應(yīng)對(duì)河床下切的魚(yú)道改造方案

中圖分類(lèi)號(hào)：S956.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

水利水電工程在發(fā)揮發(fā)電、防洪、灌溉等綜合效益的同時(shí)，也造成了河流連續(xù)性中斷，魚(yú)類(lèi)難以通過(guò)大壩等人工障礙物完成產(chǎn)卵、索餌或越冬洄游等生態(tài)行為。魚(yú)道工程作為一種解決魚(yú)類(lèi)跨障礙洄游的水道設(shè)施，發(fā)揮著維系水生生物種群交流及上下游生態(tài)連續(xù)性的重要作用[，在國(guó)內(nèi)外水利工程中廣泛運(yùn)用。水利工程（如大壩、水庫(kù)）下游河床下切是常見(jiàn)的河道演變現(xiàn)象，其對(duì)工程的影響往往是綜合性的，其中包含枯水期魚(yú)道功能無(wú)法正常發(fā)揮。目前關(guān)于魚(yú)道過(guò)魚(yú)效果監(jiān)測(cè)、魚(yú)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行方案等研究較為廣泛，但研究方向相對(duì)單一，針對(duì)既有過(guò)魚(yú)設(shè)施應(yīng)對(duì)水位下切影響的研究較少，鮮有綜合性、系統(tǒng)性的解決方案。

本文以興隆魚(yú)道為研究對(duì)象，總結(jié)分析了魚(yú)道改造前存在的問(wèn)題，基于水力學(xué)分析，模擬了魚(yú)道延長(zhǎng)段過(guò)魚(yú)池和新進(jìn)魚(yú)口周邊流場(chǎng)分布，通過(guò)對(duì)比分析，提出延長(zhǎng)魚(yú)道長(zhǎng)度、優(yōu)化魚(yú)道結(jié)構(gòu)、改善洄游條件和增設(shè)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的系統(tǒng)化魚(yú)道改造方案。

1工程概況與現(xiàn)狀問(wèn)題

興隆水利樞紐是漢江中下游梯級(jí)開(kāi)發(fā)的最末一個(gè)梯級(jí)，位于漢江下游潛江、天門(mén)市交界處，上距丹江口樞紐 378.3km ，下距河口 273.7km ，為I等大（1）型工程，由攔河水閘、船閘、電站廠(chǎng)房、魚(yú)道、兩岸灘地過(guò)流段及其上部的連接交通橋等建筑物組成，屬于平原區(qū)水閘樞紐工程。興隆魚(yú)道采用整體U形槽身[2]搭配橫隔板設(shè)計(jì)，布置在電站廠(chǎng)房和船閘之間的隔流堤上，全長(zhǎng)約 399.43m ，主要建筑物有廠(chǎng)房集魚(yú)系統(tǒng)、魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口、過(guò)魚(yú)池、魚(yú)道出魚(yú)口以及補(bǔ)水系統(tǒng)等。魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口位于電站廠(chǎng)房尾水渠右側(cè)，距壩軸線(xiàn) 37m ，出魚(yú)口位于電站上游進(jìn)水渠右側(cè)，距壩軸線(xiàn) 212.3m 。

2014年9月興隆水利樞紐全面投入運(yùn)行，監(jiān)測(cè)表明，2018年之前在過(guò)魚(yú)季節(jié)（5一8月份），魚(yú)道保持正常運(yùn)行，發(fā)揮了較好的過(guò)魚(yú)效果。但近年來(lái)，隨著下游水位不斷下降，特別是遇到漢江枯水期，興隆魚(yú)道無(wú)法正常發(fā)揮功能，主要存在以下兩方面的問(wèn)題。

1.1 河床下切影響過(guò)魚(yú)

近年來(lái)，隨著漢江上游來(lái)水來(lái)沙條件變化，興隆水利樞紐下游河床下切趨勢(shì)明顯。分析歷年枯水期樞紐下游實(shí)測(cè)水位和流量對(duì)應(yīng)關(guān)系（見(jiàn)圖1）可知，當(dāng)樞紐下泄流量在 500m³/s 左右時(shí)，樞紐下游水位較原設(shè)計(jì)下降近 3m ，導(dǎo)致下游魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口附近水位僅 28.00m （黃海高程），低于魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口底板頂高程 28.70m ，影響?hù)~(yú)道在過(guò)魚(yú)季節(jié)的運(yùn)行。

圖1興隆水利樞紐下游歷年實(shí)測(cè)水位－流量關(guān)系曲線(xiàn)

根據(jù)文獻(xiàn)[3]研究成果，上下游水位變化對(duì)魚(yú)道內(nèi)流速，尤其是孔口流速影響顯著。以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例，下游水位為 29.68m 時(shí)，魚(yú)道斷面流速最大為0.62m/s ，而下游進(jìn)魚(yú)口附近流速卻達(dá)到了 1.73m/s 。

1.2魚(yú)道隔板結(jié)構(gòu)適應(yīng)性較差

興隆道原設(shè)計(jì)隔板采用底部?jī)尚》娇祝?.3m×0.3m ）加上部一大方孔（ （1.0m×1.0m ）的通道形式（見(jiàn)圖2），實(shí)際運(yùn)行中底部小孔容易被雜物淤堵，且過(guò)水?dāng)嗝婷娣e與阻水?dāng)嗝婷娣e比會(huì)隨水深的變化而變化。當(dāng)池室內(nèi)水深在設(shè)計(jì)水深為 2m 時(shí)，過(guò)水?dāng)嗝婧妥杷當(dāng)嗝娴拿娣e比為 37% ；當(dāng)池室內(nèi)水深為 ^1m 時(shí)，該面積比陡降至 4.7% ，會(huì)導(dǎo)致魚(yú)道下游進(jìn)口孔口流速顯著增加，不利于魚(yú)類(lèi)上溯。

圖2興隆魚(yú)道原設(shè)計(jì)隔板立面（單位：cm）

2 魚(yú)道改造方案

2.1 延長(zhǎng)魚(yú)道長(zhǎng)度

魚(yú)道改造的核心思路是通過(guò)修建延長(zhǎng)段增加魚(yú)道布置長(zhǎng)度，增設(shè)低進(jìn)魚(yú)口解決原魚(yú)道進(jìn)口段跌坎和水深不足的問(wèn)題。魚(yú)道延長(zhǎng)段長(zhǎng)度為 174.6m ，過(guò)魚(yú)池底坡 1：50 ，池室尺寸維持 2.6m×2.0m （長(zhǎng) × 寬），位于原魚(yú)道進(jìn)口段右側(cè)，在壩軸線(xiàn)下游約 49.9m （魚(yú) 0+9.2m ）處開(kāi)始和原魚(yú)道垂直連接，之后通過(guò)幾次彎折，在原魚(yú)道進(jìn)口上游距壩軸線(xiàn)約 28.4m 處的匯合池處穿出形成新進(jìn)魚(yú)口（見(jiàn)圖3）。

圖3魚(yú)道延長(zhǎng)段平面圖

注：圖中長(zhǎng)度單位為 cm ，高程單位為 ρ_m ，下同。

2.2 增設(shè)低進(jìn)魚(yú)口

新增進(jìn)魚(yú)口仍然布設(shè)在電站尾水渠右側(cè)護(hù)坡處，位于原進(jìn)魚(yú)口的上游側(cè)（見(jiàn)圖4）。新進(jìn)魚(yú)口在原魚(yú)道和護(hù)坡混凝土上開(kāi)槽形成，并植筋重新澆筑底板及側(cè)墻混凝土，進(jìn)魚(yú)口魚(yú)道寬度 1m ，在上游段逐漸過(guò)渡到魚(yú)道池室寬度 2m （見(jiàn)圖5）。新進(jìn)魚(yú)口上游增設(shè)工作閘門(mén)，閘門(mén)結(jié)構(gòu)型式為平面滑動(dòng)鋼閘門(mén)，孔口尺寸 2.0m×5.3m ，設(shè)計(jì)水頭 4.0m 。

圖4新增低進(jìn)魚(yú)口平面圖

確定合適的底板高程是新進(jìn)魚(yú)口設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。專(zhuān)項(xiàng)研究結(jié)果[表明，電站尾水渠水位須在 27.80m 以上方能保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)2015—2020年過(guò)魚(yú)季節(jié)每日流量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，興隆水利樞紐下泄流量大于 500m³/s 的保證率大于 95% 。如果按最低流量 500m³/s 考慮，即使在僅有一臺(tái)機(jī)組發(fā)電的情況下，尾水水位也能維持在 28.20m 以上。從魚(yú)道運(yùn)行水深方面考慮，興隆魚(yú)道設(shè)計(jì)水深 2.0m ，最小運(yùn)行水深 1.0m 。根據(jù)金沙水電站等其他水利水電工程的物理模型試驗(yàn)及數(shù)學(xué)模型計(jì)算研究成果[4]，魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口水深與魚(yú)道出魚(yú)口水深比不宜小于 2：3 ，興隆魚(yú)道上游出魚(yú)口水深常年保持在 2.3m 左右，故下游進(jìn)魚(yú)口水深不宜小于 1.5m 。綜上，如果按電站尾水渠最低水位 27.80m 考慮，新增低進(jìn)魚(yú)口的底板頂高程取 26.20m ，即可保證新進(jìn)魚(yú)口水深達(dá)到最低要求。

2.3 優(yōu)化隔板型式

魚(yú)道隔板型式多樣，主要有溢流堰式、孔口淹沒(méi)式、豎縫式和組合式等四種。近年來(lái)垂直豎縫式隔板運(yùn)用較多，在池室水深變化過(guò)程中，豎縫式隔板過(guò)水?dāng)嗝婷娣e與阻水?dāng)嗝婷娣e比恒定，對(duì)于池室水位變化的適應(yīng)能力較強(qiáng)，均適宜表層魚(yú)、中層魚(yú)和底層魚(yú)通過(guò)。經(jīng)綜合考慮，延長(zhǎng)段隔板采用單側(cè)豎縫式型式，隔板厚 20cm ，豎縫法線(xiàn)與魚(yú)道中心線(xiàn)的夾角為 45^° ，豎縫寬度為 0.4m （見(jiàn)圖6）。

圖6豎縫式隔板平面圖

2.4 魚(yú)道出魚(yú)口改造

原魚(yú)道出魚(yú)口未設(shè)隔板。魚(yú)道池室段設(shè)計(jì)流速為 1.0m/s ，但實(shí)測(cè)出魚(yú)口流速在 0.3m/s 以下，略大于魚(yú)類(lèi)的感應(yīng)游泳速度，對(duì)魚(yú)類(lèi)進(jìn)一步上溯造成不

利影響。為增大出魚(yú)口的流速，此次改造在出魚(yú)口增設(shè)了混凝土束流墩（見(jiàn)圖7），以營(yíng)造流速較大的主流供魚(yú)類(lèi)發(fā)覺(jué)。

圖7改造后的出魚(yú)口

2.5增設(shè)魚(yú)道在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為科學(xué)評(píng)價(jià)魚(yú)道運(yùn)行效果，改進(jìn)和完善魚(yú)道的運(yùn)行技術(shù)參數(shù)，為魚(yú)道過(guò)魚(yú)效果評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐，興隆魚(yú)道進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造的同時(shí)，在魚(yú)道內(nèi)增設(shè)了在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[5]。該系統(tǒng)包括水下高清攝像機(jī)、AI圖像識(shí)別系統(tǒng)、水下圖像聲吶、射頻接收系統(tǒng)[（魚(yú)道進(jìn)出口段各一套）及水體理化指標(biāo)監(jiān)測(cè)模塊等。其中水下高清攝像機(jī)適用于清水期，可快速識(shí)別統(tǒng)計(jì)過(guò)魚(yú)種類(lèi)、數(shù)量、規(guī)格等信息；水下聲吶可識(shí)別統(tǒng)計(jì)過(guò)魚(yú)數(shù)量與規(guī)格，適用于渾水期光學(xué)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)法采集數(shù)據(jù)的情況；射頻信號(hào)接收系統(tǒng)主要讀取并記錄PIT標(biāo)記個(gè)體通過(guò)的時(shí)間，用于計(jì)算魚(yú)類(lèi)通過(guò)魚(yú)道的耗時(shí)；水體理化指標(biāo)監(jiān)測(cè)模塊可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)魚(yú)期間魚(yú)道下泄流量、流速、溶解氧、水溫、濁度等數(shù)據(jù)。魚(yú)道在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可為運(yùn)行管理人員提供運(yùn)行工況可視化展示、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、視頻圖像回放、設(shè)備遠(yuǎn)程控制等功能，極大提高了工作效率。

3魚(yú)道改造效果分析

3.1基于水力學(xué)分析的魚(yú)道延長(zhǎng)段流場(chǎng)模擬

3.1.1建立數(shù)學(xué)模型

根據(jù)興隆水利樞紐的調(diào)度方案，設(shè)計(jì)魚(yú)道運(yùn)行水深為 2.0m 。基于新增魚(yú)道延長(zhǎng)段池室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，建立三維數(shù)學(xué)模型[，模擬池室水流的三維流場(chǎng)。

魚(yú)道隔板模型見(jiàn)圖8。模型上游、下游邊界水深采用魚(yú)道設(shè)計(jì)水深；過(guò)魚(yú)池上部的運(yùn)動(dòng)流體為空氣，采用恒定壓力邊界條件 p=0 ；池室邊壁采用無(wú)滑移壁面條件。過(guò)魚(yú)池自由水面模擬使用VOF法，采用流體體積分?jǐn)?shù) a_q （水相 α_w ，氣相 α_a ）描述水和氣自由表面的各種變化，水氣界面的跟蹤通過(guò)求解連續(xù)方程來(lái)完成， q 相流體輸運(yùn)控制方程為

式中： t 為時(shí)間（s）； u_i 為 i 方向的時(shí)均流速分量（ .m/s ）； x_i 為 i 方向的坐標(biāo)分量（m）。

圖8魚(yú)道隔板模型

在每個(gè)控制體內(nèi)，水和氣的體積分?jǐn)?shù)之和滿(mǎn)足a_w+a_a=1 。引入VOF模型后，混合流體的密度可表示為： ρ=α_wρ_w+（1-α_w）ρ_w ，混合流體的黏性可表示為： μ=α_wμ_w+（1-α_w）μ_a° 方程的離散采用有限體積法，在豎縫周邊區(qū)域進(jìn)行局部加密處理（見(jiàn)圖9）。

圖9計(jì)算網(wǎng)格

3.1.2模擬結(jié)果及分析

選取魚(yú)道水深 H=2.0m 工況開(kāi)展數(shù)值模擬。截取平行于魚(yú)道底面的斜截面作分析，斜截面相對(duì)池底的高度與設(shè)計(jì)水深之比 h/H 分別為0.5和0.8，流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

圖10魚(yú)道延長(zhǎng)段過(guò)魚(yú)池的流場(chǎng)

過(guò)魚(yú)池池室水流數(shù)值模擬結(jié)果表明：相鄰過(guò)魚(yú)池的流速分布相似，豎縫泄流沿豎縫導(dǎo)向前進(jìn)，兩側(cè)形成比較明顯的回流區(qū)；豎縫最大流速為 0.8～1.0 m/s ，未超出魚(yú)類(lèi)的克流能力，魚(yú)類(lèi)可以正常上溯；相鄰豎縫泄流的主流區(qū)域首尾相連，形成了明顯“S”形的主流速區(qū)；主流區(qū)（相對(duì)兩側(cè)回流區(qū)而言）寬度約 0.5～0.7m ，其流速不大于豎縫處最大流速，魚(yú)類(lèi)可以沿主流持續(xù)上溯。

魚(yú)道新增延長(zhǎng)段上下游水位組合見(jiàn)表1。當(dāng)進(jìn)魚(yú)口處水深為 1.6m 時(shí)，新增段隔板豎縫流速由上游至下游呈逐漸增大的趨勢(shì)，豎縫平均流速為 1.0～1.25 m/s ；當(dāng)進(jìn)魚(yú)口處水深為 3.0m ，新增段隔板豎縫流速由上游至下游呈逐漸減小的趨勢(shì)，豎縫平均流速0.53～0.67m/s 。滿(mǎn)足魚(yú)類(lèi)上溯條件。

表1魚(yú)道新增延長(zhǎng)段上下游水位組合

3.2 新進(jìn)魚(yú)口環(huán)境流場(chǎng)分析

3.2.1數(shù)學(xué)模型

基于FLOW-3D流體計(jì)算平臺(tái)[4建立魚(yú)道進(jìn)魚(yú)□附近環(huán)境流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算區(qū)域包括電站尾水出口、電站尾水渠及下游部分河道，控制方程為三維 k-ε 紊流方程組，自由表面處理采用VOF方法。電站機(jī)組尾水出口為模型入流邊界，依據(jù)不同的計(jì)算工況，設(shè)定不同的進(jìn)流流量；自電站機(jī)組尾水出□沿河道 210m 取河道斷面為模型出流邊界，邊界條件為靜水壓強(qiáng)；尾水渠右岸靠近壩體處新增低進(jìn)魚(yú)口，固壁邊界采用無(wú)滑移條件，液面為自由表面。

3.2.2 計(jì)算工況

根據(jù)興隆電站運(yùn)行特點(diǎn)，考慮下游水位變動(dòng)對(duì)流場(chǎng)分布的影響，選取3種典型工況。工況1，2臺(tái)機(jī)組發(fā)電（下泄流量 500m³/s ，下游水位 28.30m? ）；工況2，3臺(tái)機(jī)組發(fā)電（下泄流量 867m³/s ，下游水位 28.80m ）；工況3，4臺(tái)機(jī)組全部發(fā)電（下泄流量1156m³/s ，下游水位 30.01m ）。

3.2.3 模擬結(jié)果及分析

工況1條件下，尾水渠右部產(chǎn)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)回流區(qū)，水流方向與進(jìn)魚(yú)口的出流方向一致，增加了進(jìn)魚(yú)口的出流覆蓋范圍，有利于誘魚(yú)[；工況2、工況3條件下，機(jī)組出流導(dǎo)致尾水渠右部產(chǎn)生較大回流區(qū)，該水流順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，水流方向與進(jìn)魚(yú)口的出流方向一致，增加了進(jìn)魚(yú)口的出流覆蓋范圍，同樣有利于誘魚(yú)（見(jiàn)圖11）。

圖114臺(tái)機(jī)組滿(mǎn)發(fā)時(shí)尾水渠表面水流流態(tài)

3.3 過(guò)魚(yú)效果監(jiān)測(cè)評(píng)估

近年監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，興隆庫(kù)區(qū)分布魚(yú)類(lèi)共41種。興隆魚(yú)道改造前魚(yú)道內(nèi)人工觀(guān)測(cè)到8種魚(yú)類(lèi)，魚(yú)類(lèi)密度為 0.02～1.27 尾 /m ，改造后魚(yú)道內(nèi)監(jiān)測(cè)采樣記錄到的魚(yú)種類(lèi)達(dá)29種，占總種類(lèi)數(shù)比例達(dá) 70.73% ，魚(yú)類(lèi)密度為 0.165～5 尾 /m ，其中設(shè)計(jì)過(guò)魚(yú)目標(biāo)如草魚(yú)、青魚(yú)、鰱、、等均監(jiān)測(cè)到，且解剖發(fā)現(xiàn)性腺發(fā)育程度主要在IV期、V期，表明興隆魚(yú)道為主要過(guò)魚(yú)目標(biāo)的成熟親體提供了上溯產(chǎn)卵的繁殖通道。

4結(jié)論

（1）河床下切是樞紐工程面對(duì)的共性問(wèn)題，通過(guò)修建延長(zhǎng)段增加魚(yú)道布置長(zhǎng)度并增設(shè)低進(jìn)魚(yú)口是解決原進(jìn)魚(yú)口跌坎和水深不足的核心思路。

（2）應(yīng)綜合分析樞紐下游河床下切趨勢(shì)、電站機(jī)組安全運(yùn)行要求以及魚(yú)道進(jìn)、出魚(yú)口水深比等參數(shù)，計(jì)算出電站運(yùn)行最低尾水位，確定新進(jìn)魚(yú)口底板高程。

（3）通過(guò)開(kāi)展水力學(xué)分析，驗(yàn)證了興隆魚(yú)道改造方案的可行性。對(duì)比監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，采取新增魚(yú)道延長(zhǎng)段和低進(jìn)魚(yú)口、優(yōu)化魚(yú)道隔板結(jié)構(gòu)、設(shè)置出魚(yú)口束流墩及增設(shè)水聲學(xué)AI監(jiān)測(cè)設(shè)備的系統(tǒng)化改造后，興隆魚(yú)道過(guò)魚(yú)效果明顯提升。

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Reconstruction Scheme for Fishway in Response to Riverbed Incision： A Case Study of the Xinglong Fishway

HUKebin1，ZHU Shihong2，ZHUQiaohang1，ZHOUHui1，JIANGXiaoxi1 （1.Hubei Hanjiang Xinglong Hydro-junction Administration，Wuhan ，China；2. Changjiang Survey， Planning，Design and ResearchCo.，Ltd.，Wuhan 43o010，China）

Abstract：Fishway in the Hanjiang Xinglong Hydro-junction worked normally in the initial operation period. However，affected bycontinuous incision of the downstream riverbed，the water depth at the fishway inlet was smaller than the design value，and the inlet velocity reached 1.73m/s ，exceeding the flow resistance capacity of general fishes.During dryseasons，water levelatthe fishway inletreduced below the crest elevationof its bottom slab and caused the step-down drop，thereby affcting the normal upstream migration of fishes inbreeding season. Through in-depth analysis ofthe fishway problems，we designeda systematic reconstructionscheme including adding an extendedsection of the fishwayand alow fish inlet，optimizing thestructureofthe fishway bafle，and setting up flow constriction piers atthe fishwayoutlet.In adition，theefectoffshway reconstruction can be scientifically evaluated bythenewly equipped hydroacoustic AI monitoring system.The monitoring results showed that after the implementation of fishwayreconstruction，the number offish species increased from 8to 29，and the fish density increased from 0.02-1.27 to 0.165-5ind/m ，demonstrating significant improvement in fish passage efficiency.

Key words：Xinglong Hydro-junction；riverbed incision； fishway reconstruction；fish passage effect