浅谈南渡江龙塘水闸枢纽补建生态鱼道设计

杨秀荣，易 灵

(中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610)

1 我国鱼道建设概况

与国外相比，我国鱼道建设及研究工作起步较晚。自20世纪50年代至今六十年间的建设历程可以分为快速发展、基本停滞、再发展三个阶段。。1960年，我国成功于兴凯湖建设了第一座鱼道，该鱼道全长70m，建成后运行良好，后于洪水时损毁，1974年，原水电部和原农林部联合召开了“水利工程过鱼设施经验交流会议”，会议极大地推动了鱼道的建设研究工作。在此期间，斗龙港、太平闸、浏河及洋塘等鱼道相继建成，鱼道建设研究工作蓬勃发展，二十年间共建过鱼设施40座左右。从20世纪80年代初长江葛洲坝水利枢纽建设时采用了增值放流方案而非鱼道等过鱼设施建设方案开始，其后二十年间国内除绥芬河上增设一座鱼道外几乎未再新建过鱼设施，一些已建设施也基本多因失修而难以发挥功用。步入21世纪后，水利设施建设再次进入高峰期，生态文明理念逐步发展，鱼道建设研究热潮重启，水利部于2013年发布了SL609—2013《鱼道设计导则》。据不完全统计，这二十年来新建鱼道超过40座。近年来笔者也参与了江西省石虎塘航电枢纽及新干航电枢纽等数座鱼道设计、建设及研究工作。

南渡江为海南岛上三大河流之一，其干流从上游至下游已建有松涛水库、九龙滩电站及龙塘水闸等大型水利枢纽工程。根据中水珠江规划勘测设计有限公司(以下简称珠江设计公司)编制的《南渡江引水工程初步设计报告》，海口市计划于南渡江下游东山镇处建设东山闸坝枢纽工程，截至日前，该枢纽已基本完工，设有生态鱼道一座(以下简称东山鱼道)。

2015年7月，原环境保护部于文献中要求补建龙塘水闸枢纽鱼道，加强水生生态系统的保护，补建鱼道增加的投资计入南渡江引水工程。

2 基础资料

设计前，收集并整理了龙塘水闸上下游河段渔情资料、龙塘水闸原设计文件、竣工文件及运行记录等资料，为龙塘水闸补建鱼道的设计提供了详实完整的基础资料。

2.1 龙塘水闸概况

龙塘水闸枢纽工程位于海南省海口市琼山区龙塘镇下游约0.7km处，是一座集灌溉、供水、发电及防洪等综合效益为一体的大型水利枢纽工程。坝址以上游流域面积6841km2，龙塘站年平均流量167m3/s。

水闸枢纽于1970年动工兴建，包括左右岸泄洪冲砂闸及引水闸、溢流坝、左右岸副坝、左岸船闸。左岸建有自来水厂取水口一个，取水规模36万m3/d，并建有一座装机容量1125kW坝后式水电站；右岸建有一座装机容量5000 kW坝后式水电站，并有进水渠引水灌溉本工程灌区，设计灌溉面积8万亩，其枢纽总布置如图1所示。

水闸枢纽完工于1971年，挡水高度6.8m，属低水头水工建筑物，未设置过鱼设施，鱼类可通过泄水闸及溢流坝等下行，但洄游上行通道被堵死。

2.2 渔情资料

拟建鱼道上下游河段渔情资料准确性关系着鱼道设计的成败，本次鱼道设计所用资料主要取自于当地渔业部门资料、龙塘水闸运行记录并咨询渔业相关专家，包括主要过鱼对象与主要过鱼季节。

龙塘水闸位于南渡江下游，距南渡江河口约26km处，根据渔业部门资料并结合该段河道渔情，本次鱼道设计考虑主要过鱼对象为日本鳗鲡、花鳗鲡、七丝鲚及四大家鱼(鲢、鳙、青、草)。南渡江鱼类繁殖盛期主要集中在4～8月，该段时间为鱼类溯江上行的时段，亦是本次鱼道设计考虑的主要过鱼季节。

龙塘水闸在过鱼季节时上下游水位即为鱼道的设计运行水位。根据水闸运行记录，过鱼季节时枢纽下游最低水位为1.57 m，上游为正常蓄水位8.375m，最大水位差达6.805m。

3 鱼道设计

根据笔者理解，鱼道设计同其他水工建筑物设计流程相同，即先根据类似工程经验结合拟建建筑物所在位置的自然地理条件进行数个方案的初步布置。后对其进行方案比选、模型实验及结构核算等，定性分析与定量分析相结合。

鱼道设计中如鱼道选型，若有生态景观要求可直接确定其结构形式为仿生态式，鱼道设计流速可根据主要过鱼对象习性并查询资料初步确定，有诱鱼要求的进鱼口往往布置在电站尾水渠的出口，而出鱼口需要布置在远离溢流设施等的水流平顺之处。

3.1 鱼道选型与布置

3.1.1鱼道选型

按结构型式进行分类，鱼道可分为仿生态式、隔板式及槽式等。本工程待建鱼道水位落差为6.8m，属于低水头鱼道工程，适合修建隔板式和仿生态式鱼道。两种鱼道整体布置基本相同，均由进鱼口、出鱼口及斜坡段槽身组成，均能满足过鱼要求。仿自然鱼道占地稍多但更接近天然河道，适应鱼类范围广，更能满足生物多样性要求，横隔板式鱼道为纯混凝土结构，造型较为生硬，鱼类也更难适应。本次设计在综合考虑征地、造价及生态景观要求等因素后选用仿生态式鱼道方案。

3.1.2鱼道布置

当过鱼季节到来时，过鱼对象能顺利进入上游安全水域的布置即为合适的鱼道布置方案，同时应兼顾考虑后期运行维护。龙塘水闸左岸为南渡江堤防及龙塘镇大力村所在，无布置鱼道的场地，因此将其置于水闸右岸，具体布置如图1所示。

3.2 鱼道进出口

3.2.1鱼道进口

鱼道进口常兼有诱鱼功能。同笔者所设计的石虎塘航电枢纽类似，龙塘水闸未设置生态放水口，除去流过溢流坝坝面的水流外，唯一动水是电站尾水渠处的下泄水流，因此，结合石虎塘航电枢纽鱼道经验，将进口布置在电站尾水渠处，吸引鱼类靠近进而游入进鱼口。

图1 龙塘水闸枢纽工程总布置图

鱼道进口水深在主要过鱼季节不宜小于1.0m。结合建筑物结构布置需要，进鱼口底板设计高程确定为0.57m，以保证在水闸下游最低水位1.57 m时仍有1m淹没水深。

3.2.2鱼道出口

本工程鱼道出口上游水位变幅较小，多为正常蓄水水位8.375m，采用单个出鱼口即可满足出鱼需求。将其布置于远离溢流坝、泄洪冲砂闸、水厂取水口等水流变动剧烈的群英闸上游60m处，该处流速较小，便于鱼类继续上溯至上游水体内，出鱼口底板设计高程为7.35m，保证有1m淹没水深。

3.3 鱼道槽身设计

3.3.1鱼道设计流速

幼鳗喜爱的流速为0.18～0.25m/s，体长0.3m以上的鲤科鱼类喜爱的流速为1.0～1.20m/s。本次鱼道设计流速选用较大范围的0.18～1.20m/s，以适应主要过鱼对象的游泳特性。

3.3.2槽身底坡和横断面尺寸

鱼道槽身底坡越缓，截面越大，鱼道流速就越小，越有利于鱼的中间休息，但成本也就越高。仿生态式鱼道实为渠道，根据过鱼孔设计流速要求、进出口位置选择及鱼道周边的地形条件，确定鱼道槽身底坡为1∶97，槽身横断面采用等边梯形，底坡宽3.0m，上接1∶2斜坡至两侧地面，底部采用格宾网石笼，厚度0.5m，并铺设0.2m厚砂卵石掺耕植土层，最后在面上喷洒高性能生态基材，利于水生植物生长，两边坡设置0.2m耕植土层，同样喷洒高性能生态基材，具体如图6所示。

3.3.3鱼道水池净深

其它影响因素相同时，鱼道水池越深，可过鱼的横截面槽身就越大，鱼道的工程造价也将增加，过深的鱼道还往往难以实现自然采光，需要人工模拟自然光。对于有发电效益的龙塘水闸枢纽，还需考虑设计水池深度的增加将增大鱼道的流量，水能白白浪费，所以应尽量减小鱼道流量，本次设计水池净深仅考虑最小淹没深度，取1.0m。

3.3.4鱼道每级水池长

水池净长越长，水池内平均流速就越小，越利于鱼类中间休息，但鱼道总长度就越长，鱼道工程造价也就越高。根据已建工程经验，结合文献鱼类游泳能力研究成果，本次设计水池长取6.0m，不额外设置休息池。

3.4 鱼道过鱼孔设计与研究

过鱼孔设计是形成供不同鱼类所需不同流速区间的关键，关系着鱼道设计的成败，本工程所需流速区间范围大，是设计难点所在。本次过鱼孔设计参照珠江水利委员会珠江水利科学研究院与珠江设计公司所共有的《具有多级流速通道的生态鱼道》专利技术(以下简称鱼道专利技术)。

3.4.1初步方案

主断面蛮石初步按3区4通道布置，高流速通道两个，中低流速通道各一个，具体如图2—3所示，通过不同区域不同通道形成不同流速，满足不同鱼类不同习性要求，如鳗鲡这类边缘导向性且游泳能力较差的鱼类可沿低速通道上溯。

3.4.2数值模拟及物理模型试验

为验证初步方案的合理性，随后进行了数值模拟及物理模型试验。其主要目的：揭示鱼道出口水动力条件，分析一定范围上下游区域流速分布；探讨鱼道过鱼孔断面设计合理性，分析该方案下的流速、流态是否符合目标鱼类的洄游需求，并提出存在的问题及优化措施，为后续的设计提供科学依据。本节主要论述鱼道过鱼孔断面设计部分，其余不赘叙。

图2 过鱼孔典型槽身断面横剖图

图3 过鱼孔蛮石摆放平面示意图

初步方案的实物流态如图4所示，根据数模与物模试验的对比分析，初步方案3区4通道过鱼孔流速未能达到预期目标。具体如下：鱼道典型段的过鱼池表层流速如图5所示，即主要蛮石断面上左岸三角形高速通道的流速在1.8m/s左右，右岸三角形高速通道的流速在1.65m/s左右，中速通道的流速在0.9m/s左右，低速通道流速在1.0m/s左右，过鱼池中部中速通道的下方流速在0.6m/s左右。通过以上结论可知高速通道的过鱼孔流速偏大，已超出主要过鱼对象及我国鱼类的极限流速，中速通道的流速反而低于低速通道流速值。

图4 初步方案鱼道局部模型过流流态

图5 初步方案鱼道典型区段表层流速分布

针对初步方案中出现各通道流速普遍过大问题，经过分析研究后，对主要影响流速因素的过鱼池长度与蛮石断面摆放形式进行了优化，为达到不同流速通道要求，需要增设辅助蛮石，通过增加蛮石改变鱼道的阻水程度，相应改变过水断面的粗糙度。通过不停地调整水位、糙率与流速三者关系，最终达到理想的过鱼孔流速效率

优化调整后的最终方案槽身长度由7m调整至6m，过鱼断面按3区3通道设置，高中低流速通道各一个，如图6所示。不同区域不同通道形成不同流速，满足不同鱼类不同的习性要求。高速通道布置在左岸，宽0.5m，中速主通道布置在断面中心处，宽0.8m，低速通道布置在右岸，是一个宽为0.5m的三角形过鱼孔。在此基础上，为达到梯级流速的过鱼孔要求，在中速通道上游1.1m处以及高速通道下游1.10m处加设辅助蛮石，蛮石粒径分别为0.8m和0.5m，各断面蛮石的摆放形式相同，蛮石高度均保持1m以上。平面位置摆放如图7所示。试验结果表明：高速通道流速在1.0～1.2m/s，中速通道流速在0.7～1.0m/s，高速通道流速在0.4～0.7m/s，能够形成不通的流速通道，满足鱼类洄游要求。

4 其他设施

为方便检修，鱼道进出口设检修闸门。考虑枢纽交通要求，在穿过堤防处设挡洪闸门，在闸顶布置交通桥。原枢纽已经有水位监控系统，本次不再额外设置，仅于进出口处布置摄像头和计数器等观测设备。

5 结论及建议

5.1 结论

南渡江引水工程已经于2015年底开工建设，工程中除龙塘水闸枢纽补建生态鱼道(简称龙塘鱼道)外，还建设有东山鱼道，东山闸坝枢纽位于龙塘水闸上游42km处，两枢纽鱼道的布置设计基本相同。目前，东山鱼道已建设完工，龙塘鱼道已完成初步设计：采用天然蛮石(粒径约1.0m)将鱼道沿程分隔成若干水池消减上下游水位差，形成鱼类上洄游上行通道， 鱼道总长度696m，底板纵坡1/97，鱼道横断面宽度3m，鱼道水池长度(控制断面间距)6m，设计水深1.0m，鱼道进口底板高程0.57m，鱼道出口底板高程7.35m。

东山鱼道的设计与建设经验证明，通过蛮石堆砌摆放形成多个过流区间，人造多级流速通道的生态鱼道技术是行之有效的，该鱼道为鱼道专利技术的实践首例，其先行建设为龙塘鱼道的布置设计提供了充足的实践经验。数值模拟及物理模型试验研究和验证工作对鱼道初始的整体布置及各设计参数进行了一系列的方案对比及优化，为龙塘鱼道的布置设计提供了科学理论技术支撑。本次设计结合实际地形将专利技术过鱼孔3区4通道优化为3区3通道，槽身长度由专利推荐7m调整至6m，鱼道投资也由东山鱼道4.24万元/m减少至龙塘鱼道3.31万元/m，更具经济性。

图6 最终方案过鱼孔槽身典型横断面蛮石摆放示意图

图7 最终方案过鱼孔蛮石摆放平面示意图

5.2 建议

生态文明在新时代党和国家的事业中处于战略地位，水利行业也在积极践行人与自然和谐共生理念，不断强化水生态文明建设，生态鱼道技术作为过鱼建筑物的一种也得到了快速的发展，但目前水利行业鱼道设计规范仅有设计导则可依，大量的建设经验尚未总结升华。南渡江引水工程计划于2019年底完工，本工程两个鱼道的建成必能进一步提高相关从业人员鱼道设计水平，并为同行业者提供参考与借鉴。笔者将继续跟踪后续设计、施工及管理运行等相关情况，以与同行共飨。