西藏湘河水利樞紐過魚建筑物設計

孫 宇，張友利，謝方參

(南京水利科學研究院 江蘇科興項目管理有限公司，南京 210029)

1 概 述

工程建設絕不能以犧牲生態環境為代價，水利工程建設過程中難免會對河流生態環境造成一定的影響，尤其是水利大壩的修建，將在一定程度上影響魚類的生活習性，因此在大壩設計過程中修建過魚建筑物是十分必要的[1-4]。結合湘河水利樞紐工程，對其過魚建筑物設計進行分析。湘河水利樞紐水庫總庫容1.134×108m3，大壩為瀝青心墻土石壩，最大壩高51.0 m，電站裝機40 MW。

2 過魚對象及魚類游泳能力

2.1 過魚對象

經調查，湘河水利樞紐及配套灌區工程所在共捕獲魚類資源13種，其中外來魚類4種，分別為鲇、鯽魚、麥穗魚和櫛鰕虎魚；土著魚類9種屬2目3科9種(屬)，占雅魯藏布江中游魚類的56.25%。從區系特點上來看，湘河流域魚類組成較單純，主要由兩大類群組成：鯉科的裂腹魚亞科和鰍科的條鰍亞科。在湘河水利樞紐庫區及壩下河段均有魚類產卵場、索餌場和越冬場分布，基本無長距離洄游魚類，評價區魚類完成生命史所需空間相對較小，評價區干流河段及庫區上游支流還存在一定的繁衍棲息的條件。由于湘河水利樞紐大壩和艾瑪取水樞紐的阻隔影響，可能造成魚類種群及其遺傳交流受阻，魚類生境的片段化和破碎化導致形成大小不同的異質種群，種群間基因不能交流，影響遺傳多樣性。因此，從流域魚類情況看，本工程應采取過魚措施。根據調查，湘河水利樞紐多為棲息于河流中下層的魚類，部分為底層魚類。產卵季節的范圍主要為4-8月份。裂腹魚亞科魚類體長多為40 cm以下，高原鰍魚類多為10 cm以下。根據主要過魚對象繁殖時間，本工程過魚設施過魚季節為6-8月份。

2.2 魚類游泳能力

根據水利部中國科學院水工程生態研究所研究成果，異齒裂腹魚、雙須葉須魚、拉薩裂腹魚和拉薩裸裂尻魚等4種魚類的克流能力見表1。

綜合對比4種魚類的特征流速，感應流速相差不大，均在0.07～0.12 m/s之間；臨界游速在0.74～0.98 m/s之間，突進游速差異很小，均在1.14～1.27 m/s之間。隨著體長的增加，感應流速隨之增大，突進游速變化不大。

表1 測試魚類游泳能力表

3 過魚建筑物設計

3.1 過魚建筑物型式選擇

湘河水利樞紐水庫總庫容1.134×108m3，壩高51.0 m，水頭較高。高水頭過魚一直都是世界性難題，國內成熟的、可借鑒的經驗很少，國外研究和實踐較多，也取得了不少成熟經驗，目前主要有魚道、魚閘、升魚機、集運魚系統等。不同的過魚方式對不同類型的阻隔影響和不同生態習性的魚類的過魚效果差異較大，也受不同工程類型和地形地質的影響，需要進行綜合比選?？尚行匝芯垦须A段根據國家環境保護部關于《西藏自治區湘河水利樞紐及配套灌區工程》審查意見，過魚建筑物采用魚道。

3.2 魚道設計

3.2.1 進口設計

魚道的進口設計至關重要，進口能否被魚類較快發覺和順利進入，直接影響過魚的效果。樞紐工程正常運行工況下壩下水位在4 053.1～4 054.1 m之間變化，變幅約為1 m，水庫泄洪時不進行過魚?？紤]魚道內水深為1.2 m，進魚口底板高程擬設置2個，分別為4 052.89和4 053.89 m，分別布置于右岸靠近生態流量泄放管下游約30和70 m處。由于魚道內流量小于0.3 m3/s，水量不大，水流對于過壩魚類的吸引能力較小，擬從拉崗干渠設置2根補水管，設置魚道內補水管和閥門，根據需要開啟放流，補給魚道內的流量，并在魚道進口前形成偏愛流速，吸引魚類進入。

采用MIKE21FM模型水動力模塊對湘河水利樞紐壩下河道流場進行模擬。計算網格見圖1，沒有考慮河道在水庫運行之后發電尾水和下泄洪水的沖刷作用。對水庫調度情況進行概化，共設置5組流量邊界條件作為計算工況：Q=10 m3/s(僅下泄生態流量)，Q=15.40 m3/s(半臺機組發電)，Q=30.79 m3/s(1臺機組滿發)，Q=61.58 m3/s(2臺機組滿發)，Q=123.16 m3/s(4臺機組滿發)。

各工況下壩下河道流速分布和水深分布分別見圖2-圖6，流速和水深計算結果見表2。

從計算結果看，魚道進口1的流速在0.63～0.67 m3/s之間，水深在1.31～2.26 m之間。魚道進口2的流速在0.80～1.14 m3/s之間，水深在0.33～1.39 m之間。兩個進魚口的流速和水深基本可滿足過魚需要。

圖1 模型計算網格及特征點位置示意圖

圖3 湘河水利樞紐壩下流速和水深(Q=15.40 m3/s，半臺機發電)

圖4 湘河水利樞紐壩下流速和水深(Q=30.79 m3/s，1臺機滿發)

圖5 湘河水利樞紐壩下流速和水深(Q=61.58 m3/s，2臺機滿發)

圖6 湘河水利樞紐壩下流速和水深(Q=123.16 m3/s，4臺機滿發)

表2 魚道進口水力學計算結果表

3.2.2 池室設計

3.2.2.1 形式選擇

工程過魚對象主要為裂腹魚和鰍科魚類，主要為中下層和底棲魚類，因此池室結構采用豎縫式。根據魚道內部構筑物的功能區別，可分為池室、休息池兩部分。

3.2.2.2 池室設計

1) 魚道流速。根據國內外已有魚道的設計經驗，本工程魚道設計豎縫最大流速范圍為0.8～1.5 m/s，考慮魚道流速應能使魚類較易上溯，在魚道設計中暫將魚道內平均流速控制在0.3 m/s，設計豎縫流速控制在1.0 m/s，具體設計指標將在進行魚類游泳能力測試后得出。

2) 魚道底坡。根據類似游泳能力試驗，豎縫內設計流速為1.00～1.20 m/s，按流速1.0 m/s控制，根據計算得池室縱坡度為2.5%。

3) 垂直豎縫寬度。根據主要過魚對象的規格，過魚孔口的高度和寬度最小不應小于過魚最大體長1/2。因此，豎縫寬度為0.2 m，豎縫縫口方向宜與隔板呈45°夾角。

4) 水池水深。根據過魚對象習性，并結合本工程特性，綜合考慮本工程選定凈水深1.2 m。

5) 池室尺寸。池室凈寬尺寸越大，每級槽內的平均流速就越小，利于魚類的中間休息。但是凈寬尺寸過大，槽內的流速太小，對魚類的引導作用也將相應減弱。參照國內多數魚道設計，本工程魚道凈寬取2.0 m。池室隔墻厚度為0.20 m，高2.0 m。根據過魚對象的規格，綜合考慮每級池長2.3 m。

6) 彎道結構型式選擇。由于進口部分采用連續“繞彎”方式布置，池室部分會出現180°轉彎。根據這一特點，在轉彎處選用矩形轉彎結構，可利用水流黏滯性，在休息池處消能作用明顯，因此整體流速也相對較小，更利于魚類洄游。

7) 魚道底部。槽底部進行加糙處理，鋪以鵝卵石或礫石塊，石塊粒徑10～30 cm。另一方面，也對池底進行一定的加糙，對槽內流速有一定降低。

8) 休息池室設計。根據國內工程經驗，休息池坡度為1.0%，每隔18個池室設一個休息池，休息池長度取5～6 m。

3.2.3 誘魚系統

魚類在上溯時總是循著水流溯流而上，喜歡向陽和具有聚光性特性。根據此特點以及其它魚道設計的經驗，為了增加過魚效果，魚道入口需設立灑水誘魚裝置，并架設燈光，晚上開啟引誘。魚道內水流流量較小，為吸引魚類進入魚道入口，擬從拉崗干渠設置2根補水管，分別接到2個入口處和入口外部，以形成誘導水流，吸引魚類進入魚道。利用魚類對于光線感應特性，提高過魚效果，尤其是夜間過魚，在魚道進口處設置燈光誘魚設施。光源可采用LED水下聚光照明燈，外殼采用不銹鋼材料，具有光線強度可調節、亮度柔和、防潮密封性能好等特點。2個魚道進口兩側各設置1排照明燈，可選擇白、黃不同顏色，燈泡應可更換，以便于調整光源顏色，對比誘魚效果，針對不同過魚對象選用合適的光源提高過魚能力。

3.2.4 出口設計

結合湘河水利樞紐建筑物布置格局，出口宜布置于右岸。在右岸設置魚道壩段，采用混凝土形式。湘河水利樞紐庫區消落水位達到19 m，魚道過魚季節為6-8月份，該時段為魚類的主要產卵季節。因此，魚道出口考慮設置于4 088.00 m至正常蓄水位附近，共4個，高程分別為4 087.50、4 089.90、4 093.50和4 097.00 m，布置于大壩上游右岸約450 m處。

魚道上下游進出口總落差約為45.8 m，按照池室縱坡度2.5%計，并考慮設置休息池和觀察室，經計算，魚道長度總計約為1 968.2 m。

4 結 論

為了保證湘河在水利樞紐修建完成后仍具有良好的生物多樣性，通過調查當地魚類情況提出采用魚道作為過魚建筑物。建筑物主要包括進口、出口、池室和誘魚系統，通過模擬可知，采用兩個入口可保證各個工況下過魚所需的流量和水深。所提出的思路可為西藏其他地區水利設施建設過程中過魚建設物設計提供參考。