严寒地区高坝过鱼设施布置方案设计研究

卢冰华

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

在当前提倡人与自然和谐发展的大前提下，水利工程促进经济快速发展、充分利用水能资源的同时，对水生生态环境也产生了不可忽视的影响[1- 2，13]。以鱼类资源保护和河流生态系统修复为目的的过鱼建筑物受到了广泛关注[3]。目前，水利工程中的过鱼设施主要有鱼道、升鱼机、鱼闸等。各种类型的过鱼设施均有一定的应用条件，在特定的水资源利用过程中体现出特有的优势。鱼道一般应用于低水头水工建筑物过鱼，高坝过鱼设施主要有鱼闸、升鱼机和集运鱼系统等几种类型[4]。升鱼机在法国、美国和巴西比较常见[5]。我国升鱼机的研究尚处于起步阶段，本文结合工程地形地质特点，采用升鱼机过鱼设施，对其诱鱼、集鱼、水平运输、升鱼机等关键技术进行了探讨。

1 工程概况

本工程开发任务是调节控制断面径流，具有灌溉和发电等综合效益。大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高96m。坝址区气候条件比较恶劣，夏季炎热，冬季严寒，多年平均气温为5.0℃，极端最高气温39.4℃，极端最低气温-41.2℃。

大坝建成以后，将破坏原有的生态环境，改变库区及下游局部河段原有的水文条件，阻断洄游性鱼类、半洄游性鱼类上溯通道，为了减少工程的不利影响，保护该流域鱼类资源，维护和恢复区域的生物多样性[6,14]，并根据SL 609—2013《水利水电工程鱼道设计导则》，应修建相应的过鱼设施，以便更好地发挥工程的生态效益，达到经济、社会和生态效益的协调统一。

2 设计思路

针对该河流及本工程的特点，以及高坝过鱼设施的设计难点，设计先后完成了一些前期基础性研究成果[7]。

过鱼设施工程设计技术路线如下：鱼类资源、生态习性调查→过鱼目标确定→鱼类行为学研究→工程分析→现场踏勘→过鱼方案设计→方案论证→工艺设计→模型试验→运行→监测、评价。

3 研究结果

3.1 过鱼对象

根据水产科研的调查结果，并参考文献资料，该河段共有鱼类15种，其中土著鱼类13种、非土著鱼类2种。有3种鱼为珍稀鱼类[8]。结合工程所处河段的鱼类分布、鱼类洄游特性以及鱼类的保护价值，确定过鱼对象见表1。

表1 过鱼对象选择表

3.2 过鱼季节

具有生殖洄游习性的鱼类，每年初春解冻即顶水上溯游至河上游河道流速较高的河段产卵繁殖，其产卵季节为4—7月，因此，确定过鱼设施的主要过鱼季节为每年的4—7月。

3.3 鱼类游泳能力研究结论

为了掌握升鱼机集诱鱼系统吸引水流流速，系统坡度等参数，对该河道进行了水生生态专题研究和土著鱼类游泳能力测试研究。

3.3.1 过鱼设施最大流速

过鱼断面流速主要参考鱼类突进速度。突进游速中，根据游泳速度测试值的排序和分析，限制值取鱼种的1.09～1.52m/s，50%的鱼种突进速度大于1.26m/s。

考虑本次过鱼目标以0.10～0.50m的个体为主，且主要为中底层鱼类，因此过鱼设施流速设计的边界条件为保证过鱼孔近底边壁有0.2～0.25m的低流速区域，此区域流速在1.09～1.26m/s的范围内，其余高流速区流速可适当放大至1.5～1.6m/s。

3.3.2 过鱼设施进口流速

对于鱼类，一般最佳的诱鱼流速范围为临界游速和突进游速之间。根据测试结果，进口流速范围为0.8～1.5m/s。特殊水情下可采取相应的补水措施以提高进口效率，补水流量可根据实际情况尽量选取低噪音、大流量、影响范围较大的水流。

3.3.3 出口流速

过鱼通道出口流速建议大于鱼的感应流速，且在持续游泳速度范围内，根据测试结果出口设置在流速为0.20～0.61m/s的水域。

3.3.4 过鱼设施主体结构流速

根据测试结果和国内外研究成果，持续游泳速度在80%临界速度附近，综合考虑过鱼设施平均流速取值范围为0.61～0.70m/s。

4 过鱼设施设计重点

4.1 过鱼设施总体布置

根据工程地形地貌和建筑物布置情况，因地制宜，选用合适的工程措施，来满足鱼类回游过坝的需求，达到保护河道鱼类资源的目的。

生态过鱼设施重点考虑以下几个方面：

(1)能较好的适应运鱼期水库水位变动的需要。

(2)解决被保护鱼类游泳能力不强不能连续通过较长过鱼通道的问题。

(3)不涉及主体工程，安全、运行可靠，工程布置、建设难度较低，投资较少。

过鱼设施方案为由厂房尾水直接诱鱼，通过水平运输及垂直提升过坝方案。在厂房尾水处平行厂房尾水依次布置泵房、消能井、升鱼机、集鱼池、鱼道。为了提高诱鱼效果，将鱼道平分为横向鱼道、纵向鱼道，其中横向鱼道与厂房尾水垂直衔接，纵向鱼道与河床衔接。运行期间，通过鱼道将鱼类诱入集鱼池内，通过栅栏将鱼推入升鱼机提升斗内并提升一定高度，通过水平运输至坝下，然后垂直提升过坝。鱼道总体布置如图1所示。

4.2 诱鱼、集鱼设施设计

厂房尾水的集鱼池距坝轴线约470m，电站尾水与下游河段相连，是工程中与坝轴线最近水域，该点可作为起始的诱鱼、集鱼点，采用捕捞后机械提升、运输、投鱼入水的方法，实现运鱼过坝的目的。

集诱鱼设施流速按照鱼类持续游泳速度确定，根据过鱼对象游泳能力测试结果，持续游泳速度在80%临界速度附近，则过鱼设施平均流速取值范围为0.61～0.70m/s。考虑到本工程集诱鱼设施为一整体，诱鱼水流来自于整个集鱼系统供水水源，因此，为满足诱鱼需要，集诱鱼系统流速按照诱鱼流速控制，符合0.8～1.5m/s间流速即可。结合供水方式，鱼道设计流速为0.8～1.2m/s。

鱼道供水方式选择为从厂房尾水泵水的方式。具体为：在厂房尾水左侧、集鱼室上游设置水泵室，共设3台水泵，采用变频水泵，2用1备。水流经水泵首先进入消能井，效能后的平缓水流进入集鱼池。鱼道设计流速为0.8～1.2m/s，满足诱鱼水流流速要求。

诱鱼集鱼设施布置在厂房尾水左侧，与尾水紧邻。集鱼池水深2.5m，流速1.0m/s。根据国内外鱼道设计经验，厂房尾水往往具有诱鱼效果，洄游鱼类往往在厂房尾水处汇集，因此，将诱鱼道进口设置在厂房尾水已被国内外鱼道设计中广泛采用。

在厂房尾水处平行尾水布置供水诱鱼集鱼设施，包括消能井、集鱼池、鱼道，厂房尾水设置三台泵(两用一备)，消能井、升鱼机、集鱼池依次布置，集鱼池至鱼道平分成两个鱼道，鱼道宽均为1m，横向鱼道与厂房尾水垂直衔接，纵向鱼道与河床衔接。诱鱼道水流流速为0.8～1.2m/s，满足诱鱼对水流流速要求。

图1 过鱼设施系统总体布置示意图

集鱼池位于诱鱼道末端，布置在尾水渠左侧，设置有透水板，移动式集鱼栅，通过移动式集鱼栅的移动，将集鱼池内的鱼赶至停放于集鱼池下部坑道的集鱼斗上方，通过集鱼斗的提升，将鱼集中至集鱼斗内，通过集鱼斗的吊运让鱼过坝。

目前国内尚无升鱼机系统工程实例，为此，本工程进行了考察，根据考察结果且结合本工程过鱼对象体长等因素，综合确定提鱼斗尺寸，提鱼斗又称集鱼斗，是将鱼通过升鱼机运输至上游的容器[9]。提鱼斗设置1台，容量约2.8m3。集鱼斗上设置有盖板、翻板门、气压站、气压缸、无线发送及接受装置。集鱼斗底部带斜坡，斜坡按上游坝面控制，即当集鱼斗沿上游坝面倾斜时，其底部斜坡为9°，保证集鱼斗放鱼顺畅，斗内保持清洁。集鱼斗上游底部设置有翻板门，作为放鱼通道，翻板门采用气动式气压启闭机操作。气动式气压启闭机的控制系统必要时可兼做给集鱼斗内的水体补气的作用，当做补氧设备使用。

4.3 运输方案设计

4.3.1 水平运输设施设计

从有利工程布置和保障工程运行安全的角度，并结合运鱼效率、后期运行管理等因素，运输方式采用轨道右岸运输方案。

水平运输小车的作用是将提鱼斗从集鱼池水平转运至坝下。小车运行机构由4个轮子组成，其中主动车轮2个，从动车轮2个。小车车体上设置转运平台，转运平台上设置限位装置，能将提鱼斗可靠固定于小车上，防止提鱼斗在风荷载或转弯时离心力作用下倾覆。小车采用可编程序控制器控制，并能将各传感器采集的电流、电压、转速、荷载、位置等监控信号通过无线通讯装置发送至中控室。小车轨道两端设置缓冲阻进器，并设有终端限位保护。采用蓄电池供电，当小车行走至轨道两端，利用等待下一工作循环的时间间隔充电。

为满足工程交通、工程维修要求，水平运输采用架空结构，在集鱼池和拱坝之间设置净高5.0m的钢筋混凝土排架柱。

4.3.2 垂直运输设施设计

垂直运输设备布置于集鱼池和坝顶。分别设置桥式起重机和台车式起重机各1台。

(1)集鱼池垂直运输

设置于集鱼池上部的桥式起重机，主要作用是将提鱼斗从集鱼池垂直提升，将提鱼斗放置在转运小车上，如图2所示。起升机构在集鱼池中的起升速度约为2m/min，其它位置起升速度约为20m/min，采用变频调速装置调节。

图2 集鱼池垂直运输系统示意图

(2)过坝垂直运输

设置于坝顶的台车式起重机，其作用是将提鱼斗从坝下垂直提升至坝顶，并水平转运至投鱼点，降下提鱼斗至水中设定的深度，如图3所示。扬程约为70m。通过可编程序控制器控制。起升机构提升速度约为20m/min，水平行走速度约为40m/min。为防止提鱼斗从坝下至坝顶提升过程中受风力影响，自坝底至坝顶，设置钢架导向装置。台车式起重机设置行程开关，大车行走超过设定的行程后，自动停机。

4.4 投鱼点选择

本工程升鱼机选择在近坝库区投放鱼类。考虑到鱼类投放点需要一定的水流速，由于库区内水流速度很小，几乎静止，鱼类没有水流引导可能会迷失方向，因此鱼类投放点不宜设置在库区。同时，投鱼点不能距离泄水建筑物进口过近，避免投放鱼类因水流速度过大而再次进入泄水建筑物。

根据枢纽布置及运行期坝前水流特性，投放点可选在靠近发电洞进口附近的位置，发电洞运行期水流流速小于0.9m/s，小于被保护鱼类的巡航流速，既满足鱼类感应流速要求，投放的鱼类也不会被高速水流带至下游。

4.5 观测设备及观测点选择

针对洄游鱼所需要的水流条件和回溯时间的要求，过鱼设施观测系统已成为过鱼设施设计中重要组成部分，其承担着对保护鱼类的数量、种类进行分类监测的功能，同时，为有效的评价过鱼设施的运行效果提供科学依据[10]。

选择具有故障率低、技术成熟可靠、便于维护和具备各种过鱼设施类型行自动监测要求的观测系统。

监测点设置在诱鱼集鱼通道内。如此，可提前监测到是否有鱼类进入通道，另外，鱼道自动运行时无论运鱼斗内是否有鱼均会提升过坝，而提前监测是否有鱼可避免过鱼系统空转，耗费大量的人力、物力。因此，监测点设置在诱鱼集鱼通道内。

5 结语

我国升鱼机系统的研究尚处于起步阶段，目前国内尚无升鱼机系统工程实例。本工程过鱼设施系统建设已经接近尾声，期待其运行情况和效果。

各种类型的过鱼设施在水资源利用过程中均有特定的优势，在各种过鱼设施中，升鱼机有其独特的定位和功能，对我国水电开发，尤其在中、高水头及梯级水工建筑物的建设和运行管理等方面，鱼类过坝及保护可发挥重要作用。同时，本工程升鱼机系统对促进我国高水头水工建筑物过鱼工程设计工作的技术进步具有深远的意义，以期为水生态环境体系的发展提供有益借鉴[14- 15]。

图3 过坝垂直运输系统示意图