朱 世 洪， 彭 海 波， 王 翔， 王 改 會(huì)

(1.長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院樞紐處，湖北 武漢 430010；2.四川省能投攀枝花水電開發(fā)有限公司，四川 攀枝花 617068)

1 概 述

金沙水電站為低水頭河床式電站，壩址位于金沙江干流中游末端的攀枝花江段，上距觀音巖水電站壩址28.9 km，下距攀枝花中心城區(qū)(攀枝花水文站)約11 km，開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，兼有供水、改善城市水域景觀和取水條件及對(duì)觀音巖水電站的反調(diào)節(jié)作用等。

攀枝花江段是江河平原區(qū)魚類與高原區(qū)魚類的過渡區(qū)段，有記載的魚類為149種，其中長江上游特有魚類52種。金沙水電站建成后，將改變庫區(qū)及壩下局部河段的原有水文水力學(xué)條件，阻斷魚類上溯洄游的通道，對(duì)壩上、下游魚類的遺傳交流帶來不利的影響。為了促進(jìn)壩上、下游魚類的遺傳交流，特別是保證洄游性魚類的繁殖和自然種苗的及時(shí)補(bǔ)充，須建設(shè)過魚設(shè)施，以減緩工程建設(shè)對(duì)魚類洄游的阻隔影響。

2 過魚目標(biāo)及游泳能力

2.1 過魚目標(biāo)

(1)過魚目標(biāo)的選擇依據(jù)。過魚設(shè)施所需要考慮的魚類不僅是洄游魚類，而是對(duì)空間遷徙受工程影響的所有魚類都應(yīng)考慮。選擇過魚對(duì)象時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮的對(duì)象：具有洄游及江湖洄游特性的魚類；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(jià)值的魚類；其它具有遷徙特征的魚類。

(2)過魚目標(biāo)的篩選。根據(jù)金沙江中下游魚類資源歷史資料，結(jié)合近5 a來該江段調(diào)查采集到的魚類及其分布特點(diǎn)，基于梯級(jí)建設(shè)后環(huán)境變化的影響，將圓口銅魚、長薄鰍、長鰭吻鮈、巖原鯉、鱸鯉、四川白甲魚、泉水魚7種選定為主要過魚對(duì)象。

2.2 過魚季節(jié)

主要過魚對(duì)象的集中繁殖季節(jié)從3月開始延至6月，魚道設(shè)計(jì)的重點(diǎn)需考慮主要過魚對(duì)象在繁殖季節(jié)的過壩需求?；谝陨弦?，將該工程的重點(diǎn)過魚季節(jié)確定為3～6月。

2.3 游泳能力

魚道進(jìn)口流速、豎縫流速、出口流速等關(guān)鍵位置的設(shè)計(jì)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。魚道的最小設(shè)計(jì)流速必須高于魚類的感應(yīng)流速，最大設(shè)計(jì)流速可按過魚對(duì)象中平均規(guī)格尺寸魚類的臨界速度以及幼魚的突進(jìn)流速綜合確定。魚類游泳能力試驗(yàn)樣本及結(jié)果見表1。所測(cè)試個(gè)體的感應(yīng)流速為0.05～0.24 m/s，臨界速度最小值為0.58 m/s，突進(jìn)速度最小值為1.03 m/s。

3 魚道的設(shè)計(jì)

3.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)運(yùn)行水位及流量。

根據(jù)金沙水電站建成后的運(yùn)行調(diào)度方式，魚道上游運(yùn)行水位高程為1 020～1 022 m(死水位～正常蓄水位)，下游運(yùn)行水位 高 程 為 995.5～1 002.2 m(過魚季節(jié)多年平均低水位～多年平均高水位)，工作水頭為17.8～26.5 m，相應(yīng)運(yùn)行流量為511～3 140 m3/s。當(dāng)下游銀江水電站建成后，魚道下游的運(yùn)行水位維持在998～998.5 m高程之間。

表1 感應(yīng)速度、臨界流速測(cè)試樣本及測(cè)試結(jié)果表

(2)設(shè)計(jì)流速。

魚道的設(shè)計(jì)流速主要根據(jù)主要過魚對(duì)象的克流能力而定。由于試驗(yàn)魚類轉(zhuǎn)運(yùn)、試驗(yàn)裝置脅迫等原因，一般魚類克流能力的測(cè)試值和自然狀態(tài)下的克流能力存在一定差異，因此，用于魚道設(shè)計(jì)的流速應(yīng)在測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上增加7.5%～15%。為保證多種魚類通過，本設(shè)計(jì)流速調(diào)整系數(shù)取1.075，控制流速可適當(dāng)放大至1.1 m/s。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，金沙水電站魚道的設(shè)計(jì)流速取0.6～1.1 m/s。

(3)特征尺寸。

魚道的主要結(jié)構(gòu)尺寸視魚類習(xí)性而定。池室水深不應(yīng)小于最大過魚目標(biāo)體高的5倍或體長的2.5倍；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。

金沙水電站魚道主要過魚的最大個(gè)體是鱸鯉，鱸鯉最大的個(gè)體體長為1.2 m，體長超過1 m的鱸鯉體高一般為20～30 cm。因此，魚道寬度取3 m，單個(gè)過魚池長度取3.5 m，最小設(shè)計(jì)水深取1.5 m。

3.2 魚道的布置

樞紐從左到右依次布置有過魚設(shè)施、電站建筑物，3個(gè)泄洪表孔、縱向圍堰及2個(gè)泄洪表孔。魚道布置在電站廠房以左的左岸邊坡上，設(shè)有3個(gè)進(jìn)魚口和2個(gè)出魚口，全長約1 486 m。

(1)魚道進(jìn)口。進(jìn)魚口的布置需綜合考慮電站尾水渠的水位變化、河流動(dòng)力學(xué)特性、魚類洄游路線以及河岸地形條件等因素，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，并盡可能地靠近魚類能上溯到達(dá)的最前沿。

由于電站廠房和左岸形成了天然的集魚區(qū)，因此將進(jìn)魚口布置在距離電站廠房下游較近的岸邊。根據(jù)過魚對(duì)象的生態(tài)習(xí)性以及物模試驗(yàn)研究成果，考慮到下游銀江水電站建成后對(duì)金沙水電站下游水的影響，將魚道進(jìn)魚口設(shè)置為3個(gè)，底板頂高程分別為994 m、996 m和999 m，以避免進(jìn)魚口水深過大而導(dǎo)致下泄水流流速偏小進(jìn)而需大量補(bǔ)水。

1#和2#進(jìn)魚口布置在壩下(圖1)，2#進(jìn)魚口與集魚補(bǔ)水渠連接。3#進(jìn)魚口段底板與壩軸線垂直距離約為199 m，進(jìn)魚口段軸線與所銜接的過魚池段軸線呈30°交角。

圖1 金沙水電站魚道進(jìn)魚口平面布置圖

(2)過魚池。過魚池采用整體U型結(jié)構(gòu)，考慮到池室的水力學(xué)條件，隔板采用同側(cè)豎縫型式。單個(gè)過魚池(圖2)凈寬3 m，長3.5 m，底坡1∶50，每間隔10個(gè)以上隔板設(shè)置一個(gè)長度不小于7 m的斜底休息池，休息池坡度為1∶100。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40 cm。

圖2 過魚池布置示意圖

(3)魚道出口。魚道上游運(yùn)行水位的變化幅度為2 m，若采用單出魚口設(shè)計(jì)，可能會(huì)出現(xiàn)上游出魚口水深大于下游進(jìn)魚口水深的工況，導(dǎo)致進(jìn)魚口區(qū)域流速超出最大設(shè)計(jì)流速，因此，在電站上游左岸邊坡距壩軸線分別為340 m和380 m處布置了兩個(gè)出魚口，底板頂高程分別為1 018 m和1 020 m。

(4)廠房集魚系統(tǒng)。主要由集魚補(bǔ)水渠和進(jìn)魚孔組成。集魚補(bǔ)水渠為U型結(jié)構(gòu)，凈寬2 m，由集魚渠和補(bǔ)水渠構(gòu)成，平行壩軸線布置，通過挑梁懸挑布置在電站尾水平臺(tái)上。由于電站尾水處常有水流下泄，魚類常群集于尾水管的附近，通過集魚系統(tǒng)可增加進(jìn)魚前沿的長度，并以滴水聲誘魚。

(5)補(bǔ)水系統(tǒng)。補(bǔ)水系統(tǒng)通過兩根相互獨(dú)立、內(nèi)徑為700 mm的引水管從上游向下游引水。每根補(bǔ)水管由引水管、工作閥門、檢修閥門和補(bǔ)水渠等構(gòu)成，由工作閥門的開度控制流量。其中一支補(bǔ)水管與集魚系統(tǒng)的補(bǔ)水渠相連接，補(bǔ)水管的水流通過廠房集魚渠中間隔墻上的補(bǔ)水消能孔進(jìn)入集魚渠；另一支補(bǔ)水管通到魚道1#和2#進(jìn)口，當(dāng)下游水位較高時(shí)，可通過補(bǔ)水調(diào)節(jié)進(jìn)魚口區(qū)域的水流流速(圖3)。

圖3 補(bǔ)水系統(tǒng)布置示意圖

3.3 水力學(xué)試驗(yàn)

(1)1∶10局部模型試驗(yàn)。

模型比尺為1∶10，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。模型模擬了90個(gè)過魚池、8個(gè)休息室、魚道進(jìn)口、魚道出口)和下游部分地形。

上游出魚口水深為1.5～3.5 m，魚道下泄流量為0.5～1.19 m3/s。水流主流在池室內(nèi)的形態(tài)主要呈“S”型。池室水流從上級(jí)池室進(jìn)入，并在隔板前水位稍有壅高，然后在豎縫處形成明顯的跌落；經(jīng)豎縫調(diào)整后，水流順豎縫以45°角進(jìn)入下級(jí)池室。

當(dāng)魚道出口及進(jìn)口水深均為1.5～3.5 m時(shí)，池室豎縫測(cè)點(diǎn)流速為1.1～1.2 m/s(圖4)，池室內(nèi)主流流速為0.4～0.8 m/s，主流流速變化比較順暢，兩側(cè)邊墻及隔板下游附近流速均小于0.3 m/s，表現(xiàn)為回流或靜水狀態(tài)，且該區(qū)域面積均較大，適合魚群洄游上溯。

當(dāng)出魚口水深小于下游進(jìn)魚口水深時(shí)，靠近進(jìn)魚口處的池室豎縫流速隨水深增加而減小，隨著下游水位升高，若要保證魚道進(jìn)口水流能形成誘魚水流，需要在進(jìn)魚口補(bǔ)水約2 m3/s；當(dāng)出魚口水深大于進(jìn)魚口水深時(shí)，進(jìn)魚口區(qū)域池室水面變化較大，且因其越靠近下游進(jìn)口水深曲線的斜率越大，豎縫流速亦越大。由于設(shè)計(jì)的最大流速為1.3 m/s，當(dāng)魚道出口水深為1.5 m時(shí)，魚道進(jìn)口水深不應(yīng)低于1.4 m；出口水深為2.5 m時(shí)，進(jìn)口水深不應(yīng)低于2.4 m。

水深：1.5 m 水深：2.5 m

水深：3.5 m圖4 不同池室水深表面流速等值線分布圖(上游出口水深為1.5 m)

(2)1∶25集魚系統(tǒng)模型試驗(yàn)。

集魚系統(tǒng)模型為1∶25，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。模型總長度約25 m、寬度約8 m。模擬了原型電站廠房以及下游部分河道部分(原型總長度約500 m)，寬度范圍包括從左至右1#～4#四臺(tái)機(jī)組。

試驗(yàn)結(jié)果表明：單臺(tái)機(jī)組下泄生態(tài)流量為439 m3/s時(shí)，發(fā)電機(jī)組下游部分區(qū)域最大流速小于1.4 m/s，其它部位基本表現(xiàn)為回流或流速小于0.8 m/s的順流。單臺(tái)機(jī)組滿發(fā)流量為954 m3/s時(shí)，發(fā)電機(jī)組下游部分區(qū)域內(nèi)底部流速大于2 m/s，其它部位為流速較小的順流或回流，測(cè)點(diǎn)底部流速均小于1.5 m/s，有滿足魚類上溯至電廠尾水管部位的通道和區(qū)域。

隨著下游水位升高，集魚渠內(nèi)的水深增加，若要維持從集魚渠豎縫進(jìn)魚口流出的水流能在集魚渠水深最大時(shí)集魚渠附近形成0.2～0.4 m/s的誘魚流速，集魚系統(tǒng)的補(bǔ)水流量為4 m3/s左右。

4 結(jié) 語

(1)過魚設(shè)施設(shè)計(jì)中，明確工程所在河段重點(diǎn)保護(hù)的魚類種類和過魚目標(biāo)、掌握其生態(tài)行為習(xí)性是魚道設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)；結(jié)合壩下流場(chǎng)特對(duì)魚道進(jìn)口和出口位置進(jìn)行合理的選擇是魚道能否發(fā)揮效用的關(guān)鍵；池室內(nèi)部的水流條件能否滿足魚類的克流能力則是魚類能否有效通過的重要因素。

(2)魚道的設(shè)計(jì)流速主要根據(jù)應(yīng)過魚對(duì)象的克流能力而定，設(shè)計(jì)流速可在克流能力試驗(yàn)的基礎(chǔ)上適當(dāng)放大。魚道運(yùn)行時(shí)，應(yīng)根據(jù)水位變化使用不同的進(jìn)魚口和出魚口，防止出現(xiàn)上下游水深不匹配而導(dǎo)致魚道內(nèi)流速過大的情況發(fā)生。

(3)在金沙水電站魚道設(shè)計(jì)過程中，對(duì)魚類生態(tài)習(xí)性、樞紐環(huán)境流場(chǎng)以及池室水力特性等方面進(jìn)行了較為深入的研究，提高了魚道設(shè)計(jì)、科研水平，可為國內(nèi)類似工程尤其是金沙江中游河段代建工程提供參考依據(jù)。

(4)魚道投入運(yùn)行后，為保證其良好運(yùn)行，需通過長期監(jiān)測(cè)了解和掌握過魚效果、過魚規(guī)律和魚道的流速流態(tài)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，以減緩工程建設(shè)對(duì)魚類洄游的阻隔影響。

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