萬(wàn) 帆，牛天祥，李天宇

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

班多水電站為目前黃河上游已經(jīng)建成運(yùn)行的最上游一級(jí)電站，河段分布有多種黃河上游高原土著魚類，電站于2011年建成，運(yùn)行多年以來(lái)對(duì)魚類生境形成了阻隔。在國(guó)家加大生態(tài)文明建設(shè)力度，高度重視黃河上游生態(tài)保護(hù)修復(fù)的形勢(shì)下，為了保護(hù)黃河上游高原魚類棲息生境和種群，針對(duì)電站建成運(yùn)行形成的生境阻隔，班多水電站在黃河上游首個(gè)實(shí)施補(bǔ)建過魚設(shè)施，恢復(fù)河流生境連通性，修復(fù)河段水生生態(tài)系統(tǒng)。

在各類過魚設(shè)施中，魚道雖然投資較大，對(duì)地形地質(zhì)條件要求較高，但作為連系壩上水庫(kù)和壩下河流的永久性建筑物，可一定程度上恢復(fù)河流的連通性，實(shí)現(xiàn)魚類雙向主動(dòng)性通過；也為其提供了休憩場(chǎng)所，是一種保護(hù)水生物種資源和維持河道連續(xù)性的工程措施[1]。有些學(xué)者更是將其稱之為“生態(tài)廊道”[2]；班多水電站最大水頭41.5 m，具備修建魚道的場(chǎng)地條件。因此，選擇魚道作為班多水電站補(bǔ)建過魚設(shè)施的方式。

在班多魚道設(shè)計(jì)階段，已建大型水電站增建魚道在國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例，其設(shè)計(jì)方案既要保障魚道布置合理、過魚效果可靠，也要兼顧考慮施工過程中對(duì)電站運(yùn)行安全的影響，并滿足電站建成后壩址區(qū)現(xiàn)狀地質(zhì)地形條件限制。因此，設(shè)計(jì)過程中更應(yīng)注重從工程運(yùn)行實(shí)際出發(fā)，扎實(shí)做好確定設(shè)計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)研究，以指導(dǎo)魚道設(shè)計(jì)。本次研究探索了將魚類資源復(fù)核調(diào)查、魚類游泳能力試驗(yàn)、壩下和庫(kù)區(qū)地形實(shí)測(cè)、壩下和庫(kù)區(qū)流場(chǎng)模擬及原型觀測(cè)、水庫(kù)日運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、水力學(xué)模型試驗(yàn)等多項(xiàng)基礎(chǔ)研究相結(jié)合，確定班多水電站補(bǔ)建魚道的設(shè)計(jì)參數(shù)體系。

1 工程概況

班多水電站工程位于青海省海南州同德縣與興?？h交界的班多峽谷出口處，壩址處控制流域面積10.75萬(wàn)km2，多年平均流量565 m3/s。水庫(kù)正常蓄水位2 760 m，死水位2 757 m，正常蓄水位下庫(kù)容0.15億m3，為徑流式電站。最大壩高為78.72 m，最大水頭41.5 m，電站裝機(jī)容量360 MW，單獨(dú)運(yùn)行年發(fā)電量14.12億kW·h。

班多水電站攔河大壩為河床式廠房混凝土重力壩，施工導(dǎo)流明渠位于左岸，廠房尾水位于右岸。工程樞紐布置從左岸到右岸分別為左岸擋水副壩(前期為導(dǎo)流明渠)、泄洪閘壩段、安裝間壩段、廠房壩段、右岸擋水副壩。2011年5月，全部機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。

根據(jù)班多水電站工程運(yùn)行后開展的多次魚類資源復(fù)核調(diào)查，河段原分布的土著魚類均能調(diào)查到，魚類種類并未減少，河段仍有保護(hù)魚類生境的價(jià)值。作為黃河上游目前已建的最上游一級(jí)電站，有必要盡快增建過魚設(shè)施，實(shí)現(xiàn)魚類雙向交流，保護(hù)河段魚類資源及棲息生境。

表2 魚道過魚時(shí)段一覽

2 研究方法及過程

2.1 過魚對(duì)象、過魚季節(jié)和過魚規(guī)格確定

2.1.1 過魚對(duì)象確定

根據(jù)歷史資料和工程運(yùn)行后近年來(lái)開展的魚類資源現(xiàn)狀復(fù)核調(diào)查，河段無(wú)長(zhǎng)距離洄游性魚類，部分魚類具有短距離生殖洄游需求。過魚對(duì)象選擇主要從完成生活史價(jià)值、保護(hù)其物種多樣性價(jià)值和保護(hù)其經(jīng)濟(jì)價(jià)值等3個(gè)方面分析。根據(jù)以上判斷依據(jù)，應(yīng)將河段分布的花斑裸鯉、厚重裸重唇魚、骨唇黃河魚、極邊扁咽齒魚、擬鯰高原鰍、黃河裸裂尻和刺鮈幾種土著魚類列為主要過魚對(duì)象。

表1 魚道過魚對(duì)象一覽

2.1.2 過魚時(shí)段確定

河段無(wú)大型長(zhǎng)距離洄游性魚類，厚唇裸重唇魚具有一定短距離產(chǎn)卵洄游習(xí)性。因此班多魚道主要為魚類提供索餌和產(chǎn)卵的洄游通道，過魚時(shí)間選擇在魚類的生長(zhǎng)、繁殖季節(jié)，重點(diǎn)為魚類的產(chǎn)卵季節(jié)。

根據(jù)調(diào)查，過魚對(duì)象主要產(chǎn)卵季節(jié)在4月～6月，不同魚類產(chǎn)卵時(shí)間有所差異?？紤]到部分高原鰍類繁殖季節(jié)可能延后，因此過魚時(shí)段選擇在4月～8月，其中重點(diǎn)過魚時(shí)段選擇在4月～6月。

2.1.3 過魚規(guī)格確定

工程建設(shè)前后，在本河段開展了多次魚類調(diào)查，工程運(yùn)行后開展了魚類資源復(fù)核調(diào)查。河段歷次調(diào)查的各種魚類性成熟時(shí)體長(zhǎng)在80～240 mm不等，最大漁獲物體長(zhǎng)392 mm。因此，本工程最大過魚對(duì)象規(guī)格取400 mm，并在設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)考慮超過此規(guī)格的大個(gè)體魚類過魚需求。

2.2 設(shè)計(jì)流速確定

水電水利工程魚道設(shè)計(jì)除了要考慮魚類的生活習(xí)性外，還要考慮魚道能否為各種魚類提供所需要的水力條件，過魚孔中的流速要小于過魚對(duì)象所能克服的流速[3- 4]。

2.2.1 魚類游泳能力測(cè)試

本次設(shè)計(jì)參數(shù)研究過程中，在青海黃河上游對(duì)部分過魚對(duì)象開展了游泳能力試驗(yàn)[5]，測(cè)試每種過魚對(duì)象的感應(yīng)流速、突進(jìn)游泳速度與持續(xù)游泳速度，采用變頻環(huán)形試驗(yàn)水槽、旋槳流速儀、溶氧儀等儀器進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 部分過魚對(duì)象游泳能力試驗(yàn)結(jié)果 m/s

2.2.2 最大流速確定

根據(jù)水電工程魚道設(shè)計(jì)規(guī)范[6]，魚道的最大設(shè)計(jì)流速需要按照過魚對(duì)象中游泳能力最弱魚的突進(jìn)游泳速度而定；同時(shí)，兼顧河流中其他魚類。根據(jù)游泳能力測(cè)試結(jié)果，班多魚道內(nèi)最大流速建議不超過1.1 m/s。

2.2.3 緩流區(qū)流速確定

根據(jù)游泳能力試驗(yàn)結(jié)果，所測(cè)量過魚對(duì)象的最大感應(yīng)流速為0.147 m/s，魚道內(nèi)緩流區(qū)流速按不小于0.2 m/s設(shè)計(jì)。

2.3 進(jìn)口位置確定

2.3.1 庫(kù)區(qū)及壩下地形實(shí)測(cè)

由于班多水電站已運(yùn)行多年，受樞紐建設(shè)和施工布置的影響，工程區(qū)地形相比建設(shè)前已發(fā)生較大變化，設(shè)計(jì)前對(duì)工程庫(kù)區(qū)及壩下1 km區(qū)域岸邊和水下地形進(jìn)行了實(shí)地測(cè)量。

2.3.2 流場(chǎng)模擬

采用MIKE21二維水動(dòng)力模型，利用地形實(shí)測(cè)結(jié)果構(gòu)建班多壩軸線以下1 000 m范圍內(nèi)的三角地形網(wǎng)格，進(jìn)行不同運(yùn)行工況下壩下河段水流數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示，電站1臺(tái)機(jī)、2臺(tái)機(jī)、3臺(tái)機(jī)發(fā)電情況下，受地形和工程布置影響，壩下200 m內(nèi)左岸河道為泄洪閘出口明渠靜水區(qū)域，壩下100～200 m河道中部區(qū)域以及壩下500 m以下左側(cè)河道存在高流速區(qū)，形成流速屏障。各工況下壩下游右側(cè)河道均存在連續(xù)的流速0.2～1.1 m/s的魚類可通過范圍。

圖1 壩下流場(chǎng)分布模擬結(jié)果(河流流向?yàn)樽阅舷虮?

2.3.3 流場(chǎng)原型觀測(cè)

為驗(yàn)證流場(chǎng)模擬結(jié)果，并掌握過魚季節(jié)內(nèi)典型工況下壩下流場(chǎng)實(shí)際情況，本次研究對(duì)壩下1 km范圍內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了原型觀測(cè)(見圖2)。實(shí)測(cè)采用矩陣布點(diǎn)，相鄰測(cè)點(diǎn)間隔30～50 m。測(cè)量時(shí)間為5月，實(shí)測(cè)期間電站2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，出庫(kù)平均流量691 m3/s，實(shí)測(cè)結(jié)果如下。

圖2 壩下實(shí)測(cè)流場(chǎng)分布(河流流向自南向北)

(1)壩下200 m以上范圍。各斷面流速均較大，各垂線流速基本都大于1.1 m/s，河道中間位置部分區(qū)域流速大于3 m/s。

(2)壩下200 m以下范圍。左側(cè)河道從壩下約200～500 m流速在0.83～1.20 m/s之間，壩下500 m以下左側(cè)河道流速均遠(yuǎn)大于1.1 m/s；中間河道各斷面流速均大于1.1 m/s；右側(cè)河道在壩下300 m以上測(cè)量點(diǎn)流速大于1.1 m/s，壩下300 m以下流速均在0.2～1.1 m/s之間，出現(xiàn)連續(xù)的流速適宜通道。

流場(chǎng)實(shí)際測(cè)量結(jié)果與二維數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。

2.3.4 進(jìn)口位置確定

魚道進(jìn)口位置應(yīng)選擇水流平順、流速適宜且不大于1.1 m/s的區(qū)域，有利于魚類發(fā)現(xiàn)并能順利進(jìn)入魚道進(jìn)口。班多水電站廠房尾水位于右岸，左岸壩下200 m內(nèi)范圍為泄洪閘出口明渠靜水區(qū)域，左岸明渠下游流場(chǎng)不夠平順，易受電站棄水、泄洪等不穩(wěn)定工況影響，且下游500 m以下左側(cè)河道存在高流速區(qū)，因此本工程魚道進(jìn)口布置在右岸為宜。根據(jù)壩下流場(chǎng)數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果，壩下300 m及以下右側(cè)河道存在流速在0.2～1.1 m/s的適宜通道區(qū)域，且該范圍內(nèi)河道中間和左岸流速較大，魚類容易尋找右岸適宜的水流，適合在該范圍內(nèi)布置魚道進(jìn)魚口。

由于班多水電站已經(jīng)建成運(yùn)行，電站為徑流式，水庫(kù)無(wú)調(diào)蓄能力。魚道進(jìn)口布置受岸邊場(chǎng)地地形條件限制，且需要兼顧魚道進(jìn)口圍堰施工對(duì)廠房尾水的安全影響，無(wú)法靠近廠房尾水。右岸廠房尾水下游約310、380 m處岸邊流速量值相對(duì)適中，且水流流態(tài)較為平順，在此區(qū)域分別布置2個(gè)進(jìn)魚口。

2.4 進(jìn)口、出口數(shù)量及高程確定

魚道進(jìn)口、出口數(shù)量需根據(jù)水位變化特征考慮，并考慮運(yùn)行方便。

2.4.1 壩下運(yùn)行水位及魚道進(jìn)口高程確定

魚道進(jìn)魚口高程，既要適應(yīng)過魚對(duì)象對(duì)水深的要求，還要適應(yīng)下游水位的變幅。過魚時(shí)段電站運(yùn)行工況主要集中在1臺(tái)機(jī)～3臺(tái)機(jī)發(fā)電，本次魚道設(shè)計(jì)取1臺(tái)機(jī)發(fā)電流量379.24 m3/s～3臺(tái)機(jī)滿發(fā)流量1 137.72 m3/s下的水位作為魚道壩下工作水位范圍，可滿足大多數(shù)時(shí)段過魚需求。魚道下游運(yùn)行最低水位為1臺(tái)機(jī)滿發(fā)下游水位2 719.75 m，最高運(yùn)行水位為3臺(tái)機(jī)滿發(fā)下游水位2 721.53 m，水位變幅1.78 m。

結(jié)合進(jìn)魚口附近河床地形，以及魚道運(yùn)行水深的要求，設(shè)計(jì)布置2個(gè)進(jìn)魚口，1號(hào)進(jìn)魚口底板高程為2 718.44 m、2號(hào)進(jìn)魚口底板高程為2 719.33 m，進(jìn)魚口運(yùn)行水深為1.31～2.20 m。

2.4.2 庫(kù)區(qū)運(yùn)行水位分析及魚道出口高程確定

班多水電站水庫(kù)正常蓄水位2 760.00 m，死水位2 757.00 m，變幅3 m。為結(jié)合工程運(yùn)行以來(lái)實(shí)際情況合理確定魚道出口高程及數(shù)量，使魚道運(yùn)行盡量簡(jiǎn)單高效，參數(shù)研究階段對(duì)電站運(yùn)行期5年的日運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見表4。

表4 魚類產(chǎn)卵及主要生長(zhǎng)季節(jié)庫(kù)區(qū)水位統(tǒng)計(jì)

結(jié)果顯示，每年4月～8月過魚時(shí)段，庫(kù)區(qū)水位多數(shù)在2 759.00～2 760.00 m，占到55.86%，水庫(kù)盡量靠近正常蓄水位運(yùn)行。部分天數(shù)由于汛期電站泄洪等原因?qū)е滤畮?kù)水位較低，而泄洪期間魚道不運(yùn)行。因此，庫(kù)區(qū)工作水位取2 759.00～2 760.00 m，水位變幅1.00 m。

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范[6]，出魚口最低水深0.5 m要求，確定出魚口底板高程為2 758.50 m，出魚口工作水深為0.5～1.5 m。

2.5 魚道池室參數(shù)確定

班多水電站最大水頭41.5 m，根據(jù)本工程主要過魚對(duì)象的生活習(xí)性，以及各種魚道形式的適應(yīng)性和消能特點(diǎn)，采用矩形斷面的垂直豎縫式魚道。主要池室參數(shù)確定過程如下：

(1)魚道池室長(zhǎng)度。池室長(zhǎng)度與魚體大小及魚的習(xí)性有關(guān)。個(gè)體愈大，池室應(yīng)愈長(zhǎng)，躁性急竄的魚類，應(yīng)有較長(zhǎng)的池室。對(duì)于各種魚類，池室長(zhǎng)度不應(yīng)小于大個(gè)體魚長(zhǎng)的4～5倍，對(duì)躁性魚類應(yīng)更大。根據(jù)本工程魚道過魚對(duì)象體長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)，池室長(zhǎng)度2.5 m大于最大魚類體長(zhǎng)的5倍；因此池室長(zhǎng)度取2.5 m。

(2)魚道池室豎縫寬度。根據(jù)調(diào)查，過魚對(duì)象最大體長(zhǎng)約400 mm，根據(jù)魚道一般設(shè)計(jì)要求，過魚孔口寬度最小不應(yīng)小于過魚最大體長(zhǎng)1/2，本次設(shè)計(jì)取池室豎縫寬度≥0.3 m。

(3)池室水深。魚道內(nèi)的水深主要視魚類習(xí)性而定。底層活動(dòng)的魚類和大個(gè)體成魚，喜歡較深的水體和暗淡的光色，故要求水深大一些；幼魚一般喜在水表層活動(dòng)，池室水深可小一些。國(guó)內(nèi)有關(guān)水電站魚道通過觀測(cè)，建議魚道運(yùn)行水深控制在1.5～2.0 m[4]。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，在兼顧過魚對(duì)象的生態(tài)習(xí)性和工程投資的情況下，本次班多魚道池室水深取0.5～2.2 m。

2.6 研究結(jié)果

根據(jù)以上研究過程，班多水電站魚道主要設(shè)計(jì)參數(shù)體系成果如表5所示。

表5 魚道設(shè)計(jì)參數(shù)體系

3 討論和結(jié)論

在國(guó)家加大生態(tài)文明建設(shè)力度，高度重視黃河上游生態(tài)修復(fù)的形勢(shì)下，本次研究對(duì)大型水電站補(bǔ)建魚道主要設(shè)計(jì)參數(shù)的探索，其方法和成果對(duì)于國(guó)內(nèi)后續(xù)水電工程魚類生境修復(fù)工程設(shè)計(jì)工作具有很強(qiáng)的借鑒意義。

本次研究圍繞在已建大型水電站補(bǔ)建魚道這一特征，依據(jù)工程運(yùn)行后的場(chǎng)地地形、流場(chǎng)、水位變幅等實(shí)際情況，充分考慮魚道過魚效果和施工對(duì)電站運(yùn)行的影響，開展了魚類資源復(fù)核調(diào)查、魚類游泳能力測(cè)試、壩下和庫(kù)區(qū)地形實(shí)測(cè)、壩下和庫(kù)區(qū)流場(chǎng)原位觀測(cè)及模擬、水庫(kù)日運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等多項(xiàng)基礎(chǔ)工作，客觀合理地研究確定各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)，形成了班多水電站魚道過魚對(duì)象、過魚季節(jié)、過魚規(guī)格、設(shè)計(jì)流速、進(jìn)魚口位置、進(jìn)出口工作水深及底板高程、池室水深、池室長(zhǎng)度、豎縫寬度等魚道基本設(shè)計(jì)參數(shù)體系。

值得注意的是，雖然本次研究流場(chǎng)觀測(cè)成果提示右岸廠房下游300 m范圍內(nèi)存在高流速區(qū)域，但國(guó)內(nèi)部分已建水電站已調(diào)查到魚類出現(xiàn)在尾水處的實(shí)際情況。已建水電站增建魚道時(shí)，受場(chǎng)地條件限制，且考慮進(jìn)口圍堰施工對(duì)廠房尾水安全的影響，往往無(wú)法將魚道進(jìn)口布置在尾水處，魚道槽身段布置也較為困難，這也是已建水電站增建過魚設(shè)施的局限之處，也體現(xiàn)出了過魚設(shè)施在水庫(kù)蓄水前應(yīng)建設(shè)完成這一要求的必要性。為進(jìn)一步提高班多魚道的過魚效果，下一階段可開展壩下魚類集群觀測(cè)及魚道過魚效果觀測(cè)，研究在魚道進(jìn)口設(shè)置攔魚、導(dǎo)魚和誘魚設(shè)施。