枕頭壩一級水電站豎縫式魚道過魚效果初探

陳國柱，王 猛，王海勝，鮑江輝，羅 思，馬衛忠，喬 曄

(1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.國電大渡河枕頭壩水電建設有限公司，四川 樂山 614700；3.中國科學院水生生物研究所，湖北 武漢 430072；4.中國科學院大學，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

閘壩工程的建設阻隔了樞紐上下游魚類自由交流，造成魚類資源量下降[1-2]。而魚道被視為有效緩解閘壩阻隔魚類自由交流的手段之一[3]。但魚道的設計、建設與運行，需要經歷認識—實踐—再認識—再實踐的反復過程[4]，過魚效果是評價魚道功能的重要指標。

過魚設施在國外已有數百年的研究歷史，國外學者在其功用和過魚效果評價方面進行了諸多研究，美國對哥倫比亞下游及其支流蛇河過魚效果進行長時間序列監測[5]；奧地利、捷克、丹麥、澳大利亞對其境內的過魚設施進行了大量的監測評估工作[6]；Larinier提出了過魚效果與過魚效率2個評價指標[7]。目前，國外用于魚類監測的主流方法可分為計數方法和標記技術兩大類。計數方法主要有誘捕統計、自動電阻計數器計數、視頻觀測計數、紅外掃描計數和聲學探測計數；標記技術包括視覺標記、生物標記和遙測技術。近年來，被動感應技術PIT(passive integrated transponder)因其定位精度高，使用壽命長(幾近無限)，信號響應速度快(可實時監測)等優點，受到越來越多學者和研究人員的關注和應用[8-9]。我國過魚設施設計和研究起步晚、歷時短，關于過魚設施過魚效果的研究報道較少，1975年安徽省巢湖地區巢湖水產資源調查小組[10]和1982年湖南水產研究所徐維忠[11]等分別對裕溪閘魚道和洋塘魚道過魚效果進行觀測，統計分析了過魚數量、過魚種類和過魚個體大小；2013年李捷[3]等采用張網法和截堵法對連江西牛魚道運行效果進行監測分析，王珂[12]等采用網具回捕和水聲學監測相結合的方法，對通過崔家營航電樞紐工程魚道魚類的種類、規格、數量和生物學性狀進行了調查；2011年～2014年譚細暢等[13]利用堵截法對長洲水利樞紐魚道過魚種群結構進行了評估；2015年～2016張艷艷[14]等采用張網法統計分析了廣州流溪河水廠壩魚道的過魚種類組成，并分析了季節、上游水位對魚道過魚效果的影響。

枕頭壩一級水電站魚道工程位于大渡河中游樂山市金口河區段，是大渡河流域第一個開展魚道試運行的項目。本文在分析國內外過魚設施監測評估研究的基礎上，采用視頻觀測分析、PIT跟蹤標記的方法對枕頭壩一級水電站魚道過魚效果進行監測評估，以期為枕頭壩一級水電站生態調度、魚道運行以及流域后續過魚設施效果監測提供參考。

1 材料與方法

1.1 枕頭壩一級水電站魚道概況

枕頭壩一級水電站是大渡河干流水電開發的第19個梯級，位于四川省樂山市，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。過魚設施沿大壩左岸布置，總長1 228.25 m，上下水頭差34 m，采用豎縫式橫隔板魚道槽身。魚道池室坡度i=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(見圖1)。魚道整體設置了2個觀測室，3個進口，3個出口，進口和出口工作水深均為1.0～2.5 m。

圖1 枕頭壩一級水電站魚道池室(左)與休息池室(右)的結構示意

枕頭壩一級水電站魚道設計過魚目標分為3類：第一類，如齊口裂腹魚(Schizothoraxprenanti)和重口裂腹魚(Schizothoraxdavidi)，資源量較大，是主要過魚對象；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[15]。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。

1.2 監測方法

1.2.1 視頻監測

視頻監測裝置參照《魚道：生物學依據、設計標準及監測》中所述的過魚記錄系統自動錄像示意圖制作而成。在魚道上、下游觀測室觀測窗前分別設置一組視頻監測裝置。視頻監測裝置包括攔魚導魚板、攝像機、存儲器(海康威視)和顯示屏等構件。攝像機攝像范圍為長117 cm、高65 cm的矩形框，攔魚導魚板上畫有刻度線，用以測量過魚對象的長度，視頻監測裝置24 h不間斷運行和存儲。通過存儲設備自帶的視頻分析工具對2017年4月至7月的視頻數據進行智能篩選，記錄上溯及下行魚類的數量及個體體長。依據《四川魚類志》(丁瑞華，1994)、《中國淡水魚類檢索》(朱松泉，1995)，通過肉眼觀察記錄，并結合上、下游漁獲物調查結果，對魚道內魚類進行種類鑒定。魚體體長計算公式為

L=(L1/L2)×Lo

(1)

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

1.2.2 PIT標記檢測

表1 PIT標記信息 cm

圖2 PIT檢測布置點(Z1～Z4為PIT監測布置點)

1.3 生物多樣性分析

匯總下游觀測室每月魚類數據，計算魚道內每個月生物多樣性。

多樣性指數H=-∑PilnPi

(2)

物種豐富度指數D=(S-1)/lnN

(3)

均勻度指數J=H/lnS

(4)

式中，Pi為每月第i種的個體數與總個體數比值；S為每批次的魚類種類數；N為每月采集到的魚類個體數。

1.4 數據分析

本研究采用spss13.0進行數據統計分析，并采用T檢驗進行差異性分析。

2 結果與分析

2.1 魚道內魚類種類組成

表2 枕頭壩一級水電站魚道內優勢種及裂腹魚的體長

注：裂腹魚為齊口裂腹魚和重口裂腹魚統稱。

2.2 魚道內魚類上溯的時間節律

由圖3可知，魚道內上溯魚類的種類及數量均呈現一定的季節差異，4月～7月期間，4月～5月的日平均上溯量較高，5月上溯魚類種類最多，多達13種。相比之下，7月魚道內上溯魚類種類及數量均最少，分別為8種和2尾/日。多樣性分析結果顯示，5月的豐富度指數和多樣性指數在監測月份中最高，均勻度指數最低，而7月的均勻度指數最高(表 3)。由圖4可知，在4個監測月份中均有一定數量分布，蛇鮈、鲇、白緣、青石爬鮡等優勢種類存在明顯的季節差異。4月～5月蛇鮈的上溯數量相比于6月～7月較高，鲇在6月～7月上溯數量較多，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，魚道內魚類上溯的數量同樣呈現明顯的晝夜節律，夜間(18:00～06:00)上溯魚類的數量顯著性多于白天(06:00～18:00)(P<0.05)。

圖3 魚道過魚數量和種類季節差異

表3 枕頭壩一級水電站魚道4月～7月上溯魚類的多樣性

圖4 魚道優勢種相對多度

圖5 魚道不同時段過魚數量頻率分布

2.3 魚道通過性

PIT出口接收機共探測到3種魚，分別為齊口裂腹魚、重口裂腹魚和泉水魚，探測種類占標記魚類種類的50%；投放試驗魚3日內，出口PIT信號感應裝置共探測到魚類數量為15尾，占標記魚類總數的21.4%；出口探測魚類體長范圍12.4～37.1 cm，與標記魚體長范圍無顯著性差異(P>0.05)。

2.4 水位對過魚效果的影響

統計監測期間電站和魚道的調度運行資料，并結合魚道內的魚類記錄情況，繪制魚道過魚數量與魚道出口水深的關系圖(見圖6)。

圖6 魚道過魚數量與魚道出口水深關系

由圖6可知，魚道水深對魚道過魚效果影響較大。當魚道出口水深小于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%，其中水深在1.5～2.0 m范圍時，魚類上溯數量最大。

3 討 論

3.1 試運行過魚效果初步探討

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的基礎上開展，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[15]。從設計角度而言，魚道進、出口的高程和流速可滿足過魚對象的過魚需求。從監測及數據分析角度來看，枕頭壩一級水電站魚道過魚數量相對其他魚道稍少可能與多種因素有關：一是壩下魚類資源量減少。枕頭壩一級水電站為大渡河流域眾多梯級水電站的一級，其壩上壩下均已修建梯級電站，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、水溫等環境因素的改變使得這些河段的生境適宜性下降，進而導致壩址上下游河段的土著喜流水性魚類資源逐年下降，現場走訪還發現當地居民存在夜間偷魚捕魚現象。相關技術資料顯示，2009年枕頭壩一級水電站壩下河段共調查到魚類58種，隸屬于4目9科46屬[15-16]。本次研究(2017年)漁獲物調查，枕頭壩一級水電站壩下僅有魚類39種，分屬于3目，9科，27屬，現階段壩下魚類資源量明顯減少。二是魚道運行調度機制尚不完備。2017年枕頭壩一級水電站魚道開始試運行，相關的運行調度制度還未完善，受多種因素影響，監測期間正常運行工況比率較低；此外，由于枕頭壩一級水電站為日調節型水電站，庫容量較小，為滿足汛期防洪需求，汛期常保持在低水位運行，導致魚道內水位較低，使得魚類上溯活動受到不利影響，后期的監測將完備魚道的運行調度，保證魚道內正常的運行水深。三是壩下河段清淤可能對魚類上溯造成一定干擾。電站竣工后建設單位對壩下河段開展了河道疏浚，這使得壩下河段水下地形和底質生境發生了較大變化，水下地形變化可能對魚道進口流場有一定影響，流場變化對魚類上溯行為是否存在影響尚不知曉，后期監測將針對魚道進口流場開展監測工作，并采取相應措施，底質生境的改變的影響也會在下階段監測中進行分析研究。四是監測設備的限制。魚道配置了本研究所采用的魚類視頻監測為光學監測裝置，由于枕頭壩一級水電站魚道過魚季節(3月～9月)與該河段的汛期(6月～9月)重疊度較高，魚道內水體透明度過低一方面影響光學攝像頭辨別能力，另一方面水體過度渾濁可能對魚類的上溯行為也有一定影響。鑒于此，后期監測將利用水聲學監測設備以及魚道內定期捕撈的方式對魚道過魚效果進行輔助監測，以提高魚道監測分析的有效性，此外，PIT標記試驗也顯示，6種標記試驗魚(共70尾)只有3種魚類(共15尾)可順利通過魚道，魚類種類通過率與魚類數量通過率分別為50%和21.4%。魚類的通過性略低，這可能與PIT試驗期間魚道出現較大的水位變幅以及放流試驗和數據采集時間間隔較短有關，存在反復上行的個體未能被統計的情況，后期的監測將控制監測期間的水位變化情況，并延長放流和數據采集的時長，以便更精準的分析魚類通過性。

3.2 晝夜變化、季節變化及水位變化對魚道過魚效果的影響及其指導意義