福建省羅源霍口水庫工程過魚設施設計中魚類游泳能力試驗的研究

摘要：高壩水庫的建設會對洄游魚類造成影響，為促進壩上壩下的魚類基因交流以及保持河道的連通性，過魚設施的建設非常重要。福建省羅源霍口水庫工程的主要過魚對象共有6種，為確保這幾種主要過魚對象可以找到過魚設施的進魚口，并順利保證它們通過，以及為過魚設施提供設計參數(shù)支持，對這幾種魚類進行了魚類游泳能力測試。根據(jù)測試結果，分析了幾種主要過魚對象的感應流速、臨界游泳速度、突進游泳速度和持續(xù)游泳時間，為過魚設施的設計提供了參考和依據(jù)。

關鍵詞：大壩阻隔;魚類游泳能力;過魚設施;進魚口;感應流速

中圖分類號：X174? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2095-672X（2021）01-0112-06

DOI.10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2021.01.018

Study on swimming ability test of fishes for design of fish passage facility of Huokou Water Conservancy Project in Luoyuan

Dong Yanlong

（Fujian Provincial Investigation， Design & Research Institute of Water Conservancy & Hydropower， Fuzhou Fujian 350001， China）

Abstract：Construction of high dam reservoir can lead adverse effects to migratory fishes. In order to facilitate exchange of genes and maintain connectivity of the Aojiang river basin， dams should be constructed with fish passage facilities. For the Huokou water conservancy project in Luoyuan， Fujian Province， six species of fishes are defined as main migratory fishes and their migration breeding should be guaranteed by construction of fish passage facility. The swimming ability test of these six species of fishes are done in order to ensure they can find the entrance of the fish passage facility so that they are capable of passing the passage successfully， and moreover provide parameters for optimizing the design of fish passage facility in this project. The test analyzed induced velocity， critical swimming speed， burst swimming speed and swimming duration of these six species of fishes， and thereby provides references and design bases for fish passage facility of this project.

Key words：Dam obstruction; Swimming ability test of fishes; Fish passage facilities; Entrance of fish passage facility; Induced velocity

1? ? 工程概況

福建省羅源霍口水庫工程位于敖江干流中上游，地處福州市羅源縣霍口鄉(xiāng)，其壩址距離羅源縣城城關約29km，是敖江干流梯級開發(fā)方案的龍頭水庫。霍口水庫為年調節(jié)水庫，正常蓄水位為190.00m，死水位為150.00m，汛限水位為185.80m，淤沙高程134.20m，100年一遇設計洪水位為190.50m（P=1%），相應下游設計洪水位為129.40m;2000年一遇校核洪水位為192.84m（P=0.05%），相應下游校核洪水位為131.30m。水庫總庫容2.97億m3，正常蓄水位以下庫容2.71億m3，死庫容0.47億m3，正常蓄水位時水庫面積8.76km2，水庫回水長度19km。本工程廠房位于主壩左岸下游200m左右，共安裝3臺混流式水輪發(fā)電機組（2×25MW+10 MW），總裝機容量為60MW。110kV升壓開關站位于進廠公路左側布置。

霍口水庫建成后，可有效調節(jié)敖江年徑流量，增加枯水期敖江可引水量，從而進一步完善福州市閩江北岸以及閩江、敖江雙水源供水體系。同時還可以增加下游塘坂水庫枯水期的生態(tài)流量，有利于敖江下游水生生態(tài)的保護。但大壩的建設會對洄游魚類和產漂流性卵的魚類產生阻隔作用。洄游性魚類因為閘壩阻隔無法到達產卵地，產漂流性卵的魚類可能因閘壩建設喪失了卵的漂浮條件。因此，大壩應建設過魚設施。

2? ? 過魚對象分析

2.1? ? 過壩種類分析

本工程過魚設施的主要目的是保證魚類洄游通道暢通以及促進壩上壩下魚類交流。因此，為保證過魚設施的運行效果，過魚對象的確定十分重要。原則上壩址處分布的所有魚類都是本工程的過魚對象，但過魚設施的設計需根據(jù)主要過魚對象的特點及生態(tài)習性進行設計[1]。

為確定本工程的主要過魚對象，在綜合考慮本工程的過魚需求、魚類經濟價值、過魚時效性以及當?shù)氐聂~類資源量現(xiàn)狀后，制定了相應的具體考慮指標和賦分依據(jù)。過魚對象篩選依據(jù)見表1，對不同種類的綜合得分（各指標得分累加）進行排序作為過魚種類選擇依據(jù)。根據(jù)表1的篩選依據(jù)以及對過魚對象的賦分，確定的過魚對象見表2。

綜合考慮，為保證壩上壩下魚類的交流，本工程的過魚對象為壩址處分布的所有魚類，其中重點考慮黑脊倒刺鲃、細鱗鲴、寬鰭鱲、半刺光唇魚、粗唇鮠、銀鲴等六種魚類。

2.2? ? 魚類游泳能力

過魚設施運行的成敗以及過魚效率主要由兩個重要因素決定：（1）魚類能否順利找到入口;（2）魚類能否通過。因此過魚設施的有效性通目標魚類的游泳行為密切相關[2]。具體而言，魚類的趨流特性主要用于過魚設施進口的流場設計;而魚類疲勞時間和魚類克流速度等指標則是過魚設施流速設計的重要依據(jù)。

為了給本工程過魚設施設計提供基礎數(shù)據(jù)支撐，需進行魚類游泳能力試驗，研究本工程影響區(qū)域內主要過魚對象的游泳能力等關鍵參數(shù)。

3? ? 魚類游泳能力試驗

3.1? ? 測試方法

本工程魚類游泳能力試驗研究的主要測試指標為主要過魚種類的：感應流速、臨界游速、突進游速和持續(xù)游泳時間[3]。

3.1.1? ? 感應流速

魚的趨流特性一般以感應流速為指標，在過魚設施的設計中，感應流速可以反映魚道和魚類洄游路線中，魚類上溯的最小流速，在這個流速以上，魚類才能夠找到洄游方向[4]。

在本試驗中，將暫養(yǎng)24h后的試驗魚按照頭部指向測試水槽順流方向放置于游泳能力測試水槽中，適應1h后逐步調大測試段中的流速，每隔5s，流速升高2cm/s。在實驗過程中密切關注魚類的游泳能力行為，當試驗魚逆轉方向，逆流行動，記錄此時的流速，此流速即是試驗魚的感應流速。

3.1.2? ? 臨界游泳速度

魚類的臨界游泳速度是魚類耐久游泳速度能達到的最大值，臨界游泳速度代表了魚類在特定時間內可以維持的最大速度。獲取這個數(shù)值對于保證魚類通過的前提下，減小工程量，縮短魚道長度有重要意義。

本試驗中，臨界游速采用“遞增流速法”。試驗前將單尾試驗魚放入測試儀器中，在低流速（0.1cm/s左右）下適應1h以消除轉移過程對魚體的脅迫并讓試驗魚熟悉測試環(huán)境。測試開始后，先把流速調至60%的預估臨界游泳速度，然后逐步調大測試段中的流速，時間間隔為15min，流速步長為15%的預估臨界游泳速度。在此試驗期間同時關注試驗魚的游泳行為情況，一旦試驗魚體力耗盡無法繼續(xù)游泳，則立即結束試驗，并記錄游泳時間。試驗過程用錄像機全程記錄游泳試驗過程。

測試完成后，記錄魚體長、全長、體重、損傷狀況等值;記錄水槽水溫、溶氧等參數(shù)。

臨界游速計算公式：

其中：Vi是增速大小，Vp是魚極限疲勞的前一個水流速度，tf是上次增速到達極限疲勞的時間，ti是兩次增速的時間間隔。

3.1.3? ? 突進游泳速度

突進游泳速度是魚類所能達到的最大速度，維持時間很短，魚類通過豎縫式魚道的豎縫時運用突進游泳速度，直到疲勞才停下來休息，因此突進游泳速度也是魚道設計中的重要參數(shù)。

本試驗中，突進游速也采用“遞增流速法”。與臨界游速測試方法基本一致，只是將流速提升時間間隔改為20s。突進游速計算公式與臨界游速計算公式一致。

3.1.4? ? 持續(xù)游泳時間

持續(xù)游泳時間是耐久游泳速度的一個重要指標，指在特定流速下魚類可以維持的游泳時間，對于距離較長或者結構較為簡單的魚道，持續(xù)游泳時間關系到魚類可以連續(xù)上溯的距離。

在本試驗中，將暫養(yǎng)24h后的試驗魚放置于游泳能力測試水槽中，在小于0.1m/s的流速中適應1h，然后以每10s 增加0.1 Ucrit逐漸調大測試段中的流速達到預先設定的流速值（Ucrit），觀察魚的游泳行為，直至試驗魚疲勞無法繼續(xù)游動或持續(xù)游動時間達到200min，此時結束試驗，記錄游泳時間。

3.2? ? 測試結果

本次試驗，銀鲴也作為主要實驗對象，但是由于本次捕撈到的數(shù)量僅僅只有一條，下面將列出此條試驗魚的所有實驗數(shù)據(jù)：銀鲴感應流速為0.18m/s，臨界泳速為0.9m/s，突進泳速為1m/s，持續(xù)游動時間為1260s。其他魚類的實驗數(shù)據(jù)如下所示。

3.2.1? ? 感應流速

根據(jù)測試結果，這六種魚除銀鲴之外感應流速比較相近。各種類的中值感應流速都在0.16m/s左右。說明各魚種對水流都比較敏感，結果見表3。

3.2.2? ? 臨界游泳速度

臨界游泳速度主要作為持續(xù)游泳時間測試的預測試，其結果主要用于魚類的持續(xù)游泳時間測試的流速值選取。同時，臨界游泳速度也用于觀測魚類穩(wěn)定式游動和加速-滑行式游動的速度范圍。

由測試結果可以看出，半刺厚唇魚、粗唇鮠、黑脊倒刺鲃、寬鰭鱲、細鱗鲴、銀鲴的臨界游泳速度中值分別為0.96 m/s、0.97 m/s、0.9 m/s、0.71m/s、0.84m/s、0.9m/s。具體結果見表4。

3.2.3? ? 突進游泳速度

由測試結果得出，粗唇鮠和寬鰭鱲的突進泳速比較接近。細鱗鲴的突進游泳速度較低，符合一般體長與游泳速度關系，見表5。

3.2.4? ? 持續(xù)游泳時間

在進行持續(xù)游動時間實驗時，本測驗采用0.6倍的臨界泳速進行試驗，通過表6可以看出這五種試驗魚的中值持續(xù)游泳時間差異巨大，兩級分化嚴重，其中黑脊倒刺鲃、半刺厚唇魚以及寬鰭鱲的中值游泳時間都可以達到2小時，而細鱗鲴只能達到960s。具體結果見表6。

3.3? ? 測試結論

福建省羅源霍口水庫工程的魚類游泳能力試驗測試測得本工程的6種主要過魚對象半刺厚唇魚、粗唇鮠、黑脊倒刺鲃、寬鰭鱲、細鱗鲴、銀鲴的幾項主要特征游泳速度，具體結果見表7，其中銀鲴由于樣本較小，結論可能代表性較為欠缺。

從測試結果可以得出，本工程主要過魚對象的感應流速相差不大，從0.15m/s～0.18m/s;粗唇鮠的臨界流速在6種主要過魚對象中是最大的，達到0.97m/s，半刺厚唇魚、黑脊倒刺鲃和銀鲴的臨界流速也分別為0.96m/s、0.90m/s、0.90m/s，寬鰭鱲的臨界流速較小，為0.71m/s;半刺厚唇魚的突進流速最大，達到1.33m/s，細鱗鲴的突進流速在這幾種魚類中最小，為0.96m/s;半刺厚唇魚、粗唇鮠和寬鰭鱲的持續(xù)游泳時間都可以達到2小時，而細鱗鲴只有960s，差異較為明顯。

4? ? 結語

福建省羅源霍口水庫工程具有供水、防洪以及發(fā)電等多種功能，但是霍口水庫的建設和運行將改變工程河段的水文情勢和魚類生境特征，并阻隔上下游魚類基因交流的機會。綜合考慮工程河段魚類特點及壩上生境適宜度，本工程擬采取工程措施解決魚類上行連通，促使壩上下間的魚類群體基因交流及保留魚類洄游通道。進魚口位置、進魚口流速、魚道池室結構、過魚孔流速等因素都是影響過魚設施運行效果的重要因素。根據(jù)魚類游泳能力測試，通過測試主要過魚對象的感應流速、臨界流速、突進流速和持續(xù)游泳時間，可以更好的優(yōu)化過魚設施的細節(jié)以及參數(shù)設計，選擇水流條件和誘魚流態(tài)更加適宜的誘魚口，確保過魚設施的高效運行。

參考文獻

[1]熊鋒，王從鋒，劉德富，寇方露，莫偉均，劉偉，石小濤.松花江流域典型魚類的游泳能力比較試驗研究[J].三峽大學學報（自然科學版），2014（000），004：14-18.

[2]楊宇，高勇，韓昌海，候軼群，董杰英.魚類水力學試驗研究發(fā)展[J].水生態(tài)學雜志，2013，04（015）：71-75.

[3]蔡露，金瑤，潘磊，趙萍，賀達，侯軼群，陳小娟，張鵬.過魚設施設計中魚類行為研究與問題[J].生態(tài)學雜志，2018，37（11）：3458-3466.

[4]SL609-2013.水利水電工程魚道設計導則[S].

收稿日期：2020-11-27

作者簡介：董彥瓏，男，漢族，助理工程師，研究方向為環(huán)境影響評價和環(huán)境工程。