孤山航电枢纽工程鱼道布置设计

徐宇航,张典典,袁 达,高 乐

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北 武汉 430010; 2.流域水安全保障湖北省重点实验室,湖北 武汉 430010)

0 引 言

随着中国水利水电资源开发逐步加深,水利枢纽过鱼设施的研究和建设日益受到重视。过鱼设施作为辅助鱼类通过拦河闸坝的工程手段[1-2],在维持流域内鱼类基因交流以及河道生态系统连通中起着重要作用[3-5]。鱼类行为学、生态学等基础生物学数据是设计有效过鱼设施的基础,开展水力学模型研究是检验设计成果的有效手段[6]。1966年修建的江苏省斗龙港鱼道在进行顺灌或倒灌时,均发现各种幼鱼和成鱼通过鱼道溯闸上游,以往在闸上很少见到或濒临绝迹的鳗鲡、鲻、梭鱼、鲈等鱼类大量出现,鱼类产量也显著增加;1980年建成的湖南省洋塘鱼道在实际观察期间,65个白天中,仅青、草、鲢、鳙、鲤、鲫、鳊、鳜等经济鱼类就达40多万尾,在过鱼高峰4月上中旬,平均每小时过鱼达2 600多尾;2009年建成的广西长洲水利枢纽鱼道试运行期间,过鱼达18种,日过鱼量3 798尾,以赤眼鳟、鲮鱼为优势种群。由此可见,鱼道的建设可以有效减缓水利水电工程对鱼类上溯的阻隔影响,起到保护水产资源的作用。

本文结合孤山航电枢纽工程,对汉江上游鱼类资源现状进行分析,确定了过鱼目标,并通过经济技术比选确定了过鱼方案。针对汉江上游河段河谷深窄、洪水陡涨陡落、下游水位变幅较大的特点,进行了鱼道布置和设计,并结合物理模型试验对布置结果进行了验证,相关经验可供类似工程借鉴。

1 工程概况

孤山航电枢纽工程位于汉江干流夹河-丹江口水利枢纽回水末端河段内,是汉江15个梯级中的第7个梯级,上距白河梯级坝址约35 km,下距丹江口水利枢纽坝址179 km。坝址控制流域面积60 440 km2,多年平均流量783 m3/s,多年平均年径流量247亿m3。枢纽工程等别为Ⅱ等,由泄水闸、船闸、水电站厂房、生态放水闸、两岸混凝土挡水坝等建筑物组成,主要开发任务是航运和发电,船闸级别为Ⅳ级,电站安装4台贯流式机组,装机容量180 MW。枢纽建成后,原天然河道被隔断,鱼类难以通过枢纽上溯,需建设过鱼设施解决鱼群洄游隔断问题。

2 过鱼方案比选

2.1 过鱼对象及季节

根据汉江鱼类资源现状,结合孤山航电枢纽工程的特点,重点考虑江湖洄游、半洄游及具有短距离迁移特征的鱼类过坝问题,同时兼顾该河段分布的所有鱼类,确定本工程主要过鱼对象为草鱼、青鱼、鲢、鳙、吻鮈、鳡等产漂流性卵的鱼类。孤山航电枢纽工程主要过鱼季节在半洄游性鱼类与短距离迁移鱼类的产卵季节,即每年4～7月。

2.2 过鱼设施方案比选

过鱼建筑物分为鱼道、鱼闸、升鱼机和集运鱼船等,过鱼设施方案比选见表1。

表1 过鱼设施方案比选

孤山航电枢纽工程位于汉江干流,对过鱼设施的要求较高,而升鱼机、鱼闸和集运鱼船等设施过鱼不连续、效果不稳定、操作复杂、运行费用高[7],因此,鱼闸、升鱼机和集运鱼船不适用于本工程。

鱼道和仿自然过鱼通道均可连续过鱼,适应与通过的鱼类范围广,可以满足孤山水电站过鱼目标的要求。仿自然鱼道坡度非常低、占地面积大,结合孤山航电枢纽地形地质条件,推荐过鱼建筑物采取鱼道的结构型式。

3 鱼道设计

3.1 过鱼流量及水位

根据孤山航电枢纽工程的运行调度方式,鱼道上游最高运行水位为正常蓄水位177.23 m,最低运行水位为死水位175.00 m,下游最高运行水位为164.87 m(考虑丹江口水库90%保证率水位164.20 m的顶托作用),枢纽下泄流量为1 541.2 m3/s,最低运行水位为158.55 m,枢纽下泄流量为生态流量120 m3/s,过鱼设施的最大工作水头为18.68 m,最小工作水头为10.13 m。

3.2 鱼类克流能力评估及鱼道流速设计

(1) 目标鱼类克流能力。该工程鱼道的主要过鱼对象为吻鮈、鳡以及四大家鱼等,鱼道的设计流速主要参考这几种鱼类的克流能力。国内科研单位对四大家鱼的克流能力进行了测试试验,主要成果见表2。

表2 四大家鱼克流能力测试成果

(2) 鱼道设计流速。鱼类一般以高速冲刺的形式短时间通过鱼道过鱼孔口或竖缝,通过高流速区时间为5～20 s,通过鱼道后鱼类会寻找到缓流区或回流区进行休息[8]。因此,过鱼断面流速主要参考鱼类突进速度(极限游速)确定。

根据表2的研究成果,四大家鱼的突进速度为0.98～1.25 m/s。本工程鱼道主要过鱼目的是帮助上下游鱼类进行基因交流,兼顾具有洄游习性的鱼类繁殖上溯过坝,因此,在保证大规格鱼类通过的同时,需兼顾一些小规格鱼类。考虑到各种年龄、规格的鱼类,孤山鱼道孔口、竖缝最大设计流速取0.6～0.9 m/s。

3.3 鱼道总体布置

鱼道布置在电站厂房的右侧边坡上,经右岩非溢流坝段过坝,根据汉江孤山航电枢纽工程下游水位变幅较大的特点,设有3个不同高程的进口以及两个出口,全长1 189.75 m。主要建筑物有厂房集鱼系统、鱼道池室、鱼道进鱼口、出鱼口以及补水系统等。鱼道平面布置见图1,鱼道主要参数见表3。

图1 鱼道平面布置Fig.1 Layout of fishway

表3 鱼道主要参数

3.3.1 池室结构

(1) 过鱼池。鱼道池室尺寸取决于过鱼量和过鱼对象的大小,本工程主要过鱼对象中规格较大的为四大家鱼成鱼,因此将其规格作为限制性指标。四大家鱼最大体长一般可达到1.0 m,故鱼道池室净宽取为2.5 m,鱼道池室长度取3.0 m,鱼道正常运行水深为1.5～3.0 m。

(2) 休息池。为避免鱼类在过坝过程中体力不支,设置休息池以供鱼类暂时休息。每隔10个过鱼池设一个长度为6.0 m的平底休息池,净宽为2.5 m,水深1.5～2.5 m。

(3) 隔板型式。竖缝式鱼道隔板消能效果较好,适应水位变幅能力强,各水层鱼类均可通过[9]。根据孤山航电枢纽工程过鱼对象特点,选择单侧竖缝式隔板,竖缝宽度选为50 cm,鱼道最大流速控制在1.1 m/s以内。

(4) 池间落差及鱼道底坡。为满足过鱼竖缝中的设计流速,取池间距3.0 m,鱼道池间落差6.0 cm,鱼道纵向底坡坡比为1∶50。

3.3.2 厂房集鱼系统

厂房集鱼系统主要由集鱼渠和进鱼孔组成。集鱼渠和补水渠构成集鱼补水渠。集鱼补水渠平行坝轴线布置在电站尾水出口的顶部。集鱼渠为U形结构,宽2.5 m;补水渠为箱型结构,宽1.5 m;集鱼补水渠总长约为82 m,顶高程164 m。在集鱼渠上设若干个尺寸为1.0 m×1.0 m的进鱼孔,孔底高程错落布置以适应下游低水位进鱼口158.55～161.50 m的水位变化。

3.3.3 进鱼口

为适应下游6.32 m的水位变幅,孤山鱼道共设置3个进鱼口,分别对应158.55～161.50 m、161.50～163.54 m、163.54～164.87 m的运行水位,3个进鱼口的底板顶高程分别为157.00,160.0,162.04 m,距离坝轴线的距离分别为80,279,415 m。为增强诱鱼效果,在中水位、高水位进鱼口布置补水系统及喷淋诱鱼系统。进鱼口布置见图2～4。

图2 低水位进鱼口布置Fig.2 Layout of fish inlet at low water level

图3 中水位进鱼口布置Fig.3 Layout of fish inlet at medium water level

图4 高水位进鱼口布置Fig.4 Layout of fish inlet at high water level

水力学模型试验表明[10]:孤山航电枢纽工程4台机组运行情况下,结合丹江口水库水位不同顶托条件,通过改变机组组合运行方式,能在下游河道形成供鱼类进入相应进鱼口的水流通道,鱼类可沿右岸非溢流坝段进入相应水位进鱼口。

3.3.4 过坝段

在鱼道与右岸非溢流坝段相交处均设有防洪挡水平板门及启闭机室。上游过坝段挡水门门槛高程170.2 m,鱼道孔口尺寸2.5 m×3.0 m,挡水胸墙厚2.0 m,启闭机安装平台高程181.9 m。下游过坝段挡水门门槛高程169.3 m,鱼道孔口尺寸2.5 m×3.0 m,挡水胸墙厚2.0 m,启闭机安装平台高程181.9 m。过坝段内设有一座鱼道观测室,观测室内布置有观察窗、过鱼计数器等设备,以便掌握鱼道的过鱼规律。

3.3.5 出鱼口

鱼道上游布置两个出鱼口,距坝轴线的距离分别约217 m与293 m,底板顶高程分别为173.50 m与174.70 m,底板底部采用钻孔灌注桩基础,侧墙顶高程为178.00 m。高水位出鱼口设有一道检修平板门,低水位出鱼口设有一道检修平板门和一道节制闸门,出鱼口布置见图5。

图5 出鱼口布置Fig.5 Layout of fish outlet

水力学模型试验表明[10]:在上游水位175.0～177.23 m条件下,不论是电站4台机组满发运行,还是1台机组运行,在鱼道出口周围40 m水域内水流平顺,流动缓慢,流速均未超过0.4 m/s,满足鱼类的喜好要求。

3.3.6 补水系统

补水系统设有引水管、节制阀(球阀)、检修阀(蝶阀)和补水渠等。补水系统通过内径1 000 mm的引水管从上游补水,由球阀控制流量,水流通过补水渠与集鱼渠之间隔墙上的补水孔消能进入集鱼渠。补水渠与集鱼渠均与坝轴线平行布置,布置在厂房尾水出口的顶部。

4 结 语

鱼道布置设计时应充分考虑过鱼对象的习性,结合运行水位与水流条件确定鱼道进口、出口位置,针对性地布置各项设施,创造适宜的过鱼环境。鱼道工程是一门涉及多专业的学科,需实现生态学、水力学和工程学的有机结合,以使鱼道等过鱼设施发挥效益,最大限度减小枢纽建设对鱼类阻隔的影响。