月潭水庫工程魚道選型及布置

邵江波

（黃山市月潭水庫管理處,安徽 黃山 245000）

安徽省月潭水庫壩址位于黃山市休寧縣海陽鎮首村,地處新安江源頭率水河中上游。是“十三五”期間納入規劃的172 項重大水利工程之一。水庫總庫容為1.57 億m3。電站裝機規模為20 MW。是黃山市現有的唯一一座大（2）型綜合利用水利樞紐工程。

月潭水庫所處的率水河,發源于皖贛邊陲的六股尖山脈,途經大源河和小源河,于休寧縣流口鎮匯合后始稱率水。于屯溪黎陽鎮注入新安江,全長148.2 km,是新安江最大的支流和發源地。率水河延岸植被豐厚,生態環境優美,長年水量充沛,水質清亮透徹,延河兩岸的田園村落被群山環抱,風光秀麗,生態優美。然而,大壩的建造也給率水河水生態環境帶來了一定的影響,其中之一就是魚類洄游和產卵的生態需求受到了威脅。為了保障這些魚類的生態需求,國家環境保護部《關于安徽省黃山市月潭水庫工程環境影響報告書的批復》中明確月潭水庫應嚴格落實水生態保護措施,專項設計并建設豎縫式魚道。同時,根據月潭水庫運行特點,汛限水位160.5 m,正常蓄水位165 m,確定過魚期水庫上游水位為160.5 m～165.0 m,下游最低水位141.0 m。過魚落差在19.5 m～24 m,水位差適合建造魚道,該魚道的建設也將是黃山市境內第一座生態魚道,它將為本地特有魚類提供了一個穿越大壩及其下游障礙的通道。這個革命性的設計不僅有助于保護魚類的遷徙和繁殖,而且還對本地區的生態平衡產生了巨大的影響。建設意義重大。

1 魚道發展歷史

魚類會進行定期的遷徙和洄游,以滿足繁殖、索餌或越冬的需要。魚道便是供魚類溯河遷徙和洄游時通過閘、壩等建筑物或天然障礙物的一種人工通道,一般包括進口、槽身、出口以及誘捕設施等[1]。早在17 世紀60 年代法國便頒布了相關規定,要求在各類壩、堰等阻斷河流的建筑物中修建相應魚類洄游通道。而第一條真正意義上的魚道則是被稱為“丹尼爾魚道”的減速型魚道,由比利時工程師丹尼爾于1909 年設計并建造。

2 月潭水庫工程過魚方案

2.1 過魚對象和過魚季節

魚道的設計原理基于對魚類的遷移習性和水流環境的深入研究。通過模擬自然水流,魚道利用水流的動力,使魚類能夠順利游泳通過水利工程,實現自由遷徙。同時,魚道過魚的目的主要是種群間遺傳物質的交流,因此,過魚對象的種類應盡可能的多樣化,主要是在考慮其具備一定洄游能力的條件下,針對河段內珍稀、特有以及具有較高經濟價值的半洄游性和洄游性魚類。月潭水庫魚道主要保護對象為河段特有和珍稀的光倒刺鲃、光唇魚、大眼華鳊、尖頭鱥和“四大家魚”等為主,兼顧考慮區域其他經濟魚類。

本工程過魚時間段主要考慮為保護魚種的產卵季節,即每年的3 月～8 月。

2.2 過魚設施方案

一般可采取兩種大壩過魚措施,一種是以仿自然通道,仿自然型過魚設施,另一種為技術型過魚設施。常見的過魚方式有升魚機、魚閘、魚道、集運魚系統等,選擇時需結合工程所在地的地形地質條件、樞紐布置、過魚種類特性等進行綜合比較選擇[2]。

魚道一般由進口、槽身、出口和誘魚設計及補水系統等組成,呈連續階梯狀的水槽式過魚構筑物[3]。宜在水流平緩穩定,且有一定水深的岸邊或溢流出口附近布置魚道進口。魚道適用于大部分常見魚種,它們對魚類的洄游能力要求不高,也不容易產生危害。其缺點主要是不適用于高水頭水壩,也不適用于對主要工程和調度運行有一定影響的上下游水頭差較高的水利工程,同時它的布置需要結合電站樞紐。考慮月潭水庫工程最大壩高為36.6 m,壩型為混凝土重力壩,工程運行水頭較低,樞紐區左右岸均為山體,地形陡峻,壩后河道不具備通航能力,升魚機和魚閘等投資較大等,綜合以上因素,月潭水庫過魚方案采用魚道。

3 月潭水庫魚道選型及布置

魚道按其結構型式可分為槽式、仿生態式、隔斷型、及特殊型式等幾類。隔板式魚道按型式又可劃分為溢流堰式、淹沒孔口式、豎縫式和組合式。

在地形條件適宜情況下,可采用仿生式魚道,其適應魚類范圍較廣。有較多洄游性魚種時,一般采用隔板式魚道。溢流堰式則適用于表層洄游性魚類,它們一般具有跳躍習性,但其通過流量較小,易被堵塞,同時適應上下游水位變化能力較差,水位變化幅度一般在0.3 m 以下。若工程上下游水位變化幅度較大,洄游的魚類適應水深不同,則可選用豎縫式。

根據月潭水庫實際過魚種類和上下游水位差,并結合國家環保部環保批復,選擇豎縫式魚道最為適宜。

3.1 月潭水庫魚道布置

魚道布置應滿足主要過魚對象在主要過魚季節順利通過魚道、進入上游安全水域、便于操作管理等方面的要求。根據工程具體條件,魚道布置可采取多層盤折式、格式、繞岸式或塔式。

月潭水庫根據工程布置,左右岸均為山體,魚道布置選擇繞岸式最為適宜,同時月潭水庫為壩后式水電站,魚道布置在電站旁側可充分利用電站尾水。

3.1.1 魚道左右岸布置方案比選

根據工程樞紐布置,如果將魚道布置于右岸,與電站的引水系統布置（左岸）相沖突。魚道布置在左岸,壩上游魚道明渠邊坡相對較緩,開挖工程量較小；同時左岸魚道出口與電站進水口和泄水建筑物進口距離較遠,可以避免成功上溯的魚類誤入電站引水系統和泄水系統而被帶回下游,利于魚類洄游,過魚效率相對較高。另外,進魚口位于電站尾水側,可充分利用電站下泄水流,形成誘魚水頭,提高進魚口區域誘魚效果。

綜上所述,從魚道布置和魚道出口的過魚效率考慮,魚道布置于左岸電站旁側較為合適。

3.1.2 魚道出口布置方案比選

水庫水位將根據上游來水量進行調節,采用多個出水口,有利于控制魚道內水流流速,滿足不同水位下的魚類洄游,開啟關閉不同水位的魚道閘門,便于運行,有利于魚類洄游。更高效地過魚。因此本工程魚道設計采用多出口布置方案。

魚道進口底高程為140.0 m,布置在水電站尾水末端,Z 字形向上爬升至149.6 m,再環繞樞紐管理區至魚道穿壩段,分別在159.5 m、161.3 m、163.1 m 高程設置3 層出口,穿越壩體后為減少發電引水對魚類洄游的影響,壩前魚道延伸至上游魚道擋墻出口處。壩前段長度為176 m。

3.2 魚道進出口

泄水閘、電站尾水、生態放水口等經常有水流下泄處最為適宜布置魚道進口,同時根據水位變幅宜設置多進口集魚系統。

月潭水庫魚道進口布置在尾水渠末端,采用多進口集魚系統,此處經常有水流下泄,魚類洄游中易在水流出口處集聚,是布置魚道進口的理想位置。進口底高程140.0 m,進口設計水深1.0 m,魚道進口設置側向進魚口,底高程140.6 m,孔口尺寸1.0 m×0.5 m（寬×高）。

魚道出口布置在左岸?壩塊穿越壩體,設置159.5 m、161.3 m、163.1 m 高程3 個出口,以適應上游水位變幅。穿壩孔口尺寸1.5 m（寬）×1.8 m（高）,間距2.3 m,同時在?壩塊三個出口處各設置工作與事故閘門。

3.3 槽身設計

魚道中的設計通常采用逐級階梯的方式,模擬魚類在自然環境中逐步攀升或下降的水流；此外,魚道還經常設置瀑布、急流等,模擬自然水流環境,激發魚類的遷移本能。魚道除了模擬自然水流外,還會盡力模擬魚類棲息環境,如河流底部的石塊、礫石和水草等。這樣的設計可以讓魚類感受到熟悉的生存環境,增加其對魚道的接受度,提高成功遷徙的機會。

月潭水庫魚道洄游對象為河段特有和珍稀的光倒刺鲃、光唇魚、大眼華鳊、尖頭鱥和“四大家魚”等半洄游性魚類為主。槽身設計選擇凈寬大于對象魚體長的2 倍,本工程選擇為1.5 m,池室長一般選擇凈寬的1.25～1.5 倍,本工程選擇為2.0 m,采用矩形斷面,依據設計導則槽身設計原則,月潭魚道選擇每隔10 塊隔板設一個休息池,休息池長度選擇為2 倍池室長度為4.0 m,魚道計算坡降為2%,所有底部均鋪設0.2 m 厚砂卵石,模擬棲息環境見圖1。

圖1 月潭水庫魚道槽身結構圖

依據月潭水庫魚道適用魚類（半洄游性魚類）喜好流速和極限流速,月潭水庫對象魚設計流速選擇為0.8 m/s。以此流速計算隔板水位差：

式中：Δh為隔板水位差,m；v 為魚道設計流速,m/s；φ為隔板流速系數,可取0.85～1.0。

經計算,Δh=0.045～0.033。

隔板流速系數取0.85 隔板水位差為0.045 m,系數取1.0,水位差為0.033 m,本次隔板水位差擇中選取0.04 m。

魚道底坡按下式計算：

式中：I為魚道底坡；Δh為隔板水位差,m；I為魚道設池室凈長,m；d為隔板厚度,0.08 m。

計算得魚道底坡為0.02。

池室總數量按下式計算：

式中：n為魚道池室總數量；H為魚道最大設計水位差,m；根據月潭水庫運行特點,確定過魚期水庫上游水位為160.5 m～165.0 m,下游最低水位141.0 m。過魚落差在19.5 m～24 m,H取值為24 m。

計算得魚道池室總數為599 個。

魚道豎縫寬度為0.2 m,池室內上游水深0.8 m,下游水深為0.76 m,見圖1。

魚道流量計算：

式中：h0為池室內下游水深,m；μ為流量系數,取值為0.6；s為豎縫寬,m。

計算得魚道流量為0.13 m3/s。

池室尺寸應滿足單位水體功率耗散要求：

式中：E為池室內單位水體功率耗散,W/m3；V為池室水體體積,m3；Q為魚道流量,m3/s；［E］為允許散耗。

計算后得出E為22.7 W/m3,滿足規范要求的小于200 W/m3。

3.4 誘導設施及其他輔助設施

誘魚措施可采用水流、聲、光、色和誘餌等,使零星和分散的魚類匯集起來,進入魚道入口,提高過魚效率。本工程魚道進口利用上層魚道留置溢流口,在進口形成自由水流,誘導魚類進入魚道槽身,溢流水量由上游出口魚道啟閉機閘門開展下泄流量,控制補水量,避免入口處水流流速過大或產生強烈的紊動。同時月潭水庫工程在魚道內前布置了魚道監測系統,觀測過魚效果,采用攝像頭監測,接入觀測自動化系統,可實時監測過魚效率。

4 經驗與建議

目前,過魚設施型式多種多樣,各自有不同的特點和適應條件,在過魚設施選擇上前提是應確定過魚對象,有時需考慮多種魚類過魚需求,收集與分析過魚對象便尤為重要,其次要考慮工程上下游水頭差,再綜合其工程地質條件、經濟適用性、運行維護成本,合理選擇過魚設施[4]。

建造魚道是保護魚類洄游和產卵生態需求的一項有效舉措。它的建設為保護魚種提供了洄游通道,可以幫助魚類繞過大壩,確保它們能夠順利地完成洄游和產卵的過程。魚道并非只是單純的洄游通道,還承擔著恢復河流的連續性、完整性和維持整改生態系統的功能,從而保護水生生物的多樣性和生態環境的穩定。因此在魚道的設計、施工、運行和效益評價過程中應貫徹高質量可持續發展的思想[5]。不僅對目標魚種進行洄游觀測,還應加強對水生生物的完整性和河道的連通性進行綜合評估。

同時,魚道的建設也可結合魚類的增殖放流,通過人工增殖放流補充河道水生態完整性,構建可持續的水生生態建設。