流放式水利工程方案及其過魚功能探討

文/高文標

長期以來，水電及水壩構(gòu)筑所給自然魚類生態(tài)造成的災(zāi)難性矛盾一直存在，始終沒能獲得一個完全到位的整合解決方案?！傲鞣攀剿こ谭桨浮弊鳛橐环N整合性方案，為水利工程從工程效能、生態(tài)適應(yīng)性等諸多方面比較完美地解決了上述問題。該工程方案不僅可以直接通過流放水作用實現(xiàn)水能利用，而且可以同時實現(xiàn)自然魚類的洄游過壩，從而能夠在水電和水利兩套工程中適用。

一、流放式水利工程方案的主要特點

在水利工程建設(shè)史上，它明確地提出并實踐了建設(shè)工程的生態(tài)保護概念。

1. 水利用工程應(yīng)當(dāng)可以將控用水資源的工程方案及其水力工程機械與過魚道融為并列的一體，使之發(fā)生平行的效益關(guān)系。

該工程方案所呈現(xiàn)的水壩過魚技術(shù)，主要作用在將以往的輪式水輪機以懸高離水方式，改變?yōu)榭勺鳛槌B(tài)的保留局部浸水方式，其關(guān)鍵是可保留魚類不間斷過程水路，并且創(chuàng)造性地以柱式水輪機本身作為過魚道實現(xiàn)過魚。這其中也因為柱式水輪機水輪本身已形成軸向伸展方式，可以形成為非浸水與浸水兩部分，非浸水部分可用作功發(fā)電，浸水部分可用于過魚，兩部分也當(dāng)然地聯(lián)動。在實際操作中，我們往往也將水輪浸水與非浸水兩部分分段，非浸水部分接受水力快速轉(zhuǎn)動，并帶動變低速的浸水部分另行過魚，而且因為過魚需要作為過魚輪的部分葉片可以作到最少，增大過魚空間。該工程方案所提出的柱式水輪機，在關(guān)鍵解決水電設(shè)施與魚類洄游矛盾上的作用表現(xiàn)在：柱式水輪機是可局部浸水式水輪機，它也可以具有連帶水輪移位法保持移交水體作用功能，可以隨其水輪的轉(zhuǎn)動過程中，以動態(tài)方式同時相對保持住泄流口泄流，并提供為魚類洄游通道。而且因為該型水輪機本來是常態(tài)水流節(jié)點，所以保持流動水體，適合魚類路由習(xí)性，魚類可以由此溯游，所致可以消除主要該處溯魚盲點，避免上溯魚類在水利工程泄流處“聚集”這一可悲情景發(fā)生。該型水輪機過魚道也還特別適用于底游魚類，因為它們對傳統(tǒng)須躍階高度的過魚道并不能適應(yīng)，而也對水壩下游的低水位水平魚的過壩提供了可能，柱形水輪本身的高度化對于魚類翻騰有利，而方式化的水輪以正反轉(zhuǎn)方式也均可。如下圖所示，柱式水輪機過魚道有著很好的光線直達效果，水輪機也盡量通透，可以使包括上面板、中間隔板等自然盡量形成鏤空或透明。柱式水輪機不僅具有是水壩保水性質(zhì)，但其到位的從動力用水而連帶的水流動性維系，是魚適性亮點。

歷來，水利工程一般采用與專設(shè)過魚道分離的方案，其仍然很大程度上呈現(xiàn)為整體違逆魚的溯流習(xí)性方面。顯然是因為魚類本來沒有辦法從水利工程泄流處通過攔壩，水利工程本身可能的魚類洄游死角的存在，給工程與魚類都造成負擔(dān)。其實傳統(tǒng)成功的魚道一般也只適合發(fā)生于本來或即時將魚道本身作為整工程泄流道的情況，但該型過魚道顯然需要常態(tài)性的大量水流支持，而現(xiàn)實中真正的成功范例只能依靠季節(jié)性的洪水；并且即在現(xiàn)實的水電和水利工程方案中卻始終難以回避將需求各工程分部各自作為的局面，不能將過魚道融入其主體工程，所致更大部分的魚群被截流，而無法通過。原因當(dāng)然還在沒有可茲連帶的可行的方案支持，或者說目前過魚設(shè)施對于水工程建設(shè)呈現(xiàn)落伍和不協(xié)調(diào)的狀態(tài)。而且現(xiàn)實中不斷趨高的高壩以及追求水流利用率的情況下，也已經(jīng)與需要大量維持大量放流的魚洄游及其局限高度差的過階梯式魚道的形式成為不可能。

如此一直以來水電及水壩構(gòu)筑所給自然魚類生態(tài)造成的災(zāi)難性矛盾一直存在，沒有完全到位的整合解決方案，在過去的水電或水利技術(shù)中，往往因為工程截流負累而斷絕魚類溯游通道，而且即使礙于環(huán)保，也是工程用途與過魚，各行其道，也不能達到發(fā)電流道或溢洪道與過魚道的統(tǒng)一，但是自由的魚類不會按照交通規(guī)則選擇所給予的另類過魚道，魚撞墻撞機情況反而更加常見。而且現(xiàn)有的水壩過魚技術(shù)條件局限性大，工程浩大卻也往往出現(xiàn)敗象、掛漏現(xiàn)象嚴重，甚至難以擺脫人工介入程度的影響。

“我當(dāng)時不知道他們要到哪里去，只覺得他們惶惶不安。像兩個趕著救火的救火員。后來我知道了他們帶著三個研究生去了葛洲壩，在‘過魚道’前想盡了辦法，長江的魚兒終于沒能懂得人的語言，也看不明白指向‘過魚道’的路標，一條條傻乎乎地停在壩的下游，等著大壩開恩為它們讓條生路?！边@是生物學(xué)家袁傳宓女兒袁勁梅女士在描述她父親生前處理長江葛洲壩電站水壩過魚問題時的艱辛經(jīng)歷，說到為掛念不能解決水壩過魚的問題。

流放式水利用工程方案的特點及成功之處也在于，能實現(xiàn)在常態(tài)水資源利用工程實現(xiàn)當(dāng)中實現(xiàn)常態(tài)性的過魚功能，使功能和生態(tài)效益的同步與諧調(diào)統(tǒng)一，并且實現(xiàn)魚兒過壩不受壩高限制。

2.柱式水輪機是具有專門方式的一種高效水輪機技術(shù)方式。

就水輪機作用來看，該工程方案的柱式水輪機因具有趨小化的周徑以及趨增化的軸長，使水輪更顯長式柱狀的特征，所以以柱式水輪機稱謂。該工程方案的柱式水輪機接近于沖擊式，葉片可以盡量的多，水比沖擊式更要求徑外排或如輪轉(zhuǎn)連帶，其轉(zhuǎn)速取決于沖擊其周切向水流速度。柱式水輪機將具有更整合如水流速的茲高轉(zhuǎn)速，這其中因為其水輪可以比較小，所以在同樣周切向水流速下，其轉(zhuǎn)速會變大。但由于同樣的沖擊式需要通過水輪與水流的沖量動能轉(zhuǎn)換，該工程方案的柱式水輪葉片是板式、輕便的，其質(zhì)量小，動能轉(zhuǎn)換成速率卻更大。所以，該工程方案柱式水輪機有轉(zhuǎn)速加大，提供水輪機發(fā)電效能將更大的優(yōu)點。

柱式水輪機將總力矩可以其軸向倍單元增長分擔(dān)，使其更有效減徑的力矩比增同時，也是因水輪半徑的暨多倍數(shù)減小，水輪機的轉(zhuǎn)速之增大更可暨多倍數(shù)倍增，但因其在同樣的周向速度時，水輪轉(zhuǎn)速可以暨水輪半徑的倍減而成同倍數(shù)增加，這對于只能提供同樣的水流速度的水資源而言，柱式水輪機其水能利用轉(zhuǎn)化功效反而增加（暨可能產(chǎn)生與半徑縮小倍數(shù)成正比的更多倍數(shù)發(fā)電量）。這是柱式水輪提高功效的關(guān)鍵硬性參數(shù)指標。

在同樣水沖流速度下，暨柱式水輪機具有暨水輪周徑減小而轉(zhuǎn)速倍增，大大提高既定法電效能的效果，得到的是“以加減作為可暨乘積功能效果”的作用。它可以提供一種更新的理念，優(yōu)化改進水輪機技術(shù)，在暨全面及大幅提高現(xiàn)有發(fā)電站發(fā)電效能、滿足社會需求情況下，減少暨江河等新資源的開發(fā)力度，達到保護自然生態(tài)環(huán)境的目的。

從設(shè)計理念可以看出，作為柱式水輪機在軸向的增加單元優(yōu)勢比較傳統(tǒng)大徑輪方式，可以在既使接受同等流量，也卻有著體積減少于是減重的作用，其對于須求沖量轉(zhuǎn)化的輪體而論，其需求額度卻可以降低，其須功作為參數(shù)也就明顯降低，何況柱式水輪機需求的流量可以相較小得多，其主要增效點在提現(xiàn)高速比，可以達到節(jié)能提效的功效，這對資源利用校荷低求有利，可以增加或增效資源開發(fā)。

關(guān)鍵是柱式水輪機可具有減徑的方法，暨提速、節(jié)流乃致發(fā)電設(shè)備輕型化的意義，這是與提高沖流速率及其對于水輪機提高轉(zhuǎn)速的關(guān)鍵理念方法意義明確有關(guān)，對如柱式水輪機般亦可節(jié)流增效方法也得到充分的評估。

該工程方案柱式水輪機在從其可暨的各種設(shè)計成形方式的功效也是可以肯定的，它可以的雙支承點無須如軸流式與混流式的軸心偏擺穩(wěn)定相干處理必要，結(jié)構(gòu)工藝性簡單，容易制造；并且該工程方案的柱式水輪機水輪葉片為斜螺旋形，其作用轉(zhuǎn)動穩(wěn)定性也比原沖擊式水輪機要好。而且一定的螺旋角將有助于水輪對沖前水流的下位超前擋壁放水，保持水流流動。

該工程方案柱式水輪機因為其長度但卻有可以實現(xiàn)局部浸水的可行性，其浸水部作為作用功能卻已然淡出了其發(fā)電效能，但作為可茲保水的過魚設(shè)施其卻又有著特別的功用，它實現(xiàn)了常態(tài)下魚類可適性及省力的高壩過魚的可能，并且使過魚位置與工程放水位置整合、又連續(xù)性好，因與柱式水輪機的作用，該型機械輪式過魚道也可以實現(xiàn)自力。由致該工程方案及柱式水輪機也將實現(xiàn)解決工程與生態(tài)保護的統(tǒng)一，這更是前人所未及的。更高效利用水資源以及實現(xiàn)生態(tài)資源保護是該工程方案的要點。

至于柱式水輪機的安裝問題，該工程方案是以實現(xiàn)將其與發(fā)電機等分體的方式進行，水輪可以實現(xiàn)獨立拆裝，這樣可以避免與電房相互干擾，水輪房與電房可以相互獨立，水輪也將可以用與獨立軸承箱活接的方式，實現(xiàn)方便水輪拆裝與分別對軸承潤滑，對于快速的發(fā)電輪與慢速的過魚輪都適用。但作為大型化的發(fā)電水輪機組，可將水輪獨立式進行拆裝還是首創(chuàng)。

因為柱式水輪機的作用速度與水壓關(guān)系密切，蓄能低變化大的河流的水高程變化大，但蓄能低有利于原生態(tài)保護，但也發(fā)生電頻變化大直接輸送問題大的情況，以溢流控制水落差或?qū)Ψ€(wěn)定生產(chǎn)有利，也利于環(huán)保，它與可茲低水位的柱式水輪機可排低層水卻淤一樣、水面排漂流物也同樣重要，皆有流放式的水質(zhì)保持作用意義，它也將不會造成流域污染惡化現(xiàn)象。流放式水利工程方式卻將可以用高效利用水能、降低工程成本與可暨多暨建站進行整和，其效益是可分布和多方面化的，沒有流放式的作為方式的整合，任何單純的效益化要求都可能存在弊端。這與以往方式的茲高筑壩茲高蓄水壟斷式的水電站工作發(fā)展方式，顯然是不一樣的一種具體水電工程運作模式。

階梯式過魚道圖例

關(guān)鍵是作為柱式水輪機，如果其水輪葉片也因為其須要獨特的徑外排水，而表現(xiàn)的具有導(dǎo)流徑外排溢的運行曲線。葉片曲線具有全方位逕直接受沖擊的作用，它是使柱式水輪機水流沖擊葉片效果最佳的方式方法，這在所有的水輪機類型中表現(xiàn)獨樹。它與茲將集流道可以同等分隔后的效果也將事半功倍，水流流速及作用向量提升將更加明顯。

標號說明：1放水閘壩中的水利設(shè)施，2放水閘壩【2】，3集流道【3】，4截攔漂流物的斜擋墻【4】，5集流口【5】，6關(guān)合扇閘【6】，7涌流道【7】，8過流道【8】，9下游出口，10過流道【10】，11階梯坡魚道【11】，12柱式水輪機【12】，13溢流道【13】，14（雙月虧輪）過流道快速機動閘門一閘【14】、15（雙月虧輪）過流道快速機動閘門二閘【15】，16過流道快速機動閘門折合省力拉牽鉸鏈結(jié)構(gòu)【16】，17過流道快速機動閘門雙保鉸鏈結(jié)構(gòu)【17】，18為過流道補水流道【18】，19為集流道【3】清排沉積物用的加深溝【19】，20為集流道獨立過魚道分隔板【20】，21為過魚道【21】，22為泄流道【22】，23為連梁橋，24為魚柵【24】。

二、流放式水利工程方案的過流道及其過魚功能

1.它將保留水壩工程茲后的原生態(tài)及作為所有情況的最終到位恢復(fù)保護措施，它與一般導(dǎo)流渠、過船閘等不同的地方，是它的參屬水流及生態(tài)保護的調(diào)度功能，包括本茲工程方案的溢流道、傳統(tǒng)的過魚道以及上游水程控制線，都必須通過過流道配合來實現(xiàn)，比如傳統(tǒng)過魚道需要間斷性的滿水要求等，安于過流道傳統(tǒng)過魚道將可以得到滿足，過流道可以實現(xiàn)水之對水壩高程的漲落與滿足維系，實現(xiàn)傳統(tǒng)過魚道的茲常態(tài)生態(tài)性功能維系。

2.過流道要求底位化，其補水可以采用直接壩上底水，如此可以實現(xiàn)常態(tài)化庫底水放流。

3.當(dāng)然過流道也可以具有集傳統(tǒng)的水壩泄流閘、導(dǎo)流渠、過船閘的功用。并且其將使水壩橫展性更小，豎展性更高，泄流量同樣可以很大，它避免了傳統(tǒng)泄流道橫亙多排、且只排上面水、不能底排放淤的弊端，上游水更新狀態(tài)將得到根本改觀。過流道可以是多種形式，包括階層延伸式的結(jié)構(gòu)強度會更好，實現(xiàn)各水層、各水位放水的可能性更充裕。

對此，該工程方案中的過流道是很關(guān)鍵的一環(huán)。過流道的設(shè)置會使水壩工程小型化、安全化、功能全面化、暨整流域區(qū)域照顧性更好，形成新常態(tài)，河流生態(tài)也可以有可靠性保證措施。

因此，流放式水利用工程方案對于全面解決魚的過壩問題非常值得期待。它不僅可以實現(xiàn)全流層水循環(huán)優(yōu)化，保持庫區(qū)干凈整潔，避免庫區(qū)呈淤污染，妥善保護好庫區(qū)魚的生態(tài)環(huán)境。而這種將問題扼殺于萌芽狀態(tài)的理念，更是值得肯定與推崇的環(huán)保理念。

[1]高文標,流放式水利用工程方案,CN201410097388.1, E02B9/00(2006.01)I

[2]韋兵，潘贊文，廣西長洲水利樞紐過魚道工程的設(shè)計實踐，道客巴巴，館藏：52585

[3]宋德敬，姜輝，關(guān)長濤，陳慶生，老龍口水利樞紐工程中魚道的設(shè)計研究，S956.3,A,1000-7075(2008)01-0092-06

[4]廣西長洲水電站攔魚導(dǎo)魚電柵和過魚道入口處現(xiàn)場，資料來源：http∶//web.zgny.com.cn/User_Doc/613/Pr oducts/8330/201241818394871616131.html

[5]上莊新閘正式啟用 同時落成北京第一條魚道(圖)，資料來源：http∶//www.ce.cn/bjnews/zhengzhi/gonggao/200612/07/t20061207_9695715.shtml

[6]藏木水電站4公里長魚道正在建設(shè)中，資料來源：http∶//www.chinadaily.com.cn/dfpd/xz/2014-11/26/content_18982545.html

[7]世界海拔最高水電站建中國首條魚道，資料來源：http∶//www.chinadaily.com.cn/dfpd/xz/2014-11/24/content_18967957.html

[8]四川向家壩庫區(qū)死魚死因初步判斷為氨氮超標，資料來源：http∶//sc.sina.com.cn/news/m/2014-07-15/1405230632.html?from=sc_xgbd

[9]生物學(xué)家袁傳宓：長江魚兒洄游的時候我一定要走，資料來源：http∶//www.changjiangtimes.com/2014/01/467791.html

[10]韓國4條主要河流上將建設(shè)33條生態(tài)魚道，資料來源：http∶//liuxue.eol.cn/korean_3300/20090917/t20090917_407961.shtml