陳 明 曦， 許 莉 萍， 吳 迪， 郎 建， 呂 海 艷

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司， 四川 成都 610072)

0 引 言

隨著國家西部大開發(fā)的不斷推進，大量水電工程的興建對西部地區(qū)的經(jīng)濟與社會發(fā)展起到了巨大的推動作用，但引起的生態(tài)問題也日益突出[1]。水電工程攔河筑壩，對魚類最直接的影響為阻隔效應(yīng)。工程建成后由于大壩的阻隔，連通的河流生境被分割成不同的片段，魚類生境的片段化和破碎化導(dǎo)致大小不同的異質(zhì)種群形成，種群間基因不能交流。種群數(shù)量較大的魚類，群體間將出現(xiàn)遺傳分化；種群數(shù)量較少的物種將逐步喪失遺傳多樣性，危及物種長期生存，導(dǎo)致種群滅絕的概率增加[2]。

為了恢復(fù)江河水生群體之間的天然聯(lián)系和減緩對魚類阻隔的影響，修建過魚工程是水電工程開發(fā)建設(shè)魚類保護的重要措施之一，也是恢復(fù)工程影響河段魚類資源的重要途徑之一[3]。

1 兩河口過魚工程概況

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)，其工程開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧防洪。電站總裝機容量為3 000 MW。工程采用堤壩式開發(fā)，擋水建筑物為礫石土心墻堆石壩，最大壩高295 m。水庫正常蓄水位2 865 m，相應(yīng)庫容101.54億m3，死水位2 785 m，調(diào)節(jié)庫容65.60億m3，具有多年調(diào)節(jié)能力。工程樞紐平面見圖1。

兩河口過魚工程采用集魚槽式集魚+升魚機提升+AGV小車(Automated Guided Vehicle)運輸過壩+運魚船放流；主要過魚對象為齊口裂腹魚、長絲裂腹魚、四川裂腹魚、短須裂腹魚4種魚類，兼顧過魚對象包括厚唇裸重唇魚、黃石爬鮡、短尾高原鰍、軟刺裸裂尻、山鰍、青石爬鮡等；過魚季節(jié)為每年的3～9月，其中5～8月為主要過魚時段。

2 集魚位置選擇的重要性

集魚位置的選擇在過魚工程設(shè)計中具有重要的作用。國內(nèi)外有關(guān)研究表明，魚類能否快速地發(fā)現(xiàn)和準確進入魚道進口，是魚道能否成功運行的關(guān)鍵因素之一[4]。進魚口位置的選擇成為影響過魚設(shè)施運行成敗的關(guān)鍵[5-6]。

合理的進魚口位置可以有效提高過魚效率，但在實際工程中由于對魚類生態(tài)習(xí)性等方面的認識不完善，同時關(guān)于過魚工程集魚地點以及進魚口結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究還較薄弱，因此，在不少工程中魚類進入魚道較為困難，導(dǎo)致誘魚效果較差。兩河口過魚工程采用集魚槽集魚，其集魚地點選擇的合理性對于其運行效果同樣起著關(guān)鍵作用。

3 兩河口過魚工程集魚地點

3.1 技術(shù)路線

國內(nèi)過魚工程設(shè)計中為了確定集魚地點，一般需開展魚類游泳能力測試[7-9]與流場分布水工模型試驗研究工作[10-12]。國內(nèi)科研單位也開展過相關(guān)的魚類集群效應(yīng)觀測[13-15]。

根據(jù)已有的研究成果，擬定兩河口過魚工程集魚地點確定的技術(shù)路線。開展主要過魚對象的游泳能力測試，獲得主要過魚對象的暴發(fā)游泳速度。開展壩下河段流場模型試驗及三維數(shù)值模擬，結(jié)合主要過魚對象游泳能力測試成果，分析電站建成后，各典型發(fā)電工況條件下發(fā)電尾水是否對魚類上溯形成流速屏障。在主要過魚季節(jié)，在壩下河段開展魚類集群效應(yīng)觀測，分析研究魚類聚集的區(qū)域，對水工模型試驗研究成果進行驗證。最后分析工程布置條件、地形地質(zhì)條件、泄洪霧化影響等多方面因素，最終確定最佳的集魚地點。技術(shù)路線見圖1。

圖1 技術(shù)線路圖

3.2 初擬集魚地點

根據(jù)國內(nèi)外工程設(shè)計經(jīng)驗以及相關(guān)的導(dǎo)則與規(guī)范，集魚地點通常選擇在泄水閘、電站尾水、生態(tài)放水口等經(jīng)常有水流下泄處，或魚類洄游路線及經(jīng)常集群地附近；同時，進魚口位置的選擇還應(yīng)當考慮盡可能放置在魚類可能上溯到的最上沿；但河段中若存在魚類的流速屏障，進口不應(yīng)布置在屏障的上游。根據(jù)以上布置原則，結(jié)合兩河口電站樞紐布置的特點，初步擬定的集魚地見圖2。

注：A-5號導(dǎo)流洞上游(左岸)；B-大壩壩趾(下游圍堰下方)；C-2號尾水洞上游(右岸)；D-1號、2號尾水洞之間上沿；E-1號尾水洞下游。圖2 潛在集魚地點位置示意圖

3.3 魚類游泳能力測試

3.3.1 材料與方法

測試裝置采用丹麥LoligoSystem公司生產(chǎn)的游泳水槽SW10150、SW10050(圖3)。測試前對水槽內(nèi)的流速進行標定，測試期間同步記錄溶氧(DO)、水溫(T)等參數(shù)。

圖3 魚類游泳能力測試水槽構(gòu)造示意圖

測試對象為工程河段捕獲的傷殘的對象，包括長絲裂腹魚12尾(體長：8.6～20.4 cm，體重：9～180 g)、齊口裂腹魚23尾(體長：5.3～23.8 cm，體重：3～175 g)。測試前先暫養(yǎng)24 h以適應(yīng)實驗環(huán)境。暫養(yǎng)池和實驗裝置中用水均取自雅礱江江水，暫養(yǎng)池日換水量約20%。每天換水10 min，保證在測試過程中水體的理化性質(zhì)與天然水體相近。

3.3.2 測試成果

測試成果見圖4、5，長絲裂腹魚其絕對爆發(fā)游泳速度為1.49±0.26 m/s，相對爆發(fā)游泳速度與體長的關(guān)系為y=-0.344 1x+15.244 (R2=0.622 4)；相對爆發(fā)游泳速度為9.77±1.72 BL/s。齊口裂腹魚相對爆發(fā)游泳速度為11.75±2.77 BL/s(BL/s：體長/秒)，絕對爆發(fā)游泳速度與體長的關(guān)系為相對爆發(fā)游泳速度與體長的關(guān)系為y=-0.352 1x+15.63 (R2=0.576 1)。該工程推薦過魚規(guī)格20～40 cm，將體長20 cm代入擬合的公式，可得長絲裂腹魚最小爆發(fā)游泳速度為1.7 m/s，齊口裂腹魚最小爆發(fā)游泳速度為1.68 m/s。

圖4 長絲裂腹魚暴發(fā)游泳速度與體長關(guān)系圖

3.4 壩下河段流場模型試驗及三維數(shù)值模擬

3.4.1 試驗工況

兩河口工程下游梯級為牙根一級電站。試驗工況分為下游牙根一級未建成以及建成兩種工況。其中牙根一級建成條件下選取牙根一級庫水位為正常蓄水位2 605 m進行流場分析(死水位2 599 m時，兩河口壩下河段的流場情況與牙根一級未建成工況一致)。具體工況選擇電站建成后典型發(fā)電工況。試驗工況見表1。

圖5 齊口裂腹魚暴發(fā)游泳速度與體長關(guān)系圖

3.4.2 物理模型制作

整體模型設(shè)計、制作、試驗以及數(shù)據(jù)處理均按《水電水利工程常規(guī)水工模型試驗規(guī)程(DL/T 5244-2010)》規(guī)定執(zhí)行。整體模型為正態(tài)模型，比尺1∶30。其相關(guān)比尺如下：流速比尺：λv=λL1/2=5.477；流量比尺：λQ=λL5/2=4 929.5；糙率比尺：λn=λL1/6=1.76。水工模型試驗上游庫區(qū)河道模擬高程至2 610 m，下游河道模擬至2 591 m。河道地形模擬范圍為下游圍堰至1號尾水洞下游540 m。河道地形采用斷面法，用水泥砂漿成型。模型過水建筑物(1號尾水洞出口、2號尾水洞出口)用有機玻璃制作。

3.4.3 數(shù)值模擬計算方法與網(wǎng)格劃分

模擬范圍：包括1號尾水洞上游70 m至2號尾水洞下游450 m，總長近750 m河段。建模時，以壩軸線下游530.14 m，在壩軸線A點右側(cè)191.64 m處點(X=3 742 208.479 4，Y=268 998.635 3)為坐標原點；X軸與兩個尾水洞出口河段軸線大致平行，指向下游為正；Y軸與河道垂直，指向左岸為正；Z坐標與高程一致。

模型選擇及計算方法：建模采用原型數(shù)據(jù)，模擬工具選用FLUENT軟件，計算模型選用Standardk-ε紊流模型，固壁邊界處理采用壁面函數(shù)法，偏微分方程離散采用有限體積法，動量、紊動能和紊動耗散率插值采用二階迎風(fēng)格式。

邊界條件：(1)1號和2號尾水洞出口斷面采用速度進口邊界，以保證入流量為一恒定值；(2)河道下游出口為出流斷面，采用自由出流邊界；(3)1號和2號尾水洞壁面及河道地形采用固壁邊界。

網(wǎng)格劃分：沿水深方向網(wǎng)格較密，節(jié)點間距為0.4～0.8 m，與水深垂直的方向網(wǎng)格較稀，節(jié)點間距為2～3 m。天然情況，機組半發(fā)(工況3)的網(wǎng)格單元總數(shù)約27.31萬個，機組滿發(fā)(工況4)的網(wǎng)格單元總數(shù)約28.7萬個。牙根一級水電站正常蓄水位，機組半發(fā)(工況3)的網(wǎng)格單元總數(shù)約29.7萬個，機組滿發(fā)(工況4)的網(wǎng)格單元總數(shù)約30.04萬個。數(shù)值模擬范圍及網(wǎng)格劃分見圖6。

圖6 計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

3.4.4 試驗成果

(1)牙根一級建成前。典型發(fā)電工況條件下兩河口電站尾水出口河段流態(tài)見圖7中的(a)-(d)。相應(yīng)的數(shù)值模擬成果見圖8中的(a)-(d)。

圖7 牙根一級建成前，典型發(fā)電工況條件下尾水出口河段流態(tài)

圖8 牙根一級建成前，典型發(fā)電工況條件下尾水出口河段流場數(shù)值模擬成果

(2)牙根一級水電站建成后。牙根庫水位為2 605 m典型發(fā)電工況條件下尾水出口河段流態(tài)見圖9中的(a)-(d)。相應(yīng)的數(shù)值模擬成果見圖10中的(a)-(d)。

圖9 牙根一級建成后，典型發(fā)電工況條件下尾水出口河段流態(tài)

結(jié)果表明：數(shù)學(xué)模型和物理模型模擬結(jié)果吻合良好。各發(fā)電工況尾水洞對岸沿程存在低流速區(qū)，可作為魚類回游上溯的通道。機組滿發(fā)時，尾水洞出口河段河心及右岸區(qū)域流速較大，但均小于1.67 m/s，未形成流速屏障，不會影響魚類從該區(qū)域回溯上游。其余發(fā)電流量時亦未見明顯的流速屏障。2號尾水洞對岸上游區(qū)域呈相對緩流回流狀態(tài)，同時，由于壩體阻擋，該區(qū)域是魚類上溯的最上游端，魚類較易于在此集群。推薦2號尾水洞出口上游左岸(A點)以及大壩壩趾(B點)作為集魚地點。

圖10 牙根一級建成后，典型發(fā)電工況條件下電站尾水出口河段流場數(shù)值模擬成果

3.5 魚類集魚效應(yīng)觀測

3.5.1 觀測方法

采用魚探儀(Sound Metrics 公司制造的雙頻識別聲吶DIDSON)。在尾水出口河段進行定點觀測，觀測點位如圖所示定點連續(xù)觀測(圖11)，四個觀測點均位于左岸岸邊，包括2號尾水洞上游靜水區(qū)(觀測點1)、2號導(dǎo)流洞洞口(觀測點2)、1號和2號導(dǎo)流洞口之間(觀測點3)和1號導(dǎo)流洞洞口附近(觀測點4)。每個觀測點設(shè)置左、中、右3個觀測斷面。觀測期間電站通過導(dǎo)流洞下泄流量730～770 m3/s。每個觀測點為1 d，每天上午、下午及夜間各觀測3 h，即9:00～12:00、14:00～17:00、19:00～22:00。

3.5.2 觀測結(jié)果

觀測結(jié)果表明從空間上，尾水洞正下方的5號和11號斷面魚類數(shù)量明顯較其他斷面少，其他斷面白天觀測魚類數(shù)量差異不大，而夜間2號尾水洞上游的1、2、3、4號斷面魚類數(shù)量明顯增加，特別是臨近2號導(dǎo)流洞口附近的4號斷面，夜間觀測魚類數(shù)量急劇增加。

圖11 兩河口壩下尾水附近魚類集群效應(yīng)觀測點位圖

圖12 定點觀測每個斷面時均魚類數(shù)量比較

觀測結(jié)果見圖12。觀測結(jié)果表明，在電站下泄流量730～760 m3/s工況條件下(兩河口工程共設(shè)置6臺機電，單機引用流量248 m3/s，最大引用流量 1 491.6 m3/s)。在尾水洞上游側(cè)區(qū)域，即圖中的A區(qū)、B區(qū)及C區(qū)分布有較多的魚類，說明盡管在電站尾水大流量下泄的情況下可能會對上溯魚類形成流速屏障，但魚類仍可通過河岸邊的低流速區(qū)到達尾水洞上游，而后聚集在下游圍堰下方，即魚類將上溯至河道內(nèi)物理屏障的下方。因此，建議集魚地點選擇尾水洞的上游區(qū)域。

3.6 其他因素分析

(1)地質(zhì)條件。A點位于大壩下游6號沖溝底部，6號沖溝上部邊坡開挖拋渣，沖溝中下部堆渣較厚。經(jīng)前期地質(zhì)調(diào)查，6號沖溝存在發(fā)生泥石流的可能，6號溝溝心設(shè)置泥石流排導(dǎo)槽，因此溝口不宜布置過魚建筑物。其余各點巖體位于弱風(fēng)化、弱～強卸荷帶內(nèi)，巖體質(zhì)量分類為Ⅳ2～Ⅴ1類，地質(zhì)條件上相差不大，不存在建設(shè)升魚機系統(tǒng)的不利地質(zhì)條件。

(2)布置條件。A點處存在6號沖溝，溝心設(shè)置泥石流排導(dǎo)槽，受此影響不宜再布置集魚設(shè)施；B點位于壩址下游圍堰下方，下游圍堰中部處布置有用于導(dǎo)排大壩滲流的量水堰，量水堰左側(cè)至岸邊區(qū)域具備布置集魚系統(tǒng)的條件；C點位右岸2號尾水隧洞出口上游，C點與壩腳之間的區(qū)域較為狹窄，布置集魚設(shè)施、補水設(shè)施以及升魚機系統(tǒng)存在一定的難度；D點位右岸1號、2號尾水隧洞出口之間，布置條件更為有限。同時，尾水洞出口斷面布置構(gòu)筑物，人為束窄了尾水口出水斷面面積，可能對尾水洞正常運行產(chǎn)生影響；E點場地條件較為開闊，不存在布置集魚系統(tǒng)的制約因素。

(3)泄洪霧化影響分析。兩河口水電站為雅礱江中下游的“龍頭水庫”，工程泄洪具有“水頭高、泄量大、河谷窄、岸坡陡、泄洪功率高、下游河道及岸坡抗沖能力較低”的特點。本工程泄洪功率大，泄洪霧化影響區(qū)范圍廣，影響程度深。該工程潛在的集魚地點中E點位于泄洪霧化區(qū)范圍，雨強在50 ～ 200 mm/h范圍，工程泄洪霧化將對對升魚機的建筑物與金屬結(jié)設(shè)備產(chǎn)生不利影響。

(4)施工條件。擬選的五個集魚地點施工條件相當，均需進行水下圍堰施工，無本質(zhì)差別。

3.7 集魚地點比選結(jié)果

參考國內(nèi)外已有過魚工程選擇誘魚口位置的經(jīng)驗與原則，該報告擬定了左岸5號導(dǎo)流洞上游(A點)、大壩壩趾(下游圍堰下方，B點)、右岸2號尾水隧洞出口上游(C點)、右岸1號、2號尾水隧洞出口之間(D點)以及右岸1號尾水隧洞出口下游(E點)5個集魚點。通過壩下集群效應(yīng)觀測，在尾水洞上游側(cè)區(qū)域，即圖中的A、B、C點分布有較多的魚類。壩下流場數(shù)值模擬分析表明各發(fā)電工況條件下河道斷面均存在低流速區(qū)，魚類可通過這些低流速區(qū)上溯至尾水洞上游區(qū)域，直至壩腳物理屏障處。受6號沖溝影響，A點不具備布置集魚系統(tǒng)的條件，B、C、D、E四點均可布置集魚系統(tǒng)，但C、D兩點場地較為狹小，布置上存在一定的難度。其中D點位于兩尾水洞出口之間，可能將對尾水洞正常運行產(chǎn)生影響；E點位于電站泄洪霧化區(qū)范圍內(nèi)，電站泄洪霧化將對集魚系統(tǒng)的建筑物和魚斗、啟閉設(shè)備等金屬構(gòu)件產(chǎn)生不利影響。A、B、C、D、E五點的工程地質(zhì)條件以及施工條件相當。

經(jīng)綜合比選，最終推薦B點，即大壩下游左岸，下游圍堰下方作為過魚工程的集魚地點。

4 結(jié) 語

該工程通過魚類游泳能力測試獲得了主要過魚對象的游泳能力指標，并通過水工模型試驗與數(shù)值模擬的方式獲得壩下流場的分布情況。結(jié)合魚類游泳能力指標，對魚類上溯的最前沿位置進行了初步判斷，進而在壩下進行了魚類集群效應(yīng)觀測。觀測結(jié)果表明魚類較多地聚集在壩下圍堰下游側(cè)且觀測成果較好地驗證了前期的判斷。最后從地質(zhì)條件、布置條件、泄洪霧化影響分析、施工條件對推薦的幾個集魚地點進行了綜合分析，最終提出了最佳集魚地點。該工程確定集魚地點的工作思路與研究成果對于其他水電工程過魚設(shè)施設(shè)計具有一定的借鑒和參考作用。