王玉孝，张 雷，李天宇

(1.国家电投集团黄河上游水电开发有限责任公司,西宁 810003；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

1 鱼道工程建设目的

习近平总书记在2016年8月考察青海时指出“中华水塔”是国家的生命之源，青海最大的价值在生态、最大的责任在生态、最大的潜力也在生态，必须把生态文明建设放在突出位置来抓，筑牢国家生态安全屏障。

国家电投集团黄河上游水电开发有限责任公司为响应习近平总书记号召，积极推进生态环境保护工作，充分发挥表率及示范作用，组织开展了黄河上游茨哈峡至羊曲河段水电梯级开发环境影响评价及对策研究工作。在国家生态环境部、水电水利规划设计总院的帮助和支持下，着力建设黄河流域第1座鱼道及生态放水设施工程即班多水电站鱼道及生态放水设施工程，减少大坝阻隔对水生生态环境的影响。

班多水电站2010年建成蓄水至今已有11 a，根据渔获物补充调查结果显示，其对水生生态的影响正在逐渐显现。为此，根据黄河班多水电站影响范围内的鱼类资源的调查成果及电站的工程特点，进行了鱼道设计及实施方案，以期减少大坝阻隔对水生生态环境的影响，保障河段连通性，保护流域鱼类，改善生态环境，发挥鱼类生境的示范效应[1-4]。

2 设计参数选定

根据对黄河班多水电站影响范围内的鱼类资源的研究成果，鱼道池室设计需满足以下参数要求：

(1) 黄河班多水电站工程的过鱼对象为花斑裸鲤、厚重裸重唇鱼、骨唇黄河鱼、极边扁咽齿鱼、拟鲶高原鳅、黄河裸裂尻和刺鮈；过鱼时段选择在4～8月，重点过鱼时段选择在4～6月。

(2) 鱼道内最大流速不超过1.1 m/s，缓流区流速不小于0.2 m/s。

(3) 鱼道底宽为2.0 m，鱼道池室水深可取0.5～2.2 m。

(4) 鱼道进口应布置在右岸坝下300 m以下区域，进口水深不小于0.5 m；出口须与库岸平顺衔接，朝向应迎着水流方向，工作水深不小于0.5 m。

3 鱼道布置方案比选

在过鱼对象调查研究成果的基础上，结合班多水电站工程的枢纽布置和运行方式，进行了鱼道布置，初步拟定左岸鱼道、右岸鱼道2种布置方案进行比选。

左岸鱼道布置方案：本方案将鱼道进鱼口布置在枢纽下游约400 m处，原导流明渠末端岸坡外侧。鱼道进鱼口段线路逆水流方向向上游延伸，在原导流明渠及其左岸边坡范围以“之”字路的形式迂回向上，向上游延伸至水电站枢纽，以开孔的形式在左坝肩设置出鱼口。

右岸鱼道布置方案：本方案将鱼道进鱼口布置在厂房尾水下游约460 m处岸坡外侧。鱼道进鱼口段线路逆水流方向向上游延伸，在厂房尾水下游约350～500 m范围的右岸边坡以“之”字路的形式迂回向上，于厂房尾水下游约500 m处岸坡内侧开始延右岸施工道路向上游延伸至水电站枢纽，以开孔的形式通过右坝肩，之后继续延施工道路向上游延伸至出鱼口。

2种鱼道布置方案从水力条件、工程布置、施工难度、运行维护、工程量及投资等方面进行综合比选，最终确定右岸鱼道布置为班多水电站鱼道设计推荐方案。

4 鱼道主要建筑物设计

4.1 鱼道布置

根据鱼道模型试验结论，结合工程特点，优化设计了右岸鱼道方案[5-11]。

推荐方案鱼道总体布置如下：鱼道结构主要由进鱼口、鱼道池室、休息室、观察室、出鱼口等组成。本工程结合平面转弯段共布置休息室16个(含大型休息室1个)、进鱼口2个、出鱼口1个、观察室1个，全长2 016.70 m。根据坝下流场流速实测情况以及生态放水管布置情况，将鱼道2个进鱼口分别布置在厂房尾水下游约310、380 m处岸坡外侧。出鱼口布置在枢纽上游约140 m库区右岸。鱼道进鱼口段线路逆水流方向向上游延伸，在厂房尾水下游约60～360 m范围的右岸边坡以“之”字路的形式迂回向上，于厂房尾水下游约250 m处岸坡内侧开始延右岸施工道路向上游延伸至水电站枢纽，以开孔的形式通过右坝肩，之后继续延施工道路向上游延伸至出鱼口。班多水电站鱼道布置见图1，班多水电站鱼道全景见图2。

图1 班多水电站鱼道布置图

图2 班多水电站鱼道全景图

4.2 鱼道结构设计

4.2.1进鱼口设计

鱼道的进鱼口设计的合理性直接影响过鱼效果，一般应在鱼类最易发觉又能顺利进入的地方进行布设。根据坝下流场数值模拟和实测结果，结合本工程右岸生态放水孔的布置情况，厂房尾水下游约310、380 m处岸边流速的量值相对适中，且水流流态较为平顺，适宜各布置一个进鱼口。

本工程下游河道4～8月的鱼道运行期下游水位在2 719.75～2 721.53 m之间，因此按鱼道运行下游最低水位2 719.75 m作为本工程鱼道进鱼口的设计水位。结合进鱼口附近原河床地形，以及鱼道运行水深的要求，设计布置2个进鱼口，确定1号进鱼口底板高程为2 718.44 m、2号进鱼口底板高程为2 719.33 m，进鱼口运行水深为1.31～2.2 m。

4.2.2池室设计

(1) 池室结构选择

鱼道池室主要有丹尼尔式和池式2种。池式鱼道分为溢流堰式、潜孔式、垂直竖缝式等类型。根据班多水电站主要过鱼对象的生活习性，以及各种鱼道形式的适应性和消能特点，本次设计采用矩形断面的垂直竖缝式鱼道。

竖缝式鱼道也分为同侧、异侧、双侧等不同的形式，隔板上过鱼孔的位置及相邻两块隔板上过鱼孔的布置方式，直接影响池室水流条件。根据已有经验，本次设计选定同侧竖缝方案。班多水电站鱼道池室结构见图3。

图3 班多水电站池室结构图

(2) 鱼道净宽

鱼道的宽度主要由过鱼量、过鱼对象的习性、竖缝宽度及消能条件而定。目前，国外鱼道宽度多为3～5 m；国内鱼道宽度多为2～3 m。班多水电站的过鱼对象渔获物最大体长40 cm，而资料记载过鱼对象中花斑裸鲤在黄河上游体长可达57 cm，因此班多水电站鱼道的净宽取2 m能满足过鱼要求，且比较经济。

(3) 池室水深

根据调查结果，在兼顾过鱼对象的生态习性和工程投资的情况下，鱼道池室水深取0.5～2.2 m。鱼道边墙高度按最大运行水深2.2 m加超高进行设计。

(4) 池室长度

一般认为池室的长度与水流的消能效果和鱼类的休息条件关系较大。较长的水池，水流条件好，休息水域大，过鱼条件好，但同时鱼道造价也就越高；反之，较小的水池，会造成消能不充分或水流紊动大，过鱼条件差。池室长度L应与鱼道宽度B有一定的比例，可取L=(1.2～1.5)B，式中系数取1.2，适用于孔口流速不大于1.0 m/s的情况；当流速较大时，系数应在1.2～1.5或更大范围取值。据前所述，推荐采用同侧竖缝式鱼道，水流顺直，有利于溯游能力强的鱼类较快上溯，建议系数取1.25，则班多水电站鱼道池室长度为2.5 m。

(5) 池室底坡

根据NB/T 35054-2015《水电工程过鱼设施设计规范》、SL 609-2013《水利水电工程鱼道设计导则》，竖缝内设计流速为0.8～1.1 m/s，计算得鱼道池室底坡坡度为1.8%～2.6%，本次设计取2.22%(1∶45)。

(6) 垂直竖缝宽度

参考主要过鱼对象的规格，调查捕获的鱼类最大体长约0.4m。根据鱼道一般设计要求，过鱼孔口的高度和宽度最小不应小于过鱼最大体长1/2，因此，本鱼道竖缝宽度为0.3 m。

(7) 休息室设计

为避免出现不利于鱼类上溯的水流流态，鱼道休息室尽可能结合转弯段布置，共布置14处转弯段休息室，在较长的顺直段增设2处休息室，共布置16处休息室。结合鱼道水工模型试验结果，确定休息室的结构尺寸为：净宽2 m,水深1.5～2.5 m,长度5 m,底坡水平,竖缝宽度0.3 m,导板长度0.5 m,导向角度取20°，隔板与导板厚度均取0.2 m。其中，在鱼道中间部位180°转弯处布置轴线长度为25 m的大型休息室，为本工程鱼道的过鱼对象提供了更加充分休息空间，提高了鱼道的过鱼效果。班多水电站鱼道休息室见图4、5。

图4 转弯段休息室图

图5 顺直段休息室图

4.2.3出鱼口设计

根据环保对生态调度的要求，布置1个出鱼口。结合水流条件、纵坡、休息室、出鱼口高程等因素，出鱼口布置于枢纽上游约140 m库区右岸。考虑漂浮物影响及有利于鱼类出游，出鱼口与上游水流方向成夹角布置。

根据本工程水库运行特征，4～8月鱼道运行期，除电站泄洪等情况以外，库区水位基本在维持在2 759.00～2 760.00 m之间，靠近正常蓄水位运行。本次鱼道设计库区工作水位为2 759.00～2 760.00 m，并提出对电站进行生态调度，重点过鱼时段4～6月水库尽量维持正常蓄水位运行。按照工艺参数中出鱼口运行最低水深0.5 m要求，设计确定出鱼口底板高程为2 758.50 m，出鱼口工作水深为0.5～1.5 m。

5 过鱼监测系统

5.1 功能及目的

为了观测鱼道过鱼效果，掌握鱼道过鱼数量、种类和规律，开展鱼道观测试验，进而总结鱼道设计、建设和运行经验。班多水电站鱼道工程配置1套鱼道在线监测系统，设备安装固定在过鱼通道上，利用红外扫描技术和高分辨率数码相机，可以对通过鱼道的鱼进行计数、物种识别和轮廓图像记录。

5.2 系统组成及布置

班多水电站鱼道在线监测系统由诱鱼系统、鱼道观测系统、射频标记定位观测系统(RFID)等组成。

5.2.1诱鱼系统

诱鱼系统结合鱼的活动特点以及进食习性，通过模仿鱼活动的生理参数，利用鱼的趋光性，逆流性、实现对鱼道里的鱼呼唤引诱，刺激并吸引鱼类集中游向上游。

班多水电站鱼道工程诱鱼系统由诱鱼灯组和控制系统组成，在1号、2号进鱼口分别设置1套诱鱼灯组，采用高亮度大功率LED光源。诱鱼控制系统设备安装在鱼道观察室内。

5.2.2鱼道观测系统

鱼道观测系统主要由前端监测设备、后台观测设备和后台分析软件等组成。

前端监测设备由安装在过鱼通道上的扫描单元、摄像单元及控制单元等组成。后台观测设备包括1套鱼道观测工作站，布置在鱼道观察室。

扫描单元可视为放置在鱼道上的一个“门”。扫描单元的二级管发射高频(100 Hz)的红外波束，当鱼游过扫描单元时中断红外线波束，系统获取过鱼的轮廓、测量其尺寸、鱼游过时的速度等信息。考虑在鱼道进口段2号休息室和鱼道出口段15号休息室的通道上，分别安装1套由1个框架内的2个扫描板 (20 cm×100 cm)组成的扫描单元，间距在10～45 cm。

摄像单元包含水下高清相机和光学补偿系统，用于记录当鱼通过扫描单元时的视频或静止图像。当鱼通过扫描单元时，扫描单元传给控制单元触发信号以及鱼通过时的速度和相机距离，通过摄像通道模块延时触发数码相机获取每一条鱼1～5张数码图片或视频段，并同时传给控制单元,通过处理软件自动将数码图片或视频跟系统获取的其他信息关联起来，如鱼的尺寸、通过时间、速度、外形轮廓、温度等。本工程考虑在鱼道进口段2号休息室和鱼道出口段15号休息室的通道上分别配置1套摄像单元设备，安装在相应位置的扫描单元框架上。同时在鱼道进口段1号休息室、回头弯池段8号休息室、过坝段、出口异形池段16号休息室的通道上分别配置1套摄像单元设备(包括水下相机、水下LED和时间控制器)，安装在不锈钢支架上，不锈钢支架采用导轨方式安装在鱼道侧壁上。

控制单元软件可以监视系统工作状态，监测实时过鱼信息，也可以查看鱼道过鱼历史数据。在鱼道进口段2号休息室和鱼道出口段15号休息室的通道上分别配置1套控制单元模块，模块安装在相应位置的扫描单元框架上。

水文水质模块监测不同研究情况下鱼类聚集区域、鱼道口、鱼道内的水质数据，通过数据分析得出最适宜鱼类聚集的水质数据，详细包括温度、PH、溶氧、浑浊度等。水质数据通过相应的传感设备无线通信设备连接服务器实时监测并回传到系统。在鱼道进口段1号休息室、回头弯池段8号休息室、过坝段、出口异形池段16号休息室的通道上分别配置1个流速、水位模块，与相应位置配置的摄像单元设备、射频识别(RFID)模块一起安装固定在不锈钢支架上，不锈钢支架采用导轨方式安装在鱼道侧壁上。在鱼道出口段15号休息室的通道上安装1个水质模块，安装在相应位置的扫描单元框架上。

5.2.3视频标记定位观测系统(RFID)

系统组件包括：RFID标签、注射器、射频识别(RFID)模块(主机和天线一体)及监测软件组成。在鱼道2号、4号、6号、8号、10号、12号、14号、16号休息室的通道上分别配置1套射频识别(RFID)模块，模块安装固定在鱼道侧壁。需要检测的鱼类采用RFID射频标签标记，每个RFID有唯一编码。当标有RFID标签的鱼通过天线时，监测系统对其进行监测记录。通过射频识别(RFID)模块可实现鱼道全段鱼类通过数据的收集。监测软件安装在鱼道观测工作站上，鱼道过鱼数据可通过鱼道监测集成设备进行采集数量、规格、视频、运动轨迹等数据，并采用无线方式上传到鱼道观测工作站。

6 结 论

(1) 班多水电站鱼道是鱼类上溯通道，主要过鱼对象为花斑裸鲤、厚重裸重唇鱼、骨唇黄河鱼、极边扁咽齿鱼、拟鲶高原鳅、黄河裸裂尻和刺鮈。过鱼时段选择在4～8月，重点过鱼时段选择在4～6月。根据鱼类游泳能力测试，鱼道内最大流速不超过1.1 m/s，缓流区流速不小于0.2 m/s。

(2) 通过对左岸鱼道、右岸鱼道2个布置方案的比较，选择右岸鱼道布置方案为推荐方案，将鱼道2个进鱼口分别布置在厂房尾水下游约310、380 m处岸坡外侧，此处常年有稳定尾水下泄，进口诱鱼效果较好，且工程安全性高。

(3) 经过对丹尼尔式和池式2种主要鱼道池室型式的比较，针对池式型鱼道又比较了溢流堰式、垂直竖缝式、潜孔式等型式，并通过模型试验，对垂直竖缝式池室比较了异侧竖缝和同侧竖缝2种方案，采用同侧竖缝式鱼道型式。

(4) 经过计算及模型试验，确定了鱼道推荐方案的进出口布置和底板高程，确定了鱼道池室、休息室和隔板、导板的具体结构形式。

(5) 班多水电站鱼道工程配置一套鱼道在线监测系统，设备安装固定在过鱼通道上。

班多水电站鱼道的设计，为以后的过鱼建筑物，尤其是鱼道的设计积累了宝贵的经验，值得在其他水电站工程的鱼道设计过程中借鉴和推广。