張 湘 隆

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，我國(guó)目前已經(jīng)建成了大中小型水電站45 000余座，總裝機(jī)容量突破2億kW，位居世界第一。而為改善我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)，水電建設(shè)步伐還在不斷加快。眾所周知，水庫(kù)閘壩的修建不僅切斷了魚(yú)類(lèi)活動(dòng)的自由通道，而且會(huì)改變魚(yú)類(lèi)生存的水域生態(tài)環(huán)境。在生態(tài)環(huán)保理念深入人心的背景下，人們開(kāi)始更多的關(guān)注在河流開(kāi)發(fā)的過(guò)程中如何有效保護(hù)魚(yú)類(lèi)資源的課題。魚(yú)道作為在閘壩處為溝通魚(yú)類(lèi)洄游通道而設(shè)置的一種過(guò)魚(yú)建筑物,在一定程度上能減緩、補(bǔ)償閘壩對(duì)魚(yú)類(lèi)洄游的阻隔影響。魚(yú)道按結(jié)構(gòu)形式主要分成丹尼爾式、溢流堰式、淹沒(méi)孔口式、豎縫式等幾類(lèi)，本文將主要討論目前應(yīng)用較多、適用條件較廣的豎縫式魚(yú)道的設(shè)計(jì)及研究情況。

2 豎縫式魚(yú)道設(shè)計(jì)研究概況

豎縫式魚(yú)道是用平板在魚(yú)道槽中形成從上到下的一條豎縫，水流從豎縫中下泄，根據(jù)豎縫的布置分成單縫和雙縫兩種。由于豎縫式魚(yú)道消能效果較好，能適應(yīng)較大水位變化，能同時(shí)適應(yīng)棲息于表層和底層的魚(yú)類(lèi)洄游需求，因此在加拿大、美國(guó)、澳大利亞以及我國(guó)都被廣泛采用。最早的豎縫式魚(yú)道位于加拿大弗雷塞河上的鬼門(mén)峽。在國(guó)內(nèi)，除了早期江蘇斗龍港、安徽裕溪閘、浙江七里壟等采用豎縫式魚(yú)道之外，近些年，包括安徽巢湖閘水利樞紐、北京上莊新閘、吉林琿春河老龍口水利樞紐、遼寧丹東三灣水利樞紐、新疆北岸干渠引水樞紐和廣西右江魚(yú)梁航運(yùn)樞紐等一系列工程均規(guī)劃或已經(jīng)建設(shè)了豎縫式魚(yú)道，主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

為了使豎縫式魚(yú)道滿(mǎn)足魚(yú)類(lèi)上溯所需的理想流速和流態(tài)，獲得更好的過(guò)魚(yú)效果，人們做了大量的研究工作。加拿大的Rajaratnam等人[2]較早地對(duì)豎縫式魚(yú)道形式進(jìn)行了模型試驗(yàn)，研究了無(wú)量綱流量與魚(yú)道池室中水深之間的關(guān)系；巴西的Sanagiotto[3]以Igarapava 水電站豎縫式魚(yú)道的一部分作為模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，采用ADV對(duì)魚(yú)道的流場(chǎng)、紊動(dòng)能的等值線(xiàn)圖、紊流強(qiáng)度、雷諾應(yīng)力的初步試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，認(rèn)為一個(gè)適合魚(yú)類(lèi)生物的流態(tài)紊動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)是可能存在的；法國(guó)的Larinier[4]研究了豎縫式魚(yú)道的消能效率,認(rèn)為各級(jí)水池內(nèi)的單位體積消能率宜小于200W/m3；在國(guó)內(nèi)，楊宇等人[5]在原有的魚(yú)道理論基礎(chǔ)上引入景觀生態(tài)學(xué)中提高河流連接度的思想，在設(shè)計(jì)過(guò)程中既考慮水工水力學(xué)和生態(tài)水力學(xué)的要求，又兼顧景觀生態(tài)學(xué)的原理，使魚(yú)道不僅能過(guò)魚(yú)，同時(shí)還滿(mǎn)足提高景觀連接度的要求；戚印鑫等[6]通過(guò)寬頂堰計(jì)算魚(yú)道的過(guò)流量，研究豎縫式魚(yú)道流量系數(shù)的變化規(guī)律,得出了流量系數(shù)計(jì)算公式；徐體兵等[7]通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，系統(tǒng)研究了魚(yú)道水池長(zhǎng)寬比和隔板墩頭布置體型對(duì)水池內(nèi)水流流態(tài)的影響，研究認(rèn)為魚(yú)道水池長(zhǎng)寬比在8∶8～10.5∶8的范圍內(nèi)，流態(tài)較好，而隔板是否設(shè)置墩頭對(duì)水流結(jié)構(gòu)的影響有限，在實(shí)際工程中可考慮不設(shè)；董志勇等[8]通過(guò)大比尺魚(yú)道模型水力特性試驗(yàn)分析了同側(cè)豎縫式魚(yú)道的流速分布形態(tài)、無(wú)量綱流速分布特征、斷面最大流速沿程衰減情況、同一水深不同流量的流速分布；曹慶磊等[9]分別采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型和雷諾應(yīng)力方程模型(RSM)對(duì)同側(cè)豎縫式魚(yú)道池室內(nèi)的水流進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,分析了魚(yú)道池室內(nèi)的流場(chǎng)、雷諾剪切應(yīng)力等相關(guān)水力要素，并應(yīng)用水工模型試驗(yàn)成果對(duì)2種紊流模型的結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證比較，RSM模型流速場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果與水工模型試驗(yàn)結(jié)果更為吻合。

我國(guó)魚(yú)道研究起步較晚、發(fā)展較慢，目前還沒(méi)有成型的設(shè)計(jì)規(guī)范，大多還依靠國(guó)外的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，而由于過(guò)魚(yú)種類(lèi)生態(tài)習(xí)性的差別，國(guó)外許多已建成魚(yú)道的成功經(jīng)驗(yàn)并不適用于國(guó)內(nèi)。因此，要做好魚(yú)道的設(shè)計(jì)，還需要進(jìn)行更多魚(yú)類(lèi)生態(tài)習(xí)性研究及相關(guān)試驗(yàn)研究工作。

表1[10～14] 國(guó)內(nèi)部分豎縫式魚(yú)道主要設(shè)計(jì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

3 豎縫式魚(yú)道設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

3.1 魚(yú)道基本參數(shù)

魚(yú)道設(shè)計(jì)基本參數(shù)主要包括：

(1)過(guò)魚(yú)種類(lèi)。需掌握過(guò)魚(yú)對(duì)象的生態(tài)習(xí)性和游泳能力等基本資料，必要時(shí)需進(jìn)行實(shí)地調(diào)查和魚(yú)類(lèi)的生態(tài)試驗(yàn)研究；

(2)過(guò)魚(yú)時(shí)間。根據(jù)魚(yú)類(lèi)生態(tài)習(xí)性明確主要過(guò)魚(yú)對(duì)象通過(guò)該魚(yú)道的季節(jié)；

(3)設(shè)計(jì)水位差。根據(jù)過(guò)魚(yú)時(shí)間段大壩上下游的水位變化情況，合理選定魚(yú)道的設(shè)計(jì)運(yùn)行上下游水位；

(4)設(shè)計(jì)流速。在設(shè)計(jì)水位差時(shí)，過(guò)魚(yú)設(shè)施隔板過(guò)魚(yú)孔中的最大流速即為魚(yú)道設(shè)計(jì)流速。魚(yú)道的設(shè)計(jì)流速選定主要與魚(yú)類(lèi)克流能力有關(guān)。

3.2 豎縫式魚(yú)道主要結(jié)構(gòu)尺寸

魚(yú)道結(jié)構(gòu)尺寸主要是指魚(yú)道池室大小、豎縫寬度、底坡大小和池室水深等，主要根據(jù)過(guò)魚(yú)對(duì)象的習(xí)性、體長(zhǎng)大小、池室消能效果等因素而定。

(1)池室寬度B：根據(jù)過(guò)魚(yú)對(duì)象的體長(zhǎng)和設(shè)計(jì)過(guò)魚(yú)規(guī)模綜合分析確定，一般取2～5m；

(2)池室長(zhǎng)度L：一般應(yīng)大于寬度B，可取L=(1.2～1.5)B；

(3)豎縫的寬度a：與魚(yú)體大小有關(guān)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[16]，豎縫寬度應(yīng)不小于擬通過(guò)魚(yú)類(lèi)胸鰭水平展開(kāi)距離，以滿(mǎn)足魚(yú)類(lèi)自由游泳需要，一般取0.3m以上；

(4)魚(yú)道底坡i：宜取統(tǒng)一的固定底坡；

(5)池室水深h：根據(jù)魚(yú)類(lèi)習(xí)性而定，一般取1.5～2.5m，不宜大于3.0m，對(duì)于表層型魚(yú)取小值，底層型魚(yú)類(lèi)取大值；

(6)休息池設(shè)置，一般每隔5～10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)水池設(shè)一個(gè)休息池，休息池長(zhǎng)宜取1.7～2.0倍的池室長(zhǎng)度。

3.3 魚(yú)道進(jìn)出口布置技術(shù)要求

3.3.1 進(jìn)口布置的技術(shù)要求

魚(yú)道進(jìn)口的布置直接影響過(guò)魚(yú)效果，一般應(yīng)設(shè)在經(jīng)常有水流下泄、魚(yú)類(lèi)洄游路線(xiàn)及經(jīng)常集群的地方，并盡可能靠近魚(yú)類(lèi)能上溯到達(dá)的最前沿。進(jìn)口附近水流不應(yīng)有漩渦、水躍和大環(huán)流。進(jìn)口下泄水流應(yīng)使魚(yú)類(lèi)易于分辨和發(fā)現(xiàn)，有利于魚(yú)類(lèi)集結(jié)。如入口布置在電站尾水口上方，利用電站泄水誘魚(yú)。應(yīng)避開(kāi)泥沙易淤積處，選擇水質(zhì)新鮮、肥沃的水域，避開(kāi)有油污、化學(xué)性污染和漂浮物的水域。考慮到運(yùn)行水位變化及魚(yú)類(lèi)對(duì)水流不同的要求，可設(shè)置多個(gè)不同高程的進(jìn)口。

3.3.2 出口布置的技術(shù)要求

魚(yú)道出口應(yīng)能適應(yīng)水庫(kù)水位漲落的變化，確保出口有一定的水深，平面位置應(yīng)遠(yuǎn)離泄水流道、發(fā)電廠房的進(jìn)水口，以免過(guò)壩的魚(yú)被泄水或進(jìn)水口前的水流重新卷入下游。出口一定范圍內(nèi)不應(yīng)有妨礙魚(yú)類(lèi)繼續(xù)上溯的不利環(huán)境，如水質(zhì)嚴(yán)重污染區(qū)、碼頭和船閘上游引航道出口等，要求水質(zhì)清潔、無(wú)污染，挾泥沙量少。

3.4 魚(yú)道輔助設(shè)施

魚(yú)道設(shè)計(jì)除上述內(nèi)容之外，還應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況考慮設(shè)置一些輔助設(shè)施。如為觀測(cè)過(guò)魚(yú)效果，魚(yú)道應(yīng)設(shè)置觀測(cè)室，配備觀測(cè)計(jì)數(shù)設(shè)備；魚(yú)道入口為增強(qiáng)水流誘魚(yú)效果，可設(shè)置水泵補(bǔ)充水量；為防止上游漂浮雜物進(jìn)入魚(yú)道造成堵塞，可在魚(yú)道上游的出口處設(shè)置防漂設(shè)施等。

4 豎縫式魚(yú)道設(shè)計(jì)實(shí)例

某河流河道長(zhǎng)444km，落差1 668m，平均坡降3.76‰，集水面積26 684km2。某電站是該河流中游規(guī)劃三級(jí)開(kāi)發(fā)中的第三級(jí)電站，裝機(jī)容量6 400kW。為減小電站建成與運(yùn)行對(duì)魚(yú)類(lèi)的繁殖和生存空間帶來(lái)的不利影響，考慮修建過(guò)魚(yú)通道保護(hù)魚(yú)類(lèi)資源，維持生態(tài)系統(tǒng)的完整性。

4.1 魚(yú)道基本參數(shù)

4.1.1 過(guò)魚(yú)對(duì)象

根據(jù)對(duì)某河流現(xiàn)有魚(yú)類(lèi)資源的調(diào)查研究，其中橫口裂腹魚(yú)和錐吻葉須魚(yú)在繁殖季節(jié)喜上溯至上游或支流的急流河段產(chǎn)卵，具有一定的溯河習(xí)性，受電站大壩阻隔的影響相對(duì)較大，同時(shí)這兩種魚(yú)類(lèi)僅分布于某河及其主要支流，屬當(dāng)?shù)靥赜恤~(yú)類(lèi)。故將其作為魚(yú)道的主要過(guò)魚(yú)對(duì)象。此外，高原裸裂尻魚(yú)、斯氏高原鰍等其它魚(yú)類(lèi)也具有一定溯流習(xí)性，在本次魚(yú)道設(shè)計(jì)中作為魚(yú)道的次要過(guò)魚(yú)對(duì)象考慮。

4.1.2 過(guò)魚(yú)時(shí)間

根據(jù)對(duì)魚(yú)道的主要過(guò)魚(yú)對(duì)象生態(tài)習(xí)性的調(diào)查研究，橫口裂腹魚(yú)繁殖季節(jié)始于每年3月末，其產(chǎn)卵場(chǎng)廣泛分布在某河流及其下游的河段，但多由棲息地上溯至相對(duì)上游段產(chǎn)卵，具有一定的短程洄游習(xí)性；錐吻葉須魚(yú)是該河流水系的特有魚(yú)類(lèi)，4～5月為繁殖期，產(chǎn)卵場(chǎng)多分布在河道的上游，具有一定的洄游性；高原裸裂尻魚(yú)、斯氏高原鰍等流水生態(tài)型魚(yú)類(lèi)繁殖季節(jié)為5～7月。因此，根據(jù)上述各種過(guò)魚(yú)對(duì)象的繁殖季節(jié)分析，確定本魚(yú)道的主要過(guò)魚(yú)季節(jié)為4～7月，考慮在少數(shù)水溫偏高的年份橫口裂腹魚(yú)繁殖季節(jié)較早，在魚(yú)道設(shè)計(jì)中應(yīng)保障3月份具有正常運(yùn)行的能力。

4.1.3 設(shè)計(jì)水位差

根據(jù)電站調(diào)度運(yùn)行規(guī)劃，水庫(kù)在3～7月平均運(yùn)行水位見(jiàn)表2。依據(jù)魚(yú)道進(jìn)出口布置的技術(shù)要求，須保證一定的水深要求，結(jié)合廠房最低尾水位4 287.6m，初擬設(shè)計(jì)水位差23m。

表2 某河水電站3～7月水庫(kù)平均水位

4.1.4 設(shè)計(jì)流速

由于某水電站地理位置偏遠(yuǎn)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后，當(dāng)?shù)佤~(yú)類(lèi)本底資料十分匱乏，相關(guān)魚(yú)類(lèi)游泳能力的研究工作開(kāi)展較少，此次設(shè)計(jì)采用VIDELER[17]在1993年提出了魚(yú)類(lèi)游泳速度的經(jīng)驗(yàn)公式，根據(jù)過(guò)魚(yú)對(duì)象個(gè)體大小，確定魚(yú)道設(shè)計(jì)流速控制在0.8～1.5m/s范圍內(nèi)。

4.2 魚(yú)道型式選擇

橫口裂腹魚(yú)和錐吻葉須魚(yú)均屬于高原冷水性魚(yú)類(lèi)，個(gè)體較小，根據(jù)本文前面對(duì)各種魚(yú)道型式的比較分析，推薦采用豎縫式魚(yú)道。

4.3 魚(yú)道結(jié)構(gòu)尺寸

某河流豎縫式魚(yú)道主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

注：a =15°；b=45°；A=0.4m；D=0.4m；E=2.0m； F=0.86m；G=0.15m；H=0.80m；L=3.7m。圖1 魚(yú)道尺寸示意

4.4 魚(yú)道進(jìn)出口布置

4.4.1 進(jìn)口布置

為利用電站泄水誘魚(yú)，魚(yú)道進(jìn)口布置在泄水明渠下游約300m處，進(jìn)口軸線(xiàn)與河道中心線(xiàn)小角度相交，為了能適應(yīng)3月末～7月的壩下水位變化，使進(jìn)口處水深達(dá)到1.00m以上，根據(jù)廠房最低尾水位為4 287.60m，推算至魚(yú)道進(jìn)口最低水位為4 286.60m，確定魚(yú)道進(jìn)口底板高程為4 285.50m；據(jù)廠房正常尾水位為4 288.46m，推算至魚(yú)道進(jìn)口最高水位為4 287.46m，確定魚(yú)道進(jìn)口邊墻頂高程為4 288.00m，進(jìn)口斷面尺寸為2.00m×2.50m(寬×高)。

4.4.2 出口布置

水庫(kù)3 ～7月的運(yùn)行水位為4 312.5～4 310.4m，消落深度為2.1m，若采用一個(gè)出口，魚(yú)道過(guò)流能力較大，對(duì)電站造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，且魚(yú)道出口流速較大，不利于魚(yú)類(lèi)上溯至水庫(kù)，故在高程4 309.5m和4310.8m處分別設(shè)置一個(gè)魚(yú)道出口。

4.5 魚(yú)道輔助設(shè)施

誘魚(yú)設(shè)施：在距魚(yú)道進(jìn)口125.00m處魚(yú)道邊墻上埋設(shè)一根φ50mmPVC誘魚(yú)噴水管，通過(guò)邊墻引至魚(yú)道進(jìn)口邊墻上，形成噴射水流，誘使魚(yú)類(lèi)進(jìn)入魚(yú)道。將魚(yú)道進(jìn)口至下游約100m范圍內(nèi)的河道清理到4 284.50m，兩側(cè)拋投大塊石，束窄原河床寬度，加快水流流速以利于魚(yú)類(lèi)發(fā)現(xiàn)魚(yú)道入口。

觀測(cè)設(shè)施：在魚(yú)道出口處左側(cè)設(shè)置觀測(cè)室，用來(lái)觀查魚(yú)類(lèi)的洄游情況，觀測(cè)室凈尺寸為7.00m×3.50m(長(zhǎng)×寬)。觀測(cè)室配備觀測(cè)計(jì)數(shù)設(shè)備、燈光、錄像設(shè)備等，觀測(cè)計(jì)數(shù)設(shè)備擬采用超聲波探測(cè)成套設(shè)備。

防護(hù)設(shè)施：為防止魚(yú)類(lèi)跳出魚(yú)道，避免雜物從魚(yú)道兩側(cè)落入魚(yú)道，同時(shí)對(duì)人員起到安全防護(hù)作用，在魚(yú)道槽身頂部采用鋼筋防護(hù)網(wǎng)，鋼筋采用φ6，網(wǎng)格間距0.05m×0.05m。

閘門(mén)防凍設(shè)施：由于魚(yú)道位于高原寒冷地區(qū)，出口處閘門(mén)冬季需擋水，且有運(yùn)行要求，所以必須設(shè)置防冰凍設(shè)施。冬季不運(yùn)行時(shí)，出魚(yú)口前鋪設(shè)聚苯乙烯泡沫塑料板以防止靜冰壓力直接作用在閘門(mén)上；冰凍期工作時(shí)，先利用自融冰門(mén)槽融冰并取走出魚(yú)口前鋪設(shè)的聚苯乙烯泡沫塑料板后，才能啟閉閘門(mén)。

5 展 望

20世紀(jì)60～70 年代，我國(guó)先后修建了40 多座魚(yú)道，但所建魚(yú)道目前普遍利用率不高，部分魚(yú)道甚至已經(jīng)棄而不用。為了維護(hù)河流生態(tài)的完整性，保護(hù)珍稀魚(yú)類(lèi)資源，十分有必要對(duì)魚(yú)道的設(shè)計(jì)、建設(shè)以及運(yùn)行管理等方面開(kāi)展更加深入的研究。

(1)由于魚(yú)類(lèi)生態(tài)習(xí)性的多樣性和復(fù)雜性，魚(yú)道設(shè)計(jì)必須讓更多的生物學(xué)家參與進(jìn)來(lái)，只有更深入的了解了魚(yú)類(lèi)的習(xí)性及游泳能力等生態(tài)資料，魚(yú)道才能更好地滿(mǎn)足魚(yú)類(lèi)的需求。

(2)在學(xué)習(xí)及了解國(guó)外魚(yú)道建設(shè)成功經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，也應(yīng)當(dāng)比較研究更適合國(guó)內(nèi)魚(yú)種的魚(yú)道設(shè)計(jì)原則與方法，如果只是照搬國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行魚(yú)道設(shè)計(jì)施工，其過(guò)魚(yú)效果一般不甚理想。

(3)針對(duì)已建的工程應(yīng)當(dāng)積極開(kāi)展后續(xù)研究，加強(qiáng)跟蹤觀測(cè)，總結(jié)所建設(shè)魚(yú)道的優(yōu)點(diǎn)和不足，對(duì)有缺陷的工程考慮進(jìn)行改善，已建魚(yú)道的優(yōu)點(diǎn)可作為以后建設(shè)魚(yú)道的寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

(4)由于沒(méi)有成熟的理論和方法，目前對(duì)魚(yú)道的規(guī)劃設(shè)計(jì)還比較粗略，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)行業(yè)內(nèi)的技術(shù)交流，盡快解決魚(yú)道設(shè)計(jì)上的技術(shù)難題，形成一部完整的魚(yú)道設(shè)計(jì)方法或標(biāo)準(zhǔn)。

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