集運魚系統發展及相關技術問題探討

王 猛,馬衛忠,趙 誼,譚文超，范欣柯

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司,貴州貴陽550081)

集運魚系統發展及相關技術問題探討

王 猛,馬衛忠,趙 誼,譚文超，范欣柯

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司,貴州貴陽550081)

隨著我國水利工程建設的快速推進,中高壩的數量日益增加,集運魚系統由于其獨特的優點,將在中高壩水利工程過魚中發揮重要作用。通過總結分析國內外集運魚系統類型特點及研究進展,探討了集運魚系統設計和研究中的關鍵技術問題,在此基礎上提出了未來我國集運魚系統的研究方向。

集運魚系統；類型特點；研究方向；研究進展

0 概 述

水利水電工程中常見的過魚設施有魚道、升魚機、魚閘和集運魚系統等。其中,集運魚系統具有機動靈活,對樞紐布置無干擾,適應庫水位較大變幅以及魚類過壩體力消耗小等優點；因而較適于中高壩過魚[1-3]。目前,國內規劃建設的大中型水利水電工程大部分集中于高山峽谷區,筑壩高度較高,集運魚系統將在中高壩的過魚中發揮重要作用。

國內外對集運魚系統研究較少,目前已經建成比較成功的有美國在哥倫比亞河采用的集運魚船。我國集運魚系統的研究起步較晚,關鍵技術研究尚屬空白。直至目前,國內集運魚系統相關基礎研究工作仍處于探索階段；建成運行的集運魚系統僅見于重慶烏江彭水水電站[4]。本文在分析國內外集運魚系統研究進展的基礎上,就關鍵技術問題進行探討,以期為后續集運魚系統相關研究和設計提供參考。

1 國內外集運魚系統的研究進展

國外開展集運魚系統相關研究較早,美國華盛頓大壩最早使用集運魚系統過魚,20世紀40年代,哥倫比亞河下游的Rock Island大壩使用臨時集運魚系統,成功轉運了數千尾成年鮭魚[5],1943年薩克拉門托河也采用了集運魚系統,并進行了結果監測[5]；20世紀50年代,前蘇聯開始研究活動的過魚設備——集運魚船,并在頓河支流馬內奇河口樞紐進行了試驗,8天就收集了鯡、鳊、梭鱸等約2.5萬尾[6]。此后,隨著大、中型水利樞紐的建設,集運魚系統作為一種新型的高壩過魚方式,受到國外專家和學者的廣泛關注：加拿大圣約翰河的Mactaquac大壩和美國的Merrimack河的Essex大壩利用集運魚系統成功轉運鰣和灰溪鯡[5]；美國貝克河的貝克水庫采用集運魚系統運輸鮭魚下行[7],收到一定集魚效果,準備向上游水庫推廣；Raymond[8-10]和Beiningen[11]分別對哥倫比亞河(Columbia River)和蛇河(Snake River)中的大鱗麻哈魚和虹鱒開展集運魚船試驗；Michele B. Halvorsen[12]等調查研究了集運魚船運輸對大鱗麻哈魚幼魚嗅覺和聽覺系統的影響；Tyler Wagner[13]等研究了集魚運船運輸與哥倫比亞河(Columbia River)和蛇河(Snake River)中的大鱗麻哈魚的存活量和密度之間的關系。

相對而言,我國集運魚系統的早期研究和工程應用較少,20世紀70年代為解決葛洲壩水利樞紐的過魚問題,相關科學院所聯合開展了集運魚船的試驗研究工作,并提出了利用射流誘集底層魚類[14]；之后我國過魚設施的研究工作整體進入停滯狀態。近年來,隨著人們環境保護意識的逐漸增強以及水法和漁業法等法律法規的頒布實施,過魚設施在我國迎來發展高峰,而集運魚系統在生態保護及適應中高壩過魚方面的優勢引起相關部門和研究人員的重視,如烏江彭水水電站建成運行了集運魚船——“唐環1號”[4,15],貴州北盤江馬馬崖一級水電站[16]和西藏扎曲果多水電站也準備采用集運魚系統過魚方案。

2 集運魚系統類型及特點

2.1 移動式集運魚系統

移動式的集運魚系統是指集魚平臺可根據魚類集群位置移動,通常為具備自航能力的集魚船。傳統集運魚船集運一體,運魚時無法集魚,且由于動力系統的噪聲、振動以及油污等對魚群造成驚擾,影響集魚效果[17]。為避免上述不利影響,可將集魚功能和運魚功能分離,分為集魚平臺和運魚船。過魚流程見圖1。

圖1 移動式集運魚系統過魚流程示意

平臺設有專門的集魚艙道與補水機組。為擴大誘魚水流影響范圍,集魚艙道進口可設置成“喇叭形”。工作時,集魚平臺在適當位置拋錨固定,開啟集魚艙道兩端閘門,讓水流從艙道中流過,并利用補水機組使進魚口流速高于附近河水流速0.2～0.3 m/s,誘使魚類進入集魚艙道；此外,為保證集魚效率,還可以靈活采用水下誘魚燈、聲控誘魚裝置等輔助誘魚設施,以及物理攔柵、電趕驅魚機等進行攔魚導魚。在集魚平臺進魚口下端可設置一個可以下翻的格柵,集魚時將格柵下翻,落入河底,以阻擋魚類從集魚平臺底部通過；在誘魚設施和攔導魚設施的引導下,魚類進入集魚平臺的集魚艙道。在集魚達到一定數量后,艙道上方的驅趕裝置行進驅趕魚類進入集魚艙道尾部的運魚箱。

集魚完成后,運魚船與集魚平臺對接,由集魚平臺上的伸縮吊機將運魚箱吊裝至運魚船,運魚船過壩放流或轉運至岸邊運魚車放流。一般一艘集魚平臺配備2～3只運魚船,交替使用,保障連續工作。

2.2 固定式集運魚系統

受水深、地形、地質條件及樞紐布置條件等的制約,部分中高壩水利工程布置魚道或集魚船在技術和經濟上不合理,通常采用一種綜合性的集運魚系統。即，在壩下游設置集魚設備(如魚道等),進行誘魚,并在集魚設備(魚道)出口進行集魚。集魚完成后,將集魚池內的魚轉運至運魚車中,由運魚車運往上游適宜水生生境放流。過魚流程見圖2。這種形式的集運系統集運魚連續,運行過程中不產生噪聲和振動,不會對魚類造成干擾,但因集魚地點較為固定,集魚效果較移動式稍差。

圖2 固定式集運魚系統過魚流程示意

兩種形式集運魚系統的特點見表1。

3 存在的若干問題

3.1 干擾因素多,集魚效果不佳

最佳集魚位置會隨著水利樞紐運行方式的改變而發生變化。固定式集魚平臺由于集魚位置固定,集魚效果存在不確定性；而移動式集魚平臺受限于吃水深度,較難誘集底層魚類,運行過程中產生的振動和噪聲,會對魚類誘集帶來一定負面影響,冬季水庫結冰也限制了移動式集運魚系統的運行。

表1 集運魚系統類型特點比較

根據相關文獻介紹,水流被認為是對魚類行為影響起決定性作用的因子[5]。魚群易受發電尾水等大壩常泄水流吸引,常常聚集在大壩尾水出流處,是集魚的較優水域。但是,此區域亂石較多,容易卡錨[15]；而且在實際應用中,受尾水出流的干擾,存在魚類被吸引至電站尾水處而不進入集魚平臺的風險[19]。此外,集魚平臺的集魚地點與發電建筑物、泄水建筑物以及通航建筑物都較近,集魚過程可能受發電尾水、泄洪閘泄水以及過壩船只干擾。

3.2 運行過程復雜,魚類損傷率高

集運魚系統按過魚流程可分為集魚、提升轉運和放流。過魚過程復雜,作業周期較長,設備故障出現的幾率較高,需要較多的操作和運行維護人員。魚類在提升轉運過程中會受到一些外界的脅迫，如捕撈、顛簸和噪音等的影響,可能出現跳躍、躲避和側翻等應激行為,容易產生機體損傷或呼吸困難。

魚類是變溫動物,體溫隨著水溫的變化而變化。各種魚類都有自身的適溫范圍,超出適溫范圍就容易出現傷病,魚類轉運過程代謝活動可能造成水體中溶解氧的下降；同時,代謝廢物增多也易造成水質污染,使魚體活力下降。

魚類運輸密度是也是需要小心謹慎處理的問題,運魚密度過高,會產生大量的CO2,同時降低水體中的溶解氧,魚類鱗片和粘液的物理磨損可能會造成魚類免疫力的下降,影響過壩魚體成活率。

4 有關技術問題思考

4.1 開展多種誘驅魚技術研究,提高集魚效果

集魚平臺進魚口能否為魚類較快發現和順利進入,直接關系到系統的運行效果。為避免外界因素干擾,集運魚系統設計前,應開展過魚目標生態習性研究和適宜生境調查,根據研究和調查結果,合理選擇集魚平臺位置：①魚群密集處或主要過魚種類的洄游路線上；②水流平穩順直、水質新鮮、噪聲及污染較少的水域；③對大壩泄水及防洪沒有影響；④避免人為干擾,符合水上作業安全要求的水域；⑤交通便利,便于后期平臺的運行管理和維護。

水流誘魚被認為是最切實有效的一種手段。因此,集魚平臺進魚口誘魚水流流速應大于進魚口附近江水流0.2～0.3 m/s。為便于魚類上溯感應,水流方向應與河流主流方向保持一致,誘魚水流還需保持一定深度,以誘集棲息于不同水層的魚類。此外,還可利用魚類對聲音、光照、氣泡幕和食物的敏感性開發綜合誘驅魚技術[20-23]。移動式集魚平臺可將水泵和發動機設置于船尾,并進行減噪處理以減輕振動和噪聲對魚群的驚擾。根據文獻介紹,底層誘捕網[24-25]和深水網箔[26]對底層魚類具有較好的誘集效果；利用物理導魚柵實現的全水深集魚技術也可應用于集運系統中[27]。如,美國貝克河貝克壩采用的壩前攔導魚網從水底延伸至水面,并覆蓋整個庫區兩岸,僅留進口引導魚類進入收集裝置。在集運魚系統方案設計中,應開展過魚種類基礎行為與生理行為試驗研究,并根據研究成果,綜合運用多種誘集魚方法。

4.2 加強保活運輸研究,減輕轉運放流的魚類損傷

魚類轉運放流過程應盡可能簡化操作,速度應平穩,盡量避免顛簸和噪聲,以最大可能地減少魚類的應激。在魚類的運輸過程中,可選用質量高的中型或微堿性水裝運魚類,運魚車或運魚船中還應裝備具有充氧、過濾、水體交換和控溫等功能的維生系統,當發現魚類受傷或不健康時,及時將其取出并進行急救處理。到達放流地點后,應避免將魚類暴露在光照強度突變的環境中,宜在弱光環境中將運魚箱開啟,并在魚類逐步適應外界環境后,再進行放流。此外,魚類轉運放流地點還應滿足：①具有適合主要過魚種類的生境:水域較開闊,有一定流速指引,水深不宜過深,餌料生物應相對豐富,兇猛性魚類少；②無人為和船只干擾；③交通方便,便于運魚車或運魚船到達。

5 展 望

我國未來的水電規劃大部分集中在西南高山峽谷區,集運魚系統由于其獨特的定位和功能,將在中高壩過魚中發揮重要作用,應用前景廣闊。根據國內外現有集運魚系統的研究現狀及存在問題,水利工作者和魚類專家應聯合攻關：①開展魚類基礎行為學、魚類行為學與水力學耦合研究；②根據魚類生理特性,開展多種誘驅魚技術研究(水流誘魚、聲音誘魚、光氣誘魚、誘魚劑等),提高集魚效果；③研究生態友好型提升轉運裝置,減輕提升轉運過程對魚類的損傷；④加強目標魚類跟蹤監測,評估集運魚系統的過魚效果；⑤學習國外先進集運魚系統的先進設計技術和管理運行理念；⑥編制集運魚系統設計規范,為集運魚系統的研究和設計提供規范依據。

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(責任編輯 陳 萍)

Discussion on the Development of Fish Collection and Transportation System and Relevant Technical Problems

WANG Meng, MA Weizhong, ZHAO Yi, TAN Wenchao, FAN Xinke

(PowerChina Guiyang Engineering Corporation Limited, Guiyang 550081, Guizhou, China)

With the rapid development of hydraulic engineering construction in China, the number of high-head dams has increased gradually. Because of its unique advantages, the fish collection and transportation system will play an important role in assisting fish pass the high-head dams. Through summarizing the type characteristics and research progress of fish collection and transportation system at home and abroad, the key technical problems in design and research of fish collection and transportation system are discussed herein. On the basis of analysis, the research direction of fish collection and transportation system in China is also put forward．

fish collection and transportation system; type characteristics; research direction; research progress

2015-12-25

中國電力建設股份有限公司科技項目(DJ-ZDXM-2014-04)

王猛(1988—),男,河南駐馬店人,助理工程師,碩士,主要從事環境保護設計研究．

S956

A

0559-9342(2017)02-0006-04