淺析大樟溪東方紅水電站魚道設計

林 樟

（福州市水利水電勘測設計有限公司,福建 福州 350001）

1 項目概況

大樟溪發源于福建省德化縣境內的戴云山脈,自西南向東北流經德化、永泰至閩侯的江口注入閩江南港,是閩江右岸最下游靠近沿海地區的一條支流。流域面積4843 km2,河道總長234 km,平均坡降2.1‰。

東方紅水電站位于永泰縣葛嶺鎮臺口村,距離界竹口水電站壩址約16.9 km,壩址以上流域面積4067 km2,河道長度197.7 km,平均坡降2.73‰。電站建站初期是一座集灌溉、發電、通航于一體的綜合性工程,目前主要用于發電和供水。工程包括滾水壩、航道、引水渠、進水閘、機坑、廠房等。

電站建成后,阻隔了魚類的上溯通道,破壞了河道的生態環境,對魚類資源的分布產生不利影響,因此,需要補建過魚建筑物以部分恢復魚類的上溯通道。

2 主要過魚對象及季節

根據調查并參考有關文獻可知,大樟溪魚類有69 種,常見魚類有花鱸、日本鰻、草、鰱、鳙、鳊等[1]。

本工程過魚對象主要是大樟溪中稀有、珍貴及經濟價值比較高的半洄游性、洄游性魚類,半洄游性魚種有鳙魚、鰱魚、草魚等,洄游性魚種有花鰻鱺、花鱸和日本鰻等,除花鰻鱺為國家二級保護水生動物之外,均為常見魚種。

依據主要過魚對象的洄游特點及繁殖時段,主要過魚季節確定為2 月～11 月。

3 過魚建筑物選型

過魚建筑物的型式多種多樣,主要型式包括：升魚機、集運魚設施、魚閘及魚道等,以上型式是為不一樣的工程和不一樣的過魚品種而設計的,各有各的特色。過魚建筑物的特點比較見表1。

表1 過魚建筑物優缺點比較表

由于升魚機、魚閘以及集運魚設施通常適用于中、高水頭項目,而本項目屬于低水頭攔河壩工程,應用以上3 種型式過魚建筑物,鑒于過魚效果不佳、操作繁雜、運行費用較高、過魚不連續等緣由,均不適用于本項目。而魚道普遍運用在低水頭的水利項目上,可以在比較小的間距內獲得滿足魚類洄游且穩定的水流形態和速度,可行性較高。故本工程過魚建筑物推薦選取魚道的型式。

4 魚道設計

4.1 魚道布置方案選擇

根據水電站的布置及兩岸地形條件,滾水壩左岸為水電站進水渠,左岸下游為水電站進水口閘門、前池及廠房；滾水壩右岸緊鄰永泰南江濱大道（在建）；且滾水壩兩岸邊坡陡立,均不適合布置魚道。魚道作為緩坡過魚建筑物,需要較長的軸線,結合現場水電站布置的實際情況,推薦本工程利用已有的航道改造成魚道使用；航道位于水電站滾水壩和進水渠之間,兩側為漿砌塊石擋墻,底部采用水泥砂漿抹面,長度175 m,凈寬5 m～9.5 m,凈高2 m～5.5 m；航道的長度和寬度基本滿足要求,且遠離公路和居民點,受人類活動干擾小,目前航道已無用途,適合布置魚道。因此推薦本工程魚道布置在原有航道上。

4.2 魚道型式比選

根據魚道設計導則,魚道按其結構型式可分為仿生態式、丹尼爾及隔板式等。國內外應用較多的是隔板式魚道,按隔板型式可分為溢流堰式、淹沒孔口式、豎縫式、組合式 。魚道優缺點及適用范圍比較見表2。

表2 魚道優缺點及適用范圍比較表

通過對上述魚道優缺點及適用范圍進行比較,并結合電站布置及主要過魚對象特點,由于該電站屬于低水頭項目,且主要過魚對象中花鰻鱺、日本鰻鱺、花鱸游泳能力較弱,草魚、鰱魚、鳙魚的游泳能力較強,故推薦采用豎縫隔板式魚道,并輔以復式斷面設計,則豎縫處的上下層流速不一樣,洄游魚種可以根據自身的不同習性選擇喜歡的水深及流速通過。

4.3 運行條件選定

4.3.1 設計水位及池室水深

上下游運用水位較為穩定時,魚道上游設計水位可采用主要過魚季節相應的閘壩正常運行水位；下游設計水位取主要過魚季節的多年平均低水位[2]。本工程過魚季節是2 月～11 月,過魚時段大部分是汛期,汛期魚道上游水位維持在正常蓄水位（21.50 m）或更高水位運行；在非汛期,為了滿足發電需要,魚道上游水位會出現在個別時段低于正常蓄水位的情況,即上游水位在最低水位（20.80 m）至最高水位（21.50 m）之間浮動,其余時段維持正常蓄水位運行。所以,上游設計水位選取正常蓄水位21.50 m,下游設計水位選取其下游多年平均低水位16.30 m。

池室水深主要是按照過魚對象的體長和池室的消能要求選取,一般選取1.5 m～2.5 m。由于本工程的過魚尺寸相對不大,并結合魚道下游水深較小及地形地質情況,本工程池室設計水深取1.7 m,故魚道出口底高程為19.80 m,進口底高程為14.60 m。魚道出口即使遇到正常運行的最低水位20.80 m,也有1.0 m 的水深；魚道進口即使遇到正常運行的最低水位15.80 m,也有1.2 m 的水深,均能基本滿足過魚要求。

4.3.2 設計流速

魚類是否能順利通過魚道與魚道內流速大小密切相關,魚類的極限流速與魚類體長有關。半洄游性魚種如草魚、鰱魚、鳙魚等的喜好流速是0.3 m/s～1.27 m/s；降海洄游性魚種如鰻鱺的喜愛流速是0.18 m/s～0.25 m/s,且能爬行通過障礙物。故為兼顧各種不同喜好流速的魚種通過滾水壩,魚道設計流速選用1.0 m/s。

魚道進口最佳流速通常介于極限流速和感應流速之間,結合聯合國糧農組織與江蘇省淡水水產研究所的研究成果,魚道進口誘魚流速建議取值為0.45 m/s～0.5 m/s[3]。

魚道內、魚道出口及其上游流速若小于魚類的感應流速,將使魚類迷失繼續上溯洄游的方向,故魚道最小感應流速建議取值為0.18 m/s～0.25 m/s。

4.4 主要建筑物尺寸

4.4.1 池室凈寬

根據相關資料,洄游魚類的體長一般為0.1 m～0.5 m,池室凈寬不宜小于主要過魚對象體長的2 倍,綜合考慮原有航道寬度及經濟性,并參照類似工程經驗,池室凈寬取1.75 m（槽身段底部凈寬）。

4.4.2 池室凈長

池室凈長越長,消能效果越好,越有利于魚類上溯；但池室凈長越長,魚道總長度就越長,投資及占地面積也就越大。池室凈長可取池室凈寬的1.25～1.5 倍,故綜合考慮原有航道長度、魚道布置及縱坡等因素,池室凈長取 1.26 倍的池室凈寬,即池室凈長為2.2 m。

4.4.3 池室數量及底坡

根據魚道設計導則,可求得池室數量為74 個,池室底坡為2.04%～2.82%,綜合考慮原有航道的長度及魚道布置,本魚道池室底坡取2.80%。

4.4.4 休息池個數及凈長

根據魚道設計導則,本魚道每隔18 塊或19 塊隔板設置一個休息池,休息池底坡為0,其個數為3 個,凈長取4.5m。

4.5 總體布置

東方紅水電站魚道布置于水電站滾水壩和進水渠之間的原有航道內,總長212.2 m,分進口段（樁號H0+000.0～H0+005.0）、槽身段（樁號H0+005.0～H0+204.2）和出口段（樁號H0+204.2～H0+212.2）三部分。其中,進口段布置在航道下游,長5.0 m；槽身段縱坡2.80%,長199.2 m,折線型布置,單個池室長2.2 m,設3 個休息池,為平底,單個休息池長4.5 m；出口段布置在航道上游,長8.0 m,包括閘室段和漸變段,其中閘室段設有出口控制閘,長5.0 m,漸變段長3 m。魚道平面布置簡圖見圖1。

圖1 魚道平面布置簡圖

4.6 斷面型式選擇

通過大量觀測表明,矩形斷面魚道豎縫流速的變幅很小,不適用于喜好流速相差較大的多種魚類的洄游情況。而本魚道不僅要通過喜好流速較小的日本鰻、花鰻鱺等,又要通過喜好流速較大的鳙魚、鰱魚、草魚等,允許流速相差比較大,故宜采用上部梯形+下部矩形的復式斷面,上部梯形斷面流速較小,下部矩形斷面流速較大,可適應不同規格、不同喜好流速的多種魚類上溯。魚道槽身段池室下部矩形斷面設計凈寬1.75 m,凈高0.8 m,池室底部設厚0.15 m的漿砌卵石鋪面；池室上部梯形斷面設計凈寬1.75 m～4.30 m,凈高1.7 m,邊墻坡比為1∶0.75；池室總高度為2.5 m。池室隔板采用上部梯形+下部矩形的組合式橫隔板,橫隔板沿途交錯布設,其厚度為0.3 m,并設置豎縫,豎縫底部凈寬0.45 m,沿著豎縫可形成不同流速區域的水流,供不同喜好流速的魚類上溯洄游。

4.7 輔助設施

本工程在魚道進口下游兩側布置夾角為60°喇叭狀的導魚墻作為導魚設施,以匯集分散的魚類進入魚道,提高過魚效率。

當河道來水量較小時,魚道進口下游水位較低,流速較小,魚類不容易感應到魚道出口水流,不利于魚類聚集上溯。本工程在魚道左岸擋墻內埋設直徑80 mm 的誘魚引水鍍鋅鋼管,進水口位于魚道出口上游,管中心線高程20.80 m；出水口位于魚道進口下游附近,管中心線高程16.60 m,并設置閘閥控制流量,可在魚道進口附近形成一定的水花和水聲,將魚類引誘至魚道進口,增強過魚效果。

5 結語

（1）考慮到主要過魚對象的游泳技能差距比較大,故魚道槽身段適合運用上部梯形+下部矩形的復式斷面,以適應不同規格、不同喜好流速的多種魚類上溯。

（2）補建過魚建筑物時,要充分考慮利用已有建筑物的可能性,以降低工程投資和占地面積。

（3）鑒于目前我國過魚建筑物建設仍處在摸索當中,本魚道設計合理與否,需在今后運行過程中檢驗,可為后續類似項目建設累積經驗。