小石峽水電站集運魚系統設計研究

寇曉梅，萬 帆，王 琪，周 琳，陳 浩，李厚峰

（1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065；2.陜西省“四主體一聯合”河湖生態系統保護與修復校企聯合研究中心，西安 710065；3.陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，西安 710024）

集運魚系統是過魚設施的一種， 是通過人工集魚和運輸手段實現魚類過壩的措施， 該措施具有適應性強、易于布置、運行靈活等特點［1］，適應新建的中高壩工程， 以及已建工程補建過魚設施等情形。國外在美國哥倫比亞河、蛇河、貝克河等水庫工程建設了集運魚系統［2］，主要用于庫區下行過魚；國內在烏江彭水水電站、北盤江馬馬崖水電站、金沙江龍開口水電站、 南盤江馬嶺水利樞紐工程等建設了上行集運魚系統［3］。 本文以新疆小石峽水電站為例，開展集運魚系統工藝設計和系統設計研究， 以期為類似工程設計研究提供參考。

1 工程概況

小石峽水電站位于阿克蘇河支流庫瑪拉克河上，河流呈南北走向，平均比降1.62%，多年平均流量154m3/s，目前河流上已建成小石峽水電站、協合拉水利樞紐、塔尕克電站、吐木秀克水電站，小石峽水電站上游的大石峽水利樞紐正在建設中。

小石峽水電站為徑流式電站， 工程由混凝土面板堆石壩、表孔溢洪道、深孔泄洪洞、發電引水洞及岸邊式電站廠房組成，最大壩高61.3m。 水庫正常蓄水位1480m，死水位1478m，調節庫容590萬m3，具有日調節能力。 電站裝機容量137.5MW，工程已于2012年投產發電。

根據《中華人民共和國水法》、《中華人民共和國漁業法》等相關規定，在河流上修建永久攔河閘壩，對漁業資源有嚴重影響時，應當建設過魚設施。2016年在大石峽水利樞紐項目論證中提出， 為恢復庫瑪拉克河連通性， 小石峽水電站和協合拉水利樞紐分別補建過魚設施，結合大石峽水利樞紐魚類增殖站，形成魚類保護綜合體系， 對保護庫瑪拉克河特有魚類、維護河流生物遺傳多樣性發揮積極作用。

小石峽水電站最大壩高61.3m，屬中高壩，結合樞紐布置、運行方式及工程安全等因素，經過方案比選，提出在小石峽水庫壩下補建集運魚系統，緩解已建小石峽及擬建大石峽兩座大壩對河流魚類的阻隔影響。

2 過魚目標

2.1 河段魚類資源調查

工程所在的庫瑪拉克河段屬典型山谷性河流，河流縱向比降大，水流湍急，年平均水溫較低，魚類組成以裂腹魚和高原鰍類為主， 屬典型的高原魚類區系。根據實際調查及歷史調查成果，工程所在河段主要魚類有塔里木裂腹魚、 寬口裂腹魚、 厚唇裂腹魚、重唇裂腹魚、斑重唇魚、葉爾羌高原鰍、長身高原鰍等7種，其中塔里木裂腹魚和斑重唇魚被列入《新疆維吾爾自治區重點保護水生野生動物名錄》，保護級別為自治區Ⅱ級。

2.2 過魚對象

綜合考慮河段過魚需求和過魚價值， 結合工程對魚類產生的影響及魚類資源調查結果， 確定集運魚系統主要過魚對象為自治區Ⅱ級保護魚類——塔里木裂腹魚和斑重唇魚， 以及具有短距離洄游特性的寬口裂腹魚、厚唇裂腹魚、重唇裂腹魚，兼顧過魚對象為河段土著魚類——葉爾羌高原鰍和長身高原鰍。除重唇裂腹魚主要產卵季節為6—8月外，其他魚類的主要產卵季節均為5—7月， 故確定集運魚系統主要過魚時段為5—8月。 綜合考慮調查的漁獲物及其性成熟規格，確定集運魚系統過魚對象規格為80～350mm。

根據對庫瑪拉克河土著魚類游泳能力測試結果，確定誘魚口的流速在0.6～1.15m/s；集魚通道內流速在0.25～0.60m/s，特殊工況下，如豐水年豐水期水量較大時，集魚通道內最大流速不超過0.8m/s。

3 集運魚系統設計研究

3.1 系統型式

考慮小石峽水電站為已建成工程， 且壩高超過60m，從與電站樞紐建筑物布置、地形地質條件及不影響工程安全、河道行洪等因素分析，選用合理可行的結構型式。小石峽水電站誘魚水位變幅相對小，且魚類聚集點較為集中， 因此選擇可連續集魚的固定式集魚設施［4］。

3.2 工藝設計

3.2.1 集魚系統

（1）誘魚口工藝。影響魚類進入誘魚口的因素較多，其中關鍵性的因素主要包括流速、水深等。 在進行誘魚口設計時，應盡量實現多種流速分布的情況，以滿足不同魚類、 不同季節均能夠成功被發現并進入。 結合河段魚類特征， 確定誘魚口水深不小于1.0m，基本上是河段最大魚類體高的2倍；類比同類工程，確定誘魚口的開口寬度不小于2m。

（2）集魚通道工藝。集魚通道的主要功能是將進入進魚口的魚類暫時保存在通道內。 集魚通道采用敞開式，通道寬度要求大于最大過魚體長2倍，一般為2～5m。 通道長度應既能容納一定數量的魚類長時間停留，同時集魚通道中應具有一定的流速。

（3）集魚斗工藝。目前普遍使用的集魚斗結構主要有自帶防逃籠型和沉底式兩種類型。 沉底式提升箱不易對魚類造成傷害，且過魚數量多、規格大、種類多，且滿足過魚周期長的特點，小石峽水電站確定采用沉底式提升箱。

（4）拖曳格柵工藝。 拖曳格柵是將集魚通道內魚類驅趕進集魚斗的設施。為防止魚類逃出，柵格規格為2cm（高）×20cm（寬）。 對拖曳格柵與集魚通道間較大空隙設置毛刷樣結構，防止魚類逃逸。

（5）接底設施工藝。為消除誘魚口進口底板高程與河床存在的高程差， 考慮在進口處設混凝土澆筑或拋石處理的接底設施，增加糙率并模擬自然底質。

3.2.2 運魚系統

常用轉運方式主要有軌道轉運、 水道轉運和運魚車轉運。 小石峽水電站不具備軌道轉運和水道轉運的條件，故選擇運魚車轉運。

（1）運魚車工藝。運魚車轉運是將魚類誘集到運魚箱后轉至專門的運魚車， 運魚車需配備在線監控系統，實時監控運輸過程中水質變化和魚箱內情況，為保證過魚能力， 需配備兩臺活魚運輸車， 一備一用，充氧水運輸時間一般控制在40h內。

（2）運魚箱工藝。 考慮設備投資及運輸效率，運魚箱應選擇適中大小。 為保證箱體中水質達到運輸要求，運魚箱中需設有魚類維生系統，該系統主要包括控溫系統、充氧系統、水質監測系統及砂濾系統。

3.2.3 放流系統

放流系統由放流平臺、 魚類運輸暫養系統等組成。由于已配備轉運車及運魚箱維生系統，故不設置魚類運輸暫養系統。

（1）放流點工藝。 應選擇在河勢相對平緩、有一定水流指引、方便運輸和放流操作的河段，同時應避開人為干擾、水質污染的水域。

（2）放流設施工藝。 魚類轉運至放流區域后，需要將魚放流至其適宜水域，一般采用滑道形式，滑道必須光滑，而且橫截面最好為圓形，以減少魚類放流過程中受到傷害，為了防止魚受傷或受驚嚇，卸魚和接受水面間的落差高度不應超過5m。

3.3 系統設計

3.3.1 集魚系統

小石峽水電站集魚建筑物布置于尾水渠末端下游約50m河床左岸，順水流方向布置。 誘魚系統建筑物主要包括引渠段、消能段、集魚斗段、駐留池段、誘魚口段、閘門控制室、集魚室、趕魚控制室、分揀觀察室、轉運平臺等，主要設備為流量控制閘門、攔魚柵、集魚斗和趕魚柵、流速控制閘門等。

集魚建筑物底板高程與尾水渠末端底板高程一致，邊墻頂高程與尾水渠末端護坡頂高程一致。集魚建筑物體型尺寸為：長60m、底板內寬3m、兩側邊墻高5.84m。 其中引渠段長15.5m，消能段長度為18.3m，集魚斗段長度為3.2m，駐留池段長度為13m，誘魚口長度為10m。流量控制閘門啟閉機室布置于集魚建筑物流量控制閘門上方，尺寸為5m×7m，高4m，內部安裝固定卷揚機。 攔魚柵啟閉機室布置于集魚建筑物消能段的上方，尺寸為6.5m×7m，高4m，內部安裝固定卷揚機。 捕魚室布置于集魚建筑物集魚斗池室上方，尺寸為7m×7m，高4m，內部安裝固定卷揚機。分揀觀察室布置在捕魚室左側，尺寸為7m×7m，高4m，內設玻璃觀察窗。 趕魚柵啟閉機室布置在集魚建筑物駐留池段末端上方，尺寸為5m×7m，高4m，內部安裝固定卷揚機。 流速控制閘門室布置于建筑物流速控制閘門左側上方，尺寸為6m×6m，高4m，內部安裝固定卷揚機。 小石峽集魚系統布置如圖1。

圖1 小石峽集魚系統結構布置

3.3.2 轉運及放流系統

運魚箱內腔尺寸為2m×2m×1m （長×寬×高），滿載自重約10t。 運魚箱為焊接鋼結構封閉式容器，集成供氧、流水系統；頂部設有400mm×400mm的進魚口，可以自動啟閉；側部設有Φ300mm的放魚口，以便將魚卸于放流系統溜槽上。 運魚路線起點為小石峽壩址處， 終點為鐵米爾蘇河放流碼頭， 總長度46.84km，其中新建專用公路的長約4.34km。 小石峽放流系統布置如圖2。

圖2 小石峽放流系統布置

4 集魚系統模型試驗

4.1 模型設計及試驗工況

為合理確定誘魚口位置， 構建壩下河道流場模型（比例尺為1∶50），分析壩下游河道的流場分布情況；同時通過1∶5比例尺集魚系統模型試驗和數值模擬， 驗證集魚系統建筑物進口水力學條件是否滿足誘魚的控制參數要求。 試驗工況如表1。

表1 試驗工況

4.2 壩下河道流場試驗結果分析

模型試驗對不同尾水出口流量工況下壩下游天然河道流場進行了測量分析，結果表明，擬定布置的方案河道主流偏向于左側， 左岸邊與主流較大流速之間存在滿足魚類上溯的貫穿性通道， 集魚槽所在河道左岸近岸區適合過魚對象上溯。小流量（生態流量）時誘魚口附近流速偏小，須調節集魚槽流速控制閘門門縫開度，增大誘魚口局部流速，使其與周圍環境水流形成明顯的流速梯度， 吸引魚類進入集魚建筑物。 機組發電工況，引渠工作閘門全開條件下，誘魚口附近流速值滿足0.63～1.15m/s范圍的要求。 洪水工況，誘魚口附近流速大于1.15m/s，須通過調節集魚槽水量控制閘門和其他工程措施， 改善集魚槽進魚口水流條件，形成適合魚類上溯的進口水流條件。試驗測試結果表明， 誘魚口下游較長河段左岸邊水流流速滿足魚類上溯要求，且集魚槽下游水流平順，適合布置集魚設施。

4.3 集魚系統模型試驗結果分析

結合集魚建筑物整體水工模型試驗成果， 通過單體模型試驗對小流量（生態流量）時的水流條件控制進行了分析。比較補水方案和不補水方案，提出誘魚口設置“一字門”的改善措施，利用集魚槽上下游天然水位差，調節一字門門縫開度，增大誘魚口局部流速，使其與周圍環境水流形成明顯的流速梯度，以吸引魚類進入集魚建筑物。生態流量下，進魚口控制閘門門縫寬度在0.34～0.83m之間即可滿足誘魚流速0.63～1.15m/s的要求， 且誘魚口存在誘魚流速梯度。各工況下駐留池流速小， 可保障魚類在其內活動時有較好的舒適性。 不同門縫寬條件下集魚槽內流速分布如圖3、圖4。

圖3 生態流量時集魚槽內流速分布（門縫寬0.83m，控制流速0.63m/s）

圖4 生態流量時集魚槽內流速分布（門縫寬0.34m，控制流速1.15m/s）

5 結語

（1）集運魚系統建設是一種被動的過魚方式，但其具有適應中高壩、易于布置、運行靈活等特點，具有較好的推廣應用前景。 以新疆庫瑪拉克河小石峽水電站集運魚系統設計為例， 介紹了集運魚系統工作基礎、工藝設計、系統設計、水工模型試驗等，為類似工程過魚設施設計提供借鑒。

（2）由于我國集運魚系統建設還處于起步階段，彭水水電站、馬馬崖水電站、龍開口水電站、馬嶺水利樞紐等水利水電工程已建成集運魚系統， 但因時間短，長系列過魚效果監測數據還不充分，建議今后應持續關注效果監測評估， 以此作為系統調度運行和工程優化改進的基礎。同時，還應加強魚類行為學基礎科學研究，為誘魚、集魚、運魚提供技術支撐，提高過魚效果，為恢復和改善河流生態系統完整性、多樣性發揮積極作用。