水利水電工程魚道設計方法簡析

李洋洋 蘇 慧 張 游 劉娜娜

（1.徐州市水利建筑設計研究院 徐州 221100 2.徐州市水利工程運行管理中心 徐州 221100 3.江蘇泓科工程咨詢集團有限公司 徐州 221100）

1 引言

本次擬建的5#閘是拉薩河城區(qū)段綜合整治工程6級梯級蓄水閘之一。該閘建成后，能夠留住下泄河水，用于改善河道水生態(tài)環(huán)境和水景觀，提升拉薩城市整體形象和綜合能力，促進人與自然和諧共生。對于魚類而言，由于覓食、繁殖等原因，魚類自然情況下是在河道上、下游自由地游動，但是由于水閘的建成，將河道形成物理攔截，魚類無法跨越水閘，阻礙部分魚類回歸大自然，嚴重影響了該閘附近的生態(tài)環(huán)境，因此魚道的規(guī)劃設計尤為重要。

2 工程概況

本次建設的拉薩河5#閘為《拉薩河流域綜合規(guī)劃修編報告（2015—2035年）》和《拉薩市拉薩河（城區(qū)段）綜合整治工程規(guī)劃報告》規(guī)劃建設的6級梯級蓄水閘之一，該工程主要工程任務是在不影響河道行洪能力的前提下，營造濱水濕地景觀，改善河道生態(tài)環(huán)境，提升城市整體形象，加快修復拉薩河流域山水林田湖草生態(tài)系統(tǒng)，是創(chuàng)建人水和諧、宜商宜居拉薩水城的重要基礎設施工程，不僅具有顯著的旅游效益及土地增值效益，而且還具有巨大的生態(tài)效益和社會效益，工程的實施對拉薩市的經濟社會發(fā)展具有重要而深遠的意義。

拉薩河5#閘閘室垂直水流方向總寬517.32m，順水流方向總長192.0m，共6孔，其中為便于水閘檢修、沖砂及泄流調節(jié)，左側位于天然主槽的1孔設為深孔，底板高程3649.0m，其余5孔為淺孔，底板高程3650.0m；左右岸設液壓啟閉機房各1處。

3 計算案例

拉薩河5#閘閘址處河道天然主槽位于左岸，為便于枯水期魚類洄游，過魚設施布置于左岸，與左岸翼墻及閘室左岸邊墩結合。過魚設施采用豎縫式魚道，順水流方向總長194.0m，其中借用水閘深孔段左岸邊墩長12.0m，進出口連接翼墻段長44.0m，進出口控制閘各9.0m。魚道凈寬3.0m，通過空箱內填埋石混凝土形成i=1∶46的縱向底坡；魚道內采用交錯隔板形成豎縫，縫寬0.3m；進出口控制閘采用胸墻式，孔高2.0m，配3.0m×2.0m鑄鐵閘門各1扇，配手電兩用暗桿式啟閉機。

5#閘工程主要過魚對象見表1。

表1 魚道過魚對象一覽表

根據(jù)本河段水生調查成果，該工程的兩種主要過魚對象異齒裂腹魚、拉薩裸裂尻的繁殖期分別為3—5月、5—6月，確定魚道主要過魚季節(jié)為3—6月。

3.1 魚道設計流速

依據(jù)《水利水電工程魚道設計導則》（SL609-2013）3.0.5條，魚道設計流速可取主要過魚對象極限流速，條件允許時可兼顧主要過魚對象喜好流速。

依據(jù)《水利水電工程魚道設計導則》（SL609-2013）附錄A.2魚類的游泳能力利用公式A.2.2估算魚類極限流速。

結合環(huán)境保護章節(jié)，該工程魚道設計流速取1.10m/s，下階段結合魚類游泳能力試驗成果確定魚道的設計流速。

3.2 豎縫

豎縫寬度一般依據(jù)過魚對象捕獲物的大小決定。由觀測資料可知，5#閘附近有大型魚類（拉薩裂腹魚，體長0.5m左右）通過。經綜合考慮豎縫取0.3m。

3.3 魚道凈寬

魚道凈寬主要由過魚量和過魚對象個體大小決定，過魚量或魚的個體越大，魚道要求越寬。魚道寬度直接決定魚池的水量，魚池水量除滿足消能要求外，還需滿足過魚能力的要求。魚道凈寬一般不宜小于主要過魚對象體長的2倍。經綜合考慮魚道凈寬取3m。

3.4 池室長度

池室長度與水流的消能效果和魚類的休息條件密切相關。較長的池室水流條件較好，休息水域大，對過魚有利。該工程池室長度取3.3m。

3.5 魚道水深

魚道水深一般不宜小于主要過魚對象體長的2.5倍，經綜合考慮魚道水深取1.5～2.0m。

3.6 休息池設置

休息池設置原則：每隔10～20塊隔板宜設一個休息池，休息池宜為平底。

該工程魚道結構型式采用豎縫式組合魚道，斷面為矩形，水深1.5～2.0m，凈寬3m，魚池長3.3m，每9塊隔板設一個休息池，休息池長6.5m。魚道采用鋼筋混凝土結構型式，內部用埋石混凝土以增加魚道糙率，從而達到近自然效果。

3.7 魚道出口設置

魚道出口設置于遠離閘軸線位置，以免上溯魚類被閘頂溢流帶回下游。本次出口設置于水閘上游護砌段附近，距閘軸線73.5m。

在主要過魚季節(jié)（每年3—6月），魚道閘門全開；其余時間，閘門關閉。

在魚道運行期間，5#閘上游正常蓄水位為3653.0m，故在高程3653.0m以下設出魚口，出口底板高程3651.0m。

3.8 魚道進口設置

魚道進口設置于閘下消能防沖設施以外，以保證進口較為平穩(wěn)的水流流態(tài)。本次進口設置于防沖槽下游，距閘軸線76.5m。

在魚道運行期間，5#閘下游水位3650.0m附近，故在高程3650.0m以下設進魚口，進口底板高程為3648.5m。

3.9 輔助設施

魚類在上溯時總是循著水流溯流而上，喜歡向陽和具有聚光性特性。根據(jù)此特點以及其他魚道設計的經驗，為了增加過魚效果，魚道入口需設立灑水誘魚裝置，并架設燈光，晚上開啟引誘。

光源可采用LED水下聚光照明燈，外殼采用不銹鋼材料，具有光線強度可調節(jié)、亮度柔和、防潮密封性能好等特點。

4 魚道水利設計

4.1 隔板水位差

隔板水位差按下式計算：

式中：Δh—隔板水位差，m；

v—魚道設計流速，取1.10m/s；

g—重力加速度，取9.81m/s2；

經計算隔板水位差Δh=0.06～0.09m，隔板水位差按照實際確定的魚道底坡最終選定。

4.2 魚道底坡

魚道底坡可按下式計算：

式中：I—魚道底坡；

Δh—隔板水位差，m；

l—魚道池室凈長，取3.3m；

圖1 魚道隔板平面布置圖

d—隔板厚度，取0.2m。

經計算魚道底坡=0.018～0.026。該工程取1/46=0.022，實際隔板水位差為0.09m。

4.3 魚道流量

按照《水利水電工程魚道設計導則》（SL609-2013）條文說明6.1.9條，豎縫式隔板魚道流量按下式計算：

式中：Q—豎縫式魚道流量，m3/s；

μ—流量系數(shù)；

s—豎縫寬度，取0.3m；

ho—池室內下游水深，m；

hu—池室內上游水深，m；

Δh—隔板水位差，取0.09m。

經計算豎縫式魚道流量為0.52m3/s。

4.4 單位水體功率耗散

單位水體功率耗散按下式計算：

式中：

E—魚道單位水體功率耗散，W/m3；

[E]—允許單位水體功率耗散，取200W/m3；

ρ—水的密度，取1000kg/m3；

Δh—隔板水位差，取0.09m；

Q—魚道流量，取0.52m3/s；

V—池室水體積，經計算得13.96m3。

經計算魚道單位水體功率耗散E=32.94W/m3＜200W/m3，滿足要求。

4.5 池室數(shù)量

魚道最大設計水位差為3m，魚道運行期間，其中魚道上游水位為3653.00m，魚道下游水位為3650.00m，隔板水位差為0.09m，則池室數(shù)量為：

式中：n—魚道池室數(shù)量；

H—魚道最大設計水位差，m；

Δh—隔板水位差，m。

依據(jù)汛期及非汛期魚道設計水位差及隔板水位差，結合5#閘工程魚道實際布置，魚道池室數(shù)量為32個。

4.6 魚道總長

魚道池室數(shù)量為32個，池室凈長度為3.3m，隔板寬度為0.2m，休息池數(shù)量為3個，休息池凈為6.5m。則魚道總長為：

L=n（1+d）+m（Δl+d）

式中：L—魚道總長，m；

m—休息池個數(shù)；

Δl —休息池池室凈長，6.5m。

依據(jù)魚道池室、休息池數(shù)量和長度以及隔板厚度，考慮進、出魚口，實際魚道長132.1m，加上進出口控制閘及連接翼墻，魚道工程總長194m。

5 魚道生態(tài)綜合監(jiān)控系統(tǒng)平臺

魚道生態(tài)綜合監(jiān)控系統(tǒng)管理平臺應能實現(xiàn)數(shù)據(jù)展示分析軟件單元、魚道附屬設備控制單元、魚道周邊生態(tài)環(huán)境監(jiān)測單元、魚道過魚監(jiān)測系統(tǒng)單元的統(tǒng)一操作界面管理。

魚道附屬設備控制單元控制平臺，實現(xiàn)在魚道觀測室對誘導魚系統(tǒng)、過魚控制設備的遠程監(jiān)控，包括對魚道出入口的閘門監(jiān)控、誘魚驅魚設施監(jiān)控；應能根據(jù)上、下游水位情況通過控制魚道上、下游閘門開度來實現(xiàn)整體流速控制；根據(jù)補水點區(qū)域的流速情況，通過控制補水設施對該區(qū)域的流速進行補償，實現(xiàn)魚道各部位均能保持生態(tài)流速。

魚道生態(tài)環(huán)境監(jiān)測單元實現(xiàn)對魚道區(qū)域自然環(huán)境的監(jiān)測顯示和圖像存儲，諸如氣壓、水溫、各處流態(tài)等，以支撐不同氣象環(huán)境下魚類遷移習性的分析。同時，實現(xiàn)操作設備的畫面實時視頻監(jiān)控，如操作閘門時自動推送閘門視頻監(jiān)視畫面，對采集到的所有運行環(huán)境數(shù)據(jù)進行綜合處理。

魚道過魚監(jiān)測系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)對魚道過魚情況及魚道水位、水溫、流速、水質、視頻、PIT等信息的采集與監(jiān)測分析，過魚數(shù)量自動統(tǒng)計、過魚輪廓（長度、寬度）測量、過魚種類分類、過魚數(shù)據(jù)存儲、過魚視頻圖像記錄及抓拍、過魚視頻錄制，并提供數(shù)據(jù)分類統(tǒng)計、查詢等功能。

6 結語

5#閘工程通過新建魚道，改善了拉薩河的水生生態(tài)系統(tǒng)。通過對魚道的布置形式的優(yōu)化，以及對拉薩河段的水位特征分析，表明本次魚道設計的布置方案是可行的