集運魚船研究綜述

梁園園，劉德富，石小濤 ，許 勇，王從鋒，鄭霞忠，白艷勤，羅 佳

(三峽大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心，湖北宜昌 443002)

魚類因生理要求、遺傳和外界環(huán)境因素等的影響，常常需要進行洄游。然而，興建在天然河流或人工運河上的許多水利工程如閘(壩)等卻將完整的河流截斷［1］，不僅阻斷了魚類的洄游通道，限制了它們的洄游習(xí)性，而且阻隔了壩上下當(dāng)?shù)佤~類種群的交流，影響了它們的遺傳多樣性，最終對魚類的繁殖和生存構(gòu)成了嚴重的威脅［2］。

為了保護河流生態(tài)系統(tǒng)并適應(yīng)魚類的過壩需求，人們在魚道、魚閘、升魚機等固定過魚設(shè)施的基礎(chǔ)上，發(fā)明了一種活動過魚設(shè)施——集運魚船［3］。集運魚船相比于固定過魚設(shè)施，具有機動靈活、造價相對低廉、對樞紐布置無干擾等優(yōu)點，不僅能夠溝通阻隔河段，恢復(fù)水生生物交流，而且能夠適應(yīng)魚群變化規(guī)律，實現(xiàn)魚類的安全過壩。它是對高壩過魚方式的一次積極探索，對水利工程建設(shè)中的水生態(tài)保護也意義重大。目前，集運魚船在世界范圍內(nèi)應(yīng)用案例尚少，僅見于美國、俄羅斯等少數(shù)發(fā)達國家，有關(guān)研究和應(yīng)用在我國尚處于起步階段。因此，集運魚船在幫助魚類過壩和恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)平衡方面的功能有待進一步挖掘。本文僅對集運魚船的國內(nèi)外現(xiàn)狀作出分析，期待為其后期相關(guān)研究和應(yīng)用提供參考。

1 概述

集運魚船即“浮式魚道”，可移動位置，適應(yīng)下游流態(tài)變化，移至魚類高度集中的地方誘魚、集魚［4］。在具體運行過程中，有時需配合運魚車的使用。

集運魚船通常由集魚船和運魚船經(jīng)掛鉤前后掛接而成(圖1)，有時也可通過水下旁路系統(tǒng)連接。二者均為平底船，設(shè)有專門的集魚艙道與補水機組。工作時，集魚船在適當(dāng)?shù)攸c拋錨固定，啟開艙道兩頭閘門，放下接魚柵，讓水流從艙道中流過，并利用補水機組使水流速度增加至0.2～0.3 m/s，促使魚類游入集魚艙道。1.5～2.5 h后，進行計數(shù)，選魚，然后提起運魚艙道網(wǎng)格閘門，把集魚船所集之魚驅(qū)入運魚船。兩船脫鉤后，運魚船通過船閘過壩卸魚于上游水域［5］。通常1艘集魚船需配備2～3艘運魚船，交替掛接，連續(xù)工作。集運魚船可在魚群集中的地方，通過改變流速的方式吸引不同的魚類，其它誘魚設(shè)備如LED水下誘魚燈、聲控誘魚裝置等，也可作為輔助誘魚措施靈活運用。

圖1 集運魚船示意圖Fig.1 Sketch of fish barging

集運魚船上行過壩，可幫助生殖洄游性魚類上溯產(chǎn)卵，下行過壩可保護幼魚［6］，避免其受到渦輪機、泄洪道等的損傷。美國運行的集運魚船主要由屏障網(wǎng)、誘魚船、水下旁路管道和收集船4個部分組成。屏障網(wǎng)延伸到水庫，把魚定向引入利用出口水流獲得額外吸引力的集魚船。集魚船下游的2個主泵，將水庫中的水通過傾斜的屏引到上游，同時將引流中的魚從屏轉(zhuǎn)移到水槽中。較小的泵，通過第2個屏引流，并將魚轉(zhuǎn)入集魚槽。然后，通過魚槽底部的旁路管道將魚運送到收集船。收集船位于出口前面的淺水庫河道，通常要求其在壩頂橋梁及出口附近的一點上。在橋尾1個懸臂起重機把魚槽吊到橋上的運魚車中。最后，運魚車把魚運到大壩下游水域釋放。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 集運魚船的起源與發(fā)展

早在20世紀50年代，為克服升魚機投資高，及固定過魚建筑物(魚梯、魚閘等)進口不能完全適應(yīng)下游流態(tài)變化的缺點，前蘇聯(lián)最先開始了集運魚船相關(guān)研究。20世紀60年代，大、中型水利樞紐的過魚問題，引起國外研究者廣泛關(guān)注，此時集運魚船作為一種新型過魚設(shè)施得到初步發(fā)展。集運魚船的首次應(yīng)用是在美國貝克水庫項目中的Lower Baker Dam［7］。因Lower Baker Dam最初修建未考慮魚類過壩問題，后重新翻修需補建過魚設(shè)施，此時集運魚船與樞紐布置無干擾的特點獨具優(yōu)勢。隨后，集運魚船的試驗研究陸續(xù)展開，相關(guān)報道也逐漸出現(xiàn)。如Raymond［8－10］，Beiningen［11］等，對 Columbia River和Snake River中的大鱗麻哈魚(Oncorhynchus tshawytscha)及虹鱒(Salmo gairdneri)進行的集運魚船試驗。Slatick［12］，Ebel［13－14］等進行的集運魚船對大鱗麻哈魚和虹鱒成活率及返回率影響的試驗等。

相比之下，我國集運魚船的研究則起步較晚，其早期研究國內(nèi)基本為空白。直到1974年，為了解決葛洲壩水利樞紐的過魚問題，才出現(xiàn)少量集運魚船試驗研究［15］。近年來，隨著魚類監(jiān)測跟蹤技術(shù)及驅(qū)誘魚技術(shù)的迅速發(fā)展，國外集運魚船的研究和運用呈現(xiàn)發(fā)展態(tài)勢，特別是在幫助美國哥倫比亞河流域的幼年鮭魚下行過壩過程中，集運魚船發(fā)揮了重要的作用［16］。集運魚船被認為在保留幼魚洄游印記，大批量轉(zhuǎn)運，協(xié)助幼魚避開捕食者以及連續(xù)過壩等方面有突出的貢獻［17］。而集運魚船在生態(tài)保護和高壩或梯級水電站過魚方面的獨特優(yōu)勢，仍未引起我國相關(guān)部門足夠重視，發(fā)展相對緩慢。目前，我國集運魚船的研究仍處于探索階段［18］，國內(nèi)運用集運魚系統(tǒng)解決魚類過壩問題的水利工程甚少，僅見于重慶烏江彭水水電站?！疤骗h(huán)1號”集魚平臺是該集運魚系統(tǒng)的核心部分，目前集運魚船正在調(diào)試中，尚未運行，運行效果未知。

2.2 集運魚船的應(yīng)用

集運魚船雖然目前在世界上的應(yīng)用并不多，但其機動靈活的特性和實現(xiàn)高壩大庫及梯級閘壩過魚的潛在優(yōu)勢，很早就引起美國、蘇聯(lián)等發(fā)達國家的重視，各國積極致力于集運魚船的相關(guān)研究。為了彌補魚閘、升魚機等固定過魚設(shè)施的不足，前蘇聯(lián)在頓河支流Manych River開展了集運魚船試驗［19］。研究表明，集運魚船適合在大規(guī)模產(chǎn)卵洄游期內(nèi)誘魚、集魚和運魚。魚群是否進入集魚船內(nèi)并非偶然，而有其規(guī)律性，這取決于集魚船與河底銜接的水力學(xué)和結(jié)構(gòu)的條件好壞、誘魚流速的大小、魚群洄游的晝夜和季節(jié)節(jié)律等。

為了解決洄游性魚類的過壩問題，1955年4月美國華盛頓州漁業(yè)部將在Klickitat河口誘集的200 000尾大鱗麻哈魚裝入運魚船，經(jīng)Bonneville Dam順流而下釋放到Skamokawa附近水域［20］。由于避免了天敵的捕食，集運魚船運輸過壩的魚成活率明顯高于自然遷移的魚。在1955年評估Bonneville Dam渦輪機和葉唇魚(Ptychocheilus oregonensis)對幼年鮭魚洄游影響的標志重捕試驗［21］中，集運魚船也有應(yīng)用。1958年4月華盛頓州漁業(yè)部又在Lower Baker Dam進行了試驗。最初的運行效果不甚理想，但經(jīng)過不斷改進和完善，最終取得較好的運行效果。1998年返回Baker River產(chǎn)卵的紅大麻哈魚(Oncorhynchus nerka)達到13 000尾，與20世紀70年代末每年平均返回量3 000尾相比，有了大幅提升。2000年左右，集運魚船平均每年運送到Baker River產(chǎn)卵的紅大麻哈魚都在7 000～8 000尾之間［7］。1968年美國海洋漁業(yè)局將集運魚船應(yīng)用于Ice Harbor Dam［22］并取得良好效果。1971年建成的Little Goose Dam［23］和1975年建成的Lower Granite Dam中也應(yīng)用了集運魚船實現(xiàn)魚類過壩。但自1989年P(guān)avlov對前蘇聯(lián)在里海流域的伏爾加河、頓河和庫班河流域為鱘科、鯡科和鯉科的一些種類設(shè)計的集運魚船報道后，就很少有集運魚船的相關(guān)設(shè)計與建設(shè)的報道，多見于集運魚船的效果評估［24］。

2.3 集運魚船運行中存在的問題

集運魚船作為一種活動過魚設(shè)施，具有如下優(yōu)點:能根據(jù)不同工作情況變換集魚地點、可在較大范圍內(nèi)根據(jù)目標魚類的不同調(diào)節(jié)誘魚流速、當(dāng)確定定向流速后可將魚放至不被下泄水流影響的河段上、不需要從上游水庫取水等，但實際運行中也存在不少缺點［4］。

如大壩尾水處是魚群最易集聚的地方，但河床多以亂石為主，容易卡錨，為了安全起見一般不在尾水處作業(yè);最關(guān)鍵的技術(shù)即集魚方法有待進一步挖掘:船內(nèi)發(fā)動機和水泵開動產(chǎn)生的噪音和振動會驚擾魚類，對集魚量造成一定影響［25］;通過集運魚船運輸過壩的魚經(jīng)過非自然的遷徙可能會降低洄游本能，出現(xiàn)返回率較低的現(xiàn)象;集運魚船作業(yè)周期比較長，需要較多操作人員，運行費用較大;對于沒有船閘的水利工程不能直接使用，而只能輔以運魚車達到運魚過壩的目的。此外，集運魚船還存在較難誘集底層魚類［26］，易受過往船只影響［27］，冬季水庫結(jié)冰后不能使用等問題。所以，推廣集運魚船時，如何更好地將現(xiàn)有集誘魚技術(shù)應(yīng)用其中，如何更好地因地制宜使它順利運行，如何減小魚在運輸過程中的死亡率［28］等，都是需要十分小心謹慎處理的問題。此外，集運魚船目前在國外的應(yīng)用僅局限于鮭魚幼魚下行過壩過程，在成魚上行過壩過程中未見應(yīng)用。其原因是集運魚船較適宜轉(zhuǎn)運大批量小個體魚類而不適宜大批量轉(zhuǎn)移大個體魚類，同時，大個體魚類不存在印記需求，更適合魚道和升魚機等過魚設(shè)施。

3 亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)

集運魚船無論幫助上溯洄游魚類上行過壩，還是幫助幼魚及降河遷徙魚類下行過壩，都需要監(jiān)測跟蹤目標魚類，并利用適當(dāng)驅(qū)誘魚手段將目標魚類誘集、驅(qū)趕到集運魚船中。所以在集運魚船設(shè)計、建造及運行過程中，需要同時研究魚類監(jiān)測跟蹤和驅(qū)、誘魚等關(guān)鍵技術(shù)。其中，集魚技術(shù)是核心技術(shù)，因為能否成功地誘集到目標魚類，直接決定著集運魚船運行效果的好壞。

現(xiàn)有的魚類監(jiān)測跟蹤技術(shù)有回聲探測儀聲納探測、射頻標記跟蹤、生物遙測定位、超聲波標志［29］和水下聲學(xué)成像技術(shù)［30］等。其中，水下聲學(xué)成像技術(shù)和射頻標記跟蹤適用于復(fù)雜環(huán)境下小水體中魚類行為的定量，可應(yīng)用于集運魚船集魚效果的精細評估。相比監(jiān)測技術(shù)，各種集魚技術(shù)更直接地影響著集運魚船的效果。大部分集魚技術(shù)如水流、引導(dǎo)屏障、集魚燈、人工魚礁、餌料法、聲光誘魚器和電誘魚等較適合小范圍應(yīng)用，而在水庫、湖泊及河流等范圍較大的地方單獨使用的效果仍有待提高。為提高集魚效果，可結(jié)合當(dāng)?shù)睾佣魏湍繕唆~類特點，將以上方法組合使用。如利用魚類對水流的趨性［31］和光的選擇性，將水流誘魚和LED水下誘魚燈聯(lián)合應(yīng)用，同時輔以適當(dāng)驅(qū)魚手段如電極驅(qū)魚［32］或氣泡幕驅(qū)魚［33］等，會誘集到更多的目標魚類。近年來，我國對驅(qū)誘魚技術(shù)進行了研究與探索，利用魚類對聲音的趨性發(fā)明了具有良好穩(wěn)定性和安全性的聲控誘魚裝置［34］，利用魚類對食物或誘食劑的喜好設(shè)計了魚餌續(xù)供型誘魚器［35］，綜合利用魚類對聲光電等的選擇性發(fā)明了聲光電綜合驅(qū)魚儀［36］等，但是在實際運用中的集誘效果仍有待驗證或改善。在集運魚船的建設(shè)過程中，有必要綜合各種集魚措施，尋求更好的魚類集運效果。我國少數(shù)工程救魚設(shè)施(如魚道)中應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)，如電柵欄攔魚、噴水設(shè)備誘魚和射流誘魚等方法均可借鑒到集魚船的建設(shè)中。國外如美國、加拿大和英國等國家的驅(qū)誘魚技術(shù)，包括魚類引導(dǎo)系統(tǒng)［37］、水流誘魚裝置技術(shù)［38］等，發(fā)展相對成熟，已經(jīng)應(yīng)用于多個水電站、火電站和核電站的魚類保護中，并取得了較好的效果，在集運魚船的建設(shè)過程中也可借鑒其技術(shù)。

4 結(jié)論與展望

在河流生態(tài)系統(tǒng)平衡受到大壩修建嚴重影響的背景下，如何保護魚類并幫助其安全過壩已經(jīng)成為眾多水電工作者、生態(tài)學(xué)者和政府人員共同關(guān)注的問題。集運魚船作為在國外有多年發(fā)展歷史的工程救魚措施，具有機動靈活、能夠適應(yīng)不同水位、流量、地形和船閘運行情況的特點，在恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)平衡及幫助魚類過壩等方面具有獨特優(yōu)勢。目前，以三峽大壩、葛洲壩及金沙江水電開發(fā)為代表的水利工程對魚類洄游路線的阻隔問題，已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注。在現(xiàn)有生態(tài)補償措施尚不能較好解決救魚問題的背景下，集運魚船作為除魚道、升魚機等固定過魚設(shè)施之外的另一潛在途徑值得關(guān)注。

目前，水利條件的掌握及集魚技術(shù)的發(fā)展是限制集運魚船發(fā)展的最主要因素。此外，運行位置的選擇、魚類資源的了解等因素也會影響其運行效果。鑒于此，建議在今后的研究與實踐過程中，首先針對國內(nèi)外集運魚船的研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)、運行狀況等問題開展實地調(diào)研，了解其基本環(huán)節(jié)并明確未來發(fā)展趨勢，同時學(xué)習(xí)歐美等發(fā)達地區(qū)集運魚船的設(shè)計理念、關(guān)鍵技術(shù)、運行概況和管理環(huán)節(jié);然后針對國內(nèi)驅(qū)、誘魚技術(shù)發(fā)展較為落后，并且不適合在大范圍內(nèi)使用的問題，開展進一步的研發(fā)工作，如在現(xiàn)有的誘魚燈、聲控誘魚裝置、魚餌續(xù)供型誘魚器等的基礎(chǔ)上，綜合利用魚類對聲音頻率、大小，光照顏色、強度，電流，電壓以及氣泡，水流，誘食劑等的選擇性和敏感性，設(shè)計出一種以水流誘魚為主，同時輔以其他方法的綜合誘魚技術(shù)，以改善現(xiàn)有技術(shù)誘魚效果不理想的現(xiàn)狀;最后針對我國內(nèi)陸河道、水電站和擬保護魚類的特點，在調(diào)研結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)經(jīng)驗，自行設(shè)計建造集運魚船。

在設(shè)計建造的過程中，有必要詳細分析集運魚船在各種工程實踐中的可行性，比較其與其他過魚設(shè)施在不同工況下的優(yōu)劣。我國部分內(nèi)陸水電工程，如長江三峽大壩，具有水頭高、水面寬和流量大的特點，建設(shè)魚道已經(jīng)不能作為工程救魚的可選方案;另一些水電工程，如北盤江流域開發(fā)中的馬馬崖水電站等，所在流域具有坡降大、河流窄并以峽谷為主的特點，采用修建魚道的方法解決魚類的過壩問題亦不可取。重慶市烏江彭水水電站在綜合考慮了當(dāng)?shù)氐暮拥?、魚類、水文等實際情況后建造了“集魚平臺”，成為我國第1個運用集運魚系統(tǒng)解決魚類過壩問題的水電站。貴州北盤江馬馬崖一級水電站在綜合了各種因素之后，也準備采用集運魚系統(tǒng)實現(xiàn)魚類的安全過壩［39］。由此可見，集運魚船在生態(tài)保護及高壩過魚方面的優(yōu)勢已逐漸得到認可。雖然相比于美國、加拿大等發(fā)達國家，我國在集運魚船的基礎(chǔ)研究方面仍較為薄弱，在其具體設(shè)計、建造及運行方面也存在一定的技術(shù)難題，但相信經(jīng)過不斷地努力，我國有望在此領(lǐng)域取得水電發(fā)展與生態(tài)和諧的突破。

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