應對河床下切的魚道改造方案

中圖分類號：S956.3文獻標志碼：A

0 引言

水利水電工程在發揮發電、防洪、灌溉等綜合效益的同時，也造成了河流連續性中斷，魚類難以通過大壩等人工障礙物完成產卵、索餌或越冬洄游等生態行為。魚道工程作為一種解決魚類跨障礙洄游的水道設施，發揮著維系水生生物種群交流及上下游生態連續性的重要作用[，在國內外水利工程中廣泛運用。水利工程（如大壩、水庫）下游河床下切是常見的河道演變現象，其對工程的影響往往是綜合性的，其中包含枯水期魚道功能無法正常發揮。目前關于魚道過魚效果監測、魚道結構優化設計、水庫調度運行方案等研究較為廣泛，但研究方向相對單一，針對既有過魚設施應對水位下切影響的研究較少，鮮有綜合性、系統性的解決方案。

本文以興隆魚道為研究對象，總結分析了魚道改造前存在的問題，基于水力學分析，模擬了魚道延長段過魚池和新進魚口周邊流場分布，通過對比分析，提出延長魚道長度、優化魚道結構、改善洄游條件和增設在線監測設備的系統化魚道改造方案。

1工程概況與現狀問題

興隆水利樞紐是漢江中下游梯級開發的最末一個梯級，位于漢江下游潛江、天門市交界處，上距丹江口樞紐 378.3km ，下距河口 273.7km ，為I等大（1）型工程，由攔河水閘、船閘、電站廠房、魚道、兩岸灘地過流段及其上部的連接交通橋等建筑物組成，屬于平原區水閘樞紐工程。興隆魚道采用整體U形槽身[2]搭配橫隔板設計，布置在電站廠房和船閘之間的隔流堤上，全長約 399.43m ，主要建筑物有廠房集魚系統、魚道進魚口、過魚池、魚道出魚口以及補水系統等。魚道進魚口位于電站廠房尾水渠右側，距壩軸線 37m ，出魚口位于電站上游進水渠右側，距壩軸線 212.3m 。

2014年9月興隆水利樞紐全面投入運行，監測表明，2018年之前在過魚季節（5一8月份），魚道保持正常運行，發揮了較好的過魚效果。但近年來，隨著下游水位不斷下降，特別是遇到漢江枯水期，興隆魚道無法正常發揮功能，主要存在以下兩方面的問題。

1.1 河床下切影響過魚

近年來，隨著漢江上游來水來沙條件變化，興隆水利樞紐下游河床下切趨勢明顯。分析歷年枯水期樞紐下游實測水位和流量對應關系（見圖1）可知，當樞紐下泄流量在 500m³/s 左右時，樞紐下游水位較原設計下降近 3m ，導致下游魚道進魚口附近水位僅 28.00m （黃海高程），低于魚道進魚口底板頂高程 28.70m ，影響魚道在過魚季節的運行。

圖1興隆水利樞紐下游歷年實測水位－流量關系曲線

根據文獻[3]研究成果，上下游水位變化對魚道內流速，尤其是孔口流速影響顯著。以實測數據為例，下游水位為 29.68m 時，魚道斷面流速最大為0.62m/s ，而下游進魚口附近流速卻達到了 1.73m/s 。

1.2魚道隔板結構適應性較差

興隆道原設計隔板采用底部兩小方孔（0.3m×0.3m ）加上部一大方孔（ （1.0m×1.0m ）的通道形式（見圖2），實際運行中底部小孔容易被雜物淤堵，且過水斷面面積與阻水斷面面積比會隨水深的變化而變化。當池室內水深在設計水深為 2m 時，過水斷面和阻水斷面的面積比為 37% ；當池室內水深為 ^1m 時，該面積比陡降至 4.7% ，會導致魚道下游進口孔口流速顯著增加，不利于魚類上溯。

圖2興隆魚道原設計隔板立面（單位：cm）

2 魚道改造方案

2.1 延長魚道長度

魚道改造的核心思路是通過修建延長段增加魚道布置長度，增設低進魚口解決原魚道進口段跌坎和水深不足的問題。魚道延長段長度為 174.6m ，過魚池底坡 1：50 ，池室尺寸維持 2.6m×2.0m （長 × 寬），位于原魚道進口段右側，在壩軸線下游約 49.9m （魚 0+9.2m ）處開始和原魚道垂直連接，之后通過幾次彎折，在原魚道進口上游距壩軸線約 28.4m 處的匯合池處穿出形成新進魚口（見圖3）。

圖3魚道延長段平面圖

注：圖中長度單位為 cm ，高程單位為 ρ_m ，下同。

2.2 增設低進魚口

新增進魚口仍然布設在電站尾水渠右側護坡處，位于原進魚口的上游側（見圖4）。新進魚口在原魚道和護坡混凝土上開槽形成，并植筋重新澆筑底板及側墻混凝土，進魚口魚道寬度 1m ，在上游段逐漸過渡到魚道池室寬度 2m （見圖5）。新進魚口上游增設工作閘門，閘門結構型式為平面滑動鋼閘門，孔口尺寸 2.0m×5.3m ，設計水頭 4.0m 。

圖4新增低進魚口平面圖

確定合適的底板高程是新進魚口設計的關鍵。專項研究結果[表明，電站尾水渠水位須在 27.80m 以上方能保障機組安全穩定運行。根據2015—2020年過魚季節每日流量數據統計，興隆水利樞紐下泄流量大于 500m³/s 的保證率大于 95% 。如果按最低流量 500m³/s 考慮，即使在僅有一臺機組發電的情況下，尾水水位也能維持在 28.20m 以上。從魚道運行水深方面考慮，興隆魚道設計水深 2.0m ，最小運行水深 1.0m 。根據金沙水電站等其他水利水電工程的物理模型試驗及數學模型計算研究成果[4]，魚道進魚口水深與魚道出魚口水深比不宜小于 2：3 ，興隆魚道上游出魚口水深常年保持在 2.3m 左右，故下游進魚口水深不宜小于 1.5m 。綜上，如果按電站尾水渠最低水位 27.80m 考慮，新增低進魚口的底板頂高程取 26.20m ，即可保證新進魚口水深達到最低要求。

2.3 優化隔板型式

魚道隔板型式多樣，主要有溢流堰式、孔口淹沒式、豎縫式和組合式等四種。近年來垂直豎縫式隔板運用較多，在池室水深變化過程中，豎縫式隔板過水斷面面積與阻水斷面面積比恒定，對于池室水位變化的適應能力較強，均適宜表層魚、中層魚和底層魚通過。經綜合考慮，延長段隔板采用單側豎縫式型式，隔板厚 20cm ，豎縫法線與魚道中心線的夾角為 45^° ，豎縫寬度為 0.4m （見圖6）。

圖6豎縫式隔板平面圖

2.4 魚道出魚口改造

原魚道出魚口未設隔板。魚道池室段設計流速為 1.0m/s ，但實測出魚口流速在 0.3m/s 以下，略大于魚類的感應游泳速度，對魚類進一步上溯造成不

利影響。為增大出魚口的流速，此次改造在出魚口增設了混凝土束流墩（見圖7），以營造流速較大的主流供魚類發覺。

圖7改造后的出魚口

2.5增設魚道在線監測系統

為科學評價魚道運行效果，改進和完善魚道的運行技術參數，為魚道過魚效果評估提供數據支撐，興隆魚道進行結構改造的同時，在魚道內增設了在線監測系統[5]。該系統包括水下高清攝像機、AI圖像識別系統、水下圖像聲吶、射頻接收系統[（魚道進出口段各一套）及水體理化指標監測模塊等。其中水下高清攝像機適用于清水期，可快速識別統計過魚種類、數量、規格等信息；水下聲吶可識別統計過魚數量與規格，適用于渾水期光學觀測系統無法采集數據的情況；射頻信號接收系統主要讀取并記錄PIT標記個體通過的時間，用于計算魚類通過魚道的耗時；水體理化指標監測模塊可實時監測過魚期間魚道下泄流量、流速、溶解氧、水溫、濁度等數據。魚道在線監測系統可為運行管理人員提供運行工況可視化展示、歷史數據查詢、視頻圖像回放、設備遠程控制等功能，極大提高了工作效率。

3魚道改造效果分析

3.1基于水力學分析的魚道延長段流場模擬

3.1.1建立數學模型

根據興隆水利樞紐的調度方案，設計魚道運行水深為 2.0m 。基于新增魚道延長段池室結構設計方案，建立三維數學模型[，模擬池室水流的三維流場。

魚道隔板模型見圖8。模型上游、下游邊界水深采用魚道設計水深；過魚池上部的運動流體為空氣，采用恒定壓力邊界條件 p=0 ；池室邊壁采用無滑移壁面條件。過魚池自由水面模擬使用VOF法，采用流體體積分數 a_q （水相 α_w ，氣相 α_a ）描述水和氣自由表面的各種變化，水氣界面的跟蹤通過求解連續方程來完成， q 相流體輸運控制方程為

式中： t 為時間（s）； u_i 為 i 方向的時均流速分量（ .m/s ）； x_i 為 i 方向的坐標分量（m）。

圖8魚道隔板模型

在每個控制體內，水和氣的體積分數之和滿足a_w+a_a=1 。引入VOF模型后，混合流體的密度可表示為： ρ=α_wρ_w+（1-α_w）ρ_w ，混合流體的黏性可表示為： μ=α_wμ_w+（1-α_w）μ_a° 方程的離散采用有限體積法，在豎縫周邊區域進行局部加密處理（見圖9）。

圖9計算網格

3.1.2模擬結果及分析

選取魚道水深 H=2.0m 工況開展數值模擬。截取平行于魚道底面的斜截面作分析，斜截面相對池底的高度與設計水深之比 h/H 分別為0.5和0.8，流場計算結果如圖10所示。

圖10魚道延長段過魚池的流場

過魚池池室水流數值模擬結果表明：相鄰過魚池的流速分布相似，豎縫泄流沿豎縫導向前進，兩側形成比較明顯的回流區；豎縫最大流速為 0.8～1.0 m/s ，未超出魚類的克流能力，魚類可以正常上溯；相鄰豎縫泄流的主流區域首尾相連，形成了明顯“S”形的主流速區；主流區（相對兩側回流區而言）寬度約 0.5～0.7m ，其流速不大于豎縫處最大流速，魚類可以沿主流持續上溯。

魚道新增延長段上下游水位組合見表1。當進魚口處水深為 1.6m 時，新增段隔板豎縫流速由上游至下游呈逐漸增大的趨勢，豎縫平均流速為 1.0～1.25 m/s ；當進魚口處水深為 3.0m ，新增段隔板豎縫流速由上游至下游呈逐漸減小的趨勢，豎縫平均流速0.53～0.67m/s 。滿足魚類上溯條件。

表1魚道新增延長段上下游水位組合

3.2 新進魚口環境流場分析

3.2.1數學模型

基于FLOW-3D流體計算平臺[4建立魚道進魚□附近環境流場數學模型，計算區域包括電站尾水出口、電站尾水渠及下游部分河道，控制方程為三維 k-ε 紊流方程組，自由表面處理采用VOF方法。電站機組尾水出口為模型入流邊界，依據不同的計算工況，設定不同的進流流量；自電站機組尾水出□沿河道 210m 取河道斷面為模型出流邊界，邊界條件為靜水壓強；尾水渠右岸靠近壩體處新增低進魚口，固壁邊界采用無滑移條件，液面為自由表面。

3.2.2 計算工況

根據興隆電站運行特點，考慮下游水位變動對流場分布的影響，選取3種典型工況。工況1，2臺機組發電（下泄流量 500m³/s ，下游水位 28.30m? ）；工況2，3臺機組發電（下泄流量 867m³/s ，下游水位 28.80m ）；工況3，4臺機組全部發電（下泄流量1156m³/s ，下游水位 30.01m ）。

3.2.3 模擬結果及分析

工況1條件下，尾水渠右部產生順時針旋轉回流區，水流方向與進魚口的出流方向一致，增加了進魚口的出流覆蓋范圍，有利于誘魚[；工況2、工況3條件下，機組出流導致尾水渠右部產生較大回流區，該水流順時針旋轉，水流方向與進魚口的出流方向一致，增加了進魚口的出流覆蓋范圍，同樣有利于誘魚（見圖11）。

圖114臺機組滿發時尾水渠表面水流流態

3.3 過魚效果監測評估

近年監測結果顯示，興隆庫區分布魚類共41種。興隆魚道改造前魚道內人工觀測到8種魚類，魚類密度為 0.02～1.27 尾 /m ，改造后魚道內監測采樣記錄到的魚種類達29種，占總種類數比例達 70.73% ，魚類密度為 0.165～5 尾 /m ，其中設計過魚目標如草魚、青魚、鰱、、等均監測到，且解剖發現性腺發育程度主要在IV期、V期，表明興隆魚道為主要過魚目標的成熟親體提供了上溯產卵的繁殖通道。

4結論

（1）河床下切是樞紐工程面對的共性問題，通過修建延長段增加魚道布置長度并增設低進魚口是解決原進魚口跌坎和水深不足的核心思路。

（2）應綜合分析樞紐下游河床下切趨勢、電站機組安全運行要求以及魚道進、出魚口水深比等參數，計算出電站運行最低尾水位，確定新進魚口底板高程。

（3）通過開展水力學分析，驗證了興隆魚道改造方案的可行性。對比監測結果表明，采取新增魚道延長段和低進魚口、優化魚道隔板結構、設置出魚口束流墩及增設水聲學AI監測設備的系統化改造后，興隆魚道過魚效果明顯提升。

參考文獻：

[1]劉志雄，周赤，黃明海.魚道應用現狀和研究進展[J].長江科學院院報，2010，27（4）：28-

31，35.

[2]楊秀榮，朱成冬，范穗興.魚道設計關鍵技術問題探討[J].水利規劃與設計，2020（12）：114-120.

[3]向芳.南水北調中線一期漢江興隆水利樞紐工程環境影響后評價報告[R].武漢：中南安全環境技術研究院股份有限公司，2024.

[4]張文傳，陳鵬，王改會，等.興隆水利樞紐魚道改造工程設計報告[R].武漢：，2021.

[5]張艷艷，何貞俊，何用，等.低水頭閘壩工程魚道過魚效果評價[J].水利學報，2017，48（6）：748-756.

[6]王世玉，宋海峰，陳正平，等.魚道過魚監測系統的研究與應用[J].水電與抽水蓄能，2019，5（3）：88-91，87.

[7]李沐春，廖冬芽，康宏志.基于過魚效果評價的魚道優化設計方法研究[J].水利規劃與設計，2023（6）：56-61.

Reconstruction Scheme for Fishway in Response to Riverbed Incision： A Case Study of the Xinglong Fishway

HUKebin1，ZHU Shihong2，ZHUQiaohang1，ZHOUHui1，JIANGXiaoxi1 （1.Hubei Hanjiang Xinglong Hydro-junction Administration，Wuhan ，China；2. Changjiang Survey， Planning，Design and ResearchCo.，Ltd.，Wuhan 43o010，China）

Abstract：Fishway in the Hanjiang Xinglong Hydro-junction worked normally in the initial operation period. However，affected bycontinuous incision of the downstream riverbed，the water depth at the fishway inlet was smaller than the design value，and the inlet velocity reached 1.73m/s ，exceeding the flow resistance capacity of general fishes.During dryseasons，water levelatthe fishway inletreduced below the crest elevationof its bottom slab and caused the step-down drop，thereby affcting the normal upstream migration of fishes inbreeding season. Through in-depth analysis ofthe fishway problems，we designeda systematic reconstructionscheme including adding an extendedsection of the fishwayand alow fish inlet，optimizing thestructureofthe fishway bafle，and setting up flow constriction piers atthe fishwayoutlet.In adition，theefectoffshway reconstruction can be scientifically evaluated bythenewly equipped hydroacoustic AI monitoring system.The monitoring results showed that after the implementation of fishwayreconstruction，the number offish species increased from 8to 29，and the fish density increased from 0.02-1.27 to 0.165-5ind/m ，demonstrating significant improvement in fish passage efficiency.

Key words：Xinglong Hydro-junction；riverbed incision； fishway reconstruction；fish passage effect