高壩樞紐移動式尾水集魚方案設(shè)計及試驗研究

摘要：

為減緩水電工程建設(shè)對魚類洄游的阻隔影響，高效安全的過魚設(shè)施是恢復(fù)魚類洄游通道的重要工程措施，尤其高水頭水電工程過魚設(shè)施建設(shè)是當(dāng)前生態(tài)保護(hù)的技術(shù)難點。首先通過模型試驗和數(shù)值模擬計算，對烏東德水電站壩下水流條件進(jìn)行了研究，再結(jié)合魚類洄游路線及其壩下分布預(yù)測，提出了一種新型的移動式尾水集魚箱，并利用電站尾水的誘魚效果進(jìn)行集魚。試驗研究表明：根據(jù)電站運行情況開展集魚工作可實現(xiàn)“多點位、全深度、大流量”集魚，作為輔助集魚設(shè)施，創(chuàng)新方案能夠提升集運魚系統(tǒng)的集魚效率。研究成果可為高壩樞紐過魚設(shè)施建設(shè)及已建工程增建過魚設(shè)施提供技術(shù)參考。

關(guān)" 鍵" 詞：

移動式尾水集魚箱； 集魚試驗； 魚類分布格局； 高水頭水電工程； 烏東德水電站

中圖法分類號： TV74；S956

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.07.023

收稿日期：

2023-12-22

；接受日期：

2024-03-01

基金項目：

國家重點研發(fā)計劃項目“長江流域大壩生物洄游通道恢復(fù)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用”（2022YFC3204200）

作者簡介：

張文傳，男，工程師，博士，主要從事水力學(xué)及過魚建筑物研究。E-mail： zhangwenchuan@whu.edu.cn

通信作者：

王" 翔，男，高級工程師，主要從事通航過魚建筑物研究。E-mail：wangxiang3@cjwsjy.com.cn

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號：1001-4179（2024） 07-0174-08

引用本文：

張文傳，王翔，翁永紅，等.高壩樞紐移動式尾水集魚方案設(shè)計及試驗研究

［J］.人民長江，2024，55（7）：174-181.

0" 引 言

隨著中國工程技術(shù)的不斷進(jìn)步，水能資源的開發(fā)利用越來越充分，大量高壩大庫的建設(shè)在防洪、發(fā)電和航運等方面發(fā)揮了重要作用，促進(jìn)了社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。但人為攔河筑壩，切斷了魚類原有的洄游通道，形成阻隔效應(yīng)，魚類生境的片段化和破碎化導(dǎo)致種群間基因不能交流，破壞了河流原有生態(tài)系統(tǒng)［1-3］。為減緩水電工程建設(shè)對魚類阻隔效應(yīng)的影響，過魚設(shè)施的建設(shè)十分有必要［4］。

經(jīng)過長期的發(fā)展，當(dāng)前已形成了魚道、升魚機、魚閘、仿自然通道、集運魚系統(tǒng)等多種過魚設(shè)施類型［5-8］。高壩樞紐通常具有高水頭、窄河谷、含沙量高等特點，魚道和仿自然通道適用性較差［9-10］，多采用升魚機、魚閘和集運魚系統(tǒng)型式［11］。國外在20世紀(jì)就已開展了大量高壩過魚設(shè)施的應(yīng)用研究［12-14］。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著中國西南地區(qū)高壩大庫的建設(shè)，在高壩過魚方面也取得了許多研究成果［15-17］。如常毅等［18］針對蘇洼龍水電站，從誘集魚和過魚效果、工程技術(shù)及布置條件、投資和運行管理等多方面進(jìn)行比選分析，提出了多進(jìn)口誘魚的升魚機布置方案；王翔等在彭水水電站提出采用以集魚船為集魚設(shè)施的集運魚系統(tǒng)型式［19-20］，但集魚船內(nèi)發(fā)動機和水泵開動產(chǎn)生的噪音和振動會驚擾魚類，對集魚量造成一定影響，且僅能收集表層魚類［21］；近年來，烏東德和白鶴灘水電站固定式尾水集運魚系統(tǒng)相繼投入運行，為中國高壩過魚設(shè)施開辟了新的思路［22-23］。

綜合來看，目前國內(nèi)外高壩過魚設(shè)施的研究重點集中在固定式集運魚系統(tǒng)或集魚船方面，但均存在不同程度的缺陷。固定式集運魚系統(tǒng)集魚地點受限，樞紐不同運行工況下集魚效果差異較大；集魚船運行產(chǎn)生振動及噪音，影響集魚效果，且運行受樞紐泄洪影響［24］。此外，若針對已建高壩樞紐工程增補過魚設(shè)施，固定式集運魚系統(tǒng)施工難度大、工程量較大、投資高。因此，開展高效安全、集魚效果好的高壩樞紐過魚設(shè)施研究具有重要的應(yīng)用價值。本文在烏東德水電站集運魚系統(tǒng)的基礎(chǔ)上創(chuàng)新性地提出移動式尾水集魚箱的新型集魚方式，配合固定式集魚站運行。

1" 工程概況

烏東德水電站位于金沙江下游河段，為 Ⅰ 等大（1）型工程，樞紐工程主要由擋水建筑物、泄水建筑物、引水發(fā)電建筑物、過魚建筑物等組成。擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程988 m，最大壩高270 m；泄水建筑物包括壩身泄洪表孔、中孔和岸邊泄洪洞；電站廠房布置于左右兩岸山體中，均靠河床側(cè)布置，各安裝6臺單機容量為85萬kW的混流式水輪發(fā)電機組，裝機總?cè)萘? 020萬kW；過魚建筑物采用集運魚系統(tǒng)。

2" 壩下水流條件

通過物理模型試驗和數(shù)值模擬計算開展水力學(xué)研究，對烏東德水電站運行后壩下流場、魚類分布及洄游路線進(jìn)行預(yù)測分析，可為集魚地點的選擇布置提供依據(jù)。模型試驗針對關(guān)鍵部位流速進(jìn)行了測量，數(shù)模計算直觀展示了壩下流場情況。

僅左岸6臺機組發(fā)電條件下，左岸尾水渠水深約17 m，電站尾水呈3股射流流態(tài)，尾水洞洞口流速達(dá)4 m/s，左岸電站護(hù)坦斷面流速約1.5～2.3 m/s。水流沖抵下游右側(cè)河岸后，沿金坪子彎道向下流動，右岸尾水渠下游為大范圍回流區(qū)，流速較小。下游河道逐漸變窄，流速增大且趨于均勻分布，金坪子彎道處最大流速3.6 m/s（圖1）。

僅右岸6臺機組發(fā)電條件下，下游水深與左岸6臺機組發(fā)電一致，右岸電站護(hù)坦斷面流速約1.6～2.0 m/s，發(fā)電水流主流位于河道右側(cè)，右岸流速相對較大，左岸電站下游為低速回流區(qū)。隨著下游河道逐漸收窄，左岸流速逐漸增大，但總體仍呈現(xiàn)右岸流速高于左岸的趨勢；金坪子彎道處橫斷面流速梯度相對較小，最大流速達(dá)到3.8 m/s（圖2）。

左右岸12臺機組滿發(fā)工況下，尾水渠水深約21 m，兩岸發(fā)電水流各呈3股射流流態(tài)，流速表層小、底部大，射流中心流速約3.5 m/s；左右岸護(hù)坦處流速為1.1～2.0 m/s，兩岸尾水匯流區(qū)流速達(dá)到2 m/s；6股水流相交后沿彎曲河道向下游流動，因河道寬度逐漸收窄，下游流速增加至4 m/s以上（圖3）。

3種工況下電站尾水流態(tài)如圖4～5所示，金坪子河道附近流態(tài)如圖6所示?？梢钥吹?，電站尾水各呈3股射流流態(tài)，各股水流急緩相間，有一定的水面波動，但流態(tài)相對平穩(wěn)；隨著水流向尾水渠外擴(kuò)散，水流流動愈發(fā)平緩。因下游河道寬度收窄，水流湍動程度增加，至金坪子河道附近水面坡度顯著增加。

3" 壩下魚類分布及上溯路徑

前期在烏東德壩址及其連接江段共調(diào)查到79種魚類，包括喜流型（48種）、緩流型（2種）和廣適型（29種）等對水流速度偏好程度不同的3種類型。根據(jù)前文壩下流場研究結(jié)果可知，金坪子彎道附近河道收窄處流速較大，12臺機組滿發(fā)時流速達(dá)4 m/s以上，單側(cè)6臺機組發(fā)電時流速約3 m/s。但由于河床邊界的曲折以及岸邊的底質(zhì)情況，下游河道均存在1.0 m/s以下的低速流區(qū)。因此，在烏東德壩下，喜流型和廣適型魚類主要沿左岸、右岸及江底上溯，沿途可在左右岸回流區(qū)或河道中石塊后休息，恢復(fù)體力后繼續(xù)上溯，最終到達(dá)水流最前端（發(fā)電機組尾水區(qū)附近）；魚類上溯至尾水區(qū)后，會沿河道在左、右岸急緩流之間洄游徘徊，魚類上溯路線預(yù)測如圖7所示。

根據(jù)壩下水流條件和魚類上溯路徑分析結(jié)果，單一岸側(cè)機組發(fā)電工況下，喜流型魚類主要分布在發(fā)電一岸的尾水區(qū)，緩流型魚類則主要分布于二道壩附近區(qū)域及未發(fā)電尾水區(qū)（圖8（a））。兩岸機組均發(fā)電工況下，喜流型魚類主要分布在兩岸發(fā)電的尾水區(qū)，緩流型魚類則主要分布在二道壩附近、泄洪洞出口水墊塘區(qū)域及其下游側(cè)（圖8（b））。

4" 移動式尾水集魚箱方案

4.1" 結(jié)構(gòu)布置

烏東德水電站集運魚系統(tǒng)包括集魚系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、分揀裝載系統(tǒng)、運輸過壩系統(tǒng)、碼頭轉(zhuǎn)運系統(tǒng)、運輸放流系統(tǒng)和監(jiān)控設(shè)施等，其中集魚系統(tǒng)采用固定式尾水集魚站，布置于右岸4號尾水洞出口，利用發(fā)電水流誘集魚（圖9）。因布置局限性，固定式尾水集魚站僅能收集4號尾水洞附近的魚類，且集魚效果受電站調(diào)度運行影響，當(dāng)7號和8號機組發(fā)電時，集魚站誘魚水流顯著，可誘集上溯到該區(qū)域的魚類；而7號和8號機組未發(fā)電時，集魚站水流平緩，無誘魚水流，集魚效果可能受到影響。

由壩下流場和魚類洄游路線分析可知，非泄洪期大部分喜流型魚類將聚集在左右岸尾水區(qū)域（圖8）。結(jié)合電站建筑物的布置及結(jié)構(gòu)特點，根據(jù)魚類趨流特性和發(fā)電尾水誘魚效應(yīng)，采用移動式尾水集魚箱作為輔助集魚設(shè)施，通過尾水門機將移動式集魚箱下放至電站尾水檢修門槽內(nèi)進(jìn)行集魚，收集的魚類經(jīng)運魚車轉(zhuǎn)運至上游放流。移動式尾水集魚箱操作機動靈活，可根據(jù)電站發(fā)電情況調(diào)整集魚位置，將其布置于左右岸6個尾水洞檢修門槽內(nèi)，集魚范圍覆蓋整個尾水渠，可收集不同棲息水層魚類，實現(xiàn)“多點位、全深度、大流量”集魚，提升集魚效果。移動式尾水集魚箱布置如圖10所示。

移動式尾水集魚箱尺寸與烏東德水電站尾水檢修門槽匹配，寬度為9.4 m，高度為3.0 m，左右兩側(cè)設(shè)置2個集魚籠，每個集魚籠設(shè)置3個1.0 m×0.7 m（寬×高）的橫向矩形防逃進(jìn)魚口，形成魚類易進(jìn)難出的結(jié)構(gòu)。為保證魚類在集魚箱能夠長時間停留，集魚部分通過后部擋板及橫向隔板形成一定緩流水域，滿足魚類長期停留要求。集魚箱底部設(shè)有存水區(qū)，存水深度為0.2 m。移動式尾水集魚箱結(jié)構(gòu)如圖11所示。

4.2" 優(yōu)化試驗

烏東德水電站單機發(fā)電流量為691.1 m3/s，尾水洞流速達(dá)3 m/s以上，移動式尾水集魚箱在國內(nèi)外過魚設(shè)施中均屬首創(chuàng)，集魚箱的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，與門機的連接方式等需要通過實際試驗來研究確定，以此保證尾水集魚方式的有效性。

首次集魚試驗中，尾水集魚箱在下放及提升過程中總體順暢，箱體框架結(jié)構(gòu)在水流沖擊下基本保持穩(wěn)定，但箱體下放至距底部4m時無法繼續(xù)下放。分析認(rèn)為，由于集魚箱受到橫向水流沖擊力較大，造成集魚箱與門槽間摩擦力增加，箱體受到的摩擦阻力大于自重，導(dǎo)致集魚箱無法落底，難以收集底層魚類。集魚箱兩側(cè)集魚部分網(wǎng)片基本穩(wěn)定，未出現(xiàn)破損；迎水面因流速較大，試驗網(wǎng)片出現(xiàn)破損。為解決集魚箱落底及網(wǎng)片破損問題，在集魚箱側(cè)面及底部增加封板作為配重，保證箱體靜平衡，并增設(shè)壓條加固集魚箱網(wǎng)片（圖12）。

此外，原方案采用抓梁連接集魚箱再下放至尾水洞門槽內(nèi)（圖13（a）），抓梁入水后受到水流沖擊，液壓泵站、管道、監(jiān)控系統(tǒng)及電纜等存在損壞風(fēng)險，因此優(yōu)化采用動滑輪組連接集魚箱（圖13（b））。優(yōu)化改進(jìn)后再次進(jìn)行試槽試驗，發(fā)現(xiàn)集魚箱可以順利下放至尾水洞底部，集魚箱結(jié)構(gòu)及網(wǎng)片在高速水流沖擊下穩(wěn)定性良好，整體運行安全可靠。

5" 尾水集魚試驗

2020年6月，烏東德水電站正式投產(chǎn)發(fā)電后，開展了現(xiàn)場移動式集魚箱集魚試驗研究。在主要過魚季節(jié)（7月）進(jìn)行了22次集魚試驗，共收集13種魚類248尾，其中11種為工程過魚目標(biāo)，包括優(yōu)先過魚對象長鰭吻鮈、主要過魚對象中華金沙鰍和長薄鰍，以及8種兼顧過魚對象（圖14（a））。收集數(shù)量較多的分別為兼顧過魚對象中華沙鰍（92尾）和犁頭鰍（79尾）、主要過魚對象中華金沙鰍（59尾）。此外，云南盤鮈為近年來首次在烏東德江段收集到，可見移動式尾水集魚箱集魚效果明顯，能夠有效收集尾水區(qū)魚類。

為進(jìn)一步驗證尾水集魚箱集魚效果，非過魚季節(jié)（9～12月）進(jìn)行了294次尾水集魚試驗，其中60次收集到魚類，共收集到9種魚類113尾，包括主要過魚對象長鰭吻鮈、次要過魚對象中華金沙鰍和長薄鰍（圖14（b））。

綜合集魚種類來看，收集到的魚類基本為喜流型魚類，少部分為廣適型魚類，與壩下魚類分布預(yù)測結(jié)果基本一致。7～12月，集魚數(shù)量由248尾逐月減少至11尾，集魚效率從11.3尾/次減少至0.2尾/次（圖15），由此可見主要過魚季節(jié)移動式尾水集魚箱集魚效率較高，適當(dāng)增加集魚頻次可進(jìn)一步提高集魚效果；非過魚季節(jié)集魚效率相對較低，移動式尾水集魚箱、門機等設(shè)備的檢修維護(hù)可在此期間開展。

6" 結(jié) 論

本文在傳統(tǒng)集運魚系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出了一種新型移動式尾水集魚箱集魚方式，有助于恢復(fù)高壩樞紐魚類洄游通道，減緩工程建設(shè)阻隔影響，具體研究結(jié)論如下：

（1） 非泄洪期間烏東德水電站僅通過電站泄流，電站尾水處及下游金坪子彎道附近水流流速較高，達(dá)3 m/s以上，但左右兩岸及相鄰尾水洞間仍存在低流速區(qū)，魚類可上溯并聚集于此。

（2） 采用移動式尾水集魚箱能夠有效收集電站尾水附近喜流型魚類，根據(jù)電站運行情況和過魚季節(jié)靈活調(diào)整集魚位置及頻率，可進(jìn)一步提升集魚效率。

（3） 移動式尾水集魚箱投資小，集魚范圍覆蓋整個尾水渠，操作靈活方便，能夠收集尾水洞不同水層的魚類，可為新建及已建高壩樞紐過魚設(shè)施方案提供技術(shù)參考。

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（編輯：胡旭東）

Scheme design and experimental study of mobile tail water fish collection scheme in high dams

ZHANG Wenchuan1，2，WANG Xiang2，3，4，WENG Yonghong2，WANG Yachao2，YANG Biao2

（1.China Three Gorges Corporation，Wuhan 430010，China；" 2.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；" 3.Key Laboratory of Changjiang Regulation and Protection of Ministry of Water Resources，Wuhan 430010，China；" 4.Hubei Key Laboratory of Basin Water Security，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to alleviate the barrier effect of hydropower project construction on fish migration，efficient and safe fish passage facilities are important engineering measures to restore fish migration channels.In particular，the construction of fish passage facilities for high-head hydropower projects is the technical difficulty of current ecological protection.Firstly，through model test and numerical simulation，the flow conditions under the dam of Wudongde Hydropower Station were studied.Combined with the prediction on fish migration route and its distribution under the dam，a new type of mobile tail water fish tank was proposed，which utilizes the fish trapping effect of the tail water from power stations to collect fish.The test results showed that the fish collection work can be carried out according to the operation of the power station to achieve multi-point，full depth and large flow fish collection.As an auxiliary fish collection facility，the new scheme can improve the fish collection efficiency.The research results can provide technical reference for the construction of fish passage facilities in new high dam hubs and existing projects.

Key words：

mobile tail water fish collecting tank； fish collecting test； fish distribution； high head hydropower projects； Wudongde Hydropower Station