西藏拉洛水利樞紐工程魚道設(shè)計研究

張文傳，高 樂，王 翔，王改會

(1.流域水安全保障湖北省重點(diǎn)實(shí)驗室，湖北 武漢 430010； 2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

0 引 言

隨著閘壩工程的建設(shè)，魚類等水生生物的洄游通道將被隔斷，對魚類的上溯洄游、產(chǎn)卵繁殖及基因交流等造成一定的影響[1]。近年來，生態(tài)保護(hù)越來越受到社會、國家和行業(yè)的重視，過魚設(shè)施成為了減緩閘壩工程對河流生態(tài)環(huán)境影響的重要措施之一[2]。

魚道是最常見的過魚設(shè)施，為保證魚道的過魚效果，進(jìn)出口的選址設(shè)計尤為重要。當(dāng)前的研究更多聚焦于魚道進(jìn)口、池室結(jié)構(gòu)及布置方式，對魚道出魚口的研究較少。因此，本文結(jié)合拉洛水利樞紐工程上游水位變幅大的情況，開展了多出魚口的魚道布置方式研究，以減緩拉洛水利樞紐建成后對魚類的阻隔影響，并為類似工程提供參考。

1 工程概況

拉洛水利樞紐工程位于西藏日喀則市薩迦縣境內(nèi)，雅魯藏布江右岸一級支流夏布曲干流上。夏布曲流域面積5 417 km2，全長185 km，天然落差1 618 m，在薩迦縣吉定鄉(xiāng)出崗匯入雅魯藏布江。工程壩址海拔高程4 300 m，下距匯入口約50 km。樞紐從左到右依次布置有溢洪道、瀝青混凝土心墻砂礫石壩、泄洪發(fā)電隧洞和魚道(圖1)等，壩下游建有拉洛水電站(生態(tài)水電站)[3]。

圖1 拉洛水利樞紐工程布置Fig.1 Layout of Laluo Hydro Project

2 過魚目標(biāo)及習(xí)性

2.1 過魚目標(biāo)

過魚設(shè)施不僅需要考慮洄游魚類，工程建設(shè)對空間遷徙產(chǎn)生影響的所有魚類也應(yīng)考慮。選擇過魚對象時，具有洄游特性的魚類，受到保護(hù)的魚類，珍稀、特有及土著、易危魚類，具有經(jīng)濟(jì)價值的魚類以及其他具有遷徙特征的魚類應(yīng)優(yōu)先考慮[4]。

依據(jù)魚類資源的調(diào)查結(jié)果，工程影響區(qū)無國家Ⅰ，Ⅱ級保護(hù)魚類，尖裸鯉、黑斑原鮡、巨須裂腹魚、拉薩裸裂尻魚、雙須葉須魚、異齒裂腹魚、拉薩裂腹魚等7種魚均為雅魯藏布江中上游干支流特有魚類。黑斑原鮡主要分布在壩下游，壩上游河段沒有其適宜的產(chǎn)卵場分布，過壩意義不大；尖裸鯉、巨須裂腹魚在壩上游分布很少。因此，拉洛水利樞紐的主要過魚對象是雙須葉須魚、異齒裂腹魚、拉薩裸裂尻魚和拉薩裂腹魚等4種。

2.2 過魚季節(jié)

具有生殖洄游習(xí)性的魚類性成熟之后，在春季水溫上升時，一般會沿河上溯至具有產(chǎn)卵條件的產(chǎn)卵場進(jìn)行繁殖，所以對于生殖洄游的魚類，可以根據(jù)主要過魚對象繁殖時間來確定主要過魚季節(jié)[5]。

根據(jù)主要過魚對象繁殖時間，拉洛水利樞紐過魚設(shè)施過魚季節(jié)取3～8月(表1)。

2.3 游泳能力

魚道進(jìn)口、豎縫及出口等關(guān)鍵位置的設(shè)計流速是關(guān)系到魚類能否順利通過的關(guān)鍵因素，這些流速的取值與目標(biāo)魚類的游泳能力有著密切的關(guān)系[4]。魚類感應(yīng)流速反映了魚類產(chǎn)生趨流行為的最小流速；臨界流速也稱為最大可持續(xù)游泳速度，反映了魚類有氧代謝時的最大游泳速度；突進(jìn)游速是魚類所能達(dá)到的最大速度。魚道最小設(shè)計流速必須高于魚類感應(yīng)流速，最大設(shè)計流速可按過魚對象中平均規(guī)格尺寸魚類的臨界速度以及幼魚的突進(jìn)流速來綜合確定。

綜合對比4種魚類的特征流速(表2)，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。

3 魚道設(shè)計

過魚設(shè)施主要有魚道、仿生態(tài)式魚道、升魚機(jī)、魚閘和集運(yùn)魚設(shè)施等。魚道能充分利用魚類自身的溯游能力過壩，是目前應(yīng)用最廣泛的過魚設(shè)施。根據(jù)拉洛水利樞紐工程特點(diǎn)并結(jié)合生態(tài)環(huán)保部意見，對魚道和升魚機(jī)兩種過魚設(shè)施進(jìn)行比選后采用魚道。

3.1 設(shè)計主要參數(shù)

3.1.1 運(yùn)行水位

拉洛水利樞紐過魚期魚道上游最高運(yùn)行水位為正常蓄水位4 298.00 m，最低運(yùn)行水位為死水位4 287.00 m；下游最高運(yùn)行水位為4 260.51 m，最低運(yùn)行水位為4 258.10 m。魚道的最大工作水頭為39.90 m，最小工作水頭為26.49 m；上游水位變幅11.00 m，下游水位變幅2.41 m。

3.1.2 設(shè)計流速

魚道的設(shè)計流速主要根據(jù)主要過魚對象的克流能力而定，為保證不同種類過魚對象的過壩需求，通常以游泳能力較弱的魚類突進(jìn)游度作為取值依據(jù)。根據(jù)克流能力試驗成果，測試突進(jìn)游泳速度最小的為雙須葉須魚，其突進(jìn)游速范圍為0.98～1.33 m/s，平均值為1.14 m/s。因此過魚斷面最大流速宜小于1.14 m/s，最大設(shè)計流速取1.10 m /s。

3.1.3 特征尺寸

根據(jù)SL 609-2013《水利水電工程魚道設(shè)計導(dǎo)則》與NB/T 35054-2015《水電工程過魚設(shè)施設(shè)計規(guī)范》，魚道主要結(jié)構(gòu)尺寸視魚類習(xí)性和過魚規(guī)模而定。魚道池室寬度不應(yīng)小于最大過魚目標(biāo)體長的2倍；池室長度不應(yīng)小于最大過魚目標(biāo)體長的2.5倍；池室長寬比宜取1.2～1.5。

拉洛水利樞紐魚道(簡稱“拉洛魚道”)主要過魚對象性成熟個體平均體長在30～40 cm，根據(jù)已建工程經(jīng)驗，魚道池室凈寬取2.0 m，單個過魚池長度取2.5 m。由于過魚對象主要為底層魚，池室水深宜取大值。綜合考慮過魚對象習(xí)性，兼顧上下游水位變幅情況，池室水深為1.0～3.4 m。

3.2 魚道線路選擇

魚道通常沿河道岸邊布置，進(jìn)魚口一般布置在經(jīng)常有水流下泄、魚類洄游路線及經(jīng)常集群的地方，且盡量靠近魚類能上溯到達(dá)的最前沿[6]。

拉洛水利樞紐工程壩區(qū)近岸分布有8個滑坡體，左岸壩下游HB12號(圖2)為體積大于100萬m3的大型滑坡，其余為中、小型滑坡；另外，在左岸壩上游存在325萬m3堆積體。從地質(zhì)條件考慮，魚道若布置在左岸，將給滑坡體處理帶來較大難題。

圖2 壩址滑坡體分布示意Fig.2 Sketch of distribution of slope at dam site

根據(jù)拉洛水利樞紐工程建筑物布置方案，拉洛水電站布置在右岸，主要利用泄放生態(tài)水流發(fā)電，電站尾水渠有常泄水流，且流速大小適宜；左岸為溢洪道，其下游區(qū)域或為靜水，或流速過大。因此右岸具備誘導(dǎo)魚類上溯的條件，魚道線路布置選在右岸。

3.3 魚道布置

魚道布置在右岸電站廠房尾水渠左側(cè)邊坡上，全長約為2 194 m，設(shè)有1個進(jìn)魚口和6個出魚口。主要建筑物包括進(jìn)魚口、過魚池、休息池和出魚口等(圖3)。

圖3 過魚池布置示意(尺寸單位：cm)Fig.3 Sketch of fish pond

3.3.1 魚道進(jìn)口

進(jìn)魚口的布置需結(jié)合電站尾水渠的水位變化、水力學(xué)特性、魚類洄游路線以及河岸地形條件等因素進(jìn)行考慮。因此，魚道進(jìn)魚口布置于拉洛電廠尾水渠左側(cè)末端，利用電站尾水誘魚。進(jìn)魚口寬2.0 m，底板頂高程4 257.20 m，軸線與尾水渠軸線交角為30°。

3.3.2 過魚池和休息池

過魚池和休息池結(jié)構(gòu)為整體“U”形結(jié)構(gòu)，單個過魚池凈寬2.0 m，長2.5 m，底坡1∶50，每間隔20個過魚池設(shè)置一個長5.0 m、底坡為1∶100的休息池。過魚池及休息池隔板采用單側(cè)導(dǎo)豎式，隔板厚20 cm，豎縫寬度為35 cm。

3.3.3 魚道出口

魚道出口應(yīng)近岸布置，并遠(yuǎn)離泄水建筑物、發(fā)電廠房的進(jìn)水口，出口高程應(yīng)能適應(yīng)上游水位漲落的變化。魚道上游設(shè)6個出魚口，出魚口凈寬2.0 m，按照底高程由低至高編號為1～6號。1～6號出魚口的底板頂高程依次為4 285.80，4 288.00，4 290.20，4 292.40，4 294.60，4 296.80 m，相鄰出口的高差為2.20 m。1～4號進(jìn)口閘門上部設(shè)胸墻擋水，并在門前設(shè)檢修門槽；5號、6號閘門由于底部高程較高，可利用庫水位低于出魚口底高程的期間檢修工作閘門，不設(shè)檢修門槽。

當(dāng)水位在死水位4 287.00 m至正常蓄水位4 298.00 m變化時，可根據(jù)水位啟、閉相應(yīng)出口的閘門，使運(yùn)行的出魚口水深在1.2～3.4 m之間。1～6號出口距壩軸線的距離分別為59.91，102.22，142.60，186.67，189.42 m。

3.3.4 防凍脹設(shè)計

拉洛水利樞紐工程位于海拔4 000 m以上的嚴(yán)寒地區(qū)，多年平均氣溫4.8 ℃，月平均氣溫最高為12.7 ℃(7月)，月平均氣溫最低為-4.8 ℃(1月)，極端最高氣溫28.2 ℃，極端最低氣溫-23.9 ℃，多年平均日照時數(shù)3 201.3 h，最大凍土深101 cm。魚道建筑物防凍脹設(shè)計采用C25F200W6抗凍混凝土，水位變幅區(qū)部位采用防凍涂料涂抹，魚道外側(cè)自建基面起鋪設(shè)砂卵石，厚度不小于1.5 m，防止地基凍脹對結(jié)構(gòu)造成破壞。

3.4 水力學(xué)計算及模型試驗

3.4.1 魚道進(jìn)魚口流場計算

根據(jù)樞紐下游河道實(shí)際地形數(shù)據(jù)，建立進(jìn)魚口水域二維自由表面流場計算模型。

影響拉洛魚道進(jìn)魚口水域流場形態(tài)和流速分布的主要因素包括：下游河道的水位、電站下泄流量和魚道下泄流量。根據(jù)上述3個因素的組合，得出的進(jìn)魚口流場計算工況見表3，魚道進(jìn)魚口流場分布見圖4。

表3 魚道進(jìn)魚口流場計算工況Tab.3 Calculation of flow field in entrance of fishway

圖4 魚道進(jìn)魚口流場分布Fig.4 Flow field of entrance of fishway

根據(jù)計算結(jié)果，電站和魚道水流與岸線呈30°夾角斜射向下游，并形成比較明顯的流速帶，主流流速在0.1～0.6 m/s之間，適宜魚類上溯。依據(jù)魚類克流上溯的習(xí)性，推斷魚道的進(jìn)魚口布置可誘導(dǎo)洄游至壩下游水域的魚類上溯。

3.4.2 1∶10局部模型試驗

(1) 模型布置及設(shè)計。模型比尺1∶10，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計[7]。模擬長度包括約50個池室、3個休息室以及魚道進(jìn)口部分(總長度約200 m)，并模擬了魚道進(jìn)口和河道地形相連接的部位、電廠尾水下游部分地形。模型布置中，魚道池室以及隔板采用有機(jī)玻璃進(jìn)行制作，閘室上游量水堰及水庫采用磚混凝土進(jìn)行制作，下游部分地形利用水泥砂漿進(jìn)行制作。模型魚道布置見圖5。

圖5 魚道模型布置Fig.5 Layout of fishway model

(2) 試驗工況。根據(jù)拉洛魚道上下游水位變化情況，對水位進(jìn)行了組合，形成相應(yīng)的試驗控制工況，具體工況見表4。

表4 模型試驗工況Tab.4 Condition of model test

(3) 試驗成果。當(dāng)魚道上游出口水深逐漸抬高時，魚道下泄流量隨之增大。當(dāng)魚道出口水深從1.2 m升高到3.4 m時，魚道下泄流量從0.31 m3/s增加到0.93 m3/s。

魚道設(shè)計水深條件下，隔板前水位略有壅高，豎縫處形成跌落，水流經(jīng)豎縫調(diào)整后，主要順豎縫向右以45°角進(jìn)入第一級池室，在池室內(nèi)的形態(tài)主要呈“S”形，主流流線較為順直、簡單，池室內(nèi)兩側(cè)邊墻附近水流為弱回流，較寬隔板(右側(cè))上下游較小范圍內(nèi)為流速較小或呈靜水狀態(tài)。整個池室內(nèi)水流較為平穩(wěn)，流態(tài)良好，比較適合魚類不間歇地洄游上溯。

在沿程池室內(nèi)水深均勻相同時，上下級池室內(nèi)水位差均為0.05 m，基本和池室底板坡度1/50相同。池室豎縫測點(diǎn)流速在1.0～1.1 m/s，池室內(nèi)主流流速0.4～0.8 m/s，主流流速變化也比較順暢，且池室流速較小和靜水的區(qū)域面積比較適中，有適合魚群洄游上溯的空間。

4 結(jié) 論

(1) 拉洛水利樞紐工程地處高海拔嚴(yán)寒地區(qū)，氣候環(huán)境惡劣。通過對魚類生態(tài)習(xí)性的野外調(diào)查和游泳能力測試，對高原魚類的種群結(jié)構(gòu)及其生態(tài)習(xí)性有較全面的了解，初步掌握魚類的生活習(xí)性，可為同區(qū)域水利水電工程過魚設(shè)施提供參考。

(2) 結(jié)合魚類生態(tài)習(xí)性、樞紐環(huán)境流場以及池室水力特性等方面的分析，對拉洛水利樞紐魚道開展設(shè)計研究。針對上游水位變幅大的多出魚口設(shè)計，不僅可解決拉洛水利樞紐過魚問題，還可為水庫型樞紐、大水位變幅過魚設(shè)施提供參考。

(3) 魚道投入運(yùn)行后，為保證過魚效果，需開展相關(guān)的監(jiān)測工作，分析過魚規(guī)律和魚道的水流條件等，研究制定魚道運(yùn)行維護(hù)機(jī)制，確保魚道持續(xù)有效工作，減緩工程建設(shè)對魚類洄游的阻隔影響。