鱼道水力设计的基本要点与工程实例

./鱼道水力设计的基本要点与工程实例艾克明〔省水利水电勘测设计研究总院市410007容提要：本文对阶梯式鱼道的水力设计程序和要点做了详细介绍,并列举了省衡东县洋塘鱼道等工程的成功实例加以佐证,说明阶梯式鱼道仍是目前国保护鱼类的有效工程措施。关键词：鱼道阶梯式鱼道集鱼系统补水系统一、引言在天然河道上拦河筑坝,开发利用水资源,造福于民,同时也会对生态环境帶来一些负面影响,其中对鱼类而言,主要是阻断了鱼类的洄游通道,破坏产卵场和减少渔业资源量。这对完成生活史过程中需要进行大围迁移的洄游性或半洄游性鱼类往往是毁灭性的。目前针对水利枢纽工程对鱼类造成的不利影响所采取的保护措施,一般包括：修建过鱼设施、开展人工增殖放流、施行水库生态调度和建立鱼类保护区等。其中,以修建过鱼设施和开展人工增殖放流在国最为常见。在修建过鱼设施方面,国外的主要形式有：鱼道、仿自然通道、升鱼机、集运鱼设施和鱼闸等。通常要结合工程具体情况,通过技术经济比较確定。目前国比较常见的过鱼设施还是鱼道。限于篇幅,本文仅就阶梯式鱼道的水力设计进行研讨。二、鱼道水力设计的基本要点图1鱼道布置示意图鱼类下行过坝,一般有以下一些方式：如通过泄水闸过坝；通过低水头水轮机过坝；通过鱼道本身过坝和通过船闸过坝等。应根据工程具体情况进行选择,做出安排。通常修建阶梯式鱼道,主要解决鱼类上溯过坝问题。鱼道主要由进口、槽身、出口和诱鱼补水系统组成。〔见示意图１鱼道口多布置在水流比较平稳且有一定水深的岸边或电站、溢流坝口附近。常用的槽身横断面为矩形,用隔板将水槽上、下游的水位差分成若干个小梯级,隔板上设过鱼孔或竖缝,利用鱼槽裡的水垫、沿程摩阻、水流相互冲击和扩散来減速消能。鱼道水力设计步骤和基本要点如下：图1鱼道布置示意图１、首先要確定好过鱼目标要根据对当地情况的调查了解确定哪些产量高或珍稀洄游或半洄游性鱼类需要过坝。这些鱼类的特点和生态习性怎样?主要过鱼季节都在什么时候?然后根据它们的特点和习性来进行鱼道的水力设计。我国一些陸河流上,多为淡水洄游或半洄游鱼类,如青、草、鲢、鳙,通称"四大家鱼",它们上溯产卵季节多分布在４至８月。２、要確定好鱼道设计水力参数其一,是要確定好鱼道的运行水位。鱼道上、下游的运行水位直接影响到鱼道在过鱼季节中是否有适宜的过鱼条件,保征鱼类能沿鱼道上溯。鱼道上、下游水位变化也会影响到鱼道进、出口水位銜接和鱼池水流条件。一般电站枢纽型的鱼道,上游运行水位的上限可选为大坝不泄洪时的最高正常蓄水位；下限可选择过鱼季节中水库经常出现的水位。下游运行水位的上限可选择闸坝不泄洪时电站全部机组满负荷运行时的尾水位；下限可选为过鱼季节中常见的下游水位。其二,是要確定好鱼道的设计流速：鱼类的克流能力是指鱼类在一定时间可以克服某种水流流速的能力,可分为巡游速度或喜爱流速和突进流速或极限流速。根椐国一些研究单位的试验成果,"四大家鱼"的喜爱流速为0.3至0.5m/s；极限流速为1.0m/s以上。国外通过数学推导,获得两个鱼类游泳能力估算经验式：v=〔2-4L〔1v=1.98×L0.5〔2式中v－－鱼的克流能力〔m/s；L――鱼的体长〔m。经国一些单位的校验,认为式<2>有一定的参考价值。鱼道的设计流速一般小于鱼类的巡游流速。这样鱼类可以在鱼道中行进。隔板上的孔口或竖缝的水流流速应小于鱼类的突进流速。这样鱼类才可以越过孔口或竖缝进入上游一个鱼池,从而逐级上溯达到上游出口。3、做好鱼道形式的比选目前主要有三种鱼道形式：〔1、丹尼尔式〔Denilfishway：它由一系列矩形斜置隔板组成。在槽的边壁和底部设有阻板和底坎。水流从中央孔口通过时,在边壁和底坎上形成反向回流减速消能。丹尼尔鱼道一般宽度小,坡度大,长度也较小。〔2、溢流堰式〔pool&weirfishway：鱼槽被竖立隔板分隔为一系列水流相互沟通的梯级鱼池。在隔板上设溢流表孔或底孔,或二者兼有之。水流经孔口下泄时在鱼池扩散消能。鱼类逐级上溯达到上游。鱼类习性不一,有的从表孔过,有的从底孔过。〔3、竖缝式〔verticalslotfishway：它由一系列相连的水池组成。隔板上设竖缝,故也可适应不同习性的鱼类上溯。美、欧各国多用此种鱼道形式。鱼道设计时应根据当地的具体情况和过坝鱼类的习性选用合适的鱼道形式4、拟定鱼池的结构尺寸〔1、鱼池宽度B：主要由过鱼量和过鱼对象的大小决定。国外一般取2~5m；国多取2~4m。〔2、鱼池长度l：与水流的消能效果及鱼类的休息条件有关。一般初设时取l=〔1.2~1.5B。鱼体大,取大值；鱼体小,取小值。〔3、鱼池深度h：主要依过鱼习性而定。底层鱼和体形大的成鱼要求水深大一些。国外一般取1.5~2.5m。〔4、孔口或竖缝宽度b：一般宜不小于过鱼对象体长的1/2。5、鱼道进口能否被鱼类较快发现和顺利进入是鱼道设计成败的关键。为此必须了解鱼类坝下洄游规律。一般鱼道进口应避开主流,安排在流速较小的主流两侧上溯；鱼道的选址一般应选在常年有水下泄的地方,并且保证进鱼口处有1~1.5m的水深。为此应根据下游水位变化的情况確定进鱼口的底板高程。进口处的出水流速应保持在0.3~0.5m/s。进水口与河床间不应有陡坎,而应用砂卵石等铺筑成缓坡联结。6、进口集鱼系统在电站枢纽下游厂房尾水附近,常聚集有大量从下游循着尾水上溯的鱼类。为此设置一个集鱼系统,将鱼集中到集鱼槽并被引导到鱼道进口。通常集鱼系统呈长廊形布置在尾水管上方。其进口为集鱼槽下游壁上的一系列孔口。鱼类在尾水的吸引下通过孔口进入集鱼槽。各孔囗的出水流速也应维持在0.3~0.5m/s。7、补水系统国外研究表明,为达到较好的诱鱼效果,吸引水流量不应低于自然状态下流量的3%~5%。而鱼道本身的设计流量一般仅只1m3/s左右,远不满足诱鱼流量的要求。因此要设立补水系统,往鱼道进口以及集鱼槽补水。补水方式可从坝上游通过渠道或管道补水,也可以从下游抽水补水。8、鱼道出口出口位置应选在远離厂房、泄水闸及船闸的地方。一般宜傍岸,出口水流平顺且适应上游水位变化的地方。出口底板以上水深应大于1.5m。如水库消落水深大,也可设多个辅助出口,并保证出水深度不小于1.5m。各出水口处都应设置闸门和拦污栅。9、鱼道的整体指标<1>、鱼池数目：n=k×g×H/v2〔3式中k――消能系数,一般取0.85~0.90；v――鱼道孔口或竖缝流速〔m/s；H――最大水位差,即上游最高运行水位减下游最低运行水位〔m；g――重力加速度。<2>、鱼道有效全长：考慮鱼类上溯途中要适当休息,应设立若干个休息池。休息池长一般取为鱼池长的2倍,其底坡可取为平底。鱼池总长加上休息池总长即为鱼道有效全长。<3>、鱼池间的落差：△h=H/n；<4>、鱼池的底坡=△h/l；<5>、鱼道平均底坡i==鱼道进、出口底部高程差除以鱼道的有效全长。10、鱼道的輔助设施<1>、观察室：为观察过鱼效果和宣传演示,应设观察室。观察室宜设在便于观察的地方如休息池侧壁。观察窗一般为钢化玻璃,上贴半透明膜,以便观察鱼类洄游的状况,而鱼类却看不到池外的情况。观察窗外,宜配置弱的兰光或绿光。鱼池可设水下摄像机,以便计数和观察鱼在鱼道中的姿态,判断其适应程度。<2>、鱼池的底部处理：鱼池底部有的铺设一层10cm~20cm粗粒径的鹅卵石,以减速消能,适应某些鱼类匐伏上溯。为便于清汙,也有池底为平底不做处理的。<3>、拦污栅：鱼道出口处一般宜设拦污栅,以防漂浮物进入鱼道。<4>、防护栏：鱼道顶部可设置防护栏,以防杂物进入鱼道,也可防止鱼类跳出鱼道。11、鱼道的运行与维护<1>、隨着上下游水位的变化,应通过进出口闸门的调控,使鱼道的流速和流态保持稳定,以满足鱼类上溯要求,避免出现局部水位跌落大、超极限流速或局部水位壅高等现象。<2>、鱼道投入运行以后要建立巡查等规章制度,加强鱼道的保养维修,每年应进行一次全面的维修,避免出现因管理不善或维护不够而导至鱼道废弃使用的情况。三、鱼道的工程实例1、洋塘鱼道[1]图2洋塘鱼道布置示意图1、溢流坝；2、鱼道；3、水轮泵站；4、电站；5、供水渠道；6、辅助供水设施；7、集鱼系统；8、调节闸；9、14、17、孔口；10、会合池；11、过鱼观测室；12、主进鱼口；13、辅助进鱼口；15、进鱼孔；16、下游水位；18、隔栅；19、集鱼系统水位；20、辅助供水水位。洋塘鱼道位于省衡东县洣水河汇入湘江的最末一个梯级,为抽水和发电枢纽。该鱼道由阶梯式鱼池、电站下游侧集鱼系统、会合池、辅助补水系统和过鱼观察室等组成。上、下游最大水位落差4.5m,鱼道总长317.2m。过坝鱼类以"四大家鱼"为主。工程于1979年建成投产,年平均过鱼量达58万尾。〔详细指标见附表及图22、鱼梁鱼道位于廣西田东县右江支流郁江的第5个梯级,系以航运为主结合发电的枢纽工程。该鱼道亦由阶梯鱼池、电站下游侧集鱼系统、补水系统和设在出口附近的过鱼观察室组成。上下游最大水位差为10.75ｍ,鱼道总长627.3ｍ。过鱼目标以"四大家鱼"为主。工程已完成初设,详细指标见附表和图１。由附表的各项指标可以看出,由于过坝鱼类均以"四大家鱼"为主,所以各项水力设计指标大体相近,并且都在一般经验要求的围之。不同之处在于洋塘鱼道选用的是溢流堰式隔板,而鱼梁鱼道则选用竖缝式隔板；洋塘鱼道采用渠道从水库补水,而鱼梁鱼道则采用管道从库补水。3、工程效果洋塘鱼道建成投产以后共进行了为期6年的系统观测。1982年为期77天的观测结果是主进鱼口共过鱼188,092尾,集鱼槽共过鱼571,143尾,其比例为1：3.04。1984年4月15日,主进鱼口过鱼79,025尾,集鱼系统过鱼243,403尾,其比例为1：3.08。总结6年378天4987小时的欢测,通过鱼道洄游的鱼类共3,499,300尾,年平均过鱼量为583,216尾,小时过鱼量为201尾。洄游鱼类以"四大家鱼"为主,共45种。个体鱼长15ｃｍ~110ｃｍ。这些鱼类洄游大大扩充了洣水上游的鱼类资源。捕捞量的统计表明,洣水上游的捕捞量年均为未建鱼道前的3.5倍。洋塘鱼道的上述情况曾以LayoutandPerformanceofYangtangFishway为题于1990年10月在日本歧埠县召开的国际鱼道会议上发表并载入会议论文集。20XX世界粮农组织主持的《渔业技术专刊》收入了洋塘鱼道的技术资料并评价说："这个鱼道在适合当地鱼类的习性和良好的监测方面是发展中国家少数几个优秀鱼道设计的一个例"[2]。四、结语1、在天然河道上拦河筑坝阻断了鱼类的洄游通道,对于洄游性和半洄游性鱼类是一个毁灭性的灾害。为了維持良好的生态环境,采取鱼类保护措施是非常必要的。2、在诸多的保护措施中,目前国以修建鱼道和人工增殖放流最为常见。在阶梯式鱼道设计方面已积累了一定的经验。洋塘鱼道等工程的实践表明,只要设计得当,鱼类洄游的效果还是十分明显的。3、洋塘鱼道等工程的水力设计是成功的,可供类似工程参考。参考文献1GuZhili,LinQinhao,AiKeming.Layoutandperformanceofyantangfishway[S].Internationalsymposiumonfishways’90inGifu,October,1990,Gifu,Japan.2GerdMarmulta.Dams,fishandfisheries:Opportunities,challengesandconflictresolution[J].FAOFisheriestechnical<Rome>,2001,<419>:78.附表鱼道设计指标表序号项目一般要求洋塘鱼道鱼梁鱼道1最大水位差H,m4.510.752鱼道总长L,m317.2627.33鱼道总比降0.0140.0174鱼池隔板形式丹尼尔式,溢流堰式、竖缝式溢流堰式竖缝式5鱼道设计速,m/s四大家鱼喜爱流速0.3～0.5鱼池0.13鱼池0.14极限流速1.0以上0.8～1.20.8～1.06鱼池宽B,m2.0～5.0437鱼池长l,ml=〔1.2～1.5B