一種人魚兩用升魚機(jī)結(jié)構(gòu)的提出

喬 娟 張立仁 陳 禛 劉 攀 崔婷婷 朱海峰

（1.三峽大學(xué) 科技學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

某些魚種在生命周期中的繁殖、仔魚孵化、肥育和越冬等幾個階段需要從河道的下游洄溯到上游來完成，而水利工程中擋水建筑物的修建不可避免地會阻斷原河道的連通性，影響魚類的正常洄游，對其生存造成一定的影響.大力發(fā)展水利的同時(shí)維持水生態(tài)的完整性已成為當(dāng)今中國的一大主題，目前我國也已頒布了相應(yīng)的法律、法規(guī)推動水利工程中過魚設(shè)施的建設(shè)［1－4］.

水利工程中的過魚建筑物主要有魚道、升魚機(jī)、魚閘、集運(yùn)魚船等，各類過魚建筑物皆有一定的適用條件.我國已建水利工程中的中、高壩近4 000座，另目前我國規(guī)劃的12大水電建設(shè)基地中，在建和已規(guī)劃興建的水利工程中均以中、高壩為主，而升魚機(jī)相對較適合于中、高水頭的水利工程，故升魚機(jī)在我國具有一定的應(yīng)用前景［5］.基于此，同時(shí)考慮降低工程投資、合理配置資源、優(yōu)化當(dāng)前升魚機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案等，本研究提出了一種新型的、人魚兩用的升魚機(jī)結(jié)構(gòu).

1 現(xiàn)行升魚機(jī)的工作原理及建設(shè)情況

1.1 現(xiàn)行升魚機(jī)的工作原理

國內(nèi)外現(xiàn)行升魚機(jī)的工作原理主要是通過誘魚設(shè)施將魚類誘進(jìn)金屬網(wǎng)籠或水槽式的承魚箱，再以起重機(jī)械垂直升降或索道牽引傾斜升降的方法實(shí)現(xiàn)承魚箱過壩，經(jīng)典結(jié)構(gòu)如圖1～2所示，其中圖1為美國應(yīng)用廣泛的霍利約克型升魚機(jī)，圖2為目前世界上提升高度最大的朗德布特壩升魚機(jī)，最大提升高度為132m.

圖1 霍利約克型升魚機(jī)運(yùn)行示意圖

圖2 朗德布特壩升魚機(jī)運(yùn)行示意圖

1.2 升魚機(jī)的建設(shè)現(xiàn)狀

目前我國關(guān)于升魚機(jī)設(shè)計(jì)的報(bào)道僅有兩個，一個是貴州省北盤江流域的馬馬崖一級水利樞紐升魚機(jī)過魚設(shè)計(jì)方案［6］，其最大升魚高度為77.05m，但該工程結(jié)合壩址上下游江段為典型狹谷、河道深切等特點(diǎn)，過魚建筑物最后選用了集運(yùn)魚系統(tǒng)方案.另一個見于2013年4月在我國廣西南寧舉行的“水利水電工程生態(tài)保護(hù)暨河流連通性恢復(fù)國際研討會”會上，水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院張芃工程師對山口水利樞紐升魚機(jī)設(shè)計(jì)方案的報(bào)道.總的來說，我國目前尚無建成的升魚機(jī).

1.3 現(xiàn)行升魚機(jī)在設(shè)計(jì)及運(yùn)行中存在的問題［5－7］

1）升魚原理方面.目前國內(nèi)外升魚機(jī)的設(shè)計(jì)方案均為機(jī)械提升式的，較單一，在今后的設(shè)計(jì)中可以參照升船機(jī)的升船原理向平衡重式、浮筒式、斜坡式等方向拓展.

2）誘魚措施方面.目前已建工程中升魚機(jī)下游的誘魚方法較單一，多采用水流誘魚.水流誘魚在設(shè)計(jì)上主要有兩方面的體現(xiàn)，一是在工程樞紐布置時(shí)，多將升魚機(jī)的集魚建筑物布置在水電站尾水管出口附近，以借助電站尾水水流誘魚；二是由引水管道將水庫水引至升魚機(jī)下游集魚道內(nèi)，制造誘魚水流.但多數(shù)工程因未進(jìn)行目標(biāo)魚類的生態(tài)習(xí)性基礎(chǔ)試驗(yàn)研究，造成了在誘魚水流的流動模式、速度、水流的紊動性和增氧水平等方面的設(shè)計(jì)上沒有與目標(biāo)魚類的特點(diǎn)相對應(yīng)，因而誘魚效果不佳，影響升魚機(jī)的工作效果.另誘魚措施也應(yīng)該根據(jù)目標(biāo)魚類的生理習(xí)慣進(jìn)行多元化設(shè)計(jì).

3）無規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、指南可循問題.目前國內(nèi)尚無已審批通過的過魚設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范，僅有有關(guān)部門組織編寫并發(fā)布了《水利水電工程魚道設(shè)計(jì)導(dǎo)則》及《水電工程過魚設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》的征求意見稿，但這兩本規(guī)范及設(shè)計(jì)指南中也并無升魚機(jī)相關(guān)的專題章節(jié).

4）運(yùn)行管理及過魚效果的評估不到位.國外的部分已建工程因早期工程缺少維護(hù)、缺少長系列的觀測分析資料，無法評估過魚效果，最后導(dǎo)致升魚機(jī)逐漸失去過魚能力，這方面的問題在中國已建的其他類型的過魚設(shè)施中也同樣存在.

2 人魚兩用升魚機(jī)結(jié)構(gòu)的提出、結(jié)構(gòu)組成及應(yīng)用

2.1 人魚兩用升魚機(jī)結(jié)構(gòu)理念的提出

過魚設(shè)施的修建不可避免地會增加工程的建設(shè)及維護(hù)費(fèi)用，而其利用率對相對較低，每年僅過魚的個別季節(jié)才得以啟用.另如前所述，升魚機(jī)結(jié)構(gòu)本身也存在一定的不足或需要加以改進(jìn)的地方.綜合考慮以上兩點(diǎn)，結(jié)合升魚機(jī)在我國水利工程中的應(yīng)用前景，為了降低工程總投資，優(yōu)化資源利用率，并升級建筑物的結(jié)構(gòu)及過魚效果，本文提出了一種新型的人魚兩用的升魚機(jī)結(jié)構(gòu).

人魚兩用升魚機(jī)結(jié)構(gòu)主旨為實(shí)現(xiàn)壩體交通電梯的人魚共用，在原理上將傳統(tǒng)機(jī)械提升式升魚機(jī)的過魚拓展至平衡重式的電梯過魚；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上通過對水利工程中混凝土壩體內(nèi)布置的交通電梯進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，在魚類洄游季節(jié)對其進(jìn)行合理的運(yùn)行調(diào)度，既可作壩體檢查及運(yùn)行維護(hù)交通電梯用，又可作升魚機(jī)用；在方案實(shí)施上既可以應(yīng)用于新工程的興建，也可以應(yīng)用于設(shè)有壩體交通電梯的已建水利工程升魚機(jī)過魚建筑物的補(bǔ)建改造.

隨著計(jì)劃經(jīng)濟(jì)的瓦解，大學(xué)生群體被拋入市場經(jīng)濟(jì)的浪潮之中，面臨著嚴(yán)酷的競爭。 在生存壓力的重?fù)?dān)之下，大學(xué)生群體極易滋生功利短視的價(jià)值追求，視個體物質(zhì)需求和享受的滿足為第一要務(wù)，對集體主義教育及其所弘揚(yáng)的集體主義原則置若罔聞。

2.2 人魚兩用升魚機(jī)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成

綜合以往的升魚機(jī)實(shí)例，為達(dá)到良好的集魚、升魚及驅(qū)魚效果，本人魚兩用升魚機(jī)結(jié)構(gòu)過魚結(jié)構(gòu)應(yīng)包含以下幾部分：

1）人魚兩用電梯廂，即對交通電梯的電梯廂進(jìn)行止水密封改造，可根據(jù)過人及過魚要求分別實(shí)現(xiàn)干、濕運(yùn).

2）垂直支架、事故制動裝置、電氣控制系統(tǒng)等，同壩體內(nèi)交通電梯相應(yīng)配套設(shè)備.

3）補(bǔ)水及排水系統(tǒng).用于電梯廂的充、放水，可以通過在電梯廂及壩體相應(yīng)部位埋設(shè)與上游水庫及排水廊道等相連的管道等實(shí)現(xiàn).

4）上、下游集魚池或引魚道.需通過在導(dǎo)魚設(shè)計(jì)高程要求的上、下游壩體對應(yīng)部位開設(shè)過魚通道來實(shí)現(xiàn).

5）上、下游閘首結(jié)構(gòu).需在上、下游導(dǎo)魚道與電梯廂門相對接處、上游出魚道與水庫相連處、下游集魚道的進(jìn)口處設(shè)置.

6）移動驅(qū)魚裝置.為使魚類能夠按設(shè)計(jì)路線前進(jìn)，可在集魚道、集魚池及承魚箱內(nèi)設(shè)置移動式的驅(qū)魚柵或聲、光、電等驅(qū)魚設(shè)施.

7）集魚情況探測裝置.該結(jié)構(gòu)可用于自動探測并統(tǒng)計(jì)集魚量的多少，如水下監(jiān)測探頭等，可布置于電梯廂及導(dǎo)魚道等結(jié)構(gòu)內(nèi).當(dāng)其監(jiān)測到電梯廂內(nèi)聚集足夠數(shù)量的魚時(shí)方才啟動，以保證升魚機(jī)的過魚的效率.

8）誘魚設(shè)施.參考國內(nèi)外的相關(guān)研究報(bào)道［2－5，7］，為達(dá)到良好的集魚效果，保證升魚機(jī)的應(yīng)用效果，應(yīng)根據(jù)具體的目標(biāo)魚種，在進(jìn)行基礎(chǔ)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在集魚池、導(dǎo)魚道或承魚電梯廂內(nèi)單一地或綜合地采用聲、光、水流、誘魚劑等誘魚措施.

2.3 人魚兩用升魚機(jī)結(jié)構(gòu)的實(shí)例結(jié)構(gòu)展示

為了便于對人魚兩用升魚機(jī)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的理解，現(xiàn)以一重力壩工程為例，對人魚兩用升魚機(jī)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行展示.

2.3.1 結(jié)構(gòu)組成及尺寸

如圖3～4所示，在總結(jié)了國內(nèi)外已建和在建的升魚機(jī)及魚道工程結(jié)構(gòu)，并參考了《水利水電工程魚道設(shè)計(jì)導(dǎo)則》及《水電工程過魚設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》征求意見稿，本例中人魚兩用升魚機(jī)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)由下游導(dǎo)魚設(shè)施、下游集進(jìn)魚通道、觀察控制段、電梯設(shè)施、上游出魚設(shè)施5大部分組成.

圖4 升魚機(jī)下游部分結(jié)構(gòu)示意圖

1）下游導(dǎo)魚設(shè)施.包括電站廠房尾水，設(shè)于電站廠房下游與集進(jìn)魚通道間電驅(qū)魚柵及攔魚柵網(wǎng)，聲、光、噴水花灑誘魚系統(tǒng)，將上游庫水經(jīng)壩頂、下游壩面敷設(shè)至電梯廂下游廂門處以產(chǎn)生誘魚水流的虹吸管誘魚水流系統(tǒng).

2）下游集進(jìn)魚通道.由斷面尺寸與電梯廂門尺寸相同的壩體內(nèi)電梯下游進(jìn)魚通道、壩后直線段導(dǎo)墻、喇叭口過渡段、集魚渠段組成.

3）觀察控制段.下游集進(jìn)魚通道進(jìn)口處布置有可移動的驅(qū)魚柵和超聲波探魚器，并設(shè)置有過魚設(shè)施檢修閘門及其啟閉設(shè)備.另為了便于非過魚季節(jié)壩體運(yùn)行維護(hù)，下游集進(jìn)魚道與壩體相交處也設(shè)有一道擋水閘門及其啟閉設(shè)備，同時(shí)該閘門對應(yīng)的啟閉機(jī)房內(nèi)除布置固定式的啟閉機(jī)外，還布置有驅(qū)魚柵運(yùn)行控制設(shè)備、探魚器監(jiān)控控制設(shè)備等.

4）電梯結(jié)構(gòu).兼有運(yùn)人及運(yùn)魚功能的壩內(nèi)交通電梯的電梯廂上應(yīng)設(shè)有上、下游雙向開啟的廂門系統(tǒng)，并作止水改造處理.另電梯井對應(yīng)于壩體檢修排水及灌漿廊道處、下游集進(jìn)魚道終端及上游壩體出魚道入口處也應(yīng)分別設(shè)置對接電梯廂門的自動啟、閉門系統(tǒng).

5）上游出魚設(shè)施.包括有一定坡度的壩體內(nèi)出魚通道、滑梯兩部分.壩體內(nèi)出魚通道的出口處設(shè)有擋水閘門，在非過魚時(shí)間段內(nèi)應(yīng)關(guān)閉.滑梯入口銜接壩內(nèi)出魚通道并敷設(shè)于上游壩面，主要是在庫水位低于出魚通道出口時(shí)起作用.

2.3.2 過魚過程說明

魚類洄游季節(jié)，水電站廠房的尾水產(chǎn)生的擾動水流首先將魚吸引至廠房尾水區(qū)域，電驅(qū)魚柵及攔魚柵網(wǎng)再將魚攔截在紊動能較大的尾水區(qū)域以外，沿即定路線設(shè)置的產(chǎn)生水聲及水流花灑、光誘魚系統(tǒng)等再將魚誘至下游集進(jìn)魚通道入口處，之后再被設(shè)置至下游電梯廂門處的虹吸管產(chǎn)生魚感應(yīng)水流、誘魚劑等將洄游魚引入集進(jìn)魚通道中.當(dāng)監(jiān)控裝置顯示進(jìn)入集進(jìn)通道段的魚達(dá)到一定的數(shù)量后，驅(qū)魚柵開始啟動，將魚驅(qū)至電梯廂中.電梯廂升高至壩體內(nèi)出魚通道高程后，將上游廂門系統(tǒng)打開，將電梯廂內(nèi)的魚放出，經(jīng)壩體內(nèi)出魚通道、上游壩面滑梯后進(jìn)入上游水庫，人魚兩用升魚機(jī)結(jié)構(gòu)的整個上行過魚過程完成.

3 結(jié) 語

總的來說，人魚兩用升魚機(jī)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新特色主要可以總結(jié)為以下幾個方面：1）對機(jī)械提升式升魚機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)行原理上的改進(jìn)，即“電梯原理過魚”，使升魚機(jī)具有了過壩歷時(shí)短、通過能力大、運(yùn)行安全可靠、操作方便等優(yōu)點(diǎn).2）人魚兩用升魚機(jī)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)既可以用于新工程過魚設(shè)施的修建，也可以用于已建工程過魚設(shè)施的補(bǔ)建，相對于單純興建升魚而言，既可以降低工程的建設(shè)費(fèi)用，合理利用及配置資源作，同時(shí)其運(yùn)行維護(hù)也更加的及時(shí)及規(guī)范.3）人魚兩用升魚機(jī)結(jié)構(gòu)在誘魚措施上考慮采用水流、聲、光、誘魚劑等，主要考慮了利用魚類的天然習(xí)性引導(dǎo)其過壩，最大程度上對洄游魚類實(shí)施了生理保護(hù).

總之，結(jié)合我國水利工程及過魚設(shè)施的建設(shè)現(xiàn)狀，人魚兩用升魚機(jī)結(jié)構(gòu)相對于單獨(dú)修建過魚建筑物的方案而言具有成本低、易實(shí)施、過魚快等特點(diǎn).但結(jié)合國內(nèi)外過魚建筑物的運(yùn)行效果，人魚兩用升魚機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)用的過程中也應(yīng)注意以下幾方面：1）誘魚措施的設(shè)計(jì)一定要以目標(biāo)魚類的生理習(xí)性基礎(chǔ)試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，綜合考慮其對水流特征、光學(xué)特征、聲音特征等的偏好，以便使誘魚措施能夠發(fā)揮實(shí)效.2）加強(qiáng)人魚兩用升魚機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)行期的觀測與研究工作，不斷優(yōu)化其結(jié)構(gòu).3）在對過魚建筑物自身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及評價(jià)的同時(shí)，也要進(jìn)行水利工程環(huán)境影響因素的綜合評價(jià)、監(jiān)測及治理，保護(hù)庫區(qū)魚類原有棲息地生存環(huán)境的維護(hù)與修復(fù).

［1］ 高 勇，常劍波.過魚設(shè)施對魚類資源保護(hù)的意義［R］.中國海洋湖沼學(xué)會魚類學(xué)分會、中國動物學(xué)會魚類學(xué)分會2004年學(xué)術(shù)研討會，2004：43－44.

［2］ 曹慶磊，楊文俊，周良景.國內(nèi)外過魚設(shè)施研究綜述［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，2010，27（5）：39－42.

［3］ 白音包力皋，郭 軍，吳一紅.國外典型過魚設(shè)施建設(shè)及其運(yùn)行情況［J］.中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2011，9（2）：116－120.

［4］ 陳凱麒，葛懷鳳，郭 軍，等.我國過魚設(shè)施現(xiàn)狀分析及魚道適應(yīng)性管理的關(guān)鍵問題［J］.水生態(tài)學(xué)雜志，2013，34（4）：1－6.

［5］ 喬 娟，石小濤，喬曄等.升魚機(jī)的發(fā)展及相關(guān)技術(shù)問題探討［J］.水生態(tài)學(xué)雜志，2013，34（4）：80－84.

［6］ 趙 誼，孫顯春，蔡大詠.馬馬崖一級水電站過魚措施研究［J］.水電勘測設(shè)計(jì)，2011（3）：25－28.

［7］ Santos M，F(xiàn)erreira M T，Godinho F N，et al.Performance of Fish Lift Recently Built at the Touvedo Dam on the Lima River［J］.J.Appl.Ichthyol，2002，18：118－123.