嚴(yán)寒地區(qū)高壩過魚設(shè)施布置方案設(shè)計(jì)研究

盧冰華

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

在當(dāng)前提倡人與自然和諧發(fā)展的大前提下，水利工程促進(jìn)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、充分利用水能資源的同時(shí)，對水生生態(tài)環(huán)境也產(chǎn)生了不可忽視的影響[1- 2，13]。以魚類資源保護(hù)和河流生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)為目的的過魚建筑物受到了廣泛關(guān)注[3]。目前，水利工程中的過魚設(shè)施主要有魚道、升魚機(jī)、魚閘等。各種類型的過魚設(shè)施均有一定的應(yīng)用條件，在特定的水資源利用過程中體現(xiàn)出特有的優(yōu)勢。魚道一般應(yīng)用于低水頭水工建筑物過魚，高壩過魚設(shè)施主要有魚閘、升魚機(jī)和集運(yùn)魚系統(tǒng)等幾種類型[4]。升魚機(jī)在法國、美國和巴西比較常見[5]。我國升魚機(jī)的研究尚處于起步階段，本文結(jié)合工程地形地質(zhì)特點(diǎn)，采用升魚機(jī)過魚設(shè)施，對其誘魚、集魚、水平運(yùn)輸、升魚機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討。

1 工程概況

本工程開發(fā)任務(wù)是調(diào)節(jié)控制斷面徑流，具有灌溉和發(fā)電等綜合效益。大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高96m。壩址區(qū)氣候條件比較惡劣，夏季炎熱，冬季嚴(yán)寒，多年平均氣溫為5.0℃，極端最高氣溫39.4℃，極端最低氣溫-41.2℃。

大壩建成以后，將破壞原有的生態(tài)環(huán)境，改變庫區(qū)及下游局部河段原有的水文條件，阻斷洄游性魚類、半洄游性魚類上溯通道，為了減少工程的不利影響，保護(hù)該流域魚類資源，維護(hù)和恢復(fù)區(qū)域的生物多樣性[6,14]，并根據(jù)SL 609—2013《水利水電工程魚道設(shè)計(jì)導(dǎo)則》，應(yīng)修建相應(yīng)的過魚設(shè)施，以便更好地發(fā)揮工程的生態(tài)效益，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

2 設(shè)計(jì)思路

針對該河流及本工程的特點(diǎn)，以及高壩過魚設(shè)施的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，設(shè)計(jì)先后完成了一些前期基礎(chǔ)性研究成果[7]。

過魚設(shè)施工程設(shè)計(jì)技術(shù)路線如下：魚類資源、生態(tài)習(xí)性調(diào)查→過魚目標(biāo)確定→魚類行為學(xué)研究→工程分析→現(xiàn)場踏勘→過魚方案設(shè)計(jì)→方案論證→工藝設(shè)計(jì)→模型試驗(yàn)→運(yùn)行→監(jiān)測、評價(jià)。

3 研究結(jié)果

3.1 過魚對象

根據(jù)水產(chǎn)科研的調(diào)查結(jié)果，并參考文獻(xiàn)資料，該河段共有魚類15種，其中土著魚類13種、非土著魚類2種。有3種魚為珍稀魚類[8]。結(jié)合工程所處河段的魚類分布、魚類洄游特性以及魚類的保護(hù)價(jià)值，確定過魚對象見表1。

表1 過魚對象選擇表

3.2 過魚季節(jié)

具有生殖洄游習(xí)性的魚類，每年初春解凍即頂水上溯游至河上游河道流速較高的河段產(chǎn)卵繁殖，其產(chǎn)卵季節(jié)為4—7月，因此，確定過魚設(shè)施的主要過魚季節(jié)為每年的4—7月。

3.3 魚類游泳能力研究結(jié)論

為了掌握升魚機(jī)集誘魚系統(tǒng)吸引水流流速，系統(tǒng)坡度等參數(shù)，對該河道進(jìn)行了水生生態(tài)專題研究和土著魚類游泳能力測試研究。

3.3.1 過魚設(shè)施最大流速

過魚斷面流速主要參考魚類突進(jìn)速度。突進(jìn)游速中，根據(jù)游泳速度測試值的排序和分析，限制值取魚種的1.09～1.52m/s，50%的魚種突進(jìn)速度大于1.26m/s。

考慮本次過魚目標(biāo)以0.10～0.50m的個(gè)體為主，且主要為中底層魚類，因此過魚設(shè)施流速設(shè)計(jì)的邊界條件為保證過魚孔近底邊壁有0.2～0.25m的低流速區(qū)域，此區(qū)域流速在1.09～1.26m/s的范圍內(nèi)，其余高流速區(qū)流速可適當(dāng)放大至1.5～1.6m/s。

3.3.2 過魚設(shè)施進(jìn)口流速

對于魚類，一般最佳的誘魚流速范圍為臨界游速和突進(jìn)游速之間。根據(jù)測試結(jié)果，進(jìn)口流速范圍為0.8～1.5m/s。特殊水情下可采取相應(yīng)的補(bǔ)水措施以提高進(jìn)口效率，補(bǔ)水流量可根據(jù)實(shí)際情況盡量選取低噪音、大流量、影響范圍較大的水流。

3.3.3 出口流速

過魚通道出口流速建議大于魚的感應(yīng)流速，且在持續(xù)游泳速度范圍內(nèi)，根據(jù)測試結(jié)果出口設(shè)置在流速為0.20～0.61m/s的水域。

3.3.4 過魚設(shè)施主體結(jié)構(gòu)流速

根據(jù)測試結(jié)果和國內(nèi)外研究成果，持續(xù)游泳速度在80%臨界速度附近，綜合考慮過魚設(shè)施平均流速取值范圍為0.61～0.70m/s。

4 過魚設(shè)施設(shè)計(jì)重點(diǎn)

4.1 過魚設(shè)施總體布置

根據(jù)工程地形地貌和建筑物布置情況，因地制宜，選用合適的工程措施，來滿足魚類回游過壩的需求，達(dá)到保護(hù)河道魚類資源的目的。

生態(tài)過魚設(shè)施重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面：

(1)能較好的適應(yīng)運(yùn)魚期水庫水位變動的需要。

(2)解決被保護(hù)魚類游泳能力不強(qiáng)不能連續(xù)通過較長過魚通道的問題。

(3)不涉及主體工程，安全、運(yùn)行可靠，工程布置、建設(shè)難度較低，投資較少。

過魚設(shè)施方案為由廠房尾水直接誘魚，通過水平運(yùn)輸及垂直提升過壩方案。在廠房尾水處平行廠房尾水依次布置泵房、消能井、升魚機(jī)、集魚池、魚道。為了提高誘魚效果，將魚道平分為橫向魚道、縱向魚道，其中橫向魚道與廠房尾水垂直銜接，縱向魚道與河床銜接。運(yùn)行期間，通過魚道將魚類誘入集魚池內(nèi)，通過柵欄將魚推入升魚機(jī)提升斗內(nèi)并提升一定高度，通過水平運(yùn)輸至壩下，然后垂直提升過壩。魚道總體布置如圖1所示。

4.2 誘魚、集魚設(shè)施設(shè)計(jì)

廠房尾水的集魚池距壩軸線約470m，電站尾水與下游河段相連，是工程中與壩軸線最近水域，該點(diǎn)可作為起始的誘魚、集魚點(diǎn)，采用捕撈后機(jī)械提升、運(yùn)輸、投魚入水的方法，實(shí)現(xiàn)運(yùn)魚過壩的目的。

集誘魚設(shè)施流速按照魚類持續(xù)游泳速度確定，根據(jù)過魚對象游泳能力測試結(jié)果，持續(xù)游泳速度在80%臨界速度附近，則過魚設(shè)施平均流速取值范圍為0.61～0.70m/s。考慮到本工程集誘魚設(shè)施為一整體，誘魚水流來自于整個(gè)集魚系統(tǒng)供水水源，因此，為滿足誘魚需要，集誘魚系統(tǒng)流速按照誘魚流速控制，符合0.8～1.5m/s間流速即可。結(jié)合供水方式，魚道設(shè)計(jì)流速為0.8～1.2m/s。

魚道供水方式選擇為從廠房尾水泵水的方式。具體為：在廠房尾水左側(cè)、集魚室上游設(shè)置水泵室，共設(shè)3臺水泵，采用變頻水泵，2用1備。水流經(jīng)水泵首先進(jìn)入消能井，效能后的平緩水流進(jìn)入集魚池。魚道設(shè)計(jì)流速為0.8～1.2m/s，滿足誘魚水流流速要求。

誘魚集魚設(shè)施布置在廠房尾水左側(cè)，與尾水緊鄰。集魚池水深2.5m，流速1.0m/s。根據(jù)國內(nèi)外魚道設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，廠房尾水往往具有誘魚效果，洄游魚類往往在廠房尾水處匯集，因此，將誘魚道進(jìn)口設(shè)置在廠房尾水已被國內(nèi)外魚道設(shè)計(jì)中廣泛采用。

在廠房尾水處平行尾水布置供水誘魚集魚設(shè)施，包括消能井、集魚池、魚道，廠房尾水設(shè)置三臺泵(兩用一備)，消能井、升魚機(jī)、集魚池依次布置，集魚池至魚道平分成兩個(gè)魚道，魚道寬均為1m，橫向魚道與廠房尾水垂直銜接，縱向魚道與河床銜接。誘魚道水流流速為0.8～1.2m/s，滿足誘魚對水流流速要求。

圖1 過魚設(shè)施系統(tǒng)總體布置示意圖

集魚池位于誘魚道末端，布置在尾水渠左側(cè)，設(shè)置有透水板，移動式集魚柵，通過移動式集魚柵的移動，將集魚池內(nèi)的魚趕至停放于集魚池下部坑道的集魚斗上方，通過集魚斗的提升，將魚集中至集魚斗內(nèi)，通過集魚斗的吊運(yùn)讓魚過壩。

目前國內(nèi)尚無升魚機(jī)系統(tǒng)工程實(shí)例，為此，本工程進(jìn)行了考察，根據(jù)考察結(jié)果且結(jié)合本工程過魚對象體長等因素，綜合確定提魚斗尺寸，提魚斗又稱集魚斗，是將魚通過升魚機(jī)運(yùn)輸至上游的容器[9]。提魚斗設(shè)置1臺，容量約2.8m3。集魚斗上設(shè)置有蓋板、翻板門、氣壓站、氣壓缸、無線發(fā)送及接受裝置。集魚斗底部帶斜坡，斜坡按上游壩面控制，即當(dāng)集魚斗沿上游壩面傾斜時(shí)，其底部斜坡為9°，保證集魚斗放魚順暢，斗內(nèi)保持清潔。集魚斗上游底部設(shè)置有翻板門，作為放魚通道，翻板門采用氣動式氣壓啟閉機(jī)操作。氣動式氣壓啟閉機(jī)的控制系統(tǒng)必要時(shí)可兼做給集魚斗內(nèi)的水體補(bǔ)氣的作用，當(dāng)做補(bǔ)氧設(shè)備使用。

4.3 運(yùn)輸方案設(shè)計(jì)

4.3.1 水平運(yùn)輸設(shè)施設(shè)計(jì)

從有利工程布置和保障工程運(yùn)行安全的角度，并結(jié)合運(yùn)魚效率、后期運(yùn)行管理等因素，運(yùn)輸方式采用軌道右岸運(yùn)輸方案。

水平運(yùn)輸小車的作用是將提魚斗從集魚池水平轉(zhuǎn)運(yùn)至壩下。小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)由4個(gè)輪子組成，其中主動車輪2個(gè)，從動車輪2個(gè)。小車車體上設(shè)置轉(zhuǎn)運(yùn)平臺，轉(zhuǎn)運(yùn)平臺上設(shè)置限位裝置，能將提魚斗可靠固定于小車上，防止提魚斗在風(fēng)荷載或轉(zhuǎn)彎時(shí)離心力作用下傾覆。小車采用可編程序控制器控制，并能將各傳感器采集的電流、電壓、轉(zhuǎn)速、荷載、位置等監(jiān)控信號通過無線通訊裝置發(fā)送至中控室。小車軌道兩端設(shè)置緩沖阻進(jìn)器，并設(shè)有終端限位保護(hù)。采用蓄電池供電，當(dāng)小車行走至軌道兩端，利用等待下一工作循環(huán)的時(shí)間間隔充電。

為滿足工程交通、工程維修要求，水平運(yùn)輸采用架空結(jié)構(gòu)，在集魚池和拱壩之間設(shè)置凈高5.0m的鋼筋混凝土排架柱。

4.3.2 垂直運(yùn)輸設(shè)施設(shè)計(jì)

垂直運(yùn)輸設(shè)備布置于集魚池和壩頂。分別設(shè)置橋式起重機(jī)和臺車式起重機(jī)各1臺。

(1)集魚池垂直運(yùn)輸

設(shè)置于集魚池上部的橋式起重機(jī)，主要作用是將提魚斗從集魚池垂直提升，將提魚斗放置在轉(zhuǎn)運(yùn)小車上，如圖2所示。起升機(jī)構(gòu)在集魚池中的起升速度約為2m/min，其它位置起升速度約為20m/min，采用變頻調(diào)速裝置調(diào)節(jié)。

圖2 集魚池垂直運(yùn)輸系統(tǒng)示意圖

(2)過壩垂直運(yùn)輸

設(shè)置于壩頂?shù)呐_車式起重機(jī)，其作用是將提魚斗從壩下垂直提升至壩頂，并水平轉(zhuǎn)運(yùn)至投魚點(diǎn)，降下提魚斗至水中設(shè)定的深度，如圖3所示。揚(yáng)程約為70m。通過可編程序控制器控制。起升機(jī)構(gòu)提升速度約為20m/min，水平行走速度約為40m/min。為防止提魚斗從壩下至壩頂提升過程中受風(fēng)力影響，自壩底至壩頂，設(shè)置鋼架導(dǎo)向裝置。臺車式起重機(jī)設(shè)置行程開關(guān)，大車行走超過設(shè)定的行程后，自動停機(jī)。

4.4 投魚點(diǎn)選擇

本工程升魚機(jī)選擇在近壩庫區(qū)投放魚類?？紤]到魚類投放點(diǎn)需要一定的水流速，由于庫區(qū)內(nèi)水流速度很小，幾乎靜止，魚類沒有水流引導(dǎo)可能會迷失方向，因此魚類投放點(diǎn)不宜設(shè)置在庫區(qū)。同時(shí)，投魚點(diǎn)不能距離泄水建筑物進(jìn)口過近，避免投放魚類因水流速度過大而再次進(jìn)入泄水建筑物。

根據(jù)樞紐布置及運(yùn)行期壩前水流特性，投放點(diǎn)可選在靠近發(fā)電洞進(jìn)口附近的位置，發(fā)電洞運(yùn)行期水流流速小于0.9m/s，小于被保護(hù)魚類的巡航流速，既滿足魚類感應(yīng)流速要求，投放的魚類也不會被高速水流帶至下游。

4.5 觀測設(shè)備及觀測點(diǎn)選擇

針對洄游魚所需要的水流條件和回溯時(shí)間的要求，過魚設(shè)施觀測系統(tǒng)已成為過魚設(shè)施設(shè)計(jì)中重要組成部分，其承擔(dān)著對保護(hù)魚類的數(shù)量、種類進(jìn)行分類監(jiān)測的功能，同時(shí)，為有效的評價(jià)過魚設(shè)施的運(yùn)行效果提供科學(xué)依據(jù)[10]。

選擇具有故障率低、技術(shù)成熟可靠、便于維護(hù)和具備各種過魚設(shè)施類型行自動監(jiān)測要求的觀測系統(tǒng)。

監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在誘魚集魚通道內(nèi)。如此，可提前監(jiān)測到是否有魚類進(jìn)入通道，另外，魚道自動運(yùn)行時(shí)無論運(yùn)魚斗內(nèi)是否有魚均會提升過壩，而提前監(jiān)測是否有魚可避免過魚系統(tǒng)空轉(zhuǎn)，耗費(fèi)大量的人力、物力。因此，監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在誘魚集魚通道內(nèi)。

5 結(jié)語

我國升魚機(jī)系統(tǒng)的研究尚處于起步階段，目前國內(nèi)尚無升魚機(jī)系統(tǒng)工程實(shí)例。本工程過魚設(shè)施系統(tǒng)建設(shè)已經(jīng)接近尾聲，期待其運(yùn)行情況和效果。

各種類型的過魚設(shè)施在水資源利用過程中均有特定的優(yōu)勢，在各種過魚設(shè)施中，升魚機(jī)有其獨(dú)特的定位和功能，對我國水電開發(fā)，尤其在中、高水頭及梯級水工建筑物的建設(shè)和運(yùn)行管理等方面，魚類過壩及保護(hù)可發(fā)揮重要作用。同時(shí)，本工程升魚機(jī)系統(tǒng)對促進(jìn)我國高水頭水工建筑物過魚工程設(shè)計(jì)工作的技術(shù)進(jìn)步具有深遠(yuǎn)的意義，以期為水生態(tài)環(huán)境體系的發(fā)展提供有益借鑒[14- 15]。

圖3 過壩垂直運(yùn)輸系統(tǒng)示意圖