李少科

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510635)

1 工程概况

韩江高陂水利枢纽工程是国家加快推进水利基础设施建设的172项工程之一，坝址位于广东省梅州市大埔县高陂镇上游约5km处，工程任务[1]以防洪、供水为主，兼顾发电、航运等综合利用。枢纽正常蓄水位38.0m，设计、校核洪水位均为47.44m，防洪库容2.673亿m3，总库容3.656亿m3，电站装机容量为4×25MW=100MW，通航最大船舶500t级。工程等别为Ⅱ等，规模为大(2)型，主要建筑物级别为2级，设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为1000年一遇。

为减少枢纽工程建设对洄游鱼类特别是对国家Ⅱ级保护动物花鳗鲡的不利影响，枢纽中设置鱼道解决鱼类洄游通道，也是广东省水利枢纽工程中第一座鱼道。枢纽总布置[1]为19孔泄水闸布置在河床中央，厂房布置在右岸，船闸布置在左岸，鱼道出口布置在泄水闸与发电厂房之间，两岸采用碾压混凝土重力坝连接。坝顶总长度698.5m，最大坝高52.5m。

工程于2015年11月开工建设，2020年12月完成下闸蓄水阶段验收，2021年1月下闸蓄水。

2 过鱼对象及习性

根据本工程《环境影响报告书》[2]，主要过鱼对象为长距离洄游性鱼类和半洄游性鱼类。洄游性鱼类有花鳗鲡和日本鳗鲡，花鳗鲡是一种典型的降河性洄游鱼类，生命周期中约一年零三个月的时间生活在海洋：每年秋季亲鳗在深海产卵，卵孵化、长成仔鳗，第二年冬至前后到河口；2～3年生活在淡水河湖：鳗苗从海洋上溯入河湖索饵、成长，直到长到三、四龄，始降河洄游赴深海产卵。本工程距离河口超过100km，花鳗鲡等洄游至工程河段时已有一定程度的成长，拥有相对较强的游泳能力，甚至能短时间内脱离水体攀爬。半洄游性种类有青鱼、草鱼、鲢、鳙、三角鲂等，鲢、鳙的持久克流能力0.8～0.9m/s；青、草的持久克流能力均超过1m/s。为兼顾洄游性、半洄游性鱼类过闸，鱼道设计流速取1m/s。根据鱼类习性，花鳗鲡溯河期为3～4月；鱼类繁殖洄游期为3～8月。因此，主要过鱼季节定为3～8月。

因此，过鱼设施的设计以国家Ⅱ级保护动物花鳗鲡为控制目标，同时兼顾其他鱼类的过坝要求。

3 过鱼设施型式选择

过鱼设施型式[3]多种多样，主要有鱼道、升鱼机、鱼闸及集运鱼设施[4]等。鱼道运行时，受上游水位和流量的影响，一般只适用于水位差在20～25m以下的低水头水利枢纽；而升鱼机、鱼闸及集运鱼设施一般适合中、高水头大坝，且操作复杂、运行及维修费用较高。本工程最大水位差约14m，小于20m，水头较低，为低水头水利枢纽，属于鱼道的适用范围，因此，本工程过鱼设施采用鱼道方案。

4 鱼道型式研究

鱼道按其结构型式及水力特征可分为仿生态式鱼道、横隔板式鱼道、丹尼尔鱼道及特殊结构形式的鱼道等[5- 6]。

仿生态式鱼道[7]接近天然河道情况，宜利用枢纽工程范围已有的河道、垭口或冲沟等地形进行布置，受地形条件的制约，仅适用上下游水位差小的工程，相对于同水头的其它鱼道占地面积大。本工程坝址处河床相对较宽，可基本满足枢纽各建筑物的布置，但下游约850m处河道缩窄较大，两岸山体雄厚，没有连接上下游的低矮垭口；同时为满足宣泄洪水、厂房尾水出流和通航要求，增大导流过流断面，降低上游施工期水位，减少临时淹没损失，已经大规模扩挖两岸山体，因此，受地形条件限制，不具备采用仿生态式鱼道的条件。

丹尼尔鱼道适用于鲑鱼类等体长较大、克流能力较强的鱼类，鱼道占地面积小，适应上下游水位差较小的工程，但不适合花鳗鲡和鳗鲡等鱼类；特殊结构型式的鱼道仅适用于幼鳗、幼蟹等能爬行的鱼类，不适合成鱼的洄游。

横隔板式鱼道[8- 10]特别是组合式横隔板鱼道可满足各种习性及不同克流能力的洄游鱼类通过，能够较好的发挥各种型式孔口的水力特性，便于灵活控制所需要的池室流速流态分布。横隔板采用表孔与底孔对称交替布置，可形成 了不同的流速区域，满足不同克流流速的鱼类上溯，尤其是花鳗鲡上溯的要求。结合枢纽布置方案，鱼道纵坡采用0.016，经计算，表孔平均流速0.562m/s，底孔平均流速0.664m/s，小于花鳗鲡克流流速，接近鱼类喜爱流速。

综上分析，组合式横隔板鱼道占地范围相对较小，通过组合隔板形成不同的流速区域，采取工程措施可使鱼槽接近仿天然河道的环境，基本达到仿生态鱼道的要求，因此，鱼道采用组合式横隔板型式。

5 鱼道位置选择

由于电站厂房尾水因电站发电产生经常性水流，且发电流量远大于鱼道下泄流量，是鱼类集群地，因此，鱼道应布置在电站厂房附近。根据两岸地形条件、主要建筑物的布置，考虑到花鳗鲡沿岸性洄游的特点，为方便其找到上溯通道，鱼道进口选在厂房尾水渠下游右侧岸边，出口可选位置有厂房右侧或者左侧。

若鱼道出口布置在厂房右侧，鱼道需穿过右岸连接重力坝、厂区及下游尾水渠右导墙。该方案优点是上游出口靠近岸边，由于厂房上游流速小，方便鱼类上溯进入水库。但鱼道需穿过厂区，由于厂区地面高程38.3m与正常蓄水位38.0m接近，部分鱼槽顶高程需略高于厂区地面，厂房运行时的人类频繁活动对鱼类上溯会造成一定的影响；部分鱼槽穿过下游进场道路及变电站区域，其地面高程较高，鱼槽需做成箱涵埋于地下，长度超过100m，无法利用自然光，不利于鱼类上溯；而且需在重力坝上游及厂房尾水右导墙设置防洪闸门，防止洪水倒灌淹没厂房，增加鱼道的运行管理难度。

若鱼道出口布置在厂房左侧[11]，即布置在厂房与泄水闸之间，基本可以避免鱼道出口布置在厂房右侧存在的不足，但鱼类入库条件相对略差。而泄水闸共18孔，分为左、右两个区，考虑到过鱼季节为3—8月，当来流量较小时，排漂孔不泄流、不排漂，优先考虑左区泄流，右区闸门开度较小时，河道也可满足鱼类上溯；电站发电运行时，鱼道出口距离拦污栅下游侧约35.8m，且各发电流量下拦污栅近区前沿流速较大值为0.7m/s，小于克流流速；当来流量较大时，枢纽上下游流速较大，超过各种鱼类上溯的克流流速，此时，鱼道关闭暂停过鱼。

综上分析，鱼道出口布置在厂房左侧，鱼槽全部为开敞式，利用自然采光，更接近天然状态，有利于鱼类上溯。

6 鱼道设计

6.1 过鱼水位选择

6.1.1上游过鱼水位

过鱼季节为3—8月，大部分过鱼时间为汛期，库水位保持在正常蓄水位38.0m或者更高的洪水位，而宣泄洪水时鱼道不过流；在3月到4月中的非汛期，除特枯年份需满足下游供水降低蓄水位外，一般维持正常蓄水位运行，因此上游过鱼水位选择为正常蓄水位。根据《水利水电工程鱼道设计导则》，池室水深可取1.5～2.5m，由于本枢纽过鱼体长较小，设计池室水深取1.5m，则鱼道出口底高程为36.5m，在特枯年份，鱼道可适应上游水位小变幅的影响。

6.1.2下游过鱼水位

电站半台机发电尾水为26.066m，2台机满发尾水位为27.5m，4台机满发尾水位为29.09m，而下游已建梯级东山水利枢纽正常蓄水位为25.5m，下游过鱼设计水位需考虑水位变动的影响。根据下游水位变幅，设置3个进口，进口1设计水位取最低水位，即25.5m，设计池室水深取1.5m，则进口底高程为24.0m，进口2的底高程取25.86m，进口3的底高程取27.06m。

6.2 鱼道尺度选择[5]

6.2.1池室净宽

工程河段花鳗鲡体长一般为0.3～0.6m，鱼道池室净宽应大于最大过鱼体长的2倍，则池室净宽为0.6～1.2m，参照类似工程经验，池室净宽取2.0m。

6.2.2池室长度

池室长度一般为池室宽度的1.25～1.5倍，综合考虑平面布置及纵坡因素，取1.25倍池室宽度，池室长度为2.5m。

6.2.3隔板级差及纵坡

花鳗鲡克流流速为1.0m/s，鱼道设计流速取1.0m/s，隔板流速系数取1.0，则级差△h=v2/(2gφ2)=0.051m，纵坡I=△h/(l+d)=0.0204。

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仿生态鱼道的纵坡宜为0.01～0.05，为适应较幼小花鳗鲡上溯，宜适当减小纵坡降低鱼槽流速。参照类似工程经验，纵坡采用仿生态鱼道纵坡取0.016，则反算鱼道隔板级差为0.04m。

6.2.4池室数量

n=H/△h-1=312(个)

6.3 鱼道布置及构造设计

6.3.1鱼道布置

鱼道出口布置在泄水闸排漂闸与发电厂房之间，平面上采用 “Z”道字型布置，上游段顺水流方向沿厂房布置，到厂房尾水墩末端转向右侧，垂直水流方向布置至尾水渠右侧导墙，然后顺水流方向沿右侧导墙布置，到导墙末端沿山体开挖支护边坡布置，下游布置鱼道进口，总长度894.3m，鱼道平面布置如图1所示。

图1 鱼道平面布置图

从上至下依次布置鱼道出口、出口检修闸门及工作闸门、鱼槽、进口检修闸门及进口。出口净宽2.0m，底坎高程为36.5m；鱼槽净宽2.0m，深2.0m，纵坡0.016，池室长2.5m；由于鱼道纵坡较缓，约每隔10～20个池室设置一个休息室，休息室长取2倍池室长度为5.0m，为平底，共布置20个休息室。鱼道设置3个进口[12]，宽度2.0m；进口1底坎高程24.0m，进口下游采用1∶10的坡度抛填块石、卵石，与河床衔接；进口2的底坎高程25.86m，进口下游采用1∶4的坡度与河床衔接；进口3的底坎高程取27.06m，进口下游采用1∶4的坡度与河床衔接。在进口3左侧设置扰流柱改善沿岸进口流速分布，形成满足花鳗鲡上溯的流速区。

6.3.2构造设计

为降低横隔板过鱼孔的流速，在鱼槽及进口衔接段底部设置0.2m厚块石、卵石粗底质，鱼槽两侧混凝土墙镶嵌卵石，营造仿天然河道的环境，方便鱼类上溯。

池室横隔板采用组合式横隔板，设置表孔和底孔，矩形断面表孔孔口尺寸为0.5m×0.9m(宽×高)，底孔孔口尺寸为0.5m×0.6m，表孔与底孔对称交替布置；梯形断面表孔孔口尺寸为0.6m×0.5m(宽×高)，底孔孔口尺寸为(0.6+0.9)m×0.6m，表孔与底孔对称交替布置，形成不同流速区域。横隔孔口板布置如图2。

图2 鱼槽横断面图

6.4 水力计算[5]

6.4.1表孔过流流量

6.4.2底孔过流流量

6.4.3鱼道设计流量及平均流速

Q=Q表+Q底=0.465m3/s；

6.4.4鱼道水体的消能率

E=ρg△hQ/V=24.32W/m3<[E]=150W/m3，满足规范要求。

7 水工模型实验[13]

为验证鱼道布置的合理性，开展了一系列水工模型试验研究，主要结论如下：

(1) 鱼道布置、隔板尺寸、鱼池尺寸和鱼槽坡比等主要参数是基本合理的。

(2) 局部模型条件下，矩形横隔板表孔流速较大值约0.71m/s、平均流速约0.65m/s；底孔流速较大值约0.79m/s，平均流速约0.60m/s；梯形横隔板表孔过流流速较大值约0.73m/s、平均流速约0.58m/s；底孔过流流速较大值约0.75m/s、平均流速约0.66m/s。受模型比尺、孔口尺寸及测量误差的影响，整体模型实测各表孔、底孔流速增大约10%，可以满足过鱼流速要求。

(3) 鱼道设置3个进口可适应不同鱼槽水深(1.0～1.5m)和0.5～4台机发电运行时的下游水位变幅的运行要求，但进口3在2台机发电时，鱼道进口区域的水流流速小于鱼类感应流速0.2m/s，应当在进口处设置喷水设施，增大表面水流流速。

(4) 0.5～4台机组发电运行时，鱼道进口1 区域的河道流速小于1.0m/s；2～4台机组发电运行时，鱼道进口2和进口3近区河道流速均大于1.5m/s，大于花鳗鲡的克流流速1.0m/s。因此，在鱼道进口3左侧布置改善水流的措施后，可保证沿岸15m范围内流速满足0.2m/s

(5) 为使鱼类能够顺利上溯，建议排漂孔不要全开运行，以免对鱼类上溯造成影响；电站发电运行时，拦污栅近区前沿流速较大值为0.7m/s，小于克流流速；泄水闸闸门开度小于0.5m时，出口河道流速均小于0.5m/s，鱼类仍可由拦河闸一侧上溯。

8 结语

韩江高陂水利枢纽工程鱼道尽量按照仿生态鱼道的要求进行设计，解决了鱼槽由矩形断面到梯形断面的水位衔接，设置了3个进口以适应下游水位变幅的影响，通过扰流柱改善了进口下游沿岸流速分布，形成满足花鳗鲡上溯的流速范围，对后续鱼道设计具有借鉴意义。但鱼道出口布置在泄水闸与电站进口拦污栅之间，与《水利水电工程鱼道设计导则》的要求存在较大差异，虽然通过优化电站拦污栅布置及泄水闸调度可基本满足过鱼要求，由于该鱼道尚未完全建成投入运行，实际过鱼效果还有待今后的运行检验。