西藏湘河水利樞紐過魚建筑物設(shè)計(jì)

孫 宇，張友利，謝方參

(南京水利科學(xué)研究院 江蘇科興項(xiàng)目管理有限公司，南京 210029)

1 概 述

工程建設(shè)絕不能以犧牲生態(tài)環(huán)境為代價(jià)，水利工程建設(shè)過程中難免會對河流生態(tài)環(huán)境造成一定的影響，尤其是水利大壩的修建，將在一定程度上影響魚類的生活習(xí)性，因此在大壩設(shè)計(jì)過程中修建過魚建筑物是十分必要的[1-4]。結(jié)合湘河水利樞紐工程，對其過魚建筑物設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。湘河水利樞紐水庫總庫容1.134×108m3，大壩為瀝青心墻土石壩，最大壩高51.0 m，電站裝機(jī)40 MW。

2 過魚對象及魚類游泳能力

2.1 過魚對象

經(jīng)調(diào)查，湘河水利樞紐及配套灌區(qū)工程所在共捕獲魚類資源13種，其中外來魚類4種，分別為鲇、鯽魚、麥穗魚和櫛鰕虎魚；土著魚類9種屬2目3科9種(屬)，占雅魯藏布江中游魚類的56.25%。從區(qū)系特點(diǎn)上來看，湘河流域魚類組成較單純，主要由兩大類群組成：鯉科的裂腹魚亞科和鰍科的條鰍亞科。在湘河水利樞紐庫區(qū)及壩下河段均有魚類產(chǎn)卵場、索餌場和越冬場分布，基本無長距離洄游魚類，評價(jià)區(qū)魚類完成生命史所需空間相對較小，評價(jià)區(qū)干流河段及庫區(qū)上游支流還存在一定的繁衍棲息的條件。由于湘河水利樞紐大壩和艾瑪取水樞紐的阻隔影響，可能造成魚類種群及其遺傳交流受阻，魚類生境的片段化和破碎化導(dǎo)致形成大小不同的異質(zhì)種群，種群間基因不能交流，影響遺傳多樣性。因此，從流域魚類情況看，本工程應(yīng)采取過魚措施。根據(jù)調(diào)查，湘河水利樞紐多為棲息于河流中下層的魚類，部分為底層魚類。產(chǎn)卵季節(jié)的范圍主要為4-8月份。裂腹魚亞科魚類體長多為40 cm以下，高原鰍魚類多為10 cm以下。根據(jù)主要過魚對象繁殖時(shí)間，本工程過魚設(shè)施過魚季節(jié)為6-8月份。

2.2 魚類游泳能力

根據(jù)水利部中國科學(xué)院水工程生態(tài)研究所研究成果，異齒裂腹魚、雙須葉須魚、拉薩裂腹魚和拉薩裸裂尻魚等4種魚類的克流能力見表1。

綜合對比4種魚類的特征流速，感應(yīng)流速相差不大，均在0.07～0.12 m/s之間；臨界游速在0.74～0.98 m/s之間，突進(jìn)游速差異很小，均在1.14～1.27 m/s之間。隨著體長的增加，感應(yīng)流速隨之增大，突進(jìn)游速變化不大。

表1 測試魚類游泳能力表

3 過魚建筑物設(shè)計(jì)

3.1 過魚建筑物型式選擇

湘河水利樞紐水庫總庫容1.134×108m3，壩高51.0 m，水頭較高。高水頭過魚一直都是世界性難題，國內(nèi)成熟的、可借鑒的經(jīng)驗(yàn)很少，國外研究和實(shí)踐較多，也取得了不少成熟經(jīng)驗(yàn)，目前主要有魚道、魚閘、升魚機(jī)、集運(yùn)魚系統(tǒng)等。不同的過魚方式對不同類型的阻隔影響和不同生態(tài)習(xí)性的魚類的過魚效果差異較大，也受不同工程類型和地形地質(zhì)的影響，需要進(jìn)行綜合比選。可行性研究研階段根據(jù)國家環(huán)境保護(hù)部關(guān)于《西藏自治區(qū)湘河水利樞紐及配套灌區(qū)工程》審查意見，過魚建筑物采用魚道。

3.2 魚道設(shè)計(jì)

3.2.1 進(jìn)口設(shè)計(jì)

魚道的進(jìn)口設(shè)計(jì)至關(guān)重要，進(jìn)口能否被魚類較快發(fā)覺和順利進(jìn)入，直接影響過魚的效果。樞紐工程正常運(yùn)行工況下壩下水位在4 053.1～4 054.1 m之間變化，變幅約為1 m，水庫泄洪時(shí)不進(jìn)行過魚。考慮魚道內(nèi)水深為1.2 m，進(jìn)魚口底板高程擬設(shè)置2個(gè)，分別為4 052.89和4 053.89 m，分別布置于右岸靠近生態(tài)流量泄放管下游約30和70 m處。由于魚道內(nèi)流量小于0.3 m3/s，水量不大，水流對于過壩魚類的吸引能力較小，擬從拉崗干渠設(shè)置2根補(bǔ)水管，設(shè)置魚道內(nèi)補(bǔ)水管和閥門，根據(jù)需要開啟放流，補(bǔ)給魚道內(nèi)的流量，并在魚道進(jìn)口前形成偏愛流速，吸引魚類進(jìn)入。

采用MIKE21FM模型水動力模塊對湘河水利樞紐壩下河道流場進(jìn)行模擬。計(jì)算網(wǎng)格見圖1，沒有考慮河道在水庫運(yùn)行之后發(fā)電尾水和下泄洪水的沖刷作用。對水庫調(diào)度情況進(jìn)行概化，共設(shè)置5組流量邊界條件作為計(jì)算工況：Q=10 m3/s(僅下泄生態(tài)流量)，Q=15.40 m3/s(半臺機(jī)組發(fā)電)，Q=30.79 m3/s(1臺機(jī)組滿發(fā))，Q=61.58 m3/s(2臺機(jī)組滿發(fā))，Q=123.16 m3/s(4臺機(jī)組滿發(fā))。

各工況下壩下河道流速分布和水深分布分別見圖2-圖6，流速和水深計(jì)算結(jié)果見表2。

從計(jì)算結(jié)果看，魚道進(jìn)口1的流速在0.63～0.67 m3/s之間，水深在1.31～2.26 m之間。魚道進(jìn)口2的流速在0.80～1.14 m3/s之間，水深在0.33～1.39 m之間。兩個(gè)進(jìn)魚口的流速和水深基本可滿足過魚需要。

圖1 模型計(jì)算網(wǎng)格及特征點(diǎn)位置示意圖

圖3 湘河水利樞紐壩下流速和水深(Q=15.40 m3/s，半臺機(jī)發(fā)電)

圖4 湘河水利樞紐壩下流速和水深(Q=30.79 m3/s，1臺機(jī)滿發(fā))

圖5 湘河水利樞紐壩下流速和水深(Q=61.58 m3/s，2臺機(jī)滿發(fā))

圖6 湘河水利樞紐壩下流速和水深(Q=123.16 m3/s，4臺機(jī)滿發(fā))

表2 魚道進(jìn)口水力學(xué)計(jì)算結(jié)果表

3.2.2 池室設(shè)計(jì)

3.2.2.1 形式選擇

工程過魚對象主要為裂腹魚和鰍科魚類，主要為中下層和底棲魚類，因此池室結(jié)構(gòu)采用豎縫式。根據(jù)魚道內(nèi)部構(gòu)筑物的功能區(qū)別，可分為池室、休息池兩部分。

3.2.2.2 池室設(shè)計(jì)

1) 魚道流速。根據(jù)國內(nèi)外已有魚道的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本工程魚道設(shè)計(jì)豎縫最大流速范圍為0.8～1.5 m/s，考慮魚道流速應(yīng)能使魚類較易上溯，在魚道設(shè)計(jì)中暫將魚道內(nèi)平均流速控制在0.3 m/s，設(shè)計(jì)豎縫流速控制在1.0 m/s，具體設(shè)計(jì)指標(biāo)將在進(jìn)行魚類游泳能力測試后得出。

2) 魚道底坡。根據(jù)類似游泳能力試驗(yàn)，豎縫內(nèi)設(shè)計(jì)流速為1.00～1.20 m/s，按流速1.0 m/s控制，根據(jù)計(jì)算得池室縱坡度為2.5%。

3) 垂直豎縫寬度。根據(jù)主要過魚對象的規(guī)格，過魚孔口的高度和寬度最小不應(yīng)小于過魚最大體長1/2。因此，豎縫寬度為0.2 m，豎縫縫口方向宜與隔板呈45°夾角。

4) 水池水深。根據(jù)過魚對象習(xí)性，并結(jié)合本工程特性，綜合考慮本工程選定凈水深1.2 m。

5) 池室尺寸。池室凈寬尺寸越大，每級槽內(nèi)的平均流速就越小，利于魚類的中間休息。但是凈寬尺寸過大，槽內(nèi)的流速太小，對魚類的引導(dǎo)作用也將相應(yīng)減弱。參照國內(nèi)多數(shù)魚道設(shè)計(jì)，本工程魚道凈寬取2.0 m。池室隔墻厚度為0.20 m，高2.0 m。根據(jù)過魚對象的規(guī)格，綜合考慮每級池長2.3 m。

6) 彎道結(jié)構(gòu)型式選擇。由于進(jìn)口部分采用連續(xù)“繞彎”方式布置，池室部分會出現(xiàn)180°轉(zhuǎn)彎。根據(jù)這一特點(diǎn)，在轉(zhuǎn)彎處選用矩形轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)，可利用水流黏滯性，在休息池處消能作用明顯，因此整體流速也相對較小，更利于魚類洄游。

7) 魚道底部。槽底部進(jìn)行加糙處理，鋪以鵝卵石或礫石塊，石塊粒徑10～30 cm。另一方面，也對池底進(jìn)行一定的加糙，對槽內(nèi)流速有一定降低。

8) 休息池室設(shè)計(jì)。根據(jù)國內(nèi)工程經(jīng)驗(yàn)，休息池坡度為1.0%，每隔18個(gè)池室設(shè)一個(gè)休息池，休息池長度取5～6 m。

3.2.3 誘魚系統(tǒng)

魚類在上溯時(shí)總是循著水流溯流而上，喜歡向陽和具有聚光性特性。根據(jù)此特點(diǎn)以及其它魚道設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，為了增加過魚效果，魚道入口需設(shè)立灑水誘魚裝置，并架設(shè)燈光，晚上開啟引誘。魚道內(nèi)水流流量較小，為吸引魚類進(jìn)入魚道入口，擬從拉崗干渠設(shè)置2根補(bǔ)水管，分別接到2個(gè)入口處和入口外部，以形成誘導(dǎo)水流，吸引魚類進(jìn)入魚道。利用魚類對于光線感應(yīng)特性，提高過魚效果，尤其是夜間過魚，在魚道進(jìn)口處設(shè)置燈光誘魚設(shè)施。光源可采用LED水下聚光照明燈，外殼采用不銹鋼材料，具有光線強(qiáng)度可調(diào)節(jié)、亮度柔和、防潮密封性能好等特點(diǎn)。2個(gè)魚道進(jìn)口兩側(cè)各設(shè)置1排照明燈，可選擇白、黃不同顏色，燈泡應(yīng)可更換，以便于調(diào)整光源顏色，對比誘魚效果，針對不同過魚對象選用合適的光源提高過魚能力。

3.2.4 出口設(shè)計(jì)

結(jié)合湘河水利樞紐建筑物布置格局，出口宜布置于右岸。在右岸設(shè)置魚道壩段，采用混凝土形式。湘河水利樞紐庫區(qū)消落水位達(dá)到19 m，魚道過魚季節(jié)為6-8月份，該時(shí)段為魚類的主要產(chǎn)卵季節(jié)。因此，魚道出口考慮設(shè)置于4 088.00 m至正常蓄水位附近，共4個(gè)，高程分別為4 087.50、4 089.90、4 093.50和4 097.00 m，布置于大壩上游右岸約450 m處。

魚道上下游進(jìn)出口總落差約為45.8 m，按照池室縱坡度2.5%計(jì)，并考慮設(shè)置休息池和觀察室，經(jīng)計(jì)算，魚道長度總計(jì)約為1 968.2 m。

4 結(jié) 論

為了保證湘河在水利樞紐修建完成后仍具有良好的生物多樣性，通過調(diào)查當(dāng)?shù)佤~類情況提出采用魚道作為過魚建筑物。建筑物主要包括進(jìn)口、出口、池室和誘魚系統(tǒng)，通過模擬可知，采用兩個(gè)入口可保證各個(gè)工況下過魚所需的流量和水深。所提出的思路可為西藏其他地區(qū)水利設(shè)施建設(shè)過程中過魚建設(shè)物設(shè)計(jì)提供參考。