集魚船在水電工程應用的問題與建議

郭 堅,童碧云,王旭航,李冬曉,張曉璐

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,浙江杭州310014；2.寧波原水集團集團公司，浙江寧波315100)

集魚船在水電工程應用的問題與建議

郭 堅1,童碧云2,王旭航1,李冬曉1,張曉璐1

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,浙江杭州310014；2.寧波原水集團集團公司，浙江寧波315100)

集運魚系統為過魚設施的一種,應用于高壩大庫工程,正日益得到關注。過魚設施的關鍵在于集魚,而集運魚系統一般利用集魚船進行集魚。目前,集魚船在水電工程應用中存在成年魚類集魚難度大、誘集底棲魚類效果較差和急流水域集魚作業困難等問題。對此進行了探討,提出了加強魚類活動調查、深入魚類習性研究、優化集魚船體結構和構建適宜集魚區域等建議,以期為水電工程集魚船的應用提供參考。

集魚船；水電工程；問題；建議

0 引 言

由于水電工程建設形成大壩,造成阻隔,使原河流的水域形態和水文情勢發生變化,對河段內的魚類將產生一定的影響。修建過魚設施是減緩水電工程對魚類影響的有效措施之一,以充分發揮水電工程在流域水能資源開發利用中的經濟、社會與生態環境綜合效益。環境保護部、國家能源局在《關于深化落實水電開發生態環境保護措施的通知》(環發[2014]65號)中要求,充分論證過魚方式,認真落實過魚措施。對水頭較高的水電建設項目,應結合場地條件和樞紐布置特性,研究采取魚道、升魚機、集運魚系統或不同組合方式的過魚措施。

集運魚系統作為過魚設施的一種類型,一般利用集魚船進行集魚,通過運魚船或運魚車進行魚類的運輸和投放,以實現魚類過壩和種質交流。從國外特別是美國已運行的情況看,集運魚系統在溝通阻隔河段、恢復水生生物交流的同時能夠適應魚群變化調整,放魚的位置更有針對性,能實現魚類的安全有效過壩。相比于魚道、魚閘以及升魚機等固定過魚設施,集運魚系統具有機動、靈活、造價相對低廉、對樞紐布置沒有干擾等優點,特別是對那些高壩水電站以及原樞紐中未考慮設置過魚設施的工程。

目前,集運魚系統在世界范圍內的應用案例較少,僅見于美國、俄羅斯等少數國家,有關研究和應用在我國尚處于起步階段,僅有烏江彭水水電站“唐環1號”集魚平臺進行了集魚試驗但尚未正式運行[1]。過魚設施的關鍵在于集魚,集魚船在水電工程應用時間仍較短,尤其是在我國,目前仍存在諸多問題,有待于進一步研究。本文對國外集魚船的起源、發展及典型工程進行了分析研究,對目前水電工程集魚船應用的問題及改進優化進行了探討,期待為今后的相關研究和應用提供參考。

1 集魚船的起源和發展

集魚船的首次應用為美國貝克壩,包括在20世紀20年代建成的下貝克和50年代建成的上貝克壩。在其工程規劃期間,設計中已考慮洄游鮭魚和孵化后的幼魚通過大壩的集魚及輸魚設施。從20世紀50年代開展了鮭魚親魚上行產卵和新孵化幼魚下行入海的研究和試驗。位于上游的上貝克壩建成后,在上貝克壩庫尾受淹沒影響的老貝克湖上游重建了鮭魚人工孵化場。上溯的鮭魚成魚采取位于下貝克下游的攔魚壩、升魚機收集,通過運魚車轉運至上貝克壩庫尾的產卵場。孵化后的鮭魚幼魚在上貝克壩水庫內通過集魚船收集然后輸送至下游,以此解決幼魚下行入海問題[2]。貝克壩過魚設施如圖1所示。此后,其他流域的集魚船試驗研究也陸續展開,在哥倫比亞河和蛇河中均開展了大鱗麻哈魚、虹鱒等魚類的集魚船試驗,并進行了大鱗麻哈魚和虹鱒成活率及返回率影響的試驗研究等。

圖1 貝克壩過魚設施示意

20世紀50年代,前蘇聯開始集魚船的相關研究,在里海流域的伏爾加河、頓河和庫班河流域為鱘科、鯡科和鯉科的部分種類設計并制造了集魚船。其中1970年在頓河支流馬內奇河口樞紐開展了集魚船的試驗,在8天時間內收集了鯡、鳊、梭鱸等魚2.5萬尾。但從20世紀80年代以后,已很少有前蘇聯和俄羅斯的集魚船的設計與建設的相關報道[3]。

國外應用集魚船的典型工程為貝克壩。貝克壩工程所在的華盛頓州貝克河有5種洄游魚類的天然產卵場,包括4種太平洋鮭魚及硬頭鱒。上貝克壩建設后,在下貝克壩的集魚船基礎上進行了改進,在上貝克壩庫區內進行集魚,主要集魚對象為15 cm以下的鮭魚幼魚。

上貝克壩集魚船的尺寸為約21 m長、12 m寬、7 m高,內設28個壓艙筒和14個大浮筒,以調節吃水水深。集魚船內的集魚艙尺寸為約3.7 m寬、2.7 m 高、12.8 m長,運行時需下沉約2.5 m進行集魚。船內裝有2臺各為2.1 m3/s和1臺備用容量為0.3 m3/s的水泵進行抽水,以形成集魚船進口處的穩定水流,通過水流吸引鮭魚幼魚。鮭魚幼魚進入集魚艙后集中進入尾部,并被輸送到大壩下游的貝克河適宜河段。貝克壩集魚船內部構造示意見圖2[4]。

圖2 貝克壩集魚船內部構造示意

2 集魚船應用的問題

我國水電工程的集魚船應用工作取得了一定的進展,但由于試驗研究的歷史較短,相關的經驗缺乏。尤其是集魚部分，有待進一步改善。

(1)成年魚類集魚難度較大。從國外已投運的集魚船情況看,主要收集的是水庫庫尾區域孵化后需要下行入海的鮭魚幼魚,魚齡基本上在1～2 a之間,長度多在15 cm以下。此時的鮭魚幼魚體形較小,體質尚未發育,游泳速度慢,行動和反應能力也較成年魚類有不小的差距,較易被集魚船誘集。我國集魚對象主要為處于產卵期的成年親魚,體形相對較大。如,齊口裂腹魚的親魚一般可達30 cm以上,一般雌性4齡成熟、雄性3齡成熟。成年親魚的游泳能力強,行動和反應速度快,所需吸引的誘導水流也較幼魚有較大的增加,且僅用水流并不能達到對成魚的誘集,因而對于成年魚類的集魚難度大。

(2)誘集底棲魚類效果較差。國外集魚船在誘集過程中,鮭魚幼魚主要在水庫的庫尾等淺水區域活動,在深水區域較少。上貝克壩的集魚船針對該特點進行了設計,在船體下沉2.5 m后即可進行庫區表面的幼魚集魚作業。我國集魚對象大多為底棲魚類,主要在河底或者水深較深的區域活動,在水體表面出現頻率較低。集魚船吃水深度較淺,設計進魚口位于水體表層,除了采用加大水流進行誘集外,缺少其他誘魚手段。由于集魚口處于底棲魚類非主要活動水層,與其活動水層距離較遠,因此對于底棲魚類的集魚效果較差。

(3)急流水域集魚作業困難。國外集魚船主要為誘集產卵場附近水庫里的幼魚,幼魚活動水域主要靠近庫區上游,水流條件相對較緩。因此,集魚船采用無動力浮箱形式,集魚區域的水流對于集魚船的運行影響不大。我國底棲魚類在產卵期常在具一定流速的水域活動,喜分布于水電站發電尾水附近的急流區域,具有迎流上溯的特點,而電站發電時水流往往較大,壩下靜水水域較少。若集魚船設計采用無動力形式,在便于集魚的水流相對較緩的水域卻是魚類分布較少區域,而在魚類分布較多的電站發電尾水附近又開展集魚作業又存在困難。

3 對改善集魚效果的相關建議

國內集運魚系統應用效果不理想的問題主要在于集魚部分。對此,建議從以下方面進行改進和優化。

(1)加強魚類活動調查,掌握聚集水域情況。從水電工程集魚船的設計情況看,主要關注集魚船的工程設計,對于集魚位置的選擇卻論證較少。而摸清壩下魚類的分布區域,是確定集魚位置的前提條件,也是關系過魚方案選擇的重大因素。為提高集魚船的集魚效果,應進一步加強魚類活動調查,掌握不同種類的魚類在壩下分布水域、水深以及上溯季節和日期、日內不同時間的變化,不同運行工況下水位、水量的變化與魚類上溯行為活動的關系等。應掌握魚類的聚集水域,并在魚類密集區進行針對性的集魚作業,以獲得良好的集魚效果。對于魚類分布區域的調查,有聲學探測法和水下視覺探測法等,其均需采用船只攜帶儀器或人員進行現場作業。如,在葛洲壩電站上、下游江段利用船載回聲探測儀進行了魚類調查,表明壩下河段魚類分布最多的為發電尾水附近江段[5- 6]。長江河段水面相對寬闊,而部分高山峽谷型的水電站,壩下尾水附近的水流較快,不利于船只停留,開展調查的難度較大,應用船只進行調查的較少。在現場作業不便開展的時候,可采取了解訪問和現場購買等方法進行,通過向周邊漁民的調查訪問,了解壩下河段分布主要的魚類種類、大小、數量、分布水域、捕撈地點和時間等。建議加強魚類活動情況調查,確定不同魚類的主要聚集水域、資源量和時空分布特點,結合所在水域的水位、水深、流速、流態、周邊地形及水電工程運行調度等條件,針對性地開展集魚船的設計,如船體長寬度、吃水水深、集魚種類和規模等。

(2)深入魚類習性研究,豐富誘魚措施。魚類一般循著水流溯流而上,部分魚類喜歡激流中頂流前進,目前的集魚船,正是利用魚類這一習性通過水泵形成高速水流吸引魚類。然而,在現有集魚船中,除了水流吸引外,使用其他誘集魚類的措施卻很少。魚類活動與周邊的各種環境因子相關,如水流、光線、聲音、氣味等。在水庫和海洋漁業生產中,常通過光、聲、味等其他手段進行魚類誘集和捕撈,并取得較好效果。魚類對不同強度、顏色的光照均有不同的反應,如對鯉魚不同光照顏色的趨向性研究試驗表明,不同的光照顏色對其誘集效果的影響大小依次為：白光>紅光>藍光>綠光[7]。鯉魚為水庫養殖的底層魚類,在聲學試驗中,利用水下揚聲器產生400 Hz正弦波連續音對不同體長鯉魚進行音響馴化,具有明顯的誘集效果。其中,體長30～40 cm的鯉魚在馴化第8 d聚集率達到100%,平均聚集時間為50.01 s[8]。根據鮭魚對出生水域的氣味反應回到魚卵孵化水域產卵的特性,利用合成物嗎啉誘魚回歸,讓魚苗在含有嗎啉的水體中生活一段時間后,可誘導其長大后回到散發微弱啉氣味的水域中產卵。除了水流吸引外,建議進一步深入研究其他方式的誘魚手段,如各種魚類對于光線、聲音和氣味的反應閾值和行為,采用多種途徑的誘魚措施,在集魚船上設置不同的誘魚燈光,配備誘魚音響和模擬成魚的氣味的誘魚劑,根據魚類的不同采取不同的措施來增強誘魚的效果。

(3)根據底棲魚類特點,優化船體結構。集魚船主要應用在美國、前蘇聯的部分工程,我國的彭水水電站也已修建了集魚平臺。現有的集魚船一般為箱型結構,吃水深度淺,對于收集表層魚類可起到一定效果,但對于底棲魚類的效果較差。魚類有迎流上溯的特點,多集聚于水電站壩下發電尾水附近,該區域水流流速較快,而現有的集魚船大部分未配置航行動力系統,在急流水域的適應性差。集魚船應配備發動機,以增強船只的航行和抗急流能力。船頭如采用垂直艦首等型式,可減少抗流能力和行船阻力,提高船只的機動性和穩定性。同時,船艙內應配備足夠的壓水艙,以保證較大的吃水深度。集魚船的進魚口應保持較寬大的尺寸,以增強對底棲魚類的集魚效果。集魚船的發動機應加裝減震墊和隔聲罩,抽水水泵應采用電動靜音型,運行時應開啟電動水泵和關閉發動機,以減少運行振動和抽水噪聲對底棲魚類產生的干擾。另外,對于底棲魚類,如改變表面誘魚而采用底層誘集的方式,通過集魚船拖拽水底集魚器在河床底部進行集魚,可能會起到更好的效果。因此,建議根據底棲魚類特點,增加船只的動力,優化集魚船體結構,改善船只的動力性和抗急流能力,減少振動和噪聲干擾,將集魚船的進魚口高程設置于水底魚類喜好的水層,可較現有集魚平臺起到更好的集魚效果。

(4)引導魚類上溯行為,構建適集水域。在誘魚導魚的設施中,除了可應用于集魚船的光、聲、味等設施外,還有其它可在河道、水庫內布置的,如攔魚壩、攔魚網、攔魚電柵、驅魚氣幕等,一般設置于魚類上溯或下行通道上,使其遠離電站進出水口等設施,并取得過一定的效果。上述設施也可作為集魚船的輔助誘導設施,布置于魚類洄游通道上,引導更多的上溯魚類,使其進一步形成聚集。在許多水電工程中,在大壩下游附近有支流匯入,在匯入口形成新的棲息地,成為許多魚類索餌、產卵的場所。另外,在部分水域通過建設人工魚礁,為魚類等生物提供了一定的索餌、繁殖和生長發育場所。支流匯口和人工魚礁為魚類提供新的棲息地,集魚船可利用上述棲息地開展集魚活動。除集魚船的誘魚、集魚設備外,建議在水電工程壩下河段上研究在河道內建設攔魚、驅魚設施的可行性,通過人為引導魚類上溯到集魚船所在的水域。同時在支流匯口和以修建人工魚礁等方式形成適宜魚類休憩、覓食和繁衍的區域,為集魚船提供適合的集魚水域,進一步提高集魚效果。

4 展 望

在過魚設施中,集運魚系統具有機動靈活、造價相對低廉、對樞紐布置無干擾等優點,作為除魚道、升魚機等固定過魚設施之外的另一可選方案正日益得到關注；但目前國內的集魚船的集魚效果較差,尤其是底棲性魚類。建議：在今后的研究與實踐過程中,加強魚類活動調查、深入魚類習性研究、優化集魚船體結構和構建適宜集魚區域等,在此基礎上結合電站壩下地形流場等條件,進一步完善集魚船在水電工程的應用。相比于美國等其他發達國家,我國水電工程集魚船的研究歷史較短,基礎較為薄弱,但如能針對其中的問題進一步加強調查和研究工作,相信經過不斷地努力,在此領域必將取得發展和突破。

[1]水利部中國科學院水工程生態研究所,長江船舶設計院. 烏江彭水水電站集運魚系統方案設計[R]. 武漢： 長江船舶設計院, 2010: 30- 36．

[2]WAYNE W W. 貝克河水庫工程的過魚設施[C]∥過魚設備與魚類資源保護國外參考資料. 武漢： 湖北省水生生物研究所,長江流域規劃辦公室技術情報科, 1977: 76- 91．

[3]梁園園, 劉德富, 石小濤, 等. 集運魚船研究綜述[J]. 長江科學院院報, 2014, 31(2)： 25- 29．

[4]南京水利科學研究所等. 魚道[M]. 北京： 電力工業出版社, 1982: 177- 180, 271, 268．

[5]林鵬程, 高欣, 劉春池, 等. 葛洲壩上下游江段魚類時空分布特征研究[J]. 長江流域資源與環境, 2011, 20(9)： 1047- 1053．

[6]陶江平, 龔昱田, 譚細暢, 等. 長江葛洲壩壩下江段魚類群落變化的時空特征[J]. 中國科學： 生命科學, 2012, 42(8)： 677- 688．

[7]白艷勤, 陳求穩, 許勇, 等. 光驅誘技術在魚類保護中的應用[J]. 水生態學雜志, 2013, 34(4)： 85- 88．

[8]邢彬彬, 張國勝, 陳帥, 等. 聲音對不同體長鯉的誘集效果[J]. 大連水產學院學報, 2009, 24(2)： 120- 124．

(責任編輯 陳 萍)

Problems and Recommendations for the Application of Fish Collecting Vessel in Hydropower Project

GUO Jian1, TONG Biyun2, WANG Xuhang1, LI Dongxiao1, ZHANG Xiaolu1
(1. PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 310014, Zhejiang, China; 2. Ningbo Raw Water Group Corporation Limited, Ningbo 315100, Zhejiang, China)

The fish collection and transportation system which is applied to high dam projects has been increasingly concerned as one of fish passage facilities. Fish collecting is crucial to fish passage facility, while the fish collecting vessel is used in fish collection and transportation system to collect fish. At present, there are several problems in the application of fish collecting vessel in hydropower project, such as difficult adult fish collecting, poor benthic fish trapping and hard fish collecting in torrent. Above problems are analyzed herein and relevant suggestions are presented, including strengthening fish activity survey, researching fish habits, optimizing vessel hull structure and constructing suitable fish collecting region, to provide a reference for the application of fish collecting vessel in hydropower project．

fish collecting vessel; hydropower project; problem; recommendation

2014- 08- 08

郭堅(1977—),男,浙江三門人,高級工程師,碩士,主要從事水利水電工程環境影響評價和環境保護設計工作．

S956

A

0559- 9342(2017)05- 0001- 04