不同類型過魚設(shè)施特點(diǎn)及適應(yīng)性研究

欒 麗，彭 艷，何 濤，彭翠華，李 雪

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 611130)

0 引 言

水電工程建設(shè)與運(yùn)行在防洪、發(fā)電、航運(yùn)等方面發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，但工程阻隔導(dǎo)致的河流連通性受損、生境條件改變、生態(tài)環(huán)境負(fù)效應(yīng)。過魚設(shè)施作為筑壩河流上下游的連接通道，旨在協(xié)助魚類洄游、促進(jìn)上下游水生物基因交流、保持河流連通性。國際上，過魚設(shè)施研究已經(jīng)有350余年歷史，并不斷根據(jù)目標(biāo)對象、工程及河流特性等差異，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的多樣化和應(yīng)用的屬地化[1]。但是，國外以強(qiáng)洄游習(xí)性魚類(如鮭科)為目標(biāo)的過魚設(shè)施研究的技術(shù)成果及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對國內(nèi)弱洄游習(xí)性種類(如鯉科)的借鑒有限[2- 4]。

實(shí)踐證明，過魚設(shè)施可以輔助魚類上行或下行(即通過大壩造成的物理阻隔)，從而有助于維護(hù)流域生態(tài)平衡。修建魚道、仿自然通道、升魚機(jī)、集運(yùn)魚系統(tǒng)等過魚設(shè)施是一項(xiàng)十分重要的生態(tài)工程修復(fù)措施[5]。過魚設(shè)施是大壩上下游的連接通道，在魚類洄游、促進(jìn)上下游種群和基因交流等方面發(fā)揮了重要作用。過魚設(shè)施的有效運(yùn)行是保護(hù)河流縱向連通性的重要手段之一，對減緩大壩阻隔影響、恢復(fù)魚類洄游通道十分重要[6-7]。它是一個(gè)集魚類生態(tài)學(xué)、行為學(xué)、水力學(xué)、水工學(xué)的多學(xué)科交叉研究課題。目前，國內(nèi)過魚設(shè)施研究由于“資歷淺”、“經(jīng)歷坎坷”、目標(biāo)性不強(qiáng)等，導(dǎo)致在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、過魚設(shè)施類型選擇等關(guān)鍵環(huán)節(jié)缺乏有效的技術(shù)支撐。需要研究的主要問題是：①中低水頭閘壩魚道設(shè)計(jì)建設(shè)的魚類生物學(xué)與生態(tài)學(xué)依據(jù)；②高水頭大壩的過魚技術(shù)；③河流嚴(yán)重梯級開發(fā)背景下的魚類洄游通道恢復(fù)的布局優(yōu)化與決策支撐；④相關(guān)規(guī)定大多只有原則性要求，在技術(shù)層面未明確過魚方案選擇依據(jù)。壩(閘)阻隔魚類洄游通道，影響魚類完成生活史的水電水利工程，應(yīng)設(shè)置專用過魚設(shè)施。水電水利工程應(yīng)結(jié)合魚類的重要性、受影響程度和過魚效果等，綜合分析論證采取過魚設(shè)施的必要性和過魚方式。過魚設(shè)施應(yīng)有效連通上下游魚類棲息地，明確過魚對象、過魚規(guī)模和過魚季節(jié)[8]。

本文分析了國內(nèi)已有的不同過魚設(shè)施類型的適用性及優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)了不同類型水電工程過魚方案選擇及運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，擬為我國水電工程生態(tài)調(diào)度、過魚方案選擇和改進(jìn)、過魚方案有效運(yùn)行提供參考依據(jù)，并對國內(nèi)已建水壩加建過魚通道進(jìn)行探索，有關(guān)結(jié)果可為我國水電開發(fā)與自然生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的宏觀決策提供借鑒[3- 4，9-10]。

1 不同過魚設(shè)施對比分析

1.1 仿自然通道

仿自然通道是人工修建的仿自然溪流，用以連通被阻礙的河流，并考慮魚類行為和通道坡度、仿自然河床、水流條件等因素為魚類提供的一種洄游通道。仿自然通道系統(tǒng)要求有足夠的空間，一般應(yīng)用于緩丘低山地形，不適宜水頭過高的大壩，也不適宜高山峽谷區(qū)，還應(yīng)避開人口稠密區(qū)域、減少對魚類的干擾。

仿自然旁通道是在岸上人工開鑿的類似與自然河流的小型溪流，通過溪流底部、沿岸由石塊堆積成的障礙物的摩阻起到消能減緩流速的目的。一般用于上下游水頭差30 m以內(nèi)且有可依托支流的工程，基本不受壩型限制，但要求地形寬闊、地質(zhì)條件較穩(wěn)定；通道坡度極緩，需要足夠大空間；有可依托的支流作為仿自然通道。大渡河干流安谷水電站，采用混合開發(fā)方式，最大閘高22.7 m，電站裝機(jī)容量778 MW，電站過魚設(shè)施采用仿自然通道型式。仿自然旁通道示意見圖1。

圖1 仿自然旁通道示意

仿自然旁通道有平鋪石塊式、交錯(cuò)石塊式和池堰式常用的3種結(jié)構(gòu)形式。平鋪石塊式仿自然旁通道底部平鋪不同大小的石塊，以底部沿程摩阻起到消能減低流速的目的。根據(jù)鋪設(shè)石塊大小的不同又分為2種類型，見圖2。交錯(cuò)石塊式仿自然旁通道底部鋪設(shè)碎石塊的同時(shí)，沿程在不同位置設(shè)置大石塊，束窄過水?dāng)嗝妫a(chǎn)生局部跌水和水流對沖以消能和減緩流速，如圖3所示。池堰式仿自然旁通道中使用石塊將通道分隔成一個(gè)個(gè)小的水池，通過局部跌水消能并降低流速(見圖4)。

圖2 兩種類型的平鋪石塊仿自然旁通道示意

圖3 交錯(cuò)石塊仿自然旁通道示意

圖4 池堰式仿自然旁通道示意

三種形式的仿自然旁通道中，平鋪石塊式一般適合較淺的小河流，適宜表層魚類通過；而交錯(cuò)石塊式和池堰式仿則適用范圍相對較廣，都具有可行性。工程實(shí)踐中，可結(jié)合具體地形選擇具體形式。

1.2 魚道

魚道為呈連續(xù)階梯狀的水槽式構(gòu)筑物，主要包括池式魚道、槽式魚道和特殊形態(tài)的魚道等。進(jìn)口多布置在水流平穩(wěn)，且有一定水深的岸邊或溢流壩出口附近?？蛇m用于大部分魚類，對魚類洄游能力要求不高，魚類通過魚道上溯時(shí)，不會(huì)受到傷害。

魚道一般用于上下游水頭差60 m以內(nèi)的工程，不受壩型限制；但其需要地形寬闊、地質(zhì)條件較穩(wěn)定，相對較大的布置空間。魚道結(jié)構(gòu)由通道入口、休息池、觀察室、通道出口等組成。廣西長洲水利樞紐位于珠江流域西江干流潯江河段，電站裝機(jī)容量630 MW，壩高20 m，屬低水頭水利樞紐，電站過魚設(shè)施采用過魚形式。魚道主要由進(jìn)口、魚道水池、休息池、出口、擋洪閘門、檢修閘門、魚道觀察室等部分組成。

魚道入口必須為易被魚類發(fā)現(xiàn)，有利于魚類集結(jié)的地方。當(dāng)魚道延伸至河道當(dāng)中時(shí)，入口在較近上游的一岸，不能超過河床太高，應(yīng)與河床斜坡緩慢銜接，入口處水深1～1.5 m。為了增強(qiáng)過魚效果，魚道入口設(shè)置灑水誘魚裝置，并架設(shè)照明燈，晚上開啟引誘。魚道觀察室位于魚道中部，建筑在水下2～4 m深處。上下兩面堅(jiān)固石壁，側(cè)面為密封玻璃長窗，隔窗可以看到各種魚類在水里活動(dòng)，記錄上溯魚的品種、數(shù)量、游速等。魚道出口要求布置在水較深(至少1 m)和流速較小的地點(diǎn)，位置設(shè)在最低水位線下，便于魚類上溯。

1.3 升魚機(jī)

升魚機(jī)原理與電梯相似，由進(jìn)魚槽、豎井、出魚槽三大主要部分組成(見圖5)。由進(jìn)魚槽口放水，將下游魚類誘入進(jìn)魚槽，接著用趕魚柵把魚驅(qū)入豎井，提升豎井至上游水位，打開出魚槽驅(qū)魚入上游水域。升魚機(jī)可用于中高水頭大壩，對樞紐建筑物干擾較小。

高水頭電站更適合采用升魚機(jī)或多種過魚設(shè)施相結(jié)合的方式。升魚機(jī)一般用于上下游水頭差60 m以上的工程，主要適用于混凝土重力壩，基本不受地形條件限制，與樞紐相結(jié)合，所需布置空間較小。

金沙江上游蘇洼龍水電站采用壩式開發(fā)，壩高112 m，為瀝青混凝土心墻堆石壩，裝機(jī)容量為1 200 MW，采用升魚機(jī)過魚形式。該升魚機(jī)由集誘魚系統(tǒng)和提升過壩系統(tǒng)組成。集誘魚系統(tǒng)緊鄰電站廠房尾水渠左側(cè)，并平行于尾水渠布置。在集魚池、壩上投放點(diǎn)處各設(shè)置一塔架，在兩塔架間設(shè)置攬機(jī)，利用攬機(jī)將集魚池內(nèi)魚類提升過壩，并投放至庫區(qū)，完成過魚。

升魚機(jī)大致有誘導(dǎo)、收集、升舉、投放幾個(gè)環(huán)節(jié)。為了觀測過魚效果，還應(yīng)設(shè)有計(jì)數(shù)裝置。工作時(shí)先由魚道末端水泵放水，水流通過魚道流入下游河道，形成誘魚水流，將聚集在尾水渠下游區(qū)域內(nèi)的魚群通過魚道進(jìn)口誘入魚道，魚類沿著魚道上行至魚道末端的集魚池，接著利用集魚池上安裝的可移動(dòng)并可啟閉的柵門，將魚推入升降機(jī)中的集魚箱上方，集魚箱內(nèi)設(shè)置一個(gè)升魚斗，升降機(jī)的下門定時(shí)關(guān)閉，聚集在集魚箱內(nèi)升魚斗上方的魚被上升中的升魚斗“捕獲”。然后，通過升魚平臺門機(jī)將升魚斗轉(zhuǎn)移至上游軌道上，由軌道經(jīng)隧洞運(yùn)至壩上的上游碼頭處，將升魚斗內(nèi)的魚倒入轉(zhuǎn)運(yùn)魚船上的運(yùn)魚箱內(nèi)；再由運(yùn)魚船運(yùn)魚至西曲及其他支溝匯口、蘇洼龍庫尾放流。系統(tǒng)不運(yùn)行時(shí)，將集魚平臺和運(yùn)魚船等?？吭诖a頭。

圖5 升魚機(jī)平面

1.4 集運(yùn)魚系統(tǒng)

集運(yùn)魚系統(tǒng)為配合運(yùn)魚車或運(yùn)魚船幫助魚類上、下行的一種過魚設(shè)施。集運(yùn)魚系統(tǒng)一般由集魚船、運(yùn)魚船(車)、碼頭等組成，運(yùn)魚船把集魚船所集之魚驅(qū)入船內(nèi)，運(yùn)魚船通過船閘過壩或?qū)Ⅳ~轉(zhuǎn)運(yùn)至岸邊停泊的運(yùn)魚車卸魚于上游水域。

集運(yùn)魚系統(tǒng)可用于中高水頭大壩，對樞紐建筑物干擾較小。一般用于上下游水頭差60 m以上的工程，基本不受壩型和地形條件的限制，布置靈活，所需布置空間較小，適于高壩過魚，能適應(yīng)水庫水位的較大變幅。雅礱江中游孟底溝水電站采用壩式開發(fā)，壩高200 m，為混凝土雙曲拱壩，裝機(jī)24 000 MW，采用集運(yùn)魚系統(tǒng)。

集運(yùn)魚系統(tǒng)主要包括集魚設(shè)施和運(yùn)輸設(shè)施。集魚設(shè)施包括集魚平臺、深水網(wǎng)箔等，運(yùn)輸設(shè)施包括運(yùn)魚船、活魚車、碼頭、吊車等。

集運(yùn)魚系統(tǒng)過魚流程分為定位、誘集魚、水路轉(zhuǎn)運(yùn)、陸路轉(zhuǎn)運(yùn)及放流五大步驟。首先，集魚平臺在確定的集魚地點(diǎn)定位，然后打開集誘魚系統(tǒng)，在將目標(biāo)魚類誘集至集魚平臺上的運(yùn)魚箱后，通過集魚平臺上的吊機(jī)將運(yùn)魚箱轉(zhuǎn)運(yùn)至運(yùn)魚船，運(yùn)魚船將魚運(yùn)至碼頭，再通過活魚運(yùn)輸車運(yùn)送至放流地點(diǎn)，將魚類放流。系統(tǒng)不運(yùn)行時(shí)，將集魚平臺和運(yùn)魚船等?？吭诖a頭。

表1 不同類型過魚設(shè)施特點(diǎn)及適應(yīng)性一覽

深水網(wǎng)箔誘集魚是根據(jù)魚類習(xí)性，敷設(shè)在魚類游經(jīng)的通路上或魚類較密集的水域，網(wǎng)具裝置成易進(jìn)難出的結(jié)構(gòu)形式，通過攔截、引導(dǎo)魚類進(jìn)入網(wǎng)內(nèi)，誘魚集魚網(wǎng)袋便于隨時(shí)起捕轉(zhuǎn)運(yùn)。這種方法通過人工手段主動(dòng)集魚，必要時(shí)可以采取驅(qū)趕集魚的輔助措施，集魚效果明顯優(yōu)于集魚船，但在湍急的河流中，由于受水域環(huán)境流速影響，無法采用深水網(wǎng)箔集魚，因此在下游昌波梯級建成前，僅在壩上設(shè)置深水網(wǎng)箔，壩下暫不設(shè)置。

2 不同類型過魚設(shè)施特點(diǎn)及適應(yīng)性

根據(jù)上述不同類型水電站過魚型式，現(xiàn)階段對上下游水位差30 m以內(nèi)、并有可依托支流的水電水利建設(shè)項(xiàng)目，應(yīng)采取仿自然通道過魚設(shè)施；對上下游水位差60 m以內(nèi)、壩體兩岸地形地質(zhì)條件開闊的水電水利建設(shè)項(xiàng)目，在不具備采取仿自然通道的前提下，應(yīng)首先重點(diǎn)研究采取魚道過魚；對上下游水位差超過60 m的水電水利建設(shè)項(xiàng)目，應(yīng)結(jié)合場地條件和樞紐布置特性，研究采取魚道、升魚機(jī)、集運(yùn)魚系統(tǒng)或不同組合方式的過魚設(shè)施。不同類型過魚設(shè)施特點(diǎn)及適應(yīng)性見表1。

3 過魚設(shè)施運(yùn)行建議

為在水能資源合理開發(fā)利用的前提下有效保護(hù)魚類資源，有效運(yùn)行和改進(jìn)過魚設(shè)施，提出以下對策建議[11-14]：

(1)過魚設(shè)施設(shè)計(jì)前需開展魚類行為特征研究，包括魚類游泳能力測試、魚類行為趨性研究。完成設(shè)計(jì)后，應(yīng)盡快進(jìn)行物模試驗(yàn)，以確定相應(yīng)的參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)需求。

(2)選擇合適的誘魚水域。一般來講發(fā)電尾水區(qū)是魚類聚集的區(qū)域，如何利用這一特性，選擇合適的誘魚方式是過魚效果最關(guān)鍵因素。

(3)應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)行期觀測與研究工作，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果修正設(shè)計(jì)并對升魚機(jī)進(jìn)行改建，以保證其過魚效果。

(4)過魚設(shè)施運(yùn)行期間應(yīng)加強(qiáng)科學(xué)研究、開展跟蹤監(jiān)測，及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷優(yōu)化改進(jìn)過魚設(shè)施，研究高壩魚道工程技術(shù)可行性，可做為青藏高原地區(qū)同類工程設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)研究基地，并為同類工程提供借鑒。

(5)后期可根據(jù)過魚設(shè)施實(shí)際運(yùn)行方式及初期監(jiān)測成果進(jìn)一步調(diào)整監(jiān)測方案。