不同类型过鱼设施特点及适应性研究

2020-03-05彭翠华

水力发电 2020年11期

栾丽，彭艳，何涛，彭翠华，李雪

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 611130)

0 引言

水电工程建设与运行在防洪、发电、航运等方面发挥了巨大的经济、社会效益，但工程阻隔导致的河流连通性受损、生境条件改变、生态环境负效应。过鱼设施作为筑坝河流上下游的连接通道，旨在协助鱼类洄游、促进上下游水生物基因交流、保持河流连通性。国际上，过鱼设施研究已经有350余年历史，并不断根据目标对象、工程及河流特性等差异，实现设计的多样化和应用的属地化[1]。但是，国外以强洄游习性鱼类(如鲑科)为目标的过鱼设施研究的技术成果及实践经验对国内弱洄游习性种类(如鲤科)的借鉴有限[2- 4]。

实践证明，过鱼设施可以辅助鱼类上行或下行(即通过大坝造成的物理阻隔)，从而有助于维护流域生态平衡。修建鱼道、仿自然通道、升鱼机、集运鱼系统等过鱼设施是一项十分重要的生态工程修复措施[5]。过鱼设施是大坝上下游的连接通道，在鱼类洄游、促进上下游种群和基因交流等方面发挥了重要作用。过鱼设施的有效运行是保护河流纵向连通性的重要手段之一，对减缓大坝阻隔影响、恢复鱼类洄游通道十分重要[6-7]。它是一个集鱼类生态学、行为学、水力学、水工学的多学科交叉研究课题。目前，国内过鱼设施研究由于“资历浅”、“经历坎坷”、目标性不强等，导致在规划、设计、过鱼设施类型选择等关键环节缺乏有效的技术支撑。需要研究的主要问题是：①中低水头闸坝鱼道设计建设的鱼类生物学与生态学依据；②高水头大坝的过鱼技术；③河流严重梯级开发背景下的鱼类洄游通道恢复的布局优化与决策支撑；④相关规定大多只有原则性要求，在技术层面未明确过鱼方案选择依据。坝(闸)阻隔鱼类洄游通道，影响鱼类完成生活史的水电水利工程，应设置专用过鱼设施。水电水利工程应结合鱼类的重要性、受影响程度和过鱼效果等，综合分析论证采取过鱼设施的必要性和过鱼方式。过鱼设施应有效连通上下游鱼类栖息地，明确过鱼对象、过鱼规模和过鱼季节[8]。

本文分析了国内已有的不同过鱼设施类型的适用性及优缺点，总结了不同类型水电工程过鱼方案选择及运行的关键技术要点，拟为我国水电工程生态调度、过鱼方案选择和改进、过鱼方案有效运行提供参考依据，并对国内已建水坝加建过鱼通道进行探索，有关结果可为我国水电开发与自然生态保护协调发展的宏观决策提供借鉴[3- 4，9-10]。

1 不同过鱼设施对比分析

1.1 仿自然通道

仿自然通道是人工修建的仿自然溪流，用以连通被阻碍的河流，并考虑鱼类行为和通道坡度、仿自然河床、水流条件等因素为鱼类提供的一种洄游通道。仿自然通道系统要求有足够的空间，一般应用于缓丘低山地形，不适宜水头过高的大坝，也不适宜高山峡谷区，还应避开人口稠密区域、减少对鱼类的干扰。

仿自然旁通道是在岸上人工开凿的类似与自然河流的小型溪流，通过溪流底部、沿岸由石块堆积成的障碍物的摩阻起到消能减缓流速的目的。一般用于上下游水头差30 m以内且有可依托支流的工程，基本不受坝型限制，但要求地形宽阔、地质条件较稳定；通道坡度极缓，需要足够大空间；有可依托的支流作为仿自然通道。大渡河干流安谷水电站，采用混合开发方式，最大闸高22.7 m，电站装机容量778 MW，电站过鱼设施采用仿自然通道型式。仿自然旁通道示意见图1。

图1 仿自然旁通道示意

仿自然旁通道有平铺石块式、交错石块式和池堰式常用的3种结构形式。平铺石块式仿自然旁通道底部平铺不同大小的石块，以底部沿程摩阻起到消能减低流速的目的。根据铺设石块大小的不同又分为2种类型，见图2。交错石块式仿自然旁通道底部铺设碎石块的同时，沿程在不同位置设置大石块，束窄过水断面，产生局部跌水和水流对冲以消能和减缓流速，如图3所示。池堰式仿自然旁通道中使用石块将通道分隔成一个个小的水池，通过局部跌水消能并降低流速(见图4)。

图2 两种类型的平铺石块仿自然旁通道示意

图3 交错石块仿自然旁通道示意

图4 池堰式仿自然旁通道示意

三种形式的仿自然旁通道中，平铺石块式一般适合较浅的小河流，适宜表层鱼类通过；而交错石块式和池堰式仿则适用范围相对较广，都具有可行性。工程实践中，可结合具体地形选择具体形式。

1.2 鱼道

鱼道为呈连续阶梯状的水槽式构筑物，主要包括池式鱼道、槽式鱼道和特殊形态的鱼道等。进口多布置在水流平稳，且有一定水深的岸边或溢流坝出口附近。可适用于大部分鱼类，对鱼类洄游能力要求不高，鱼类通过鱼道上溯时，不会受到伤害。

鱼道一般用于上下游水头差60 m以内的工程，不受坝型限制；但其需要地形宽阔、地质条件较稳定，相对较大的布置空间。鱼道结构由通道入口、休息池、观察室、通道出口等组成。广西长洲水利枢纽位于珠江流域西江干流浔江河段，电站装机容量630 MW，坝高20 m，属低水头水利枢纽，电站过鱼设施采用过鱼形式。鱼道主要由进口、鱼道水池、休息池、出口、挡洪闸门、检修闸门、鱼道观察室等部分组成。

鱼道入口必须为易被鱼类发现，有利于鱼类集结的地方。当鱼道延伸至河道当中时，入口在较近上游的一岸，不能超过河床太高，应与河床斜坡缓慢衔接，入口处水深1～1.5 m。为了增强过鱼效果，鱼道入口设置洒水诱鱼装置，并架设照明灯，晚上开启引诱。鱼道观察室位于鱼道中部，建筑在水下2～4 m深处。上下两面坚固石壁，侧面为密封玻璃长窗，隔窗可以看到各种鱼类在水里活动，记录上溯鱼的品种、数量、游速等。鱼道出口要求布置在水较深(至少1 m)和流速较小的地点，位置设在最低水位线下，便于鱼类上溯。

1.3 升鱼机

升鱼机原理与电梯相似，由进鱼槽、竖井、出鱼槽三大主要部分组成(见图5)。由进鱼槽口放水，将下游鱼类诱入进鱼槽，接着用赶鱼栅把鱼驱入竖井，提升竖井至上游水位，打开出鱼槽驱鱼入上游水域。升鱼机可用于中高水头大坝，对枢纽建筑物干扰较小。

高水头电站更适合采用升鱼机或多种过鱼设施相结合的方式。升鱼机一般用于上下游水头差60 m以上的工程，主要适用于混凝土重力坝，基本不受地形条件限制，与枢纽相结合，所需布置空间较小。

金沙江上游苏洼龙水电站采用坝式开发，坝高112 m，为沥青混凝土心墙堆石坝，装机容量为1 200 MW，采用升鱼机过鱼形式。该升鱼机由集诱鱼系统和提升过坝系统组成。集诱鱼系统紧邻电站厂房尾水渠左侧，并平行于尾水渠布置。在集鱼池、坝上投放点处各设置一塔架，在两塔架间设置揽机，利用揽机将集鱼池内鱼类提升过坝，并投放至库区，完成过鱼。

升鱼机大致有诱导、收集、升举、投放几个环节。为了观测过鱼效果，还应设有计数装置。工作时先由鱼道末端水泵放水，水流通过鱼道流入下游河道，形成诱鱼水流，将聚集在尾水渠下游区域内的鱼群通过鱼道进口诱入鱼道，鱼类沿着鱼道上行至鱼道末端的集鱼池，接着利用集鱼池上安装的可移动并可启闭的栅门，将鱼推入升降机中的集鱼箱上方，集鱼箱内设置一个升鱼斗，升降机的下门定时关闭，聚集在集鱼箱内升鱼斗上方的鱼被上升中的升鱼斗“捕获”。然后，通过升鱼平台门机将升鱼斗转移至上游轨道上，由轨道经隧洞运至坝上的上游码头处，将升鱼斗内的鱼倒入转运鱼船上的运鱼箱内；再由运鱼船运鱼至西曲及其他支沟汇口、苏洼龙库尾放流。系统不运行时，将集鱼平台和运鱼船等停靠在码头。

图5 升鱼机平面

1.4 集运鱼系统

集运鱼系统为配合运鱼车或运鱼船帮助鱼类上、下行的一种过鱼设施。集运鱼系统一般由集鱼船、运鱼船(车)、码头等组成，运鱼船把集鱼船所集之鱼驱入船内，运鱼船通过船闸过坝或将鱼转运至岸边停泊的运鱼车卸鱼于上游水域。

集运鱼系统可用于中高水头大坝，对枢纽建筑物干扰较小。一般用于上下游水头差60 m以上的工程，基本不受坝型和地形条件的限制，布置灵活，所需布置空间较小，适于高坝过鱼，能适应水库水位的较大变幅。雅砻江中游孟底沟水电站采用坝式开发，坝高200 m，为混凝土双曲拱坝，装机24 000 MW，采用集运鱼系统。

集运鱼系统主要包括集鱼设施和运输设施。集鱼设施包括集鱼平台、深水网箔等，运输设施包括运鱼船、活鱼车、码头、吊车等。

集运鱼系统过鱼流程分为定位、诱集鱼、水路转运、陆路转运及放流五大步骤。首先，集鱼平台在确定的集鱼地点定位，然后打开集诱鱼系统，在将目标鱼类诱集至集鱼平台上的运鱼箱后，通过集鱼平台上的吊机将运鱼箱转运至运鱼船，运鱼船将鱼运至码头，再通过活鱼运输车运送至放流地点，将鱼类放流。系统不运行时，将集鱼平台和运鱼船等停靠在码头。

表1 不同类型过鱼设施特点及适应性一览

深水网箔诱集鱼是根据鱼类习性，敷设在鱼类游经的通路上或鱼类较密集的水域，网具装置成易进难出的结构形式，通过拦截、引导鱼类进入网内，诱鱼集鱼网袋便于随时起捕转运。这种方法通过人工手段主动集鱼，必要时可以采取驱赶集鱼的辅助措施，集鱼效果明显优于集鱼船，但在湍急的河流中，由于受水域环境流速影响，无法采用深水网箔集鱼，因此在下游昌波梯级建成前，仅在坝上设置深水网箔，坝下暂不设置。

2 不同类型过鱼设施特点及适应性

根据上述不同类型水电站过鱼型式，现阶段对上下游水位差30 m以内、并有可依托支流的水电水利建设项目，应采取仿自然通道过鱼设施；对上下游水位差60 m以内、坝体两岸地形地质条件开阔的水电水利建设项目，在不具备采取仿自然通道的前提下，应首先重点研究采取鱼道过鱼；对上下游水位差超过60 m的水电水利建设项目，应结合场地条件和枢纽布置特性，研究采取鱼道、升鱼机、集运鱼系统或不同组合方式的过鱼设施。不同类型过鱼设施特点及适应性见表1。