依兰航电枢纽竖缝式鱼道优化研究

于广年

（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）

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，而且对于其它生物也有积极的生态意义［3］。

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，以修建过鱼设施最为常见。

1 模型设计及试验控制条件

1.1 模型设计

鱼道整体模型包括整个电站、鱼道集鱼系统、鱼道进口、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0.45m，对应模型最小竖缝宽度2.25cm，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：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0.5～0.7m／s，过鱼设施内最大设计流速1～1.2m／s［6］。

（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750m3／s，当来水量Q松＞7500m3／s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

2.1 工程布置［4］

依兰航电枢纽竖缝式鱼道系统主要由鱼道进口、集鱼系统、主体槽身、鱼道出口以及观察室等附属设施组成。鱼道布置在电站右侧的右岸上，鱼道绕厂前区转折一次后延伸至上游 （图1）。

图1 鱼道设计方案布置图

图2 鱼池室结构平面布置

2.2 试验结果

（1）鱼道进口段水流流急、比降大，上游来水量小于1665m3／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）鱼道平面设计两个直角弯道，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大多为0.8～1.0m／s，两竖缝之间鱼池内水流流速为0.5～0.6m／s，鱼道泄流量约为1.06m3／s；满足过鱼设施设计流速的流量为1665～2220m3／s。

3 修改方案

3.1 修改方案1

根据设计方案试验成果，设计方案没有考虑弯道阻力影响，加大了鱼道进口段水面比降，经计算弯道阻力影响同一道竖缝的阻力相近，故将弯道上游第一道竖缝取消，研究修改后鱼道内水力因素变化，结果如下。

（1）弯道引起的上游壅水基本消失，鱼道进口段水流条件有所改善。

（2）鱼道进口段水流仍存在流急、比降大的问题，上游来水量小于1665m3／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。

（3）各级流量下鱼道竖缝最大水流流速大多为0.8～1.0m／s，两竖缝之间鱼池内水流流速为0.5～0.6m／s，鱼道泄流量约为1.06m3／s；满足过鱼设施设计流速的流量为1665～2220m3／s。

3.2 修改方案2

根据设计及修改方案1试验成果，竖缝设计有效宽度为0.45m，而鱼道进口宽度为1m，由于过水宽度不同，使得鱼道竖缝与进口段内水流扩散，引起该段流急、比降大。将鱼道进口改为不同宽度矩形，鱼道进口水位91.0m以下，进口宽度改为0.5m，91.0m以上鱼道进口宽度仍为1.0m，进行修改后鱼道内水力因素变化试验，结果如下。

（1）鱼道进口段水流仍存在流急、比降大的问题，鱼道进口段水流条件有所改善，上游来水量小于1665m3／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）各级流量下鱼道竖缝最大水流流速大多为0.8～1.0m／s，两竖缝之间鱼池内水流流速为0.5～0.6m／s，鱼道泄流量约为1.06m3／s；满足过鱼设施设计流速的流量为1665～2220m3／s。

4 优化方案

4.1 方案修改

依据修改方案试验结果，优化方案主要改变为：①鱼道主进鱼口高度由3.0m改为5.0m；②尾水渠边墙高程由92.0m改为93.50m；③鱼道底板高程由89.0m改为88.50m；④在主进鱼口下游弯道休息池处，设置辅助进鱼口，辅助进鱼口宽度为0.30m，底板高程为91.0m，高度为2.5m。

4.2 试验结果

（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Q松≤1943m3／s时，鱼道内竖缝处最大水流流速在0.6～1.2m／s之间，两竖缝间鱼池内流速基本在0.5～0.6m／s之间，满足设计过鱼流速要求；

（3）当依兰断面流量Q松＞1943m3／s时，辅助进鱼口开启情况下，主、辅进鱼口之间流速小于0.5m／s，但辅助进鱼口水深在0.8～1.5m 之间，水流流速在0.65～1.0m／s之间，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0.6～0.7m／s之间，亦满足设计要求。

（4）当Q松≤1943m3／s时，集鱼系统及主进鱼口为过鱼通道。当Q松＞1943m3／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。

5 结论

（1）设计方案情况下，上游来水量小于1665m3／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要求。

（2）优化后，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1.19m／s，两竖缝间池室内水流流速基本保持在0.5～0.7m／s之间，休息池内水流流速基本在0.2～0.5m／s之间，水流条件满足过鱼设施设计流速要求。当Q松≤1943m3／s时，集鱼系统及主进鱼口为过鱼通道；当Q松＞1943m3／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。

1 于广年，王义安 .松花江干流依兰航电枢纽工程过鱼设施整体物理模型试验研究 ［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，2010

2 Bell M C.Fisheries Handbook of Engineering Requirements and Biological Criteria ［M］.Fisheries Engineering Research program.Corps of Engineers.1973

3 王桂华，夏自强，吴瑶，蔡玉鹏 .鱼道规划设计与建设的生态学方法研究 ［J］.水利与建筑工程学报，2007（12）：7－12

4 戚印鑫，孙娟，邱秀云 .水利枢纽中的鱼道设计及试验研究 ［J］.水利与建筑工程学报，2009（9）：55－58

5 Guiny E，Ervine A，Armstrong J D.Hydraulic and biological aspects of fish passes for Atlantic salmon ［J］.Journal of Hydraulic Engineering，ASCE，2005，131 （7）：542～553

6 王翔，郑金秀等 .松花江干流依兰航电枢纽工程过鱼设施方案研究 ［R］.武汉：水利部／中国科学院水工程生态研究所，2009