過魚設(shè)施設(shè)計要點及有效性評價

侯軼群，蔡露，陳小娟，溫靜雅，賀達(dá)，金瑤，陶江平,趙先進(jìn)

(1.水利部中國科學(xué)院水工程生態(tài)研究所，水利部水工程生態(tài)效應(yīng)與生態(tài)修復(fù)重點實驗室，湖北省水生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，湖北武漢 430079； 2.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境工程評估中心，北京 100012； 3.貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州省喀斯特地區(qū)水資源開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心，貴州貴陽 550002)

自2000年以來，生態(tài)環(huán)境部(原國家環(huán)境保護(hù)總局、原環(huán)境保護(hù)部)在國家有關(guān)法律法規(guī)的要求下，依托于《水電水利建設(shè)項目河道生態(tài)用水、低溫水和過魚設(shè)施環(huán)境影響評價技術(shù)指南(試行)》(環(huán)評函〔2006〕4號)，在環(huán)境影響評價過程中對受理的水利水電工程提出了建設(shè)過魚設(shè)施的要求，過魚設(shè)施重新受到重視，魚類學(xué)、水力學(xué)、水工設(shè)計等相關(guān)專業(yè)人員和機(jī)構(gòu)都投入了過魚設(shè)施的研究、建造和運行中。較早建設(shè)的一批過魚設(shè)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(tǒng)等已相繼投入運行。同時，隨著過魚設(shè)施的運行監(jiān)測與效果評價，我們對設(shè)計指標(biāo)的認(rèn)識也更為全面客觀，設(shè)計技術(shù)也日臻成熟，積累了一定的經(jīng)驗和教訓(xùn)。本文主要針對過魚設(shè)施在建造現(xiàn)狀、設(shè)計要點、有效性評價等方面的研究進(jìn)行梳理，以期為國內(nèi)過魚設(shè)施的設(shè)計研究提供參考。

1 過魚設(shè)施設(shè)計要點

過魚設(shè)施按結(jié)構(gòu)組成劃分為進(jìn)口、主體結(jié)構(gòu)、出口三部分，這些結(jié)構(gòu)的設(shè)計均應(yīng)以魚類生態(tài)學(xué)、行為學(xué)指標(biāo)為基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)。

1.1 設(shè)施進(jìn)口

無論是魚道、仿自然通道還是升魚機(jī)、集運魚系統(tǒng)，保證上溯魚類能夠較快找到并順利進(jìn)入進(jìn)口，都是過魚設(shè)施設(shè)計的關(guān)鍵所在。進(jìn)口的設(shè)計要點主要包括進(jìn)口位置、進(jìn)口流速流態(tài)、進(jìn)口結(jié)構(gòu)、進(jìn)口數(shù)量、進(jìn)口運行水位等。補水設(shè)施、電趕攔魚柵等誘導(dǎo)魚設(shè)施也被認(rèn)為可輔助提高進(jìn)口效率。同時，針對具體過魚對象的生物學(xué)依據(jù)也必不可少，如魚類的時空分布與環(huán)境驅(qū)動因子、魚類的喜好流速流態(tài)指標(biāo)、魚類的游泳能力等。

(1)生物學(xué)指標(biāo)。將過魚設(shè)施進(jìn)口布置在上溯魚類的聚集區(qū)，是設(shè)計共識。據(jù)已有研究結(jié)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(guān)。長洲水利樞紐壩下魚類水聲學(xué)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(xué)探測結(jié)果顯示，在大江電廠與泄沙閘之間區(qū)域是魚類主要的聚集區(qū)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(jìn)口設(shè)計的生物學(xué)依據(jù)依然較少，目前國內(nèi)主要通過游泳能力測試結(jié)果分析誘魚流速作為設(shè)計依據(jù)。

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

1.2 主體結(jié)構(gòu)

過魚設(shè)施主體結(jié)構(gòu)的設(shè)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(yīng)作為生物學(xué)設(shè)計依據(jù)。

(1)生物學(xué)指標(biāo)。魚類游泳能力測試是近年來國內(nèi)開展較多的基礎(chǔ)行為學(xué)研究。主體結(jié)構(gòu)控制斷面的最大流速應(yīng)小于魚類的爆發(fā)游泳速度。其他過魚斷面的流速盡量控制在持續(xù)游泳速度范圍內(nèi)。除此以外，水體旋渦直徑同魚體長相近時，會導(dǎo)致魚迷失方向[7]；水體過于紊亂會導(dǎo)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(jié)構(gòu)的關(guān)鍵設(shè)計要點為避免魚類能量消耗太多[8]，應(yīng)保證坡度、魚道長度、流速、紊動能等指標(biāo)均不可過大，避免魚類疲勞。此外，主體結(jié)構(gòu)上溯路線上應(yīng)避免出現(xiàn)容易使魚迷惑的旋渦水流。升魚機(jī)、集運魚系統(tǒng)等被動式過魚設(shè)施應(yīng)盡可能地保證集運魚過程中的親魚性設(shè)計，避免對魚類造成機(jī)械損傷和脅迫影響，有必要設(shè)置全程監(jiān)控系統(tǒng)，以便監(jiān)測整個過程中的魚類狀況，并隨時調(diào)整不利操作。

1.3 設(shè)施出口

出口也是過魚設(shè)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(jìn)口一樣，在上游水位差變化較大的工況下，宜采用多出口結(jié)構(gòu)，保證魚道正常運行，同時應(yīng)避免魚道中上下游運行水位差別過大而導(dǎo)致的流速過急、過緩或水深過小等不利的過魚工況發(fā)生。除此之外，出口處應(yīng)設(shè)置攔漂設(shè)施，防止堵塞過魚通道。升魚機(jī)、集運魚系統(tǒng)出口為魚類泄放設(shè)施，以不使魚受傷，減少應(yīng)激反應(yīng)為宜。

2 過魚設(shè)施現(xiàn)狀與有效性評價

經(jīng)過10多年的發(fā)展，較早批建的過魚設(shè)施已相繼投入使用，其他設(shè)施工程也進(jìn)入了規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)等不同階段。針對已建工程，開展有效的監(jiān)測、科學(xué)的效果評價可為過魚設(shè)施技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供重要支撐。

2.1 設(shè)施現(xiàn)狀

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

表1 已建魚道及其監(jiān)測情況統(tǒng)計表(2000年—2018年)

2.2 有效性評價

截至2018年6月，已進(jìn)行過監(jiān)測或正在進(jìn)行監(jiān)測的魚道數(shù)量有13座，其中12座魚道有監(jiān)測資料可查，但仍有50%以上的過魚設(shè)施在建設(shè)完成后尚未進(jìn)行效果監(jiān)測。12座魚道的監(jiān)測資料均給出了魚道的過魚種類數(shù)，不同魚道的過魚種類有3種～61種，占壩下種類總數(shù)的49.35%～74.39%；9座魚道進(jìn)行了過魚數(shù)量的統(tǒng)計和分析，在魚道池室或出口位置統(tǒng)計過魚數(shù)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(guī)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?yōu)橹?；過魚季節(jié)主要集中在每年的3月～6月，與魚道設(shè)計的主要過魚季節(jié)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(jiān)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(shè)施運行及發(fā)展中存在的問題

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

(1)過魚設(shè)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(shè)施中很大一部分還未開展效果監(jiān)測與評價；已開展監(jiān)測的設(shè)施大多也進(jìn)行持續(xù)運行監(jiān)測。同時，我國還缺乏升魚機(jī)、集運魚系統(tǒng)等被動式過魚設(shè)施的監(jiān)測案例，僅有烏江彭水集運魚系統(tǒng)等少數(shù)幾座有一定的監(jiān)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(jī)和集運魚系統(tǒng)這類被動式過魚設(shè)施，且大多尚處于規(guī)劃、設(shè)計和建造中，亟須相關(guān)監(jiān)測評價結(jié)果予以技術(shù)和決策支持。除此之外，由于沒有統(tǒng)一的監(jiān)測規(guī)范指導(dǎo)，已開展的過魚設(shè)施效果監(jiān)測和評價的指標(biāo)、頻次、方法均存在較大差異，同類型過魚設(shè)施甚至同一條河上距離相近的設(shè)施的監(jiān)測結(jié)果都無法進(jìn)行效果比較，限制了我國過魚設(shè)施學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展。

(2)過魚設(shè)施的普及度仍然較低。過魚設(shè)施在過去10多年取得了非常大的進(jìn)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(shè)施。然而，支流被認(rèn)為是魚類非常重要的棲息場所，承擔(dān)了魚類產(chǎn)卵、索餌等重要功能，支流生境破壞會對魚類資源量產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，一些小支流在枯水季節(jié)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(shè)施的成本遠(yuǎn)低于干流，但產(chǎn)生的生態(tài)效益卻不容小覷，對魚類產(chǎn)卵這一生活史中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)具有重要的促進(jìn)作用，需引起足夠的重視。

(3)過魚設(shè)施的生物學(xué)標(biāo)準(zhǔn)仍然缺乏。盡管我國很多過魚設(shè)施在設(shè)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(chǔ)生態(tài)行為參數(shù)研究，但還不足以充分支撐過魚設(shè)施的定量設(shè)計，如針對進(jìn)口設(shè)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(shù)工程在開展魚類行為學(xué)參數(shù)試驗時，已確定了過魚設(shè)施的基本位置、形式和方案設(shè)計，導(dǎo)致魚類行為學(xué)參數(shù)結(jié)果無法有效應(yīng)用于設(shè)計優(yōu)化。前期研究開展時間較晚也是目前國內(nèi)過魚設(shè)施建設(shè)中普遍存在的問題[9]。

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

4 提升設(shè)施有效性的建議與展望

魚道設(shè)計、建設(shè)與運行過程需要魚類學(xué)、生態(tài)學(xué)、水力學(xué)、水工學(xué)等多學(xué)科的結(jié)合，需要經(jīng)歷認(rèn)識—實踐—再認(rèn)識—再實踐的反復(fù)過程[11]。美國、歐洲、南美以及日本等國家或地區(qū)大量成功的建設(shè)實例就是以長效監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，經(jīng)過不斷的實踐經(jīng)驗積累與調(diào)整而最終取得了良好的過魚效果。近年來，隨著我國過魚設(shè)施建設(shè)和有效性評價案例增加，對過魚設(shè)施已經(jīng)具有更為深入的了解，積累了一定的設(shè)計經(jīng)驗和生物學(xué)數(shù)據(jù)，也發(fā)現(xiàn)了一些發(fā)展中存在的問題。建議進(jìn)一步通過開展技術(shù)研究和運行管理，有效提升我國過魚設(shè)施的整體發(fā)展水平。具體建議如下：

(1)增強過魚設(shè)施的效果評價。建議環(huán)評部門盡快出臺過魚設(shè)施效果評價的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，且對設(shè)施的運行管理和技術(shù)配置進(jìn)行科學(xué)統(tǒng)一的要求，促進(jìn)提升我國過魚設(shè)施技術(shù)水平，同時促進(jìn)過魚設(shè)施生態(tài)環(huán)境效益的有效發(fā)揮，為進(jìn)一步的過魚設(shè)施優(yōu)化和建設(shè)提供強有力的技術(shù)支撐。建議未來幾年新興竣工的過魚設(shè)施盡快開展效果監(jiān)測與評價，尤其是被動式過魚設(shè)施，亟待通過效果評估積累我國在這方面的經(jīng)驗，也可客觀評價這類過魚設(shè)施對洄游阻隔的減緩效果，同其他生態(tài)補償措施進(jìn)行綜合分析，以制定更為全面有效的生態(tài)補償措施方案。

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

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

(4)針對我國魚類研究適宜的下行過魚設(shè)施。盡管下行過魚設(shè)施的技術(shù)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(shè)施保護(hù)魚類資源量、增加基因交流的目標(biāo)，開展上游近壩段驅(qū)趕、引導(dǎo)魚類遠(yuǎn)離危險區(qū)，配合部分卵苗采集運輸至下游投放等措施，實現(xiàn)下行過魚。

綜上所述，近10多年來我國過魚設(shè)施發(fā)展取得了長足的進(jìn)步，但仍存在一些問題亟待解決。隨著過魚設(shè)施進(jìn)入快速的發(fā)展階段，建議針對相關(guān)問題開展科學(xué)而廣泛的研究，同時加強規(guī)劃設(shè)計和運行管理，保障我國過魚設(shè)施的持續(xù)健康發(fā)展。