西藏湘河水利枢纽过鱼建筑物设计

孙 宇，张友利，谢方参

(南京水利科学研究院 江苏科兴项目管理有限公司，南京 210029)

1 概 述

工程建设绝不能以牺牲生态环境为代价，水利工程建设过程中难免会对河流生态环境造成一定的影响，尤其是水利大坝的修建，将在一定程度上影响鱼类的生活习性，因此在大坝设计过程中修建过鱼建筑物是十分必要的[1-4]。结合湘河水利枢纽工程，对其过鱼建筑物设计进行分析。湘河水利枢纽水库总库容1.134×108m3，大坝为沥青心墙土石坝，最大坝高51.0 m，电站装机40 MW。

2 过鱼对象及鱼类游泳能力

2.1 过鱼对象

经调查，湘河水利枢纽及配套灌区工程所在共捕获鱼类资源13种，其中外来鱼类4种，分别为鲇、鲫鱼、麦穗鱼和栉鰕虎鱼；土著鱼类9种属2目3科9种(属)，占雅鲁藏布江中游鱼类的56.25%。从区系特点上来看，湘河流域鱼类组成较单纯，主要由两大类群组成：鲤科的裂腹鱼亚科和鳅科的条鳅亚科。在湘河水利枢纽库区及坝下河段均有鱼类产卵场、索饵场和越冬场分布，基本无长距离洄游鱼类，评价区鱼类完成生命史所需空间相对较小，评价区干流河段及库区上游支流还存在一定的繁衍栖息的条件。由于湘河水利枢纽大坝和艾玛取水枢纽的阻隔影响，可能造成鱼类种群及其遗传交流受阻，鱼类生境的片段化和破碎化导致形成大小不同的异质种群，种群间基因不能交流，影响遗传多样性。因此，从流域鱼类情况看，本工程应采取过鱼措施。根据调查，湘河水利枢纽多为栖息于河流中下层的鱼类，部分为底层鱼类。产卵季节的范围主要为4-8月份。裂腹鱼亚科鱼类体长多为40 cm以下，高原鳅鱼类多为10 cm以下。根据主要过鱼对象繁殖时间，本工程过鱼设施过鱼季节为6-8月份。

2.2 鱼类游泳能力

根据水利部中国科学院水工程生态研究所研究成果，异齿裂腹鱼、双须叶须鱼、拉萨裂腹鱼和拉萨裸裂尻鱼等4种鱼类的克流能力见表1。

综合对比4种鱼类的特征流速，感应流速相差不大，均在0.07～0.12 m/s之间；临界游速在0.74～0.98 m/s之间，突进游速差异很小，均在1.14～1.27 m/s之间。随着体长的增加，感应流速随之增大，突进游速变化不大。

表1 测试鱼类游泳能力表

3 过鱼建筑物设计

3.1 过鱼建筑物型式选择

湘河水利枢纽水库总库容1.134×108m3，坝高51.0 m，水头较高。高水头过鱼一直都是世界性难题，国内成熟的、可借鉴的经验很少，国外研究和实践较多，也取得了不少成熟经验，目前主要有鱼道、鱼闸、升鱼机、集运鱼系统等。不同的过鱼方式对不同类型的阻隔影响和不同生态习性的鱼类的过鱼效果差异较大，也受不同工程类型和地形地质的影响，需要进行综合比选。可行性研究研阶段根据国家环境保护部关于《西藏自治区湘河水利枢纽及配套灌区工程》审查意见，过鱼建筑物采用鱼道。

3.2 鱼道设计

3.2.1 进口设计

鱼道的进口设计至关重要，进口能否被鱼类较快发觉和顺利进入，直接影响过鱼的效果。枢纽工程正常运行工况下坝下水位在4 053.1～4 054.1 m之间变化，变幅约为1 m，水库泄洪时不进行过鱼。考虑鱼道内水深为1.2 m，进鱼口底板高程拟设置2个，分别为4 052.89和4 053.89 m，分别布置于右岸靠近生态流量泄放管下游约30和70 m处。由于鱼道内流量小于0.3 m3/s，水量不大，水流对于过坝鱼类的吸引能力较小，拟从拉岗干渠设置2根补水管，设置鱼道内补水管和阀门，根据需要开启放流，补给鱼道内的流量，并在鱼道进口前形成偏爱流速，吸引鱼类进入。

采用MIKE21FM模型水动力模块对湘河水利枢纽坝下河道流场进行模拟。计算网格见图1，没有考虑河道在水库运行之后发电尾水和下泄洪水的冲刷作用。对水库调度情况进行概化，共设置5组流量边界条件作为计算工况：Q=10 m3/s(仅下泄生态流量)，Q=15.40 m3/s(半台机组发电)，Q=30.79 m3/s(1台机组满发)，Q=61.58 m3/s(2台机组满发)，Q=123.16 m3/s(4台机组满发)。

各工况下坝下河道流速分布和水深分布分别见图2-图6，流速和水深计算结果见表2。

从计算结果看，鱼道进口1的流速在0.63～0.67 m3/s之间，水深在1.31～2.26 m之间。鱼道进口2的流速在0.80～1.14 m3/s之间，水深在0.33～1.39 m之间。两个进鱼口的流速和水深基本可满足过鱼需要。

图1 模型计算网格及特征点位置示意图

图3 湘河水利枢纽坝下流速和水深(Q=15.40 m3/s，半台机发电)

图4 湘河水利枢纽坝下流速和水深(Q=30.79 m3/s，1台机满发)

图5 湘河水利枢纽坝下流速和水深(Q=61.58 m3/s，2台机满发)

图6 湘河水利枢纽坝下流速和水深(Q=123.16 m3/s，4台机满发)

表2 鱼道进口水力学计算结果表

3.2.2 池室设计

3.2.2.1 形式选择

工程过鱼对象主要为裂腹鱼和鳅科鱼类，主要为中下层和底栖鱼类，因此池室结构采用竖缝式。根据鱼道内部构筑物的功能区别，可分为池室、休息池两部分。

3.2.2.2 池室设计

1) 鱼道流速。根据国内外已有鱼道的设计经验，本工程鱼道设计竖缝最大流速范围为0.8～1.5 m/s，考虑鱼道流速应能使鱼类较易上溯，在鱼道设计中暂将鱼道内平均流速控制在0.3 m/s，设计竖缝流速控制在1.0 m/s，具体设计指标将在进行鱼类游泳能力测试后得出。

2) 鱼道底坡。根据类似游泳能力试验，竖缝内设计流速为1.00～1.20 m/s，按流速1.0 m/s控制，根据计算得池室纵坡度为2.5%。

3) 垂直竖缝宽度。根据主要过鱼对象的规格，过鱼孔口的高度和宽度最小不应小于过鱼最大体长1/2。因此，竖缝宽度为0.2 m，竖缝缝口方向宜与隔板呈45°夹角。

4) 水池水深。根据过鱼对象习性，并结合本工程特性，综合考虑本工程选定净水深1.2 m。

5) 池室尺寸。池室净宽尺寸越大，每级槽内的平均流速就越小，利于鱼类的中间休息。但是净宽尺寸过大，槽内的流速太小，对鱼类的引导作用也将相应减弱。参照国内多数鱼道设计，本工程鱼道净宽取2.0 m。池室隔墙厚度为0.20 m，高2.0 m。根据过鱼对象的规格，综合考虑每级池长2.3 m。

6) 弯道结构型式选择。由于进口部分采用连续“绕弯”方式布置，池室部分会出现180°转弯。根据这一特点，在转弯处选用矩形转弯结构，可利用水流黏滞性，在休息池处消能作用明显，因此整体流速也相对较小，更利于鱼类洄游。

7) 鱼道底部。槽底部进行加糙处理，铺以鹅卵石或砾石块，石块粒径10～30 cm。另一方面，也对池底进行一定的加糙，对槽内流速有一定降低。

8) 休息池室设计。根据国内工程经验，休息池坡度为1.0%，每隔18个池室设一个休息池，休息池长度取5～6 m。

3.2.3 诱鱼系统

鱼类在上溯时总是循着水流溯流而上，喜欢向阳和具有聚光性特性。根据此特点以及其它鱼道设计的经验，为了增加过鱼效果，鱼道入口需设立洒水诱鱼装置，并架设灯光，晚上开启引诱。鱼道内水流流量较小，为吸引鱼类进入鱼道入口，拟从拉岗干渠设置2根补水管，分别接到2个入口处和入口外部，以形成诱导水流，吸引鱼类进入鱼道。利用鱼类对于光线感应特性，提高过鱼效果，尤其是夜间过鱼，在鱼道进口处设置灯光诱鱼设施。光源可采用LED水下聚光照明灯，外壳采用不锈钢材料，具有光线强度可调节、亮度柔和、防潮密封性能好等特点。2个鱼道进口两侧各设置1排照明灯，可选择白、黄不同颜色，灯泡应可更换，以便于调整光源颜色，对比诱鱼效果，针对不同过鱼对象选用合适的光源提高过鱼能力。

3.2.4 出口设计

结合湘河水利枢纽建筑物布置格局，出口宜布置于右岸。在右岸设置鱼道坝段，采用混凝土形式。湘河水利枢纽库区消落水位达到19 m，鱼道过鱼季节为6-8月份，该时段为鱼类的主要产卵季节。因此，鱼道出口考虑设置于4 088.00 m至正常蓄水位附近，共4个，高程分别为4 087.50、4 089.90、4 093.50和4 097.00 m，布置于大坝上游右岸约450 m处。

鱼道上下游进出口总落差约为45.8 m，按照池室纵坡度2.5%计，并考虑设置休息池和观察室，经计算，鱼道长度总计约为1 968.2 m。

4 结 论

为了保证湘河在水利枢纽修建完成后仍具有良好的生物多样性，通过调查当地鱼类情况提出采用鱼道作为过鱼建筑物。建筑物主要包括进口、出口、池室和诱鱼系统，通过模拟可知，采用两个入口可保证各个工况下过鱼所需的流量和水深。所提出的思路可为西藏其他地区水利设施建设过程中过鱼建设物设计提供参考。