流放式水利工程方案及其过鱼功能探讨

文/高文标

长期以来，水电及水坝构筑所给自然鱼类生态造成的灾难性矛盾一直存在，始终没能获得一个完全到位的整合解决方案。“流放式水利工程方案”作为一种整合性方案，为水利工程从工程效能、生态适应性等诸多方面比较完美地解决了上述问题。该工程方案不仅可以直接通过流放水作用实现水能利用，而且可以同时实现自然鱼类的洄游过坝，从而能够在水电和水利两套工程中适用。

一、流放式水利工程方案的主要特点

在水利工程建设史上，它明确地提出并实践了建设工程的生态保护概念。

1. 水利用工程应当可以将控用水资源的工程方案及其水力工程机械与过鱼道融为并列的一体，使之发生平行的效益关系。

该工程方案所呈现的水坝过鱼技术，主要作用在将以往的轮式水轮机以悬高离水方式，改变为可作为常态的保留局部浸水方式，其关键是可保留鱼类不间断过程水路，并且创造性地以柱式水轮机本身作为过鱼道实现过鱼。这其中也因为柱式水轮机水轮本身已形成轴向伸展方式，可以形成为非浸水与浸水两部分，非浸水部分可用作功发电，浸水部分可用于过鱼，两部分也当然地联动。在实际操作中，我们往往也将水轮浸水与非浸水两部分分段，非浸水部分接受水力快速转动，并带动变低速的浸水部分另行过鱼，而且因为过鱼需要作为过鱼轮的部分叶片可以作到最少，增大过鱼空间。该工程方案所提出的柱式水轮机，在关键解决水电设施与鱼类洄游矛盾上的作用表现在：柱式水轮机是可局部浸水式水轮机，它也可以具有连带水轮移位法保持移交水体作用功能，可以随其水轮的转动过程中，以动态方式同时相对保持住泄流口泄流，并提供为鱼类洄游通道。而且因为该型水轮机本来是常态水流节点，所以保持流动水体，适合鱼类路由习性，鱼类可以由此溯游，所致可以消除主要该处溯鱼盲点，避免上溯鱼类在水利工程泄流处“聚集”这一可悲情景发生。该型水轮机过鱼道也还特别适用于底游鱼类，因为它们对传统须跃阶高度的过鱼道并不能适应，而也对水坝下游的低水位水平鱼的过坝提供了可能，柱形水轮本身的高度化对于鱼类翻腾有利，而方式化的水轮以正反转方式也均可。如下图所示，柱式水轮机过鱼道有着很好的光线直达效果，水轮机也尽量通透，可以使包括上面板、中间隔板等自然尽量形成镂空或透明。柱式水轮机不仅具有是水坝保水性质，但其到位的从动力用水而连带的水流动性维系，是鱼适性亮点。

历来，水利工程一般采用与专设过鱼道分离的方案，其仍然很大程度上呈现为整体违逆鱼的溯流习性方面。显然是因为鱼类本来没有办法从水利工程泄流处通过拦坝，水利工程本身可能的鱼类洄游死角的存在，给工程与鱼类都造成负担。其实传统成功的鱼道一般也只适合发生于本来或即时将鱼道本身作为整工程泄流道的情况，但该型过鱼道显然需要常态性的大量水流支持，而现实中真正的成功范例只能依靠季节性的洪水；并且即在现实的水电和水利工程方案中却始终难以回避将需求各工程分部各自作为的局面，不能将过鱼道融入其主体工程，所致更大部分的鱼群被截流，而无法通过。原因当然还在没有可兹连带的可行的方案支持，或者说目前过鱼设施对于水工程建设呈现落伍和不协调的状态。而且现实中不断趋高的高坝以及追求水流利用率的情况下，也已经与需要大量维持大量放流的鱼洄游及其局限高度差的过阶梯式鱼道的形式成为不可能。

如此一直以来水电及水坝构筑所给自然鱼类生态造成的灾难性矛盾一直存在，没有完全到位的整合解决方案，在过去的水电或水利技术中，往往因为工程截流负累而断绝鱼类溯游通道，而且即使碍于环保，也是工程用途与过鱼，各行其道，也不能达到发电流道或溢洪道与过鱼道的统一，但是自由的鱼类不会按照交通规则选择所给予的另类过鱼道，鱼撞墙撞机情况反而更加常见。而且现有的水坝过鱼技术条件局限性大，工程浩大却也往往出现败象、挂漏现象严重，甚至难以摆脱人工介入程度的影响。

“我当时不知道他们要到哪里去，只觉得他们惶惶不安。像两个赶着救火的救火员。后来我知道了他们带着三个研究生去了葛洲坝，在‘过鱼道’前想尽了办法，长江的鱼儿终于没能懂得人的语言，也看不明白指向‘过鱼道’的路标，一条条傻乎乎地停在坝的下游，等着大坝开恩为它们让条生路。”这是生物学家袁传宓女儿袁劲梅女士在描述她父亲生前处理长江葛洲坝电站水坝过鱼问题时的艰辛经历，说到为挂念不能解决水坝过鱼的问题。

流放式水利用工程方案的特点及成功之处也在于，能实现在常态水资源利用工程实现当中实现常态性的过鱼功能，使功能和生态效益的同步与谐调统一，并且实现鱼儿过坝不受坝高限制。

2.柱式水轮机是具有专门方式的一种高效水轮机技术方式。

就水轮机作用来看，该工程方案的柱式水轮机因具有趋小化的周径以及趋增化的轴长，使水轮更显长式柱状的特征，所以以柱式水轮机称谓。该工程方案的柱式水轮机接近于冲击式，叶片可以尽量的多，水比冲击式更要求径外排或如轮转连带，其转速取决于冲击其周切向水流速度。柱式水轮机将具有更整合如水流速的兹高转速，这其中因为其水轮可以比较小，所以在同样周切向水流速下，其转速会变大。但由于同样的冲击式需要通过水轮与水流的冲量动能转换，该工程方案的柱式水轮叶片是板式、轻便的，其质量小，动能转换成速率却更大。所以，该工程方案柱式水轮机有转速加大，提供水轮机发电效能将更大的优点。

柱式水轮机将总力矩可以其轴向倍单元增长分担，使其更有效减径的力矩比增同时，也是因水轮半径的暨多倍数减小，水轮机的转速之增大更可暨多倍数倍增，但因其在同样的周向速度时，水轮转速可以暨水轮半径的倍减而成同倍数增加，这对于只能提供同样的水流速度的水资源而言，柱式水轮机其水能利用转化功效反而增加（暨可能产生与半径缩小倍数成正比的更多倍数发电量）。这是柱式水轮提高功效的关键硬性参数指标。

在同样水冲流速度下，暨柱式水轮机具有暨水轮周径减小而转速倍增，大大提高既定法电效能的效果，得到的是“以加减作为可暨乘积功能效果”的作用。它可以提供一种更新的理念，优化改进水轮机技术，在暨全面及大幅提高现有发电站发电效能、满足社会需求情况下，减少暨江河等新资源的开发力度，达到保护自然生态环境的目的。

从设计理念可以看出，作为柱式水轮机在轴向的增加单元优势比较传统大径轮方式，可以在既使接受同等流量，也却有着体积减少于是减重的作用，其对于须求冲量转化的轮体而论，其需求额度却可以降低，其须功作为参数也就明显降低，何况柱式水轮机需求的流量可以相较小得多，其主要增效点在提现高速比，可以达到节能提效的功效，这对资源利用校荷低求有利，可以增加或增效资源开发。

关键是柱式水轮机可具有减径的方法，暨提速、节流乃致发电设备轻型化的意义，这是与提高冲流速率及其对于水轮机提高转速的关键理念方法意义明确有关，对如柱式水轮机般亦可节流增效方法也得到充分的评估。

该工程方案柱式水轮机在从其可暨的各种设计成形方式的功效也是可以肯定的，它可以的双支承点无须如轴流式与混流式的轴心偏摆稳定相干处理必要，结构工艺性简单，容易制造；并且该工程方案的柱式水轮机水轮叶片为斜螺旋形，其作用转动稳定性也比原冲击式水轮机要好。而且一定的螺旋角将有助于水轮对冲前水流的下位超前挡壁放水，保持水流流动。

该工程方案柱式水轮机因为其长度但却有可以实现局部浸水的可行性，其浸水部作为作用功能却已然淡出了其发电效能，但作为可兹保水的过鱼设施其却又有着特别的功用，它实现了常态下鱼类可适性及省力的高坝过鱼的可能，并且使过鱼位置与工程放水位置整合、又连续性好，因与柱式水轮机的作用，该型机械轮式过鱼道也可以实现自力。由致该工程方案及柱式水轮机也将实现解决工程与生态保护的统一，这更是前人所未及的。更高效利用水资源以及实现生态资源保护是该工程方案的要点。

至于柱式水轮机的安装问题，该工程方案是以实现将其与发电机等分体的方式进行，水轮可以实现独立拆装，这样可以避免与电房相互干扰，水轮房与电房可以相互独立，水轮也将可以用与独立轴承箱活接的方式，实现方便水轮拆装与分别对轴承润滑，对于快速的发电轮与慢速的过鱼轮都适用。但作为大型化的发电水轮机组，可将水轮独立式进行拆装还是首创。

因为柱式水轮机的作用速度与水压关系密切，蓄能低变化大的河流的水高程变化大，但蓄能低有利于原生态保护，但也发生电频变化大直接输送问题大的情况，以溢流控制水落差或对稳定生产有利，也利于环保，它与可兹低水位的柱式水轮机可排低层水却淤一样、水面排漂流物也同样重要，皆有流放式的水质保持作用意义，它也将不会造成流域污染恶化现象。流放式水利工程方式却将可以用高效利用水能、降低工程成本与可暨多暨建站进行整和，其效益是可分布和多方面化的，没有流放式的作为方式的整合，任何单纯的效益化要求都可能存在弊端。这与以往方式的兹高筑坝兹高蓄水垄断式的水电站工作发展方式，显然是不一样的一种具体水电工程运作模式。

阶梯式过鱼道图例

关键是作为柱式水轮机，如果其水轮叶片也因为其须要独特的径外排水，而表现的具有导流径外排溢的运行曲线。叶片曲线具有全方位迳直接受冲击的作用，它是使柱式水轮机水流冲击叶片效果最佳的方式方法，这在所有的水轮机类型中表现独树。它与兹将集流道可以同等分隔后的效果也将事半功倍，水流流速及作用向量提升将更加明显。

标号说明：1放水闸坝中的水利设施，2放水闸坝【2】，3集流道【3】，4截拦漂流物的斜挡墙【4】，5集流口【5】，6关合扇闸【6】，7涌流道【7】，8过流道【8】，9下游出口，10过流道【10】，11阶梯坡鱼道【11】，12柱式水轮机【12】，13溢流道【13】，14（双月亏轮）过流道快速机动闸门一闸【14】、15（双月亏轮）过流道快速机动闸门二闸【15】，16过流道快速机动闸门折合省力拉牵铰链结构【16】，17过流道快速机动闸门双保铰链结构【17】，18为过流道补水流道【18】，19为集流道【3】清排沉积物用的加深沟【19】，20为集流道独立过鱼道分隔板【20】，21为过鱼道【21】，22为泄流道【22】，23为连梁桥，24为鱼栅【24】。

二、流放式水利工程方案的过流道及其过鱼功能

1.它将保留水坝工程兹后的原生态及作为所有情况的最终到位恢复保护措施，它与一般导流渠、过船闸等不同的地方，是它的参属水流及生态保护的调度功能，包括本兹工程方案的溢流道、传统的过鱼道以及上游水程控制线，都必须通过过流道配合来实现，比如传统过鱼道需要间断性的满水要求等，安于过流道传统过鱼道将可以得到满足，过流道可以实现水之对水坝高程的涨落与满足维系，实现传统过鱼道的兹常态生态性功能维系。

2.过流道要求底位化，其补水可以采用直接坝上底水，如此可以实现常态化库底水放流。

3.当然过流道也可以具有集传统的水坝泄流闸、导流渠、过船闸的功用。并且其将使水坝横展性更小，竖展性更高，泄流量同样可以很大，它避免了传统泄流道横亘多排、且只排上面水、不能底排放淤的弊端，上游水更新状态将得到根本改观。过流道可以是多种形式，包括阶层延伸式的结构强度会更好，实现各水层、各水位放水的可能性更充裕。

对此，该工程方案中的过流道是很关键的一环。过流道的设置会使水坝工程小型化、安全化、功能全面化、暨整流域区域照顾性更好，形成新常态，河流生态也可以有可靠性保证措施。

因此，流放式水利用工程方案对于全面解决鱼的过坝问题非常值得期待。它不仅可以实现全流层水循环优化，保持库区干净整洁，避免库区呈淤污染，妥善保护好库区鱼的生态环境。而这种将问题扼杀于萌芽状态的理念，更是值得肯定与推崇的环保理念。

[1]高文标,流放式水利用工程方案,CN201410097388.1, E02B9/00(2006.01)I

[2]韦兵，潘赞文，广西长洲水利枢纽过鱼道工程的设计实践，道客巴巴，馆藏：52585

[3]宋德敬，姜辉，关长涛，陈庆生，老龙口水利枢纽工程中鱼道的设计研究，S956.3,A,1000-7075(2008)01-0092-06

[4]广西长洲水电站拦鱼导鱼电柵和过鱼道入口处现场，资料来源：http∶//web.zgny.com.cn/User_Doc/613/Pr oducts/8330/201241818394871616131.html

[5]上庄新闸正式启用 同时落成北京第一条鱼道(图)，资料来源：http∶//www.ce.cn/bjnews/zhengzhi/gonggao/200612/07/t20061207_9695715.shtml

[6]藏木水电站4公里长鱼道正在建设中，资料来源：http∶//www.chinadaily.com.cn/dfpd/xz/2014-11/26/content_18982545.html

[7]世界海拔最高水电站建中国首条鱼道，资料来源：http∶//www.chinadaily.com.cn/dfpd/xz/2014-11/24/content_18967957.html

[8]四川向家坝库区死鱼死因初步判断为氨氮超标，资料来源：http∶//sc.sina.com.cn/news/m/2014-07-15/1405230632.html?from=sc_xgbd

[9]生物学家袁传宓：长江鱼儿洄游的时候我一定要走，资料来源：http∶//www.changjiangtimes.com/2014/01/467791.html

[10]韩国4条主要河流上将建设33条生态鱼道，资料来源：http∶//liuxue.eol.cn/korean_3300/20090917/t20090917_407961.shtml