小石峽水電站集運(yùn)魚系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

寇曉梅，萬 帆，王 琪，周 琳，陳 浩，李厚峰

（1.中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065；2.陜西省“四主體一聯(lián)合”河湖生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)校企聯(lián)合研究中心，西安 710065；3.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，西安 710024）

集運(yùn)魚系統(tǒng)是過魚設(shè)施的一種， 是通過人工集魚和運(yùn)輸手段實(shí)現(xiàn)魚類過壩的措施， 該措施具有適應(yīng)性強(qiáng)、易于布置、運(yùn)行靈活等特點(diǎn)［1］，適應(yīng)新建的中高壩工程， 以及已建工程補(bǔ)建過魚設(shè)施等情形。國外在美國哥倫比亞河、蛇河、貝克河等水庫工程建設(shè)了集運(yùn)魚系統(tǒng)［2］，主要用于庫區(qū)下行過魚；國內(nèi)在烏江彭水水電站、北盤江馬馬崖水電站、金沙江龍開口水電站、 南盤江馬嶺水利樞紐工程等建設(shè)了上行集運(yùn)魚系統(tǒng)［3］。 本文以新疆小石峽水電站為例，開展集運(yùn)魚系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究， 以期為類似工程設(shè)計(jì)研究提供參考。

1 工程概況

小石峽水電站位于阿克蘇河支流庫瑪拉克河上，河流呈南北走向，平均比降1.62%，多年平均流量154m3/s，目前河流上已建成小石峽水電站、協(xié)合拉水利樞紐、塔尕克電站、吐木秀克水電站，小石峽水電站上游的大石峽水利樞紐正在建設(shè)中。

小石峽水電站為徑流式電站， 工程由混凝土面板堆石壩、表孔溢洪道、深孔泄洪洞、發(fā)電引水洞及岸邊式電站廠房組成，最大壩高61.3m。 水庫正常蓄水位1480m，死水位1478m，調(diào)節(jié)庫容590萬m3，具有日調(diào)節(jié)能力。 電站裝機(jī)容量137.5MW，工程已于2012年投產(chǎn)發(fā)電。

根據(jù)《中華人民共和國水法》、《中華人民共和國漁業(yè)法》等相關(guān)規(guī)定，在河流上修建永久攔河閘壩，對(duì)漁業(yè)資源有嚴(yán)重影響時(shí)，應(yīng)當(dāng)建設(shè)過魚設(shè)施。2016年在大石峽水利樞紐項(xiàng)目論證中提出， 為恢復(fù)庫瑪拉克河連通性， 小石峽水電站和協(xié)合拉水利樞紐分別補(bǔ)建過魚設(shè)施，結(jié)合大石峽水利樞紐魚類增殖站，形成魚類保護(hù)綜合體系， 對(duì)保護(hù)庫瑪拉克河特有魚類、維護(hù)河流生物遺傳多樣性發(fā)揮積極作用。

小石峽水電站最大壩高61.3m，屬中高壩，結(jié)合樞紐布置、運(yùn)行方式及工程安全等因素，經(jīng)過方案比選，提出在小石峽水庫壩下補(bǔ)建集運(yùn)魚系統(tǒng)，緩解已建小石峽及擬建大石峽兩座大壩對(duì)河流魚類的阻隔影響。

2 過魚目標(biāo)

2.1 河段魚類資源調(diào)查

工程所在的庫瑪拉克河段屬典型山谷性河流，河流縱向比降大，水流湍急，年平均水溫較低，魚類組成以裂腹魚和高原鰍類為主， 屬典型的高原魚類區(qū)系。根據(jù)實(shí)際調(diào)查及歷史調(diào)查成果，工程所在河段主要魚類有塔里木裂腹魚、 寬口裂腹魚、 厚唇裂腹魚、重唇裂腹魚、斑重唇魚、葉爾羌高原鰍、長身高原鰍等7種，其中塔里木裂腹魚和斑重唇魚被列入《新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)保護(hù)水生野生動(dòng)物名錄》，保護(hù)級(jí)別為自治區(qū)Ⅱ級(jí)。

2.2 過魚對(duì)象

綜合考慮河段過魚需求和過魚價(jià)值， 結(jié)合工程對(duì)魚類產(chǎn)生的影響及魚類資源調(diào)查結(jié)果， 確定集運(yùn)魚系統(tǒng)主要過魚對(duì)象為自治區(qū)Ⅱ級(jí)保護(hù)魚類——塔里木裂腹魚和斑重唇魚， 以及具有短距離洄游特性的寬口裂腹魚、厚唇裂腹魚、重唇裂腹魚，兼顧過魚對(duì)象為河段土著魚類——葉爾羌高原鰍和長身高原鰍。除重唇裂腹魚主要產(chǎn)卵季節(jié)為6—8月外，其他魚類的主要產(chǎn)卵季節(jié)均為5—7月， 故確定集運(yùn)魚系統(tǒng)主要過魚時(shí)段為5—8月。 綜合考慮調(diào)查的漁獲物及其性成熟規(guī)格，確定集運(yùn)魚系統(tǒng)過魚對(duì)象規(guī)格為80～350mm。

根據(jù)對(duì)庫瑪拉克河土著魚類游泳能力測(cè)試結(jié)果，確定誘魚口的流速在0.6～1.15m/s；集魚通道內(nèi)流速在0.25～0.60m/s，特殊工況下，如豐水年豐水期水量較大時(shí)，集魚通道內(nèi)最大流速不超過0.8m/s。

3 集運(yùn)魚系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

3.1 系統(tǒng)型式

考慮小石峽水電站為已建成工程， 且壩高超過60m，從與電站樞紐建筑物布置、地形地質(zhì)條件及不影響工程安全、河道行洪等因素分析，選用合理可行的結(jié)構(gòu)型式。小石峽水電站誘魚水位變幅相對(duì)小，且魚類聚集點(diǎn)較為集中， 因此選擇可連續(xù)集魚的固定式集魚設(shè)施［4］。

3.2 工藝設(shè)計(jì)

3.2.1 集魚系統(tǒng)

（1）誘魚口工藝。影響魚類進(jìn)入誘魚口的因素較多，其中關(guān)鍵性的因素主要包括流速、水深等。 在進(jìn)行誘魚口設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)多種流速分布的情況，以滿足不同魚類、 不同季節(jié)均能夠成功被發(fā)現(xiàn)并進(jìn)入。 結(jié)合河段魚類特征， 確定誘魚口水深不小于1.0m，基本上是河段最大魚類體高的2倍；類比同類工程，確定誘魚口的開口寬度不小于2m。

（2）集魚通道工藝。集魚通道的主要功能是將進(jìn)入進(jìn)魚口的魚類暫時(shí)保存在通道內(nèi)。 集魚通道采用敞開式，通道寬度要求大于最大過魚體長2倍，一般為2～5m。 通道長度應(yīng)既能容納一定數(shù)量的魚類長時(shí)間停留，同時(shí)集魚通道中應(yīng)具有一定的流速。

（3）集魚斗工藝。目前普遍使用的集魚斗結(jié)構(gòu)主要有自帶防逃籠型和沉底式兩種類型。 沉底式提升箱不易對(duì)魚類造成傷害，且過魚數(shù)量多、規(guī)格大、種類多，且滿足過魚周期長的特點(diǎn)，小石峽水電站確定采用沉底式提升箱。

（4）拖曳格柵工藝。 拖曳格柵是將集魚通道內(nèi)魚類驅(qū)趕進(jìn)集魚斗的設(shè)施。為防止魚類逃出，柵格規(guī)格為2cm（高）×20cm（寬）。 對(duì)拖曳格柵與集魚通道間較大空隙設(shè)置毛刷樣結(jié)構(gòu)，防止魚類逃逸。

（5）接底設(shè)施工藝。為消除誘魚口進(jìn)口底板高程與河床存在的高程差， 考慮在進(jìn)口處設(shè)混凝土澆筑或拋石處理的接底設(shè)施，增加糙率并模擬自然底質(zhì)。

3.2.2 運(yùn)魚系統(tǒng)

常用轉(zhuǎn)運(yùn)方式主要有軌道轉(zhuǎn)運(yùn)、 水道轉(zhuǎn)運(yùn)和運(yùn)魚車轉(zhuǎn)運(yùn)。 小石峽水電站不具備軌道轉(zhuǎn)運(yùn)和水道轉(zhuǎn)運(yùn)的條件，故選擇運(yùn)魚車轉(zhuǎn)運(yùn)。

（1）運(yùn)魚車工藝。運(yùn)魚車轉(zhuǎn)運(yùn)是將魚類誘集到運(yùn)魚箱后轉(zhuǎn)至專門的運(yùn)魚車， 運(yùn)魚車需配備在線監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)輸過程中水質(zhì)變化和魚箱內(nèi)情況，為保證過魚能力， 需配備兩臺(tái)活魚運(yùn)輸車， 一備一用，充氧水運(yùn)輸時(shí)間一般控制在40h內(nèi)。

（2）運(yùn)魚箱工藝。 考慮設(shè)備投資及運(yùn)輸效率，運(yùn)魚箱應(yīng)選擇適中大小。 為保證箱體中水質(zhì)達(dá)到運(yùn)輸要求，運(yùn)魚箱中需設(shè)有魚類維生系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括控溫系統(tǒng)、充氧系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及砂濾系統(tǒng)。

3.2.3 放流系統(tǒng)

放流系統(tǒng)由放流平臺(tái)、 魚類運(yùn)輸暫養(yǎng)系統(tǒng)等組成。由于已配備轉(zhuǎn)運(yùn)車及運(yùn)魚箱維生系統(tǒng)，故不設(shè)置魚類運(yùn)輸暫養(yǎng)系統(tǒng)。

（1）放流點(diǎn)工藝。 應(yīng)選擇在河勢(shì)相對(duì)平緩、有一定水流指引、方便運(yùn)輸和放流操作的河段，同時(shí)應(yīng)避開人為干擾、水質(zhì)污染的水域。

（2）放流設(shè)施工藝。 魚類轉(zhuǎn)運(yùn)至放流區(qū)域后，需要將魚放流至其適宜水域，一般采用滑道形式，滑道必須光滑，而且橫截面最好為圓形，以減少魚類放流過程中受到傷害，為了防止魚受傷或受驚嚇，卸魚和接受水面間的落差高度不應(yīng)超過5m。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3.1 集魚系統(tǒng)

小石峽水電站集魚建筑物布置于尾水渠末端下游約50m河床左岸，順?biāo)鞣较虿贾谩?誘魚系統(tǒng)建筑物主要包括引渠段、消能段、集魚斗段、駐留池段、誘魚口段、閘門控制室、集魚室、趕魚控制室、分揀觀察室、轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)等，主要設(shè)備為流量控制閘門、攔魚柵、集魚斗和趕魚柵、流速控制閘門等。

集魚建筑物底板高程與尾水渠末端底板高程一致，邊墻頂高程與尾水渠末端護(hù)坡頂高程一致。集魚建筑物體型尺寸為：長60m、底板內(nèi)寬3m、兩側(cè)邊墻高5.84m。 其中引渠段長15.5m，消能段長度為18.3m，集魚斗段長度為3.2m，駐留池段長度為13m，誘魚口長度為10m。流量控制閘門啟閉機(jī)室布置于集魚建筑物流量控制閘門上方，尺寸為5m×7m，高4m，內(nèi)部安裝固定卷揚(yáng)機(jī)。 攔魚柵啟閉機(jī)室布置于集魚建筑物消能段的上方，尺寸為6.5m×7m，高4m，內(nèi)部安裝固定卷揚(yáng)機(jī)。 捕魚室布置于集魚建筑物集魚斗池室上方，尺寸為7m×7m，高4m，內(nèi)部安裝固定卷揚(yáng)機(jī)。分揀觀察室布置在捕魚室左側(cè)，尺寸為7m×7m，高4m，內(nèi)設(shè)玻璃觀察窗。 趕魚柵啟閉機(jī)室布置在集魚建筑物駐留池段末端上方，尺寸為5m×7m，高4m，內(nèi)部安裝固定卷揚(yáng)機(jī)。 流速控制閘門室布置于建筑物流速控制閘門左側(cè)上方，尺寸為6m×6m，高4m，內(nèi)部安裝固定卷揚(yáng)機(jī)。 小石峽集魚系統(tǒng)布置如圖1。

圖1 小石峽集魚系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置

3.3.2 轉(zhuǎn)運(yùn)及放流系統(tǒng)

運(yùn)魚箱內(nèi)腔尺寸為2m×2m×1m （長×寬×高），滿載自重約10t。 運(yùn)魚箱為焊接鋼結(jié)構(gòu)封閉式容器，集成供氧、流水系統(tǒng)；頂部設(shè)有400mm×400mm的進(jìn)魚口，可以自動(dòng)啟閉；側(cè)部設(shè)有Φ300mm的放魚口，以便將魚卸于放流系統(tǒng)溜槽上。 運(yùn)魚路線起點(diǎn)為小石峽壩址處， 終點(diǎn)為鐵米爾蘇河放流碼頭， 總長度46.84km，其中新建專用公路的長約4.34km。 小石峽放流系統(tǒng)布置如圖2。

圖2 小石峽放流系統(tǒng)布置

4 集魚系統(tǒng)模型試驗(yàn)

4.1 模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)工況

為合理確定誘魚口位置， 構(gòu)建壩下河道流場模型（比例尺為1∶50），分析壩下游河道的流場分布情況；同時(shí)通過1∶5比例尺集魚系統(tǒng)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬， 驗(yàn)證集魚系統(tǒng)建筑物進(jìn)口水力學(xué)條件是否滿足誘魚的控制參數(shù)要求。 試驗(yàn)工況如表1。

表1 試驗(yàn)工況

4.2 壩下河道流場試驗(yàn)結(jié)果分析

模型試驗(yàn)對(duì)不同尾水出口流量工況下壩下游天然河道流場進(jìn)行了測(cè)量分析，結(jié)果表明，擬定布置的方案河道主流偏向于左側(cè)， 左岸邊與主流較大流速之間存在滿足魚類上溯的貫穿性通道， 集魚槽所在河道左岸近岸區(qū)適合過魚對(duì)象上溯。小流量（生態(tài)流量）時(shí)誘魚口附近流速偏小，須調(diào)節(jié)集魚槽流速控制閘門門縫開度，增大誘魚口局部流速，使其與周圍環(huán)境水流形成明顯的流速梯度， 吸引魚類進(jìn)入集魚建筑物。 機(jī)組發(fā)電工況，引渠工作閘門全開條件下，誘魚口附近流速值滿足0.63～1.15m/s范圍的要求。 洪水工況，誘魚口附近流速大于1.15m/s，須通過調(diào)節(jié)集魚槽水量控制閘門和其他工程措施， 改善集魚槽進(jìn)魚口水流條件，形成適合魚類上溯的進(jìn)口水流條件。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明， 誘魚口下游較長河段左岸邊水流流速滿足魚類上溯要求，且集魚槽下游水流平順，適合布置集魚設(shè)施。

4.3 集魚系統(tǒng)模型試驗(yàn)結(jié)果分析

結(jié)合集魚建筑物整體水工模型試驗(yàn)成果， 通過單體模型試驗(yàn)對(duì)小流量（生態(tài)流量）時(shí)的水流條件控制進(jìn)行了分析。比較補(bǔ)水方案和不補(bǔ)水方案，提出誘魚口設(shè)置“一字門”的改善措施，利用集魚槽上下游天然水位差，調(diào)節(jié)一字門門縫開度，增大誘魚口局部流速，使其與周圍環(huán)境水流形成明顯的流速梯度，以吸引魚類進(jìn)入集魚建筑物。生態(tài)流量下，進(jìn)魚口控制閘門門縫寬度在0.34～0.83m之間即可滿足誘魚流速0.63～1.15m/s的要求， 且誘魚口存在誘魚流速梯度。各工況下駐留池流速小， 可保障魚類在其內(nèi)活動(dòng)時(shí)有較好的舒適性。 不同門縫寬條件下集魚槽內(nèi)流速分布如圖3、圖4。

圖3 生態(tài)流量時(shí)集魚槽內(nèi)流速分布（門縫寬0.83m，控制流速0.63m/s）

圖4 生態(tài)流量時(shí)集魚槽內(nèi)流速分布（門縫寬0.34m，控制流速1.15m/s）

5 結(jié)語

（1）集運(yùn)魚系統(tǒng)建設(shè)是一種被動(dòng)的過魚方式，但其具有適應(yīng)中高壩、易于布置、運(yùn)行靈活等特點(diǎn)，具有較好的推廣應(yīng)用前景。 以新疆庫瑪拉克河小石峽水電站集運(yùn)魚系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例， 介紹了集運(yùn)魚系統(tǒng)工作基礎(chǔ)、工藝設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、水工模型試驗(yàn)等，為類似工程過魚設(shè)施設(shè)計(jì)提供借鑒。

（2）由于我國集運(yùn)魚系統(tǒng)建設(shè)還處于起步階段，彭水水電站、馬馬崖水電站、龍開口水電站、馬嶺水利樞紐等水利水電工程已建成集運(yùn)魚系統(tǒng)， 但因時(shí)間短，長系列過魚效果監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還不充分，建議今后應(yīng)持續(xù)關(guān)注效果監(jiān)測(cè)評(píng)估， 以此作為系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行和工程優(yōu)化改進(jìn)的基礎(chǔ)。同時(shí)，還應(yīng)加強(qiáng)魚類行為學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)研究，為誘魚、集魚、運(yùn)魚提供技術(shù)支撐，提高過魚效果，為恢復(fù)和改善河流生態(tài)系統(tǒng)完整性、多樣性發(fā)揮積極作用。