一种人鱼两用升鱼机结构的提出

乔 娟 张立仁 陈 禛 刘 攀 崔婷婷 朱海峰

（1.三峡大学 科技学院，湖北 宜昌 443002；2.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002）

某些鱼种在生命周期中的繁殖、仔鱼孵化、肥育和越冬等几个阶段需要从河道的下游洄溯到上游来完成，而水利工程中挡水建筑物的修建不可避免地会阻断原河道的连通性，影响鱼类的正常洄游，对其生存造成一定的影响.大力发展水利的同时维持水生态的完整性已成为当今中国的一大主题，目前我国也已颁布了相应的法律、法规推动水利工程中过鱼设施的建设［1－4］.

水利工程中的过鱼建筑物主要有鱼道、升鱼机、鱼闸、集运鱼船等，各类过鱼建筑物皆有一定的适用条件.我国已建水利工程中的中、高坝近4 000座，另目前我国规划的12大水电建设基地中，在建和已规划兴建的水利工程中均以中、高坝为主，而升鱼机相对较适合于中、高水头的水利工程，故升鱼机在我国具有一定的应用前景［5］.基于此，同时考虑降低工程投资、合理配置资源、优化当前升鱼机结构的设计方案等，本研究提出了一种新型的、人鱼两用的升鱼机结构.

1 现行升鱼机的工作原理及建设情况

1.1 现行升鱼机的工作原理

国内外现行升鱼机的工作原理主要是通过诱鱼设施将鱼类诱进金属网笼或水槽式的承鱼箱，再以起重机械垂直升降或索道牵引倾斜升降的方法实现承鱼箱过坝，经典结构如图1～2所示，其中图1为美国应用广泛的霍利约克型升鱼机，图2为目前世界上提升高度最大的朗德布特坝升鱼机，最大提升高度为132m.

图1 霍利约克型升鱼机运行示意图

图2 朗德布特坝升鱼机运行示意图

1.2 升鱼机的建设现状

目前我国关于升鱼机设计的报道仅有两个，一个是贵州省北盘江流域的马马崖一级水利枢纽升鱼机过鱼设计方案［6］，其最大升鱼高度为77.05m，但该工程结合坝址上下游江段为典型狭谷、河道深切等特点，过鱼建筑物最后选用了集运鱼系统方案.另一个见于2013年4月在我国广西南宁举行的“水利水电工程生态保护暨河流连通性恢复国际研讨会”会上，水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院张芃工程师对山口水利枢纽升鱼机设计方案的报道.总的来说，我国目前尚无建成的升鱼机.

1.3 现行升鱼机在设计及运行中存在的问题［5－7］

1）升鱼原理方面.目前国内外升鱼机的设计方案均为机械提升式的，较单一，在今后的设计中可以参照升船机的升船原理向平衡重式、浮筒式、斜坡式等方向拓展.

2）诱鱼措施方面.目前已建工程中升鱼机下游的诱鱼方法较单一，多采用水流诱鱼.水流诱鱼在设计上主要有两方面的体现，一是在工程枢纽布置时，多将升鱼机的集鱼建筑物布置在水电站尾水管出口附近，以借助电站尾水水流诱鱼；二是由引水管道将水库水引至升鱼机下游集鱼道内，制造诱鱼水流.但多数工程因未进行目标鱼类的生态习性基础试验研究，造成了在诱鱼水流的流动模式、速度、水流的紊动性和增氧水平等方面的设计上没有与目标鱼类的特点相对应，因而诱鱼效果不佳，影响升鱼机的工作效果.另诱鱼措施也应该根据目标鱼类的生理习惯进行多元化设计.

3）无规范、标准、指南可循问题.目前国内尚无已审批通过的过鱼设施设计规范，仅有有关部门组织编写并发布了《水利水电工程鱼道设计导则》及《水电工程过鱼设施设计规范》的征求意见稿，但这两本规范及设计指南中也并无升鱼机相关的专题章节.

4）运行管理及过鱼效果的评估不到位.国外的部分已建工程因早期工程缺少维护、缺少长系列的观测分析资料，无法评估过鱼效果，最后导致升鱼机逐渐失去过鱼能力，这方面的问题在中国已建的其他类型的过鱼设施中也同样存在.

2 人鱼两用升鱼机结构的提出、结构组成及应用

2.1 人鱼两用升鱼机结构理念的提出

过鱼设施的修建不可避免地会增加工程的建设及维护费用，而其利用率对相对较低，每年仅过鱼的个别季节才得以启用.另如前所述，升鱼机结构本身也存在一定的不足或需要加以改进的地方.综合考虑以上两点，结合升鱼机在我国水利工程中的应用前景，为了降低工程总投资，优化资源利用率，并升级建筑物的结构及过鱼效果，本文提出了一种新型的人鱼两用的升鱼机结构.

人鱼两用升鱼机结构主旨为实现坝体交通电梯的人鱼共用，在原理上将传统机械提升式升鱼机的过鱼拓展至平衡重式的电梯过鱼；在结构设计上通过对水利工程中混凝土坝体内布置的交通电梯进行结构改造，在鱼类洄游季节对其进行合理的运行调度，既可作坝体检查及运行维护交通电梯用，又可作升鱼机用；在方案实施上既可以应用于新工程的兴建，也可以应用于设有坝体交通电梯的已建水利工程升鱼机过鱼建筑物的补建改造.

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2.2 人鱼两用升鱼机结构的结构组成

综合以往的升鱼机实例，为达到良好的集鱼、升鱼及驱鱼效果，本人鱼两用升鱼机结构过鱼结构应包含以下几部分：

1）人鱼两用电梯厢，即对交通电梯的电梯厢进行止水密封改造，可根据过人及过鱼要求分别实现干、湿运.

2）垂直支架、事故制动装置、电气控制系统等，同坝体内交通电梯相应配套设备.

3）补水及排水系统.用于电梯厢的充、放水，可以通过在电梯厢及坝体相应部位埋设与上游水库及排水廊道等相连的管道等实现.

4）上、下游集鱼池或引鱼道.需通过在导鱼设计高程要求的上、下游坝体对应部位开设过鱼通道来实现.

5）上、下游闸首结构.需在上、下游导鱼道与电梯厢门相对接处、上游出鱼道与水库相连处、下游集鱼道的进口处设置.

6）移动驱鱼装置.为使鱼类能够按设计路线前进，可在集鱼道、集鱼池及承鱼箱内设置移动式的驱鱼栅或声、光、电等驱鱼设施.

7）集鱼情况探测装置.该结构可用于自动探测并统计集鱼量的多少，如水下监测探头等，可布置于电梯厢及导鱼道等结构内.当其监测到电梯厢内聚集足够数量的鱼时方才启动，以保证升鱼机的过鱼的效率.

8）诱鱼设施.参考国内外的相关研究报道［2－5，7］，为达到良好的集鱼效果，保证升鱼机的应用效果，应根据具体的目标鱼种，在进行基础试验的基础上，在集鱼池、导鱼道或承鱼电梯厢内单一地或综合地采用声、光、水流、诱鱼剂等诱鱼措施.

2.3 人鱼两用升鱼机结构的实例结构展示

为了便于对人鱼两用升鱼机结构结构的理解，现以一重力坝工程为例，对人鱼两用升鱼机结构的结构设计进行展示.

2.3.1 结构组成及尺寸

如图3～4所示，在总结了国内外已建和在建的升鱼机及鱼道工程结构，并参考了《水利水电工程鱼道设计导则》及《水电工程过鱼设施设计规范》征求意见稿，本例中人鱼两用升鱼机结构结构由下游导鱼设施、下游集进鱼通道、观察控制段、电梯设施、上游出鱼设施5大部分组成.

图4 升鱼机下游部分结构示意图

1）下游导鱼设施.包括电站厂房尾水，设于电站厂房下游与集进鱼通道间电驱鱼栅及拦鱼栅网，声、光、喷水花洒诱鱼系统，将上游库水经坝顶、下游坝面敷设至电梯厢下游厢门处以产生诱鱼水流的虹吸管诱鱼水流系统.

2）下游集进鱼通道.由断面尺寸与电梯厢门尺寸相同的坝体内电梯下游进鱼通道、坝后直线段导墙、喇叭口过渡段、集鱼渠段组成.

3）观察控制段.下游集进鱼通道进口处布置有可移动的驱鱼栅和超声波探鱼器，并设置有过鱼设施检修闸门及其启闭设备.另为了便于非过鱼季节坝体运行维护，下游集进鱼道与坝体相交处也设有一道挡水闸门及其启闭设备，同时该闸门对应的启闭机房内除布置固定式的启闭机外，还布置有驱鱼栅运行控制设备、探鱼器监控控制设备等.

4）电梯结构.兼有运人及运鱼功能的坝内交通电梯的电梯厢上应设有上、下游双向开启的厢门系统，并作止水改造处理.另电梯井对应于坝体检修排水及灌浆廊道处、下游集进鱼道终端及上游坝体出鱼道入口处也应分别设置对接电梯厢门的自动启、闭门系统.

5）上游出鱼设施.包括有一定坡度的坝体内出鱼通道、滑梯两部分.坝体内出鱼通道的出口处设有挡水闸门，在非过鱼时间段内应关闭.滑梯入口衔接坝内出鱼通道并敷设于上游坝面，主要是在库水位低于出鱼通道出口时起作用.

2.3.2 过鱼过程说明

鱼类洄游季节，水电站厂房的尾水产生的扰动水流首先将鱼吸引至厂房尾水区域，电驱鱼栅及拦鱼栅网再将鱼拦截在紊动能较大的尾水区域以外，沿即定路线设置的产生水声及水流花洒、光诱鱼系统等再将鱼诱至下游集进鱼通道入口处，之后再被设置至下游电梯厢门处的虹吸管产生鱼感应水流、诱鱼剂等将洄游鱼引入集进鱼通道中.当监控装置显示进入集进通道段的鱼达到一定的数量后，驱鱼栅开始启动，将鱼驱至电梯厢中.电梯厢升高至坝体内出鱼通道高程后，将上游厢门系统打开，将电梯厢内的鱼放出，经坝体内出鱼通道、上游坝面滑梯后进入上游水库，人鱼两用升鱼机结构的整个上行过鱼过程完成.

3 结 语

总的来说，人鱼两用升鱼机结构的创新特色主要可以总结为以下几个方面：1）对机械提升式升鱼机结构进行了运行原理上的改进，即“电梯原理过鱼”，使升鱼机具有了过坝历时短、通过能力大、运行安全可靠、操作方便等优点.2）人鱼两用升鱼机结构结构既可以用于新工程过鱼设施的修建，也可以用于已建工程过鱼设施的补建，相对于单纯兴建升鱼而言，既可以降低工程的建设费用，合理利用及配置资源作，同时其运行维护也更加的及时及规范.3）人鱼两用升鱼机结构在诱鱼措施上考虑采用水流、声、光、诱鱼剂等，主要考虑了利用鱼类的天然习性引导其过坝，最大程度上对洄游鱼类实施了生理保护.

总之，结合我国水利工程及过鱼设施的建设现状，人鱼两用升鱼机结构相对于单独修建过鱼建筑物的方案而言具有成本低、易实施、过鱼快等特点.但结合国内外过鱼建筑物的运行效果，人鱼两用升鱼机结构运用的过程中也应注意以下几方面：1）诱鱼措施的设计一定要以目标鱼类的生理习性基础试验研究为基础，综合考虑其对水流特征、光学特征、声音特征等的偏好，以便使诱鱼措施能够发挥实效.2）加强人鱼两用升鱼机结构运行期的观测与研究工作，不断优化其结构.3）在对过鱼建筑物自身结构优化设计及评价的同时，也要进行水利工程环境影响因素的综合评价、监测及治理，保护库区鱼类原有栖息地生存环境的维护与修复.

［1］ 高 勇，常剑波.过鱼设施对鱼类资源保护的意义［R］.中国海洋湖沼学会鱼类学分会、中国动物学会鱼类学分会2004年学术研讨会，2004：43－44.

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［5］ 乔 娟，石小涛，乔晔等.升鱼机的发展及相关技术问题探讨［J］.水生态学杂志，2013，34（4）：80－84.

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