設東山閘壩樞紐工程，截至日前，該樞紐已基本完工，設有生態魚道一座(以下簡稱東山魚道)。

2015年7月，原環境保護部于文獻中要求補建龍塘水閘樞紐魚道，加強水生生態系統的保護，補建魚道增加的投資計入南渡江引水工程。

2 基礎資料

設計前，收集并整理了龍塘水閘上下游河段漁情資料、龍塘水閘原設計文件、竣工文件及運行記錄等資料，為龍塘水閘補建魚道的設計提供了詳實完整的基礎資料。

2.1 龍塘水閘概況

龍塘水閘樞紐工程位于海南省海口市瓊山區龍塘鎮下游約0.7km處，是一座集灌溉、供水、發電及防洪等綜合效益為一體的大型水利樞紐工程。壩址以上游流域面積6841km2，龍塘站年平均流量167m3/s。

水閘樞紐于1970年動工興建，包括左右岸泄洪沖砂閘及引水閘、溢流壩、左右岸副壩、左岸船閘。左岸建有自來水廠取水口一個，取水規模36萬m3/d，并建有一座裝機容量1125kW壩后式水電站；右岸建有一座裝機容量5000 kW壩后式水電站，并有進水渠引水灌溉本工程灌區，設計灌溉面積8萬畝，其樞紐總布置如圖1所示。

水閘樞紐完工于1971年，擋水高度6.8m，屬低水頭水工建筑物，未設置過魚設施，魚類可通過泄水閘及溢流壩等下行，但洄游上行通道被堵死。

2.2 漁情資料

擬建魚道上下游河段漁情資料準確性關系著魚道設計的成敗，本次魚道設計所用資料主要取自于當地漁業部門資料、龍塘水閘運行記錄并咨詢漁業相關專家，包括主要過魚對象與主要過魚季節。

龍塘水閘位于南渡江下游，距南渡江河口約26km處，根據漁業部門資料并結合該段河道漁情，本次魚道設計考慮主要過魚對象為日本鰻鱺、花鰻鱺、七絲鱭及四大家魚(鰱、鳙、青、草)。南渡江魚類繁殖盛期主要集中在4～8月，該段時間為魚類溯江上行的時段，亦是本次魚道設計考慮的主要過魚季節。

龍塘水閘在過魚季節時上下游水位即為魚道的設計運行水位。根據水閘運行記錄，過魚季節時樞紐下游最低水位為1.57 m，上游為正常蓄水位8.375m，最大水位差達6.805m。

3 魚道設計

根據筆者理解，魚道設計同其他水工建筑物設計流程相同，即先根據類似工程經驗結合擬建建筑物所在位置的自然地理條件進行數個方案的初步布置。后對其進行方案比選、模型實驗及結構核算等，定性分析與定量分析相結合。

魚道設計中如魚道選型，若有生態景觀要求可直接確定其結構形式為仿生態式，魚道設計流速可根據主要過魚對象習性并查詢資料初步確定，有誘魚要求的進魚口往往布置在電站尾水渠的出口，而出魚口需要布置在遠離溢流設施等的水流平順之處。

3.1 魚道選型與布置

3.1.1魚道選型

按結構型式進行分類，魚道可分為仿生態式、隔板式及槽式等。本工程待建魚道水位落差為6.8m，屬于低水頭魚道工程，適合修建隔板式和仿生態式魚道。兩種魚道整體布置基本相同，均由進魚口、出魚口及斜坡段槽身組成，均能滿足過魚要求。仿自然魚道占地稍多但更接近天然河道，適應魚類范圍廣，更能滿足生物多樣性要求，橫隔板式魚道為純混凝土結構，造型較為生硬，魚類也更難適應。本次設計在綜合考慮征地、造價及生態景觀要求等因素后選用仿生態式魚道方案。

3.1.2魚道布置

當過魚季節到來時，過魚對象能順利進入上游安全水域的布置即為合適的魚道布置方案，同時應兼顧考慮后期運行維護。龍塘水閘左岸為南渡江堤防及龍塘鎮大力村所在，無布置魚道的場地，因此將其置于水閘右岸，具體布置如圖1所示。

3.2 魚道進出口

3.2.1魚道進口

魚道進口常兼有誘魚功能。同筆者所設計的石虎塘航電樞紐類似，龍塘水閘未設置生態放水口，除去流過溢流壩壩面的水流外，唯一動水是電站尾水渠處的下泄水流，因此，結合石虎塘航電樞紐魚道經驗，將進口布置在電站尾水渠處，吸引魚類靠近進而游入進魚口。

圖1 龍塘水閘樞紐工程總布置圖

魚道進口水深在主要過魚季節不宜小于1.0m。結合建筑物結構布置需要，進魚口底板設計高程確定為0.57m，以保證在水閘下游最低水位1.57 m時仍有1m淹沒水深。

3.2.2魚道出口

本工程魚道出口上游水位變幅較小，多為正常蓄水水位8.375m，采用單個出魚口即可滿足出魚需求。將其布置于遠離溢流壩、泄洪沖砂閘、水廠取水口等水流變動劇烈的群英閘上游60m處，該處流速較小，便于魚類繼續上溯至上游水體內，出魚口底板設計高程為7.35m，保證有1m淹沒水深。

3.3 魚道槽身設計

3.3.1魚道設計流速

幼鰻喜愛的流速為0.18～0.25m/s，體長0.3m以上的鯉科魚類喜愛的流速為1.0～1.20m/s。本次魚道設計流速選用較大范圍的0.18～1.20m/s，以適應主要過魚對象的游泳特性。

3.3.2槽身底坡和橫斷面尺寸

魚道槽身底坡越緩，截面越大，魚道流速就越小，越有利于魚的中間休息，但成本也就越高。仿生態式魚道實為渠道，根據過魚孔設計流速要求、進出口位置選擇及魚道周邊的地形條件，確定魚道槽身底坡為1∶97，槽身橫斷面采用等邊梯形，底坡寬3.0m，上接1∶2斜坡至兩側地面，底部采用格賓網石籠，厚度0.5m，并鋪設0.2m厚砂卵石摻耕植土層，最后在面上噴灑高性能生態基材，利于水生植物生長，兩邊坡設置0.2m耕植土層，同樣噴灑高性能生態基材，具體如圖6所示。

3.3.3魚道水池凈深

其它影響因素相同時，魚道水池越深，可過魚的橫截面槽身就越大，魚道的工程造價也將增加，過深的魚道還往往難以實現自然采光，需要人工模擬自然光。對于有發電效益的龍塘水閘樞紐，還需考慮設計水池深度的增加將增大魚道的流量，水能白白浪費，所以應盡量減小魚道流量，本次設計水池凈深僅考慮最小淹沒深度，取1.0m。

3.3.4魚道每級水池長

水池凈長越長，水池內平均流速就越小，越利于魚類中間休息，但魚道總長度就越長，魚道工程造價也就越高。根據已建工程經驗，結合文獻魚類游泳能力研究成果，本次設計水池長取6.0m，不額外設置休息池。

3.4 魚道過魚孔設計與研究

過魚孔設計是形成供不同魚類所需不同流速區間的關鍵，關系著魚道設計的成敗，本工程所需流速區間范圍大，是設計難點所在。本次過魚孔設計參照珠江水利委員會珠江水利科學研究院與珠江設計公司所共有的《具有多級流速通道的生態魚道》專利技術(以下簡稱魚道專利技術)。

3.4.1初步方案

主斷面蠻石初步按3區4通道布置，高流速通道兩個，中低流速通道各一個，具體如圖2—3所示，通過不同區域不同通道形成不同流速，滿足不同魚類不同習性要求，如鰻鱺這類邊緣導向性且游泳能力較差的魚類可沿低速通道上溯。

3.4.2數值模擬及物理模型試驗

為驗證初步方案的合理性，隨后進行了數值模擬及物理模型試驗。其主要目的：揭示魚道出口水動力條件，分析一定范圍上下游區域流速分布；探討魚道過魚孔斷面設計合理性，分析該方案下的流速、流態是否符合目標魚類的洄游需求，并提出存在的問題及優化措施，為后續的設計提供科學依據。本節主要論述魚道過魚孔斷面設計部分，其余不贅敘。

圖2 過魚孔典型槽身斷面橫剖圖

圖3 過魚孔蠻石擺放平面示意圖

初步方案的實物流態如圖4所示，根據數模與物模試驗的對比分析，初步方案3區4通道過魚孔流速未能達到預期目標。具體如下：魚道典型段的過魚池表層流速如圖5所示，即主要蠻石斷面上左岸三角形高速通道的流速在1.8m/s左右，右岸三角形高速通道的流速在1.65m/s左右，中速通道的流速在0.9m/s左右，低速通道流速在1.0m/s左右，過魚池中部中速通道的下方流速在0.6m/s左右。通過以上結論可知高速通道的過魚孔流速偏大，已超出主要過魚對象及我國魚類的極限流速，中速通道的流速反而低于低速通道流速值。

圖4 初步方案魚道局部模型過流流態

圖5 初步方案魚道典型區段表層流速分布

針對初步方案中出現各通道流速普遍過大問題，經過分析研究后，對主要影響流速因素的過魚池長度與蠻石斷面擺放形式進行了優化，為達到不同流速通道要求，需要增設輔助蠻石，通過增加蠻石改變魚道的阻水程度，相應改變過水斷面的粗糙度。通過不停地調整水位、糙率與流速三者關系，最終達到理想的過魚孔流速效率

優化調整后的最終方案槽身長度由7m調整至6m，過魚斷面按3區3通道設置，高中低流速通道各一個，如圖6所示。不同區域不同通道形成不同流速，滿足不同魚類不同的習性要求。高速通道布置在左岸，寬0.5m，中速主通道布置在斷面中心處，寬0.8m，低速通道布置在右岸，是一個寬為0.5m的三角形過魚孔。在此基礎上，為達到梯級流速的過魚孔要求，在中速通道上游1.1m處以及高速通道下游1.10m處加設輔助蠻石，蠻石粒徑分別為0.8m和0.5m，各斷面蠻石的擺放形式相同，蠻石高度均保持1m以上。平面位置擺放如圖7所示。試驗結果表明：高速通道流速在1.0～1.2m/s，中速通道流速在0.7～1.0m/s，高速通道流速在0.4～0.7m/s，能夠形成不通的流速通道，滿足魚類洄游要求。

4 其他設施

為方便檢修，魚道進出口設檢修閘門。考慮樞紐交通要求，在穿過堤防處設擋洪閘門，在閘頂布置交通橋。原樞紐已經有水位監控系統，本次不再額外設置，僅于進出口處布置攝像頭和計數器等觀測設備。

5 結論及建議

5.1 結論

南渡江引水工程已經于2015年底開工建設，工程中除龍塘水閘樞紐補建生態魚道(簡稱龍塘魚道)外，還建設有東山魚道，東山閘壩樞紐位于龍塘水閘上游42km處，兩樞紐魚道的布置設計基本相同。目前，東山魚道已建設完工，龍塘魚道已完成初步設計：采用天然蠻石(粒徑約1.0m)將魚道沿程分隔成若干水池消減上下游水位差，形成魚類上洄游上行通道， 魚道總長度696m，底板縱坡1/97，魚道橫斷面寬度3m，魚道水池長度(控制斷面間距)6m，設計水深1.0m，魚道進口底板高程0.57m，魚道出口底板高程7.35m。

東山魚道的設計與建設經驗證明，通過蠻石堆砌擺放形成多個過流區間，人造多級流速通道的生態魚道技術是行之有效的，該魚道為魚道專利技術的實踐首例，其先行建設為龍塘魚道的布置設計提供了充足的實踐經驗。數值模擬及物理模型試驗研究和驗證工作對魚道初始的整體布置及各設計參數進行了一系列的方案對比及優化，為龍塘魚道的布置設計提供了科學理論技術支撐。本次設計結合實際地形將專利技術過魚孔3區4通道優化為3區3通道，槽身長度由專利推薦7m調整至6m，魚道投資也由東山魚道4.24萬元/m減少至龍塘魚道3.31萬元/m，更具經濟性。

圖6 最終方案過魚孔槽身典型橫斷面蠻石擺放示意圖

圖7 最終方案過魚孔蠻石擺放平面示意圖

5.2 建議

生態文明在新時代黨和國家的事業中處于戰略地位，水利行業也在積極踐行人與自然和諧共生理念，不斷強化水生態文明建設，生態魚道技術作為過魚建筑物的一種也得到了快速的發展，但目前水利行業魚道設計規范僅有設計導則可依，大量的建設經驗尚未總結升華。南渡江引水工程計劃于2019年底完工，本工程兩個魚道的建成必能進一步提高相關從業人員魚道設計水平，并為同行業者提供參考與借鑒。筆者將繼續跟蹤后續設計、施工及管理運行等相關情況，以與同行共饗。