永庆水库仿自然过鱼通道水力学特性研究.pdf

'水利水电技术第47卷2016年第6期永庆水库仿自然过鱼通道水力学特性研究刘志国1，安瑞东2(1．丰满大坝重建工程建设局，吉林吉林132108；2．四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都610065)摘要：调查了永庆水库库区珍惜保护鱼类，给出了该水库过鱼设施流动指标。通过交错石块式仿自然过鱼通道局部水工模型试验，研究了交错石块式仿自然过鱼通道内的水力学特性，总结分析了模型试验结果。分析论证表明：该交错石块式仿自然通道可满足永庆水库目标鱼类的洄游需求，为仿自然过鱼通道的设计和研究提供了依据。关键词：水库过鱼；仿自然过鱼通道；模型试验；水力学特性；永庆水库doi：10．13928／j．cnki．wrahe．2016．06．015中图分类号：TVl35．9(234)文献标识码：B文章编号：1000．0860(2016)06—0060—06Studyonhydrauliccharacteristicsofnature-imitatedfishpassageforYongqingReservoirLIUZhigu01，ANRuidon92(1．FengmanDamReconstructionProjectConstructionBureau，Jilin132108，Jilin，China；2．StateKeyLaboratoryofHydraulicsandMountainRiverEngineering，CollegeofHydraulicandHydroelectricEngineering，SiehuanUniversity，Chengdu610065，Siehuan，China)Abstract：TherareandprotectedfishesinthereservoirareaofYongqingReservoirareinvestigated，andthentheflowindexofthefish-passfacilityforthereservoirisgivenout．Throughthelocalhydraulicmodeltestonthenature．imitatedfishpass硼reofthetypeofinterlacedstoneblocks，thehydrauliccharacteristicsinsideofthiskindoffishpassageisstudied．whilethemodeltestresultissummarizedandanalyzedaswell．Theanalysisandverificationshowthatthenature—mimtatedfishpassageofthetypeofinterlacedstoneblockscanmeetthedemandsofthemigrationsofthetargetfishesinthereservoir，andthuslayabasisforthedesignandresearchofthenature-imitatedfishpassage．Keywords：fish-passimthroughreservoir；nmure-imitatedfishpassage；modeltest；hydrauliceharaetristies；YongqingReservoir1研究背景由于水电开发和河流防洪的需要，我国在江河上兴建了大量的大坝、水库等水利工程，截断了天然河流，导致了河流系统的破碎，同时也影响了上游营养物质向下输移和上游产卵区鱼苗对下游渔业资源的补充⋯。长此以往，会造成种群多样性的减少，进而造成近亲繁殖和遗传基因退化旧J。为了补偿大坝的修建对鱼类洄游通道的阻断，目前国内外最主要的解决办法就是修建鱼道。据不完全统计，目前全球建成的鱼道超过2000座，其中超过70％属于传统型鱼道。传统型鱼道存在施工材料和方法不环保、运行维护管理不畅等问题，使60得其在维护水生态系统完整性方面的贡献有限[3J。随着河流连续系统理论的发展，河流内部环境和连续的水体在生态多样性和抗冲击性上日益受到重视。寻找一种更有效的提高河流连接度与连通性的手段，进行河流生态修复，成为水生态领域的迫切需求旧1。因此，开展仿自然通道的研究、设计和应用十分必要。仿自然过鱼通道也称“人造河流”，或“天然旁通水道”，是具有自然特征的旁路水道。其原理是在工程周边或其他合适位置，模仿自然河流修建一条坡度收稿日期：2016—04—27作者简介：刘志国(1964一)，男，高级丁程师。WaterResourcesandHydropowerEngineeringVol47No．6 平缓(一般为1％～5％)的水路供鱼类洄游通过，这种通道由于其粗糙的河底、河岸，以及或多或少几乎规则分布的块石、堤和堰，因而流速较缓，利于水能耗散‘4I。2永庆水库过鱼设施设计概况2．1永庆反调节水库工程概况永庆反调节水库是丰满三期扩建工程的一部分，坝址位于吉林市东南24．00km的第二松花江上，距上游丰满发电厂约10．30km，上游水位与丰满发电厂尾水相衔接。永庆反调节水库正常蓄水位192．20In，相应容积1036．00万In3；死水位189．30in，相应容积208．00万m3，调节库容为828．00万m3。永庆反调节水库上、下游最大水头差仅有3．70ITI，属于典型的低水头水坝。永庆反调节水库的主要工程任务是解放丰满电站长期以来承担的60MW基荷容量，以增加电力系统的调峰容量。并通过反调节水库均匀泄放，满足吉林市和引松人长工程等对161ni3／s流量的要求。永庆反调节水库运行方式为：(1)当库水位没到达正常蓄水位之前，永庆反调节水库按最小流量161m3／s运行，多余水量蓄库；(2)当库水位达到正常蓄水位以后，低堰坝段闸门全部开启，并与高堰自流式溢流坝联合运用，来多少放多少，直到库水位消落到正常蓄水位为止；(3)丰满电站停机后，永庆反调节水库按161m3／s最小流量均匀放流，到16点，将库水位降至死水位，准备拦蓄丰满下次调峰下泄流量。由于永庆反调节水库修建永久性拦河大坝，改变了工程河段河道的连通性，阻断了鱼类上下游交流的通道，需配套建设鱼道，以减缓水电工程对水生生态(尤其是鱼类)的不利影响。2．2永庆反调节水库珍惜保护鱼类永庆反调节水库所在流域松花江上鱼类共有92种。其中，鲤形目(Cypriniformes)鱼类是其主要构成类群，有62种，占松花江流域鱼类总数的67．4％；其次是鲑形目(Perciformes)和鲇形目(Si—lurformes)，分别为8种和7种，占8．7％、7．6％；其他各目共15种。以科为单位看，鲤科(Cyprini．dae)鱼类最为丰富，有55种，占松花江流域鱼类总数的60．O％；其次是鳅科(Cobitidae)和鳞科(Bagridae)，分别为7种和5种，占7．6％、5．4％；其余15科的种数较少，共计有24种，占松花江流域鱼类总数的26．1％。水利水电技术第47卷2016年第6期刘志国，等∥永庆水库仿自然过鱼通道水力学特性研究松花江流域分布的鱼类中，列为国家一级保护野生动物有鳇，列为国家二级保护野生动物有施氏鲟、细鳞鲑；列为吉林省重点保护鱼类的有日本七鳃鳗、雷氏七鳃鳗、东北七鳃鳗、乌苏里白鲑、黑龙江茴鱼、江鳕、怀头鲇、乌苏拟鳞等；被列人中国濒危鱼类红皮书的鱼类有雷氏七鳃鳗、大麻哈鱼(濒危级别极危)，鳇、细鳞鲑(濒危级别濒危)、日本七鳃鳗、黑龙江茴鱼和怀头鲇(濒危级别易危)。从现场调查情况看，施氏鲟、鳇、大麻哈鱼、乌苏里白鲑在第二松花江已多年未见，细鳞鲑主要分布在第二松花江白山水库以上河段，调查区内也已多年未见，七鳃鳗科的日本七鳃鳗和狗鱼科的黑斑狗鱼为偶见种。2．3过鱼设施最大设计流速针对永庆反调节水库过鱼设施主要过鱼目标的游泳能力做了试验研究，试验结果来看，目标鱼类感应流速在0．06～0．17m／s之间，相对感应游速在0．39—0．64BL／s之间；突进游速在0．88～1．25m／s之间，相对突进游速在3．83—6．89BL／s之间；临界游速在0．83～O．99m／s之间，相对临界游速在3．17～6．87BL／s之间。在过鱼设施中，鱼类通过过鱼孔口或竖缝一般都是以高速冲刺的形式短时间通过，通过高流速区时间一般在5～20S，通过后，鱼类寻找到缓流区或回水区进行休息。有研究表明"1：鱼类通过鱼道孑L口或竖缝时运用突进游泳速度，直到疲劳才停下来休息。因此过鱼断面流速主要参考鱼类突进速度。永庆过鱼设施建议以最小性成熟个体怀头鲶突进游泳速度1．18m／s增加10％校正后作为取值依据，即永庆水库过鱼设施最大设计流速为1．30m／s。3永庆水库仿自然过鱼通道设计根据永庆反调节水库枢纽的地形、地质、工程布置特点以及坝(闸)上、下游水流条件、永庆目标鱼类等，永庆过鱼设施采用交错石块式仿自然通道设计∞o(见图1)。永庆水库交错石块式仿自然通道主要设计参数为：坡比S=1．0％，单级鱼池长3．70In。鱼池断面为梯形，坡比为l：1，梯形断面底宽3．00m，左右岸交换堆砌长短不一的蛮石墙，蛮石墙高度为1．80nl，厚度为0．80m，蛮石墙中间竖缝宽为1．20in。断面结构尺寸示意如图2所示，仿自然通道多级鱼池平面布置如图3所示。61 刘志国，等∥永庆水库仿自然过鱼通道水力学特性研究(a)纵剖面图1交错石块式仿自然通道示意．三!!Q．图2仿自然通道断面结构示意(单位：m)4仿自然通道模型试验概况目前对鱼道进行研究，主要是采用物理模型试验和数值模拟的技术手段【7J，通过一系列的模型试验，探讨不同结构形式对于鱼道内流速、流态等方面的影响，为鱼道的设计提供依据旧J。4．1试验模型永庆反调节水库仿自然通道水力学模型试验采用l：5的模型比尺，对仿自然通道的局部进行模型试验。仿自然通道局部试验共设10级鱼池，坡度为1．0％，其平面布置及结构尺寸如图4所示。同时，为了更真实地模拟实际工程流态，通过控制下游休息池的闸门来调整鱼池内水深，使鱼池的水力坡降与底坡保持一致。本次模型试验中的作用力主要是重力，因此采用重力相似准则【9J，各模型的几何比尺A¨流速比尺A¨流量比尺A。如表1所列。为了更直观地说明问题，本文中所有模型尺寸及试验数据均依据相似原理，转化为原型数据。表1永庆鱼道模型比尺几何比尺A￡流速比尺A。流量比尺Ao5．002．2455．904．2试验概况及工况设置根据永庆反调节水库调度运行方式，如表2所列仿自然通道水力学模型试验设置了两种工况：工况1，仿自然通道运行水深为1．50113(池式)；工况2，仿自然通道运行水深为2．20m(堰式)。同时，由于工程主要过鱼对象为底层和中表层游动鱼类，所以对于两种工况的流态也针对表层和中层的流场进行测量。图3仿自然通道多级鱼池平面布置(单位：n1)图4初步设计方案模型平面布置示意(单位：m)水利水电技术第47卷20i6年第6期一 表2局部模型试验工况设置工况编号工况描述测量位置表层，水面以下0．20nl1池式，运行水深1．50m中层，水面以下O．60In表层，水面以下0．20m2堰式．运行水深2．20m中层。水面以下1．10m5仿自然过鱼通道水力学特性研究wu等的试验证明，对于鱼道的大部分水池而言，其中的水流流态以及水头降低基本一致¨0I。故在本次试验时测量4级鱼池流速作为典型鱼池来反映整个仿自然通道内的流场。试验中，对主流进行了加密测量。5．1通道运行水深1．50m试验结果与分析运行水深1．50m表层(水面以下0．20m)和中层(水面以下0．60m)流速测量结果如图5所示，图5中箭头代表流速方向，数值代表流速大小。由图5可知，鱼池l至鱼池4，每一级表层最大刘志国，等∥永庆水库仿自然过鱼通道水力学特性研究流速分别为1．10m／s、1．25m／s、1．27m／s、1．14m／s；每一级中层最大流速分别为1．05m／s、1．12m／s、1．22m／s、1．07m／s，鱼池前4级表层最大的流速为1．27m／s，出现在第3级鱼池；鱼池前4级中层最大的流速为1．22m／s，出现在第3级鱼池。表层主流流速范围在0．60～1．27m／s之间，中层主流流速范围在0．60—1．22m／s之间。图5试验结果表明，堆砌在梯形断面上的长短蛮石墙之间形成了过鱼窄缝，前后两级蛮石墙交错堆砌，使得前后两级窄缝形成异侧窄缝。在异侧窄缝的作用下，主流通过窄缝进人鱼池后，流线呈“S”形⋯J。“S”形主流在流向下一级异侧的窄缝时为侧向人流，在长短蛮石墙的挡水作用下，出现侧向收缩现象，使得在长蛮石墙一侧出现每级鱼池的最大流速点。同时，主流在每一级窄缝进口断面至窄缝出口1．40In断面产生跌水现象，流速增大，跌水末端(窄缝出口1．40In断面)是每级鱼池的最大流速断面。每级鱼池中，“s”形主流区域流速明显大于其他区域的流速，在主流两侧，形成了面积为3—6m2～O24～O32～O24一O26一O32～032一0．22一O”，，O30—一O26----037---037／O19＼O7／0I7x．009O11NOrM030／fo28＼017一一j坚一一一一一』丝一一一一一、O11．碱1a层┏━／017＼O26jO15x．01901IX,O2kO3旷f019＼0．26＼019．砺妊一一一一一一一■翌一一一一一毋F飞i确双一一⋯一一护工．飞箍黢嘶吣／0∞。。舢：州}礤I一11市lOkO7k8是扩n，彳o2氐O8＆O47／112／U丫‘∈-8落05kos～／o：z0110影{8芗e∥镰潍魏戆篆篆＼o，，o吒n2气8蛋篓6粤墅菸童，osp一必5_一!∑一一j2蠡．一一一一一-、一一Ⅶ付1渺一{筹一路杀呀一＼026一O24／017＼O26，一O13／019—030水利水电技术第47卷2016年第6期(b)中层图5通道运行水深1．50m流速测量结果(单位：In／s) 刘志国，等∥永庆水库仿自然过鱼通道水力学特性研究09：JTO39-"O5k1O：一l(1O卜一oT43卜．04。。o：O：一6O53O3＆＼o9：0一0j蒜／03溢：：：一1：鼍，。034028-．0．45＼l：p3扯1153---～、翳‰d竺芝。一j≥3k潞2气n3＼O75—-0．r3--顶15_0矗6卜7一I一0一l-i一一0．5bb不_幽：—Oj’⋯＼n1殳050,』：焱048u氓挂、O92。1Ok⋯。O7Lk‰L：．。5卜5---；．啦80---焉；撩淼基XJ—5∞505孓、葛=麓¨LO，瓢．-78裟99----∽k¨c1．％。：瞄芝芝篆监：掰躜蒹篡毖l’一D5卜嘶106卜．．，一1：y慧蛳豪腮麓：麟“≥107—⋯：o5卜o嘴归lo一1砷IJ卜m瑙湛F12‘兰：兰n3。。}一。。妒慧!一j募：：撼扣6P；。旷120—m3卜o?706p黑卜缺：}忑三：芝05P≮刈40一⋯。⋯’UM蔫掌孑一呻／U6‘O4S—U，UJqu7U：二上HD≯0—1O307uq201丽歹1弘—o孑一一0-o23，o(39歹’o2，1o：一J里4撕703nn3y。矿01l12一14一』5‰圆o2卜o29，o8‘L仃瑚3卜一O3pO33l—一l1⋯ll{Po：鼹1O‘O8j。V(a)表层O9：册3pO5k1O：一1(101—一d硇031一¨豇lu：％。，053O3＆＼09：一Oi二306403＼04、10一l。嘎。．∞402&、04弋l一响5k～⋯、荠惫：、眦乏∽：l’善；芝黑堂；：蕃三IL075一型j鸭^宁一一llU一1—i一堕1钾七不_业：—Oj蝣‰“竺≤一一j092—1Ok⋯。O7L‘‰甄L篡：：熙呈黑豢美X1i哩一。。黑∞，∞k¨t1％。：鸸专兰蒜监：鬟霉蒹篡：：103一l03～胡5-嘶106卜⋯—l：y怒象涯膝融￡麟“；≥07．一os■，夕5卜：：芸摇；二搿；：!谢§￡¨P-zc一l：二：二n32Z：：：：；：；；二j募!兰葚；：；。．。旷20一一，UoIO48一u，w’”一lu：H0烈0—：≥0一，u_2O]岽豪!甓}匝F一丽歹1了y_o孑一～O_o2r磊扣9霖‘o：，1o：一lj里4揶703扣n3yn9’01篡{：@东；：：i芗112—114一?5‰西o2卜o29，o8‘Lo-如3弘一O3pO331jL1r7O3Po：鼹1OiO8：．Y。l(b)中层图6通道运行水深2．20m流速测量结果(单位：rn／s)的回流区。5．2通道运行水深2．20m试验结果与分析运行水深2．20m表层(水面以下0．20m)和中层(水面以下1．10m)流速测量结果如图6所示，图6中箭头代表流速方向，数值代表流速大小。由图6可知，从鱼池l～鱼池4，每一级表层最大流速分别为1．20Ⅱ∥s、1．42ln／s、1．33m／s、1．46H∥s；每一级中层最大流速分别为1．13m／s、1．23ln／s、1．27n∥s、1．13m／s，鱼池前4级表层最大的流速为1．46rn／s，出现在第4级鱼池长挡墙末端；鱼池前4级中层最大的流速为1．27rn／s，出现在第3级鱼池池中。表层主流流速范围在0．30～1．46m／s之间；中层主流流速范围在0．50—1．27rn／s之间。如图6所示试验结果表明，在鱼池表层，由于水流淹没蛮石墙，蛮石墙对表层水流消能效果不明显，故表层水流流速较大，未能形成明显的回流区。在蛮石墙前端，由于水流受到蛮石墙的挡水作用，形成了壅水，在长蛮石墙末端，形成了明显的跌水。长蛮石墙末端的跌水，使水流流速增大，最大流速断面位于长蛮石墙末端。由于长蛮石墙消能效果好于短蛮石墙，且每一级的长蛮石墙上一级为短蛮石墙，短蛮石墙消能不充分，造成在短蛮石墙末端流速明显小于长蛮石墙末端。如图6所示，在鱼池中层，由于水流受到异侧窄缝的影响，主流从上一级窄缝处流向下一级异侧窄缝，主流呈“s”形。除主流外，其他区域紊动强烈，并在主流两侧形成了回流区。6结语通过试验研究并对流场测量结果分析后得出：水利水电技术第47卷2016年第6期 (1)在仿自然通道运行水深为1．50m时，表层(水面以下0．20m)流速最大值为1．27m／s，中层(水面以下0．60m)流速最大值为1．22m／s，最大流速断面出现在窄缝出口1．40m处，流速均小于永庆水库过鱼设施最大设计速度1．30m／s。主流在鱼池中呈“S”形，主流区与回流区交界面明显，鱼类可沿主流边缘进行洄游上溯。在主流两侧存在面积为3～6m2的回流区，有利于鱼类进行短暂的停留和休息。(2)在仿自然通道运行水深为2．20in时，表层(水面以下0．20m)流速最大值为1．46m／s，出现在第4级鱼池长蛮石墙末端，中层(水面以下1．10m)流速最大值为1．27m／s。在长蛮石墙末端表层流速大部分超过了永庆水库过鱼设施最大设计速度，但并不是全断面超速，鱼类可以寻找到低流速区进行洄游上溯。(3)交错石块式仿自然通道底部采用砂、砾石和卵石等形成起伏的粗糙底坡，通道岸坡采用土、木材、植物和岩石等天然材料形成生态边坡，现场不规则蛮石堆砌形成蛮石墙。底坡、边坡和蛮石墙造率相对于传统技术性鱼道更大，对水流的消能更加充分，降低了通道内的流速，能够使永庆水库目标鱼类顺利洄游上溯。同时，砂、砾石、鹅卵石和蛮石经水流的冲刷和水体营养物质输移后，石块间隙陆续被沙和水生生物填满，会逐渐形成新的底栖群落和浮游群落，成为可供鱼类栖息、洄游和繁殖的场所。(4)永庆反调节水库大坝属于典型的低水头水坝，其水位变动频繁，适合采用适应水位变化范围相(上接第55页)鱼道出口等部位组成。集鱼系统位于厂房尾水渠右岸，结合尾水挡墙布置，由集鱼渠道、集鱼渠道进口检修闸门及工作闸门、赶鱼栅、集鱼池、集鱼箱、集鱼池活动式和固定式拦鱼栅等组成。集鱼箱转运系统由集鱼池至升鱼机轨道始端之间的集鱼箱转运电动葫芦及其轨道，升鱼机(承载集鱼箱的运输装置)及其轨道，升鱼机轨道末端至汇鱼池之间转运电动葫芦及其轨道等组成。汇鱼池泄水槽进口设一道拦鱼栅，用于泄水时拦鱼。在上游鱼道进口处设一道防洪闸工作闸门及其启闭设备，用于阻挡鱼道上游洪水。上游鱼道出口不同高程共5个出口，各设一道工作闸门及其启闭设备，水利水电技术第47卷2016年第6期刘志国，等∥永庆水库仿自然过鱼通道水力学特性研究对较大，具有生态廊道功能的交错石块式仿自然过鱼通道。根据试验结果，本工程的交错石块式仿自然过鱼通道能够满足过鱼需求，同时还能为鱼类提供更生态友好的洄游通道。参考文献：[1]中国科学院三峡工程生态与环境科研项目领导小组．长江三峡工程对生态与环境的影响及对策研究[M]．北京：科学出版社．1988：18—19．[2]杨宇，严忠民，陈金生．鱼道生态廊道功能研究[J]．水利渔业，2006(3)：65·67．[3]李盛青，丁晓文，刘道明．仿自然过鱼通道综述[J]．人民长江，2014(21)：71—73．[4]LarinierM，TravadeF，PercherJP．Fishways：biologicalbasis，designcriteriaandmonitoring[J]．BulletinFrancalsdelaPecheetdelaPiscicuiturc，2002(364)：208—216．[5]傅菁菁，李嘉，安瑞冬，等．基于齐口裂腹鱼游泳能力的竖缝式鱼道流态塑造研究[J]．四川大学学报：工程科学版，2013(10)：12一17．[6]苏莹莹．呼玛县鑫宏水电站可研阶段鱼道设计[J]．黑龙江水利科技，2013，41(11)：73-75．[7]曹庆磊，杨文俊，周良景．国内外过鱼设施研究综述[J]．长江科学院院报，2010(5)：39．42，[8]毛熹，李嘉，易文敏，等．鱼道结构优化研究[J]．四川大学学报：工程科学版，201l(7)：54．59．[9]吴持恭．水力学[M]．下册．北京：高等教育出版社，2008．[10]wuS，RajiaratnamN，KatopodisC．Structureofflowinverticalslotfishway[J]．JHydraulEng，1999，25(4)：35l·360．[11]董志勇，冯玉平，AlanErvine．异侧竖缝式鱼道水力特性及放鱼试验研究[J]．水力发电学报，2008(6)：126—130．(责任编辑陈小敏)用于调节鱼道内水位，使之与库区内水位匹配并在鱼道检修时挡水。丰满水电站重建工程是我国第一座因病坝进行重建的大型水电站，闸门及启闭设备多为超大型和大型金属结构设备，对溢流坝露顶式弧形闸门及泄洪洞出口潜孑L弧形闸门采用了手算与有限元分析及流激振动试验相互验证的方式进行设计，对坝上2X1250kN多功能双向门机也采用了三维有限元计算方法进行验证。各闸门及其启闭设备选型合理，满足现行规范要求。过鱼设施的设计满足了洄游鱼类洄游通道，为类似工程提供了可以借鉴的经验。(责任编辑欧阳越)'