長沙綜合樞紐工程魚道布置淺析

李 強(qiáng)

（湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院 長沙市 410007）

1 概述

在湘江上修建長沙樞紐，改善湘江航運(yùn)條件、適應(yīng)湘江水運(yùn)主通道建設(shè)和適應(yīng)長株潭3市城市發(fā)展需要（長株潭城市群沿江風(fēng)光帶、城市供水等建設(shè)需要），綜合開發(fā)利用水資源，造福于民，同時也會對生態(tài)環(huán)境帶來一定的負(fù)面影響。

其中對魚類的影響主要表現(xiàn)在阻斷魚類的洄游通道，破壞產(chǎn)卵場，減少漁業(yè)資源量。這對完成生活史過程中需要進(jìn)行大范圍遷移的洄游性或半洄游性魚類往往是毀滅性的。

目前針對水利樞紐工程對魚類造成的不利影響所采取的保護(hù)一般措施包括：

（1）修建過魚設(shè)施。

（2）開展人工增殖放流。

（3）施行水庫生態(tài)調(diào)度。

（4）建立魚類保護(hù)區(qū)等。

其中，以修建過魚設(shè)施和開展人工增殖放流在國內(nèi)最為常見。在修建過魚設(shè)施方面，國內(nèi)外的主要形式有：魚道、仿自然通道、升魚機(jī)、集運(yùn)魚設(shè)施和魚閘等。通常要結(jié)合工程具體情況，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。目前國內(nèi)比較常見的過魚設(shè)施還是魚道。

國外魚道成功案例更多，如美國邦納維爾壩魚道，年平均過魚65萬尾；美國麥克納里壩魚道，年均過魚106萬尾；前蘇聯(lián)土洛馬電站魚道，日平均過魚440尾。這些魚道的建設(shè)為河流生態(tài)的修復(fù)創(chuàng)造了良好的條件。

長沙綜合樞紐工程位于長沙市望城區(qū)湘江干流蔡家洲，湖南省地方重點保護(hù)野生動物名錄中一共列出了4目11科27種保護(hù)魚類，這些魚類幾乎在湘江水系都有分布。在這27種地方保護(hù)魚類中，屬于國家重點保護(hù)野生動物名錄一級種類1種、二級保護(hù)種類1種，列入IUCN紅色目錄（1996）1種，列入CITES附錄二（II）1種，列入中國瀕危動物紅皮書（1998）6種。此外，湘江下游水域還分布有國家二級保護(hù)動物江豚。

空間遷徙受工程影響的所有魚類都應(yīng)是本工程的過魚對象。其中咸淡水洄游種類中華鱘、鰣魚、大銀魚、鰻鱺以及部分江湖半洄游魚類鳡、鳤、鯮等雖然具有洄游特性，但其資源量極低，漁獲物中已很難發(fā)現(xiàn)，故作為兼顧過魚對象。

本工程重點考慮江湖洄游及具有短距離遷移特征魚類的過壩問題，同時兼顧咸淡水洄游及壩址分布的所有魚類。主要過魚對象為四大家魚（青魚、草魚、鰱魚、鳙魚）以及鳊、銀鲴、團(tuán)頭魴、三角魴、鳠、黃尾鲴、翹嘴鲌、蒙古鲌、南方鲇等。

魚道的過魚季節(jié)為湘江的枯水期和中水期，峰值期為 3～7 月，魚道設(shè)計流速選（0.8～1.0）m/s，對于克流能力較小的其它魚類及幼魚則將采用控制運(yùn)行及魚道底部加糙等措施加以解決。

根據(jù)本工程所在河段河道地形及水位特點，綜合考慮過魚設(shè)施的誘魚能力、過魚能力、魚類適應(yīng)程度、建造成本和運(yùn)行維護(hù)等因素，結(jié)合模型試驗，魚道結(jié)構(gòu)型式為橫隔板式魚道，隔板型式為導(dǎo)板豎縫式。

2 魚道布置

2.1 魚道平面布置

長沙樞紐電站廠房布置于左汊右岸蔡家洲左側(cè)，由于受左汊河床寬度的制約，電站大部分座落在蔡家洲洲島位置，進(jìn)、尾水渠均通過疏挖河中洲島形成。

結(jié)合樞紐總體布置、蔡家洲地形地質(zhì)情況，魚道的軸線布置在主廠房邊機(jī)組1#機(jī)側(cè)，由▽20.85 m進(jìn)口沿下游護(hù)坡坡面往下游走，再往上游走至▽22.35 m進(jìn)口，此段為開敞式；進(jìn)下游防洪墻（垂直流向），再進(jìn)門機(jī)平臺擋土墻（順流向），門機(jī)平臺擋墻設(shè)魚道防洪門，穿過上游運(yùn)污道路回車坪，此段為涵洞式；再沿上游護(hù)坡坡面往上游走，至魚道出口，出口高程▽26.7 m，此段為開敞式。

為使魚道的光線、水溫等過魚條件接近自然，增大過魚幾率，在魚道布置時結(jié)合其他廠區(qū)建筑物，盡可能采用開敞式。魚道全長570 m，上下游坡面上開敞式為411 m，涵洞式為159 m。

魚道主要結(jié)構(gòu)包括電站下游尾水的輔助集魚系統(tǒng)，匯合池、補(bǔ)水管、魚道進(jìn)口、魚道出口、魚道觀察室和魚道池室。魚道平面布置見圖1。

2.2 魚道進(jìn)口

魚道的進(jìn)魚口能否為魚類較快的發(fā)覺和順利的進(jìn)入，是魚道設(shè)計成敗的關(guān)鍵因素之一。

經(jīng)湘江上游同類型的低水頭燈泡貫流式機(jī)組株洲航電樞紐及大源渡樞紐調(diào)研，邊機(jī)組尾水岸邊是魚類喜愛聚集的位置。本工程把魚道進(jìn)口布置在1#機(jī)尾水處，魚類易被吸引而進(jìn)入進(jìn)魚口，輔以誘魚、攔魚措施，有利于聚集魚群洄游上溯。

為適應(yīng)過魚季節(jié)3～7月不同入庫流量、樞紐運(yùn)行調(diào)度及下游洞庭湖頂托而產(chǎn)生的下游水位變幅，盡量提高過魚季節(jié)的過魚保證率，本工程魚道進(jìn)口宜設(shè)置多個。

圖1 魚道平面布置圖

從 《長沙綜合樞紐水庫回水報告》分析來看，“733”典型為機(jī)組正常發(fā)電狀況的典型，長沙壩址2 400 m3/s時，開始預(yù)泄，此時壩下水位為▽26.84 m，魚道將不再過魚，取▽26.84 m為魚道運(yùn)行的最高水位。則魚道高進(jìn)口高程取▽22.35 m〔（加上池底0.5 m 厚砂卵石層為▽22.85 m）、（▽26.84 m～1.5 m水位變幅-2.5 m設(shè)計水深=▽22.85 m）〕。

根據(jù)長沙壩下水位保證率2001～2008年每年3月16日至7月15日資料，▽26.84 m水位保證率為50%，即魚道高進(jìn)口50%的時間有正常水深2.5 m+1.5 m水位變幅。

魚道低進(jìn)口高程取▽20.85 m（加上池底0.5 m厚砂卵石層為▽21.35 m），魚道最低運(yùn)行水位為▽23.85 m（▽23.85 m～2.5 m設(shè)計水深=▽21.35 m）。

根據(jù)長沙壩下水位保證率2001～2008年每年3月16日至7月15日資料，▽23.85 m水位保證率為98%，即魚道低進(jìn)口98%的時間有正常水深2.5 m。

根據(jù)壩址水位流量關(guān)系曲線，長沙壩址7 000 m/s時，壩下水位為▽28.2 m，此時基本恢復(fù)天然行洪狀態(tài)，可從泄水閘過魚。

根據(jù)長沙壩下水位保證率2001～2008年每年3月16日至7月15日資料，▽28.2 m水位保證率為34%，即有34%時間可由泄水閘過魚。

綜上所述，每年3月16日至7月15日過魚保證率為84%。進(jìn)口設(shè)2個高程：▽20.85 m、▽22.35 m。魚道進(jìn)口剖面圖見圖2。

圖2 魚道進(jìn)口剖面圖

2.3 魚道出口

魚道出口位于上游護(hù)坡坡面上，距離電站進(jìn)水口250 m，流態(tài)平順，流向明確，方便魚類沿著水流和岸邊順利上溯。

長沙樞紐為無調(diào)節(jié)徑流式電站，壩前正常蓄水位（死水位）▽29.7 m，預(yù)泄時壩前水位降低，但歷時時間短，可以認(rèn)為魚道出口水位變幅小，僅設(shè)一個出口高程。魚道出口高程為▽26.7 m〔加上池底0.5 m厚砂卵石層為▽27.2 m）、（▽29.7 m～2.5 m正常水深=▽27.2 m）〕。

2.4 魚道池室

根據(jù)魚道主要過魚對象的生態(tài)習(xí)性以及經(jīng)濟(jì)斷面比較及模型試驗，并參考國內(nèi)外已建魚道的經(jīng)驗，魚道池室凈寬3 m；魚道凈水深2.5 m（設(shè)計水深）～4 m（設(shè)計水深2.5 m+水位變幅1.5 m）；魚道池室長取4.0 m（垂直豎縫隔板中心之間的距離），能滿足過魚要求且比較經(jīng)濟(jì)。

根據(jù)魚道池室長度4.0 m、設(shè)計水頭5.85 m和魚道底坡1∶69，可得每級水池承受的水位差約為0.058 m，所需的魚道水池數(shù)量為106個，同時結(jié)合魚道的整體布置設(shè)置了15個平底的休息池以供魚類在上溯過程中休息。魚道池室典型斷面圖見圖3。

圖3 魚道池室典型斷面圖

2.5 魚道隔板

魚道選擇了豎縫式隔板中的單側(cè)導(dǎo)豎式，垂直豎縫的寬度考慮所過魚類的習(xí)性、個體大小，本魚道所過魚類主要是四大家魚，四大家魚的個體相對較大，參考國內(nèi)外現(xiàn)有魚道的設(shè)計及模型試驗結(jié)果，選擇豎縫寬度為0.53 m。

采用單側(cè)導(dǎo)豎式隔板，水流除利用孔后擴(kuò)散來消能外，還需充分利用水池的寬度，使得水流在水池中形成S形流向，利用水體消能，并盡量避免孔口水流直沖下一隔壁孔口。導(dǎo)豎式隔板由橫隔板+斜向?qū)О?縱向?qū)О褰M成，對控制隔板孔口流速效果明顯。單側(cè)導(dǎo)豎式隔板見圖4。

2.6 輔助集魚系統(tǒng)

為了增大過魚能力，沿廠房下游尾水墩布置一線輔助集魚系統(tǒng)，包括補(bǔ)水槽和輸魚槽；補(bǔ)水槽壁上布置有補(bǔ)水孔，輸魚槽壁上有3個高程交錯布置的進(jìn)魚孔，以滿足下游不同水位變幅的進(jìn)魚要求。集魚槽的總長為121.6 m。輔助集魚系統(tǒng)剖面圖見圖5。

2.7 補(bǔ)水管

補(bǔ)水管為輔助集魚系統(tǒng)提供供水渠道，為避免補(bǔ)水渠從廠區(qū)穿過，與廠區(qū)建筑物交叉干擾，本工程采用Φ1.5 m鋼管埋置于主廠房1#機(jī)邊墩內(nèi)對輔助集魚系統(tǒng)補(bǔ)水。

圖4 單側(cè)導(dǎo)豎式隔板

圖5 輔助集魚系統(tǒng)剖面圖

補(bǔ)水管從電站進(jìn)口取水，補(bǔ)水管前設(shè)攔污設(shè)施，補(bǔ)水管上設(shè)有控制閘門，以控制流量的大小，使其滿足輔助集魚系統(tǒng)的集魚要求。經(jīng)過消能以后，水流由補(bǔ)水槽進(jìn)入輸魚槽。輸魚槽所需最大供水量為6m3/s。

2.8 匯合池

匯合池布置在魚道的2個主要進(jìn)口和輸魚槽的匯合處。這是所有洄游魚類必須經(jīng)過的重要通道。只有水位和水流條件合適時，魚類才會往魚道里洄游。為了保持匯合池內(nèi)的良好水流條件，在匯合池底部設(shè)置了消能格柵，以減輕補(bǔ)水時的水流紊動對魚類的影響。匯合池大樣圖見圖6。

圖6 匯合池大樣圖

3 結(jié)語

長沙綜合樞紐工程位于湖南省會長沙市，魚道的建設(shè)是對保護(hù)生態(tài)環(huán)境的積極響應(yīng)，更能彰顯“山、水、洲、城”的生態(tài)城市特色。

參考國內(nèi)外相關(guān)魚道設(shè)計實例及結(jié)合模型試驗成果，魚道的總布置和各項設(shè)施是合理的。魚道導(dǎo)豎式隔板的型式能夠滿足四大家魚習(xí)性，其流速控制也是合適的；特別是盡量開敞式的池室設(shè)計更貼近自然通道的要求，電站主廠房尾水的輔助集魚系統(tǒng)對過魚能力的增加起了決定性的作用，多高程進(jìn)口能更好的適應(yīng)下游水位的變幅，增大過魚幾率。長沙綜合樞紐工程魚道的工程實踐，將為水利水電工程建設(shè)中的魚道設(shè)計積累更加豐富的經(jīng)驗。

1 南京水利科學(xué)研究所.魚道 [M].北京：水利電力出版社,1982.

2 華東水利學(xué)院.水工設(shè)計手冊：（6）泄水與過壩建筑物[M].北京：水利電力出版社,1982.

3 楊臣瑩.湖南洋塘魚道水工水力學(xué)模型試驗報告[R].南京水利科學(xué)研究院，1978.

4 宣國祥.湘江長沙綜合樞紐工程魚道水工水力學(xué)模型試驗報告[R].南京水利科學(xué)研究院，2012.

5 王興勇，郭軍.國內(nèi)外魚道研究與建設(shè)[J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2005（3）.