枕头坝一级鱼道过鱼效果监测
时间：2023-06-01 14:30:32 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
王 猛，金志军，杜健康，李 聪，班朝军，陈 凡
(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)
拦河筑坝的最直接影响是阻隔效应，很多依赖于水的自然交流的生态过程受阻[1-2]。其中，大坝的阻隔效应直接影响到鱼类的洄游和种群间基因交流，如何减缓大坝的阻隔效应影响受到各界人士的关注。修建鱼道等过鱼设施已成为缓解闸坝阻隔效应的重要措施。以往的鱼道多位于东部沿海和长江下游平原地区，过鱼水头较低，鱼道较短[3]。随着我国水能资源开发进程的加快，我国水利水电工程逐渐向西南转移。西南地区河流大比降、窄河谷的特点造成鱼道过鱼水头较高，高水头、长距离的鱼道随之出现。高水头鱼道因过鱼水头高，鱼道爬坡长，鱼类顺利通过鱼道往往需要较长时间，过鱼条件相对复杂。枕头坝一级水电站鱼道最大过鱼水头34 m，鱼道全长1 228.25 m[4-5]，属于典型的高水头长距离鱼道，本文以枕头坝一级水电站鱼道为例，结合原型监测，分析长距离鱼道的过鱼效果以及影响过鱼效果的因素，以期为其他工程提供参考。
枕头坝一级水电站位于大渡河中游，大坝为混凝土重力坝，最大坝高86.5 m，坝址处多年平均流量1 360 m3/s，正常蓄水位624 m，死水位618 m，水库具有日调节性能。
为了缓解大坝建设对鱼类造成的阻隔效应，枕头坝一级水电站工程在大坝左岸修建了一个竖缝式鱼道，总长1 228.25 m，鱼道池室坡度3.3%，长2.5 m，宽2.0 m，竖缝宽0.3 m，隔板高2.7 m，每隔24个池室设置长5 m的标准休息池。整个鱼道设置了2个观测室、3个进口、3个出口。枕头坝一级水电站鱼道布置见图1。
图1 枕头坝一级水电站鱼道布置示意
鱼道设计的过鱼种类包括：第一类，如齐口裂腹鱼(Schizothoraxprenanti)以及重口裂腹鱼(Schizothoraxdavidi)，资源量较大，是主要的过鱼对象；
第二类，如青石爬鮡(Euchiloglanisdavidi)、裸体鳅鮀(Xenophysogobionudicorpa)、大渡白甲鱼(Onychostomadaduense)、侧沟爬岩鳅(Beaufortialiui)，在该河段资源量较低，为四川省保护鱼类，从物种保护的角度将其作为兼顾过鱼种类；
第三类，为兼顾坝上坝下基因交流，而列为兼顾过鱼对象，可以随机通过[6-7]。鱼道运行期为每年3月～9月(目标鱼类繁殖季节)，每年主要过鱼季节为春季3月～4月及秋季8月～9月。
2.1 材料与方法
2.1.1 鱼道水动力条件监测
通过收集水电站运行资料，统计分析水电站坝上和坝下的水位变化情况；
采用深度传感器和多普勒测深仪测定池室水深；
采用便携式直读流速仪和旋桨流速仪测定鱼道竖缝流速。
2.1.2 坝下渔获物调查
2017年6月～2017年9月和2018年3月～2018年5月(鱼类的繁殖季节，涵盖一个完成的过鱼季节)在坝下2 km河段进行渔获物调查，即在坝下距鱼道进口0.4、0.8 km和2 km处采用3层流刺网进行捕捞，每次采样持续时间为12 h，每个地点4张网，每次持续5 d以上。
2.1.3 坝下水声学探测
2018年4月6日，利用EY60鱼探仪在坝下1 km 河段进行“之”走航探测，水声学探测时船速为8 km/h。2018年5月24～25日，在坝下鱼道进口500 m范围河段左右岸水声学定点探测，2个探测地点分别为：S1(E103°3′6.12″，N29°14′6.12″，坝下右岸，距鱼道进口360 m)和S2(E103°2′51.9″，N29°14′11.88″，坝下左岸，2号鱼道进口处)。坝下水声学定点探测位置见图2。
图2 坝下水声学定点探测位置示意
2.1.4 鱼道视频观测
参照《鱼道：生物学依据、设计标准及监测》中所述的过鱼记录系统，在枕头坝一级水电站鱼道上、下游观测室观测窗前分别设置一组视频监测装置[8]。视频测装置包括反光板、摄像机、存储器和显示屏等构件。反光板上画有刻度线，用以测量过鱼对象的长度，摄像机和存储器24 h不间断运行和存储。依据《四川鱼类志》(丁瑞华，1994)、《中国淡水鱼类检索》(朱松泉，1995)和渔获物调查结果进行种类鉴定，鱼体体长计算公式为
L=(L1/L2)L0
(1)
式中，L为鱼类个体的实际长度；
L0为视频画面中鱼类个体的长度；
L1为实际矩形方框长；
L2为视频中矩形方框长。
2.1.5 鱼道内通过性试验
本研究在枕头坝一级水电站鱼道沿程共设置4个PIT信号接收主机。每个接收主机连接1个PIT线圈，用以探测并记录标记实验鱼通过的时间及编号等信息。2017年8月和2018年9月分别开展鱼类通过性试验，标记放流情况见表1。
表1 PIT标记信息
2.2 结果与分析
2.2.1 鱼道水动力学条件
(1)上下游水位。2018年3月～5月、8月坝前水位相对平稳，主要在621～623 m变动；
7月份水电站泄洪，坝前水位降低，水位集中在618～619 m间。整个过鱼季节，坝前最大水位变幅为4.93 m。3月～5月电站未泄洪，坝下水位相对平稳，水位主要在589～591 m变动；
7月份电站泄洪，坝下水位较高，水位集中在592～594 m内；
8月份坝下水位波动频繁，水位在590～594 m范围内波动。整个过鱼季节，坝下最大水位变幅为7.12 m。坝上坝下水位变化情况见图3。
图3 坝上坝下水位变化情况
(2)鱼道水动力学指标。枕头坝一级鱼道池室沿程水深相对平稳，以2018年典型过鱼季节8月份为例，整个鱼道沿程水深变化在0.73～1.1 m。鱼道竖缝流速在0.2～1.7 m/s，最小流速出现在鱼道进口段，最大流速出现在鱼道下游观测室后的转弯段。
2.2.2 坝下鱼类组成及时空分布
图4 坝下鱼类优势种数量季节差异
根据坝下渔获物的调查分析，从月份上来看，坝下鱼类上溯时间从3月底，4月初开始，5月、6月上溯数量达到最大，7月开始鱼类上溯数量逐渐减少。从鱼类生理学的方面和外界水环境条件推断，枕头坝江段水域4月至7月水温对于鱼类繁殖最为合适，大部分性成熟鱼类可能选择该时段上溯至上游水域进行生殖活动。根据水声学观测，从鱼类昼夜活动来看，坝下的上溯鱼类数量昼夜差异明显，夜间显著多于白天(P<0.05)。各小时通过的个体数量表明，08∶00～20∶00鱼类个体的数量先减少再增加。坝下鱼类昼夜变化见图5。
图5 坝下鱼类昼夜变化
根据水声学监测，从空间分布上来看，在纵向上，鱼类个体主要分布聚集在坝下600 m范围内，距坝越近，数量相对越多，这与大部分鱼类具有趋流性，尽可能循着水流溯流而上到最上游处(物理障碍物或流速流态屏障)的已有认识相符[6，9]；
在横向上，靠近两岸岸边鱼类数量较多，河道中部鱼类数量相对较少[6]，这与河道中部流速过高，岸边流速相对较低，水流条件更适宜鱼类上溯有关。
2.2.3 鱼道内的种类组成
视频监测数据显示，鱼道内鱼类上溯种类和鱼的数量与鱼道内水位密切相关，水深为1.0～2.5 m时，上溯个体比例高达87.2%。其中，水深在 1.5～2.0 m范围时，鱼的上溯数量最大[8]。对比坝下和鱼道内共有的优势种中数量大于50尾的种类(白缘、属)，位于鱼道内的个体较坝下个体偏大(见图6)。
图6 坝下与鱼道内部共有优势种体长频率分布
2.2.4 鱼道通过性
2017年PIT试验表明，2号监测断面鱼类通过率为71%，3号监测断面鱼类通过率为25%，4号监测断面鱼类通过率为23.7%。2018年PIT试验显示，2号监测断面鱼类通过率为81%，3号监测断面鱼类通过率为24%，4号监测断面鱼类通过率为19%。PIT监测显示，试验鱼通过鱼道过坝鱼类用时最短为21 h 23 min，最长为168 h 12 min。
2017年PIT试验和2018年的PIT试验均在当年8月底9月初进行，两次试验电站运行调度工况相似，水温，溶氧，流速和pH等水环境条件也类似。两次PIT试验数据显示，2号PIT监测断面与3号PIT监测断面，鱼类通过率骤降，经现场流速测量，2号至3号断面鱼道区段部分池室因竖缝较小，流速较大，表面流速达1.7 m/s，导致部分鱼类(尤其是规格较小，游泳能力较弱的鱼类)很难克服流速阻力上溯。
2.2.5 鱼类活动时间节律
渔获物调查发现，鱼类上溯存在季节差异，4月～7月份采集数量逐渐增多，8月～9月份采集量又逐渐降低。水声学监测结果表明，坝下鱼类上溯也存在昼夜差异，夜间鱼类探测量显著多于白天(P<0.05)。坝下鱼类昼夜活动节律与鱼道内活动规律相同[10]，2017年9月6日～2017年9月20日，鱼道内部PIT试验中共监测信号1 910个。其中，白天(08∶00～20∶00)共监测到信号837个，占信号总数的43.82%。夜晚(20∶00～08∶00)共监测到信号1 073个，占信号总数的56.18%。2018年9月10日～2018年9月25日，鱼道内部PIT实验中共监测信号2 875个。其中，白天(08∶00～20∶00)监测到信号1 266个，占信号总数的44.03%。夜晚(20∶00～08∶00)共监测到信号1 609个，占信号总数的55.97%。PIT监测信号也间接证明了鱼道内鱼类活动的昼夜节律。
鱼类上溯的昼夜差异可能与鱼类的生活习性相关：对于底栖性鱼类而言，其眼径通常较小，较为喜欢弱光环境，偏向于昼伏夜出；
而对中上层鱼类而言，其眼径通常较大，具有一定的趋光性，表现为昼出夜伏。枕头坝一级水电站位于大渡河流域，坝址上下游土著鱼类多为喜流性底栖鱼类。如裂腹鱼、蛇鮈、青石爬鮡、白缘等。这可能是为什么鱼道内鱼类上溯呈现较为明显的昼夜差异的原因。
2.2.6 过鱼效果影响因素
以往研究和现场监测发现，为保证过鱼设施有良好的性能和过鱼效果，必须满足一定的基本条件：鱼道进口连续出流，流态适合，且位于鱼类集群区域；
鱼道内流态稳定，流速和水深适宜；
鱼道的运行调度切合鱼类的活动规律。
枕头坝一级水电站鱼道的布置设计是在鱼类游泳能力测试和水力学模型试验基础上开展的，并根据坝上和坝下水位变幅情况和水流条件布置了3个鱼道进口和3个鱼道出口，鱼道3个进口均布置在左岸，尾水下游240 m以内范围，位于鱼类集群区域范围内，保证了鱼道进口的适宜性。鱼道内根据水力学模型试验，设置了单侧竖缝隔板，保证了鱼道水流的消能和流态的适宜性。现场水力学监测也表明，鱼道内相邻池室水深和水面线也相对稳定。现场监测发现，鱼道内的水深、流速和运行调度对过鱼效果影响较大：①鱼道内水深小于0.5 m时，鱼道内鱼类上溯量极低，水深在1.0～2.5 m范围时，上溯个体比例达87.2%；
②鱼道的竖缝流速是鱼类通行的限制因素，当竖缝流速在0.2～1.3m/s时，鱼类通过比例达71%以上，当竖缝流速大于1.6 m/s时，枕头坝鱼道的通过率极低；
③鱼道的运行时间与过鱼效果关系密切，夜晚(20∶00～08∶00)过鱼效果明显好于白天；
④鱼道内的漂浮垃圾容易阻塞鱼道，是鱼类通行的不利因素。
国外已见很多鱼道过鱼效果监测与评估研究工作的报道。如，美国相关研究者在哥伦比亚河及其支流蛇河各鱼道采用视频观测和PIT标记技术，实时监测鱼类通过鱼道情况并记录过鱼数量[7，11]；
日本长良川河口堰鱼道采用录像方式记录香鱼幼鱼过闸数量[7]；
巴西伊泰普鱼道采用无线电监测洄游鱼类的游动范围及对不同水流条件下的适应情况[7]；
韩国相关研究者采用张网法和无线电监测法对锦江鱼道进行逐月监测[12]。国内过鱼设施研究起步晚、历时短，近年来，随着部分鱼道工程的建成投运，过鱼效果监测与评估才逐渐展开。1975年徐维忠等[10]采用人工观测方法记录洋塘鱼道过鱼数量；
2012年王珂等[13]采用网具回捕和水声学相结合的方式对崔家营航电枢纽工程鱼道进行监测；
2015年张艳艳等[14]采用张网法和截堵法对水厂坝鱼道进行监测；
2017年马大海等[15]采用视频观测、水声学探测和PIT试验等手段对ZM鱼道过鱼效果进行监测分析。本研究基于国内外情况和现有技术，采用更加成熟的监测手段对鱼道环境条件(水力学指标监测、水温监测)和过鱼情况(视频观测、渔获物调查、水声学探测和PIT标记试验)分别进行监测。根据原型监测结果对影响过鱼效果的因素进行讨论分析，并提出了鱼道优化建议。
3.1 工程改造方案
(1)进口改造。枕头坝一级水电站鱼道进口底板垂直悬空，未与河床相接；
而枕头坝一级水电站的过鱼对象有鳅科和鮡科等营攀爬吸附生活的鱼类，为提供鱼道进口的适宜性和有效性，可在进口设置接底设施。
(2)池室改造。枕头坝一级水电站鱼道坝下部分区段(鱼下0+510.80～鱼下0+318.80)因竖缝过小，造成竖缝流速过大，影响鱼道内部鱼类通行。为改善鱼道池室水流条件，可对鱼下0+510.80～鱼下0+318.80区段进行改造，通过在缝宽过窄处的长隔板上增设底孔，以扩大过流面积，降低竖缝流速，破解鱼类上溯流速屏障。
3.2 运行调度的优化方案
(1)电站运行：①枕头坝一级水电站在不影响防洪和发电效益的情况下，应尽可能维持高水位运行，以保证过鱼季节鱼道正常运行水深；
②发电机组运行时，优先开启靠近鱼道侧机组，以增大鱼道进口诱鱼集鱼效果。
(2)鱼道运行：①鱼道运行应重点保障4～7月份，并加强夜间运行调度(20∶00～08∶00)；
②鱼道调度应根据上下游水位变化，对鱼道进水量和运行水位进行控制，保证鱼道内水深在1.0～2.5m范围；
③鱼道出口闸门开启根据坝上水位选择，鱼道进口根据下游水位进行选择，当下游水位过高时，开启诱鱼水流，塑造较强的吸引流条件。
3.3 运行管理优化方案
(1)鱼道运行维护。枕头坝一级水电站鱼道成立专门的鱼道管理部门，并隶属于枕头坝电厂运行维护处，配置专职和兼职人员，负责日常运行和管理，包括设备保养和观测统计、资料的研究发布和科普展示等工作。
(2)鱼道垃圾清理。大渡河枕头坝段存在大量的漂浮垃圾，为了解决面临的垃圾堵塞问题，我们利用“上溯鱼类”和“漂浮垃圾”的自主选择性设计了一个类似“八字网”的鱼道内部垃圾拦截清理装置，既不影响鱼道运行，又方便垃圾清理[16]。
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