吴俊东　王翔　翁永红　袁达　张文传

摘要：以金沙江乌东德水电站集运鱼系统方案研究设计为例，开展了工程过鱼目标分析、总体方案研究及集运鱼系统设计。基于乌东德江段河道地形特征和工程布置特点，结合鱼类资源分布及生态习性特征，提出了“尾水集鱼、仿生集运、流水放殖”的总体过鱼方案，实现了“多点位、全深度、大流量”诱鱼，显著提高了集鱼效率。过坝后将鱼类安全运输至上游流水江段放流，保障了鱼类过坝后的洄游、索饵及繁殖过程，放流效果更好。研究成果可为高坝枢纽过鱼提供一种新思路。

关键词：过鱼设施; 集运鱼系统; 乌东德水电站; 金沙江

中图法分类号： S956

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.015

0引 言

过鱼设施是帮助鱼类翻越河道中人工或天然障碍物（大坝、水闸、堰、跌水等）的工程技术手段，是缓解水利水电工程建设对鱼类阻隔影响的重要措施[1-2]。相比欧美发达国家，中国在过鱼设施研究和应用方面起步较晚[2-4]。2000年后，随着国家及社会对生态环境保护的日益重视及主管部门对水利水电开发中环境保护的严格要求，过鱼设施越发受到关注，目前已成为新建水利水电工程的基本环保措施之一[3-4]。

集运鱼系统是过鱼设施的一种特殊形式，是通过一定的方法诱集鱼类进入船舱或其他箱体中，然后通过船只或车辆将鱼类运输过坝的一种过鱼方式，主要应用于中高水头大坝或鱼类需要连续翻越若干个梯级的工程[5]。最早记载的集运鱼系统是苏联在20世纪50年代研发的集鱼船，其中Kochetovskiy集鱼船1970年在顿河支流马内奇河口枢纽开展了试验研究，8 d收集了鲱、鳊、梭鲈等鱼2.5万尾[6]。1958年，美国的下贝克（Lower Baker）坝建成了由拦鱼堰、集鱼和转运设施组成的集运鱼系统[7]，2010年对其进口及引水设施等进行了优化改造，2011年完成改建后取得了较好的过鱼效果。中国在20世纪70年代为解决葛洲坝水利枢纽的过鱼问题，曾开展了集鱼船的相关研发和试验工作[8]。2012年建成的乌江彭水水电站集运鱼系统是中国首例建成运行的集运鱼系统[9-10]，之后冲乎尔水电站、马马崖水电站、马岭水利枢纽、龙开口水电站、果多水电站等多个工程陆续采用了集运鱼系统的过鱼方式[11-16]。

相较鱼道、升鱼机等传统过鱼设施，集运鱼系统具有布置灵活、对主体工程干扰小等优点，同时也存在作业水域受限、对底层鱼类集鱼效果差、噪声振动影响、需要拦鱼措施配合等缺点[8，12]，制约了其实际应用效果。本文结合金沙江乌东德水电站案例，基于当地鱼类生态习性及工程特点，提出了一种利用发电尾水进行集鱼的新型集运鱼系统，旨在为集运鱼系统的设计提供参考，为高坝枢纽过鱼提供新思路。

1工程概况

金沙江是中国重要的水电基地。乌东德水电站是金沙江下游河段乌东德-白鹤滩-溪洛渡-向家坝四级开发的最上游梯级，电站上距攀枝花市213.9 km，下距白鹤滩水电站182.5 km，坝址右岸隶属云南省禄劝县，左岸隶属四川省会东县。工程开发任务以发电为主，兼顾防洪、航运和促进地方经济社会发展。乌东德水电站控制流域面积40.61万km2，多年平均流量3 830 m3/s，徑流量1 207亿m3，正常蓄水位975 m，总库容74.08亿m3，电站装机容量10 200 MW，多年平均发电量389.1亿kW·h。

乌东德水电站为Ⅰ等大（1）型工程，枢纽工程主要由混凝土双曲拱坝、泄洪消能建筑物、左右岸引水发电系统及导流建筑物等组成。混凝土双曲拱坝坝顶高程988 m、最大坝高270 m，采用坝身泄洪表中孔与岸边泄洪洞联合泄洪的方式泄洪。坝后采用护岸不护底水垫塘消能，设置碾压混凝土重力式二道坝，泄洪洞出口采用人工水垫塘消能。坝身布置5个表孔和6个中孔，3条泄洪洞均于左岸靠山侧布置。电站厂房采用两岸各布置6台850 MW混流式水轮发电机组的地下厂房，引水系统采用单机单洞，尾水系统采用两机一洞。施工导流采用河床一次截流、围堰全年挡水、隧洞导流的方案，左岸布置2条低导流隧洞，右岸布置2条低导流隧洞、1条高导流隧洞。乌东德水电站枢纽总布置如图1所示。

2工程过鱼目标分析

确定工程过鱼目标是集运鱼系统设计的基础和主要依据，通过资料调研及现场调查，对鱼类资源及生态习性进行了研究，在此基础上对工程过鱼目的、过鱼种类、过鱼季节进行分析。

2.1鱼类资源及生态习性

根据相关历史文献资料[18-20]，金沙江中下游干支流有历史记录的鱼类约166种。近年来相关单位对金沙江下游江段的鱼类资源调查发现，乌东德河段及其连接江段共调查到鱼类79种，分属10科，其中长江上游珍稀特有鱼类25种，包括圆口铜鱼、长薄鳅、长鳍吻鮈、细鳞裂腹鱼、齐口裂腹鱼等。

通过鱼类生态习性分析，由于长期适应急流生境，乌东德河段鱼类主要以底栖、喜流型鱼类为主。部分鱼类在繁殖季节具有上溯洄游需求，乌东德水电站建设运行后对洄游鱼类及部分短距离迁移鱼类存在一定阻隔影响，长期阻隔对定居性鱼类也会产生一定遗传阻隔影响。因此，有必要开展过鱼设施的建设，以保护鱼类的洄游通道畅通及遗传交流。

2.2过鱼目的

过鱼设施的根本目的在于保护鱼类生活史的完整性，以保护鱼类资源及生物多样性。

根据乌东德水电站及下游白鹤滩水电站的不同蓄水阶段，对鱼类的生境适宜度开展了研究，为科学选择鱼类放流地点提供依据。不同阶段乌东德水电站的过鱼目的如表1所列。

2.3过鱼种类

基于工程过鱼目的，从鱼类过鱼需求、过鱼有效性、保护价值及资源量4个维度，建立了由洄游习性、产卵场江段重要性、库区及上游生境适宜度、特有性、保护优先性、经济价值和资源量现状等7项指标组成的鱼类过坝需求复合评价指标体系，评估乌东德江段及其附近江段79种鱼类的过坝需求。根据该指标体系对近年来调查记录的79种鱼类进行赋分，不同鱼类过鱼优先级如表2所列。

2.4过鱼季节

过鱼设施的根本目的在于保持鱼类的洄游通道畅通。保护鱼类的繁殖过程才能保护鱼类生活史及基因交流，因此过鱼季节主要根据过鱼种类的繁殖季节确定。根据分析，乌东德水电站优先过鱼季节为4～7月，主要过鱼季节为3～7月，2，8，9月为兼顾过鱼季节。

3总体过鱼方案研究

3.1集鱼方案

集鱼是集运鱼系统的核心环节，综合已建各项集运鱼系統工程，集鱼方式可分为移动式和固定式两大类。根据乌东德水电站工程布置及河道地形特点，对移动式集鱼方案（集鱼船、集鱼平台），及固定式集鱼方案（岸边集鱼站、尾水集鱼设施）两类4种集鱼方式进行了技术经济比选。

3.1.1方 案

方案1，集鱼平台方案。该方案由集鱼平台、拦鱼设施及斜坡码头等组成。根据坝下河道地形及水文情势，集鱼平台选址在施期江段，斜坡码头布置在河道右岸，码头至左岸斜向布置拦鱼栅，对上溯鱼类进行引导。作业时集鱼平台停泊在斜坡码头适宜水深处，通过拦鱼栅将鱼类导入集鱼平台进鱼口，通过集鱼平台内的补水设施及拖曳格栅进行诱鱼、集鱼。度汛时，需要通过绞车将集鱼平台牵引至高处以保障度汛安全。

方案2，集鱼船方案。该方案由集鱼船、拦鱼设施、转运码头等部分组成。白鹤滩水电站蓄水前，坝下为不通航河段，不具备集鱼船航行及作业条件。白鹤滩水电站蓄水后，集鱼船可在白鹤滩水电站库区145 km常年回水区进行作业，乌东德水电站坝下38 km变动回水区则基本处于自然河流状态，不具备集鱼作业条件。转运码头布置在常年回水末端五丘田村。集鱼船完成集鱼作业后，航行至转运码头，将鱼类转移至运鱼车中运输过坝。

方案3，岸边式集鱼站方案。该方案由进鱼口、鱼道段、集鱼通道、提升设施、装载设施、补水设施及拦鱼设施等部分组成。岸边集鱼站布置在施期江段，通过拦鱼设施导鱼及补水设施进行诱鱼，诱集鱼类通过提升及装载设施转移至运鱼车中并运输过坝。

方案4，尾水集鱼方案。对于固定式集鱼设施，当集鱼点位于坝下河段时，需要布置拦鱼设施以防止鱼类上溯越过集鱼点。而当集鱼点布置在厂房尾水处时，集鱼点是鱼类上溯的终点，集鱼效率高，因此提出尾水集鱼方案。尾水集鱼方案由集鱼站、尾水集鱼箱、提升设施等部分组成，作业时利用厂房发电尾水诱鱼，通过提升设施将鱼类收集并转移至运鱼车运输过坝。

3.1.2方案比选

集鱼平台及集鱼船两种移动式集鱼方案在乌东德水电站泄洪期间，需要返回港湾或转移至高地处保障设施及人员度汛安全，安全风险较高;岸边集鱼站及尾水集鱼方案两种固定式集鱼方案设施相对稳定，安全性相对较高。集鱼效果方面，集鱼平台、集鱼船及岸边集鱼站方案集鱼点均位于坝下河段，需要通过设置拦鱼栅进行导鱼并通过水泵补水进行诱鱼，其效果对拦鱼有效性依赖性较高，同时水泵补水易产生噪声振动影响鱼类诱集。运行维护方面，集鱼平台、集鱼船及岸边集鱼站方案度汛时拦鱼栅需要进行拆卸组装，运行维护较为不便。

为了更加科学全面进行方案比选，建立了技术经济综合赋分比选体系，从运行安全性、集鱼有效性、工程可行性、投资经济性及维护便利性等5个维度进行方案比选，推荐采用方案4尾水集鱼方案。

3.2放流方式

根据已建集运鱼系统及升鱼机案例，过坝放流方式通常采用坝前直接放流。乌东德水电站蓄水后坝前最大水深约200 m，蓄水后典型过鱼季节（6月）库区流速分布如图2所示，坝前水体流速小于0.10 m/s，低于鱼类的感应流速，若采用坝前直接放流，鱼类在坝前难以感受水流方向，可能造成鱼类洄游的延迟效应。同时，坝前静水区及缓流河段的地质类型、饵料食物组成也与以喜流型鱼类的生态需求存在巨大差异，不利于这些鱼类过坝后的继续洄游、索饵及繁殖，这也被部分学者称为“生态陷阱”[21]。

因此，为保证鱼类过坝后的生境适宜度，本方案提出在库区具有一定流速的流水河段进行放流，以保证其后续洄游、索饵及繁殖等重要生态过程的完整性。

4集运鱼系统设计

4.1系统组成及布置

乌东德水电站集运鱼系统由集鱼系统、提升装载系统、运输过坝系统、码头转运系统、运输放流系统和监控监测系统等部分组成。

集鱼系统是整个集运鱼系统的核心，布置在两岸电站尾水出口处，由右岸尾水集鱼站以及左、右岸尾水集鱼箱组成，利用发电尾水进行诱鱼。提升装载系统包括两岸尾水门机及集鱼站提升装载设备，作用是将收集的鱼类提升至尾水平台暂养，并将鱼类转移装载进入专用运鱼车。运输过坝系统包括专用运鱼车及维生系统，运输路线为尾水平台至坝上转运码头，运输距离约6～8 km，运输时间在30 min之内。转运码头位于坝上游约4.5 km的海子尾巴，运鱼放流船长35.00 m，设置有活鱼运输舱，并配置鱼类维生系统，保证鱼类的运输环境。通过运鱼放流船可将鱼类运输至水库中的流水江段或支流汇口进行放流。集运鱼系统总体布置如图3所示。

乌东德水电站集运鱼系统的过鱼流程为：通过布置在电站尾水的集鱼系统诱集鱼，再通过提升系统将鱼类提升至尾水平台，经过统计暂养，通过专用运鱼车运输至位于坝上的码头，最后转入运鱼船运输至流水江段放流。

4.2集鱼系统

4.2.1集鱼设施选址

集鱼设施原则上应选址在鱼类的密集分布区，最佳位置应是鱼类的上溯终点。鱼类的分布及上溯路径与河道地形及河道水流条件息息相关，本研究通过数值模拟试验及物理模型试验，对不同工况下，坝下河道流场分布进行了分析，代表工况（12台机组发电）下坝下流场分布如图4所示。根据试验结果，下游河道收窄处（金坪子弯道附近），在不同工况下，流速达3.00～5.00 m/s。虽超过一般鱼类克流能力，但考虑到河床两岸边界蜿蜒曲折，河道两侧均存在流速1.00 m/s左右的低速流带，因此，鱼类能够通过该断面继续上溯，进而进入两岸尾水渠。尾水洞出口流速在1.75～5.50 m/s，流速呈射流型分布，中心流速较高，两侧存在低速分离回流区，鱼类在尾水洞口上溯疲劳时，会在此区域休息，然后伺机上溯。因尾水洞口水流翻滚紊乱，部分鱼类会利用水流的动态紊动特性，进入流速相对较低的尾水洞出口段。因此，判断鱼类的密集分布区主要在两岸尾水出口附近。

基于上述对坝下鱼类分布及上溯路径的判断，将集鱼系统设置在两岸尾水，该系统主要由尾水集鱼站和尾水集鱼箱两类集鱼设施组成，集鱼系统布置如图5，6所示。

4.2.2尾水集鱼站

基于对坝下鱼类分布特征及对鱼类上溯路径的判断，在右岸4号尾水洞出口处设计了利用发电尾水进行诱鱼的尾水集鱼站[22-23]。集鱼站处在右岸尾水和二道坝下游缓流区的交界地带，根据对坝下流场及鱼类上溯洄游路径分析，选址在此可兼顾尾水区的喜流型鱼类和二道坝下的广适型鱼类的集鱼需要。集鱼站由集鱼池、进鱼口、防逃笼、拦鱼设施、提升箱、提升轨道等部分组成。

集鱼站利用7号及8号机组的发电尾水进行诱鱼，发电尾水由导水墙引入集鱼池，再从2个进鱼口流出，不同工况下可形成约50～120 m3/s的“大流量”诱鱼水流。集鱼站进鱼口从尾水渠底部（高程800.00 m）贯通至集鱼池顶部（高程830.00 m），可形成覆盖表中底“全深度”的诱鱼水流，满足了底栖、浮游等不同栖息水层鱼类的诱鱼需要。同时，通过进鱼口的特殊布置，在两列进鱼口可形成一大一小两股不同流速的诱鱼水流，通过数值模拟计算（结果见图7），7号及8号机组在单台、双台机组发电等不同组合工况下，集鱼站进鱼口水流均满足鱼类进入条件。

4.2.3尾水集鱼箱

乌东德水电站12台机组分别布置在左右两岸，为进一步扩大集鱼系统的诱集鱼范围，保障两岸鱼类的集鱼效果，设计了可放置在两岸各尾水洞出口、利用电站发电尾水进行诱鱼的尾水集鱼箱[24-25]。集鱼箱主要针对上溯至尾水洞口的流水性鱼类设计，可根据不同发电组合工况放置于各尾水洞出口处。尾水集鱼箱通过尾水门机在尾水检修门槽起吊和下放，可灵活调节作业水深，满足了不同点位、不同水层鱼类的集鱼需要。尾水集鱼箱宽9.2 m，高2.9 m，其中集鱼部分高2.0 m，箱体纵深2.78 m。箱体设有左、右两个防逃进口，呈反向喇叭口结构。集鱼箱内通过特殊的构造形成具有一定体积的缓流区域，满足鱼类停留及休息需要。

通过由右岸尾水集鱼站及左右岸尾水集鱼箱组成的复合型集鱼系统，可实现“多点位、全深度、大流量”集鱼。

4.3提升装载系统

提升装载系统由提升设施、暂养设施及装载设施组成，其中提升设施主要包括左右岸尾水门机及集鱼站提升设施;暂养设施主要包括溜鱼槽、暂养池、喷淋设施及鱼类维生系统;装载设施主要包括装载管、补水设施、排水设施等。提升装载系统布置如图8所示。

4.4运输过坝系统

运输过坝系统主要包括专用运鱼车、运鱼箱、维生系统及配套道路等。专用运鱼车采用厢式货车定制化改造，内部放置运鱼箱。为保证运鱼过程中鱼类的生存条件，车内配置有维生系统，可对运鱼箱内水体进行控温、补氧、过流及循环，同时设置水质监控设备，实现运输水体的实时监控及预警。运鱼车上还配备放流软管，具备放流鱼类的能力。专用运鱼车安装有定位跟踪系统，能够对车辆的行驶轨迹做到实时跟踪、记录和监控。

根据集鱼地点，过坝线路分左岸过坝线路和右岸过坝线路，起点分别为两岸尾水平台，终点为坝上转运码头。其中左岸运输线路全长7.90 km，右岸运输线路全长约6.00 km，过坝运输线路总长度8.56 km，隧洞段3.00 km，运输线路如图3所示。

4.5码头转运系统

鱼类转运码头位于坝址上游4.5 km的海子尾巴，岸坡较为平缓，海子尾巴场地岸侧紧邻右岸高线过坝路，集疏运条件均较好。鱼类转运码头采用下河公路与直立平台相结合方案，下河公路依托现有右岸低线过坝路改造而成，对现有道路向江侧进行拓宽，道路临江侧布置挡土墙。水位在945.00～970.00 m之间变动时，运鱼放流船可沿道路临江侧停靠，通过管道进行鱼类装卸转移。当库区水位在970.00～975.00 m之间变动时，采用直立式平台进行装卸作业，直立平台位于右岸低线过坝路上游，紧靠1号、2号工作船泊位陆域下游布置。平台长约150 m，前沿采用重力式挡土墙结构，平台前沿宽15 m，为装卸作业地带，用于鱼类装卸作业。

4.6运输放流系统

运输放流系统的作用是将鱼类运输至库区适宜江段进行放流，主要包括运鱼放流船、维生系统、放流辅助设备等。运鱼放流船全长约35.00 m，型宽6.60 m，设计航速25 km/h，船主甲板设置鱼类维生舱，舱内设置水循环系统，可保证水体与江水的连通和交换，同时设置鱼类维生及水质监控设备，保证运输水体理化指标满足鱼类需求。

根据集运鱼系统放鱼总体方案，鱼类在转运碼头转入运鱼放流船后，船舶行驶至库区具有一定流速江段进行放流，初拟放流地点为平均流速大于0.2 m/s的水域及各支流汇口处，运行期根据放流效果对放流地点进行动态优化调整。

4.7监控监测系统

为对整个集鱼、提升、分拣、装载、转运、运输、放流全过程各环节进行监控，集运鱼系统设置有视频监控、水下视频监控、在线水质监控、运鱼车定位跟踪系统、运鱼船定位跟踪系统、警报系统等，能够对集运鱼各关键环节进行全程监控，保障集运鱼的有效运行。

5结 论

（1） 通过乌东德水电站集运鱼系统过鱼目标研究发现，在进行过鱼目标论证时，尤其对于高坝大库工程，应充分重视工程成库后鱼类生境的变化，评估不同鱼类过坝后生境适宜度，综合考虑鱼类的过鱼需求、过鱼有效性、保护价值及资源量情况，合理确定工程过鱼目的及过鱼种类，避免出现“生态陷阱”，真正起到保护鱼类的作用。

（2） 根据乌东德水电站工程特性，结合鱼类资源分布行为规律，提出了利用发电尾水进行集鱼的新型尾水集鱼系统，实现了“多点位、全深度、大流量”诱集鱼;同时，将过坝鱼类运输至流水江段放流，保障了鱼类过坝后的洄游、索饵及繁殖过程。该方案具有集诱鱼效率高、适用范围广、运行成本低的特点，具备应用及推广价值，可为同类工程提供借鉴及参考。

（3） 过鱼设施形式多种多样，目前集运鱼系统等新兴过鱼方式仍处在探索及发展过程中，不可循规蹈矩，应充分考虑现场河道、地形、工程布置条件及鱼类生态习性，积极探索适合工程的过鱼方式。本文基于乌东德水电站，提出了“尾水集鱼、仿生集运、流水放殖”的总体过鱼方案[26]，可为高坝枢纽过鱼设施提供新思路。

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（编辑：黄文晋）