枕頭壩一級(jí)水電站豎縫式魚(yú)道過(guò)魚(yú)效果初探

陳國(guó)柱，王 猛，王海勝，鮑江輝，羅 思，馬衛(wèi)忠，喬 曄

(1.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081；2.國(guó)電大渡河枕頭壩水電建設(shè)有限公司，四川 樂(lè)山 614700；3.中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所，湖北 武漢 430072；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；5.武漢中科瑞華科技股份有限公司，湖北 武漢 430072)

0 概 述

閘壩工程的建設(shè)阻隔了樞紐上下游魚(yú)類(lèi)自由交流，造成魚(yú)類(lèi)資源量下降[1-2]。而魚(yú)道被視為有效緩解閘壩阻隔魚(yú)類(lèi)自由交流的手段之一[3]。但魚(yú)道的設(shè)計(jì)、建設(shè)與運(yùn)行，需要經(jīng)歷認(rèn)識(shí)—實(shí)踐—再認(rèn)識(shí)—再實(shí)踐的反復(fù)過(guò)程[4]，過(guò)魚(yú)效果是評(píng)價(jià)魚(yú)道功能的重要指標(biāo)。

過(guò)魚(yú)設(shè)施在國(guó)外已有數(shù)百年的研究歷史，國(guó)外學(xué)者在其功用和過(guò)魚(yú)效果評(píng)價(jià)方面進(jìn)行了諸多研究，美國(guó)對(duì)哥倫比亞下游及其支流蛇河過(guò)魚(yú)效果進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列監(jiān)測(cè)[5]；奧地利、捷克、丹麥、澳大利亞對(duì)其境內(nèi)的過(guò)魚(yú)設(shè)施進(jìn)行了大量的監(jiān)測(cè)評(píng)估工作[6]；Larinier提出了過(guò)魚(yú)效果與過(guò)魚(yú)效率2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)[7]。目前，國(guó)外用于魚(yú)類(lèi)監(jiān)測(cè)的主流方法可分為計(jì)數(shù)方法和標(biāo)記技術(shù)兩大類(lèi)。計(jì)數(shù)方法主要有誘捕統(tǒng)計(jì)、自動(dòng)電阻計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)、視頻觀(guān)測(cè)計(jì)數(shù)、紅外掃描計(jì)數(shù)和聲學(xué)探測(cè)計(jì)數(shù)；標(biāo)記技術(shù)包括視覺(jué)標(biāo)記、生物標(biāo)記和遙測(cè)技術(shù)。近年來(lái)，被動(dòng)感應(yīng)技術(shù)PIT(passive integrated transponder)因其定位精度高，使用壽命長(zhǎng)(幾近無(wú)限)，信號(hào)響應(yīng)速度快(可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè))等優(yōu)點(diǎn)，受到越來(lái)越多學(xué)者和研究人員的關(guān)注和應(yīng)用[8-9]。我國(guó)過(guò)魚(yú)設(shè)施設(shè)計(jì)和研究起步晚、歷時(shí)短，關(guān)于過(guò)魚(yú)設(shè)施過(guò)魚(yú)效果的研究報(bào)道較少，1975年安徽省巢湖地區(qū)巢湖水產(chǎn)資源調(diào)查小組[10]和1982年湖南水產(chǎn)研究所徐維忠[11]等分別對(duì)裕溪閘魚(yú)道和洋塘魚(yú)道過(guò)魚(yú)效果進(jìn)行觀(guān)測(cè)，統(tǒng)計(jì)分析了過(guò)魚(yú)數(shù)量、過(guò)魚(yú)種類(lèi)和過(guò)魚(yú)個(gè)體大小；2013年李捷[3]等采用張網(wǎng)法和截堵法對(duì)連江西牛魚(yú)道運(yùn)行效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，王珂[12]等采用網(wǎng)具回捕和水聲學(xué)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)通過(guò)崔家營(yíng)航電樞紐工程魚(yú)道魚(yú)類(lèi)的種類(lèi)、規(guī)格、數(shù)量和生物學(xué)性狀進(jìn)行了調(diào)查；2011年～2014年譚細(xì)暢等[13]利用堵截法對(duì)長(zhǎng)洲水利樞紐魚(yú)道過(guò)魚(yú)種群結(jié)構(gòu)進(jìn)行了評(píng)估；2015年～2016張艷艷[14]等采用張網(wǎng)法統(tǒng)計(jì)分析了廣州流溪河水廠(chǎng)壩魚(yú)道的過(guò)魚(yú)種類(lèi)組成，并分析了季節(jié)、上游水位對(duì)魚(yú)道過(guò)魚(yú)效果的影響。

枕頭壩一級(jí)水電站魚(yú)道工程位于大渡河中游樂(lè)山市金口河區(qū)段，是大渡河流域第一個(gè)開(kāi)展魚(yú)道試運(yùn)行的項(xiàng)目。本文在分析國(guó)內(nèi)外過(guò)魚(yú)設(shè)施監(jiān)測(cè)評(píng)估研究的基礎(chǔ)上，采用視頻觀(guān)測(cè)分析、PIT跟蹤標(biāo)記的方法對(duì)枕頭壩一級(jí)水電站魚(yú)道過(guò)魚(yú)效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)估，以期為枕頭壩一級(jí)水電站生態(tài)調(diào)度、魚(yú)道運(yùn)行以及流域后續(xù)過(guò)魚(yú)設(shè)施效果監(jiān)測(cè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 枕頭壩一級(jí)水電站魚(yú)道概況

枕頭壩一級(jí)水電站是大渡河干流水電開(kāi)發(fā)的第19個(gè)梯級(jí)，位于四川省樂(lè)山市，壩址處多年平均流量1 360 m3/s，正常蓄水位高程624 m，最大壩高86.5 m。過(guò)魚(yú)設(shè)施沿大壩左岸布置，總長(zhǎng)1 228.25 m，上下水頭差34 m，采用豎縫式橫隔板魚(yú)道槽身。魚(yú)道池室坡度i=3.3%，長(zhǎng)2.5 m，寬2.0 m，豎縫寬0.3 m，隔板高2.7 m；每隔24個(gè)池室設(shè)置長(zhǎng)5 m的標(biāo)準(zhǔn)休息池(見(jiàn)圖1)。魚(yú)道整體設(shè)置了2個(gè)觀(guān)測(cè)室，3個(gè)進(jìn)口，3個(gè)出口，進(jìn)口和出口工作水深均為1.0～2.5 m。

圖1 枕頭壩一級(jí)水電站魚(yú)道池室(左)與休息池室(右)的結(jié)構(gòu)示意

枕頭壩一級(jí)水電站魚(yú)道設(shè)計(jì)過(guò)魚(yú)目標(biāo)分為3類(lèi)：第一類(lèi)，如齊口裂腹魚(yú)(Schizothoraxprenanti)和重口裂腹魚(yú)(Schizothoraxdavidi)，資源量較大，是主要過(guò)魚(yú)對(duì)象；第二類(lèi)，如青石爬鮡(Euchiloglanisdavidi)、裸體鰍鮀(Xenophysogobionudicorpa)、大渡白甲魚(yú)(Onychostomadaduense)、側(cè)溝爬巖鰍(Beaufortialiui)，在該河段資源量較低，為四川省保護(hù)魚(yú)類(lèi)，從物種保護(hù)的角度將其作為兼顧過(guò)魚(yú)種類(lèi)；第三類(lèi)，為兼顧壩上壩下基因交流，而列為兼顧過(guò)魚(yú)對(duì)象，可以隨機(jī)通過(guò)[15]。魚(yú)道運(yùn)行期為每年3月～9月(目標(biāo)魚(yú)類(lèi)繁殖季節(jié))，每年主要過(guò)魚(yú)季節(jié)為春季3月～4月及秋季8月～9月。

1.2 監(jiān)測(cè)方法

1.2.1 視頻監(jiān)測(cè)

視頻監(jiān)測(cè)裝置參照《魚(yú)道：生物學(xué)依據(jù)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及監(jiān)測(cè)》中所述的過(guò)魚(yú)記錄系統(tǒng)自動(dòng)錄像示意圖制作而成。在魚(yú)道上、下游觀(guān)測(cè)室觀(guān)測(cè)窗前分別設(shè)置一組視頻監(jiān)測(cè)裝置。視頻監(jiān)測(cè)裝置包括攔魚(yú)導(dǎo)魚(yú)板、攝像機(jī)、存儲(chǔ)器(海康威視)和顯示屏等構(gòu)件。攝像機(jī)攝像范圍為長(zhǎng)117 cm、高65 cm的矩形框，攔魚(yú)導(dǎo)魚(yú)板上畫(huà)有刻度線(xiàn)，用以測(cè)量過(guò)魚(yú)對(duì)象的長(zhǎng)度，視頻監(jiān)測(cè)裝置24 h不間斷運(yùn)行和存儲(chǔ)。通過(guò)存儲(chǔ)設(shè)備自帶的視頻分析工具對(duì)2017年4月至7月的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行智能篩選，記錄上溯及下行魚(yú)類(lèi)的數(shù)量及個(gè)體體長(zhǎng)。依據(jù)《四川魚(yú)類(lèi)志》(丁瑞華，1994)、《中國(guó)淡水魚(yú)類(lèi)檢索》(朱松泉，1995)，通過(guò)肉眼觀(guān)察記錄，并結(jié)合上、下游漁獲物調(diào)查結(jié)果，對(duì)魚(yú)道內(nèi)魚(yú)類(lèi)進(jìn)行種類(lèi)鑒定。魚(yú)體體長(zhǎng)計(jì)算公式為

L=(L1/L2)×Lo

(1)

式中，L為魚(yú)類(lèi)個(gè)體的實(shí)際長(zhǎng)度；Lo為視頻畫(huà)面中魚(yú)類(lèi)個(gè)體的長(zhǎng)度；L1為實(shí)際矩形框長(zhǎng)；L2為視頻中矩形方框長(zhǎng)。

1.2.2 PIT標(biāo)記檢測(cè)

表1 PIT標(biāo)記信息 cm

圖2 PIT檢測(cè)布置點(diǎn)(Z1～Z4為PIT監(jiān)測(cè)布置點(diǎn))

1.3 生物多樣性分析

匯總下游觀(guān)測(cè)室每月魚(yú)類(lèi)數(shù)據(jù)，計(jì)算魚(yú)道內(nèi)每個(gè)月生物多樣性。

多樣性指數(shù)H=-∑PilnPi

(2)

物種豐富度指數(shù)D=(S-1)/lnN

(3)

均勻度指數(shù)J=H/lnS

(4)

式中，Pi為每月第i種的個(gè)體數(shù)與總個(gè)體數(shù)比值；S為每批次的魚(yú)類(lèi)種類(lèi)數(shù)；N為每月采集到的魚(yú)類(lèi)個(gè)體數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本研究采用spss13.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，并采用T檢驗(yàn)進(jìn)行差異性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 魚(yú)道內(nèi)魚(yú)類(lèi)種類(lèi)組成

表2 枕頭壩一級(jí)水電站魚(yú)道內(nèi)優(yōu)勢(shì)種及裂腹魚(yú)的體長(zhǎng)

注：裂腹魚(yú)為齊口裂腹魚(yú)和重口裂腹魚(yú)統(tǒng)稱(chēng)。

2.2 魚(yú)道內(nèi)魚(yú)類(lèi)上溯的時(shí)間節(jié)律

由圖3可知，魚(yú)道內(nèi)上溯魚(yú)類(lèi)的種類(lèi)及數(shù)量均呈現(xiàn)一定的季節(jié)差異，4月～7月期間，4月～5月的日平均上溯量較高，5月上溯魚(yú)類(lèi)種類(lèi)最多，多達(dá)13種。相比之下，7月魚(yú)道內(nèi)上溯魚(yú)類(lèi)種類(lèi)及數(shù)量均最少，分別為8種和2尾/日。多樣性分析結(jié)果顯示，5月的豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)在監(jiān)測(cè)月份中最高，均勻度指數(shù)最低，而7月的均勻度指數(shù)最高(表 3)。由圖4可知，在4個(gè)監(jiān)測(cè)月份中均有一定數(shù)量分布，蛇鮈、鲇、白緣、青石爬鮡等優(yōu)勢(shì)種類(lèi)存在明顯的季節(jié)差異。4月～5月蛇鮈的上溯數(shù)量相比于6月～7月較高，鲇在6月～7月上溯數(shù)量較多，白緣在6月的上溯量明顯多于其他月份，青石爬鮡則在7月具有最大的上溯量。由圖5可知，魚(yú)道內(nèi)魚(yú)類(lèi)上溯的數(shù)量同樣呈現(xiàn)明顯的晝夜節(jié)律，夜間(18:00～06:00)上溯魚(yú)類(lèi)的數(shù)量顯著性多于白天(06:00～18:00)(P<0.05)。

圖3 魚(yú)道過(guò)魚(yú)數(shù)量和種類(lèi)季節(jié)差異

表3 枕頭壩一級(jí)水電站魚(yú)道4月～7月上溯魚(yú)類(lèi)的多樣性

圖4 魚(yú)道優(yōu)勢(shì)種相對(duì)多度

圖5 魚(yú)道不同時(shí)段過(guò)魚(yú)數(shù)量頻率分布

2.3 魚(yú)道通過(guò)性

PIT出口接收機(jī)共探測(cè)到3種魚(yú)，分別為齊口裂腹魚(yú)、重口裂腹魚(yú)和泉水魚(yú)，探測(cè)種類(lèi)占標(biāo)記魚(yú)類(lèi)種類(lèi)的50%；投放試驗(yàn)魚(yú)3日內(nèi)，出口PIT信號(hào)感應(yīng)裝置共探測(cè)到魚(yú)類(lèi)數(shù)量為15尾，占標(biāo)記魚(yú)類(lèi)總數(shù)的21.4%；出口探測(cè)魚(yú)類(lèi)體長(zhǎng)范圍12.4～37.1 cm，與標(biāo)記魚(yú)體長(zhǎng)范圍無(wú)顯著性差異(P>0.05)。

2.4 水位對(duì)過(guò)魚(yú)效果的影響

統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)期間電站和魚(yú)道的調(diào)度運(yùn)行資料，并結(jié)合魚(yú)道內(nèi)的魚(yú)類(lèi)記錄情況，繪制魚(yú)道過(guò)魚(yú)數(shù)量與魚(yú)道出口水深的關(guān)系圖(見(jiàn)圖6)。

圖6 魚(yú)道過(guò)魚(yú)數(shù)量與魚(yú)道出口水深關(guān)系

由圖6可知，魚(yú)道水深對(duì)魚(yú)道過(guò)魚(yú)效果影響較大。當(dāng)魚(yú)道出口水深小于0.5 m時(shí)，魚(yú)道內(nèi)魚(yú)類(lèi)上溯量極低，水深在1.0～2.5 m范圍時(shí)，上溯個(gè)體比例達(dá)87.2%，其中水深在1.5～2.0 m范圍時(shí)，魚(yú)類(lèi)上溯數(shù)量最大。

3 討 論

3.1 試運(yùn)行過(guò)魚(yú)效果初步探討

枕頭壩一級(jí)水電站魚(yú)道的布置設(shè)計(jì)是在魚(yú)類(lèi)游泳能力測(cè)試和水力學(xué)模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上開(kāi)展，并根據(jù)壩上和壩下水位變幅情況和水流條件布置了3個(gè)魚(yú)道進(jìn)口和3個(gè)魚(yú)道出口[15]。從設(shè)計(jì)角度而言，魚(yú)道進(jìn)、出口的高程和流速可滿(mǎn)足過(guò)魚(yú)對(duì)象的過(guò)魚(yú)需求。從監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析角度來(lái)看，枕頭壩一級(jí)水電站魚(yú)道過(guò)魚(yú)數(shù)量相對(duì)其他魚(yú)道稍少可能與多種因素有關(guān)：一是壩下魚(yú)類(lèi)資源量減少。枕頭壩一級(jí)水電站為大渡河流域眾多梯級(jí)水電站的一級(jí)，其壩上壩下均已修建梯級(jí)電站，盡管壩址上下游仍保存有一定距離的流水河段及支流，但這些河段水文、水質(zhì)、水溫等環(huán)境因素的改變使得這些河段的生境適宜性下降，進(jìn)而導(dǎo)致壩址上下游河段的土著喜流水性魚(yú)類(lèi)資源逐年下降，現(xiàn)場(chǎng)走訪(fǎng)還發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)鼐用翊嬖谝归g偷魚(yú)捕魚(yú)現(xiàn)象。相關(guān)技術(shù)資料顯示，2009年枕頭壩一級(jí)水電站壩下河段共調(diào)查到魚(yú)類(lèi)58種，隸屬于4目9科46屬[15-16]。本次研究(2017年)漁獲物調(diào)查，枕頭壩一級(jí)水電站壩下僅有魚(yú)類(lèi)39種，分屬于3目，9科，27屬，現(xiàn)階段壩下魚(yú)類(lèi)資源量明顯減少。二是魚(yú)道運(yùn)行調(diào)度機(jī)制尚不完備。2017年枕頭壩一級(jí)水電站魚(yú)道開(kāi)始試運(yùn)行，相關(guān)的運(yùn)行調(diào)度制度還未完善，受多種因素影響，監(jiān)測(cè)期間正常運(yùn)行工況比率較低；此外，由于枕頭壩一級(jí)水電站為日調(diào)節(jié)型水電站，庫(kù)容量較小，為滿(mǎn)足汛期防洪需求，汛期常保持在低水位運(yùn)行，導(dǎo)致魚(yú)道內(nèi)水位較低，使得魚(yú)類(lèi)上溯活動(dòng)受到不利影響，后期的監(jiān)測(cè)將完備魚(yú)道的運(yùn)行調(diào)度，保證魚(yú)道內(nèi)正常的運(yùn)行水深。三是壩下河段清淤可能對(duì)魚(yú)類(lèi)上溯造成一定干擾。電站竣工后建設(shè)單位對(duì)壩下河段開(kāi)展了河道疏浚，這使得壩下河段水下地形和底質(zhì)生境發(fā)生了較大變化，水下地形變化可能對(duì)魚(yú)道進(jìn)口流場(chǎng)有一定影響，流場(chǎng)變化對(duì)魚(yú)類(lèi)上溯行為是否存在影響尚不知曉，后期監(jiān)測(cè)將針對(duì)魚(yú)道進(jìn)口流場(chǎng)開(kāi)展監(jiān)測(cè)工作，并采取相應(yīng)措施，底質(zhì)生境的改變的影響也會(huì)在下階段監(jiān)測(cè)中進(jìn)行分析研究。四是監(jiān)測(cè)設(shè)備的限制。魚(yú)道配置了本研究所采用的魚(yú)類(lèi)視頻監(jiān)測(cè)為光學(xué)監(jiān)測(cè)裝置，由于枕頭壩一級(jí)水電站魚(yú)道過(guò)魚(yú)季節(jié)(3月～9月)與該河段的汛期(6月～9月)重疊度較高，魚(yú)道內(nèi)水體透明度過(guò)低一方面影響光學(xué)攝像頭辨別能力，另一方面水體過(guò)度渾濁可能對(duì)魚(yú)類(lèi)的上溯行為也有一定影響。鑒于此，后期監(jiān)測(cè)將利用水聲學(xué)監(jiān)測(cè)設(shè)備以及魚(yú)道內(nèi)定期捕撈的方式對(duì)魚(yú)道過(guò)魚(yú)效果進(jìn)行輔助監(jiān)測(cè)，以提高魚(yú)道監(jiān)測(cè)分析的有效性，此外，PIT標(biāo)記試驗(yàn)也顯示，6種標(biāo)記試驗(yàn)魚(yú)(共70尾)只有3種魚(yú)類(lèi)(共15尾)可順利通過(guò)魚(yú)道，魚(yú)類(lèi)種類(lèi)通過(guò)率與魚(yú)類(lèi)數(shù)量通過(guò)率分別為50%和21.4%。魚(yú)類(lèi)的通過(guò)性略低，這可能與PIT試驗(yàn)期間魚(yú)道出現(xiàn)較大的水位變幅以及放流試驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔較短有關(guān)，存在反復(fù)上行的個(gè)體未能被統(tǒng)計(jì)的情況，后期的監(jiān)測(cè)將控制監(jiān)測(cè)期間的水位變化情況，并延長(zhǎng)放流和數(shù)據(jù)采集的時(shí)長(zhǎng)，以便更精準(zhǔn)的分析魚(yú)類(lèi)通過(guò)性。

3.2 晝夜變化、季節(jié)變化及水位變化對(duì)魚(yú)道過(guò)魚(yú)效果的影響及其指導(dǎo)意義