高坝集运鱼系统设计与研究.pdf

第10 期2023年10 月文章编号：16 7 3-9 0 0 0（2 0 2 3)10-0 0 0 4-0 3陕西水利ShaanxiWaterResourcesNo.10October,2023高坝集运鱼系统设计与研究谢涛，李巍，陶光慧，鲁思远，何伟（贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳5 5 0 0 0 2）【摘要对比过鱼设施的类别和特点，针对水利水电工程高水头高坝，集运鱼系统较其他过鱼设施更优。结合某水利枢纽工程，提出一种新型集运鱼系统设计方案。首先，介绍工程概况，分析过鱼种类、过鱼季节和过鱼设施参数。其次，详细介绍集鱼、提升转运、分选、运输和放流系统的设计研究。研究成果可为高坝集运鱼系统的设计研究提供新思路。【关键词高坝；集运鱼系统；集鱼效果；补水廊道；集鱼廊道【中图分类号TV3;TV4【文献标识码ADesign and Research of Fish Collection and Transportation System in High DamsXie Tao,Li Wei,Tao Guanghui,Lu Siyuan,He Wei(Guizhou Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute Co.,Ltd.,Guiyang 550002,Guizhou)Abstract:Comparing the types and characteristics of fish passing facilities,for water conservancy and hydropowerprojects with high water head and high dam,the fish collection and transportation system is better than other fish passingfacilities.Combined with a water conservancy project,a new design scheme for fish collection and transportation system isproposed.Firstly,the project overview is introduced,and the parameters of fish species,fish season and fish facilities areanalyzed.Secondly,the design and research of fish collecting,lifting and transferring,sorting,transporting and dischargingsystems are introduced in detail.The research results can provide new ideas for the design and research of fish collection andtransportation system in high dams.Key words:High dams;fish collection and transportation system;fish collection effect;water replenishment gallery;fish collection gallery水利水电工程的发展带来了供水、灌溉、发电和促进地方经济发展等巨大经济效益，但同时也对水坝堵塞河道连通性、阻隔鱼类洄游通道、鱼类无法顺利完成生活史、鱼类生存环境破碎、鱼类种群规模缩小和种群间基因交流受限等水生态系统造成了一定的影响。因此，为改善河流连通性建设鱼类设施，对鱼类资源的保护意义重大。目前，水利水电工程过鱼设施有鱼道形式、过坝式升鱼机形式、集鱼船形式、鱼闸形式和集运鱼系统等，其优缺点及适用范围见表1。目前，国内大中型水利水电工程大多集中在高山峡谷地带，筑坝高度高，集鱼系统针对高水头高坝工程，具有布置形式灵活，不干扰枢纽布置，操作管理方便的优点I-2,因此对于高坝过鱼更为合适。目前国内外对集运鱼系统研究较少，国内已经建成运行的有重庆乌江彭水水电站3 、马岭水利枢纽工程4,其中马岭集鱼系统采用单一廊道补水并集鱼。国外美国贝克水库采用集鱼系统，将大马哈鱼集中起来运输5 效果更佳。综上，经过对不同过鱼设施类别和特点进行对比，针对水利水电工程高水头高坝，集运鱼系统较其他过鱼设施更优，但同样存在集鱼效果不佳，噪声振动的影响。本文结合某水利枢纽工程，提出一种新型集运鱼系统的设计。收稿日期 2 0 2 2-12-0 1【基金项目贵州省水利科技项目（KT202227）【作者简介谢涛（1992-），男，贵州遵义人，高级工程师，主要从事水工金属结构相关工作。4.第10 期2023年10 月类别主动洄游，结构包括出口、槽鱼道身、进口等。设计原理与船闸相似，人工辅鱼闸助洄游。活动过鱼设施，人工辅助鱼类集运鱼船洄游。采用机械升鱼和转运设施过过坝式坝、人工辅助洄游等方式，设升鱼机计原理与电梯类似。设计原理与过坝式升鱼机相似，集运不同之处在于集鱼后利用运鱼鱼系统车通过公路转运至库尾放流。1工程概述1.1工程概况位于贵州省西北部的某水利枢纽工程，坝型为坝高15 4m的混凝土面板堆石坝，属高水头坝。该水库为大（1）型工程，正常蓄水位13 2 3 m，总库容13.2 3 亿m，死水位13 0 5 m。电站共有3 台机组，总装机容量90 MW,设计引用流量99.3 m/s。在工程区范围内的水域进行调查，没有典型的洄游鱼类，因此通过对各种鱼类设施的研究比选，采用集运鱼类系统方案，促进坝址上下游鱼类种群的基因交流，是建造过鱼设施的主要目的。1.2过鱼种类、季节分析鱼类过坝的主要目的是为了促进基因交流，所以本着满足鱼类基因交流需求的原则，优化确定过坝目标。综合考虑工程河段鱼类的过鱼需求、过鱼有效性和过鱼价值，并结合鱼类资源量现状，选择长薄鳅、鲈鲤、墨头鱼、云南光唇鱼、四川裂腹鱼、四川爬岩鳅、白甲鱼、昆明裂腹鱼为主要过鱼对象，瓦氏黄颖鱼、宽鳍、黄颖鱼等为兼顾过鱼对象。过鱼季节参考主要过鱼对象的繁殖期确定为3 月 7 月和9 月10月。1.3过鱼设施参数研究工程集鱼系统以水流流速为主要诱鱼方式，利用鱼类对流速特别敏感的习性。集鱼廊道进鱼口根据主要过鱼对象的鱼类溯游能力测试结果，建议诱鱼流速范围为0.5 5 m/s0.85m/s,同时在进鱼口（0.3 5 m/s流速 0.5 5 m/s）处尽量有合理的流DN300供水管L山 1:0.5陕西水利Shaanxi Water Resources表1过鱼设施的类别和特点结构特点优点结构型式较多，连续过鱼、过鱼量大、鱼类适应性强。占地小，有利于游泳能力差的鱼类。机动灵活，成本比较低，不干扰枢纽布置。占地小，节省鱼类体力，有利于游泳能力差的鱼类，可较长距离转运鱼类。具备升鱼机的优点，布置灵活，对枢纽工程干扰小，建筑物比较集中，运行管理和维护方便。上游工作门00so+0f尾水渠20T.50补水廊道爬梯DN400补水1211集鱼箱图2 集鱼系统平面布置图No.10October,2023缺点应用范围建设占地面积大、工程造价高的高坝工中低水头及水库水位变化程鱼道，考验的是鱼类的游泳能力。幅度较小的工程。过鱼量小，不连续，设备运行及维护费用低、中、高水头工程，高高。水头工程需采用多级闸室。噪声、振动惊扰鱼类，运用范围不广，运下游河道具备通航条件的行费用较大，周期长，所需操作人员多。工程。过鱼不连续，过鱼量小，设备运行及维修中、高水头和库水位变幅费用大，施工难度较大，运行管理和维护较大的刚性坝工程。困难，造价高，对枢纽布置干扰大。过鱼不连续，过鱼量小，噪声振动，设备运行及维修费用大，其工程造价和维护运行成本比升鱼机要低。速梯度，近底近侧壁有10 cm厚的低流速区供中底层小鱼通过；补水走廊的流速需要保证在0.5 5 m/s0.85m/s的范围内；过鱼通道建议流速范围为0.3 5 m/s0.74m/s；放流位置建议选择在水流平稳的水域，流速在0.3 5 m/s0.74m/s之间。2集运鱼系统设计2.1集鱼流程集运鱼系统过鱼流程大致上分为：诱鱼、集鱼、提升、转运、分选、运输和放流步骤。主要由诱鱼系统、观测与辅助设施系统、集鱼系统、提升转运系统、分选系统、运输系统和放流系统组成，见图1。分选系统O运输系统转运系统集鱼系统观测与辅助设施系统图1集集运鱼系统主要组成2.2集鱼系统设计集鱼系统布置在坝后电站尾水渠右侧的岸边，集鱼廊道、补水廊道、控制闸门、赶鱼栅、辅助诱鱼系统、诱鱼系统分别设置在上游至下游，如图2 所示，具体布置情况详见分析。下游工作门211.5001207.500集鱼廊道1211.500中、高水头和库水位变幅较大的工程。诱负系统拦鱼电栅000010-01X赶鱼棚鱼类监测器207.500匯类观察室DN200诱鱼补水管1211.5001207.500步梯贴玻5第10 期2023年10 月(1)集鱼廊道集鱼廊道布置在右侧靠山体侧，过水廊道长2 6.0 m，宽2.1m,深4.0 m,底板高程为12 0 7.5 m,集鱼廊道水深约1.6 7 m2.58m。过水廊道从上至下游分别布置集鱼箱池、补水口、赶鱼栅、鱼类监测设施、下游人字门等。为满足集鱼箱下沉放置要求，在集鱼廊道前端布置一个集鱼箱池，集鱼箱池尺寸为2.1m2.1m2.2m。集鱼廊道流速通过布置在廊道下游的人字工作门控制，人字门孔口尺寸为2.1m4.0m。(2)补水廊道为给进入集鱼廊道的鱼类提供低流速区域作为休息场所，集鱼廊道补水采用侧向进水方式。补水廊道与集鱼廊道平行布置在集鱼廊道左侧，顺水流方向长14.5 m，过流断面净宽2.5 m，底板高程12 0 7.5 m。为提高补水廊道的过流能力，在进口设置喇叭口。在补水廊与集鱼廊之间设置横向连通孔，在集鱼箱下游布置连通孔，孔尺寸为2.5 m3.0m，在连通孔靠集鱼廊左侧边墙表面一侧布置钢结构拦鱼栅，防止鱼儿从连通孔逃生。(3)控制闸门在补水廊道横向连通孔上、下游侧各布置一道工作闸门，以减少非过鱼季节补水廊道对尾渠阻水的影响，降低尾渠水位。过鱼季节时，开启横向连通洞上游侧闸门，关闭下游侧闸门，让水流通过横向连通洞流向集鱼廊道，并通过集鱼廊道下游侧人字门将集鱼廊道流速和进鱼口流速控制到鱼类喜好流速进行集鱼。检修时关闭补水廊道上下游工作闸门以及集鱼廊道下游侧人字门，抽干廊道存水进行检修。非过鱼季节时开启补水廊道横向连通洞上下游侧闸门，以及集鱼廊道下游侧人字门，让进入补水廊道的水流以最大可能流量通过集鱼系统，从而降低集鱼系统对尾水渠的阻水影响，降低尾水渠水位，提高发电效益。(4)赶鱼栅集鱼廊道设置1组双开口式结构的赶鱼栅，开孔尺寸为2.1m4.0m（宽高）。上至集鱼箱下游侧，下至鱼类监测器上游侧，实现赶鱼，往返进行。如需检修赶鱼栅或给驱动电池充电，通过提升竖井垂直提升至校核洪水位高程以上的高程平台进行。(5)辅助诱鱼系统为提高集鱼系统的诱鱼效果，增设水流诱鱼装置，在集鱼廊道下游出口（进鱼口）布置一根辅助补水管，让水流产生一定的水流声，帮助鱼类更容易地找到集鱼通道，提高集鱼效果。同时在集鱼廊道上游端头的集鱼箱附近布置一个辅助补水管，让进人集鱼廊道的鱼类集聚在集鱼箱附近。同时为防止鱼类进入尾水渠，在集鱼廊道进鱼口左侧布置一道拦鱼电栅，采用浮船式横河布置，在非过鱼期和泄洪时将拦鱼电栅收回保存，避免被冲毁。(6)监控系统在集鱼廊道进鱼口人字门后面右侧墙及集鱼廊道上游端闸阀室各布置一个鱼类观察室供近距离观察鱼类习性。观察室内布置红外摄像头监控进人集鱼廊道的鱼类。2.3提升转运系统设计提升转运系统布置在集鱼系统顶部及其与右岸岸坡之6.陕西水利Shaanxi WaterResources间，由提升竖井、顶部排架、交通桥、集鱼箱、启闭设备等组成。提升竖井分成4个区域，其中下游侧两个提升竖井共用一台移动式启闭机提升赶鱼栅和下游工作闸门，上游侧两个提升竖井共用一台移动式启闭机提升集鱼箱和上游工作闸门。其中集鱼箱尺寸为2.0 m2.0m1.0m（长宽高），采用无动力自动控制集鱼箱，通过水压及活塞顶杆实现集鱼和投鱼功能。2.4鱼类分选系统设计采用移动式启闭机将集鱼箱内的鱼类移到分选车间，通过配套集鱼箱活塞顶杆装置投放鱼类进入等待分选室暂养含补氧、灯光等设施），达到一定数量的鱼类后，启升启动起鱼筛将鱼类赶入分选台进行分选，分选台侧面设置4套鱼类暂养池（含补氧、灯光等设施），其中1套暂养鲈鲤等凶猛性鱼类，1套暂养增殖站亲鱼，1套暂养其他鱼类，1套作为备用，见图3。待鱼类达到一定数量后通过运鱼专车运送至指定放流点或鱼类增殖站。8800分选器日电动平车养池分选室174009600运鱼专车O氧气图3 鱼鱼类分选室平面布置图2.5运输选系统设计运输系统采用运鱼车加公路运输形式。当进人鱼类暂养池中的鱼类数量达到一定数量后，将鱼类暂养池底部导向管与运鱼车相连接，开启阀门，将鱼类放人运鱼车，运鱼车通过公路把鱼类运到放流点或鱼类增殖站进行放流。运输车配有鱼箱系统、增氧系统、动力系统、制冷机组和水循环泵等，以洁净的水质和含氧量高的水环境，为鱼儿营造适宜的生存环境。2.6放流系统设计放流地点的选择河段应有一定流速，通常应大于鱼类的感应流速，以便目标鱼类放流后能继续上溯。同时，放流地点的选择还应综合考虑库区干支流栖息地的分布情况。综合考虑以上几点，选择两个放流点，分别为：干流放流点（放流点A），距离坝址集鱼系统10 9.5 km；支流引底河放流点（放流点B）：距离坝址集鱼系统43.3 km，两处河道流速和水深均满足放流要求。为使运鱼车中的鱼类能够顺畅放流进人河水中，在运鱼车上设有排鱼孔和放流滑道，打开排鱼孔，运鱼车中的水和鱼一起从排鱼孔和放流滑道排出，进入放流水域。同时，在放鱼地点修建放鱼亲水斜码头，适应不同河水位情况下放鱼需要。（下转第10 页）No.10October,202350003600分选器鱼类器吊物间下楼梯间000L第10 期2023年10 月在这六种工况下，冲坑深度D的变化在水头较低（堰上水头H在10 m15m）的情况下，三个不同的尾坎位置由于水头过低，冲至泥沙的效果不明显，三个位置形成的最大冲深度和冲坑位置X差别不大。随着水头的加大，开始呈现一定的变化规律,d=5m和d=10m时的最大冲坑深度较为接近，同时变化幅度较d=O时也较大。而三种模型的冲坑位置X变化幅度相当。3.4冲坑长度图8 为不同尾坎位置条件下，冲坑长度随堰上水头H的变化。当尾坎位置相同时，随着堰上水头H的增大，冲坑长度也逐步增大；当堰上水头H一定时，尾坎距台阶末端距离d越大，冲坑的长度就越大。尾坎距水平出口距离d越大，冲坑长度的变化幅度就越大，在图中表示为冲坑长度增长越多，即形成的冲坑越深，冲刷破坏力度随尾坎位置d的增大而增大。因此，在实际的水利建设工程中，坎式阶梯溢流堰的尾坎布置在靠近尾坎出口位置，以减小水流的冲刷。从地形地貌图中可以看到冲坑形态的横剖面图，冲坑均呈曲面下凹态势，可以得出：随着上游堰上水头H的增加，最大冲坑深度D先随之增大，当达到一定深度后，基本不再随水头的增大而发生改变。尾坎位置的变化对冲坑长度和深度的影响较大，对冲坑位置X变化影响的幅度较小,d=O时的冲坑最小。所以在日常水利建设中，将尾坎设置在台阶末端的阶梯溢流堰最为广泛。14012010080604010图8 堰上水头与尾坎位置对冲坑长度的影响陕西水利Shaanxi WaterResources4结论（1）坎式阶梯溢流堰冲坑位置随堰上水头和尾坎位置距离的增大而后移。当尾坎位置相同时，随着堰上水头的增大，最大冲坑深度也逐步增大；尾坎在台阶水平出口时冲坑深度最小，冲刷破坏能力最小。（2）当尾坎位置相同时，随着堰上水头的增大，冲坑长度也逐步增大；当堰上水头一定时，尾坎距台阶末端距离d越大，冲坑的长度就越大。1徐荣峰.水利工程建设与生态环境可持续发展探讨J.城市建设理论研究，2 0 14,0 0 0（0 3 6):4447-4448.2A.I.瓦西列夫斯基.世界各国水电工程发展的经验J.水利水电快报，2 0 0 4,0 2 5（0 0 5）：2 9-3 3.3彭勇，张建民，许唯临，等.前置掺气坎式阶梯溢流堰掺气水深及消能率的计算J.水科学进展，2 0 0 9,2 0（0 1）：6 3-6 8.4陈剑刚，张建民，许唯临.前置掺气坎式阶梯溢流堰体型特点及工程应用试验研究J.四川大学学报（工程科学版）,2 0 10,42(06):6-11.5王业红，肖兴斌.阶梯溢流堰大单宽流量的水流特性及消能效果.长江职工大学学报，1999，（0 1）：45-49.6吴守荣，张建民，许唯临，等.前置掺气坎式阶梯溢流堰体型布置优化试验研究J.四川大学学报（工程科学版），2 0 0 8，（0 3）:3 7-42.7刘洋.高坝溢流堰掺气减蚀试验研究J.水利科技与经济，2 0 17,(1).8】严维，栗帅，赵德亮.阶梯消能工的研究与应用.价值工程，2013.9贾洪涛.尾坎位置对坎式阶梯溢流堰水力特性影响研究 .人民d=-0 md=5 md-10m1520H/mNo.10October,2023参考文献长江,2 0 19,5 0(0 0 7):18 9-19 4.10贾洪涛。台阶形式对阶梯溢流堰水力学特性的影响研究。中253035国农村水利水电，2 0 19,No.444（10）：15 2-15 6+16 1.11刘成林，陈宇豪.基于Flow-3d的水平射流冲刷泥沙数值模拟J.人民长江,2 0 16.（上接第6 页）2008,609(1):241-251.3结论2 Castro J J,Santana-Ortega S.A general theory on fish aggregation to（1）根据过鱼设施的类别和特点，针对水利、水电工程floating objects:An alternative to the meeting point hypothesisJ.高水头高坝，集运鱼系统较其他过鱼设施更优。Reviews in Fish Biology&Fisheries,2001.(2结合某水利枢纽工程，提出一种新型集运鱼系统的3饶振祺.彭水水电站工程环境保护措施实施情况及取得的效果设计，详细介绍了集鱼系统、提升转运系统、分选系统、运J.办公室业务，2 0 12（S2)：3.输系统和放流系统的设计方案。4 鲁玉军，王军，张楚.马岭水利枢纽工程集鱼系统设计与施工技术.云南水力发电，2 0 19,3 5（4)：4.参考文献5 Chandler J A.Feasibility of Reintroduction of Anadromous Fish Above1 Williams J G.Mitigating the effects of high-head dams on theor Within the Hells Canyon Complex.Columbia River,USA:experience from the trenchesJ.Hydrobiologia,:10.