小石峡水电站集运鱼系统设计研究

寇晓梅，万 帆，王 琪，周 琳，陈 浩，李厚峰

（1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065；2.陕西省“四主体一联合”河湖生态系统保护与修复校企联合研究中心，西安 710065；3.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，西安 710024）

集运鱼系统是过鱼设施的一种， 是通过人工集鱼和运输手段实现鱼类过坝的措施， 该措施具有适应性强、易于布置、运行灵活等特点［1］，适应新建的中高坝工程， 以及已建工程补建过鱼设施等情形。国外在美国哥伦比亚河、蛇河、贝克河等水库工程建设了集运鱼系统［2］，主要用于库区下行过鱼；国内在乌江彭水水电站、北盘江马马崖水电站、金沙江龙开口水电站、 南盘江马岭水利枢纽工程等建设了上行集运鱼系统［3］。 本文以新疆小石峡水电站为例，开展集运鱼系统工艺设计和系统设计研究， 以期为类似工程设计研究提供参考。

1 工程概况

小石峡水电站位于阿克苏河支流库玛拉克河上，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峡水电站、协合拉水利枢纽、塔尕克电站、吐木秀克水电站，小石峡水电站上游的大石峡水利枢纽正在建设中。

小石峡水电站为径流式电站， 工程由混凝土面板堆石坝、表孔溢洪道、深孔泄洪洞、发电引水洞及岸边式电站厂房组成，最大坝高61.3m。 水库正常蓄水位1480m，死水位1478m，调节库容590万m3，具有日调节能力。 电站装机容量137.5MW，工程已于2012年投产发电。

根据《中华人民共和国水法》、《中华人民共和国渔业法》等相关规定，在河流上修建永久拦河闸坝，对渔业资源有严重影响时，应当建设过鱼设施。2016年在大石峡水利枢纽项目论证中提出， 为恢复库玛拉克河连通性， 小石峡水电站和协合拉水利枢纽分别补建过鱼设施，结合大石峡水利枢纽鱼类增殖站，形成鱼类保护综合体系， 对保护库玛拉克河特有鱼类、维护河流生物遗传多样性发挥积极作用。

小石峡水电站最大坝高61.3m，属中高坝，结合枢纽布置、运行方式及工程安全等因素，经过方案比选，提出在小石峡水库坝下补建集运鱼系统，缓解已建小石峡及拟建大石峡两座大坝对河流鱼类的阻隔影响。

2 过鱼目标

2.1 河段鱼类资源调查

工程所在的库玛拉克河段属典型山谷性河流，河流纵向比降大，水流湍急，年平均水温较低，鱼类组成以裂腹鱼和高原鳅类为主， 属典型的高原鱼类区系。根据实际调查及历史调查成果，工程所在河段主要鱼类有塔里木裂腹鱼、 宽口裂腹鱼、 厚唇裂腹鱼、重唇裂腹鱼、斑重唇鱼、叶尔羌高原鳅、长身高原鳅等7种，其中塔里木裂腹鱼和斑重唇鱼被列入《新疆维吾尔自治区重点保护水生野生动物名录》，保护级别为自治区Ⅱ级。

2.2 过鱼对象

综合考虑河段过鱼需求和过鱼价值， 结合工程对鱼类产生的影响及鱼类资源调查结果， 确定集运鱼系统主要过鱼对象为自治区Ⅱ级保护鱼类——塔里木裂腹鱼和斑重唇鱼， 以及具有短距离洄游特性的宽口裂腹鱼、厚唇裂腹鱼、重唇裂腹鱼，兼顾过鱼对象为河段土著鱼类——叶尔羌高原鳅和长身高原鳅。除重唇裂腹鱼主要产卵季节为6—8月外，其他鱼类的主要产卵季节均为5—7月， 故确定集运鱼系统主要过鱼时段为5—8月。 综合考虑调查的渔获物及其性成熟规格，确定集运鱼系统过鱼对象规格为80～350mm。

根据对库玛拉克河土著鱼类游泳能力测试结果，确定诱鱼口的流速在0.6～1.15m/s；集鱼通道内流速在0.25～0.60m/s，特殊工况下，如丰水年丰水期水量较大时，集鱼通道内最大流速不超过0.8m/s。

3 集运鱼系统设计研究

3.1 系统型式

考虑小石峡水电站为已建成工程， 且坝高超过60m，从与电站枢纽建筑物布置、地形地质条件及不影响工程安全、河道行洪等因素分析，选用合理可行的结构型式。小石峡水电站诱鱼水位变幅相对小，且鱼类聚集点较为集中， 因此选择可连续集鱼的固定式集鱼设施［4］。

3.2 工艺设计

3.2.1 集鱼系统

（1）诱鱼口工艺。影响鱼类进入诱鱼口的因素较多，其中关键性的因素主要包括流速、水深等。 在进行诱鱼口设计时，应尽量实现多种流速分布的情况，以满足不同鱼类、 不同季节均能够成功被发现并进入。 结合河段鱼类特征， 确定诱鱼口水深不小于1.0m，基本上是河段最大鱼类体高的2倍；类比同类工程，确定诱鱼口的开口宽度不小于2m。

（2）集鱼通道工艺。集鱼通道的主要功能是将进入进鱼口的鱼类暂时保存在通道内。 集鱼通道采用敞开式，通道宽度要求大于最大过鱼体长2倍，一般为2～5m。 通道长度应既能容纳一定数量的鱼类长时间停留，同时集鱼通道中应具有一定的流速。

（3）集鱼斗工艺。目前普遍使用的集鱼斗结构主要有自带防逃笼型和沉底式两种类型。 沉底式提升箱不易对鱼类造成伤害，且过鱼数量多、规格大、种类多，且满足过鱼周期长的特点，小石峡水电站确定采用沉底式提升箱。

（4）拖曳格栅工艺。 拖曳格栅是将集鱼通道内鱼类驱赶进集鱼斗的设施。为防止鱼类逃出，栅格规格为2cm（高）×20cm（宽）。 对拖曳格栅与集鱼通道间较大空隙设置毛刷样结构，防止鱼类逃逸。

（5）接底设施工艺。为消除诱鱼口进口底板高程与河床存在的高程差， 考虑在进口处设混凝土浇筑或抛石处理的接底设施，增加糙率并模拟自然底质。

3.2.2 运鱼系统

常用转运方式主要有轨道转运、 水道转运和运鱼车转运。 小石峡水电站不具备轨道转运和水道转运的条件，故选择运鱼车转运。

（1）运鱼车工艺。运鱼车转运是将鱼类诱集到运鱼箱后转至专门的运鱼车， 运鱼车需配备在线监控系统，实时监控运输过程中水质变化和鱼箱内情况，为保证过鱼能力， 需配备两台活鱼运输车， 一备一用，充氧水运输时间一般控制在40h内。

（2）运鱼箱工艺。 考虑设备投资及运输效率，运鱼箱应选择适中大小。 为保证箱体中水质达到运输要求，运鱼箱中需设有鱼类维生系统，该系统主要包括控温系统、充氧系统、水质监测系统及砂滤系统。

3.2.3 放流系统

放流系统由放流平台、 鱼类运输暂养系统等组成。由于已配备转运车及运鱼箱维生系统，故不设置鱼类运输暂养系统。

（1）放流点工艺。 应选择在河势相对平缓、有一定水流指引、方便运输和放流操作的河段，同时应避开人为干扰、水质污染的水域。

（2）放流设施工艺。 鱼类转运至放流区域后，需要将鱼放流至其适宜水域，一般采用滑道形式，滑道必须光滑，而且横截面最好为圆形，以减少鱼类放流过程中受到伤害，为了防止鱼受伤或受惊吓，卸鱼和接受水面间的落差高度不应超过5m。

3.3 系统设计

3.3.1 集鱼系统

小石峡水电站集鱼建筑物布置于尾水渠末端下游约50m河床左岸，顺水流方向布置。 诱鱼系统建筑物主要包括引渠段、消能段、集鱼斗段、驻留池段、诱鱼口段、闸门控制室、集鱼室、赶鱼控制室、分拣观察室、转运平台等，主要设备为流量控制闸门、拦鱼栅、集鱼斗和赶鱼栅、流速控制闸门等。

集鱼建筑物底板高程与尾水渠末端底板高程一致，边墙顶高程与尾水渠末端护坡顶高程一致。集鱼建筑物体型尺寸为：长60m、底板内宽3m、两侧边墙高5.84m。 其中引渠段长15.5m，消能段长度为18.3m，集鱼斗段长度为3.2m，驻留池段长度为13m，诱鱼口长度为10m。流量控制闸门启闭机室布置于集鱼建筑物流量控制闸门上方，尺寸为5m×7m，高4m，内部安装固定卷扬机。 拦鱼栅启闭机室布置于集鱼建筑物消能段的上方，尺寸为6.5m×7m，高4m，内部安装固定卷扬机。 捕鱼室布置于集鱼建筑物集鱼斗池室上方，尺寸为7m×7m，高4m，内部安装固定卷扬机。分拣观察室布置在捕鱼室左侧，尺寸为7m×7m，高4m，内设玻璃观察窗。 赶鱼栅启闭机室布置在集鱼建筑物驻留池段末端上方，尺寸为5m×7m，高4m，内部安装固定卷扬机。 流速控制闸门室布置于建筑物流速控制闸门左侧上方，尺寸为6m×6m，高4m，内部安装固定卷扬机。 小石峡集鱼系统布置如图1。

图1 小石峡集鱼系统结构布置

3.3.2 转运及放流系统

运鱼箱内腔尺寸为2m×2m×1m （长×宽×高），满载自重约10t。 运鱼箱为焊接钢结构封闭式容器，集成供氧、流水系统；顶部设有400mm×400mm的进鱼口，可以自动启闭；侧部设有Φ300mm的放鱼口，以便将鱼卸于放流系统溜槽上。 运鱼路线起点为小石峡坝址处， 终点为铁米尔苏河放流码头， 总长度46.84km，其中新建专用公路的长约4.34km。 小石峡放流系统布置如图2。

图2 小石峡放流系统布置

4 集鱼系统模型试验

4.1 模型设计及试验工况

为合理确定诱鱼口位置， 构建坝下河道流场模型（比例尺为1∶50），分析坝下游河道的流场分布情况；同时通过1∶5比例尺集鱼系统模型试验和数值模拟， 验证集鱼系统建筑物进口水力学条件是否满足诱鱼的控制参数要求。 试验工况如表1。

表1 试验工况

4.2 坝下河道流场试验结果分析

模型试验对不同尾水出口流量工况下坝下游天然河道流场进行了测量分析，结果表明，拟定布置的方案河道主流偏向于左侧， 左岸边与主流较大流速之间存在满足鱼类上溯的贯穿性通道， 集鱼槽所在河道左岸近岸区适合过鱼对象上溯。小流量（生态流量）时诱鱼口附近流速偏小，须调节集鱼槽流速控制闸门门缝开度，增大诱鱼口局部流速，使其与周围环境水流形成明显的流速梯度， 吸引鱼类进入集鱼建筑物。 机组发电工况，引渠工作闸门全开条件下，诱鱼口附近流速值满足0.63～1.15m/s范围的要求。 洪水工况，诱鱼口附近流速大于1.15m/s，须通过调节集鱼槽水量控制闸门和其他工程措施， 改善集鱼槽进鱼口水流条件，形成适合鱼类上溯的进口水流条件。试验测试结果表明， 诱鱼口下游较长河段左岸边水流流速满足鱼类上溯要求，且集鱼槽下游水流平顺，适合布置集鱼设施。

4.3 集鱼系统模型试验结果分析

结合集鱼建筑物整体水工模型试验成果， 通过单体模型试验对小流量（生态流量）时的水流条件控制进行了分析。比较补水方案和不补水方案，提出诱鱼口设置“一字门”的改善措施，利用集鱼槽上下游天然水位差，调节一字门门缝开度，增大诱鱼口局部流速，使其与周围环境水流形成明显的流速梯度，以吸引鱼类进入集鱼建筑物。生态流量下，进鱼口控制闸门门缝宽度在0.34～0.83m之间即可满足诱鱼流速0.63～1.15m/s的要求， 且诱鱼口存在诱鱼流速梯度。各工况下驻留池流速小， 可保障鱼类在其内活动时有较好的舒适性。 不同门缝宽条件下集鱼槽内流速分布如图3、图4。

图3 生态流量时集鱼槽内流速分布（门缝宽0.83m，控制流速0.63m/s）

图4 生态流量时集鱼槽内流速分布（门缝宽0.34m，控制流速1.15m/s）

5 结语

（1）集运鱼系统建设是一种被动的过鱼方式，但其具有适应中高坝、易于布置、运行灵活等特点，具有较好的推广应用前景。 以新疆库玛拉克河小石峡水电站集运鱼系统设计为例， 介绍了集运鱼系统工作基础、工艺设计、系统设计、水工模型试验等，为类似工程过鱼设施设计提供借鉴。

（2）由于我国集运鱼系统建设还处于起步阶段，彭水水电站、马马崖水电站、龙开口水电站、马岭水利枢纽等水利水电工程已建成集运鱼系统， 但因时间短，长系列过鱼效果监测数据还不充分，建议今后应持续关注效果监测评估， 以此作为系统调度运行和工程优化改进的基础。同时，还应加强鱼类行为学基础科学研究，为诱鱼、集鱼、运鱼提供技术支撑，提高过鱼效果，为恢复和改善河流生态系统完整性、多样性发挥积极作用。