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(gè)階段需要從河道的下游洄溯到上游來(lái)完成，而水利工程中擋水建筑物的修建不可避免地會(huì)阻斷原河道的連通性，影響魚類的正常洄游，對(duì)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(guó)的一大主題，目前我國(guó)也已頒布了相應(yīng)的法律、法規(guī)推動(dòng)水利工程中過(guò)魚設(shè)施的建設(shè)［1－4］.

水利工程中的過(guò)魚建筑物主要有魚道、升魚機(jī)、魚閘、集運(yùn)魚船等，各類過(guò)魚建筑物皆有一定的適用條件.我國(guó)已建水利工程中的中、高壩近4 000座，另目前我國(guó)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(duì)較適合于中、高水頭的水利工程，故升魚機(jī)在我國(guó)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(guó)內(nèi)外現(xiàn)行升魚機(jī)的工作原理主要是通過(guò)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(guò)壩，經(jīng)典結(jié)構(gòu)如圖1～2所示，其中圖1為美國(guó)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(guó)關(guān)于升魚機(jī)設(shè)計(jì)的報(bào)道僅有兩個(gè)，一個(gè)是貴州省北盤江流域的馬馬崖一級(jí)水利樞紐升魚機(jī)過(guò)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(guò)魚建筑物最后選用了集運(yùn)魚系統(tǒng)方案.另一個(gè)見(jiàn)于2013年4月在我國(guó)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(guó)際研討會(huì)”會(huì)上，水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院張芃工程師對(duì)山口水利樞紐升魚機(jī)設(shè)計(jì)方案的報(bào)道.總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)目前尚無(wú)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(wèn)題［5－7］

1）升魚原理方面.目前國(guó)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(kù)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(dòng)模式、速度、水流的紊動(dòng)性和增氧水平等方面的設(shè)計(jì)上沒(méi)有與目標(biāo)魚類的特點(diǎn)相對(duì)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(wú)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、指南可循問(wèn)題.目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)已審批通過(guò)的過(guò)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(guò)魚設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》的征求意見(jiàn)稿，但這兩本規(guī)范及設(shè)計(jì)指南中也并無(wú)升魚機(jī)相關(guān)的專題章節(jié).

4）運(yùn)行管理及過(guò)魚效果的評(píng)估不到位.國(guó)外的部分已建工程因早期工程缺少維護(hù)、缺少長(zhǎng)系列的觀測(cè)分析資料，無(wú)法評(píng)估過(guò)魚效果，最后導(dǎo)致升魚機(jī)逐漸失去過(guò)魚能力，這方面的問(wèn)題在中國(guó)已建的其他類型的過(guò)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(guò)魚設(shè)施的修建不可避免地會(huì)增加工程的建設(shè)及維護(hù)費(fèi)用，而其利用率對(duì)相對(duì)較低，每年僅過(guò)魚的個(gè)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(guó)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(jí)建筑物的結(jié)構(gòu)及過(guò)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(guò)魚拓展至平衡重式的電梯過(guò)魚；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上通過(guò)對(duì)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(duì)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(guò)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(chǎng)經(jīng)濟(jì)的浪潮之中，面臨著嚴(yán)酷的競(jìng)爭(zhēng)。 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(gè)體物質(zhì)需求和享受的滿足為第一要?jiǎng)?wù)，對(duì)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(guò)魚結(jié)構(gòu)應(yīng)包含以下幾部分：

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

2）垂直支架、事故制動(dòng)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(guò)在電梯廂及壩體相應(yīng)部位埋設(shè)與上游水庫(kù)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(guò)在導(dǎo)魚設(shè)計(jì)高程要求的上、下游壩體對(duì)應(yīng)部位開(kāi)設(shè)過(guò)魚通道來(lái)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(duì)接處、上游出魚道與水庫(kù)相連處、下游集魚道的進(jìn)口處設(shè)置.

6）移動(dòng)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(dòng)式的驅(qū)魚柵或聲、光、電等驅(qū)魚設(shè)施.

7）集魚情況探測(cè)裝置.該結(jié)構(gòu)可用于自動(dòng)探測(cè)并統(tǒng)計(jì)集魚量的多少，如水下監(jiān)測(cè)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(cè)到電梯廂內(nèi)聚集足夠數(shù)量的魚時(shí)方才啟動(dòng)，以保證升魚機(jī)的過(guò)魚的效率.

8）誘魚設(shè)施.參考國(guó)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(duì)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(duì)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(guó)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(guò)魚設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》征求意見(jiàn)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(kù)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(guò)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(dòng)的驅(qū)魚柵和超聲波探魚器，并設(shè)置有過(guò)魚設(shè)施檢修閘門及其啟閉設(shè)備.另為了便于非過(guò)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(duì)應(yīng)的啟閉機(jī)房?jī)?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(kāi)啟的廂門系統(tǒng)，并作止水改造處理.另電梯井對(duì)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(duì)接電梯廂門的自動(dòng)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(guò)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(kù)水位低于出魚通道出口時(shí)起作用.

2.3.2 過(guò)魚過(guò)程說(shuō)明

魚類洄游季節(jié)，水電站廠房的尾水產(chǎn)生的擾動(dòng)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(dòng)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(kāi)始啟動(dòng)，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(kāi)，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(kù)，人魚兩用升魚機(jī)結(jié)構(gòu)的整個(gè)上行過(guò)魚過(guò)程完成.

3 結(jié) 語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，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(gè)方面：1）對(duì)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(guò)魚”，使升魚機(jī)具有了過(guò)壩歷時(shí)短、通過(guò)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(guò)魚設(shè)施的修建，也可以用于已建工程過(guò)魚設(shè)施的補(bǔ)建，相對(duì)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(guò)壩，最大程度上對(duì)洄游魚類實(shí)施了生理保護(hù).

總之，結(jié)合我國(guó)水利工程及過(guò)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(duì)于單獨(dú)修建過(guò)魚建筑物的方案而言具有成本低、易實(shí)施、過(guò)魚快等特點(diǎn).但結(jié)合國(guó)內(nèi)外過(guò)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(guò)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(duì)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(cè)與研究工作，不斷優(yōu)化其結(jié)構(gòu).3）在對(duì)過(guò)魚建筑物自身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及評(píng)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(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)及治理，保護(hù)庫(kù)區(qū)魚類原有棲息地生存環(huán)境的維護(hù)與修復(fù).

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