淺論魚道設計方法與過程
——以藏木水電站魚道設計為例

周小波, 陳 靜, 張連明

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

淺論魚道設計方法與過程
——以藏木水電站魚道設計為例

周小波, 陳 靜, 張連明

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

攔河大壩的興建阻斷了魚類洄游通道，使工程河段魚類生境更趨片段化。魚道作為恢復魚類洄游通道，緩解工程建設對魚類生存環境影響的重要工程措施之一，被越來越多的水利水電工程所采用，魚道設計也因此越來越受到重視。目前，國內魚道設計方面的文獻，以介紹某一特定類型魚道或魚道某一特定部位的居多，結合實際工程介紹魚道設計過程與方法的較少。本文以藏木水電站魚道設計為例，重點介紹魚道設計方法與過程，供類似工程魚道設計參考。

魚道設計； 生態習性； 豎縫式魚道； 魚道進口； 魚道出口

0 前 言

藏木水電站系“雅魯藏布江中游桑日～加查峽谷段規劃”的第4級水電站，上游銜接街需水電站，下游為加查水電站，電站場址位于西藏山南地區加查縣城上游。電站安裝6臺水力發電機組，引用流量1 071.3 m3/s，總裝機容量510 MW。

2009年1月，國家環保部對《雅魯藏布江藏木水電站環境影響報告書》進行了批復，指示藏木水電站應修建魚道設施。2009年12月，藏木水電站魚道設計工作啟動。

本文將結合藏木魚道工程，著重從設計準備和魚道設計兩方面介紹魚道設計過程與方法。

1 設計準備

1.1 制定工作方案

魚道設計工作開展之前，應制定切實可行的工作方案，保障魚道設計工作有序地推進。

藏木魚道設計提出“魚類資源調查→過魚對象確定→過魚對象生態習性研究→過魚對象游泳能力測試→魚道設計參數確定→魚道初步設計→模型試驗→魚道設計方案確定→魚道實施及優化→原型實驗→魚道運行過魚監測→魚道持續研究”一整套工作方案，用于指導藏木魚道設計。

1.2 收集基礎資料

魚道設計應收集過魚對象生態習性、游泳能力、電站樞紐布置、電站特征水位等基礎資料。

1.2.1 過魚對象與過魚季節

雅魯藏布江中上游魚類主要有異齒裂腹魚、巨須裂腹魚、拉薩裂腹魚、尖裸鯉、雙須葉須魚、拉薩裸裂尻魚、黑斑原鮡、黃斑褶鮡等。

藏木魚道過魚對象可分為兩類：第一類，異齒裂腹魚、巨須裂腹魚和拉薩裂腹魚，具有短距離生殖洄游習性，資源量較大，為主要過魚對象；第二類，尖裸鯉、雙須葉須魚、拉薩裸裂尻魚、黑斑原鮡和黃斑褶鮡，為兼顧過魚對象。過魚對象選擇結果與體長規格見表1。

藏木魚道過魚對象均為高原魚類區系的種類，有明顯的遷移交流，但沒有典型的洄游習性，拉薩裂腹魚、異齒裂腹魚和巨須裂腹魚在繁殖季節3～6月具有趨流特性和短距離洄游特性。

1.2.2 過魚對象生態習性

主要過魚對象異齒裂腹魚、巨須裂腹魚和拉薩裂腹魚具有深水緩流底棲性，棲息于干流深水沱和河槽之中。兼顧過魚對象黃斑褶鮡常吸附于石塊上生活，雙須葉須魚、拉薩裸裂尻魚和黑斑原鮡棲居于沙底、水流緩慢的河流中以及深潭中，尖裸鯉喜歡棲息于淺水，反應迅速。

1.2.3 過魚對象游泳能力

設計過程中，在藏木魚道場址針對主要過魚對象夏季(6月)的感應流速、臨界游速和突進游速進行了測試，測試成果見表2。

游泳能力測試的同時，對主要過魚對象持續游泳時間也進行了測試。測試發現：異齒裂腹魚、巨須裂腹魚和拉薩裂腹魚3種主要過魚對象持續游泳能力較為接近，臨界游速0.8 m/s時的持續游泳時間約1 h，突進游速1.2 m/s時的持續游泳時間不足20 min。

表1 過魚對象選擇與體長規格

表2 主要過魚對象夏季和冬季游泳能力

1.2.4 電站布置格局與特征水位

藏木水電站樞紐布置格局為混凝土重力壩+壩后式廠房。電站樞紐布置自左岸向右岸分別為左岸擋水壩段、6個表孔溢流壩段、左沖砂底孔壩段、6個廠房壩段、右沖砂底孔壩段、右岸擋水壩段，大壩壩頂總長度389.50 m。

藏木水電站水庫具有日調節能力，水庫與尾水渠特征水位見表3。

表3 水庫與尾水渠特征水位

2 魚道設計

魚道設計的內容包括魚道類型、進口及補水、底坡與池室、休息池、魚道出口等。

2.1 根據過魚對象生態習性，選用魚道類型

魚道類型分為槽式、池式和組合式。槽式包括簡單加糙型和丹尼爾型，池式包括溢流堰式、豎縫式、底(潛)孔式，組合式包括堰孔、堰縫組合式。魚道類型的適應性見表4。

豎縫式魚道水流流態平穩，不會因水流流態急劇變化影響過魚對象洄游。過魚豎縫水深范圍大，可滿足過魚對象不同的水深喜好。過魚豎縫由水底至水面水流流速逐層增大，不同過魚對象均能尋找到喜好的流速水層洄游。

根據過魚對象的生態習性，藏木水電站選擇了豎縫式魚道，并在此基礎上設計出圓弧導流豎縫式魚道(見圖1)，豎縫前設置導流圓弧，豎縫底頂同寬。

2.2 根據過魚對象生態習性，結合進口水位，設計魚道進口及補水

魚道進口通常布置在原始河道過魚對象聚集處，并且進口內只設置一道進魚門，但水利水電工程建設改變了原始河道，過魚對象聚集位置也將隨之會發生變化，據此原則布置的魚道進口難以被過魚對象發現。

表4 不同魚道類型適應性

藏木魚道過魚對象具有深水緩流性，聚集于干流深水沱、河槽之中。電站尾水渠首端水深較大，末端流速較緩，模型試驗和原型實驗也觀察到電站尾水渠左導墻首端(見圖2)和尾端、左導墻兩側(尾水渠側和消力池側)常見大量的過魚對象聚集，尾水渠右導墻首端也常見過魚對象聚集。

藏木魚道布置了3個分散式進口(見圖3)，1號進口位于尾水渠左導墻的尾端，2號進口位于尾水渠左導墻的首端，3號進口位于尾水渠右導墻的首端，魚道建成后，根據過魚對象聚集情況，對應開啟1個魚道進口運行。

為使尾水渠側和消力池側聚集的過魚對象進入魚道，1號進口設置了3道進魚門(2號、3號進口各設一道進魚門)，進魚門寬0.7 m，分別指向為尾水渠、尾水渠下游和消力池(見圖4)。

魚道進口水流流速應介于過魚對象臨界游速和突進游速之間，以達到最佳誘魚效果。

圖1 圓弧導流豎縫式魚道 圖2 魚道進口布置

圖3 尾水渠左導墻過魚對象聚集 圖4 魚道1號進口進魚門布置

藏木水電站1臺機組滿發尾水位為3 243.55 m，6臺機組滿發尾水位為3 248.05 m，尾水渠底板高程為3 211.00 m。如魚道進口高程均與尾水渠底板高程一致，進口水深最大將達7.05m，而魚道流量僅為0.27～0.74 m3/s，進口流速最低將至0.02 m/s，遠低于主要過魚對象臨界游速(0.83～0.95 m/s)。

針對這一問題，藏木魚道采用了設計不同高程的進口和補充進口流量相結合的解決方案。

(1)設計不同高程的進口，監測進口水位，即時開啟相應進口。1號進口高程3 241.00 m，進口水位在3 243.55～3 244.60 m之間，開啟1號進口。2號進口高程3 243.00 m，進口水位在3 244.60～3 246.60 m之間，開啟2號進口。3號進口高程3 245.60 m，進口水位在3 246.60～3 248.05 m之間，開啟3號進口。

(2)監測進口水位，即時補充流量。1號進口補水量1.3～2.0 m3/s，2號進口補水量1.3～3.0 m3/s，3號進口補水量0.8～1.3 m3/s。

采用這一解決方案后，進口水流最小流速為0.90 m/s，最大流速為1.29 m/s，高于主要過魚對象臨界游速，同時低于主要過魚對象突進游速(1.22～1.53 m/s)。

藏木魚道進口最大補水量達3.0 m3/s，若采用進口集中補水出流，出流流速將超過魚對象突進游速，水體將在進口形成洄游通道屏障，過魚對象無法突破屏障進入魚道。因此，藏木魚道設計了進口分散出流和魚道沿程補水結構。1號、2號和3號進口設置集中補水池，3個集中補水池內均設計了分散出流導水管，將補入的水均勻分散出流在進口各部位，出流流速低于過魚對象突進游速，不會形成洄游通道屏障。3號進口還設計了沿程補水導水管，將補入的水均勻引向魚道沿程各部分，增強魚道沿程補水誘魚效果。

2.3 根據過魚對象游泳能力和體長規格，設計魚道底坡與池室

主要過魚對象夏季臨界游速僅在0.83～0.95 m/s之間，夏季突進游速僅在1.22～1.53 m/s之間，游泳能力較弱。因此，過魚豎縫水流流速須在主要過魚對象的臨界游速和突進游速之間。藏木魚道過魚豎縫設計流速選擇為1.10 m/s，由此計算出魚池池間落差為0.06 m。

過魚豎縫寬度與過魚對象個體大小、池室大小等因素相關，為使過魚豎縫可以滿足大多數魚類通過的需求，一般要求過魚豎縫的寬度不小于過魚對象體長的1/2。藏木魚道過魚對象最大體長約0.6 m，因此，過魚豎縫寬度選擇為0.3m。

藏木魚道通過水工模型試驗，研究了多種“魚池-豎縫” 尺寸組合的水流特性和流場穩定性。研究發現：保持“池長∶池寬∶豎縫寬=10∶8∶1”不變(魚道底坡不變)，在各種尺寸組合情況下，過魚豎縫均能保持水流平均流速一致，水流流態穩定。

根據這一發現，藏木魚道設計采用“魚池長3.0 m、寬0.24 m，過魚豎縫寬0.3 m”，并且由“魚池池間落差0.06 m”和“魚池長3.0 m”，計算出魚道底坡為2%。

魚道采用“底坡2%，魚池長3.0 m、寬0.24 m，過魚豎縫寬0.3 m”，進一步的水工模型試驗成果表明：魚池、過魚豎縫水流流態平穩(見圖5)，過魚豎縫由水底到水面，水流流速均在1.0～1.2 m/s范圍之內，中下層水流流速均低于1.1 m/s，接近水面水流流速均在1.1～1.2 m/s范圍之內(見圖6)。

圖5 魚池、過魚豎縫流態 圖6 過魚豎縫垂線流速分布

2.4 根據過魚對象持續游泳能力，設計休息池

異齒裂腹魚、巨須裂腹魚和拉薩裂腹魚3種主要過魚對象持續游泳能力較為接近，臨界游速0.8 m/s時的持續游泳時間約1 h，突進游速1.2 m/s時的持續游泳時間不足20 min，3種主要過魚對象持續游泳最大距離2 880 m，而藏木水電站上下游水位差高達67 m，按2%的魚道底坡計算，魚道最小長度為3 323 m，主要過魚對象無法持續洄游通過魚道。為保障過魚對象有足夠的體能洄游通過魚道，需在魚道中途設置休息池，恢復體能。休息池內主流流速過低，過魚對象將感知不到水流。休息池內主流流速過高，過魚對象將無法休息。因此，休息池內主流流速應介于過魚對象感應流速和臨界游速之間。

藏木魚道每上升4.5 m設置一個休息池，共設計了10個休息池(含縱向休息池和橫向旁通休息池)，以供過魚對象在洄游過程中休息、覓食。縱向休息池長9 m，寬2.4 m，平坡。橫向旁通休息池長3 m，寬4.8 m，底坡2%。

藏木魚道通過水工模型試驗研究了休息池內水流流態及流速分布，試驗成果表明：藏木魚道休息池內水流流態穩定(見圖7)，主流流速在0.15～0.45 m/s之間。魚道主要過魚對象感應流速在0.04～0.08 m/s之間，臨界游速在0.83～0.95 m/s之間，休息池內主流流速介于主要過魚對象感應流速和臨界游速之間，主要過魚對象能感知到水流，并能充分地休息。

2.5 根據電站水庫運行水位，設計魚道出口

藏木水電站水庫正常蓄水位3 310 m，死水位3 305 m，水位變幅5 m，而魚道設計水深僅為1.0～2.5 m，流量僅為0.27～0.74 m3/s。若魚道采用單一出口，魚道內最大水深將達到5.0 m，流量將超過1.5 m3/s，魚道規模和建設難度將大大增加。

圖7 休息池水流流態

針對這一問題，藏木魚道設計了4個分散式的魚道出口。1～4號出口高程分別為3 304.00 m、3 305.00 m、3 306.00 m和3 307.50 m。1號出口開啟運行水位范圍為3 305.00～3 306.50 m，2號出口開啟運行水位范圍為3 306.50～3 307.50 m，3號出口開啟運行水位范圍為3 307.50～3 308.50 m，4號出口開啟運行水位范圍為3 308.50～3 310.00 m。

4個出口在設定的水位范圍內開啟，保障魚道設計水深始終保持在1.0～2.5 m范圍以內，流量始終保持在0.27～0.74 m3/s范圍之內，大大降低了魚道規模和建設難度。

3 試驗與實驗

魚道設計方案完成后，應開展模型試驗加以檢驗和完善。魚道建成后，應開展原型實驗，檢驗運行情況和過魚效果，持續深入魚道研究。

魚道設計方案完成后，藏木魚道開展了水工物理模型試驗(見圖8)，驗證了魚道設計方案的合理性；開展了可通過性物理模型試驗(見圖9)，實驗魚順利地找到了魚道進口并通過魚道洄游至上游水庫。

魚道實施建成后，藏木魚道開展了魚道原型實驗(見圖10)，單次監測到最大過魚量475尾，魚種與體長規格與設計過魚對象匹配良好。

圖8 水工模型試驗 圖9 可通過性模型試驗 圖10 原型實驗

4 結 語

藏木魚道成功地實現了過魚對象洄游，且過魚效果良好，為了達到更好地過魚效果，藏木魚道的后續研究工作仍在進行之中。

總結工程設計經驗，旨為更好服務于工程設計。撰寫此文的目的也正是為魚道設計提供實際工程參考，為進一步提高我國魚道設計水平貢獻綿薄之力。

[1] 陳靜,周小波,蘭崗,等.西藏雅魯藏布江藏木水電站魚道設計報告[R].中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,2014.

2017-04-12

周小波(1980-)，男，四川南部縣人，碩士，高級工程師，從事水工設計與項目管理工作。

S956.3

：B

：1003-9805(2017)03-0029-04