月潭水庫工程魚道選型及布置

邵江波

（黃山市月潭水庫管理處,安徽 黃山 245000）

安徽省月潭水庫壩址位于黃山市休寧縣海陽鎮(zhèn)首村,地處新安江源頭率水河中上游。是“十三五”期間納入規(guī)劃的172 項(xiàng)重大水利工程之一。水庫總庫容為1.57 億m3。電站裝機(jī)規(guī)模為20 MW。是黃山市現(xiàn)有的唯一一座大（2）型綜合利用水利樞紐工程。

月潭水庫所處的率水河,發(fā)源于皖贛邊陲的六股尖山脈,途經(jīng)大源河和小源河,于休寧縣流口鎮(zhèn)匯合后始稱率水。于屯溪黎陽鎮(zhèn)注入新安江,全長(zhǎng)148.2 km,是新安江最大的支流和發(fā)源地。率水河延岸植被豐厚,生態(tài)環(huán)境優(yōu)美,長(zhǎng)年水量充沛,水質(zhì)清亮透徹,延河兩岸的田園村落被群山環(huán)抱,風(fēng)光秀麗,生態(tài)優(yōu)美。然而,大壩的建造也給率水河水生態(tài)環(huán)境帶來了一定的影響,其中之一就是魚類洄游和產(chǎn)卵的生態(tài)需求受到了威脅。為了保障這些魚類的生態(tài)需求,國家環(huán)境保護(hù)部《關(guān)于安徽省黃山市月潭水庫工程環(huán)境影響報(bào)告書的批復(fù)》中明確月潭水庫應(yīng)嚴(yán)格落實(shí)水生態(tài)保護(hù)措施,專項(xiàng)設(shè)計(jì)并建設(shè)豎縫式魚道。同時(shí),根據(jù)月潭水庫運(yùn)行特點(diǎn),汛限水位160.5 m,正常蓄水位165 m,確定過魚期水庫上游水位為160.5 m～165.0 m,下游最低水位141.0 m。過魚落差在19.5 m～24 m,水位差適合建造魚道,該魚道的建設(shè)也將是黃山市境內(nèi)第一座生態(tài)魚道,它將為本地特有魚類提供了一個(gè)穿越大壩及其下游障礙的通道。這個(gè)革命性的設(shè)計(jì)不僅有助于保護(hù)魚類的遷徙和繁殖,而且還對(duì)本地區(qū)的生態(tài)平衡產(chǎn)生了巨大的影響。建設(shè)意義重大。

1 魚道發(fā)展歷史

魚類會(huì)進(jìn)行定期的遷徙和洄游,以滿足繁殖、索餌或越冬的需要。魚道便是供魚類溯河遷徙和洄游時(shí)通過閘、壩等建筑物或天然障礙物的一種人工通道,一般包括進(jìn)口、槽身、出口以及誘捕設(shè)施等[1]。早在17 世紀(jì)60 年代法國便頒布了相關(guān)規(guī)定,要求在各類壩、堰等阻斷河流的建筑物中修建相應(yīng)魚類洄游通道。而第一條真正意義上的魚道則是被稱為“丹尼爾魚道”的減速型魚道,由比利時(shí)工程師丹尼爾于1909 年設(shè)計(jì)并建造。

2 月潭水庫工程過魚方案

2.1 過魚對(duì)象和過魚季節(jié)

魚道的設(shè)計(jì)原理基于對(duì)魚類的遷移習(xí)性和水流環(huán)境的深入研究。通過模擬自然水流,魚道利用水流的動(dòng)力,使魚類能夠順利游泳通過水利工程,實(shí)現(xiàn)自由遷徙。同時(shí),魚道過魚的目的主要是種群間遺傳物質(zhì)的交流,因此,過魚對(duì)象的種類應(yīng)盡可能的多樣化,主要是在考慮其具備一定洄游能力的條件下,針對(duì)河段內(nèi)珍稀、特有以及具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的半洄游性和洄游性魚類。月潭水庫魚道主要保護(hù)對(duì)象為河段特有和珍稀的光倒刺鲃、光唇魚、大眼華鳊、尖頭鱥和“四大家魚”等為主,兼顧考慮區(qū)域其他經(jīng)濟(jì)魚類。

本工程過魚時(shí)間段主要考慮為保護(hù)魚種的產(chǎn)卵季節(jié),即每年的3 月～8 月。

2.2 過魚設(shè)施方案

一般可采取兩種大壩過魚措施,一種是以仿自然通道,仿自然型過魚設(shè)施,另一種為技術(shù)型過魚設(shè)施。常見的過魚方式有升魚機(jī)、魚閘、魚道、集運(yùn)魚系統(tǒng)等,選擇時(shí)需結(jié)合工程所在地的地形地質(zhì)條件、樞紐布置、過魚種類特性等進(jìn)行綜合比較選擇[2]。

魚道一般由進(jìn)口、槽身、出口和誘魚設(shè)計(jì)及補(bǔ)水系統(tǒng)等組成,呈連續(xù)階梯狀的水槽式過魚構(gòu)筑物[3]。宜在水流平緩穩(wěn)定,且有一定水深的岸邊或溢流出口附近布置魚道進(jìn)口。魚道適用于大部分常見魚種,它們對(duì)魚類的洄游能力要求不高,也不容易產(chǎn)生危害。其缺點(diǎn)主要是不適用于高水頭水壩,也不適用于對(duì)主要工程和調(diào)度運(yùn)行有一定影響的上下游水頭差較高的水利工程,同時(shí)它的布置需要結(jié)合電站樞紐。考慮月潭水庫工程最大壩高為36.6 m,壩型為混凝土重力壩,工程運(yùn)行水頭較低,樞紐區(qū)左右岸均為山體,地形陡峻,壩后河道不具備通航能力,升魚機(jī)和魚閘等投資較大等,綜合以上因素,月潭水庫過魚方案采用魚道。

3 月潭水庫魚道選型及布置

魚道按其結(jié)構(gòu)型式可分為槽式、仿生態(tài)式、隔斷型、及特殊型式等幾類。隔板式魚道按型式又可劃分為溢流堰式、淹沒孔口式、豎縫式和組合式。

在地形條件適宜情況下,可采用仿生式魚道,其適應(yīng)魚類范圍較廣。有較多洄游性魚種時(shí),一般采用隔板式魚道。溢流堰式則適用于表層洄游性魚類,它們一般具有跳躍習(xí)性,但其通過流量較小,易被堵塞,同時(shí)適應(yīng)上下游水位變化能力較差,水位變化幅度一般在0.3 m 以下。若工程上下游水位變化幅度較大,洄游的魚類適應(yīng)水深不同,則可選用豎縫式。

根據(jù)月潭水庫實(shí)際過魚種類和上下游水位差,并結(jié)合國家環(huán)保部環(huán)保批復(fù),選擇豎縫式魚道最為適宜。

3.1 月潭水庫魚道布置

魚道布置應(yīng)滿足主要過魚對(duì)象在主要過魚季節(jié)順利通過魚道、進(jìn)入上游安全水域、便于操作管理等方面的要求。根據(jù)工程具體條件,魚道布置可采取多層盤折式、格式、繞岸式或塔式。

月潭水庫根據(jù)工程布置,左右岸均為山體,魚道布置選擇繞岸式最為適宜,同時(shí)月潭水庫為壩后式水電站,魚道布置在電站旁側(cè)可充分利用電站尾水。

3.1.1 魚道左右岸布置方案比選

根據(jù)工程樞紐布置,如果將魚道布置于右岸,與電站的引水系統(tǒng)布置（左岸）相沖突。魚道布置在左岸,壩上游魚道明渠邊坡相對(duì)較緩,開挖工程量較小；同時(shí)左岸魚道出口與電站進(jìn)水口和泄水建筑物進(jìn)口距離較遠(yuǎn),可以避免成功上溯的魚類誤入電站引水系統(tǒng)和泄水系統(tǒng)而被帶回下游,利于魚類洄游,過魚效率相對(duì)較高。另外,進(jìn)魚口位于電站尾水側(cè),可充分利用電站下泄水流,形成誘魚水頭,提高進(jìn)魚口區(qū)域誘魚效果。

綜上所述,從魚道布置和魚道出口的過魚效率考慮,魚道布置于左岸電站旁側(cè)較為合適。

3.1.2 魚道出口布置方案比選

水庫水位將根據(jù)上游來水量進(jìn)行調(diào)節(jié),采用多個(gè)出水口,有利于控制魚道內(nèi)水流流速,滿足不同水位下的魚類洄游,開啟關(guān)閉不同水位的魚道閘門,便于運(yùn)行,有利于魚類洄游。更高效地過魚。因此本工程魚道設(shè)計(jì)采用多出口布置方案。

魚道進(jìn)口底高程為140.0 m,布置在水電站尾水末端,Z 字形向上爬升至149.6 m,再環(huán)繞樞紐管理區(qū)至魚道穿壩段,分別在159.5 m、161.3 m、163.1 m 高程設(shè)置3 層出口,穿越壩體后為減少發(fā)電引水對(duì)魚類洄游的影響,壩前魚道延伸至上游魚道擋墻出口處。壩前段長(zhǎng)度為176 m。

3.2 魚道進(jìn)出口

泄水閘、電站尾水、生態(tài)放水口等經(jīng)常有水流下泄處最為適宜布置魚道進(jìn)口,同時(shí)根據(jù)水位變幅宜設(shè)置多進(jìn)口集魚系統(tǒng)。

月潭水庫魚道進(jìn)口布置在尾水渠末端,采用多進(jìn)口集魚系統(tǒng),此處經(jīng)常有水流下泄,魚類洄游中易在水流出口處集聚,是布置魚道進(jìn)口的理想位置。進(jìn)口底高程140.0 m,進(jìn)口設(shè)計(jì)水深1.0 m,魚道進(jìn)口設(shè)置側(cè)向進(jìn)魚口,底高程140.6 m,孔口尺寸1.0 m×0.5 m（寬×高）。

魚道出口布置在左岸?壩塊穿越壩體,設(shè)置159.5 m、161.3 m、163.1 m 高程3 個(gè)出口,以適應(yīng)上游水位變幅。穿壩孔口尺寸1.5 m（寬）×1.8 m（高）,間距2.3 m,同時(shí)在?壩塊三個(gè)出口處各設(shè)置工作與事故閘門。

3.3 槽身設(shè)計(jì)

魚道中的設(shè)計(jì)通常采用逐級(jí)階梯的方式,模擬魚類在自然環(huán)境中逐步攀升或下降的水流；此外,魚道還經(jīng)常設(shè)置瀑布、急流等,模擬自然水流環(huán)境,激發(fā)魚類的遷移本能。魚道除了模擬自然水流外,還會(huì)盡力模擬魚類棲息環(huán)境,如河流底部的石塊、礫石和水草等。這樣的設(shè)計(jì)可以讓魚類感受到熟悉的生存環(huán)境,增加其對(duì)魚道的接受度,提高成功遷徙的機(jī)會(huì)。

月潭水庫魚道洄游對(duì)象為河段特有和珍稀的光倒刺鲃、光唇魚、大眼華鳊、尖頭鱥和“四大家魚”等半洄游性魚類為主。槽身設(shè)計(jì)選擇凈寬大于對(duì)象魚體長(zhǎng)的2 倍,本工程選擇為1.5 m,池室長(zhǎng)一般選擇凈寬的1.25～1.5 倍,本工程選擇為2.0 m,采用矩形斷面,依據(jù)設(shè)計(jì)導(dǎo)則槽身設(shè)計(jì)原則,月潭魚道選擇每隔10 塊隔板設(shè)一個(gè)休息池,休息池長(zhǎng)度選擇為2 倍池室長(zhǎng)度為4.0 m,魚道計(jì)算坡降為2%,所有底部均鋪設(shè)0.2 m 厚砂卵石,模擬棲息環(huán)境見圖1。

圖1 月潭水庫魚道槽身結(jié)構(gòu)圖

依據(jù)月潭水庫魚道適用魚類（半洄游性魚類）喜好流速和極限流速,月潭水庫對(duì)象魚設(shè)計(jì)流速選擇為0.8 m/s。以此流速計(jì)算隔板水位差：

式中：Δh為隔板水位差,m；v 為魚道設(shè)計(jì)流速,m/s；φ為隔板流速系數(shù),可取0.85～1.0。

經(jīng)計(jì)算,Δh=0.045～0.033。

隔板流速系數(shù)取0.85 隔板水位差為0.045 m,系數(shù)取1.0,水位差為0.033 m,本次隔板水位差擇中選取0.04 m。

魚道底坡按下式計(jì)算：

式中：I為魚道底坡；Δh為隔板水位差,m；I為魚道設(shè)池室凈長(zhǎng),m；d為隔板厚度,0.08 m。

計(jì)算得魚道底坡為0.02。

池室總數(shù)量按下式計(jì)算：

式中：n為魚道池室總數(shù)量；H為魚道最大設(shè)計(jì)水位差,m；根據(jù)月潭水庫運(yùn)行特點(diǎn),確定過魚期水庫上游水位為160.5 m～165.0 m,下游最低水位141.0 m。過魚落差在19.5 m～24 m,H取值為24 m。

計(jì)算得魚道池室總數(shù)為599 個(gè)。

魚道豎縫寬度為0.2 m,池室內(nèi)上游水深0.8 m,下游水深為0.76 m,見圖1。

魚道流量計(jì)算：

式中：h0為池室內(nèi)下游水深,m；μ為流量系數(shù),取值為0.6；s為豎縫寬,m。

計(jì)算得魚道流量為0.13 m3/s。

池室尺寸應(yīng)滿足單位水體功率耗散要求：

式中：E為池室內(nèi)單位水體功率耗散,W/m3；V為池室水體體積,m3；Q為魚道流量,m3/s；［E］為允許散耗。

計(jì)算后得出E為22.7 W/m3,滿足規(guī)范要求的小于200 W/m3。

3.4 誘導(dǎo)設(shè)施及其他輔助設(shè)施

誘魚措施可采用水流、聲、光、色和誘餌等,使零星和分散的魚類匯集起來,進(jìn)入魚道入口,提高過魚效率。本工程魚道進(jìn)口利用上層魚道留置溢流口,在進(jìn)口形成自由水流,誘導(dǎo)魚類進(jìn)入魚道槽身,溢流水量由上游出口魚道啟閉機(jī)閘門開展下泄流量,控制補(bǔ)水量,避免入口處水流流速過大或產(chǎn)生強(qiáng)烈的紊動(dòng)。同時(shí)月潭水庫工程在魚道內(nèi)前布置了魚道監(jiān)測(cè)系統(tǒng),觀測(cè)過魚效果,采用攝像頭監(jiān)測(cè),接入觀測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng),可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過魚效率。

4 經(jīng)驗(yàn)與建議

目前,過魚設(shè)施型式多種多樣,各自有不同的特點(diǎn)和適應(yīng)條件,在過魚設(shè)施選擇上前提是應(yīng)確定過魚對(duì)象,有時(shí)需考慮多種魚類過魚需求,收集與分析過魚對(duì)象便尤為重要,其次要考慮工程上下游水頭差,再綜合其工程地質(zhì)條件、經(jīng)濟(jì)適用性、運(yùn)行維護(hù)成本,合理選擇過魚設(shè)施[4]。

建造魚道是保護(hù)魚類洄游和產(chǎn)卵生態(tài)需求的一項(xiàng)有效舉措。它的建設(shè)為保護(hù)魚種提供了洄游通道,可以幫助魚類繞過大壩,確保它們能夠順利地完成洄游和產(chǎn)卵的過程。魚道并非只是單純的洄游通道,還承擔(dān)著恢復(fù)河流的連續(xù)性、完整性和維持整改生態(tài)系統(tǒng)的功能,從而保護(hù)水生生物的多樣性和生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定。因此在魚道的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和效益評(píng)價(jià)過程中應(yīng)貫徹高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展的思想[5]。不僅對(duì)目標(biāo)魚種進(jìn)行洄游觀測(cè),還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)水生生物的完整性和河道的連通性進(jìn)行綜合評(píng)估。

同時(shí),魚道的建設(shè)也可結(jié)合魚類的增殖放流,通過人工增殖放流補(bǔ)充河道水生態(tài)完整性,構(gòu)建可持續(xù)的水生生態(tài)建設(shè)。