魚道水力設計的基本要點與工程實例

./魚道水力設計的基本要點與工程實例艾克明〔省水利水電勘測設計研究總院市410007容提要：本文對階梯式魚道的水力設計程序和要點做了詳細介紹,并列舉了省衡東縣洋塘魚道等工程的成功實例加以佐證,說明階梯式魚道仍是目前國保護魚類的有效工程措施。關鍵詞：魚道階梯式魚道集魚系統(tǒng)補水系統(tǒng)一、引言在天然河道上攔河筑壩,開發(fā)利用水資源,造福于民,同時也會對生態(tài)環(huán)境帶來一些負面影響,其中對魚類而言,主要是阻斷了魚類的洄游通道,破壞產卵場和減少漁業(yè)資源量。這對完成生活史過程中需要進行大圍遷移的洄游性或半洄游性魚類往往是毀滅性的。目前針對水利樞紐工程對魚類造成的不利影響所采取的保護措施,一般包括：修建過魚設施、開展人工增殖放流、施行水庫生態(tài)調度和建立魚類保護區(qū)等。其中,以修建過魚設施和開展人工增殖放流在國最為常見。在修建過魚設施方面,國外的主要形式有：魚道、仿自然通道、升魚機、集運魚設施和魚閘等。通常要結合工程具體情況,通過技術經濟比較確定。目前國比較常見的過魚設施還是魚道。限于篇幅,本文僅就階梯式魚道的水力設計進行研討。二、魚道水力設計的基本要點圖1魚道布置示意圖魚類下行過壩,一般有以下一些方式：如通過泄水閘過壩；通過低水頭水輪機過壩；通過魚道本身過壩和通過船閘過壩等。應根據工程具體情況進行選擇,做出安排。通常修建階梯式魚道,主要解決魚類上溯過壩問題。魚道主要由進口、槽身、出口和誘魚補水系統(tǒng)組成?！惨娛疽鈭D１魚道口多布置在水流比較平穩(wěn)且有一定水深的岸邊或電站、溢流壩口附近。常用的槽身橫斷面為矩形,用隔板將水槽上、下游的水位差分成若干個小梯級,隔板上設過魚孔或豎縫,利用魚槽裡的水墊、沿程摩阻、水流相互沖擊和擴散來減速消能。魚道水力設計步驟和基本要點如下：圖1魚道布置示意圖１、首先要確定好過魚目標要根據對當地情況的調查了解確定哪些產量高或珍稀洄游或半洄游性魚類需要過壩。這些魚類的特點和生態(tài)習性怎樣?主要過魚季節(jié)都在什么時候?然后根據它們的特點和習性來進行魚道的水力設計。我國一些陸河流上,多為淡水洄游或半洄游魚類,如青、草、鰱、鳙,通稱"四大家魚",它們上溯產卵季節(jié)多分布在４至８月。２、要確定好魚道設計水力參數其一,是要確定好魚道的運行水位。魚道上、下游的運行水位直接影響到魚道在過魚季節(jié)中是否有適宜的過魚條件,保征魚類能沿魚道上溯。魚道上、下游水位變化也會影響到魚道進、出口水位銜接和魚池水流條件。一般電站樞紐型的魚道,上游運行水位的上限可選為大壩不泄洪時的最高正常蓄水位；下限可選擇過魚季節(jié)中水庫經常出現(xiàn)的水位。下游運行水位的上限可選擇閘壩不泄洪時電站全部機組滿負荷運行時的尾水位；下限可選為過魚季節(jié)中常見的下游水位。其二,是要確定好魚道的設計流速：魚類的克流能力是指魚類在一定時間可以克服某種水流流速的能力,可分為巡游速度或喜愛流速和突進流速或極限流速。根椐國一些研究單位的試驗成果,"四大家魚"的喜愛流速為0.3至0.5m/s；極限流速為1.0m/s以上。國外通過數學推導,獲得兩個魚類游泳能力估算經驗式：v=〔2-4L〔1v=1.98×L0.5〔2式中v－－魚的克流能力〔m/s；L――魚的體長〔m。經國一些單位的校驗,認為式<2>有一定的參考價值。魚道的設計流速一般小于魚類的巡游流速。這樣魚類可以在魚道中行進。隔板上的孔口或豎縫的水流流速應小于魚類的突進流速。這樣魚類才可以越過孔口或豎縫進入上游一個魚池,從而逐級上溯達到上游出口。3、做好魚道形式的比選目前主要有三種魚道形式：〔1、丹尼爾式〔Denilfishway：它由一系列矩形斜置隔板組成。在槽的邊壁和底部設有阻板和底坎。水流從中央孔口通過時,在邊壁和底坎上形成反向回流減速消能。丹尼爾魚道一般寬度小,坡度大,長度也較小?！?、溢流堰式〔pool&weirfishway：魚槽被豎立隔板分隔為一系列水流相互溝通的梯級魚池。在隔板上設溢流表孔或底孔,或二者兼有之。水流經孔口下泄時在魚池擴散消能。魚類逐級上溯達到上游。魚類習性不一,有的從表孔過,有的從底孔過?！?、豎縫式〔verticalslotfishway：它由一系列相連的水池組成。隔板上設豎縫,故也可適應不同習性的魚類上溯。美、歐各國多用此種魚道形式。魚道設計時應根據當地的具體情況和過壩魚類的習性選用合適的魚道形式4、擬定魚池的結構尺寸〔1、魚池寬度B：主要由過魚量和過魚對象的大小決定。國外一般取2~5m；國多取2~4m?！?、魚池長度l：與水流的消能效果及魚類的休息條件有關。一般初設時取l=〔1.2~1.5B。魚體大,取大值；魚體小,取小值?！?、魚池深度h：主要依過魚習性而定。底層魚和體形大的成魚要求水深大一些。國外一般取1.5~2.5m?！?、孔口或豎縫寬度b：一般宜不小于過魚對象體長的1/2。5、魚道進口能否被魚類較快發(fā)現(xiàn)和順利進入是魚道設計成敗的關鍵。為此必須了解魚類壩下洄游規(guī)律。一般魚道進口應避開主流,安排在流速較小的主流兩側上溯；魚道的選址一般應選在常年有水下泄的地方,并且保證進魚口處有1~1.5m的水深。為此應根據下游水位變化的情況確定進魚口的底板高程。進口處的出水流速應保持在0.3~0.5m/s。進水口與河床間不應有陡坎,而應用砂卵石等鋪筑成緩坡聯(lián)結。6、進口集魚系統(tǒng)在電站樞紐下游廠房尾水附近,常聚集有大量從下游循著尾水上溯的魚類。為此設置一個集魚系統(tǒng),將魚集中到集魚槽并被引導到魚道進口。通常集魚系統(tǒng)呈長廊形布置在尾水管上方。其進口為集魚槽下游壁上的一系列孔口。魚類在尾水的吸引下通過孔口進入集魚槽。各孔囗的出水流速也應維持在0.3~0.5m/s。7、補水系統(tǒng)國外研究表明,為達到較好的誘魚效果,吸引水流量不應低于自然狀態(tài)下流量的3%~5%。而魚道本身的設計流量一般僅只1m3/s左右,遠不滿足誘魚流量的要求。因此要設立補水系統(tǒng),往魚道進口以及集魚槽補水。補水方式可從壩上游通過渠道或管道補水,也可以從下游抽水補水。8、魚道出口出口位置應選在遠離廠房、泄水閘及船閘的地方。一般宜傍岸,出口水流平順且適應上游水位變化的地方。出口底板以上水深應大于1.5m。如水庫消落水深大,也可設多個輔助出口,并保證出水深度不小于1.5m。各出水口處都應設置閘門和攔污柵。9、魚道的整體指標<1>、魚池數目：n=k×g×H/v2〔3式中k――消能系數,一般取0.85~0.90；v――魚道孔口或豎縫流速〔m/s；H――最大水位差,即上游最高運行水位減下游最低運行水位〔m；g――重力加速度。<2>、魚道有效全長：考慮魚類上溯途中要適當休息,應設立若干個休息池。休息池長一般取為魚池長的2倍,其底坡可取為平底。魚池總長加上休息池總長即為魚道有效全長。<3>、魚池間的落差：△h=H/n；<4>、魚池的底坡=△h/l；<5>、魚道平均底坡i==魚道進、出口底部高程差除以魚道的有效全長。10、魚道的輔助設施<1>、觀察室：為觀察過魚效果和宣傳演示,應設觀察室。觀察室宜設在便于觀察的地方如休息池側壁。觀察窗一般為鋼化玻璃,上貼半透明膜,以便觀察魚類洄游的狀況,而魚類卻看不到池外的情況。觀察窗外,宜配置弱的蘭光或綠光。魚池可設水下攝像機,以便計數和觀察魚在魚道中的姿態(tài),判斷其適應程度。<2>、魚池的底部處理：魚池底部有的鋪設一層10cm~20cm粗粒徑的鵝卵石,以減速消能,適應某些魚類匐伏上溯。為便于清汙,也有池底為平底不做處理的。<3>、攔污柵：魚道出口處一般宜設攔污柵,以防漂浮物進入魚道。<4>、防護欄：魚道頂部可設置防護欄,以防雜物進入魚道,也可防止魚類跳出魚道。11、魚道的運行與維護<1>、隨著上下游水位的變化,應通過進出口閘門的調控,使魚道的流速和流態(tài)保持穩(wěn)定,以滿足魚類上溯要求,避免出現(xiàn)局部水位跌落大、超極限流速或局部水位壅高等現(xiàn)象。<2>、魚道投入運行以后要建立巡查等規(guī)章制度,加強魚道的保養(yǎng)維修,每年應進行一次全面的維修,避免出現(xiàn)因管理不善或維護不夠而導至魚道廢棄使用的情況。三、魚道的工程實例1、洋塘魚道[1]圖2洋塘魚道布置示意圖1、溢流壩；2、魚道；3、水輪泵站；4、電站；5、供水渠道；6、輔助供水設施；7、集魚系統(tǒng)；8、調節(jié)閘；9、14、17、孔口；10、會合池；11、過魚觀測室；12、主進魚口；13、輔助進魚口；15、進魚孔；16、下游水位；18、隔柵；19、集魚系統(tǒng)水位；20、輔助供水水位。洋塘魚道位于省衡東縣洣水河匯入湘江的最末一個梯級,為抽水和發(fā)電樞紐。該魚道由階梯式魚池、電站下游側集魚系統(tǒng)、會合池、輔助補水系統(tǒng)和過魚觀察室等組成。上、下游最大水位落差4.5m,魚道總長317.2m。過壩魚類以"四大家魚"為主。工程于1979年建成投產,年平均過魚量達58萬尾?！苍敿氈笜艘姼奖砑皥D22、魚梁魚道位于廣西田東縣右江支流郁江的第5個梯級,系以航運為主結合發(fā)電的樞紐工程。該魚道亦由階梯魚池、電站下游側集魚系統(tǒng)、補水系統(tǒng)和設在出口附近的過魚觀察室組成。上下游最大水位差為10.75ｍ,魚道總長627.3ｍ。過魚目標以"四大家魚"為主。工程已完成初設,詳細指標見附表和圖１。由附表的各項指標可以看出,由于過壩魚類均以"四大家魚"為主,所以各項水力設計指標大體相近,并且都在一般經驗要求的圍之。不同之處在于洋塘魚道選用的是溢流堰式隔板,而魚梁魚道則選用豎縫式隔板；洋塘魚道采用渠道從水庫補水,而魚梁魚道則采用管道從庫補水。3、工程效果洋塘魚道建成投產以后共進行了為期6年的系統(tǒng)觀測。1982年為期77天的觀測結果是主進魚口共過魚188,092尾,集魚槽共過魚571,143尾,其比例為1：3.04。1984年4月15日,主進魚口過魚79,025尾,集魚系統(tǒng)過魚243,403尾,其比例為1：3.08。總結6年378天4987小時的歡測,通過魚道洄游的魚類共3,499,300尾,年平均過魚量為583,216尾,小時過魚量為201尾。洄游魚類以"四大家魚"為主,共45種。個體魚長15ｃｍ~110ｃｍ。這些魚類洄游大大擴充了洣水上游的魚類資源。捕撈量的統(tǒng)計表明,洣水上游的捕撈量年均為未建魚道前的3.5倍。洋塘魚道的上述情況曾以LayoutandPerformanceofYangtangFishway為題于1990年10月在日本歧埠縣召開的國際魚道會議上發(fā)表并載入會議論文集。20XX世界糧農組織主持的《漁業(yè)技術專刊》收入了洋塘魚道的技術資料并評價說："這個魚道在適合當地魚類的習性和良好的監(jiān)測方面是發(fā)展中國家少數幾個優(yōu)秀魚道設計的一個例"[2]。四、結語1、在天然河道上攔河筑壩阻斷了魚類的洄游通道,對于洄游性和半洄游性魚類是一個毀滅性的災害。為了維持良好的生態(tài)環(huán)境,采取魚類保護措施是非常必要的。2、在諸多的保護措施中,目前國以修建魚道和人工增殖放流最為常見。在階梯式魚道設計方面已積累了一定的經驗。洋塘魚道等工程的實踐表明,只要設計得當,魚類洄游的效果還是十分明顯的。3、洋塘魚道等工程的水力設計是成功的,可供類似工程參考。參考文獻1GuZhili,LinQinhao,AiKeming.Layoutandperformanceofyantangfishway[S].Internationalsymposiumonfishways’90inGifu,October,1990,Gifu,Japan.2GerdMarmulta.Dams,fishandfisheries:Opportunities,challengesandconflictresolution[J].FAOFisheriestechnical<Rome>,2001,<419>:78.附表魚道設計指標表序號項目一般要求洋塘魚道魚梁魚道1最大水位差H,m4.510.752魚道總長L,m317.2627.33魚道總比降0.0140.0174魚池隔板形式丹尼爾式,溢流堰式、豎縫式溢流堰式豎縫式5魚道設計速,m/s四大家魚喜愛流速0.3～0.5魚池0.13魚池0.14極限流速1.0以上0.8～1.20.8～1.06魚池寬B,m2.0～5.0437魚池長l,ml=〔1.2～1.5B