依兰航电枢纽过鱼设施水流条件研究

于广年，王义安

（交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456）

依兰航电枢纽过鱼设施水流条件研究

于广年，王义安

（交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456）

采用正态1：20整体物理模型，对竖缝式鱼道及仿自然通道2种鱼道型式进行水力学试验研究。重点研究了不同流量下，鱼道内沿程水位、比降及流速等水力要素变化。进而优化了鱼道主、辅进鱼口结构形式，以及鱼道平面布置、鱼道长度、底坡、竖缝宽度及池室个数。通过对鱼道总体布置、池室结构、鱼道泄流量、沿程水位及比降变化、沿程水流流速变化，以及鱼道施工与运行维护等多方面综合比选，提出了适宜依兰航电枢纽的鱼道优化方案。

鱼道；物理模型；竖缝式鱼道；仿自然通道鱼道

Biography：YU Guang-nian（1979－），male，associate professor.

天然河流上修建永久性拦河建筑物后，使原来连续的河流生态系统被分隔成不连续的环境单元，对鱼类造成的最直接的不利影响就是阻隔了洄游通道。这对完成生活史过程中需要进行大范围迁移的洄游性和半洄游性种类往往是毁灭性的，它们不能到达原来的繁殖场、索饵场或越冬场去完成生活史，其资源量会受到严重影响；对在局部水域内能完成生活史的种类则可能影响不同水域群体之间的遗传交流，导致种群整体遗传多样性下降，鱼类的品质退化，对于一些珍稀濒危的鱼类则可能面临绝迹的风险。过鱼设施使上下游的洄游通道得以恢复，不仅增加了鱼类过坝完成洄游，以及生活史的可能性，而且对于其他生物也有积极的生态意义［1］。目前针对水利枢纽工程对鱼类造成不利影响所采取的保护措施，一般包括修建过鱼设施、开展人工增殖放流、施行水库生态调度和建立鱼类保护区等。其中，以修建过鱼设施［2］最为常见。

1 模型设计及试验控制条件

1.1 模型设计［3-4］

鱼道整体模型包括整个电站、鱼道集鱼系统、鱼道进口［5］、主体以及出口部分，根据模型设计计算结果，模型选择正态，鱼道的整体模型选取几何比尺λL=λH＝20，模型可不分整体和局部，竖缝式鱼道最小竖缝的宽度0.45 m，对应模型最小竖缝宽度2.25 cm，可满足试验及数据采集要求。

1.2 试验控制条件

（1）鱼道内设计流速［6］：过鱼设施内流速小于鱼类的巡游速度，这样鱼类可以保持在过鱼设施中前进；过鱼断面流速小于鱼类的突进速度，这样鱼类才能够通过过鱼设施中的孔或缝，同时要参考天然河道的流速而确定过鱼设施设计流速。初步设计过鱼设施内平均流速0.5～0.7 m/s，最大设计流速1～1.2 m/s。

（2）试验控制条件：现状过鱼保证率95%条件下，依兰枢纽最小过鱼流量为750 m3/s，当来水量Qs＞7 500 m3/s（Qs为牡丹江汇入前流量，Qy为汇入后流量）时，电站停机、泄水闸泄洪，洄游鱼类由泄水闸通过。

2 设计方案研究

2.1 竖缝式鱼道［7］整体物理模型设计方案

2.1.1 平面布置

本方案由鱼道进口、集鱼系统、主体槽身、鱼道出口以及观察室等附属设施组成（图1）。

2.1.2 方案评价

（1）鱼道进口段水流流急、比降大，上游来水量小于1 665 m3/s时，鱼道内竖缝最大水流流速超过鱼的克流流速，不能满足过鱼设施设计流速。

（2）鱼道平面设计2个直角弯道，在弯道上游形成壅水，进一步加大鱼道进口段水面比降。

（3）各级流量下鱼道竖缝最大水流流速多为0.8～1.0 m/s，两竖缝之间鱼池内水流流速为0.5～0.6 m/s，鱼道泄流量约为1.06 m3/s；满足过鱼设施设计流速的流量为 1 665～2 220 m3/s。

图1 竖缝式鱼道设计方案布置图Fig.1 Design layout of vertical-slot fishway

2.2 仿自然通道鱼道整体物理模型设计方案

2.2.1 平面布置

本方案主要由集鱼系统、主进口、鱼道段、过渡池、仿自然通道段、出口、观察室及附属设施组成（图2）。

2.2.2 方案评价

（1）鱼道进口段水流流急比降大，最大局部水面比降达到6.3%，竖缝处最大水流流速超过2.2 m/s，远远超过鱼的克流流速，不能满足设计要求。

（2）仿自然通道段竖缝宽度1 m，结构型鱼道段竖缝宽度0.6 m，导致2种结构形式连接处壅水现象明显，进一步加大了鱼道进口段水面比降。

图2 仿自然通道鱼道设计方案布置图Fig.2 Design layout of natural imitated fishway

3 优化方案研究

3.1 竖缝式鱼道整体物理模型优化方案

3.1.1 平面布置

与竖缝式鱼道设计方案相比，主要改变为：主进鱼口宽度由1.0 m改为0.50 m；尾水渠边墙高程由92.0 m改为93.50 m；鱼道底板高程由89.0 m改为88.50 m；主进鱼口高度由3.0 m改为5.0 m。

3.1.2 方案评价

（1）各级流量下，鱼道内沿程水面比降较均匀，无明显跌水现象；

（2）优化后，上游来流量Qs≤1 943 m3/s时，鱼道内竖缝处最大水流流速在0.6～1.2 m/s，两竖缝间鱼池内流速基本在0.5～0.6 m/s，满足设计过鱼流速要求；

（3）当依兰断面流量Qs＞1 943 m3/s时，辅助进鱼口开启情况下，主、辅进鱼口之间流速小于0.5 m/s，但辅助进鱼口水深在0.8～1.5 m，水流流速在0.65～1.0 m/s，大部分鱼类可经由该进鱼口进入鱼道；若考虑集鱼系统进鱼，将辅助进鱼口关闭时，主、辅进鱼口之间流速增加至0.6～0.7 m/s，亦满足设计要求。

3.2 仿自然通道式鱼道整体物理模型优化方案

3.2.1 平面布置

与仿自然通道式鱼道设计方案相比，主要改变为：鱼道段进口高程由89.0 m改为88.5 m，鱼道段池室数量N=H/Δh=（90.55-88.5）/0.05≈41；结构型鱼道段与仿自然通道鱼道段交接处增加一20 m×11 m方形过渡池；将结构型鱼道段竖缝宽度增加至75 cm。

3.2.2 方案评价

（1）结构型鱼道竖缝宽度增加至75 cm后，过渡池附近壅水现象基本消失，枯水流量下鱼道主进鱼口附近局部比降过大现象得到明显改善，当依兰断面流量Qy≤2 350 m3/s时，竖缝最大水流流速在0.8～1.2 m/s，两竖缝之间鱼池内水流流速为0.5～0.6 m/s，满足过鱼设施设计流速要求；

（2）当依兰断面流量Qy＞2 350 m3/s时，辅助进鱼口开启情况下，主、辅进鱼口之间流速小于0.5 m/s，无法满足设计平均流速要求，但辅助进鱼口水深超过1 m，水流流速在0.5～1.0 m/s，大部分鱼类可经由该进鱼口进入鱼道；当辅助进鱼口关闭时，主、辅进鱼口之间流速增加至0.5～0.7 m/s，满足设计要求。

4 优化方案对比

4.1 鱼道泄流量比较

竖缝式鱼道泄流量约为1.06 m3/s，而仿自然通道鱼道泄流量约为1.5 m3/s。从水资源综合利用而言，竖缝式鱼道需水量优于仿自然通道鱼道。

4.2 沿程水位变化比较

通过对2种过鱼设施试验研究表明，鱼道内水力要素变化较大段位于鱼道进口段（进口以上约400 m范围内），该段水力要素能否满足要求，是鱼道能否成功的关键所在。

竖缝式鱼道过鱼期内，当辅助进鱼口开启时，流量Qs=1 665～1 943 m3/s时，鱼道内水深为2.43～2.53 m，水面比降约为1.1%，为最佳过鱼时段；随来水量增减或下游水位增减，进口段最大水面比降在0.24%～1.78%之间变化，变化范围约为鱼道进口以上300 m，而辅助进鱼口关闭时，变化范围约为鱼道进口以上400 m。水深增加最大位置出现在辅助进鱼口附近，水深增加0.2 m左右，主、辅进鱼口之间比降增加约0.3%。

仿自然通道鱼道过鱼期内，当辅助进鱼口开启时，流量Qs=1 665～1 943 m3/s时，鱼道内水深为2.42～2.53 m，水面比降为0.6%～0.72%，为最佳过鱼时段；随来水量增减或下游水位增减，进口段最大水面比降在0.17%～1.39%之间变化，鱼道内水面比降变化范围为鱼道进口至过渡休息池。当辅助进鱼口关闭时，鱼道内水面比降变化范围约为鱼道进口过渡休息池，水深增加最大位置出现在辅助进鱼口附近，水深增加0.1～0.2 m，主、辅进鱼口之间比降增加约0.1%～0.2%。

就推荐过鱼设施沿程比降变化而言，仿自然通道鱼道优于竖缝式鱼道。

4.3 沿程流速变化比较

各级流量下，推荐过鱼设施出口段最大流速见图3，由图3可以看出：

（1）随着流量的增加，两方案鱼道内最大水流流速均呈减小趋势；（2）竖缝式鱼道最大水流流速变化范围为0.97～1.19 m，各级流量下最大水流流速均满足设计要求；（3）仿自然通道鱼道最大水流流速变化范围为1.02～1.18 m，各级流量下最大水流流速均满足设计要求；（4）当上游来流量Qs≤1 388 m3/s时，两方案鱼道内最大流速相差不大，当上游来流量Qs＞1 388 m3/s时，仿自然通道方案最大流速略大于竖缝式方案。

就推荐过鱼设施内最大流速而言，两种鱼道结构型式相当。

4.4 运行维护比较

竖缝式鱼道建成后，试运行期相对较短，加强日常维护即可。而仿自然通道鱼道试运行期相对较长，根据松花江来水、来沙特点，可能需要几年调试期，使过鱼期内沿程水面比降平顺，相邻池室流速变化不大，并需长期保持其空隙率不能有太大变化。因此，就鱼道运行维护而言，竖缝式鱼道施工与运行维护难度远远小于仿自然通道方案。

图3 两方案鱼道内最大流速对比Fig.3 Comparison of maximum velocity in fishway between two schemes

5 结论

（1）竖缝式鱼道优化方案，鱼道内水深变化均匀，无明显跌水及壅水现象，最大水面比降1.78%，出现在鱼道主进鱼口附近；竖缝处最大水流流速1.19 m/s，两竖缝间池室内水流流速基本保持在0.5～0.7 m/s，休息池内水流流速基本在0.2～0.5 m/s。当Qs≤1 943 m3/s时，集鱼系统及主进鱼口为过鱼通道；当Qs＞1 943 m3/s时，由辅助进鱼口为进鱼通道；或辅助进鱼口关闭，可由集鱼系统及主进鱼口为进鱼通道。

（2）仿自然通道鱼道优化方案，鱼道内水深变化均匀，无明显跌水及壅水现象，最大水面比降1.39%，出现在鱼道主进鱼口附近；竖缝处最大水流流速1.18 m/s，普通池室内水流流速基本保持在0.5～0.7 m/s，休息池内水流流速基本在0.2～0.5 m/s。当Qs≤2 350 m3/s时，集鱼系统及主进鱼口为过鱼通道；当Qs＞2 350 m3/s时，由辅助进鱼口为进鱼通道，或辅助进鱼口关闭，可由集鱼系统及主进鱼口为进鱼通道。

（3）竖缝式鱼道总体布置、池室结构、鱼道泄流量及鱼道施工与运行维护等方面优于仿自然通道鱼道方案，竖缝式鱼道沿程水流流速变化与结合集鱼系统仿自然通道相当，竖缝式鱼道沿程水位及比降变化相对于仿自然通道方案略差。综合考虑以上因素，以竖缝式鱼道优化方案为推荐方案。

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Study on flow condition in fish-pass structures of Yilan navigation and hydropower project

YU Guang-nian，WANG Yi-an
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Engineering Sediment，Ministry of Transport，Tianjin300456，China）

The vertical-slot fishway and the natural imitated fishway were studied through hydraulics experiment by using the normal integral model with the scale of 1：20.The variation of hydraulic factors such as water level，gradient ratio and flow rate in the fishway with different flow conditions were mainly studied.Then the primary and secondary structure，length，bottom slope，slit width and pool room number of the fishway were optimized.The fishway optimization scheme for Yilan navigation-power junction project was proposed through comprehensive comparison of fishway general layout，pool room structure，discharge volume，water level，gradient ratio changes，flow velocity variation，fishway construction，operation and maintenance.

fishway；physical model；vertical-slot fishway；natural imitated fishway

TV 61；TV 131.61

A

1005-8443（2011）06-0423-04

2011-02-16；

2011-03-21

于广年（1979-），男，山东省莱州市人，副研究员，主要从事港口航道及治河工程研究。