黃河班多水電站魚道設計

王玉孝，張 雷，李天宇

(1.國家電投集團黃河上游水電開發有限責任公司,西寧 810003；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

1 魚道工程建設目的

習近平總書記在2016年8月考察青海時指出“中華水塔”是國家的生命之源，青海最大的價值在生態、最大的責任在生態、最大的潛力也在生態，必須把生態文明建設放在突出位置來抓，筑牢國家生態安全屏障。

國家電投集團黃河上游水電開發有限責任公司為響應習近平總書記號召，積極推進生態環境保護工作，充分發揮表率及示范作用，組織開展了黃河上游茨哈峽至羊曲河段水電梯級開發環境影響評價及對策研究工作。在國家生態環境部、水電水利規劃設計總院的幫助和支持下，著力建設黃河流域第1座魚道及生態放水設施工程即班多水電站魚道及生態放水設施工程，減少大壩阻隔對水生生態環境的影響。

班多水電站2010年建成蓄水至今已有11 a，根據漁獲物補充調查結果顯示，其對水生生態的影響正在逐漸顯現。為此，根據黃河班多水電站影響范圍內的魚類資源的調查成果及電站的工程特點，進行了魚道設計及實施方案，以期減少大壩阻隔對水生生態環境的影響，保障河段連通性，保護流域魚類，改善生態環境，發揮魚類生境的示范效應[1-4]。

2 設計參數選定

根據對黃河班多水電站影響范圍內的魚類資源的研究成果，魚道池室設計需滿足以下參數要求：

(1) 黃河班多水電站工程的過魚對象為花斑裸鯉、厚重裸重唇魚、骨唇黃河魚、極邊扁咽齒魚、擬鯰高原鰍、黃河裸裂尻和刺鮈；過魚時段選擇在4～8月，重點過魚時段選擇在4～6月。

(2) 魚道內最大流速不超過1.1 m/s，緩流區流速不小于0.2 m/s。

(3) 魚道底寬為2.0 m，魚道池室水深可取0.5～2.2 m。

(4) 魚道進口應布置在右岸壩下300 m以下區域，進口水深不小于0.5 m；出口須與庫岸平順銜接，朝向應迎著水流方向，工作水深不小于0.5 m。

3 魚道布置方案比選

在過魚對象調查研究成果的基礎上，結合班多水電站工程的樞紐布置和運行方式，進行了魚道布置，初步擬定左岸魚道、右岸魚道2種布置方案進行比選。

左岸魚道布置方案：本方案將魚道進魚口布置在樞紐下游約400 m處，原導流明渠末端岸坡外側。魚道進魚口段線路逆水流方向向上游延伸，在原導流明渠及其左岸邊坡范圍以“之”字路的形式迂回向上，向上游延伸至水電站樞紐，以開孔的形式在左壩肩設置出魚口。

右岸魚道布置方案：本方案將魚道進魚口布置在廠房尾水下游約460 m處岸坡外側。魚道進魚口段線路逆水流方向向上游延伸，在廠房尾水下游約350～500 m范圍的右岸邊坡以“之”字路的形式迂回向上，于廠房尾水下游約500 m處岸坡內側開始延右岸施工道路向上游延伸至水電站樞紐，以開孔的形式通過右壩肩，之后繼續延施工道路向上游延伸至出魚口。

2種魚道布置方案從水力條件、工程布置、施工難度、運行維護、工程量及投資等方面進行綜合比選，最終確定右岸魚道布置為班多水電站魚道設計推薦方案。

4 魚道主要建筑物設計

4.1 魚道布置

根據魚道模型試驗結論，結合工程特點，優化設計了右岸魚道方案[5-11]。

推薦方案魚道總體布置如下：魚道結構主要由進魚口、魚道池室、休息室、觀察室、出魚口等組成。本工程結合平面轉彎段共布置休息室16個(含大型休息室1個)、進魚口2個、出魚口1個、觀察室1個，全長2 016.70 m。根據壩下流場流速實測情況以及生態放水管布置情況，將魚道2個進魚口分別布置在廠房尾水下游約310、380 m處岸坡外側。出魚口布置在樞紐上游約140 m庫區右岸。魚道進魚口段線路逆水流方向向上游延伸，在廠房尾水下游約60～360 m范圍的右岸邊坡以“之”字路的形式迂回向上，于廠房尾水下游約250 m處岸坡內側開始延右岸施工道路向上游延伸至水電站樞紐，以開孔的形式通過右壩肩，之后繼續延施工道路向上游延伸至出魚口。班多水電站魚道布置見圖1，班多水電站魚道全景見圖2。

圖1 班多水電站魚道布置圖

圖2 班多水電站魚道全景圖

4.2 魚道結構設計

4.2.1進魚口設計

魚道的進魚口設計的合理性直接影響過魚效果，一般應在魚類最易發覺又能順利進入的地方進行布設。根據壩下流場數值模擬和實測結果，結合本工程右岸生態放水孔的布置情況，廠房尾水下游約310、380 m處岸邊流速的量值相對適中，且水流流態較為平順，適宜各布置一個進魚口。

本工程下游河道4～8月的魚道運行期下游水位在2 719.75～2 721.53 m之間，因此按魚道運行下游最低水位2 719.75 m作為本工程魚道進魚口的設計水位。結合進魚口附近原河床地形，以及魚道運行水深的要求，設計布置2個進魚口，確定1號進魚口底板高程為2 718.44 m、2號進魚口底板高程為2 719.33 m，進魚口運行水深為1.31～2.2 m。

4.2.2池室設計

(1) 池室結構選擇

魚道池室主要有丹尼爾式和池式2種。池式魚道分為溢流堰式、潛孔式、垂直豎縫式等類型。根據班多水電站主要過魚對象的生活習性，以及各種魚道形式的適應性和消能特點，本次設計采用矩形斷面的垂直豎縫式魚道。

豎縫式魚道也分為同側、異側、雙側等不同的形式，隔板上過魚孔的位置及相鄰兩塊隔板上過魚孔的布置方式，直接影響池室水流條件。根據已有經驗，本次設計選定同側豎縫方案。班多水電站魚道池室結構見圖3。

圖3 班多水電站池室結構圖

(2) 魚道凈寬

魚道的寬度主要由過魚量、過魚對象的習性、豎縫寬度及消能條件而定。目前，國外魚道寬度多為3～5 m；國內魚道寬度多為2～3 m。班多水電站的過魚對象漁獲物最大體長40 cm，而資料記載過魚對象中花斑裸鯉在黃河上游體長可達57 cm，因此班多水電站魚道的凈寬取2 m能滿足過魚要求，且比較經濟。

(3) 池室水深

根據調查結果，在兼顧過魚對象的生態習性和工程投資的情況下，魚道池室水深取0.5～2.2 m。魚道邊墻高度按最大運行水深2.2 m加超高進行設計。

(4) 池室長度

一般認為池室的長度與水流的消能效果和魚類的休息條件關系較大。較長的水池，水流條件好，休息水域大，過魚條件好，但同時魚道造價也就越高；反之，較小的水池，會造成消能不充分或水流紊動大，過魚條件差。池室長度L應與魚道寬度B有一定的比例，可取L=(1.2～1.5)B，式中系數取1.2，適用于孔口流速不大于1.0 m/s的情況；當流速較大時，系數應在1.2～1.5或更大范圍取值。據前所述，推薦采用同側豎縫式魚道，水流順直，有利于溯游能力強的魚類較快上溯，建議系數取1.25，則班多水電站魚道池室長度為2.5 m。

(5) 池室底坡

根據NB/T 35054-2015《水電工程過魚設施設計規范》、SL 609-2013《水利水電工程魚道設計導則》，豎縫內設計流速為0.8～1.1 m/s，計算得魚道池室底坡坡度為1.8%～2.6%，本次設計取2.22%(1∶45)。

(6) 垂直豎縫寬度

參考主要過魚對象的規格，調查捕獲的魚類最大體長約0.4m。根據魚道一般設計要求，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，本魚道豎縫寬度為0.3 m。

(7) 休息室設計

為避免出現不利于魚類上溯的水流流態，魚道休息室盡可能結合轉彎段布置，共布置14處轉彎段休息室，在較長的順直段增設2處休息室，共布置16處休息室。結合魚道水工模型試驗結果，確定休息室的結構尺寸為：凈寬2 m,水深1.5～2.5 m,長度5 m,底坡水平,豎縫寬度0.3 m,導板長度0.5 m,導向角度取20°，隔板與導板厚度均取0.2 m。其中，在魚道中間部位180°轉彎處布置軸線長度為25 m的大型休息室，為本工程魚道的過魚對象提供了更加充分休息空間，提高了魚道的過魚效果。班多水電站魚道休息室見圖4、5。

圖4 轉彎段休息室圖

圖5 順直段休息室圖

4.2.3出魚口設計

根據環保對生態調度的要求，布置1個出魚口。結合水流條件、縱坡、休息室、出魚口高程等因素，出魚口布置于樞紐上游約140 m庫區右岸。考慮漂浮物影響及有利于魚類出游，出魚口與上游水流方向成夾角布置。

根據本工程水庫運行特征，4～8月魚道運行期，除電站泄洪等情況以外，庫區水位基本在維持在2 759.00～2 760.00 m之間，靠近正常蓄水位運行。本次魚道設計庫區工作水位為2 759.00～2 760.00 m，并提出對電站進行生態調度，重點過魚時段4～6月水庫盡量維持正常蓄水位運行。按照工藝參數中出魚口運行最低水深0.5 m要求，設計確定出魚口底板高程為2 758.50 m，出魚口工作水深為0.5～1.5 m。

5 過魚監測系統

5.1 功能及目的

為了觀測魚道過魚效果，掌握魚道過魚數量、種類和規律，開展魚道觀測試驗，進而總結魚道設計、建設和運行經驗。班多水電站魚道工程配置1套魚道在線監測系統，設備安裝固定在過魚通道上，利用紅外掃描技術和高分辨率數碼相機，可以對通過魚道的魚進行計數、物種識別和輪廓圖像記錄。

5.2 系統組成及布置

班多水電站魚道在線監測系統由誘魚系統、魚道觀測系統、射頻標記定位觀測系統(RFID)等組成。

5.2.1誘魚系統

誘魚系統結合魚的活動特點以及進食習性，通過模仿魚活動的生理參數，利用魚的趨光性，逆流性、實現對魚道里的魚呼喚引誘，刺激并吸引魚類集中游向上游。

班多水電站魚道工程誘魚系統由誘魚燈組和控制系統組成，在1號、2號進魚口分別設置1套誘魚燈組，采用高亮度大功率LED光源。誘魚控制系統設備安裝在魚道觀察室內。

5.2.2魚道觀測系統

魚道觀測系統主要由前端監測設備、后臺觀測設備和后臺分析軟件等組成。

前端監測設備由安裝在過魚通道上的掃描單元、攝像單元及控制單元等組成。后臺觀測設備包括1套魚道觀測工作站，布置在魚道觀察室。

掃描單元可視為放置在魚道上的一個“門”。掃描單元的二級管發射高頻(100 Hz)的紅外波束，當魚游過掃描單元時中斷紅外線波束，系統獲取過魚的輪廓、測量其尺寸、魚游過時的速度等信息。考慮在魚道進口段2號休息室和魚道出口段15號休息室的通道上，分別安裝1套由1個框架內的2個掃描板 (20 cm×100 cm)組成的掃描單元，間距在10～45 cm。

攝像單元包含水下高清相機和光學補償系統，用于記錄當魚通過掃描單元時的視頻或靜止圖像。當魚通過掃描單元時，掃描單元傳給控制單元觸發信號以及魚通過時的速度和相機距離，通過攝像通道模塊延時觸發數碼相機獲取每一條魚1～5張數碼圖片或視頻段，并同時傳給控制單元,通過處理軟件自動將數碼圖片或視頻跟系統獲取的其他信息關聯起來，如魚的尺寸、通過時間、速度、外形輪廓、溫度等。本工程考慮在魚道進口段2號休息室和魚道出口段15號休息室的通道上分別配置1套攝像單元設備，安裝在相應位置的掃描單元框架上。同時在魚道進口段1號休息室、回頭彎池段8號休息室、過壩段、出口異形池段16號休息室的通道上分別配置1套攝像單元設備(包括水下相機、水下LED和時間控制器)，安裝在不銹鋼支架上，不銹鋼支架采用導軌方式安裝在魚道側壁上。

控制單元軟件可以監視系統工作狀態，監測實時過魚信息，也可以查看魚道過魚歷史數據。在魚道進口段2號休息室和魚道出口段15號休息室的通道上分別配置1套控制單元模塊，模塊安裝在相應位置的掃描單元框架上。

水文水質模塊監測不同研究情況下魚類聚集區域、魚道口、魚道內的水質數據，通過數據分析得出最適宜魚類聚集的水質數據，詳細包括溫度、PH、溶氧、渾濁度等。水質數據通過相應的傳感設備無線通信設備連接服務器實時監測并回傳到系統。在魚道進口段1號休息室、回頭彎池段8號休息室、過壩段、出口異形池段16號休息室的通道上分別配置1個流速、水位模塊，與相應位置配置的攝像單元設備、射頻識別(RFID)模塊一起安裝固定在不銹鋼支架上，不銹鋼支架采用導軌方式安裝在魚道側壁上。在魚道出口段15號休息室的通道上安裝1個水質模塊，安裝在相應位置的掃描單元框架上。

5.2.3視頻標記定位觀測系統(RFID)

系統組件包括：RFID標簽、注射器、射頻識別(RFID)模塊(主機和天線一體)及監測軟件組成。在魚道2號、4號、6號、8號、10號、12號、14號、16號休息室的通道上分別配置1套射頻識別(RFID)模塊，模塊安裝固定在魚道側壁。需要檢測的魚類采用RFID射頻標簽標記，每個RFID有唯一編碼。當標有RFID標簽的魚通過天線時，監測系統對其進行監測記錄。通過射頻識別(RFID)模塊可實現魚道全段魚類通過數據的收集。監測軟件安裝在魚道觀測工作站上，魚道過魚數據可通過魚道監測集成設備進行采集數量、規格、視頻、運動軌跡等數據，并采用無線方式上傳到魚道觀測工作站。

6 結 論

(1) 班多水電站魚道是魚類上溯通道，主要過魚對象為花斑裸鯉、厚重裸重唇魚、骨唇黃河魚、極邊扁咽齒魚、擬鯰高原鰍、黃河裸裂尻和刺鮈。過魚時段選擇在4～8月，重點過魚時段選擇在4～6月。根據魚類游泳能力測試，魚道內最大流速不超過1.1 m/s，緩流區流速不小于0.2 m/s。

(2) 通過對左岸魚道、右岸魚道2個布置方案的比較，選擇右岸魚道布置方案為推薦方案，將魚道2個進魚口分別布置在廠房尾水下游約310、380 m處岸坡外側，此處常年有穩定尾水下泄，進口誘魚效果較好，且工程安全性高。

(3) 經過對丹尼爾式和池式2種主要魚道池室型式的比較，針對池式型魚道又比較了溢流堰式、垂直豎縫式、潛孔式等型式，并通過模型試驗，對垂直豎縫式池室比較了異側豎縫和同側豎縫2種方案，采用同側豎縫式魚道型式。

(4) 經過計算及模型試驗，確定了魚道推薦方案的進出口布置和底板高程，確定了魚道池室、休息室和隔板、導板的具體結構形式。

(5) 班多水電站魚道工程配置一套魚道在線監測系統，設備安裝固定在過魚通道上。

班多水電站魚道的設計，為以后的過魚建筑物，尤其是魚道的設計積累了寶貴的經驗，值得在其他水電站工程的魚道設計過程中借鑒和推廣。