马岭水利枢纽集运鱼系统设计研究

2021-04-14马卫忠单承康安瑞冬

水力发电 2021年1期

王猛，马卫忠，单承康，安瑞冬，姜鹏，李聪，罗思，3

(1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳550081；2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都610065；3.淮阴工学院，江苏淮安223003)

0 引言

随着我国水能资源开发进程的加快，我国水利水电工程开发逐渐向西南转移。但西南地区河流大比降、窄河谷的特点给过鱼设施布置造成了困难，修建常规的鱼道就存在技术和成本问题；集运鱼系统是通过人工集鱼和运输的手段实现鱼类过坝的过鱼措施[1]，具有机动灵活、鱼类过坝体力消耗小的特点，受到各界人士的关注。

集运鱼系统过鱼过程包括集鱼、转运和放流，按照集鱼方式的不同，可分为固定式集鱼设施和移动式集鱼船[1-2]。国内外针对移动式的集鱼船开展了研究实践，如美国在哥伦比亚河(Columbia River)、萨克拉门托河(Sacramento River)、蛇河(Snake River)、梅里马克河(Merrimack River)、贝克河(Baker River)等多个河流开展集运鱼系统建设和效果评估[3- 8]，前苏联在顿河支流马内奇河口、伏尔加河、库班河开展集运鱼船设计和研究[9]。我国在乌江彭水水电站[10]、北盘江马马崖一级水电站[11]、西藏扎曲果多水电站[12]和金沙江龙开口水电站等建设了集运鱼船，但针对固定式集运鱼系统研究和建设鲜有报道。本文以马岭水利枢纽工程集运鱼系统[13]研究和设计为例，阐述固定式集运鱼系统的设计和研究方法，以期为其他工程设计和研究提供参考。

1 工程概况

马岭水利枢纽工程位于贵州西南南盘江左岸一级支流马别河干流中游，是马别河干流梯级规划中的第9个梯级，工程任务是以城乡供水为主，结合灌溉，兼顾发电等综合利用。主要枢纽建筑物由碾压混凝土双曲拱坝、坝身泄洪系统、右岸引水发电系统组成。坝址断面多年平均流量为42.6 m3/s，水库正常蓄水位1 030 m，死水位985 m，电站共有两大两小4台机组，总装机容量45 MW。

由于马岭水利枢纽工程的建设和运行会改变工程河段水文情势，阻隔坝址上下游鱼类基因交流，根据国家有关法律法规和项目环评报告及批复要求，马岭水利枢纽工程拟修建集运鱼系统以促进坝址上下游鱼类基因交流。

2 过鱼对象、季节及条件

综合考虑河段过鱼需求和过鱼价值，并结合河段鱼类资源特点，马岭集运鱼系统主要过鱼对象为河段珍稀、特有鱼类鲈鲤、暗色唇鲮和卷口鱼，以及重要经济鱼类倒刺鲃、宽鳍鱲、云南光唇鱼、墨头鱼和白甲鱼，过鱼季节选择过鱼对象的主要繁殖季节为4月～6月。

根据本工程主要过鱼对象游泳能力测试结果，集鱼系统诱鱼流速建议为0.51～1.02 m/s，集鱼通道及集鱼池推荐流速范围为0.14～0.73 m/s，最大流速不超过1.15 m/s。

马岭水利枢纽下游的马岭河峡谷—万峰湖风景名胜区有旅游景点和漂流活动，漂流时段为5月～10月的08∶00～16∶00，最小漂流流量为15 m3/s。工程下泄流量既要考虑水生生态系统稳定，又要兼顾景观娱乐用水，全年下泄生态流量不低于4.26 m3/s，5月至10月入库量大于15 m3/s时，按不低于15 m3/s下放，入库流量小于15 m3/s时按入库流量下泄，为满足鱼类产卵繁殖期对流量过程的要求，水库在5月或6月实施生态调度。

3 集运鱼系统设计

3.1 过鱼流程

按照诱集鱼方式的不同，集运鱼系统可分为移动式集运鱼系统和固定式集运鱼系统。受水深和地形条件制约，马岭水利枢纽经过方案比选，采用固定式集运鱼系统，其过鱼流程可分为集鱼、转运和放流3大步。

(1)集鱼。在发电尾水出口下游设置固定集鱼平台，坝下鱼类在电站尾水和集鱼平台出水的诱导下，通过诱鱼进口进入集鱼通道。

(2)转运。当集鱼通道内的鱼类达到一定数量后，集鱼通道末端的赶鱼栅下翻挡住进鱼孔口，并向上游侧移动，将鱼驱赶至集鱼池上方的集鱼斗中，集鱼斗启闭机将集鱼斗提起与转运溜槽对接，将集鱼斗中的鱼卸入运鱼车中，运鱼车配备维生系统，通过公路运输，将鱼类转运至适宜放流点。

(3)放流。运鱼车末端设置伸缩放流滑槽，放流时打开运鱼车放鱼口，鱼类通过放流滑槽进入天然水体。

3.2 集鱼系统设计

固定集鱼平台位于发电尾水出口下游，由进水渠段，拦污栅及工作闸门段、集鱼池、集鱼通道、工作闸门段及诱鱼进口段组成。

进水渠段连接发电尾水渠，使尾水水流分流进入集鱼平台，长17.8 m，宽2.0 m，底板高程952.50 m，引水渠段后接拦污栅及控制闸门，功能是拦污和调节集鱼通道内引用流量，控制闸门后接9.85 m长的消能段，消能段末端设置拦鱼网，使水流平顺进入到集鱼池，集鱼池尺寸为3.7 m×2.0 m，之后为集鱼通道，长13.5 m，宽2.0 m，集鱼通道后部设置赶鱼栅，通过赶鱼栅将进入集鱼通道的鱼赶入集鱼池。

集鱼池上方是集鱼斗和提升装置，集鱼通道后是下游检修闸门和诱鱼进口段，诱鱼进口段长21.7 m，通过出口水流将下游河道内的鱼引诱至集鱼通道内。

为扩大集鱼系统(见图1)引水流量，在1号和2号尾水洞出口分别设置一个横截面为2 m×2 m的矩形暗沟(见图2)，各自延伸8.5 m后，以平行尾水砍的形式转向4号出口，转弯半径为2 m，延伸30 m 后，暗沟出口水流以45°角射出。

3.3 转运系统设计

集鱼池前部设置拦鱼栅，后接集鱼通道，集鱼通道后部设置赶鱼栅，平时赶鱼栅吊在958.0 m高程平台上待命，见图3。集鱼时，集鱼斗(见图4)放入集鱼池中，当达到集鱼设定时间或诱鱼数量时，将赶鱼栅下降至952.5 m高程，由赶鱼栅牵引启闭机牵引行走，将鱼类赶入位于集鱼池内的集鱼斗中；然后，将集鱼斗提升至972.0 m，与转运溜槽对接，将集鱼斗内的鱼卸入运鱼车中，运鱼车配置维生系统。

图1 集鱼系统布置(高程：m)

图2 尾水渠引水暗沟结构

图3 集鱼系统结构布置(高程：m)

集鱼斗内腔尺寸为2.5 m×1.5 m×1.5 m(长×宽×高)，为焊接钢结构容器，底部设置有进水门及入水孔，侧部设有0.3 m×0.3 m的放鱼口，放鱼口采用1扇小型闸门挡水，以便与转运溜槽(见图5)对接，上部4壁设一定高度的格栅，以便集鱼斗吊起时多余的水溢出。此外，为防止集鱼斗起升过程中过分晃动，集鱼斗与集鱼池之间设导向装置。

图4 集鱼斗三维示意

3.4 放流系统设计

本工程根据河段鱼类资源量和保护目标，并结合地形条件、交通条件和水流条件，选择库尾龙阴寨河段作为放流点。

龙阴寨河段有公路直通马别河岸边。放流时，运鱼车行驶至岸边，放下伸缩放流滑槽，打开放鱼口，鱼类通过放流滑槽进入天然水体，为保证鱼类在下滑过程中不受伤，放流滑道采用半圆形光滑截面，直径600～800 mm。

4 集鱼系统水力学试验

4.1 模型设计及试验工况

模型试验采用正态水工模型，按重力相似准则设计，坝下河道试验模型比尺为1∶50，对坝下河道流场进行测量分析，为集鱼系统布置提供设计依据。集鱼系统内部流场试验模型比尺为1∶10，主要开展集鱼系统内部流场和诱鱼进口流场测量分析，为集鱼系统内部结构布置和引水方案提供设计依据。表1为试验工况。

表1 试验工况

4.2 坝下河道流场试验结果分析

模型试验分别进行了不同尾水出口流量工况下坝下天然河道流场测量分析，结果表明尾水出口下游不存在鱼类上溯的屏障区，受篇幅限制，本文选取过鱼季节常见的漂流工况(下泄流量15 m3/s)进行示例分析。

水流由2台机组尾水出口流出冲向左岸，受到左岸地形影响，主流沿河道左岸流向下游，在尾水出口下游约150 m范围主流逐渐偏向河道中心，横向流速分布趋于均匀，河道主流流速范围为0.22～0.67 m/s之间(见图6)，诱鱼口断面流速范围为0.57～0.66 m/s。受地形影响，左岸下游250～280 m和右岸下游220～270 m岸边形成小范围回流区，回流区流速范围为0～0.12 m/s。鱼类游动具有自主性和随机性，但总体规律为通常保持顶流游泳，并按照最有利于鱼类运行和节省体力的方式前进。本工况模型试验表明，坝下河段存在一条贯通的低流速带，该低流速带流向明确，满足鱼类洄游要求，不会形成鱼类前进的流速屏障和流态屏障，坝鱼类可在河道主流的指引下逐渐上行，直至诱鱼进口。

4.3 集鱼系统模型试验结果分析

鱼类游泳能力测试结果表明，流速在0.51～1.02 m/s时，对鱼类有足够的吸引力，集鱼系统内部适宜流速为0.14～0.73 m/s。

图7 集鱼通道内部流场

集鱼系统模型试验对比分析了漂流工况下，有无引水暗沟集鱼系统内部的流场。初始方案集鱼系统内部流速范围为0.35 ～0.67 m/s，诱鱼口处流速为0.37 m/s(见图7a)。由于引用流量不足，诱鱼进口流速较小，诱鱼效果不佳。增加尾水渠引水暗沟后，集鱼系统引用流量增加，集鱼系统内部流速增加为0.53 ～0.73 m/s，诱鱼进口流速增大到0.62 m/s，满足鱼类诱集要求(见图7b)。