西藏部分水利設施的魚道設計及魚道監測技術分析*

鄧希 呂琳莉 胡建生 馮春平

1.西藏農牧學院水利土木工程學院；2.國家能源集團西藏尼洋河流域水電開發有限公司，西藏 林芝 860000

修建大壩會直接影響到河流中魚類的洄游，從而影響到該河流的生態。根據水利水電工程建設項目環境保護要求，在水利水電工程開發的同時應當準備相應的生態保護措施［1］，建設魚道就是措施之一。魚道能減輕大壩對河流的隔離影響，促進魚類的洄游，對生態保護發揮著重要作用。魚道監測是評價魚道運行效果的手段，魚道監測可以了解到魚類的洄游情況、總體的過魚效率等信息，進而對魚道進行優化，使得原本受影響的河流生態恢復程度提高。目前西藏的魚道大都采用的是豎縫式設計，采用視頻監控、紅外線和水聲學等魚道監測方法。

1 魚道設計發展概況

1.1 國內外魚道發展概況

魚道這一概念首先是由17 世紀60 年代的法國提出的，截至到目前，巴西已建成超過50座魚道、澳大利亞超過70 座、西班牙超過115 座、英國超過380 座、法國超過500座、日本超過11000座。1909年，由丹尼爾提出了一種利用擋板降低流速的魚道，后被稱為丹尼爾式魚道。1938 年，美國建成了堰流式魚道，它屬于隔板式魚道的一種。1943年，加拿大建成了鬼門峽魚道，開創了豎縫式魚道的先河。1994 年，澳大利亞在原有魚道的基礎上改造出了豎縫式魚道，過魚數量和種類明顯增加。［10］

國內魚道建設發展較晚，20 世紀50 年代我國才開始魚道的建設，1958 年，我國第一次提出魚道的概念，1960 年、1962 年和1966 年，我國相繼建成了新開流魚道、鯉魚港魚道和斗魚港魚道。到20 世紀80 年代，我國已建成的魚道約有40座。到21世紀初，國家更加重視生態環境的保護，我國魚道建設得到大力發展，設計水頭從20m 提高到了40 多m，魚道的長度達到了4km，出現了淹沒孔口式、仿生態式、涵洞式和組合式等新型魚道。

1.2 西藏部分魚道建設概況

西藏地處高海拔地區，魚道建設起步較晚。目前國內外對西藏魚道的研究較少，據筆者統計，與西藏魚道相關的文獻共14 篇。西藏自治區普遍選擇魚道作為過魚設施。獅泉河水電站地處西藏自治區阿里地區噶爾縣境內［2］，壩高為32m，壩址海拔約4350m。該處過魚對象的主要過魚季節為3～6 月，主要過魚對象為橫口裂腹魚和錐吻葉須魚。作為西藏自治區內早期建設魚道的水電站，國內可供參考的魚道建設經驗較少，獅泉河水電站的魚道設計尚未規范。魚道采用導墻式魚道，一共設有170 個水池，池室長度為3.7m，深度為1.5m，狹縫寬度為0.4m，每10 個池室設置一個6.625m 的休息池，整體長度為735m。魚道設有1 個進魚口和1 個出魚口。由于經驗的缺失，獅泉河水電站并未設置用于監測過魚效果的魚道監測系統。

藏木水電站處于西藏自治區山南地區加查縣城上游［3，4］。該水電站處的主要過魚對象為異齒裂腹魚、巨須裂腹魚和拉薩裂腹魚，兼顧過魚對象為尖裸鯉、雙須葉須魚、拉薩裂尻魚、黑斑原鮡和黃斑褶鮡，主要過魚季節為2～10 月。藏木水電站魚道最大水頭67.0m，因此魚道的長度也達到了驚人的3621.388m。魚道采用的是垂直豎縫式魚道設計，池室長寬分別為3m 和2.4m，豎縫寬度為0.3m，深度為3.5m，魚道中每上升4.5m 高程設置一個休息池，共10 個休息池。魚道設有3個進魚口和4個出魚口。采用了視頻監控的魚道監測方法。

湘河水利工程地處西藏自治區日喀則市南木林縣境內［5］。該處的主要過魚對象可分為兩大類群：鯉科的裂腹魚亞科和鰍科的條鰍亞科，其中包括9 種土著魚，4 種外來魚種。湘河水利工程的主要過魚季節為6～8 月份。湘河水利樞紐魚道的最大水頭達45.8m，魚道總長度約1968.2m。魚道采用了垂直豎縫式設計，池室長寬分別為2.3m 和2.0m，深度為1.2m，豎縫寬度為0.2m，魚道中每隔18 個池室設置一個5～6m 長的休息池。魚道設有2 個進魚口和4 個出魚口。采用了視頻監控的魚道監測方法。

多布水電站處于西藏自治區林芝市境內［6］。該水電站處的主要過魚對象為拉薩裸裂尻魚、異齒裂腹魚、拉薩裂腹魚、巨須裂腹魚和雙須葉須魚，主要過魚季節為3～6 月。多布水電站魚道最大水頭約21m，魚道全場為1100.46m。魚道采用豎縫式設計，池室長寬分別為2.5m 和2m，深度為2.5m，豎縫寬度為0.3m。魚道在轉彎處共設置7 個休息池，在較長直段處設置共計2 個休息池，休息池長寬分別為5m和2m。魚道設有2 個進魚口和2 個出魚口。采用了視頻監控、紅外線監測和水聲學監測的魚道監測方法。

拉洛水利工程地處西藏自治區日喀則市薩迦縣境內［7］，壩址海拔達4300m。主要過魚對象為雙須葉須魚、異齒裂腹魚、拉薩裸裂尻魚和拉薩裂腹魚，主要過魚季節為3～8 月。魚道最大水頭為39.90m，最小水頭為26.49m，全長約2194m。魚道采用豎縫式設計，整體池室呈現“U”形結構，池室長寬分別為2.5m 和2.0m，深度最大為3.4m，豎縫寬度為0.35m，每20 個池室設置一個長度為5.0m 的休息池。魚道設有1 個進魚口和6 個出魚口。由于拉洛水利樞紐位處海拔4000m 的嚴寒地區，多年平均溫度為4.8℃，所以魚道設計采用了C25F200W6 抗凍混凝土，魚道內采用了防凍涂料涂抹水位變幅區域，魚道外基面鋪設厚度不小于1.5m 的砂卵石。拉洛水利樞紐于2014年6 月9 日開始修建，于2020 年投入使用，目前魚道監測系統正在建設中。西藏部分魚道概況如表1所示。

表1 西藏部分魚道概況

1.3 魚道設計展望

自2010 年起，國家環保部、水利部和交通部都陸續出臺了關于魚道建設的相應政策和文件，對魚道建設越來越重視。我國魚類種類數量多、空間分布廣、江河生態環境差異大，針對不同的區域，所需的魚道是截然不同的。魚道的任務除了滿足魚類的洄游需求外，還應保持河流的連通性、水生態的完整性、水生生物的完整性。在后續的魚道建設中，希望能做到因地制宜，對目標區域的洄游魚類的洄游特性進行調查研究，包括洄游魚類的年齡段、體長、對光的敏感度、喜好的流速和洄游的時間段等。同時，在工程建設完成后進行魚道監測，不斷優化魚道管理方式，提高過魚效率，確保魚道能真正發揮實際作用，實現生態環境和水利工程共贏的局面。

2 魚道監測技術發展概況

2.1 國內外魚道監測技術發展概況

魚道監測系統的目的是對魚道的運行情況進行監測，對魚道的運行情況進行評價。關于魚道監測問題的研究，主要關注監測方法的精準度和對生態的影響問題。

國外魚道監測技術發展較早，已形成了一些相對成熟得方法。目前，國外常用的監測技術主要有物理掛牌標記、水聲學探測、PIT（Passive Integrated Transponder被動整合雷達標）射頻識別、電阻法等。能夠對魚類數量、種類、長度、質量、年齡段等生物指標和水溫、水頭、流量等非生物指標進行記錄，對于魚道的運行做出有效評估。方法的選擇主要取決于監測指標、成本、應用價值和學術價值等因素。

國內魚道監測的主要方法有人工觀測、標記重捕、攝像機監測和水聲學探測等。1980年在洋塘使用人工觀測和攝像機監測法，2011年在長洲使用人工觀測、張網法和水聲學探測法，2012 年在崔家營使用標志重捕和水聲學探測法。由于魚道監測時間持續短，監測方法使用有限，在之前的魚道監測中，均未對魚道的運行效果進行有效評估。

2.2 西藏魚道監測技術概況

西藏目前常用的魚道監測方法有視頻監控法、魚類識別法、標記重捕法、水聲學監測、紅外線監測等。

2.2.1 視頻監控。西藏常用魚道觀察室作為魚道監測系統。魚道觀察室設有攝像機和電腦等設備，本質上是屬于視頻監控技術。通過攝像頭在魚道中捕捉圖像，利用人工計數得到過魚數目。視頻監控的優勢在于成本較低、攝像頭覆蓋面積較廣，弊端在于僅適用于渾濁度低的水體中。

2.2.2 魚類識別。魚類識別是基于深度學習的一種魚道監測方法，目前西藏自治區并未大量引入。魚類識別技術是通過將魚類的某一物理特征作為識別標志［8］使用大量數據進行模型訓練，使計算機在給出圖像中，識別出具有識別標志的目標。目前使用較多的是將魚類的長度、寬度和長寬比作為識別標志，通過大量數據訓練能夠識別出圖像中擁有特定特征的目標，目前大部分魚類識別技術的步驟大致為：

（1）投入大量需要識別的目標數據以供訓練模型；

（2）人工篩選魚道監控中的有效過魚片段；

（3）將篩選出來的有效過魚片段投入系統中進行識別。

該技術類似于人臉識別技術。目前的魚類識別技術基本還停留在靜態識別階段，需要事先通過人工去篩選有效過魚片段，再將數據傳入計算機系統進行識別。魚類識別技術的優勢在于，水下攝像頭對水體渾濁度的敏感度較低，不需要人工計數，能夠同時統計數量和種類。弊端在于成本較高，需要軟件和硬件雙重支持，使用數據庫在監測前對目標魚類進行數據采集，無法正確識別數據庫以外的魚類。此外，水下攝像頭的精度一定程度上會受到水體渾濁度和亮度的影響。

2.2.3 標志重捕。原理是在下游捕撈一定數量的魚類，并將捕獲的魚類做上標記，一定時間后在上游再次進行同樣數目的魚類捕獲，統計捕獲魚類中的帶標記的魚類。標志重捕法的優勢在于，實驗結果即過魚效率。PIT射頻識別技術本質上也屬于標志重捕的一種，不同的點在于PIT 射頻識別技術不需要二次捕獲標記魚類，通過設備接收標記魚的信號，得到過魚效率。弊端在于，該方法得到的過魚效率具有偶然性且成本較高，需要對魚類進行捕撈并在其身上植入標記，會對魚體產生損傷，可能會影響魚類的正常活動。該方法不能用于長時間的魚道監測，且在長魚道中使用效果較差，僅適合作為調查研究使用。

2.2.4 水聲學監測。原理是利用設備在水下發射聲波脈沖，聲波脈沖在水下傳播，監測到與傳播環境不同密度的目標時反射回發射機，以此達到對魚類的計數［9］。水聲學監測的結果會受噪音、水深、水流流速、魚類集群等因素影響。水聲學監測的優勢在于不受水體渾濁度的影響，監測范圍較廣。弊端在于成本較高，無法應對魚類集群現象。

2.2.5 紅外線監測。原理是在水下安裝設備，一側設置發射端另一側設置接收端，當接收端沒有收到發射端的信號時，計數加一。紅外線監測的結果會受到亂石、雜物和水生植物少等阻擋物的影響，無法應對魚類并排洄游的情況。安裝在水下的設備，其檢修頻率和更換頻率會提高。紅外線監測技術的優勢在于，不受水體渾濁度的影響，成本較低。弊端在于，無法區分魚類和水中雜物，且不能應對魚類集群的情況，如表2所示。

表2 西藏魚道監測技術的適用條件及不足處

2.3 魚道監測技術的展望

魚道監測的目的是檢驗魚道的運行效果，了解魚道的過魚效率，實質上就是確定魚類是否能成功洄游到上游。理論上通過在上游進行仔魚捕獲，記錄數量和種類也能達到這一目的。實際上魚類洄游分為生殖洄游、索餌洄游和越冬洄游三種，該方法僅能針對生殖洄游這一種情況，因此，該方法并不實用。

新興的魚類識別技術，目前大部分還處于靜態識別的階段，筆者認為魚類識別技術的發展方向大致應從軟件和硬件兩方面出發：軟件方面是實現動態識別，即實現實時圖像處理并進行識別；硬件方面需提高水下攝像頭的清晰度并要保證在夜間運作的清晰度，否則魚類識別技術在渾濁水體中無法正常發揮作用，在洪水期，魚類識別技術無法有效對魚道進行監測，無法監測完整的魚類洄游期。

筆者認為，可將水聲學監測技術和紅外線監測技術相結合。兩種方法都不受水體渾濁度影響，魚道監測需要在水體渾濁度較高的洪水期進行，該兩種監測技術相較于利用水下攝像頭的魚類識別技術適用性更好。其中，水聲學監測技術是以聲吶為基礎的監測技術，在魚群密集通過魚道時無法準確識別數量。紅外線監測技術在魚群并排通過魚道時無法準確識別數量。將二者結合，魚道中安裝聲吶的基礎上，在魚道鉛直方向安裝紅外線儀器，紅外線儀器密集排放，從下方發射，以該處進行洄游魚類的平均寬度作為計量標準計數，側面安裝的紅外線儀器，以該處進行洄游魚類的平均高度作為計量標準計數。聲吶計數將過魚數量限定在一個較小的范圍之內，在魚道下方安裝紅外線儀器應對魚群并排洄游的情況，側面安裝應對魚群上下疊層洄游的情況，最后對三者監測的數據進行處理，結果更趨近實際值。

3 結論

西藏地處高原地帶，海拔較高，多是河谷地形，已建成的水利設施多為中、低水頭水電站，升魚機、魚閘等形式的過魚設施，持續運作時間短且更適用于水頭較高的水利設施中，因此，西藏自治區內基本采用魚道作為過魚設施。魚道監測方面，西藏已經引入部分國內外較為先進的魚道監測技術，包括PIT射頻識別、水聲學探測和魚類識別等，同時使用魚類識別技術和水聲學探測能達到較好的魚道監測效果。針對魚道建設區域開展洄游魚類的調查，能提高魚道的針對性，優化魚道設計建設，根據不同的情況選擇合適的魚道監測技術，能提高魚道監測的精準度，改進魚道的運行管理方式，推進魚道設計建設發展。