摘要：

為減緩水電工程建設(shè)對(duì)魚(yú)類洄游的阻隔影響，高效安全的過(guò)魚(yú)設(shè)施是恢復(fù)魚(yú)類洄游通道的重要工程措施，尤其高水頭水電工程過(guò)魚(yú)設(shè)施建設(shè)是當(dāng)前生態(tài)保護(hù)的技術(shù)難點(diǎn)。首先通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)烏東德水電站壩下水流條件進(jìn)行了研究，再結(jié)合魚(yú)類洄游路線及其壩下分布預(yù)測(cè)，提出了一種新型的移動(dòng)式尾水集魚(yú)箱，并利用電站尾水的誘魚(yú)效果進(jìn)行集魚(yú)。試驗(yàn)研究表明：根據(jù)電站運(yùn)行情況開(kāi)展集魚(yú)工作可實(shí)現(xiàn)“多點(diǎn)位、全深度、大流量”集魚(yú)，作為輔助集魚(yú)設(shè)施，創(chuàng)新方案能夠提升集運(yùn)魚(yú)系統(tǒng)的集魚(yú)效率。研究成果可為高壩樞紐過(guò)魚(yú)設(shè)施建設(shè)及已建工程增建過(guò)魚(yú)設(shè)施提供技術(shù)參考。

關(guān)" 鍵" 詞：

移動(dòng)式尾水集魚(yú)箱； 集魚(yú)試驗(yàn)； 魚(yú)類分布格局； 高水頭水電工程； 烏東德水電站

中圖法分類號(hào)： TV74；S956

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.07.023

收稿日期：

2023-12-22

；接受日期：

2024-03-01

基金項(xiàng)目：

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“長(zhǎng)江流域大壩生物洄游通道恢復(fù)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用”（2022YFC3204200）

作者簡(jiǎn)介：

張文傳，男，工程師，博士，主要從事水力學(xué)及過(guò)魚(yú)建筑物研究。E-mail： zhangwenchuan@whu.edu.cn

通信作者：

王" 翔，男，高級(jí)工程師，主要從事通航過(guò)魚(yú)建筑物研究。E-mail：wangxiang3@cjwsjy.com.cn

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號(hào)：1001-4179（2024） 07-0174-08

引用本文：

張文傳，王翔，翁永紅，等.高壩樞紐移動(dòng)式尾水集魚(yú)方案設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

［J］.人民長(zhǎng)江，2024，55（7）：174-181.

0" 引 言

隨著中國(guó)工程技術(shù)的不斷進(jìn)步，水能資源的開(kāi)發(fā)利用越來(lái)越充分，大量高壩大庫(kù)的建設(shè)在防洪、發(fā)電和航運(yùn)等方面發(fā)揮了重要作用，促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。但人為攔河筑壩，切斷了魚(yú)類原有的洄游通道，形成阻隔效應(yīng)，魚(yú)類生境的片段化和破碎化導(dǎo)致種群間基因不能交流，破壞了河流原有生態(tài)系統(tǒng)［1-3］。為減緩水電工程建設(shè)對(duì)魚(yú)類阻隔效應(yīng)的影響，過(guò)魚(yú)設(shè)施的建設(shè)十分有必要［4］。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，當(dāng)前已形成了魚(yú)道、升魚(yú)機(jī)、魚(yú)閘、仿自然通道、集運(yùn)魚(yú)系統(tǒng)等多種過(guò)魚(yú)設(shè)施類型［5-8］。高壩樞紐通常具有高水頭、窄河谷、含沙量高等特點(diǎn)，魚(yú)道和仿自然通道適用性較差［9-10］，多采用升魚(yú)機(jī)、魚(yú)閘和集運(yùn)魚(yú)系統(tǒng)型式［11］。國(guó)外在20世紀(jì)就已開(kāi)展了大量高壩過(guò)魚(yú)設(shè)施的應(yīng)用研究［12-14］。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著中國(guó)西南地區(qū)高壩大庫(kù)的建設(shè)，在高壩過(guò)魚(yú)方面也取得了許多研究成果［15-17］。如常毅等［18］針對(duì)蘇洼龍水電站，從誘集魚(yú)和過(guò)魚(yú)效果、工程技術(shù)及布置條件、投資和運(yùn)行管理等多方面進(jìn)行比選分析，提出了多進(jìn)口誘魚(yú)的升魚(yú)機(jī)布置方案；王翔等在彭水水電站提出采用以集魚(yú)船為集魚(yú)設(shè)施的集運(yùn)魚(yú)系統(tǒng)型式［19-20］，但集魚(yú)船內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)和水泵開(kāi)動(dòng)產(chǎn)生的噪音和振動(dòng)會(huì)驚擾魚(yú)類，對(duì)集魚(yú)量造成一定影響，且僅能收集表層魚(yú)類［21］；近年來(lái)，烏東德和白鶴灘水電站固定式尾水集運(yùn)魚(yú)系統(tǒng)相繼投入運(yùn)行，為中國(guó)高壩過(guò)魚(yú)設(shè)施開(kāi)辟了新的思路［22-23］。

綜合來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)外高壩過(guò)魚(yú)設(shè)施的研究重點(diǎn)集中在固定式集運(yùn)魚(yú)系統(tǒng)或集魚(yú)船方面，但均存在不同程度的缺陷。固定式集運(yùn)魚(yú)系統(tǒng)集魚(yú)地點(diǎn)受限，樞紐不同運(yùn)行工況下集魚(yú)效果差異較大；集魚(yú)船運(yùn)行產(chǎn)生振動(dòng)及噪音，影響集魚(yú)效果，且運(yùn)行受樞紐泄洪影響［24］。此外，若針對(duì)已建高壩樞紐工程增補(bǔ)過(guò)魚(yú)設(shè)施，固定式集運(yùn)魚(yú)系統(tǒng)施工難度大、工程量較大、投資高。因此，開(kāi)展高效安全、集魚(yú)效果好的高壩樞紐過(guò)魚(yú)設(shè)施研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本文在烏東德水電站集運(yùn)魚(yú)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上創(chuàng)新性地提出移動(dòng)式尾水集魚(yú)箱的新型集魚(yú)方式，配合固定式集魚(yú)站運(yùn)行。

1" 工程概況

烏東德水電站位于金沙江下游河段，為 Ⅰ 等大（1）型工程，樞紐工程主要由擋水建筑物、泄水建筑物、引水發(fā)電建筑物、過(guò)魚(yú)建筑物等組成。擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程988 m，最大壩高270 m；泄水建筑物包括壩身泄洪表孔、中孔和岸邊泄洪洞；電站廠房布置于左右兩岸山體中，均靠河床側(cè)布置，各安裝6臺(tái)單機(jī)容量為85萬(wàn)kW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)總?cè)萘? 020萬(wàn)kW；過(guò)魚(yú)建筑物采用集運(yùn)魚(yú)系統(tǒng)。

2" 壩下水流條件

通過(guò)物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算開(kāi)展水力學(xué)研究，對(duì)烏東德水電站運(yùn)行后壩下流場(chǎng)、魚(yú)類分布及洄游路線進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，可為集魚(yú)地點(diǎn)的選擇布置提供依據(jù)。模型試驗(yàn)針對(duì)關(guān)鍵部位流速進(jìn)行了測(cè)量，數(shù)模計(jì)算直觀展示了壩下流場(chǎng)情況。

僅左岸6臺(tái)機(jī)組發(fā)電條件下，左岸尾水渠水深約17 m，電站尾水呈3股射流流態(tài)，尾水洞洞口流速達(dá)4 m/s，左岸電站護(hù)坦斷面流速約1.5～2.3 m/s。水流沖抵下游右側(cè)河岸后，沿金坪子彎道向下流動(dòng)，右岸尾水渠下游為大范圍回流區(qū)，流速較小。下游河道逐漸變窄，流速增大且趨于均勻分布，金坪子彎道處最大流速3.6 m/s（圖1）。

僅右岸6臺(tái)機(jī)組發(fā)電條件下，下游水深與左岸6臺(tái)機(jī)組發(fā)電一致，右岸電站護(hù)坦斷面流速約1.6～2.0 m/s，發(fā)電水流主流位于河道右側(cè)，右岸流速相對(duì)較大，左岸電站下游為低速回流區(qū)。隨著下游河道逐漸收窄，左岸流速逐漸增大，但總體仍呈現(xiàn)右岸流速高于左岸的趨勢(shì)；金坪子彎道處橫斷面流速梯度相對(duì)較小，最大流速達(dá)到3.8 m/s（圖2）。

左右岸12臺(tái)機(jī)組滿發(fā)工況下，尾水渠水深約21 m，兩岸發(fā)電水流各呈3股射流流態(tài)，流速表層小、底部大，射流中心流速約3.5 m/s；左右岸護(hù)坦處流速為1.1～2.0 m/s，兩岸尾水匯流區(qū)流速達(dá)到2 m/s；6股水流相交后沿彎曲河道向下游流動(dòng)，因河道寬度逐漸收窄，下游流速增加至4 m/s以上（圖3）。

3種工況下電站尾水流態(tài)如圖4～5所示，金坪子河道附近流態(tài)如圖6所示?？梢钥吹?，電站尾水各呈3股射流流態(tài)，各股水流急緩相間，有一定的水面波動(dòng)，但流態(tài)相對(duì)平穩(wěn)；隨著水流向尾水渠外擴(kuò)散，水流流動(dòng)愈發(fā)平緩。因下游河道寬度收窄，水流湍動(dòng)程度增加，至金坪子河道附近水面坡度顯著增加。

3" 壩下魚(yú)類分布及上溯路徑

前期在烏東德壩址及其連接江段共調(diào)查到79種魚(yú)類，包括喜流型（48種）、緩流型（2種）和廣適型（29種）等對(duì)水流速度偏好程度不同的3種類型。根據(jù)前文壩下流場(chǎng)研究結(jié)果可知，金坪子彎道附近河道收窄處流速較大，12臺(tái)機(jī)組滿發(fā)時(shí)流速達(dá)4 m/s以上，單側(cè)6臺(tái)機(jī)組發(fā)電時(shí)流速約3 m/s。但由于河床邊界的曲折以及岸邊的底質(zhì)情況，下游河道均存在1.0 m/s以下的低速流區(qū)。因此，在烏東德壩下，喜流型和廣適型魚(yú)類主要沿左岸、右岸及江底上溯，沿途可在左右岸回流區(qū)或河道中石塊后休息，恢復(fù)體力后繼續(xù)上溯，最終到達(dá)水流最前端（發(fā)電機(jī)組尾水區(qū)附近）；魚(yú)類上溯至尾水區(qū)后，會(huì)沿河道在左、右岸急緩流之間洄游徘徊，魚(yú)類上溯路線預(yù)測(cè)如圖7所示。

根據(jù)壩下水流條件和魚(yú)類上溯路徑分析結(jié)果，單一岸側(cè)機(jī)組發(fā)電工況下，喜流型魚(yú)類主要分布在發(fā)電一岸的尾水區(qū)，緩流型魚(yú)類則主要分布于二道壩附近區(qū)域及未發(fā)電尾水區(qū)（圖8（a））。兩岸機(jī)組均發(fā)電工況下，喜流型魚(yú)類主要分布在兩岸發(fā)電的尾水區(qū)，緩流型魚(yú)類則主要分布在二道壩附近、泄洪洞出口水墊塘區(qū)域及其下游側(cè)（圖8（b））。

4" 移動(dòng)式尾水集魚(yú)箱方案

4.1" 結(jié)構(gòu)布置

烏東德水電站集運(yùn)魚(yú)系統(tǒng)包括集魚(yú)系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、分揀裝載系統(tǒng)、運(yùn)輸過(guò)壩系統(tǒng)、碼頭轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)、運(yùn)輸放流系統(tǒng)和監(jiān)控設(shè)施等，其中集魚(yú)系統(tǒng)采用固定式尾水集魚(yú)站，布置于右岸4號(hào)尾水洞出口，利用發(fā)電水流誘集魚(yú)（圖9）。因布置局限性，固定式尾水集魚(yú)站僅能收集4號(hào)尾水洞附近的魚(yú)類，且集魚(yú)效果受電站調(diào)度運(yùn)行影響，當(dāng)7號(hào)和8號(hào)機(jī)組發(fā)電時(shí)，集魚(yú)站誘魚(yú)水流顯著，可誘集上溯到該區(qū)域的魚(yú)類；而7號(hào)和8號(hào)機(jī)組未發(fā)電時(shí)，集魚(yú)站水流平緩，無(wú)誘魚(yú)水流，集魚(yú)效果可能受到影響。

由壩下流場(chǎng)和魚(yú)類洄游路線分析可知，非泄洪期大部分喜流型魚(yú)類將聚集在左右岸尾水區(qū)域（圖8）。結(jié)合電站建筑物的布置及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)魚(yú)類趨流特性和發(fā)電尾水誘魚(yú)效應(yīng)，采用移動(dòng)式尾水集魚(yú)箱作為輔助集魚(yú)設(shè)施，通過(guò)尾水門(mén)機(jī)將移動(dòng)式集魚(yú)箱下放至電站尾水檢修門(mén)槽內(nèi)進(jìn)行集魚(yú)，收集的魚(yú)類經(jīng)運(yùn)魚(yú)車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)至上游放流。移動(dòng)式尾水集魚(yú)箱操作機(jī)動(dòng)靈活，可根據(jù)電站發(fā)電情況調(diào)整集魚(yú)位置，將其布置于左右岸6個(gè)尾水洞檢修門(mén)槽內(nèi)，集魚(yú)范圍覆蓋整個(gè)尾水渠，可收集不同棲息水層魚(yú)類，實(shí)現(xiàn)“多點(diǎn)位、全深度、大流量”集魚(yú)，提升集魚(yú)效果。移動(dòng)式尾水集魚(yú)箱布置如圖10所示。

移動(dòng)式尾水集魚(yú)箱尺寸與烏東德水電站尾水檢修門(mén)槽匹配，寬度為9.4 m，高度為3.0 m，左右兩側(cè)設(shè)置2個(gè)集魚(yú)籠，每個(gè)集魚(yú)籠設(shè)置3個(gè)1.0 m×0.7 m（寬×高）的橫向矩形防逃進(jìn)魚(yú)口，形成魚(yú)類易進(jìn)難出的結(jié)構(gòu)。為保證魚(yú)類在集魚(yú)箱能夠長(zhǎng)時(shí)間停留，集魚(yú)部分通過(guò)后部擋板及橫向隔板形成一定緩流水域，滿足魚(yú)類長(zhǎng)期停留要求。集魚(yú)箱底部設(shè)有存水區(qū)，存水深度為0.2 m。移動(dòng)式尾水集魚(yú)箱結(jié)構(gòu)如圖11所示。

4.2" 優(yōu)化試驗(yàn)

烏東德水電站單機(jī)發(fā)電流量為691.1 m3/s，尾水洞流速達(dá)3 m/s以上，移動(dòng)式尾水集魚(yú)箱在國(guó)內(nèi)外過(guò)魚(yú)設(shè)施中均屬首創(chuàng)，集魚(yú)箱的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，與門(mén)機(jī)的連接方式等需要通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)來(lái)研究確定，以此保證尾水集魚(yú)方式的有效性。

首次集魚(yú)試驗(yàn)中，尾水集魚(yú)箱在下放及提升過(guò)程中總體順暢，箱體框架結(jié)構(gòu)在水流沖擊下基本保持穩(wěn)定，但箱體下放至距底部4m時(shí)無(wú)法繼續(xù)下放。分析認(rèn)為，由于集魚(yú)箱受到橫向水流沖擊力較大，造成集魚(yú)箱與門(mén)槽間摩擦力增加，箱體受到的摩擦阻力大于自重，導(dǎo)致集魚(yú)箱無(wú)法落底，難以收集底層魚(yú)類。集魚(yú)箱兩側(cè)集魚(yú)部分網(wǎng)片基本穩(wěn)定，未出現(xiàn)破損；迎水面因流速較大，試驗(yàn)網(wǎng)片出現(xiàn)破損。為解決集魚(yú)箱落底及網(wǎng)片破損問(wèn)題，在集魚(yú)箱側(cè)面及底部增加封板作為配重，保證箱體靜平衡，并增設(shè)壓條加固集魚(yú)箱網(wǎng)片（圖12）。

此外，原方案采用抓梁連接集魚(yú)箱再下放至尾水洞門(mén)槽內(nèi)（圖13（a）），抓梁入水后受到水流沖擊，液壓泵站、管道、監(jiān)控系統(tǒng)及電纜等存在損壞風(fēng)險(xiǎn)，因此優(yōu)化采用動(dòng)滑輪組連接集魚(yú)箱（圖13（b））。優(yōu)化改進(jìn)后再次進(jìn)行試槽試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)集魚(yú)箱可以順利下放至尾水洞底部，集魚(yú)箱結(jié)構(gòu)及網(wǎng)片在高速水流沖擊下穩(wěn)定性良好，整體運(yùn)行安全可靠。

5" 尾水集魚(yú)試驗(yàn)

2020年6月，烏東德水電站正式投產(chǎn)發(fā)電后，開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)式集魚(yú)箱集魚(yú)試驗(yàn)研究。在主要過(guò)魚(yú)季節(jié)（7月）進(jìn)行了22次集魚(yú)試驗(yàn)，共收集13種魚(yú)類248尾，其中11種為工程過(guò)魚(yú)目標(biāo)，包括優(yōu)先過(guò)魚(yú)對(duì)象長(zhǎng)鰭吻鮈、主要過(guò)魚(yú)對(duì)象中華金沙鰍和長(zhǎng)薄鰍，以及8種兼顧過(guò)魚(yú)對(duì)象（圖14（a））。收集數(shù)量較多的分別為兼顧過(guò)魚(yú)對(duì)象中華沙鰍（92尾）和犁頭鰍（79尾）、主要過(guò)魚(yú)對(duì)象中華金沙鰍（59尾）。此外，云南盤(pán)鮈為近年來(lái)首次在烏東德江段收集到，可見(jiàn)移動(dòng)式尾水集魚(yú)箱集魚(yú)效果明顯，能夠有效收集尾水區(qū)魚(yú)類。

為進(jìn)一步驗(yàn)證尾水集魚(yú)箱集魚(yú)效果，非過(guò)魚(yú)季節(jié)（9～12月）進(jìn)行了294次尾水集魚(yú)試驗(yàn)，其中60次收集到魚(yú)類，共收集到9種魚(yú)類113尾，包括主要過(guò)魚(yú)對(duì)象長(zhǎng)鰭吻鮈、次要過(guò)魚(yú)對(duì)象中華金沙鰍和長(zhǎng)薄鰍（圖14（b））。

綜合集魚(yú)種類來(lái)看，收集到的魚(yú)類基本為喜流型魚(yú)類，少部分為廣適型魚(yú)類，與壩下魚(yú)類分布預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致。7～12月，集魚(yú)數(shù)量由248尾逐月減少至11尾，集魚(yú)效率從11.3尾/次減少至0.2尾/次（圖15），由此可見(jiàn)主要過(guò)魚(yú)季節(jié)移動(dòng)式尾水集魚(yú)箱集魚(yú)效率較高，適當(dāng)增加集魚(yú)頻次可進(jìn)一步提高集魚(yú)效果；非過(guò)魚(yú)季節(jié)集魚(yú)效率相對(duì)較低，移動(dòng)式尾水集魚(yú)箱、門(mén)機(jī)等設(shè)備的檢修維護(hù)可在此期間開(kāi)展。

6" 結(jié) 論

本文在傳統(tǒng)集運(yùn)魚(yú)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出了一種新型移動(dòng)式尾水集魚(yú)箱集魚(yú)方式，有助于恢復(fù)高壩樞紐魚(yú)類洄游通道，減緩工程建設(shè)阻隔影響，具體研究結(jié)論如下：

（1） 非泄洪期間烏東德水電站僅通過(guò)電站泄流，電站尾水處及下游金坪子彎道附近水流流速較高，達(dá)3 m/s以上，但左右兩岸及相鄰尾水洞間仍存在低流速區(qū)，魚(yú)類可上溯并聚集于此。

（2） 采用移動(dòng)式尾水集魚(yú)箱能夠有效收集電站尾水附近喜流型魚(yú)類，根據(jù)電站運(yùn)行情況和過(guò)魚(yú)季節(jié)靈活調(diào)整集魚(yú)位置及頻率，可進(jìn)一步提升集魚(yú)效率。

（3） 移動(dòng)式尾水集魚(yú)箱投資小，集魚(yú)范圍覆蓋整個(gè)尾水渠，操作靈活方便，能夠收集尾水洞不同水層的魚(yú)類，可為新建及已建高壩樞紐過(guò)魚(yú)設(shè)施方案提供技術(shù)參考。

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（編輯：胡旭東）

Scheme design and experimental study of mobile tail water fish collection scheme in high dams

ZHANG Wenchuan1，2，WANG Xiang2，3，4，WENG Yonghong2，WANG Yachao2，YANG Biao2

（1.China Three Gorges Corporation，Wuhan 430010，China；" 2.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；" 3.Key Laboratory of Changjiang Regulation and Protection of Ministry of Water Resources，Wuhan 430010，China；" 4.Hubei Key Laboratory of Basin Water Security，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to alleviate the barrier effect of hydropower project construction on fish migration，efficient and safe fish passage facilities are important engineering measures to restore fish migration channels.In particular，the construction of fish passage facilities for high-head hydropower projects is the technical difficulty of current ecological protection.Firstly，through model test and numerical simulation，the flow conditions under the dam of Wudongde Hydropower Station were studied.Combined with the prediction on fish migration route and its distribution under the dam，a new type of mobile tail water fish tank was proposed，which utilizes the fish trapping effect of the tail water from power stations to collect fish.The test results showed that the fish collection work can be carried out according to the operation of the power station to achieve multi-point，full depth and large flow fish collection.As an auxiliary fish collection facility，the new scheme can improve the fish collection efficiency.The research results can provide technical reference for the construction of fish passage facilities in new high dam hubs and existing projects.

Key words：

mobile tail water fish collecting tank； fish collecting test； fish distribution； high head hydropower projects； Wudongde Hydropower Station