雅礱江兩河口水電站過魚工程集魚地點選擇研究

陳 明 曦， 許 莉 萍， 吳 迪， 郎 建， 呂 海 艷

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司， 四川 成都 610072)

0 引 言

隨著國家西部大開發的不斷推進，大量水電工程的興建對西部地區的經濟與社會發展起到了巨大的推動作用，但引起的生態問題也日益突出[1]。水電工程攔河筑壩，對魚類最直接的影響為阻隔效應。工程建成后由于大壩的阻隔，連通的河流生境被分割成不同的片段，魚類生境的片段化和破碎化導致大小不同的異質種群形成，種群間基因不能交流。種群數量較大的魚類，群體間將出現遺傳分化；種群數量較少的物種將逐步喪失遺傳多樣性，危及物種長期生存，導致種群滅絕的概率增加[2]。

為了恢復江河水生群體之間的天然聯系和減緩對魚類阻隔的影響，修建過魚工程是水電工程開發建設魚類保護的重要措施之一，也是恢復工程影響河段魚類資源的重要途徑之一[3]。

1 兩河口過魚工程概況

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內，其工程開發任務以發電為主，兼顧防洪。電站總裝機容量為3 000 MW。工程采用堤壩式開發，擋水建筑物為礫石土心墻堆石壩，最大壩高295 m。水庫正常蓄水位2 865 m，相應庫容101.54億m3，死水位2 785 m，調節庫容65.60億m3，具有多年調節能力。工程樞紐平面見圖1。

兩河口過魚工程采用集魚槽式集魚+升魚機提升+AGV小車(Automated Guided Vehicle)運輸過壩+運魚船放流；主要過魚對象為齊口裂腹魚、長絲裂腹魚、四川裂腹魚、短須裂腹魚4種魚類，兼顧過魚對象包括厚唇裸重唇魚、黃石爬鮡、短尾高原鰍、軟刺裸裂尻、山鰍、青石爬鮡等；過魚季節為每年的3～9月，其中5～8月為主要過魚時段。

2 集魚位置選擇的重要性

集魚位置的選擇在過魚工程設計中具有重要的作用。國內外有關研究表明，魚類能否快速地發現和準確進入魚道進口，是魚道能否成功運行的關鍵因素之一[4]。進魚口位置的選擇成為影響過魚設施運行成敗的關鍵[5-6]。

合理的進魚口位置可以有效提高過魚效率，但在實際工程中由于對魚類生態習性等方面的認識不完善，同時關于過魚工程集魚地點以及進魚口結構的相關研究還較薄弱，因此，在不少工程中魚類進入魚道較為困難，導致誘魚效果較差。兩河口過魚工程采用集魚槽集魚，其集魚地點選擇的合理性對于其運行效果同樣起著關鍵作用。

3 兩河口過魚工程集魚地點

3.1 技術路線

國內過魚工程設計中為了確定集魚地點，一般需開展魚類游泳能力測試[7-9]與流場分布水工模型試驗研究工作[10-12]。國內科研單位也開展過相關的魚類集群效應觀測[13-15]。

根據已有的研究成果，擬定兩河口過魚工程集魚地點確定的技術路線。開展主要過魚對象的游泳能力測試，獲得主要過魚對象的暴發游泳速度。開展壩下河段流場模型試驗及三維數值模擬，結合主要過魚對象游泳能力測試成果，分析電站建成后，各典型發電工況條件下發電尾水是否對魚類上溯形成流速屏障。在主要過魚季節，在壩下河段開展魚類集群效應觀測，分析研究魚類聚集的區域，對水工模型試驗研究成果進行驗證。最后分析工程布置條件、地形地質條件、泄洪霧化影響等多方面因素，最終確定最佳的集魚地點。技術路線見圖1。

圖1 技術線路圖

3.2 初擬集魚地點

根據國內外工程設計經驗以及相關的導則與規范，集魚地點通常選擇在泄水閘、電站尾水、生態放水口等經常有水流下泄處，或魚類洄游路線及經常集群地附近；同時，進魚口位置的選擇還應當考慮盡可能放置在魚類可能上溯到的最上沿；但河段中若存在魚類的流速屏障，進口不應布置在屏障的上游。根據以上布置原則，結合兩河口電站樞紐布置的特點，初步擬定的集魚地見圖2。

注：A-5號導流洞上游(左岸)；B-大壩壩趾(下游圍堰下方)；C-2號尾水洞上游(右岸)；D-1號、2號尾水洞之間上沿；E-1號尾水洞下游。圖2 潛在集魚地點位置示意圖

3.3 魚類游泳能力測試

3.3.1 材料與方法

測試裝置采用丹麥LoligoSystem公司生產的游泳水槽SW10150、SW10050(圖3)。測試前對水槽內的流速進行標定，測試期間同步記錄溶氧(DO)、水溫(T)等參數。

圖3 魚類游泳能力測試水槽構造示意圖

測試對象為工程河段捕獲的傷殘的對象，包括長絲裂腹魚12尾(體長：8.6～20.4 cm，體重：9～180 g)、齊口裂腹魚23尾(體長：5.3～23.8 cm，體重：3～175 g)。測試前先暫養24 h以適應實驗環境。暫養池和實驗裝置中用水均取自雅礱江江水，暫養池日換水量約20%。每天換水10 min，保證在測試過程中水體的理化性質與天然水體相近。

3.3.2 測試成果

測試成果見圖4、5，長絲裂腹魚其絕對爆發游泳速度為1.49±0.26 m/s，相對爆發游泳速度與體長的關系為y=-0.344 1x+15.244 (R2=0.622 4)；相對爆發游泳速度為9.77±1.72 BL/s。齊口裂腹魚相對爆發游泳速度為11.75±2.77 BL/s(BL/s：體長/秒)，絕對爆發游泳速度與體長的關系為相對爆發游泳速度與體長的關系為y=-0.352 1x+15.63 (R2=0.576 1)。該工程推薦過魚規格20～40 cm，將體長20 cm代入擬合的公式，可得長絲裂腹魚最小爆發游泳速度為1.7 m/s，齊口裂腹魚最小爆發游泳速度為1.68 m/s。

圖4 長絲裂腹魚暴發游泳速度與體長關系圖

3.4 壩下河段流場模型試驗及三維數值模擬

3.4.1 試驗工況

兩河口工程下游梯級為牙根一級電站。試驗工況分為下游牙根一級未建成以及建成兩種工況。其中牙根一級建成條件下選取牙根一級庫水位為正常蓄水位2 605 m進行流場分析(死水位2 599 m時，兩河口壩下河段的流場情況與牙根一級未建成工況一致)。具體工況選擇電站建成后典型發電工況。試驗工況見表1。

圖5 齊口裂腹魚暴發游泳速度與體長關系圖

3.4.2 物理模型制作

整體模型設計、制作、試驗以及數據處理均按《水電水利工程常規水工模型試驗規程(DL/T 5244-2010)》規定執行。整體模型為正態模型，比尺1∶30。其相關比尺如下：流速比尺：λv=λL1/2=5.477；流量比尺：λQ=λL5/2=4 929.5；糙率比尺：λn=λL1/6=1.76。水工模型試驗上游庫區河道模擬高程至2 610 m，下游河道模擬至2 591 m。河道地形模擬范圍為下游圍堰至1號尾水洞下游540 m。河道地形采用斷面法，用水泥砂漿成型。模型過水建筑物(1號尾水洞出口、2號尾水洞出口)用有機玻璃制作。

3.4.3 數值模擬計算方法與網格劃分

模擬范圍：包括1號尾水洞上游70 m至2號尾水洞下游450 m，總長近750 m河段。建模時，以壩軸線下游530.14 m，在壩軸線A點右側191.64 m處點(X=3 742 208.479 4，Y=268 998.635 3)為坐標原點；X軸與兩個尾水洞出口河段軸線大致平行，指向下游為正；Y軸與河道垂直，指向左岸為正；Z坐標與高程一致。

模型選擇及計算方法：建模采用原型數據，模擬工具選用FLUENT軟件，計算模型選用Standardk-ε紊流模型，固壁邊界處理采用壁面函數法，偏微分方程離散采用有限體積法，動量、紊動能和紊動耗散率插值采用二階迎風格式。

邊界條件：(1)1號和2號尾水洞出口斷面采用速度進口邊界，以保證入流量為一恒定值；(2)河道下游出口為出流斷面，采用自由出流邊界；(3)1號和2號尾水洞壁面及河道地形采用固壁邊界。

網格劃分：沿水深方向網格較密，節點間距為0.4～0.8 m，與水深垂直的方向網格較稀，節點間距為2～3 m。天然情況，機組半發(工況3)的網格單元總數約27.31萬個，機組滿發(工況4)的網格單元總數約28.7萬個。牙根一級水電站正常蓄水位，機組半發(工況3)的網格單元總數約29.7萬個，機組滿發(工況4)的網格單元總數約30.04萬個。數值模擬范圍及網格劃分見圖6。

圖6 計算區域及網格劃分

3.4.4 試驗成果

(1)牙根一級建成前。典型發電工況條件下兩河口電站尾水出口河段流態見圖7中的(a)-(d)。相應的數值模擬成果見圖8中的(a)-(d)。

圖7 牙根一級建成前，典型發電工況條件下尾水出口河段流態

圖8 牙根一級建成前，典型發電工況條件下尾水出口河段流場數值模擬成果

(2)牙根一級水電站建成后。牙根庫水位為2 605 m典型發電工況條件下尾水出口河段流態見圖9中的(a)-(d)。相應的數值模擬成果見圖10中的(a)-(d)。

圖9 牙根一級建成后，典型發電工況條件下尾水出口河段流態

結果表明：數學模型和物理模型模擬結果吻合良好。各發電工況尾水洞對岸沿程存在低流速區，可作為魚類回游上溯的通道。機組滿發時，尾水洞出口河段河心及右岸區域流速較大，但均小于1.67 m/s，未形成流速屏障，不會影響魚類從該區域回溯上游。其余發電流量時亦未見明顯的流速屏障。2號尾水洞對岸上游區域呈相對緩流回流狀態，同時，由于壩體阻擋，該區域是魚類上溯的最上游端，魚類較易于在此集群。推薦2號尾水洞出口上游左岸(A點)以及大壩壩趾(B點)作為集魚地點。

圖10 牙根一級建成后，典型發電工況條件下電站尾水出口河段流場數值模擬成果

3.5 魚類集魚效應觀測

3.5.1 觀測方法

采用魚探儀(Sound Metrics 公司制造的雙頻識別聲吶DIDSON)。在尾水出口河段進行定點觀測，觀測點位如圖所示定點連續觀測(圖11)，四個觀測點均位于左岸岸邊，包括2號尾水洞上游靜水區(觀測點1)、2號導流洞洞口(觀測點2)、1號和2號導流洞口之間(觀測點3)和1號導流洞洞口附近(觀測點4)。每個觀測點設置左、中、右3個觀測斷面。觀測期間電站通過導流洞下泄流量730～770 m3/s。每個觀測點為1 d，每天上午、下午及夜間各觀測3 h，即9:00～12:00、14:00～17:00、19:00～22:00。

3.5.2 觀測結果

觀測結果表明從空間上，尾水洞正下方的5號和11號斷面魚類數量明顯較其他斷面少，其他斷面白天觀測魚類數量差異不大，而夜間2號尾水洞上游的1、2、3、4號斷面魚類數量明顯增加，特別是臨近2號導流洞口附近的4號斷面，夜間觀測魚類數量急劇增加。

圖11 兩河口壩下尾水附近魚類集群效應觀測點位圖

圖12 定點觀測每個斷面時均魚類數量比較

觀測結果見圖12。觀測結果表明，在電站下泄流量730～760 m3/s工況條件下(兩河口工程共設置6臺機電，單機引用流量248 m3/s，最大引用流量 1 491.6 m3/s)。在尾水洞上游側區域，即圖中的A區、B區及C區分布有較多的魚類，說明盡管在電站尾水大流量下泄的情況下可能會對上溯魚類形成流速屏障，但魚類仍可通過河岸邊的低流速區到達尾水洞上游，而后聚集在下游圍堰下方，即魚類將上溯至河道內物理屏障的下方。因此，建議集魚地點選擇尾水洞的上游區域。

3.6 其他因素分析

(1)地質條件。A點位于大壩下游6號沖溝底部，6號沖溝上部邊坡開挖拋渣，沖溝中下部堆渣較厚。經前期地質調查，6號沖溝存在發生泥石流的可能，6號溝溝心設置泥石流排導槽，因此溝口不宜布置過魚建筑物。其余各點巖體位于弱風化、弱～強卸荷帶內，巖體質量分類為Ⅳ2～Ⅴ1類，地質條件上相差不大，不存在建設升魚機系統的不利地質條件。

(2)布置條件。A點處存在6號沖溝，溝心設置泥石流排導槽，受此影響不宜再布置集魚設施；B點位于壩址下游圍堰下方，下游圍堰中部處布置有用于導排大壩滲流的量水堰，量水堰左側至岸邊區域具備布置集魚系統的條件；C點位右岸2號尾水隧洞出口上游，C點與壩腳之間的區域較為狹窄，布置集魚設施、補水設施以及升魚機系統存在一定的難度；D點位右岸1號、2號尾水隧洞出口之間，布置條件更為有限。同時，尾水洞出口斷面布置構筑物，人為束窄了尾水口出水斷面面積，可能對尾水洞正常運行產生影響；E點場地條件較為開闊，不存在布置集魚系統的制約因素。

(3)泄洪霧化影響分析。兩河口水電站為雅礱江中下游的“龍頭水庫”，工程泄洪具有“水頭高、泄量大、河谷窄、岸坡陡、泄洪功率高、下游河道及岸坡抗沖能力較低”的特點。本工程泄洪功率大，泄洪霧化影響區范圍廣，影響程度深。該工程潛在的集魚地點中E點位于泄洪霧化區范圍，雨強在50 ～ 200 mm/h范圍，工程泄洪霧化將對對升魚機的建筑物與金屬結設備產生不利影響。

(4)施工條件。擬選的五個集魚地點施工條件相當，均需進行水下圍堰施工，無本質差別。

3.7 集魚地點比選結果

參考國內外已有過魚工程選擇誘魚口位置的經驗與原則，該報告擬定了左岸5號導流洞上游(A點)、大壩壩趾(下游圍堰下方，B點)、右岸2號尾水隧洞出口上游(C點)、右岸1號、2號尾水隧洞出口之間(D點)以及右岸1號尾水隧洞出口下游(E點)5個集魚點。通過壩下集群效應觀測，在尾水洞上游側區域，即圖中的A、B、C點分布有較多的魚類。壩下流場數值模擬分析表明各發電工況條件下河道斷面均存在低流速區，魚類可通過這些低流速區上溯至尾水洞上游區域，直至壩腳物理屏障處。受6號沖溝影響，A點不具備布置集魚系統的條件，B、C、D、E四點均可布置集魚系統，但C、D兩點場地較為狹小，布置上存在一定的難度。其中D點位于兩尾水洞出口之間，可能將對尾水洞正常運行產生影響；E點位于電站泄洪霧化區范圍內，電站泄洪霧化將對集魚系統的建筑物和魚斗、啟閉設備等金屬構件產生不利影響。A、B、C、D、E五點的工程地質條件以及施工條件相當。

經綜合比選，最終推薦B點，即大壩下游左岸，下游圍堰下方作為過魚工程的集魚地點。

4 結 語

該工程通過魚類游泳能力測試獲得了主要過魚對象的游泳能力指標，并通過水工模型試驗與數值模擬的方式獲得壩下流場的分布情況。結合魚類游泳能力指標，對魚類上溯的最前沿位置進行了初步判斷，進而在壩下進行了魚類集群效應觀測。觀測結果表明魚類較多地聚集在壩下圍堰下游側且觀測成果較好地驗證了前期的判斷。最后從地質條件、布置條件、泄洪霧化影響分析、施工條件對推薦的幾個集魚地點進行了綜合分析，最終提出了最佳集魚地點。該工程確定集魚地點的工作思路與研究成果對于其他水電工程過魚設施設計具有一定的借鑒和參考作用。