馬嶺水利樞紐集運魚系統(tǒng)設(shè)計研究

王 猛，馬衛(wèi)忠，單承康，安瑞冬，姜 鵬，李 聰，羅 思，3

(1.中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州貴陽550081；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川成都610065；3.淮陰工學(xué)院，江蘇淮安223003)

0 引 言

隨著我國水能資源開發(fā)進程的加快，我國水利水電工程開發(fā)逐漸向西南轉(zhuǎn)移。但西南地區(qū)河流大比降、窄河谷的特點給過魚設(shè)施布置造成了困難，修建常規(guī)的魚道就存在技術(shù)和成本問題；集運魚系統(tǒng)是通過人工集魚和運輸?shù)氖侄螌崿F(xiàn)魚類過壩的過魚措施[1]，具有機動靈活、魚類過壩體力消耗小的特點，受到各界人士的關(guān)注。

集運魚系統(tǒng)過魚過程包括集魚、轉(zhuǎn)運和放流，按照集魚方式的不同，可分為固定式集魚設(shè)施和移動式集魚船[1-2]。國內(nèi)外針對移動式的集魚船開展了研究實踐，如美國在哥倫比亞河(Columbia River)、薩克拉門托河(Sacramento River)、蛇河(Snake River)、梅里馬克河(Merrimack River)、貝克河(Baker River)等多個河流開展集運魚系統(tǒng)建設(shè)和效果評估[3- 8]，前蘇聯(lián)在頓河支流馬內(nèi)奇河口、伏爾加河、庫班河開展集運魚船設(shè)計和研究[9]。我國在烏江彭水水電站[10]、北盤江馬馬崖一級水電站[11]、西藏扎曲果多水電站[12]和金沙江龍開口水電站等建設(shè)了集運魚船，但針對固定式集運魚系統(tǒng)研究和建設(shè)鮮有報道。本文以馬嶺水利樞紐工程集運魚系統(tǒng)[13]研究和設(shè)計為例，闡述固定式集運魚系統(tǒng)的設(shè)計和研究方法，以期為其他工程設(shè)計和研究提供參考。

1 工程概況

馬嶺水利樞紐工程位于貴州西南南盤江左岸一級支流馬別河干流中游，是馬別河干流梯級規(guī)劃中的第9個梯級，工程任務(wù)是以城鄉(xiāng)供水為主，結(jié)合灌溉，兼顧發(fā)電等綜合利用。主要樞紐建筑物由碾壓混凝土雙曲拱壩、壩身泄洪系統(tǒng)、右岸引水發(fā)電系統(tǒng)組成。壩址斷面多年平均流量為42.6 m3/s，水庫正常蓄水位1 030 m，死水位985 m，電站共有兩大兩小4臺機組，總裝機容量45 MW。

由于馬嶺水利樞紐工程的建設(shè)和運行會改變工程河段水文情勢，阻隔壩址上下游魚類基因交流，根據(jù)國家有關(guān)法律法規(guī)和項目環(huán)評報告及批復(fù)要求，馬嶺水利樞紐工程擬修建集運魚系統(tǒng)以促進壩址上下游魚類基因交流。

2 過魚對象、季節(jié)及條件

綜合考慮河段過魚需求和過魚價值，并結(jié)合河段魚類資源特點，馬嶺集運魚系統(tǒng)主要過魚對象為河段珍稀、特有魚類鱸鯉、暗色唇鯪和卷口魚，以及重要經(jīng)濟魚類倒刺鲃、寬鰭鱲、云南光唇魚、墨頭魚和白甲魚，過魚季節(jié)選擇過魚對象的主要繁殖季節(jié)為4月～6月。

根據(jù)本工程主要過魚對象游泳能力測試結(jié)果，集魚系統(tǒng)誘魚流速建議為0.51～1.02 m/s，集魚通道及集魚池推薦流速范圍為0.14～0.73 m/s，最大流速不超過1.15 m/s。

馬嶺水利樞紐下游的馬嶺河峽谷—萬峰湖風(fēng)景名勝區(qū)有旅游景點和漂流活動，漂流時段為5月～10月的08∶00～16∶00，最小漂流流量為15 m3/s。工程下泄流量既要考慮水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，又要兼顧景觀娛樂用水，全年下泄生態(tài)流量不低于4.26 m3/s，5月至10月入庫量大于15 m3/s時，按不低于15 m3/s下放，入庫流量小于15 m3/s時按入庫流量下泄，為滿足魚類產(chǎn)卵繁殖期對流量過程的要求，水庫在5月或6月實施生態(tài)調(diào)度。

3 集運魚系統(tǒng)設(shè)計

3.1 過魚流程

按照誘集魚方式的不同，集運魚系統(tǒng)可分為移動式集運魚系統(tǒng)和固定式集運魚系統(tǒng)。受水深和地形條件制約，馬嶺水利樞紐經(jīng)過方案比選，采用固定式集運魚系統(tǒng)，其過魚流程可分為集魚、轉(zhuǎn)運和放流3大步。

(1)集魚。在發(fā)電尾水出口下游設(shè)置固定集魚平臺，壩下魚類在電站尾水和集魚平臺出水的誘導(dǎo)下，通過誘魚進口進入集魚通道。

(2)轉(zhuǎn)運。當集魚通道內(nèi)的魚類達到一定數(shù)量后，集魚通道末端的趕魚柵下翻擋住進魚孔口，并向上游側(cè)移動，將魚驅(qū)趕至集魚池上方的集魚斗中，集魚斗啟閉機將集魚斗提起與轉(zhuǎn)運溜槽對接，將集魚斗中的魚卸入運魚車中，運魚車配備維生系統(tǒng)，通過公路運輸，將魚類轉(zhuǎn)運至適宜放流點。

(3)放流。運魚車末端設(shè)置伸縮放流滑槽，放流時打開運魚車放魚口，魚類通過放流滑槽進入天然水體。

3.2 集魚系統(tǒng)設(shè)計

固定集魚平臺位于發(fā)電尾水出口下游，由進水渠段，攔污柵及工作閘門段、集魚池、集魚通道、工作閘門段及誘魚進口段組成。

進水渠段連接發(fā)電尾水渠，使尾水水流分流進入集魚平臺，長17.8 m，寬2.0 m，底板高程952.50 m，引水渠段后接攔污柵及控制閘門，功能是攔污和調(diào)節(jié)集魚通道內(nèi)引用流量，控制閘門后接9.85 m長的消能段，消能段末端設(shè)置攔魚網(wǎng)，使水流平順進入到集魚池，集魚池尺寸為3.7 m×2.0 m，之后為集魚通道，長13.5 m，寬2.0 m，集魚通道后部設(shè)置趕魚柵，通過趕魚柵將進入集魚通道的魚趕入集魚池。

集魚池上方是集魚斗和提升裝置，集魚通道后是下游檢修閘門和誘魚進口段，誘魚進口段長21.7 m，通過出口水流將下游河道內(nèi)的魚引誘至集魚通道內(nèi)。

為擴大集魚系統(tǒng)(見圖1)引水流量，在1號和2號尾水洞出口分別設(shè)置一個橫截面為2 m×2 m的矩形暗溝(見圖2)，各自延伸8.5 m后，以平行尾水砍的形式轉(zhuǎn)向4號出口，轉(zhuǎn)彎半徑為2 m，延伸30 m 后，暗溝出口水流以45°角射出。

3.3 轉(zhuǎn)運系統(tǒng)設(shè)計

集魚池前部設(shè)置攔魚柵，后接集魚通道，集魚通道后部設(shè)置趕魚柵，平時趕魚柵吊在958.0 m高程平臺上待命，見圖3。集魚時，集魚斗(見圖4)放入集魚池中，當達到集魚設(shè)定時間或誘魚數(shù)量時，將趕魚柵下降至952.5 m高程，由趕魚柵牽引啟閉機牽引行走，將魚類趕入位于集魚池內(nèi)的集魚斗中；然后，將集魚斗提升至972.0 m，與轉(zhuǎn)運溜槽對接，將集魚斗內(nèi)的魚卸入運魚車中，運魚車配置維生系統(tǒng)。

圖1 集魚系統(tǒng)布置(高程：m)

圖2 尾水渠引水暗溝結(jié)構(gòu)

圖3 集魚系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置(高程：m)

集魚斗內(nèi)腔尺寸為2.5 m×1.5 m×1.5 m(長×寬×高)，為焊接鋼結(jié)構(gòu)容器，底部設(shè)置有進水門及入水孔，側(cè)部設(shè)有0.3 m×0.3 m的放魚口，放魚口采用1扇小型閘門擋水，以便與轉(zhuǎn)運溜槽(見圖5)對接，上部4壁設(shè)一定高度的格柵，以便集魚斗吊起時多余的水溢出。此外，為防止集魚斗起升過程中過分晃動，集魚斗與集魚池之間設(shè)導(dǎo)向裝置。

圖4 集魚斗三維示意

3.4 放流系統(tǒng)設(shè)計

本工程根據(jù)河段魚類資源量和保護目標，并結(jié)合地形條件、交通條件和水流條件，選擇庫尾龍陰寨河段作為放流點。

龍陰寨河段有公路直通馬別河岸邊。放流時，運魚車行駛至岸邊，放下伸縮放流滑槽，打開放魚口，魚類通過放流滑槽進入天然水體，為保證魚類在下滑過程中不受傷，放流滑道采用半圓形光滑截面，直徑600～800 mm。

4 集魚系統(tǒng)水力學(xué)試驗

4.1 模型設(shè)計及試驗工況

模型試驗采用正態(tài)水工模型，按重力相似準則設(shè)計，壩下河道試驗?zāi)Ｐ捅瘸邽?∶50，對壩下河道流場進行測量分析，為集魚系統(tǒng)布置提供設(shè)計依據(jù)。集魚系統(tǒng)內(nèi)部流場試驗?zāi)Ｐ捅瘸邽?∶10，主要開展集魚系統(tǒng)內(nèi)部流場和誘魚進口流場測量分析，為集魚系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置和引水方案提供設(shè)計依據(jù)。表1為試驗工況。

表1 試驗工況

4.2 壩下河道流場試驗結(jié)果分析

模型試驗分別進行了不同尾水出口流量工況下壩下天然河道流場測量分析，結(jié)果表明尾水出口下游不存在魚類上溯的屏障區(qū)，受篇幅限制，本文選取過魚季節(jié)常見的漂流工況(下泄流量15 m3/s)進行示例分析。

水流由2臺機組尾水出口流出沖向左岸，受到左岸地形影響，主流沿河道左岸流向下游，在尾水出口下游約150 m范圍主流逐漸偏向河道中心，橫向流速分布趨于均勻，河道主流流速范圍為0.22～0.67 m/s之間(見圖6)，誘魚口斷面流速范圍為0.57～0.66 m/s。受地形影響，左岸下游250～280 m和右岸下游220～270 m岸邊形成小范圍回流區(qū)，回流區(qū)流速范圍為0～0.12 m/s。魚類游動具有自主性和隨機性，但總體規(guī)律為通常保持頂流游泳，并按照最有利于魚類運行和節(jié)省體力的方式前進。本工況模型試驗表明，壩下河段存在一條貫通的低流速帶，該低流速帶流向明確，滿足魚類洄游要求，不會形成魚類前進的流速屏障和流態(tài)屏障，壩魚類可在河道主流的指引下逐漸上行，直至誘魚進口。

4.3 集魚系統(tǒng)模型試驗結(jié)果分析

魚類游泳能力測試結(jié)果表明，流速在0.51～1.02 m/s時，對魚類有足夠的吸引力，集魚系統(tǒng)內(nèi)部適宜流速為0.14～0.73 m/s。

圖7 集魚通道內(nèi)部流場

集魚系統(tǒng)模型試驗對比分析了漂流工況下，有無引水暗溝集魚系統(tǒng)內(nèi)部的流場。初始方案集魚系統(tǒng)內(nèi)部流速范圍為0.35 ～0.67 m/s，誘魚口處流速為0.37 m/s(見圖7a)。由于引用流量不足，誘魚進口流速較小，誘魚效果不佳。增加尾水渠引水暗溝后，集魚系統(tǒng)引用流量增加，集魚系統(tǒng)內(nèi)部流速增加為0.53 ～0.73 m/s，誘魚進口流速增大到0.62 m/s，滿足魚類誘集要求(見圖7b)。

5 結(jié) 語

(1)集運魚系統(tǒng)的過魚流程比較復(fù)雜，包含集魚、轉(zhuǎn)運和放流等過程。集魚是魚類轉(zhuǎn)運和放流的前提條件，集魚效果的好壞關(guān)系著集運魚系統(tǒng)運行的成敗。

(2)本研究運用物理模型試驗分析了壩下的流場，驗證了水力學(xué)指標，確定了集魚系統(tǒng)布置和引水方案。

(3)馬嶺集運魚系統(tǒng)是國內(nèi)第一個采用“固定集魚平臺集魚+公路轉(zhuǎn)運+放流滑槽放流”過魚方案的工程。雖然經(jīng)過物理模型試驗驗證和優(yōu)化改進，各項水力學(xué)指標滿足誘魚集魚要求；但過魚復(fù)雜，工程過魚效果存在一定的不確定性。為此，建議運行期加強跟蹤監(jiān)測，根據(jù)過魚效果優(yōu)化改進運行方式，以期達到較佳的過魚效果。