高坝枢纽移动式尾水集鱼方案设计及试验研究

摘要：

为减缓水电工程建设对鱼类洄游的阻隔影响，高效安全的过鱼设施是恢复鱼类洄游通道的重要工程措施，尤其高水头水电工程过鱼设施建设是当前生态保护的技术难点。首先通过模型试验和数值模拟计算，对乌东德水电站坝下水流条件进行了研究，再结合鱼类洄游路线及其坝下分布预测，提出了一种新型的移动式尾水集鱼箱，并利用电站尾水的诱鱼效果进行集鱼。试验研究表明：根据电站运行情况开展集鱼工作可实现“多点位、全深度、大流量”集鱼，作为辅助集鱼设施，创新方案能够提升集运鱼系统的集鱼效率。研究成果可为高坝枢纽过鱼设施建设及已建工程增建过鱼设施提供技术参考。

关" 键" 词：

移动式尾水集鱼箱； 集鱼试验； 鱼类分布格局； 高水头水电工程； 乌东德水电站

中图法分类号： TV74；S956

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.07.023

收稿日期：

2023-12-22

；接受日期：

2024-03-01

基金项目：

国家重点研发计划项目“长江流域大坝生物洄游通道恢复关键技术研发与应用”（2022YFC3204200）

作者简介：

张文传，男，工程师，博士，主要从事水力学及过鱼建筑物研究。E-mail： zhangwenchuan@whu.edu.cn

通信作者：

王" 翔，男，高级工程师，主要从事通航过鱼建筑物研究。E-mail：wangxiang3@cjwsjy.com.cn

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章编号：1001-4179（2024） 07-0174-08

引用本文：

张文传，王翔，翁永红，等.高坝枢纽移动式尾水集鱼方案设计及试验研究

［J］.人民长江，2024，55（7）：174-181.

0" 引 言

随着中国工程技术的不断进步，水能资源的开发利用越来越充分，大量高坝大库的建设在防洪、发电和航运等方面发挥了重要作用，促进了社会经济发展。但人为拦河筑坝，切断了鱼类原有的洄游通道，形成阻隔效应，鱼类生境的片段化和破碎化导致种群间基因不能交流，破坏了河流原有生态系统［1-3］。为减缓水电工程建设对鱼类阻隔效应的影响，过鱼设施的建设十分有必要［4］。

经过长期的发展，当前已形成了鱼道、升鱼机、鱼闸、仿自然通道、集运鱼系统等多种过鱼设施类型［5-8］。高坝枢纽通常具有高水头、窄河谷、含沙量高等特点，鱼道和仿自然通道适用性较差［9-10］，多采用升鱼机、鱼闸和集运鱼系统型式［11］。国外在20世纪就已开展了大量高坝过鱼设施的应用研究［12-14］。进入21世纪以来，随着中国西南地区高坝大库的建设，在高坝过鱼方面也取得了许多研究成果［15-17］。如常毅等［18］针对苏洼龙水电站，从诱集鱼和过鱼效果、工程技术及布置条件、投资和运行管理等多方面进行比选分析，提出了多进口诱鱼的升鱼机布置方案；王翔等在彭水水电站提出采用以集鱼船为集鱼设施的集运鱼系统型式［19-20］，但集鱼船内发动机和水泵开动产生的噪音和振动会惊扰鱼类，对集鱼量造成一定影响，且仅能收集表层鱼类［21］；近年来，乌东德和白鹤滩水电站固定式尾水集运鱼系统相继投入运行，为中国高坝过鱼设施开辟了新的思路［22-23］。

综合来看，目前国内外高坝过鱼设施的研究重点集中在固定式集运鱼系统或集鱼船方面，但均存在不同程度的缺陷。固定式集运鱼系统集鱼地点受限，枢纽不同运行工况下集鱼效果差异较大；集鱼船运行产生振动及噪音，影响集鱼效果，且运行受枢纽泄洪影响［24］。此外，若针对已建高坝枢纽工程增补过鱼设施，固定式集运鱼系统施工难度大、工程量较大、投资高。因此，开展高效安全、集鱼效果好的高坝枢纽过鱼设施研究具有重要的应用价值。本文在乌东德水电站集运鱼系统的基础上创新性地提出移动式尾水集鱼箱的新型集鱼方式，配合固定式集鱼站运行。

1" 工程概况

乌东德水电站位于金沙江下游河段，为 Ⅰ 等大（1）型工程，枢纽工程主要由挡水建筑物、泄水建筑物、引水发电建筑物、过鱼建筑物等组成。挡水建筑物为混凝土双曲拱坝，坝顶高程988 m，最大坝高270 m；泄水建筑物包括坝身泄洪表孔、中孔和岸边泄洪洞；电站厂房布置于左右两岸山体中，均靠河床侧布置，各安装6台单机容量为85万kW的混流式水轮发电机组，装机总容量1 020万kW；过鱼建筑物采用集运鱼系统。

2" 坝下水流条件

通过物理模型试验和数值模拟计算开展水力学研究，对乌东德水电站运行后坝下流场、鱼类分布及洄游路线进行预测分析，可为集鱼地点的选择布置提供依据。模型试验针对关键部位流速进行了测量，数模计算直观展示了坝下流场情况。

仅左岸6台机组发电条件下，左岸尾水渠水深约17 m，电站尾水呈3股射流流态，尾水洞洞口流速达4 m/s，左岸电站护坦断面流速约1.5～2.3 m/s。水流冲抵下游右侧河岸后，沿金坪子弯道向下流动，右岸尾水渠下游为大范围回流区，流速较小。下游河道逐渐变窄，流速增大且趋于均匀分布，金坪子弯道处最大流速3.6 m/s（图1）。

仅右岸6台机组发电条件下，下游水深与左岸6台机组发电一致，右岸电站护坦断面流速约1.6～2.0 m/s，发电水流主流位于河道右侧，右岸流速相对较大，左岸电站下游为低速回流区。随着下游河道逐渐收窄，左岸流速逐渐增大，但总体仍呈现右岸流速高于左岸的趋势；金坪子弯道处横断面流速梯度相对较小，最大流速达到3.8 m/s（图2）。

左右岸12台机组满发工况下，尾水渠水深约21 m，两岸发电水流各呈3股射流流态，流速表层小、底部大，射流中心流速约3.5 m/s；左右岸护坦处流速为1.1～2.0 m/s，两岸尾水汇流区流速达到2 m/s；6股水流相交后沿弯曲河道向下游流动，因河道宽度逐渐收窄，下游流速增加至4 m/s以上（图3）。

3种工况下电站尾水流态如图4～5所示，金坪子河道附近流态如图6所示。可以看到，电站尾水各呈3股射流流态，各股水流急缓相间，有一定的水面波动，但流态相对平稳；随着水流向尾水渠外扩散，水流流动愈发平缓。因下游河道宽度收窄，水流湍动程度增加，至金坪子河道附近水面坡度显著增加。

3" 坝下鱼类分布及上溯路径

前期在乌东德坝址及其连接江段共调查到79种鱼类，包括喜流型（48种）、缓流型（2种）和广适型（29种）等对水流速度偏好程度不同的3种类型。根据前文坝下流场研究结果可知，金坪子弯道附近河道收窄处流速较大，12台机组满发时流速达4 m/s以上，单侧6台机组发电时流速约3 m/s。但由于河床边界的曲折以及岸边的底质情况，下游河道均存在1.0 m/s以下的低速流区。因此，在乌东德坝下，喜流型和广适型鱼类主要沿左岸、右岸及江底上溯，沿途可在左右岸回流区或河道中石块后休息，恢复体力后继续上溯，最终到达水流最前端（发电机组尾水区附近）；鱼类上溯至尾水区后，会沿河道在左、右岸急缓流之间洄游徘徊，鱼类上溯路线预测如图7所示。

根据坝下水流条件和鱼类上溯路径分析结果，单一岸侧机组发电工况下，喜流型鱼类主要分布在发电一岸的尾水区，缓流型鱼类则主要分布于二道坝附近区域及未发电尾水区（图8（a））。两岸机组均发电工况下，喜流型鱼类主要分布在两岸发电的尾水区，缓流型鱼类则主要分布在二道坝附近、泄洪洞出口水垫塘区域及其下游侧（图8（b））。

4" 移动式尾水集鱼箱方案

4.1" 结构布置

乌东德水电站集运鱼系统包括集鱼系统、提升系统、分拣装载系统、运输过坝系统、码头转运系统、运输放流系统和监控设施等，其中集鱼系统采用固定式尾水集鱼站，布置于右岸4号尾水洞出口，利用发电水流诱集鱼（图9）。因布置局限性，固定式尾水集鱼站仅能收集4号尾水洞附近的鱼类，且集鱼效果受电站调度运行影响，当7号和8号机组发电时，集鱼站诱鱼水流显著，可诱集上溯到该区域的鱼类；而7号和8号机组未发电时，集鱼站水流平缓，无诱鱼水流，集鱼效果可能受到影响。

由坝下流场和鱼类洄游路线分析可知，非泄洪期大部分喜流型鱼类将聚集在左右岸尾水区域（图8）。结合电站建筑物的布置及结构特点，根据鱼类趋流特性和发电尾水诱鱼效应，采用移动式尾水集鱼箱作为辅助集鱼设施，通过尾水门机将移动式集鱼箱下放至电站尾水检修门槽内进行集鱼，收集的鱼类经运鱼车转运至上游放流。移动式尾水集鱼箱操作机动灵活，可根据电站发电情况调整集鱼位置，将其布置于左右岸6个尾水洞检修门槽内，集鱼范围覆盖整个尾水渠，可收集不同栖息水层鱼类，实现“多点位、全深度、大流量”集鱼，提升集鱼效果。移动式尾水集鱼箱布置如图10所示。

移动式尾水集鱼箱尺寸与乌东德水电站尾水检修门槽匹配，宽度为9.4 m，高度为3.0 m，左右两侧设置2个集鱼笼，每个集鱼笼设置3个1.0 m×0.7 m（宽×高）的横向矩形防逃进鱼口，形成鱼类易进难出的结构。为保证鱼类在集鱼箱能够长时间停留，集鱼部分通过后部挡板及横向隔板形成一定缓流水域，满足鱼类长期停留要求。集鱼箱底部设有存水区，存水深度为0.2 m。移动式尾水集鱼箱结构如图11所示。

4.2" 优化试验

乌东德水电站单机发电流量为691.1 m3/s，尾水洞流速达3 m/s以上，移动式尾水集鱼箱在国内外过鱼设施中均属首创，集鱼箱的结构稳定，与门机的连接方式等需要通过实际试验来研究确定，以此保证尾水集鱼方式的有效性。

首次集鱼试验中，尾水集鱼箱在下放及提升过程中总体顺畅，箱体框架结构在水流冲击下基本保持稳定，但箱体下放至距底部4m时无法继续下放。分析认为，由于集鱼箱受到横向水流冲击力较大，造成集鱼箱与门槽间摩擦力增加，箱体受到的摩擦阻力大于自重，导致集鱼箱无法落底，难以收集底层鱼类。集鱼箱两侧集鱼部分网片基本稳定，未出现破损；迎水面因流速较大，试验网片出现破损。为解决集鱼箱落底及网片破损问题，在集鱼箱侧面及底部增加封板作为配重，保证箱体静平衡，并增设压条加固集鱼箱网片（图12）。

此外，原方案采用抓梁连接集鱼箱再下放至尾水洞门槽内（图13（a）），抓梁入水后受到水流冲击，液压泵站、管道、监控系统及电缆等存在损坏风险，因此优化采用动滑轮组连接集鱼箱（图13（b））。优化改进后再次进行试槽试验，发现集鱼箱可以顺利下放至尾水洞底部，集鱼箱结构及网片在高速水流冲击下稳定性良好，整体运行安全可靠。

5" 尾水集鱼试验

2020年6月，乌东德水电站正式投产发电后，开展了现场移动式集鱼箱集鱼试验研究。在主要过鱼季节（7月）进行了22次集鱼试验，共收集13种鱼类248尾，其中11种为工程过鱼目标，包括优先过鱼对象长鳍吻鮈、主要过鱼对象中华金沙鳅和长薄鳅，以及8种兼顾过鱼对象（图14（a））。收集数量较多的分别为兼顾过鱼对象中华沙鳅（92尾）和犁头鳅（79尾）、主要过鱼对象中华金沙鳅（59尾）。此外，云南盘鮈为近年来首次在乌东德江段收集到，可见移动式尾水集鱼箱集鱼效果明显，能够有效收集尾水区鱼类。

为进一步验证尾水集鱼箱集鱼效果，非过鱼季节（9～12月）进行了294次尾水集鱼试验，其中60次收集到鱼类，共收集到9种鱼类113尾，包括主要过鱼对象长鳍吻鮈、次要过鱼对象中华金沙鳅和长薄鳅（图14（b））。

综合集鱼种类来看，收集到的鱼类基本为喜流型鱼类，少部分为广适型鱼类，与坝下鱼类分布预测结果基本一致。7～12月，集鱼数量由248尾逐月减少至11尾，集鱼效率从11.3尾/次减少至0.2尾/次（图15），由此可见主要过鱼季节移动式尾水集鱼箱集鱼效率较高，适当增加集鱼频次可进一步提高集鱼效果；非过鱼季节集鱼效率相对较低，移动式尾水集鱼箱、门机等设备的检修维护可在此期间开展。

6" 结 论

本文在传统集运鱼系统的基础上提出了一种新型移动式尾水集鱼箱集鱼方式，有助于恢复高坝枢纽鱼类洄游通道，减缓工程建设阻隔影响，具体研究结论如下：

（1） 非泄洪期间乌东德水电站仅通过电站泄流，电站尾水处及下游金坪子弯道附近水流流速较高，达3 m/s以上，但左右两岸及相邻尾水洞间仍存在低流速区，鱼类可上溯并聚集于此。

（2） 采用移动式尾水集鱼箱能够有效收集电站尾水附近喜流型鱼类，根据电站运行情况和过鱼季节灵活调整集鱼位置及频率，可进一步提升集鱼效率。

（3） 移动式尾水集鱼箱投资小，集鱼范围覆盖整个尾水渠，操作灵活方便，能够收集尾水洞不同水层的鱼类，可为新建及已建高坝枢纽过鱼设施方案提供技术参考。

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（编辑：胡旭东）

Scheme design and experimental study of mobile tail water fish collection scheme in high dams

ZHANG Wenchuan1，2，WANG Xiang2，3，4，WENG Yonghong2，WANG Yachao2，YANG Biao2

（1.China Three Gorges Corporation，Wuhan 430010，China；" 2.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；" 3.Key Laboratory of Changjiang Regulation and Protection of Ministry of Water Resources，Wuhan 430010，China；" 4.Hubei Key Laboratory of Basin Water Security，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to alleviate the barrier effect of hydropower project construction on fish migration，efficient and safe fish passage facilities are important engineering measures to restore fish migration channels.In particular，the construction of fish passage facilities for high-head hydropower projects is the technical difficulty of current ecological protection.Firstly，through model test and numerical simulation，the flow conditions under the dam of Wudongde Hydropower Station were studied.Combined with the prediction on fish migration route and its distribution under the dam，a new type of mobile tail water fish tank was proposed，which utilizes the fish trapping effect of the tail water from power stations to collect fish.The test results showed that the fish collection work can be carried out according to the operation of the power station to achieve multi-point，full depth and large flow fish collection.As an auxiliary fish collection facility，the new scheme can improve the fish collection efficiency.The research results can provide technical reference for the construction of fish passage facilities in new high dam hubs and existing projects.

Key words：

mobile tail water fish collecting tank； fish collecting test； fish distribution； high head hydropower projects； Wudongde Hydropower Station