已建水電工程增建過魚設施設計參數體系研究

萬 帆，牛天祥，李天宇

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

班多水電站為目前黃河上游已經建成運行的最上游一級電站，河段分布有多種黃河上游高原土著魚類，電站于2011年建成，運行多年以來對魚類生境形成了阻隔。在國家加大生態文明建設力度，高度重視黃河上游生態保護修復的形勢下，為了保護黃河上游高原魚類棲息生境和種群，針對電站建成運行形成的生境阻隔，班多水電站在黃河上游首個實施補建過魚設施，恢復河流生境連通性，修復河段水生生態系統。

在各類過魚設施中，魚道雖然投資較大，對地形地質條件要求較高，但作為連系壩上水庫和壩下河流的永久性建筑物，可一定程度上恢復河流的連通性，實現魚類雙向主動性通過；也為其提供了休憩場所，是一種保護水生物種資源和維持河道連續性的工程措施[1]。有些學者更是將其稱之為“生態廊道”[2]；班多水電站最大水頭41.5 m，具備修建魚道的場地條件。因此，選擇魚道作為班多水電站補建過魚設施的方式。

在班多魚道設計階段，已建大型水電站增建魚道在國內尚無先例，其設計方案既要保障魚道布置合理、過魚效果可靠，也要兼顧考慮施工過程中對電站運行安全的影響，并滿足電站建成后壩址區現狀地質地形條件限制。因此，設計過程中更應注重從工程運行實際出發，扎實做好確定設計參數的基礎研究，以指導魚道設計。本次研究探索了將魚類資源復核調查、魚類游泳能力試驗、壩下和庫區地形實測、壩下和庫區流場模擬及原型觀測、水庫日運行數據統計分析、水力學模型試驗等多項基礎研究相結合，確定班多水電站補建魚道的設計參數體系。

1 工程概況

班多水電站工程位于青海省海南州同德縣與興海縣交界的班多峽谷出口處，壩址處控制流域面積10.75萬km2，多年平均流量565 m3/s。水庫正常蓄水位2 760 m，死水位2 757 m，正常蓄水位下庫容0.15億m3，為徑流式電站。最大壩高為78.72 m，最大水頭41.5 m，電站裝機容量360 MW，單獨運行年發電量14.12億kW·h。

班多水電站攔河大壩為河床式廠房混凝土重力壩，施工導流明渠位于左岸，廠房尾水位于右岸。工程樞紐布置從左岸到右岸分別為左岸擋水副壩(前期為導流明渠)、泄洪閘壩段、安裝間壩段、廠房壩段、右岸擋水副壩。2011年5月，全部機組投產發電。

根據班多水電站工程運行后開展的多次魚類資源復核調查，河段原分布的土著魚類均能調查到，魚類種類并未減少，河段仍有保護魚類生境的價值。作為黃河上游目前已建的最上游一級電站，有必要盡快增建過魚設施，實現魚類雙向交流，保護河段魚類資源及棲息生境。

表2 魚道過魚時段一覽

2 研究方法及過程

2.1 過魚對象、過魚季節和過魚規格確定

2.1.1 過魚對象確定

根據歷史資料和工程運行后近年來開展的魚類資源現狀復核調查，河段無長距離洄游性魚類，部分魚類具有短距離生殖洄游需求。過魚對象選擇主要從完成生活史價值、保護其物種多樣性價值和保護其經濟價值等3個方面分析。根據以上判斷依據，應將河段分布的花斑裸鯉、厚重裸重唇魚、骨唇黃河魚、極邊扁咽齒魚、擬鯰高原鰍、黃河裸裂尻和刺鮈幾種土著魚類列為主要過魚對象。

表1 魚道過魚對象一覽

2.1.2 過魚時段確定

河段無大型長距離洄游性魚類，厚唇裸重唇魚具有一定短距離產卵洄游習性。因此班多魚道主要為魚類提供索餌和產卵的洄游通道，過魚時間選擇在魚類的生長、繁殖季節，重點為魚類的產卵季節。

根據調查，過魚對象主要產卵季節在4月～6月，不同魚類產卵時間有所差異。考慮到部分高原鰍類繁殖季節可能延后，因此過魚時段選擇在4月～8月，其中重點過魚時段選擇在4月～6月。

2.1.3 過魚規格確定

工程建設前后，在本河段開展了多次魚類調查，工程運行后開展了魚類資源復核調查。河段歷次調查的各種魚類性成熟時體長在80～240 mm不等，最大漁獲物體長392 mm。因此，本工程最大過魚對象規格取400 mm，并在設計時適當考慮超過此規格的大個體魚類過魚需求。

2.2 設計流速確定

水電水利工程魚道設計除了要考慮魚類的生活習性外，還要考慮魚道能否為各種魚類提供所需要的水力條件，過魚孔中的流速要小于過魚對象所能克服的流速[3- 4]。

2.2.1 魚類游泳能力測試

本次設計參數研究過程中，在青海黃河上游對部分過魚對象開展了游泳能力試驗[5]，測試每種過魚對象的感應流速、突進游泳速度與持續游泳速度，采用變頻環形試驗水槽、旋槳流速儀、溶氧儀等儀器進行測試。測試結果見表3。

表3 部分過魚對象游泳能力試驗結果 m/s

2.2.2 最大流速確定

根據水電工程魚道設計規范[6]，魚道的最大設計流速需要按照過魚對象中游泳能力最弱魚的突進游泳速度而定；同時，兼顧河流中其他魚類。根據游泳能力測試結果，班多魚道內最大流速建議不超過1.1 m/s。

2.2.3 緩流區流速確定

根據游泳能力試驗結果，所測量過魚對象的最大感應流速為0.147 m/s，魚道內緩流區流速按不小于0.2 m/s設計。

2.3 進口位置確定

2.3.1 庫區及壩下地形實測

由于班多水電站已運行多年，受樞紐建設和施工布置的影響，工程區地形相比建設前已發生較大變化，設計前對工程庫區及壩下1 km區域岸邊和水下地形進行了實地測量。

2.3.2 流場模擬

采用MIKE21二維水動力模型，利用地形實測結果構建班多壩軸線以下1 000 m范圍內的三角地形網格，進行不同運行工況下壩下河段水流數值模擬。模擬結果顯示，電站1臺機、2臺機、3臺機發電情況下，受地形和工程布置影響，壩下200 m內左岸河道為泄洪閘出口明渠靜水區域，壩下100～200 m河道中部區域以及壩下500 m以下左側河道存在高流速區，形成流速屏障。各工況下壩下游右側河道均存在連續的流速0.2～1.1 m/s的魚類可通過范圍。

圖1 壩下流場分布模擬結果(河流流向為自南向北)

2.3.3 流場原型觀測

為驗證流場模擬結果，并掌握過魚季節內典型工況下壩下流場實際情況，本次研究對壩下1 km范圍內的流場進行了原型觀測(見圖2)。實測采用矩陣布點，相鄰測點間隔30～50 m。測量時間為5月，實測期間電站2臺機組運行，出庫平均流量691 m3/s，實測結果如下。

圖2 壩下實測流場分布(河流流向自南向北)

(1)壩下200 m以上范圍。各斷面流速均較大，各垂線流速基本都大于1.1 m/s，河道中間位置部分區域流速大于3 m/s。

(2)壩下200 m以下范圍。左側河道從壩下約200～500 m流速在0.83～1.20 m/s之間，壩下500 m以下左側河道流速均遠大于1.1 m/s；中間河道各斷面流速均大于1.1 m/s；右側河道在壩下300 m以上測量點流速大于1.1 m/s，壩下300 m以下流速均在0.2～1.1 m/s之間，出現連續的流速適宜通道。

流場實際測量結果與二維數值模擬結果基本吻合。

2.3.4 進口位置確定

魚道進口位置應選擇水流平順、流速適宜且不大于1.1 m/s的區域，有利于魚類發現并能順利進入魚道進口。班多水電站廠房尾水位于右岸，左岸壩下200 m內范圍為泄洪閘出口明渠靜水區域，左岸明渠下游流場不夠平順，易受電站棄水、泄洪等不穩定工況影響，且下游500 m以下左側河道存在高流速區，因此本工程魚道進口布置在右岸為宜。根據壩下流場數值模擬和實測結果，壩下300 m及以下右側河道存在流速在0.2～1.1 m/s的適宜通道區域，且該范圍內河道中間和左岸流速較大，魚類容易尋找右岸適宜的水流，適合在該范圍內布置魚道進魚口。

由于班多水電站已經建成運行，電站為徑流式，水庫無調蓄能力。魚道進口布置受岸邊場地地形條件限制，且需要兼顧魚道進口圍堰施工對廠房尾水的安全影響，無法靠近廠房尾水。右岸廠房尾水下游約310、380 m處岸邊流速量值相對適中，且水流流態較為平順，在此區域分別布置2個進魚口。

2.4 進口、出口數量及高程確定

魚道進口、出口數量需根據水位變化特征考慮，并考慮運行方便。

2.4.1 壩下運行水位及魚道進口高程確定

魚道進魚口高程，既要適應過魚對象對水深的要求，還要適應下游水位的變幅。過魚時段電站運行工況主要集中在1臺機～3臺機發電，本次魚道設計取1臺機發電流量379.24 m3/s～3臺機滿發流量1 137.72 m3/s下的水位作為魚道壩下工作水位范圍，可滿足大多數時段過魚需求。魚道下游運行最低水位為1臺機滿發下游水位2 719.75 m，最高運行水位為3臺機滿發下游水位2 721.53 m，水位變幅1.78 m。

結合進魚口附近河床地形，以及魚道運行水深的要求，設計布置2個進魚口，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1.31～2.20 m。

2.4.2 庫區運行水位分析及魚道出口高程確定

班多水電站水庫正常蓄水位2 760.00 m，死水位2 757.00 m，變幅3 m。為結合工程運行以來實際情況合理確定魚道出口高程及數量，使魚道運行盡量簡單高效，參數研究階段對電站運行期5年的日運行數據進行了統計，見表4。

表4 魚類產卵及主要生長季節庫區水位統計

結果顯示，每年4月～8月過魚時段，庫區水位多數在2 759.00～2 760.00 m，占到55.86%，水庫盡量靠近正常蓄水位運行。部分天數由于汛期電站泄洪等原因導致水庫水位較低，而泄洪期間魚道不運行。因此，庫區工作水位取2 759.00～2 760.00 m，水位變幅1.00 m。

根據設計規范[6]，出魚口最低水深0.5 m要求，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。

2.5 魚道池室參數確定

班多水電站最大水頭41.5 m，根據本工程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，采用矩形斷面的垂直豎縫式魚道。主要池室參數確定過程如下：

(1)魚道池室長度。池室長度與魚體大小及魚的習性有關。個體愈大，池室應愈長，躁性急竄的魚類，應有較長的池室。對于各種魚類，池室長度不應小于大個體魚長的4～5倍，對躁性魚類應更大。根據本工程魚道過魚對象體長統計，池室長度2.5 m大于最大魚類體長的5倍；因此池室長度取2.5 m。

(2)魚道池室豎縫寬度。根據調查，過魚對象最大體長約400 mm，根據魚道一般設計要求，過魚孔口寬度最小不應小于過魚最大體長1/2，本次設計取池室豎縫寬度≥0.3 m。

(3)池室水深。魚道內的水深主要視魚類習性而定。底層活動的魚類和大個體成魚，喜歡較深的水體和暗淡的光色，故要求水深大一些；幼魚一般喜在水表層活動，池室水深可小一些。國內有關水電站魚道通過觀測，建議魚道運行水深控制在1.5～2.0 m[4]。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，本次班多魚道池室水深取0.5～2.2 m。

2.6 研究結果

根據以上研究過程，班多水電站魚道主要設計參數體系成果如表5所示。

表5 魚道設計參數體系

3 討論和結論

在國家加大生態文明建設力度，高度重視黃河上游生態修復的形勢下，本次研究對大型水電站補建魚道主要設計參數的探索，其方法和成果對于國內后續水電工程魚類生境修復工程設計工作具有很強的借鑒意義。

本次研究圍繞在已建大型水電站補建魚道這一特征，依據工程運行后的場地地形、流場、水位變幅等實際情況，充分考慮魚道過魚效果和施工對電站運行的影響，開展了魚類資源復核調查、魚類游泳能力測試、壩下和庫區地形實測、壩下和庫區流場原位觀測及模擬、水庫日運行數據統計分析等多項基礎工作，客觀合理地研究確定各項設計參數，形成了班多水電站魚道過魚對象、過魚季節、過魚規格、設計流速、進魚口位置、進出口工作水深及底板高程、池室水深、池室長度、豎縫寬度等魚道基本設計參數體系。

值得注意的是，雖然本次研究流場觀測成果提示右岸廠房下游300 m范圍內存在高流速區域，但國內部分已建水電站已調查到魚類出現在尾水處的實際情況。已建水電站增建魚道時，受場地條件限制，且考慮進口圍堰施工對廠房尾水安全的影響，往往無法將魚道進口布置在尾水處，魚道槽身段布置也較為困難，這也是已建水電站增建過魚設施的局限之處，也體現出了過魚設施在水庫蓄水前應建設完成這一要求的必要性。為進一步提高班多魚道的過魚效果，下一階段可開展壩下魚類集群觀測及魚道過魚效果觀測，研究在魚道進口設置攔魚、導魚和誘魚設施。