浅析大樟溪东方红水电站鱼道设计

林 樟

（福州市水利水电勘测设计有限公司,福建 福州 350001）

1 项目概况

大樟溪发源于福建省德化县境内的戴云山脉,自西南向东北流经德化、永泰至闽侯的江口注入闽江南港,是闽江右岸最下游靠近沿海地区的一条支流。流域面积4843 km2,河道总长234 km,平均坡降2.1‰。

东方红水电站位于永泰县葛岭镇台口村,距离界竹口水电站坝址约16.9 km,坝址以上流域面积4067 km2,河道长度197.7 km,平均坡降2.73‰。电站建站初期是一座集灌溉、发电、通航于一体的综合性工程,目前主要用于发电和供水。工程包括滚水坝、航道、引水渠、进水闸、机坑、厂房等。

电站建成后,阻隔了鱼类的上溯通道,破坏了河道的生态环境,对鱼类资源的分布产生不利影响,因此,需要补建过鱼建筑物以部分恢复鱼类的上溯通道。

2 主要过鱼对象及季节

根据调查并参考有关文献可知,大樟溪鱼类有69 种,常见鱼类有花鲈、日本鳗、草、鲢、鳙、鳊等[1]。

本工程过鱼对象主要是大樟溪中稀有、珍贵及经济价值比较高的半洄游性、洄游性鱼类,半洄游性鱼种有鳙鱼、鲢鱼、草鱼等,洄游性鱼种有花鳗鲡、花鲈和日本鳗等,除花鳗鲡为国家二级保护水生动物之外,均为常见鱼种。

依据主要过鱼对象的洄游特点及繁殖时段,主要过鱼季节确定为2 月～11 月。

3 过鱼建筑物选型

过鱼建筑物的型式多种多样,主要型式包括：升鱼机、集运鱼设施、鱼闸及鱼道等,以上型式是为不一样的工程和不一样的过鱼品种而设计的,各有各的特色。过鱼建筑物的特点比较见表1。

表1 过鱼建筑物优缺点比较表

由于升鱼机、鱼闸以及集运鱼设施通常适用于中、高水头项目,而本项目属于低水头拦河坝工程,应用以上3 种型式过鱼建筑物,鉴于过鱼效果不佳、操作繁杂、运行费用较高、过鱼不连续等缘由,均不适用于本项目。而鱼道普遍运用在低水头的水利项目上,可以在比较小的间距内获得满足鱼类洄游且稳定的水流形态和速度,可行性较高。故本工程过鱼建筑物推荐选取鱼道的型式。

4 鱼道设计

4.1 鱼道布置方案选择

根据水电站的布置及两岸地形条件,滚水坝左岸为水电站进水渠,左岸下游为水电站进水口闸门、前池及厂房；滚水坝右岸紧邻永泰南江滨大道（在建）；且滚水坝两岸边坡陡立,均不适合布置鱼道。鱼道作为缓坡过鱼建筑物,需要较长的轴线,结合现场水电站布置的实际情况,推荐本工程利用已有的航道改造成鱼道使用；航道位于水电站滚水坝和进水渠之间,两侧为浆砌块石挡墙,底部采用水泥砂浆抹面,长度175 m,净宽5 m～9.5 m,净高2 m～5.5 m；航道的长度和宽度基本满足要求,且远离公路和居民点,受人类活动干扰小,目前航道已无用途,适合布置鱼道。因此推荐本工程鱼道布置在原有航道上。

4.2 鱼道型式比选

根据鱼道设计导则,鱼道按其结构型式可分为仿生态式、丹尼尔及隔板式等。国内外应用较多的是隔板式鱼道,按隔板型式可分为溢流堰式、淹没孔口式、竖缝式、组合式 。鱼道优缺点及适用范围比较见表2。

表2 鱼道优缺点及适用范围比较表

通过对上述鱼道优缺点及适用范围进行比较,并结合电站布置及主要过鱼对象特点,由于该电站属于低水头项目,且主要过鱼对象中花鳗鲡、日本鳗鲡、花鲈游泳能力较弱,草鱼、鲢鱼、鳙鱼的游泳能力较强,故推荐采用竖缝隔板式鱼道,并辅以复式断面设计,则竖缝处的上下层流速不一样,洄游鱼种可以根据自身的不同习性选择喜欢的水深及流速通过。

4.3 运行条件选定

4.3.1 设计水位及池室水深

上下游运用水位较为稳定时,鱼道上游设计水位可采用主要过鱼季节相应的闸坝正常运行水位；下游设计水位取主要过鱼季节的多年平均低水位[2]。本工程过鱼季节是2 月～11 月,过鱼时段大部分是汛期,汛期鱼道上游水位维持在正常蓄水位（21.50 m）或更高水位运行；在非汛期,为了满足发电需要,鱼道上游水位会出现在个别时段低于正常蓄水位的情况,即上游水位在最低水位（20.80 m）至最高水位（21.50 m）之间浮动,其余时段维持正常蓄水位运行。所以,上游设计水位选取正常蓄水位21.50 m,下游设计水位选取其下游多年平均低水位16.30 m。

池室水深主要是按照过鱼对象的体长和池室的消能要求选取,一般选取1.5 m～2.5 m。由于本工程的过鱼尺寸相对不大,并结合鱼道下游水深较小及地形地质情况,本工程池室设计水深取1.7 m,故鱼道出口底高程为19.80 m,进口底高程为14.60 m。鱼道出口即使遇到正常运行的最低水位20.80 m,也有1.0 m 的水深；鱼道进口即使遇到正常运行的最低水位15.80 m,也有1.2 m 的水深,均能基本满足过鱼要求。

4.3.2 设计流速

鱼类是否能顺利通过鱼道与鱼道内流速大小密切相关,鱼类的极限流速与鱼类体长有关。半洄游性鱼种如草鱼、鲢鱼、鳙鱼等的喜好流速是0.3 m/s～1.27 m/s；降海洄游性鱼种如鳗鲡的喜爱流速是0.18 m/s～0.25 m/s,且能爬行通过障碍物。故为兼顾各种不同喜好流速的鱼种通过滚水坝,鱼道设计流速选用1.0 m/s。

鱼道进口最佳流速通常介于极限流速和感应流速之间,结合联合国粮农组织与江苏省淡水水产研究所的研究成果,鱼道进口诱鱼流速建议取值为0.45 m/s～0.5 m/s[3]。

鱼道内、鱼道出口及其上游流速若小于鱼类的感应流速,将使鱼类迷失继续上溯洄游的方向,故鱼道最小感应流速建议取值为0.18 m/s～0.25 m/s。

4.4 主要建筑物尺寸

4.4.1 池室净宽

根据相关资料,洄游鱼类的体长一般为0.1 m～0.5 m,池室净宽不宜小于主要过鱼对象体长的2 倍,综合考虑原有航道宽度及经济性,并参照类似工程经验,池室净宽取1.75 m（槽身段底部净宽）。

4.4.2 池室净长

池室净长越长,消能效果越好,越有利于鱼类上溯；但池室净长越长,鱼道总长度就越长,投资及占地面积也就越大。池室净长可取池室净宽的1.25～1.5 倍,故综合考虑原有航道长度、鱼道布置及纵坡等因素,池室净长取 1.26 倍的池室净宽,即池室净长为2.2 m。

4.4.3 池室数量及底坡

根据鱼道设计导则,可求得池室数量为74 个,池室底坡为2.04%～2.82%,综合考虑原有航道的长度及鱼道布置,本鱼道池室底坡取2.80%。

4.4.4 休息池个数及净长

根据鱼道设计导则,本鱼道每隔18 块或19 块隔板设置一个休息池,休息池底坡为0,其个数为3 个,净长取4.5m。

4.5 总体布置

东方红水电站鱼道布置于水电站滚水坝和进水渠之间的原有航道内,总长212.2 m,分进口段（桩号H0+000.0～H0+005.0）、槽身段（桩号H0+005.0～H0+204.2）和出口段（桩号H0+204.2～H0+212.2）三部分。其中,进口段布置在航道下游,长5.0 m；槽身段纵坡2.80%,长199.2 m,折线型布置,单个池室长2.2 m,设3 个休息池,为平底,单个休息池长4.5 m；出口段布置在航道上游,长8.0 m,包括闸室段和渐变段,其中闸室段设有出口控制闸,长5.0 m,渐变段长3 m。鱼道平面布置简图见图1。

图1 鱼道平面布置简图

4.6 断面型式选择

通过大量观测表明,矩形断面鱼道竖缝流速的变幅很小,不适用于喜好流速相差较大的多种鱼类的洄游情况。而本鱼道不仅要通过喜好流速较小的日本鳗、花鳗鲡等,又要通过喜好流速较大的鳙鱼、鲢鱼、草鱼等,允许流速相差比较大,故宜采用上部梯形+下部矩形的复式断面,上部梯形断面流速较小,下部矩形断面流速较大,可适应不同规格、不同喜好流速的多种鱼类上溯。鱼道槽身段池室下部矩形断面设计净宽1.75 m,净高0.8 m,池室底部设厚0.15 m的浆砌卵石铺面；池室上部梯形断面设计净宽1.75 m～4.30 m,净高1.7 m,边墙坡比为1∶0.75；池室总高度为2.5 m。池室隔板采用上部梯形+下部矩形的组合式横隔板,横隔板沿途交错布设,其厚度为0.3 m,并设置竖缝,竖缝底部净宽0.45 m,沿着竖缝可形成不同流速区域的水流,供不同喜好流速的鱼类上溯洄游。

4.7 辅助设施

本工程在鱼道进口下游两侧布置夹角为60°喇叭状的导鱼墙作为导鱼设施,以汇集分散的鱼类进入鱼道,提高过鱼效率。

当河道来水量较小时,鱼道进口下游水位较低,流速较小,鱼类不容易感应到鱼道出口水流,不利于鱼类聚集上溯。本工程在鱼道左岸挡墙内埋设直径80 mm 的诱鱼引水镀锌钢管,进水口位于鱼道出口上游,管中心线高程20.80 m；出水口位于鱼道进口下游附近,管中心线高程16.60 m,并设置闸阀控制流量,可在鱼道进口附近形成一定的水花和水声,将鱼类引诱至鱼道进口,增强过鱼效果。

5 结语

（1）考虑到主要过鱼对象的游泳技能差距比较大,故鱼道槽身段适合运用上部梯形+下部矩形的复式断面,以适应不同规格、不同喜好流速的多种鱼类上溯。

（2）补建过鱼建筑物时,要充分考虑利用已有建筑物的可能性,以降低工程投资和占地面积。

（3）鉴于目前我国过鱼建筑物建设仍处在摸索当中,本鱼道设计合理与否,需在今后运行过程中检验,可为后续类似项目建设累积经验。