過魚設施設計要點及有效性評價

侯軼群，蔡露，陳小娟，溫靜雅，賀達，金瑤，陶江平,趙先進

(1.水利部中國科學院水工程生態研究所，水利部水工程生態效應與生態修復重點實驗室，湖北省水生態保護與修復工程技術研究中心，湖北武漢 430079； 2.生態環境部環境工程評估中心，北京 100012； 3.貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州省喀斯特地區水資源開發利用工程技術研究中心，貴州貴陽 550002)

自2000年以來，生態環境部(原國家環境保護總局、原環境保護部)在國家有關法律法規的要求下，依托于《水電水利建設項目河道生態用水、低溫水和過魚設施環境影響評價技術指南(試行)》(環評函〔2006〕4號)，在環境影響評價過程中對受理的水利水電工程提出了建設過魚設施的要求，過魚設施重新受到重視，魚類學、水力學、水工設計等相關專業人員和機構都投入了過魚設施的研究、建造和運行中。較早建設的一批過魚設施，如廣西長洲魚道、大渡河安谷魚道、大渡河枕頭壩一級魚道、漢江興隆魚道、烏江彭水集運魚系統等已相繼投入運行。同時，隨著過魚設施的運行監測與效果評價，我們對設計指標的認識也更為全面客觀，設計技術也日臻成熟，積累了一定的經驗和教訓。本文主要針對過魚設施在建造現狀、設計要點、有效性評價等方面的研究進行梳理，以期為國內過魚設施的設計研究提供參考。

1 過魚設施設計要點

過魚設施按結構組成劃分為進口、主體結構、出口三部分，這些結構的設計均應以魚類生態學、行為學指標為基礎設計參數。

1.1 設施進口

無論是魚道、仿自然通道還是升魚機、集運魚系統，保證上溯魚類能夠較快找到并順利進入進口，都是過魚設施設計的關鍵所在。進口的設計要點主要包括進口位置、進口流速流態、進口結構、進口數量、進口運行水位等。補水設施、電趕攔魚柵等誘導魚設施也被認為可輔助提高進口效率。同時，針對具體過魚對象的生物學依據也必不可少，如魚類的時空分布與環境驅動因子、魚類的喜好流速流態指標、魚類的游泳能力等。

(1)生物學指標。將過魚設施進口布置在上溯魚類的聚集區，是設計共識。據已有研究結果顯示, 魚類在壩下的時空分布與出流、河岸及水下地形有關。長洲水利樞紐壩下魚類水聲學探測表明：壩下泗化州島附近的魚類密度顯著高于壩下其他江段，魚類以靠近岸邊分布為主；越是靠近壩下江段，魚類的密度越高[1]。葛洲壩壩下的水聲學探測結果顯示，在大江電廠與泄沙閘之間區域是魚類主要的聚集區域之一[2]。侯軼群等[3]開展了短須裂腹魚的趨流速試驗，得到短須裂腹魚的喜好流速不超過3.17體長/s(0.8m/s～0.9m/s)。除此之外，進口設計的生物學依據依然較少，目前國內主要通過游泳能力測試結果分析誘魚流速作為設計依據。

(2)設計要點。過魚設施進口的設置與布局在國際以及國內均有規范要求。如法國2002年的漁業公報[4]規定：魚道的進口最好被設置在盡量接近洄游障礙物的地方。《水電工程過魚設施設計規范》[5]規定：進口應設在經常有水流下泄、魚類洄游路線及經常集群的地方，并盡可能靠近魚類能上溯到達的最前沿。《水利水電工程魚道設計導則》中規定[6]：魚道進口布置應符合以下要求：宜布置于泄水閘、電站尾水、生態放水口等經常有水流下泄處，或魚類洄游路線及經常集群地附近。總體而言，進口出流應以大流量、魚類的喜好流速為原則進行設置，且進口同下游不能有大的跌水。在進口流量/河流流量比較小的工況下可采用補水、攔導魚等輔助設施提高進口效率。

1.2 主體結構

過魚設施主體結構的設計要求為保證魚類順利、健康上溯，盡量不對上溯魚類造成疲勞、受傷、驚嚇等脅迫，一般需要將魚類的游泳能力、魚類對旋渦、紊動等不利水情的響應作為生物學設計依據。

(1)生物學指標。魚類游泳能力測試是近年來國內開展較多的基礎行為學研究。主體結構控制斷面的最大流速應小于魚類的爆發游泳速度。其他過魚斷面的流速盡量控制在持續游泳速度范圍內。除此以外，水體旋渦直徑同魚體長相近時，會導致魚迷失方向[7]；水體過于紊亂會導致魚類為維持身體平衡耗能過大。

(2)魚道、仿自然通道主體結構的關鍵設計要點為避免魚類能量消耗太多[8]，應保證坡度、魚道長度、流速、紊動能等指標均不可過大，避免魚類疲勞。此外，主體結構上溯路線上應避免出現容易使魚迷惑的旋渦水流。升魚機、集運魚系統等被動式過魚設施應盡可能地保證集運魚過程中的親魚性設計，避免對魚類造成機械損傷和脅迫影響，有必要設置全程監控系統，以便監測整個過程中的魚類狀況，并隨時調整不利操作。

1.3 設施出口

出口也是過魚設施的重要組成部分，以不阻礙魚順利上溯為原則。魚道、仿自然通道的出口主要為整個通道提供運行水流，因此出口和進口一樣，在上游水位差變化較大的工況下，宜采用多出口結構，保證魚道正常運行，同時應避免魚道中上下游運行水位差別過大而導致的流速過急、過緩或水深過小等不利的過魚工況發生。除此之外，出口處應設置攔漂設施，防止堵塞過魚通道。升魚機、集運魚系統出口為魚類泄放設施，以不使魚受傷，減少應激反應為宜。

2 過魚設施現狀與有效性評價

經過10多年的發展，較早批建的過魚設施已相繼投入使用，其他設施工程也進入了規劃、設計、建設等不同階段。針對已建工程，開展有效的監測、科學的效果評價可為過魚設施技術的進一步發展提供重要支撐。

2.1 設施現狀

根據環境影響技術評估國家級受理項目統計可知，2000年—2018年，共受理并要求開展過魚設施建設的項目109個，其中以魚道為主要形式，占比達65.14%。除此之外，已建成并投入運行的其他形式的過魚設施有烏江彭水集運魚系統、北盤江馬馬崖集運魚系統、瀾滄江黃登升魚機。據初步統計，截至2018年6月，已在29座攔河建筑物建設完成魚道共計34座[8](見表1)。

表1 已建魚道及其監測情況統計表(2000年—2018年)

2.2 有效性評價

截至2018年6月，已進行過監測或正在進行監測的魚道數量有13座，其中12座魚道有監測資料可查，但仍有50%以上的過魚設施在建設完成后尚未進行效果監測。12座魚道的監測資料均給出了魚道的過魚種類數，不同魚道的過魚種類有3種～61種，占壩下種類總數的49.35%～74.39%；9座魚道進行了過魚數量的統計和分析，在魚道池室或出口位置統計過魚數量的有枕頭壩一級電站魚道(2尾/天～10尾/天)、連江西牛航運樞紐魚道(9.6尾/天～177尾/天)和流溪河水廠壩魚道(1尾/月～323尾/月)。過魚規律方面：枕頭壩一級魚道和ZM水電站魚道以夜間過魚為主，其余大部分魚道以白晝為主；過魚季節主要集中在每年的3月～6月，與魚道設計的主要過魚季節基本一致。過魚效率方面：目前已有5座魚道開展了過魚效率的監測評價，分別為枕頭壩電站一級魚道、安谷電站豎縫式魚道、漢江興隆水利樞紐魚道、廣西右江魚梁魚道和ZM水電站魚道，綜合過魚效率在7.56%～62.64%之間。

3 過魚設施運行及發展中存在的問題

綜上所述，盡管近年來我國過魚設施已取得了較多進展，但仍存在一些問題有待解決，具體闡述如下：

(1)過魚設施有效性評價仍然較少。我國目前已建成并投入使用的過魚設施中很大一部分還未開展效果監測與評價；已開展監測的設施大多也進行持續運行監測。同時，我國還缺乏升魚機、集運魚系統等被動式過魚設施的監測案例，僅有烏江彭水集運魚系統等少數幾座有一定的監測資料。隨著近年來高壩水庫的修建，多座大型水利水電工程采用了升魚機和集運魚系統這類被動式過魚設施，且大多尚處于規劃、設計和建造中，亟須相關監測評價結果予以技術和決策支持。除此之外，由于沒有統一的監測規范指導，已開展的過魚設施效果監測和評價的指標、頻次、方法均存在較大差異，同類型過魚設施甚至同一條河上距離相近的設施的監測結果都無法進行效果比較，限制了我國過魚設施學科的進一步發展。

(2)過魚設施的普及度仍然較低。過魚設施在過去10多年取得了非常大的進展，但大部分僅在大型水利水電工程中采用。在一些小的水利水電工程，尤其是支流上的小水庫中并未修建過魚設施。然而，支流被認為是魚類非常重要的棲息場所，承擔了魚類產卵、索餌等重要功能，支流生境破壞會對魚類資源量產生深遠的影響，一些小支流在枯水季節甚至被引水至斷流狀況，洄游通道遭到了極大的破壞。事實上，在支流修建過魚設施的成本遠低于干流，但產生的生態效益卻不容小覷，對魚類產卵這一生活史中的關鍵環節具有重要的促進作用，需引起足夠的重視。

(3)過魚設施的生物學標準仍然缺乏。盡管我國很多過魚設施在設計、建造前開展了魚類游泳能力測試、魚類時空分布探測等魚類基礎生態行為參數研究，但還不足以充分支撐過魚設施的定量設計，如針對進口設計的誘魚流速、流量研究，針對出口閘門開度對魚類上溯的影響研究等。同時，大多數工程在開展魚類行為學參數試驗時，已確定了過魚設施的基本位置、形式和方案設計，導致魚類行為學參數結果無法有效應用于設計優化。前期研究開展時間較晚也是目前國內過魚設施建設中普遍存在的問題[9]。

(4)下行過魚設施仍未引起足夠重視。根據國內外相關研究，魚類被水流挾帶誤入水輪機、泄水閘時，會導致較高的傷亡率，尤其是對于水頭差較高的大壩、混流式機組，傷亡率甚至達到100%[10]。上述提到的我國已建過魚設施均為提供魚類上行洄游通道的設施，一些大型水利水電工程規劃、設計有下行過魚設施，但目前尚未有建造完成，且重視程度、基礎生物學研究遠不及上行過魚設施，也是目前過魚設施中需引起足夠重視的問題。

4 提升設施有效性的建議與展望

魚道設計、建設與運行過程需要魚類學、生態學、水力學、水工學等多學科的結合，需要經歷認識—實踐—再認識—再實踐的反復過程[11]。美國、歐洲、南美以及日本等國家或地區大量成功的建設實例就是以長效監測數據為基礎，經過不斷的實踐經驗積累與調整而最終取得了良好的過魚效果。近年來，隨著我國過魚設施建設和有效性評價案例增加，對過魚設施已經具有更為深入的了解，積累了一定的設計經驗和生物學數據，也發現了一些發展中存在的問題。建議進一步通過開展技術研究和運行管理，有效提升我國過魚設施的整體發展水平。具體建議如下：

(1)增強過魚設施的效果評價。建議環評部門盡快出臺過魚設施效果評價的技術標準或規范，且對設施的運行管理和技術配置進行科學統一的要求，促進提升我國過魚設施技術水平，同時促進過魚設施生態環境效益的有效發揮，為進一步的過魚設施優化和建設提供強有力的技術支撐。建議未來幾年新興竣工的過魚設施盡快開展效果監測與評價，尤其是被動式過魚設施，亟待通過效果評估積累我國在這方面的經驗，也可客觀評價這類過魚設施對洄游阻隔的減緩效果，同其他生態補償措施進行綜合分析，以制定更為全面有效的生態補償措施方案。

(2)提高過魚設施普及率。建議開展全國魚類洄游通道恢復計劃，按流域、洄游魚類分區制定洄游通道決策支持系統，有計劃、有步驟、分批次建設過魚設施，恢復魚類洄游通道，改善魚類生境條件[12]，全面提升我國過魚設施普及率。

(3)加強針對過魚設施設計的基礎生物學研究。針對我國魚類開展誘集魚水流、魚類聚集區、洄游障礙定量評價等基礎研究，為過魚設施提供設計支持；同時，建議魚類生態行為學研究在水利水電樞紐工程規劃、環評階段即開展研究，盡早介入，有效確定最優過魚方案。

(4)針對我國魚類研究適宜的下行過魚設施。盡管下行過魚設施的技術難度、工程投入均較高，但我國魚類不同于鮭鱒魚類，并無下行洄游至海洋的強烈訴求，可針對我國過魚設施保護魚類資源量、增加基因交流的目標，開展上游近壩段驅趕、引導魚類遠離危險區，配合部分卵苗采集運輸至下游投放等措施，實現下行過魚。

綜上所述，近10多年來我國過魚設施發展取得了長足的進步，但仍存在一些問題亟待解決。隨著過魚設施進入快速的發展階段，建議針對相關問題開展科學而廣泛的研究，同時加強規劃設計和運行管理，保障我國過魚設施的持續健康發展。