雅礱江兩河口水電站過魚工程集魚地點(diǎn)選擇研究

陳 明 曦， 許 莉 萍， 吳 迪， 郎 建， 呂 海 艷

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610072)

0 引 言

隨著國家西部大開發(fā)的不斷推進(jìn)，大量水電工程的興建對(duì)西部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用，但引起的生態(tài)問題也日益突出[1]。水電工程攔河筑壩，對(duì)魚類最直接的影響為阻隔效應(yīng)。工程建成后由于大壩的阻隔，連通的河流生境被分割成不同的片段，魚類生境的片段化和破碎化導(dǎo)致大小不同的異質(zhì)種群形成，種群間基因不能交流。種群數(shù)量較大的魚類，群體間將出現(xiàn)遺傳分化；種群數(shù)量較少的物種將逐步喪失遺傳多樣性，危及物種長期生存，導(dǎo)致種群滅絕的概率增加[2]。

為了恢復(fù)江河水生群體之間的天然聯(lián)系和減緩對(duì)魚類阻隔的影響，修建過魚工程是水電工程開發(fā)建設(shè)魚類保護(hù)的重要措施之一，也是恢復(fù)工程影響河段魚類資源的重要途徑之一[3]。

1 兩河口過魚工程概況

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)，其工程開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧防洪。電站總裝機(jī)容量為3 000 MW。工程采用堤壩式開發(fā)，擋水建筑物為礫石土心墻堆石壩，最大壩高295 m。水庫正常蓄水位2 865 m，相應(yīng)庫容101.54億m3，死水位2 785 m，調(diào)節(jié)庫容65.60億m3，具有多年調(diào)節(jié)能力。工程樞紐平面見圖1。

兩河口過魚工程采用集魚槽式集魚+升魚機(jī)提升+AGV小車(Automated Guided Vehicle)運(yùn)輸過壩+運(yùn)魚船放流；主要過魚對(duì)象為齊口裂腹魚、長絲裂腹魚、四川裂腹魚、短須裂腹魚4種魚類，兼顧過魚對(duì)象包括厚唇裸重唇魚、黃石爬鮡、短尾高原鰍、軟刺裸裂尻、山鰍、青石爬鮡等；過魚季節(jié)為每年的3～9月，其中5～8月為主要過魚時(shí)段。

2 集魚位置選擇的重要性

集魚位置的選擇在過魚工程設(shè)計(jì)中具有重要的作用。國內(nèi)外有關(guān)研究表明，魚類能否快速地發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確進(jìn)入魚道進(jìn)口，是魚道能否成功運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一[4]。進(jìn)魚口位置的選擇成為影響過魚設(shè)施運(yùn)行成敗的關(guān)鍵[5-6]。

合理的進(jìn)魚口位置可以有效提高過魚效率，但在實(shí)際工程中由于對(duì)魚類生態(tài)習(xí)性等方面的認(rèn)識(shí)不完善，同時(shí)關(guān)于過魚工程集魚地點(diǎn)以及進(jìn)魚口結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究還較薄弱，因此，在不少工程中魚類進(jìn)入魚道較為困難，導(dǎo)致誘魚效果較差。兩河口過魚工程采用集魚槽集魚，其集魚地點(diǎn)選擇的合理性對(duì)于其運(yùn)行效果同樣起著關(guān)鍵作用。

3 兩河口過魚工程集魚地點(diǎn)

3.1 技術(shù)路線

國內(nèi)過魚工程設(shè)計(jì)中為了確定集魚地點(diǎn)，一般需開展魚類游泳能力測試[7-9]與流場分布水工模型試驗(yàn)研究工作[10-12]。國內(nèi)科研單位也開展過相關(guān)的魚類集群效應(yīng)觀測[13-15]。

根據(jù)已有的研究成果，擬定兩河口過魚工程集魚地點(diǎn)確定的技術(shù)路線。開展主要過魚對(duì)象的游泳能力測試，獲得主要過魚對(duì)象的暴發(fā)游泳速度。開展壩下河段流場模型試驗(yàn)及三維數(shù)值模擬，結(jié)合主要過魚對(duì)象游泳能力測試成果，分析電站建成后，各典型發(fā)電工況條件下發(fā)電尾水是否對(duì)魚類上溯形成流速屏障。在主要過魚季節(jié)，在壩下河段開展魚類集群效應(yīng)觀測，分析研究魚類聚集的區(qū)域，對(duì)水工模型試驗(yàn)研究成果進(jìn)行驗(yàn)證。最后分析工程布置條件、地形地質(zhì)條件、泄洪霧化影響等多方面因素，最終確定最佳的集魚地點(diǎn)。技術(shù)路線見圖1。

圖1 技術(shù)線路圖

3.2 初擬集魚地點(diǎn)

根據(jù)國內(nèi)外工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)的導(dǎo)則與規(guī)范，集魚地點(diǎn)通常選擇在泄水閘、電站尾水、生態(tài)放水口等經(jīng)常有水流下泄處，或魚類洄游路線及經(jīng)常集群地附近；同時(shí)，進(jìn)魚口位置的選擇還應(yīng)當(dāng)考慮盡可能放置在魚類可能上溯到的最上沿；但河段中若存在魚類的流速屏障，進(jìn)口不應(yīng)布置在屏障的上游。根據(jù)以上布置原則，結(jié)合兩河口電站樞紐布置的特點(diǎn)，初步擬定的集魚地見圖2。

注：A-5號(hào)導(dǎo)流洞上游(左岸)；B-大壩壩趾(下游圍堰下方)；C-2號(hào)尾水洞上游(右岸)；D-1號(hào)、2號(hào)尾水洞之間上沿；E-1號(hào)尾水洞下游。圖2 潛在集魚地點(diǎn)位置示意圖

3.3 魚類游泳能力測試

3.3.1 材料與方法

測試裝置采用丹麥LoligoSystem公司生產(chǎn)的游泳水槽SW10150、SW10050(圖3)。測試前對(duì)水槽內(nèi)的流速進(jìn)行標(biāo)定，測試期間同步記錄溶氧(DO)、水溫(T)等參數(shù)。

圖3 魚類游泳能力測試水槽構(gòu)造示意圖

測試對(duì)象為工程河段捕獲的傷殘的對(duì)象，包括長絲裂腹魚12尾(體長：8.6～20.4 cm，體重：9～180 g)、齊口裂腹魚23尾(體長：5.3～23.8 cm，體重：3～175 g)。測試前先暫養(yǎng)24 h以適應(yīng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。暫養(yǎng)池和實(shí)驗(yàn)裝置中用水均取自雅礱江江水，暫養(yǎng)池日換水量約20%。每天換水10 min，保證在測試過程中水體的理化性質(zhì)與天然水體相近。

3.3.2 測試成果

測試成果見圖4、5，長絲裂腹魚其絕對(duì)爆發(fā)游泳速度為1.49±0.26 m/s，相對(duì)爆發(fā)游泳速度與體長的關(guān)系為y=-0.344 1x+15.244 (R2=0.622 4)；相對(duì)爆發(fā)游泳速度為9.77±1.72 BL/s。齊口裂腹魚相對(duì)爆發(fā)游泳速度為11.75±2.77 BL/s(BL/s：體長/秒)，絕對(duì)爆發(fā)游泳速度與體長的關(guān)系為相對(duì)爆發(fā)游泳速度與體長的關(guān)系為y=-0.352 1x+15.63 (R2=0.576 1)。該工程推薦過魚規(guī)格20～40 cm，將體長20 cm代入擬合的公式，可得長絲裂腹魚最小爆發(fā)游泳速度為1.7 m/s，齊口裂腹魚最小爆發(fā)游泳速度為1.68 m/s。

圖4 長絲裂腹魚暴發(fā)游泳速度與體長關(guān)系圖

3.4 壩下河段流場模型試驗(yàn)及三維數(shù)值模擬

3.4.1 試驗(yàn)工況

兩河口工程下游梯級(jí)為牙根一級(jí)電站。試驗(yàn)工況分為下游牙根一級(jí)未建成以及建成兩種工況。其中牙根一級(jí)建成條件下選取牙根一級(jí)庫水位為正常蓄水位2 605 m進(jìn)行流場分析(死水位2 599 m時(shí)，兩河口壩下河段的流場情況與牙根一級(jí)未建成工況一致)。具體工況選擇電站建成后典型發(fā)電工況。試驗(yàn)工況見表1。

圖5 齊口裂腹魚暴發(fā)游泳速度與體長關(guān)系圖

3.4.2 物理模型制作

整體模型設(shè)計(jì)、制作、試驗(yàn)以及數(shù)據(jù)處理均按《水電水利工程常規(guī)水工模型試驗(yàn)規(guī)程(DL/T 5244-2010)》規(guī)定執(zhí)行。整體模型為正態(tài)模型，比尺1∶30。其相關(guān)比尺如下：流速比尺：λv=λL1/2=5.477；流量比尺：λQ=λL5/2=4 929.5；糙率比尺：λn=λL1/6=1.76。水工模型試驗(yàn)上游庫區(qū)河道模擬高程至2 610 m，下游河道模擬至2 591 m。河道地形模擬范圍為下游圍堰至1號(hào)尾水洞下游540 m。河道地形采用斷面法，用水泥砂漿成型。模型過水建筑物(1號(hào)尾水洞出口、2號(hào)尾水洞出口)用有機(jī)玻璃制作。

3.4.3 數(shù)值模擬計(jì)算方法與網(wǎng)格劃分

模擬范圍：包括1號(hào)尾水洞上游70 m至2號(hào)尾水洞下游450 m，總長近750 m河段。建模時(shí)，以壩軸線下游530.14 m，在壩軸線A點(diǎn)右側(cè)191.64 m處點(diǎn)(X=3 742 208.479 4，Y=268 998.635 3)為坐標(biāo)原點(diǎn)；X軸與兩個(gè)尾水洞出口河段軸線大致平行，指向下游為正；Y軸與河道垂直，指向左岸為正；Z坐標(biāo)與高程一致。

模型選擇及計(jì)算方法：建模采用原型數(shù)據(jù)，模擬工具選用FLUENT軟件，計(jì)算模型選用Standardk-ε紊流模型，固壁邊界處理采用壁面函數(shù)法，偏微分方程離散采用有限體積法，動(dòng)量、紊動(dòng)能和紊動(dòng)耗散率插值采用二階迎風(fēng)格式。

邊界條件：(1)1號(hào)和2號(hào)尾水洞出口斷面采用速度進(jìn)口邊界，以保證入流量為一恒定值；(2)河道下游出口為出流斷面，采用自由出流邊界；(3)1號(hào)和2號(hào)尾水洞壁面及河道地形采用固壁邊界。

網(wǎng)格劃分：沿水深方向網(wǎng)格較密，節(jié)點(diǎn)間距為0.4～0.8 m，與水深垂直的方向網(wǎng)格較稀，節(jié)點(diǎn)間距為2～3 m。天然情況，機(jī)組半發(fā)(工況3)的網(wǎng)格單元總數(shù)約27.31萬個(gè)，機(jī)組滿發(fā)(工況4)的網(wǎng)格單元總數(shù)約28.7萬個(gè)。牙根一級(jí)水電站正常蓄水位，機(jī)組半發(fā)(工況3)的網(wǎng)格單元總數(shù)約29.7萬個(gè)，機(jī)組滿發(fā)(工況4)的網(wǎng)格單元總數(shù)約30.04萬個(gè)。數(shù)值模擬范圍及網(wǎng)格劃分見圖6。

圖6 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

3.4.4 試驗(yàn)成果

(1)牙根一級(jí)建成前。典型發(fā)電工況條件下兩河口電站尾水出口河段流態(tài)見圖7中的(a)-(d)。相應(yīng)的數(shù)值模擬成果見圖8中的(a)-(d)。

圖7 牙根一級(jí)建成前，典型發(fā)電工況條件下尾水出口河段流態(tài)

圖8 牙根一級(jí)建成前，典型發(fā)電工況條件下尾水出口河段流場數(shù)值模擬成果

(2)牙根一級(jí)水電站建成后。牙根庫水位為2 605 m典型發(fā)電工況條件下尾水出口河段流態(tài)見圖9中的(a)-(d)。相應(yīng)的數(shù)值模擬成果見圖10中的(a)-(d)。

圖9 牙根一級(jí)建成后，典型發(fā)電工況條件下尾水出口河段流態(tài)

結(jié)果表明：數(shù)學(xué)模型和物理模型模擬結(jié)果吻合良好。各發(fā)電工況尾水洞對(duì)岸沿程存在低流速區(qū)，可作為魚類回游上溯的通道。機(jī)組滿發(fā)時(shí)，尾水洞出口河段河心及右岸區(qū)域流速較大，但均小于1.67 m/s，未形成流速屏障，不會(huì)影響魚類從該區(qū)域回溯上游。其余發(fā)電流量時(shí)亦未見明顯的流速屏障。2號(hào)尾水洞對(duì)岸上游區(qū)域呈相對(duì)緩流回流狀態(tài)，同時(shí)，由于壩體阻擋，該區(qū)域是魚類上溯的最上游端，魚類較易于在此集群。推薦2號(hào)尾水洞出口上游左岸(A點(diǎn))以及大壩壩趾(B點(diǎn))作為集魚地點(diǎn)。

圖10 牙根一級(jí)建成后，典型發(fā)電工況條件下電站尾水出口河段流場數(shù)值模擬成果

3.5 魚類集魚效應(yīng)觀測

3.5.1 觀測方法

采用魚探儀(Sound Metrics 公司制造的雙頻識(shí)別聲吶DIDSON)。在尾水出口河段進(jìn)行定點(diǎn)觀測，觀測點(diǎn)位如圖所示定點(diǎn)連續(xù)觀測(圖11)，四個(gè)觀測點(diǎn)均位于左岸岸邊，包括2號(hào)尾水洞上游靜水區(qū)(觀測點(diǎn)1)、2號(hào)導(dǎo)流洞洞口(觀測點(diǎn)2)、1號(hào)和2號(hào)導(dǎo)流洞口之間(觀測點(diǎn)3)和1號(hào)導(dǎo)流洞洞口附近(觀測點(diǎn)4)。每個(gè)觀測點(diǎn)設(shè)置左、中、右3個(gè)觀測斷面。觀測期間電站通過導(dǎo)流洞下泄流量730～770 m3/s。每個(gè)觀測點(diǎn)為1 d，每天上午、下午及夜間各觀測3 h，即9:00～12:00、14:00～17:00、19:00～22:00。

3.5.2 觀測結(jié)果

觀測結(jié)果表明從空間上，尾水洞正下方的5號(hào)和11號(hào)斷面魚類數(shù)量明顯較其他斷面少，其他斷面白天觀測魚類數(shù)量差異不大，而夜間2號(hào)尾水洞上游的1、2、3、4號(hào)斷面魚類數(shù)量明顯增加，特別是臨近2號(hào)導(dǎo)流洞口附近的4號(hào)斷面，夜間觀測魚類數(shù)量急劇增加。

圖11 兩河口壩下尾水附近魚類集群效應(yīng)觀測點(diǎn)位圖

圖12 定點(diǎn)觀測每個(gè)斷面時(shí)均魚類數(shù)量比較

觀測結(jié)果見圖12。觀測結(jié)果表明，在電站下泄流量730～760 m3/s工況條件下(兩河口工程共設(shè)置6臺(tái)機(jī)電，單機(jī)引用流量248 m3/s，最大引用流量 1 491.6 m3/s)。在尾水洞上游側(cè)區(qū)域，即圖中的A區(qū)、B區(qū)及C區(qū)分布有較多的魚類，說明盡管在電站尾水大流量下泄的情況下可能會(huì)對(duì)上溯魚類形成流速屏障，但魚類仍可通過河岸邊的低流速區(qū)到達(dá)尾水洞上游，而后聚集在下游圍堰下方，即魚類將上溯至河道內(nèi)物理屏障的下方。因此，建議集魚地點(diǎn)選擇尾水洞的上游區(qū)域。

3.6 其他因素分析

(1)地質(zhì)條件。A點(diǎn)位于大壩下游6號(hào)沖溝底部，6號(hào)沖溝上部邊坡開挖拋渣，沖溝中下部堆渣較厚。經(jīng)前期地質(zhì)調(diào)查，6號(hào)沖溝存在發(fā)生泥石流的可能，6號(hào)溝溝心設(shè)置泥石流排導(dǎo)槽，因此溝口不宜布置過魚建筑物。其余各點(diǎn)巖體位于弱風(fēng)化、弱～強(qiáng)卸荷帶內(nèi)，巖體質(zhì)量分類為Ⅳ2～Ⅴ1類，地質(zhì)條件上相差不大，不存在建設(shè)升魚機(jī)系統(tǒng)的不利地質(zhì)條件。

(2)布置條件。A點(diǎn)處存在6號(hào)沖溝，溝心設(shè)置泥石流排導(dǎo)槽，受此影響不宜再布置集魚設(shè)施；B點(diǎn)位于壩址下游圍堰下方，下游圍堰中部處布置有用于導(dǎo)排大壩滲流的量水堰，量水堰左側(cè)至岸邊區(qū)域具備布置集魚系統(tǒng)的條件；C點(diǎn)位右岸2號(hào)尾水隧洞出口上游，C點(diǎn)與壩腳之間的區(qū)域較為狹窄，布置集魚設(shè)施、補(bǔ)水設(shè)施以及升魚機(jī)系統(tǒng)存在一定的難度；D點(diǎn)位右岸1號(hào)、2號(hào)尾水隧洞出口之間，布置條件更為有限。同時(shí)，尾水洞出口斷面布置構(gòu)筑物，人為束窄了尾水口出水?dāng)嗝婷娣e，可能對(duì)尾水洞正常運(yùn)行產(chǎn)生影響；E點(diǎn)場地條件較為開闊，不存在布置集魚系統(tǒng)的制約因素。

(3)泄洪霧化影響分析。兩河口水電站為雅礱江中下游的“龍頭水庫”，工程泄洪具有“水頭高、泄量大、河谷窄、岸坡陡、泄洪功率高、下游河道及岸坡抗沖能力較低”的特點(diǎn)。本工程泄洪功率大，泄洪霧化影響區(qū)范圍廣，影響程度深。該工程潛在的集魚地點(diǎn)中E點(diǎn)位于泄洪霧化區(qū)范圍，雨強(qiáng)在50 ～ 200 mm/h范圍，工程泄洪霧化將對(duì)對(duì)升魚機(jī)的建筑物與金屬結(jié)設(shè)備產(chǎn)生不利影響。

(4)施工條件。擬選的五個(gè)集魚地點(diǎn)施工條件相當(dāng)，均需進(jìn)行水下圍堰施工，無本質(zhì)差別。

3.7 集魚地點(diǎn)比選結(jié)果

參考國內(nèi)外已有過魚工程選擇誘魚口位置的經(jīng)驗(yàn)與原則，該報(bào)告擬定了左岸5號(hào)導(dǎo)流洞上游(A點(diǎn))、大壩壩趾(下游圍堰下方，B點(diǎn))、右岸2號(hào)尾水隧洞出口上游(C點(diǎn))、右岸1號(hào)、2號(hào)尾水隧洞出口之間(D點(diǎn))以及右岸1號(hào)尾水隧洞出口下游(E點(diǎn))5個(gè)集魚點(diǎn)。通過壩下集群效應(yīng)觀測，在尾水洞上游側(cè)區(qū)域，即圖中的A、B、C點(diǎn)分布有較多的魚類。壩下流場數(shù)值模擬分析表明各發(fā)電工況條件下河道斷面均存在低流速區(qū)，魚類可通過這些低流速區(qū)上溯至尾水洞上游區(qū)域，直至壩腳物理屏障處。受6號(hào)沖溝影響，A點(diǎn)不具備布置集魚系統(tǒng)的條件，B、C、D、E四點(diǎn)均可布置集魚系統(tǒng)，但C、D兩點(diǎn)場地較為狹小，布置上存在一定的難度。其中D點(diǎn)位于兩尾水洞出口之間，可能將對(duì)尾水洞正常運(yùn)行產(chǎn)生影響；E點(diǎn)位于電站泄洪霧化區(qū)范圍內(nèi)，電站泄洪霧化將對(duì)集魚系統(tǒng)的建筑物和魚斗、啟閉設(shè)備等金屬構(gòu)件產(chǎn)生不利影響。A、B、C、D、E五點(diǎn)的工程地質(zhì)條件以及施工條件相當(dāng)。

經(jīng)綜合比選，最終推薦B點(diǎn)，即大壩下游左岸，下游圍堰下方作為過魚工程的集魚地點(diǎn)。

4 結(jié) 語

該工程通過魚類游泳能力測試獲得了主要過魚對(duì)象的游泳能力指標(biāo)，并通過水工模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬的方式獲得壩下流場的分布情況。結(jié)合魚類游泳能力指標(biāo)，對(duì)魚類上溯的最前沿位置進(jìn)行了初步判斷，進(jìn)而在壩下進(jìn)行了魚類集群效應(yīng)觀測。觀測結(jié)果表明魚類較多地聚集在壩下圍堰下游側(cè)且觀測成果較好地驗(yàn)證了前期的判斷。最后從地質(zhì)條件、布置條件、泄洪霧化影響分析、施工條件對(duì)推薦的幾個(gè)集魚地點(diǎn)進(jìn)行了綜合分析，最終提出了最佳集魚地點(diǎn)。該工程確定集魚地點(diǎn)的工作思路與研究成果對(duì)于其他水電工程過魚設(shè)施設(shè)計(jì)具有一定的借鑒和參考作用。