湖北碾盘山水利水电枢纽工程过鱼设施方案研究

湖北碾盘山水利水电枢纽工程过鱼设施方案研究

王文泽1肖旭2

1.汉江碾盘山水电开发有限责任公司湖北省武汉市430071；

2.汉江水利水电（集团）有限责任公司湖北省武汉市430071

摘要：水利水电工程建设不仅阻隔了洄游鱼类的通道，对半洄游性鱼类和非洄游性鱼类也有很强的阻隔效应。已有研究表明，由于大坝的阻隔，完整的河流环境被分割成不同的片段，鱼类生境的片段化和破碎化导致形成大小不同的异质种群，种群间基因不能交流，使各个种群的遗传多样性降低，导致种群灭绝的概率增加。因此，碾盘山水利水电枢纽建设过鱼设施，恢复河流的连通性，对保护所在水域鱼类资源具有主要作用。

关键词：水利工程；过鱼设施；研究

一、工程基本情况

湖北碾盘山水利水电枢纽工程位于荆门钟祥市文集镇沿山头，枢纽正常蓄水位为50.72m，死水位50.32m，校核洪水位50.84m，调节库容0.83亿m3，总库容9.02亿m3，电站装机容量为180MW，多年平均发电量6.16亿千瓦时。工程区处在鄂中丘陵与汉江平原的过渡带上，中部和南部为汉江冲积平原，汉江两侧为堤防或高地，水库属于平原河槽型水库。根据《防洪标准》（GB50201—94）和《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》（DL/5180-2003），综合考虑工程任务和规模，确定碾盘山水利水电枢纽工程为Ⅱ等大（2）型工程。

二、工程影响分析

水利水电工程建设不仅阻隔了洄游鱼类的通道，对半洄游性鱼类和非洄游性鱼类也有很强的阻隔效应。已有研究表明，由于大坝的阻隔，完整的河流环境被分割成不同的片段，鱼类生境的片段化和破碎化导致形成大小不同的异质种群，种群间基因不能交流，使各个种群的遗传多样性降低，导致种群灭绝的概率增加。

同时，碾盘山水利水电枢纽最大坝高23.72m，最大水头为11.2m，卵苗下行过坝虽会受到水轮机的伤害，但仍会有较高的成活率，加上多数鱼类繁殖与洪水过程协同，在洪水期敞泄情况下，伤害会很小，因此，碾盘山水利水电枢纽建设过鱼设施，恢复河流的连通性，对保护所在水域鱼类资源具有主要作用。

三、过鱼设施方案比选研究

大坝过鱼的措施较多，主要包括鱼道、仿自然通道、鱼闸、升鱼机、集运鱼系统等，不同的过鱼方式对不同类型的阻隔影响和不同生态习性的鱼类的过鱼效果差异较大，需要进行综合比选。

（一）仿自然通道

仿自然通道是在岸上人工开凿的类似与自然河流的小型溪流，通过溪流底部、沿岸由石块堆积成的障碍物的摩阻起到消能减缓流速的目的，适应河流生态恢复的原则。仿自然通道示意图如下：

图3.1-1仿自然通道示意图

（二）鱼闸

鱼闸的工作原理和运行方式与船闸相似。由于鱼类在鱼闸中凭借水位上升，不必溯游便可过坝，故又称水力升鱼机。鱼闸须适应上游水位一定的变幅，下游进口多有一短鱼道相接，必要时设拦鱼、诱鱼、导鱼设施。鱼闸的历史远较鱼道要短，例如苏联伏尔加河上的伏尔加格勒鱼闸，是双线式鱼闸，即有两个并列的闸室和下游槽（也可归类于升鱼机），水位差27.5m。据1962－1978年统计，该水力升鱼机过鱼种类主要有鲟类、小白鲑、鲱、鲇等，年过鱼28.8－1301.4万尾。鱼闸常布置在厂房附近，和主体工程一并考虑，从运行和大坝的安全考虑，一般一级鱼闸不宜承担过高水头，水头高的情况下，需设置多级鱼闸。鱼闸的缺点是不能连续过鱼，工程难度大，仅适用于过鱼量不大的枢纽。另外，需较多的机电设备，维修费用较高。

图3.2-1鱼闸示意图

（三）鱼道

我国已建的过鱼设施，基本上都是鱼道。鱼道的过鱼效果，国内外均有较多成功的实例，我国的洋塘鱼道监测表明，其过鱼种类20多种，年过鱼量平均50万尾，最高年过鱼量达70多万尾。鱼道优势在于不需要人工操作，可以持续过鱼，因此，运行费用低。其缺点是鱼道设计长度一般较长，设计难度高，造价高。再者，鱼类在鱼道中上溯需要耗费很大能量。国外有报道，鲑鱼因通过鱼道过鱼疲劳，在血液中积存了大量的乳酸，呈生理中毒而死亡。在过鱼效果上，由于鱼道进口和出口的位置、高程都是固定的，鱼道运行时的流速、流态受上游水位和流量影响大，很不稳定。因此，鱼道多适用于中低水头水利枢纽。

图3.3-1鱼道示意图

（四）方案比选

本工程考虑了仿自然通道、鱼闸和鱼道共三个方案，并对各方案进行了设计，现从鱼类生态习性适应性、工程可操作性、建设条件、投资几个方面对各方案进行比选。

1.仿自然通道

仿自然通道是在岸上人工开凿的类似与自然河流的小型溪流，通过溪流底部、沿岸由石块堆积成的障碍物的摩阻起到消能减缓流速的目的，适应河流生态恢复的原则。在过鱼能力方面，由于具有类似天然河流的底质及水流条件，仿自然通道具有一定优势。鱼类适应性方面两种方案差异不大。但由于仿自然通道坡度较缓，通道较长且较宽，开挖量较大，工程造价较高。在运行维护上，仿自然通道由于主要有块石堆砌而成，在日常运行中石块在频繁的水位变化和水流冲击作用下易改变位置，影响通道的水力学条件，需要较多的维护工作。

其劣势主要是由于仿自然通道坡度相对较小，边坡开挖量大，所需空间大，长度较长，一般运用在下游水位差不大的工程上，鉴于本工程下游运行水位变幅6-7m，仿自然通道一般深度为1.0m-1.5m，并采用1：2左右边坡，其截面呈梯形，适应水位变幅能力较差，且在水位高低变化时，通道内水流条件会受到较大影响，修建4个或以上的进口，各进口之间的频繁交替运行及水力学条件变化可能对进鱼存在影响，因此下游的水位变幅极大影响了仿自然通道在本工程中的进口工作效率。

此外，考虑到碾盘山水利水电枢纽初步设计的电站厂房所在的右岸为公路，且受坝上公路的阻隔，不利于仿自然通道的布置。

2.鱼闸

鱼闸常布置在厂房附近，和主体工程一并考虑，由于鱼类在鱼闸中凭借水位上升，不必溯游便可过坝，故又称水力升鱼机。鱼闸须适应上游水位一定的变幅，下游进口多有一短鱼道相接，必要时设拦鱼、诱鱼、导鱼设施。鱼闸的历史远较鱼道要短。从运行和大坝的安全考虑，一般一级鱼闸不宜承担过高水头，水头高的情况下，需设置多级鱼闸。鱼闸的缺点是不能连续过鱼，工程难度大，仅适用于过鱼量不大的枢纽。另外，需较多的机电设备，维修费用较高。碾盘山水利水电枢纽最大水头11.23m，需要设计一级鱼闸，工程难度大，需要进行机械操作，所以过鱼量不是很多，鱼类过坝后由于坝前流态复杂，鱼类被卷吸进入水轮机的可能性较大，过鱼效果不理想。因此鱼闸方案不适合碾盘山水利水电枢纽过鱼。

3.鱼道方案

鱼道作为河流连通性恢复的重要措施，不仅能够缓解鱼类上溯阻隔影响，而且还能起到沟通上下游水系联系的作用，具有恢复生态廊道的功能。因此，鱼道发展受到高度重视，特别是中低水头大坝过鱼措施的选择上，鱼道的建设基本上是首选，并逐渐改进和完善，出现了象仿自然旁通道类与自然环境协调的鱼道新形式。碾盘山水利水电枢纽运行水头较低，鱼道具有不需要人工操作，能够维持一定的水系连通，且可持续过鱼，过鱼效果稳定，运行费用低等优点。但鱼类在鱼道中上溯需要耗费很大能量，通过长距离鱼道会产生过于疲劳，从而在血液中积存了大量的乳酸，呈生理中毒，上溯鱼类容易中途折返。我国修建的过鱼设施中鱼道应用最多。鱼道优势在于能够维持一定的水系连通，不需要人工操作，可以持续过鱼，因此运行费用低。其缺点是不同的鱼道往往对过鱼对象有一定的选择性，设计长度一般较长，设计难度高，造价高。

四、综合比选分析及结论

从诱集鱼和过鱼效果、工程布置的可行性、工程可靠性、可操作性、建设工期、工程量以及工程投资等多方面综合考虑，建议在碾盘山水利水电枢纽建立鱼道。

鱼道设施位置布置一般有以下几个原则：1）鱼道进口要在保证其流量、流速及水深的基础上最大可能的适应闸坝下游的水位变化。当水位变化较大、一个进口无法适应该变化时，可考虑在不同位置设置多个进口；2）鱼道的进口一般布置在经常有水流下泄、鱼类洄游路线及鱼类经常集群的地方，并尽可能靠近鱼类能上溯到达的最前沿；3）鱼道进口附近的水流不应有漩涡、水跃和回流，漩涡、水跃和回流等均有可能将洄游鱼类困住，从而导致其无法找到鱼道进口；4）鱼道进口处较大的流量及较高的流速，容易被鱼类发现和分辨，更易于将鱼类从闸坝的其他泄流处吸引过来，有利于鱼类的集结，从而方便鱼类找到鱼道的进口。

综上分析，建议将鱼道设施整体布置在厂房尾水及右岸阶地上，由集鱼及补水系统、鱼道段、大型休息池及进出口闸门、观察室等其他附属设施组成。

鱼道集鱼及补水系统布置在靠近右岸，由补水池、集鱼池及引水管道、蝶阀等组成。观察室设置在厂前区处，为下挖式混凝土结构房间，和鱼道相邻侧设置玻璃幕墙以便观察，在厂前区设置进出楼梯。鱼道两侧墙的顶部设防护网，对人员起到安全防护作用，也可避免杂物从两侧落入鱼道，还可防止当地人进入鱼道捕鱼。

同时，根据碾盘山水利水电枢纽推荐方案枢纽总布置格局的要求是船闸布置在右岸、发电厂房布置在右岸，为了避免通航造成的油污、噪声对过鱼的影响，鱼道布置在右岸是可行的。