韓江高陂水利樞紐過魚設(shè)施研究與設(shè)計

李少科

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

1 工程概況

韓江高陂水利樞紐工程是國家加快推進(jìn)水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的172項工程之一，壩址位于廣東省梅州市大埔縣高陂鎮(zhèn)上游約5km處，工程任務(wù)[1]以防洪、供水為主，兼顧發(fā)電、航運等綜合利用。樞紐正常蓄水位38.0m，設(shè)計、校核洪水位均為47.44m，防洪庫容2.673億m3，總庫容3.656億m3，電站裝機容量為4×25MW=100MW，通航最大船舶500t級。工程等別為Ⅱ等，規(guī)模為大(2)型，主要建筑物級別為2級，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇。

為減少樞紐工程建設(shè)對洄游魚類特別是對國家Ⅱ級保護(hù)動物花鰻鱺的不利影響，樞紐中設(shè)置魚道解決魚類洄游通道，也是廣東省水利樞紐工程中第一座魚道。樞紐總布置[1]為19孔泄水閘布置在河床中央，廠房布置在右岸，船閘布置在左岸，魚道出口布置在泄水閘與發(fā)電廠房之間，兩岸采用碾壓混凝土重力壩連接。壩頂總長度698.5m，最大壩高52.5m。

工程于2015年11月開工建設(shè)，2020年12月完成下閘蓄水階段驗收，2021年1月下閘蓄水。

2 過魚對象及習(xí)性

根據(jù)本工程《環(huán)境影響報告書》[2]，主要過魚對象為長距離洄游性魚類和半洄游性魚類。洄游性魚類有花鰻鱺和日本鰻鱺，花鰻鱺是一種典型的降河性洄游魚類，生命周期中約一年零三個月的時間生活在海洋：每年秋季親鰻在深海產(chǎn)卵，卵孵化、長成仔鰻，第二年冬至前后到河口；2～3年生活在淡水河湖：鰻苗從海洋上溯入河湖索餌、成長，直到長到三、四齡，始降河洄游赴深海產(chǎn)卵。本工程距離河口超過100km，花鰻鱺等洄游至工程河段時已有一定程度的成長，擁有相對較強的游泳能力，甚至能短時間內(nèi)脫離水體攀爬。半洄游性種類有青魚、草魚、鰱、鳙、三角魴等，鰱、鳙的持久克流能力0.8～0.9m/s；青、草的持久克流能力均超過1m/s。為兼顧洄游性、半洄游性魚類過閘，魚道設(shè)計流速取1m/s。根據(jù)魚類習(xí)性，花鰻鱺溯河期為3～4月；魚類繁殖洄游期為3～8月。因此，主要過魚季節(jié)定為3～8月。

因此，過魚設(shè)施的設(shè)計以國家Ⅱ級保護(hù)動物花鰻鱺為控制目標(biāo)，同時兼顧其他魚類的過壩要求。

3 過魚設(shè)施型式選擇

過魚設(shè)施型式[3]多種多樣，主要有魚道、升魚機、魚閘及集運魚設(shè)施[4]等。魚道運行時，受上游水位和流量的影響，一般只適用于水位差在20～25m以下的低水頭水利樞紐；而升魚機、魚閘及集運魚設(shè)施一般適合中、高水頭大壩，且操作復(fù)雜、運行及維修費用較高。本工程最大水位差約14m，小于20m，水頭較低，為低水頭水利樞紐，屬于魚道的適用范圍，因此，本工程過魚設(shè)施采用魚道方案。

4 魚道型式研究

魚道按其結(jié)構(gòu)型式及水力特征可分為仿生態(tài)式魚道、橫隔板式魚道、丹尼爾魚道及特殊結(jié)構(gòu)形式的魚道等[5- 6]。

仿生態(tài)式魚道[7]接近天然河道情況，宜利用樞紐工程范圍已有的河道、埡口或沖溝等地形進(jìn)行布置，受地形條件的制約，僅適用上下游水位差小的工程，相對于同水頭的其它魚道占地面積大。本工程壩址處河床相對較寬，可基本滿足樞紐各建筑物的布置，但下游約850m處河道縮窄較大，兩岸山體雄厚，沒有連接上下游的低矮埡口；同時為滿足宣泄洪水、廠房尾水出流和通航要求，增大導(dǎo)流過流斷面，降低上游施工期水位，減少臨時淹沒損失，已經(jīng)大規(guī)模擴(kuò)挖兩岸山體，因此，受地形條件限制，不具備采用仿生態(tài)式魚道的條件。

丹尼爾魚道適用于鮭魚類等體長較大、克流能力較強的魚類，魚道占地面積小，適應(yīng)上下游水位差較小的工程，但不適合花鰻鱺和鰻鱺等魚類；特殊結(jié)構(gòu)型式的魚道僅適用于幼鰻、幼蟹等能爬行的魚類，不適合成魚的洄游。

橫隔板式魚道[8- 10]特別是組合式橫隔板魚道可滿足各種習(xí)性及不同克流能力的洄游魚類通過，能夠較好的發(fā)揮各種型式孔口的水力特性，便于靈活控制所需要的池室流速流態(tài)分布。橫隔板采用表孔與底孔對稱交替布置，可形成 了不同的流速區(qū)域，滿足不同克流流速的魚類上溯，尤其是花鰻鱺上溯的要求。結(jié)合樞紐布置方案，魚道縱坡采用0.016，經(jīng)計算，表孔平均流速0.562m/s，底孔平均流速0.664m/s，小于花鰻鱺克流流速，接近魚類喜愛流速。

綜上分析，組合式橫隔板魚道占地范圍相對較小，通過組合隔板形成不同的流速區(qū)域，采取工程措施可使魚槽接近仿天然河道的環(huán)境，基本達(dá)到仿生態(tài)魚道的要求，因此，魚道采用組合式橫隔板型式。

5 魚道位置選擇

由于電站廠房尾水因電站發(fā)電產(chǎn)生經(jīng)常性水流，且發(fā)電流量遠(yuǎn)大于魚道下泄流量，是魚類集群地，因此，魚道應(yīng)布置在電站廠房附近。根據(jù)兩岸地形條件、主要建筑物的布置，考慮到花鰻鱺沿岸性洄游的特點，為方便其找到上溯通道，魚道進(jìn)口選在廠房尾水渠下游右側(cè)岸邊，出口可選位置有廠房右側(cè)或者左側(cè)。

若魚道出口布置在廠房右側(cè)，魚道需穿過右岸連接重力壩、廠區(qū)及下游尾水渠右導(dǎo)墻。該方案優(yōu)點是上游出口靠近岸邊，由于廠房上游流速小，方便魚類上溯進(jìn)入水庫。但魚道需穿過廠區(qū)，由于廠區(qū)地面高程38.3m與正常蓄水位38.0m接近，部分魚槽頂高程需略高于廠區(qū)地面，廠房運行時的人類頻繁活動對魚類上溯會造成一定的影響；部分魚槽穿過下游進(jìn)場道路及變電站區(qū)域，其地面高程較高，魚槽需做成箱涵埋于地下，長度超過100m，無法利用自然光，不利于魚類上溯；而且需在重力壩上游及廠房尾水右導(dǎo)墻設(shè)置防洪閘門，防止洪水倒灌淹沒廠房，增加魚道的運行管理難度。

若魚道出口布置在廠房左側(cè)[11]，即布置在廠房與泄水閘之間，基本可以避免魚道出口布置在廠房右側(cè)存在的不足，但魚類入庫條件相對略差。而泄水閘共18孔，分為左、右兩個區(qū)，考慮到過魚季節(jié)為3—8月，當(dāng)來流量較小時，排漂孔不泄流、不排漂，優(yōu)先考慮左區(qū)泄流，右區(qū)閘門開度較小時，河道也可滿足魚類上溯；電站發(fā)電運行時，魚道出口距離攔污柵下游側(cè)約35.8m，且各發(fā)電流量下攔污柵近區(qū)前沿流速較大值為0.7m/s，小于克流流速；當(dāng)來流量較大時，樞紐上下游流速較大，超過各種魚類上溯的克流流速，此時，魚道關(guān)閉暫停過魚。

綜上分析，魚道出口布置在廠房左側(cè)，魚槽全部為開敞式，利用自然采光，更接近天然狀態(tài)，有利于魚類上溯。

6 魚道設(shè)計

6.1 過魚水位選擇

6.1.1上游過魚水位

過魚季節(jié)為3—8月，大部分過魚時間為汛期，庫水位保持在正常蓄水位38.0m或者更高的洪水位，而宣泄洪水時魚道不過流；在3月到4月中的非汛期，除特枯年份需滿足下游供水降低蓄水位外，一般維持正常蓄水位運行，因此上游過魚水位選擇為正常蓄水位。根據(jù)《水利水電工程魚道設(shè)計導(dǎo)則》，池室水深可取1.5～2.5m，由于本樞紐過魚體長較小，設(shè)計池室水深取1.5m，則魚道出口底高程為36.5m，在特枯年份，魚道可適應(yīng)上游水位小變幅的影響。

6.1.2下游過魚水位

電站半臺機發(fā)電尾水為26.066m，2臺機滿發(fā)尾水位為27.5m，4臺機滿發(fā)尾水位為29.09m，而下游已建梯級東山水利樞紐正常蓄水位為25.5m，下游過魚設(shè)計水位需考慮水位變動的影響。根據(jù)下游水位變幅，設(shè)置3個進(jìn)口，進(jìn)口1設(shè)計水位取最低水位，即25.5m，設(shè)計池室水深取1.5m，則進(jìn)口底高程為24.0m，進(jìn)口2的底高程取25.86m，進(jìn)口3的底高程取27.06m。

6.2 魚道尺度選擇[5]

6.2.1池室凈寬

工程河段花鰻鱺體長一般為0.3～0.6m，魚道池室凈寬應(yīng)大于最大過魚體長的2倍，則池室凈寬為0.6～1.2m，參照類似工程經(jīng)驗，池室凈寬取2.0m。

6.2.2池室長度

池室長度一般為池室寬度的1.25～1.5倍，綜合考慮平面布置及縱坡因素，取1.25倍池室寬度，池室長度為2.5m。

6.2.3隔板級差及縱坡

花鰻鱺克流流速為1.0m/s，魚道設(shè)計流速取1.0m/s，隔板流速系數(shù)取1.0，則級差△h=v2/(2gφ2)=0.051m，縱坡I=△h/(l+d)=0.0204。

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仿生態(tài)魚道的縱坡宜為0.01～0.05，為適應(yīng)較幼小花鰻鱺上溯，宜適當(dāng)減小縱坡降低魚槽流速。參照類似工程經(jīng)驗，縱坡采用仿生態(tài)魚道縱坡取0.016，則反算魚道隔板級差為0.04m。

6.2.4池室數(shù)量

n=H/△h-1=312(個)

6.3 魚道布置及構(gòu)造設(shè)計

6.3.1魚道布置

魚道出口布置在泄水閘排漂閘與發(fā)電廠房之間，平面上采用 “Z”道字型布置，上游段順?biāo)鞣较蜓貜S房布置，到廠房尾水墩末端轉(zhuǎn)向右側(cè)，垂直水流方向布置至尾水渠右側(cè)導(dǎo)墻，然后順?biāo)鞣较蜓赜覀?cè)導(dǎo)墻布置，到導(dǎo)墻末端沿山體開挖支護(hù)邊坡布置，下游布置魚道進(jìn)口，總長度894.3m，魚道平面布置如圖1所示。

圖1 魚道平面布置圖

從上至下依次布置魚道出口、出口檢修閘門及工作閘門、魚槽、進(jìn)口檢修閘門及進(jìn)口。出口凈寬2.0m，底坎高程為36.5m；魚槽凈寬2.0m，深2.0m，縱坡0.016，池室長2.5m；由于魚道縱坡較緩，約每隔10～20個池室設(shè)置一個休息室，休息室長取2倍池室長度為5.0m，為平底，共布置20個休息室。魚道設(shè)置3個進(jìn)口[12]，寬度2.0m；進(jìn)口1底坎高程24.0m，進(jìn)口下游采用1∶10的坡度拋填塊石、卵石，與河床銜接；進(jìn)口2的底坎高程25.86m，進(jìn)口下游采用1∶4的坡度與河床銜接；進(jìn)口3的底坎高程取27.06m，進(jìn)口下游采用1∶4的坡度與河床銜接。在進(jìn)口3左側(cè)設(shè)置擾流柱改善沿岸進(jìn)口流速分布，形成滿足花鰻鱺上溯的流速區(qū)。

6.3.2構(gòu)造設(shè)計

為降低橫隔板過魚孔的流速，在魚槽及進(jìn)口銜接段底部設(shè)置0.2m厚塊石、卵石粗底質(zhì)，魚槽兩側(cè)混凝土墻鑲嵌卵石，營造仿天然河道的環(huán)境，方便魚類上溯。

池室橫隔板采用組合式橫隔板，設(shè)置表孔和底孔，矩形斷面表孔孔口尺寸為0.5m×0.9m(寬×高)，底孔孔口尺寸為0.5m×0.6m，表孔與底孔對稱交替布置；梯形斷面表孔孔口尺寸為0.6m×0.5m(寬×高)，底孔孔口尺寸為(0.6+0.9)m×0.6m，表孔與底孔對稱交替布置，形成不同流速區(qū)域。橫隔孔口板布置如圖2。

圖2 魚槽橫斷面圖

6.4 水力計算[5]

6.4.1表孔過流流量

6.4.2底孔過流流量

6.4.3魚道設(shè)計流量及平均流速

Q=Q表+Q底=0.465m3/s；

6.4.4魚道水體的消能率

E=ρg△hQ/V=24.32W/m3<[E]=150W/m3，滿足規(guī)范要求。

7 水工模型實驗[13]

為驗證魚道布置的合理性，開展了一系列水工模型試驗研究，主要結(jié)論如下：

(1) 魚道布置、隔板尺寸、魚池尺寸和魚槽坡比等主要參數(shù)是基本合理的。

(2) 局部模型條件下，矩形橫隔板表孔流速較大值約0.71m/s、平均流速約0.65m/s；底孔流速較大值約0.79m/s，平均流速約0.60m/s；梯形橫隔板表孔過流流速較大值約0.73m/s、平均流速約0.58m/s；底孔過流流速較大值約0.75m/s、平均流速約0.66m/s。受模型比尺、孔口尺寸及測量誤差的影響，整體模型實測各表孔、底孔流速增大約10%，可以滿足過魚流速要求。

(3) 魚道設(shè)置3個進(jìn)口可適應(yīng)不同魚槽水深(1.0～1.5m)和0.5～4臺機發(fā)電運行時的下游水位變幅的運行要求，但進(jìn)口3在2臺機發(fā)電時，魚道進(jìn)口區(qū)域的水流流速小于魚類感應(yīng)流速0.2m/s，應(yīng)當(dāng)在進(jìn)口處設(shè)置噴水設(shè)施，增大表面水流流速。

(4) 0.5～4臺機組發(fā)電運行時，魚道進(jìn)口1 區(qū)域的河道流速小于1.0m/s；2～4臺機組發(fā)電運行時，魚道進(jìn)口2和進(jìn)口3近區(qū)河道流速均大于1.5m/s，大于花鰻鱺的克流流速1.0m/s。因此，在魚道進(jìn)口3左側(cè)布置改善水流的措施后，可保證沿岸15m范圍內(nèi)流速滿足0.2m/s

(5) 為使魚類能夠順利上溯，建議排漂孔不要全開運行，以免對魚類上溯造成影響；電站發(fā)電運行時，攔污柵近區(qū)前沿流速較大值為0.7m/s，小于克流流速；泄水閘閘門開度小于0.5m時，出口河道流速均小于0.5m/s，魚類仍可由攔河閘一側(cè)上溯。

8 結(jié)語

韓江高陂水利樞紐工程魚道盡量按照仿生態(tài)魚道的要求進(jìn)行設(shè)計，解決了魚槽由矩形斷面到梯形斷面的水位銜接，設(shè)置了3個進(jìn)口以適應(yīng)下游水位變幅的影響，通過擾流柱改善了進(jìn)口下游沿岸流速分布，形成滿足花鰻鱺上溯的流速范圍，對后續(xù)魚道設(shè)計具有借鑒意義。但魚道出口布置在泄水閘與電站進(jìn)口攔污柵之間，與《水利水電工程魚道設(shè)計導(dǎo)則》的要求存在較大差異，雖然通過優(yōu)化電站攔污柵布置及泄水閘調(diào)度可基本滿足過魚要求，由于該魚道尚未完全建成投入運行，實際過魚效果還有待今后的運行檢驗。