枕頭壩一級魚道過魚效果監測

王 猛，金志軍，杜健康，李 聰，班朝軍，陳 凡

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

攔河筑壩的最直接影響是阻隔效應，很多依賴于水的自然交流的生態過程受阻[1-2]。其中，大壩的阻隔效應直接影響到魚類的洄游和種群間基因交流，如何減緩大壩的阻隔效應影響受到各界人士的關注。修建魚道等過魚設施已成為緩解閘壩阻隔效應的重要措施。以往的魚道多位于東部沿海和長江下游平原地區，過魚水頭較低，魚道較短[3]。隨著我國水能資源開發進程的加快，我國水利水電工程逐漸向西南轉移。西南地區河流大比降、窄河谷的特點造成魚道過魚水頭較高，高水頭、長距離的魚道隨之出現。高水頭魚道因過魚水頭高，魚道爬坡長，魚類順利通過魚道往往需要較長時間，過魚條件相對復雜。枕頭壩一級水電站魚道最大過魚水頭34 m，魚道全長1 228.25 m[4-5]，屬于典型的高水頭長距離魚道，本文以枕頭壩一級水電站魚道為例，結合原型監測，分析長距離魚道的過魚效果以及影響過魚效果的因素，以期為其他工程提供參考。

1 工程概況

枕頭壩一級水電站位于大渡河中游，大壩為混凝土重力壩，最大壩高86.5 m，壩址處多年平均流量1 360 m3/s，正常蓄水位624 m，死水位618 m，水庫具有日調節性能。

為了緩解大壩建設對魚類造成的阻隔效應，枕頭壩一級水電站工程在大壩左岸修建了一個豎縫式魚道，總長1 228.25 m，魚道池室坡度3.3%，長2.5 m，寬2.0 m，豎縫寬0.3 m，隔板高2.7 m，每隔24個池室設置長5 m的標準休息池。整個魚道設置了2個觀測室、3個進口、3個出口。枕頭壩一級水電站魚道布置見圖1。

圖1 枕頭壩一級水電站魚道布置示意

魚道設計的過魚種類包括：第一類，如齊口裂腹魚(Schizothoraxprenanti)以及重口裂腹魚(Schizothoraxdavidi)，資源量較大，是主要的過魚對象；第二類，如青石爬鮡(Euchiloglanisdavidi)、裸體鰍鮀(Xenophysogobionudicorpa)、大渡白甲魚(Onychostomadaduense)、側溝爬巖鰍(Beaufortialiui)，在該河段資源量較低，為四川省保護魚類，從物種保護的角度將其作為兼顧過魚種類；第三類，為兼顧壩上壩下基因交流，而列為兼顧過魚對象，可以隨機通過[6-7]。魚道運行期為每年3月～9月(目標魚類繁殖季節)，每年主要過魚季節為春季3月～4月及秋季8月～9月。

2 過魚效果觀測

2.1 材料與方法

2.1.1 魚道水動力條件監測

通過收集水電站運行資料，統計分析水電站壩上和壩下的水位變化情況；采用深度傳感器和多普勒測深儀測定池室水深；采用便攜式直讀流速儀和旋槳流速儀測定魚道豎縫流速。

2.1.2 壩下漁獲物調查

2017年6月～2017年9月和2018年3月～2018年5月(魚類的繁殖季節，涵蓋一個完成的過魚季節)在壩下2 km河段進行漁獲物調查，即在壩下距魚道進口0.4、0.8 km和2 km處采用3層流刺網進行捕撈，每次采樣持續時間為12 h，每個地點4張網，每次持續5 d以上。

2.1.3 壩下水聲學探測

2018年4月6日，利用EY60魚探儀在壩下1 km 河段進行“之”走航探測，水聲學探測時船速為8 km/h。2018年5月24～25日，在壩下魚道進口500 m范圍河段左右岸水聲學定點探測，2個探測地點分別為：S1(E103°3′6.12″，N29°14′6.12″，壩下右岸，距魚道進口360 m)和S2(E103°2′51.9″，N29°14′11.88″，壩下左岸，2號魚道進口處)。壩下水聲學定點探測位置見圖2。

圖2 壩下水聲學定點探測位置示意

2.1.4 魚道視頻觀測

參照《魚道：生物學依據、設計標準及監測》中所述的過魚記錄系統，在枕頭壩一級水電站魚道上、下游觀測室觀測窗前分別設置一組視頻監測裝置[8]。視頻測裝置包括反光板、攝像機、存儲器和顯示屏等構件。反光板上畫有刻度線，用以測量過魚對象的長度，攝像機和存儲器24 h不間斷運行和存儲。依據《四川魚類志》(丁瑞華，1994)、《中國淡水魚類檢索》(朱松泉，1995)和漁獲物調查結果進行種類鑒定，魚體體長計算公式為

L=(L1/L2)L0

(1)

式中，L為魚類個體的實際長度；L0為視頻畫面中魚類個體的長度；L1為實際矩形方框長；L2為視頻中矩形方框長。

2.1.5 魚道內通過性試驗

本研究在枕頭壩一級水電站魚道沿程共設置4個PIT信號接收主機。每個接收主機連接1個PIT線圈，用以探測并記錄標記實驗魚通過的時間及編號等信息。2017年8月和2018年9月分別開展魚類通過性試驗，標記放流情況見表1。

表1 PIT標記信息

2.2 結果與分析

2.2.1 魚道水動力學條件

(1)上下游水位。2018年3月～5月、8月壩前水位相對平穩，主要在621～623 m變動；7月份水電站泄洪，壩前水位降低，水位集中在618～619 m間。整個過魚季節，壩前最大水位變幅為4.93 m。3月～5月電站未泄洪，壩下水位相對平穩，水位主要在589～591 m變動；7月份電站泄洪，壩下水位較高，水位集中在592～594 m內；8月份壩下水位波動頻繁，水位在590～594 m范圍內波動。整個過魚季節，壩下最大水位變幅為7.12 m。壩上壩下水位變化情況見圖3。

圖3 壩上壩下水位變化情況

(2)魚道水動力學指標。枕頭壩一級魚道池室沿程水深相對平穩，以2018年典型過魚季節8月份為例，整個魚道沿程水深變化在0.73～1.1 m。魚道豎縫流速在0.2～1.7 m/s，最小流速出現在魚道進口段，最大流速出現在魚道下游觀測室后的轉彎段。

2.2.2 壩下魚類組成及時空分布

圖4 壩下魚類優勢種數量季節差異

根據壩下漁獲物的調查分析，從月份上來看，壩下魚類上溯時間從3月底，4月初開始，5月、6月上溯數量達到最大，7月開始魚類上溯數量逐漸減少。從魚類生理學的方面和外界水環境條件推斷，枕頭壩江段水域4月至7月水溫對于魚類繁殖最為合適，大部分性成熟魚類可能選擇該時段上溯至上游水域進行生殖活動。根據水聲學觀測，從魚類晝夜活動來看，壩下的上溯魚類數量晝夜差異明顯，夜間顯著多于白天(P<0.05)。各小時通過的個體數量表明，08∶00～20∶00魚類個體的數量先減少再增加。壩下魚類晝夜變化見圖5。

圖5 壩下魚類晝夜變化

根據水聲學監測，從空間分布上來看，在縱向上，魚類個體主要分布聚集在壩下600 m范圍內，距壩越近，數量相對越多，這與大部分魚類具有趨流性，盡可能循著水流溯流而上到最上游處(物理障礙物或流速流態屏障)的已有認識相符[6，9]；在橫向上，靠近兩岸岸邊魚類數量較多，河道中部魚類數量相對較少[6]，這與河道中部流速過高，岸邊流速相對較低，水流條件更適宜魚類上溯有關。

2.2.3 魚道內的種類組成

視頻監測數據顯示，魚道內魚類上溯種類和魚的數量與魚道內水位密切相關，水深為1.0～2.5 m時，上溯個體比例高達87.2%。其中，水深在 1.5～2.0 m范圍時，魚的上溯數量最大[8]。對比壩下和魚道內共有的優勢種中數量大于50尾的種類(白緣、屬)，位于魚道內的個體較壩下個體偏大(見圖6)。

圖6 壩下與魚道內部共有優勢種體長頻率分布

2.2.4 魚道通過性

2017年PIT試驗表明，2號監測斷面魚類通過率為71%，3號監測斷面魚類通過率為25%，4號監測斷面魚類通過率為23.7%。2018年PIT試驗顯示，2號監測斷面魚類通過率為81%，3號監測斷面魚類通過率為24%，4號監測斷面魚類通過率為19%。PIT監測顯示，試驗魚通過魚道過壩魚類用時最短為21 h 23 min，最長為168 h 12 min。

2017年PIT試驗和2018年的PIT試驗均在當年8月底9月初進行，兩次試驗電站運行調度工況相似，水溫，溶氧，流速和pH等水環境條件也類似。兩次PIT試驗數據顯示，2號PIT監測斷面與3號PIT監測斷面，魚類通過率驟降，經現場流速測量，2號至3號斷面魚道區段部分池室因豎縫較小，流速較大，表面流速達1.7 m/s，導致部分魚類(尤其是規格較小，游泳能力較弱的魚類)很難克服流速阻力上溯。

2.2.5 魚類活動時間節律

漁獲物調查發現，魚類上溯存在季節差異，4月～7月份采集數量逐漸增多，8月～9月份采集量又逐漸降低。水聲學監測結果表明，壩下魚類上溯也存在晝夜差異，夜間魚類探測量顯著多于白天(P<0.05)。壩下魚類晝夜活動節律與魚道內活動規律相同[10]，2017年9月6日～2017年9月20日，魚道內部PIT試驗中共監測信號1 910個。其中，白天(08∶00～20∶00)共監測到信號837個，占信號總數的43.82%。夜晚(20∶00～08∶00)共監測到信號1 073個，占信號總數的56.18%。2018年9月10日～2018年9月25日，魚道內部PIT實驗中共監測信號2 875個。其中，白天(08∶00～20∶00)監測到信號1 266個，占信號總數的44.03%。夜晚(20∶00～08∶00)共監測到信號1 609個，占信號總數的55.97%。PIT監測信號也間接證明了魚道內魚類活動的晝夜節律。

魚類上溯的晝夜差異可能與魚類的生活習性相關：對于底棲性魚類而言，其眼徑通常較小，較為喜歡弱光環境，偏向于晝伏夜出；而對中上層魚類而言，其眼徑通常較大，具有一定的趨光性，表現為晝出夜伏。枕頭壩一級水電站位于大渡河流域，壩址上下游土著魚類多為喜流性底棲魚類。如裂腹魚、蛇鮈、青石爬鮡、白緣等。這可能是為什么魚道內魚類上溯呈現較為明顯的晝夜差異的原因。

2.2.6 過魚效果影響因素

以往研究和現場監測發現，為保證過魚設施有良好的性能和過魚效果，必須滿足一定的基本條件：魚道進口連續出流，流態適合，且位于魚類集群區域；魚道內流態穩定，流速和水深適宜；魚道的運行調度切合魚類的活動規律。

枕頭壩一級水電站魚道的布置設計是在魚類游泳能力測試和水力學模型試驗基礎上開展的，并根據壩上和壩下水位變幅情況和水流條件布置了3個魚道進口和3個魚道出口，魚道3個進口均布置在左岸，尾水下游240 m以內范圍，位于魚類集群區域范圍內，保證了魚道進口的適宜性。魚道內根據水力學模型試驗，設置了單側豎縫隔板，保證了魚道水流的消能和流態的適宜性?，F場水力學監測也表明，魚道內相鄰池室水深和水面線也相對穩定?，F場監測發現，魚道內的水深、流速和運行調度對過魚效果影響較大：①魚道內水深小于0.5 m時，魚道內魚類上溯量極低，水深在1.0～2.5 m范圍時，上溯個體比例達87.2%；②魚道的豎縫流速是魚類通行的限制因素，當豎縫流速在0.2～1.3m/s時，魚類通過比例達71%以上，當豎縫流速大于1.6 m/s時，枕頭壩魚道的通過率極低；③魚道的運行時間與過魚效果關系密切，夜晚(20∶00～08∶00)過魚效果明顯好于白天；④魚道內的漂浮垃圾容易阻塞魚道，是魚類通行的不利因素。

3 魚道適應性優化策略

國外已見很多魚道過魚效果監測與評估研究工作的報道。如，美國相關研究者在哥倫比亞河及其支流蛇河各魚道采用視頻觀測和PIT標記技術，實時監測魚類通過魚道情況并記錄過魚數量[7，11]；日本長良川河口堰魚道采用錄像方式記錄香魚幼魚過閘數量[7]；巴西伊泰普魚道采用無線電監測洄游魚類的游動范圍及對不同水流條件下的適應情況[7]；韓國相關研究者采用張網法和無線電監測法對錦江魚道進行逐月監測[12]。國內過魚設施研究起步晚、歷時短，近年來，隨著部分魚道工程的建成投運，過魚效果監測與評估才逐漸展開。1975年徐維忠等[10]采用人工觀測方法記錄洋塘魚道過魚數量；2012年王珂等[13]采用網具回捕和水聲學相結合的方式對崔家營航電樞紐工程魚道進行監測；2015年張艷艷等[14]采用張網法和截堵法對水廠壩魚道進行監測；2017年馬大海等[15]采用視頻觀測、水聲學探測和PIT試驗等手段對ZM魚道過魚效果進行監測分析。本研究基于國內外情況和現有技術，采用更加成熟的監測手段對魚道環境條件(水力學指標監測、水溫監測)和過魚情況(視頻觀測、漁獲物調查、水聲學探測和PIT標記試驗)分別進行監測。根據原型監測結果對影響過魚效果的因素進行討論分析，并提出了魚道優化建議。

3.1 工程改造方案

(1)進口改造。枕頭壩一級水電站魚道進口底板垂直懸空，未與河床相接；而枕頭壩一級水電站的過魚對象有鰍科和鮡科等營攀爬吸附生活的魚類，為提供魚道進口的適宜性和有效性，可在進口設置接底設施。

(2)池室改造。枕頭壩一級水電站魚道壩下部分區段(魚下0+510.80～魚下0+318.80)因豎縫過小，造成豎縫流速過大，影響魚道內部魚類通行。為改善魚道池室水流條件，可對魚下0+510.80～魚下0+318.80區段進行改造，通過在縫寬過窄處的長隔板上增設底孔，以擴大過流面積，降低豎縫流速，破解魚類上溯流速屏障。

3.2 運行調度的優化方案

(1)電站運行：①枕頭壩一級水電站在不影響防洪和發電效益的情況下，應盡可能維持高水位運行，以保證過魚季節魚道正常運行水深；②發電機組運行時，優先開啟靠近魚道側機組，以增大魚道進口誘魚集魚效果。

(2)魚道運行：①魚道運行應重點保障4～7月份，并加強夜間運行調度(20∶00～08∶00)；②魚道調度應根據上下游水位變化，對魚道進水量和運行水位進行控制，保證魚道內水深在1.0～2.5m范圍；③魚道出口閘門開啟根據壩上水位選擇，魚道進口根據下游水位進行選擇，當下游水位過高時，開啟誘魚水流，塑造較強的吸引流條件。

3.3 運行管理優化方案

(1)魚道運行維護。枕頭壩一級水電站魚道成立專門的魚道管理部門，并隸屬于枕頭壩電廠運行維護處，配置專職和兼職人員，負責日常運行和管理，包括設備保養和觀測統計、資料的研究發布和科普展示等工作。

(2)魚道垃圾清理。大渡河枕頭壩段存在大量的漂浮垃圾，為了解決面臨的垃圾堵塞問題，我們利用“上溯魚類”和“漂浮垃圾”的自主選擇性設計了一個類似“八字網”的魚道內部垃圾攔截清理裝置，既不影響魚道運行，又方便垃圾清理[16]。