龍塘水閘樞紐生態魚道過魚孔斷面設計優化

熊 暉，李小五，黃康鑫

（1.中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣州 510610；2.廣西水利電力勘測設計研究院有限責任公司，南寧 530023）

1 工程概況

龍塘水閘樞紐工程位于海南省海口市瓊山區，是一座集灌溉、供水、發電及防洪等綜合效益為一體的大（2）型水利樞紐工程。

工程于1970 年動工興建，包括左岸船閘、左右岸泄洪沖砂閘及引水閘、溢流壩、左右岸副壩。工程擋水高度6.8 m，屬低水頭水工建筑物，未設置過魚設施，魚類可通過泄水閘及溢流壩等下行，但洄游上行通道被堵死。近年來，環保與生態文明要求逐步提高，為加強水生生態系統的保護，擬于樞紐工程右岸補建生態魚道（見圖1）。

圖1 龍塘水閘樞紐工程總布置圖

2 魚道初步設計方案

2.1 總體布置

初步設計魚道方案采用天然蠻石（粒徑約1.0 m）將魚道沿程分隔成若干水池以消減上下游水位差6.8 m，形成魚類洄游上溯的上行通道。魚道總長度696 m，底部縱坡1/97，橫斷面寬3 m，魚道水池長度即過魚孔斷面斷面間距6 m，設計水深1.0 m，魚道進口底板高程0.57 m，魚道出口底板高程7.35 m。魚道初步設計平面布置見圖2。

圖2 魚道初步設計平面布置圖

2.2 過魚孔斷面設計

過魚孔斷面設計是形成供不同魚類所需不同流速區間的關鍵，關系著魚道設計的成敗。

本工程所需流速區間范圍大（0.18～1.20 m/s），參照相關工程經驗,通過不同區域不同通道形成不同流速，滿足不同魚類不同的習性要求。初步設計方案過魚孔斷面蠻石按3 區4 通道布置，高流速通道2個，中低流速通道各1個（見圖3和圖4）。蠻石分別設置在橫向斷面的兩個坡腳及中央位置，主斷面蠻石阻水寬度分別為0.7、1.7 和0.7 m，相應形成兩個頂寬1.3 m的三角形通道，一個寬0.8 m的近似矩形通道，一個寬為0.5 m 的近似矩形通道。為形成不同的流速通道目標，0.8 m 和0.5 m 的通道上游1.47 m 處加設輔助蠻石，同時在0.5 m 通道的下游1.6 m 處再加設輔助蠻石，形成寬1.3 m 的三角形高速通道，寬0.8 m 的矩形中速通道，寬0.5 m 的矩形低速通道。

圖3 過魚孔斷面典型槽身橫斷面圖

圖4 過魚孔斷面蠻石擺放平面示意圖

3 局部水工模型試驗

3.1 模型設計

魚道局部模型采用正態模型，按重力相似準則設計。根據魚道各段的斷面尺寸、試驗場地、設備、供水量和儀器量測精度等要求，根據《水利水電工程魚道設計導則》（SL609-2013），確定模型幾何比尺、流量比尺、流速比尺、時間比尺、糙率比尺分別為8、181.02、2.83、1.41。

魚道局部模型主要研究典型斷面的過魚水流條件，試驗選擇魚道中部長47.8 m，底寬3 m的典型區段作為研究范圍，并將其分為3段，分別為上游過渡段、試驗段、下游過渡段，其中試驗段長4.375 m，設計方案包括6 個蠻石斷面和5 個過魚池，各蠻石斷面相距87.5 cm，底坡1∶97，相鄰水池水頭差9 mm。模型布置見圖5。

圖5 模型布置圖

3.2 試驗方法

研究魚道在設計水深1 m，模型12.5 m 時的水力條件。由于局部模型主要目的是實測各方案流速流態，進行蠻石斷面擺放方案的比較，擇優選擇，流量不起控制作用，故無實測流量。模型放水后，用進水閥和上下游水位測針控制上下游水位，確保模型中相鄰魚池的平均水頭為9 mm，水深12.5 cm。待水位穩定后用旋槳式流速儀實測蠻石各擺放方案下主要過魚孔斷面流速。

3.3 試驗結果

3.3.1 初步設計方案

初步設計方案魚道局部模型過流流態見圖6，魚道典型段的過魚池表層流速見圖7。由圖7可知，主要蠻石斷面上左岸三角形高速通道的流速在1.8 m/s左右，右岸三角形高速通道的流速在1.65 m/s左右，中速通道的流速在0.9 m/s 左右，低速通道流速在1.0 m/s，過魚池中部中速通道的下方流速在0.6 m/s左右。

圖6 初步設計方案魚道局部模型過流流態

圖7 初步設計方案局部模型表層流速

從物理模型的表層流速實驗結果來看，高速通道的過魚孔斷面流速偏大，已超出主要過魚對象及我國魚類的極限流速，中速通道的流速反而高于低速通道流速值，并未達到預測的設想目的。另外，初步設計方案中過魚主通道布置在兩邊，其寬度達1.3 m，本工程的重點過魚對象是日本鰻鱺、花鰻鱺等游泳能力較弱的魚類。根據相關研究，鰻鱺是一種具有明顯的邊緣導向型魚類，它會沿著建筑物的邊界向上洄游[1]，而設計方案中兩側的過魚通道為高速通道且流速高達1.8 m/s，這對于鰻鱺來說是無法克服的流速障礙，綜上所述有必要對初步設計方案進行優化。

3.3.2 優化方案

根據《水利水電工程魚道設計導則》（SL 609-2013）要求，仿生態魚道底坡應根據主要過魚種類特性具體確定，宜為1∶100 至1∶20。魚道主要過魚種類為四大家魚、花鰻鱺及日本鰻鱺，其洄游流速相對較小，設計方案中底坡定位1∶97 是較為合理的，無需進行優化。針對設計方案中出現的流速過大問題，主要考慮從過魚池長度與蠻石斷面擺放形式進行優化。蠻石擺放過程中，為達到不同流速通道要求，需要加設輔助蠻石，而蠻石的增加直接改變了魚道的阻水程度，相應粗糙度改變，需要不停地調整水位、糙率與流速三者的關系，最終達到理想的過魚孔斷面流速。

（1）優化方案結構形式。經多方案對比，推薦方案為將過魚池的長度由7 m 調整為6 m。在試驗段共有7 個蠻石斷面、6 個過魚池，底坡不變，每個水池的水頭差為0.062 m。將蠻石斷面的過魚通道改為3區3通道，高中低流速通道各一個，高速通道布置在左岸寬0.5 m，中速主通道布置在斷面中心處寬0.8 m，低速通道布置在右岸，是一個寬為0.5 m的三角形過魚孔斷面。在此基礎上，為達到梯級流速的過魚孔斷面要求，在中速通道上游1.1 m 處以及低速通道下游1.10 m處加設輔助蠻石，蠻石粒徑分別為0.8、0.5 m，各斷面蠻石的擺放形式相同，蠻石高度均保持1 m 以上。優化方案中，過魚孔斷面面積占整個過水斷面面積的26.8%，優化結構形式見圖8、圖9。

圖8 優化方案過魚孔斷面典型槽身橫斷面圖

圖9 優化方案典型槽身斷面蠻石俯視圖

（2）優化方案流速流態分布。優化方案魚道局部模型過流流態見圖10，魚道典型段過魚池表層、中層、底層流速分別見圖11～13。

圖10 優化方案魚道局部模型過流流態

由圖11 可知，優化方案布置下，水流在各蠻石斷面處形成了較為明顯的3 條通道，并將過魚池分為兩部分，除右岸蠻石處有小范圍回流，池中未見明顯回流，對魚類的上溯不會造成影響，其中A和B的區域流速較小，一定程度上可為魚類提供休息空間。在距離水面深3、8、12 cm處分別測試主要過魚孔斷面的分層流速，低速通道由于水深較淺未測中下層流速。表層流速中，過魚池的流速分布在0.10～1.2 m/s 間，低速通道的流速分布在0.44～0.50 m/s，中速通道的流速值分布在0.82～0.96 m/s，高速通道分布在1.03 ～1.11 m/s，形成了3個梯度的流速通道，輔助蠻石形成的通道流速范圍均在0.40～0.63 m/s，池中部位于中速通道下的流速為0.49～0.74 m/s，其它部位的流速在0.2 m/s左右。

圖11 優化方案局部模型表層流速

由圖12 可知，中速通道的流速范圍為0.8～1.05 m/s，高速通道的流速范圍1.03～1.05 m/s，同樣實現了不同梯級的流速通道，輔助蠻石形成的過魚孔斷面以及池中的流速均在0.8 m/s以下，不會對魚類的洄游產生影響。

圖12 優化方案局部模型中層流速

由圖13可知，中速通道流速范圍0.68～1.05 m/s，高速通道流速范圍0.9～1.28 m/s，除個別點外，中高速通道的流速差別不大，二者流速較為相近，其它測點的流速均小于0.8 m/s。

圖13 優化方案局部模型底層流速

4 結語

綜上所述，優化方案下過魚池的過魚通道能夠形成不同的流速級別，可供具有不同游泳能力的魚類通過，并且中高低流速通道的設計符合工程主要過魚對象的生物洄游習性，低速通道靠右岸解決了鰻鱺這一較為特殊的魚類洄游問題，寬度為0.8 m的最大通道流速范圍處于我國大多魚類如四大家魚的克流范圍，是普通魚類的最佳洄游通道，而少數游泳能力較強的魚類也可從左岸的高速通道越過阻礙，因此優化后方案為最終推薦方案，可供魚道整體模型試驗及魚道設計選用。本文僅探討局部水工模型試驗在過魚孔斷面調整和優化中的作用，不涉及魚道整體水工模型試驗與數值模擬試驗，相關工作應繼續開展。