喬 娟 張立仁 陳 禛 劉 攀 崔婷婷 朱海峰

（1.三峽大學 科技學院，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學 水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌 443002）

某些魚種在生命周期中的繁殖、仔魚孵化、肥育和越冬等幾個階段需要從河道的下游洄溯到上游來完成，而水利工程中擋水建筑物的修建不可避免地會阻斷原河道的連通性，影響魚類的正常洄游，對其生存造成一定的影響.大力發(fā)展水利的同時維持水生態(tài)的完整性已成為當今中國的一大主題，目前我國也已頒布了相應的法律、法規(guī)推動水利工程中過魚設施的建設［1－4］.

水利工程中的過魚建筑物主要有魚道、升魚機、魚閘、集運魚船等，各類過魚建筑物皆有一定的適用條件.我國已建水利工程中的中、高壩近4 000座，另目前我國規(guī)劃的12大水電建設基地中，在建和已規(guī)劃興建的水利工程中均以中、高壩為主，而升魚機相對較適合于中、高水頭的水利工程，故升魚機在我國具有一定的應用前景［5］.基于此，同時考慮降低工程投資、合理配置資源、優(yōu)化當前升魚機結構的設計方案等，本研究提出了一種新型的、人魚兩用的升魚機結構.

1 現(xiàn)行升魚機的工作原理及建設情況

1.1 現(xiàn)行升魚機的工作原理

國內(nèi)外現(xiàn)行升魚機的工作原理主要是通過誘魚設施將魚類誘進金屬網(wǎng)籠或水槽式的承魚箱，再以起重機械垂直升降或索道牽引傾斜升降的方法實現(xiàn)承魚箱過壩，經(jīng)典結構如圖1～2所示，其中圖1為美國應用廣泛的霍利約克型升魚機，圖2為目前世界上提升高度最大的朗德布特壩升魚機，最大提升高度為132m.

圖1 霍利約克型升魚機運行示意圖

圖2 朗德布特壩升魚機運行示意圖

1.2 升魚機的建設現(xiàn)狀

目前我國關于升魚機設計的報道僅有兩個，一個是貴州省北盤江流域的馬馬崖一級水利樞紐升魚機過魚設計方案［6］，其最大升魚高度為77.05m，但該工程結合壩址上下游江段為典型狹谷、河道深切等特點，過魚建筑物最后選用了集運魚系統(tǒng)方案.另一個見于2013年4月在我國廣西南寧舉行的“水利水電工程生態(tài)保護暨河流連通性恢復國際研討會”會上，水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設計研究院張芃工程師對山口水利樞紐升魚機設計方案的報道.總的來說，我國目前尚無建成的升魚機.

1.3 現(xiàn)行升魚機在設計及運行中存在的問題［5－7］

1）升魚原理方面.目前國內(nèi)外升魚機的設計方案均為機械提升式的，較單一，在今后的設計中可以參照升船機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下游的誘魚方法較單一，多采用水流誘魚.水流誘魚在設計上主要有兩方面的體現(xiàn)，一是在工程樞紐布置時，多將升魚機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水引至升魚機下游集魚道內(nèi)，制造誘魚水流.但多數(shù)工程因未進行目標魚類的生態(tài)習性基礎試驗研究，造成了在誘魚水流的流動模式、速度、水流的紊動性和增氧水平等方面的設計上沒有與目標魚類的特點相對應，因而誘魚效果不佳，影響升魚機的工作效果.另誘魚措施也應該根據(jù)目標魚類的生理習慣進行多元化設計.

3）無規(guī)范、標準、指南可循問題.目前國內(nèi)尚無已審批通過的過魚設施設計規(guī)范，僅有有關部門組織編寫并發(fā)布了《水利水電工程魚道設計導則》及《水電工程過魚設施設計規(guī)范》的征求意見稿，但這兩本規(guī)范及設計指南中也并無升魚機相關的專題章節(jié).

4）運行管理及過魚效果的評估不到位.國外的部分已建工程因早期工程缺少維護、缺少長系列的觀測分析資料，無法評估過魚效果，最后導致升魚機逐漸失去過魚能力，這方面的問題在中國已建的其他類型的過魚設施中也同樣存在.

2 人魚兩用升魚機結構的提出、結構組成及應用

2.1 人魚兩用升魚機結構理念的提出

過魚設施的修建不可避免地會增加工程的建設及維護費用，而其利用率對相對較低，每年僅過魚的個別季節(jié)才得以啟用.另如前所述，升魚機結構本身也存在一定的不足或需要加以改進的地方.綜合考慮以上兩點，結合升魚機在我國水利工程中的應用前景，為了降低工程總投資，優(yōu)化資源利用率，并升級建筑物的結構及過魚效果，本文提出了一種新型的人魚兩用的升魚機結構.

人魚兩用升魚機結構主旨為實現(xiàn)壩體交通電梯的人魚共用，在原理上將傳統(tǒng)機械提升式升魚機的過魚拓展至平衡重式的電梯過魚；在結構設計上通過對水利工程中混凝土壩體內(nèi)布置的交通電梯進行結構改造，在魚類洄游季節(jié)對其進行合理的運行調(diào)度，既可作壩體檢查及運行維護交通電梯用，又可作升魚機用；在方案實施上既可以應用于新工程的興建，也可以應用于設有壩體交通電梯的已建水利工程升魚機過魚建筑物的補建改造.

隨著計劃經(jīng)濟的瓦解，大學生群體被拋入市場經(jīng)濟的浪潮之中，面臨著嚴酷的競爭。 在生存壓力的重擔之下，大學生群體極易滋生功利短視的價值追求，視個體物質(zhì)需求和享受的滿足為第一要務，對集體主義教育及其所弘揚的集體主義原則置若罔聞。

2.2 人魚兩用升魚機結構的結構組成

綜合以往的升魚機實例，為達到良好的集魚、升魚及驅(qū)魚效果，本人魚兩用升魚機結構過魚結構應包含以下幾部分：

1）人魚兩用電梯廂，即對交通電梯的電梯廂進行止水密封改造，可根據(jù)過人及過魚要求分別實現(xiàn)干、濕運.

2）垂直支架、事故制動裝置、電氣控制系統(tǒng)等，同壩體內(nèi)交通電梯相應配套設備.

3）補水及排水系統(tǒng).用于電梯廂的充、放水，可以通過在電梯廂及壩體相應部位埋設與上游水庫及排水廊道等相連的管道等實現(xiàn).

4）上、下游集魚池或引魚道.需通過在導魚設計高程要求的上、下游壩體對應部位開設過魚通道來實現(xiàn).

5）上、下游閘首結構.需在上、下游導魚道與電梯廂門相對接處、上游出魚道與水庫相連處、下游集魚道的進口處設置.

6）移動驅(qū)魚裝置.為使魚類能夠按設計路線前進，可在集魚道、集魚池及承魚箱內(nèi)設置移動式的驅(qū)魚柵或聲、光、電等驅(qū)魚設施.

7）集魚情況探測裝置.該結構可用于自動探測并統(tǒng)計集魚量的多少，如水下監(jiān)測探頭等，可布置于電梯廂及導魚道等結構內(nèi).當其監(jiān)測到電梯廂內(nèi)聚集足夠數(shù)量的魚時方才啟動，以保證升魚機的過魚的效率.

8）誘魚設施.參考國內(nèi)外的相關研究報道［2－5，7］，為達到良好的集魚效果，保證升魚機的應用效果，應根據(jù)具體的目標魚種，在進行基礎試驗的基礎上，在集魚池、導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 人魚兩用升魚機結構的實例結構展示

為了便于對人魚兩用升魚機結構結構的理解，現(xiàn)以一重力壩工程為例，對人魚兩用升魚機結構的結構設計進行展示.

2.3.1 結構組成及尺寸

如圖3～4所示，在總結了國內(nèi)外已建和在建的升魚機及魚道工程結構，并參考了《水利水電工程魚道設計導則》及《水電工程過魚設施設計規(guī)范》征求意見稿，本例中人魚兩用升魚機結構結構由下游導魚設施、下游集進魚通道、觀察控制段、電梯設施、上游出魚設施5大部分組成.

圖4 升魚機下游部分結構示意圖

1）下游導魚設施.包括電站廠房尾水，設于電站廠房下游與集進魚通道間電驅(qū)魚柵及攔魚柵網(wǎng)，聲、光、噴水花灑誘魚系統(tǒng)，將上游庫水經(jīng)壩頂、下游壩面敷設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)電梯下游進魚通道、壩后直線段導墻、喇叭口過渡段、集魚渠段組成.

3）觀察控制段.下游集進魚通道進口處布置有可移動的驅(qū)魚柵和超聲波探魚器，并設置有過魚設施檢修閘門及其啟閉設備.另為了便于非過魚季節(jié)壩體運行維護，下游集進魚道與壩體相交處也設有一道擋水閘門及其啟閉設備，同時該閘門對應的啟閉機房內(nèi)除布置固定式的啟閉機外，還布置有驅(qū)魚柵運行控制設備、探魚器監(jiān)控控制設備等.

4）電梯結構.兼有運人及運魚功能的壩內(nèi)交通電梯的電梯廂上應設有上、下游雙向開啟的廂門系統(tǒng)，并作止水改造處理.另電梯井對應于壩體檢修排水及灌漿廊道處、下游集進魚道終端及上游壩體出魚道入口處也應分別設置對接電梯廂門的自動啟、閉門系統(tǒng).

5）上游出魚設施.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有擋水閘門，在非過魚時間段內(nèi)應關閉.滑梯入口銜接壩內(nèi)出魚通道并敷設于上游壩面，主要是在庫水位低于出魚通道出口時起作用.

2.3.2 過魚過程說明

魚類洄游季節(jié)，水電站廠房的尾水產(chǎn)生的擾動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)再將魚攔截在紊動能較大的尾水區(qū)域以外，沿即定路線設置的產(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魚通道入口處，之后再被設置至下游電梯廂門處的虹吸管產(chǎn)生魚感應水流、誘魚劑等將洄游魚引入集進魚通道中.當監(jiān)控裝置顯示進入集進通道段的魚達到一定的數(shù)量后，驅(qū)魚柵開始啟動，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，將電梯廂內(nèi)的魚放出，經(jīng)壩體內(nèi)出魚通道、上游壩面滑梯后進入上游水庫，人魚兩用升魚機結構的整個上行過魚過程完成.

3 結 語

總的來說，人魚兩用升魚機結構的創(chuàng)新特色主要可以總結為以下幾個方面：1）對機械提升式升魚機結構進行了運行原理上的改進，即“電梯原理過魚”，使升魚機具有了過壩歷時短、通過能力大、運行安全可靠、操作方便等優(yōu)點.2）人魚兩用升魚機結構結構既可以用于新工程過魚設施的修建，也可以用于已建工程過魚設施的補建，相對于單純興建升魚而言，既可以降低工程的建設費用，合理利用及配置資源作，同時其運行維護也更加的及時及規(guī)范.3）人魚兩用升魚機結構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性引導其過壩，最大程度上對洄游魚類實施了生理保護.

總之，結合我國水利工程及過魚設施的建設現(xiàn)狀，人魚兩用升魚機結構相對于單獨修建過魚建筑物的方案而言具有成本低、易實施、過魚快等特點.但結合國內(nèi)外過魚建筑物的運行效果，人魚兩用升魚機結構運用的過程中也應注意以下幾方面：1）誘魚措施的設計一定要以目標魚類的生理習性基礎試驗研究為基礎，綜合考慮其對水流特征、光學特征、聲音特征等的偏好，以便使誘魚措施能夠發(fā)揮實效.2）加強人魚兩用升魚機結構運行期的觀測與研究工作，不斷優(yōu)化其結構.3）在對過魚建筑物自身結構優(yōu)化設計及評價的同時，也要進行水利工程環(huán)境影響因素的綜合評價、監(jiān)測及治理，保護庫區(qū)魚類原有棲息地生存環(huán)境的維護與修復.

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