枕頭壩一級水電站豎縫式魚道過魚效果初探

陳國柱，王 猛，王海勝，鮑江輝，羅 思，馬衛(wèi)忠，喬 曄

(1.中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.國電大渡河枕頭壩水電建設(shè)有限公司，四川 樂山 614700；3.中國科學(xué)院水生生物研究所，湖北 武漢 430072；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；5.武漢中科瑞華科技股份有限公司，湖北 武漢 430072)

0 概 述

閘壩工程的建設(shè)阻隔了樞紐上下游魚類自由交流，造成魚類資源量下降[1-2]。而魚道被視為有效緩解閘壩阻隔魚類自由交流的手段之一[3]。但魚道的設(shè)計、建設(shè)與運行，需要經(jīng)歷認(rèn)識—實踐—再認(rèn)識—再實踐的反復(fù)過程[4]，過魚效果是評價魚道功能的重要指標(biāo)。

過魚設(shè)施在國外已有數(shù)百年的研究歷史，國外學(xué)者在其功用和過魚效果評價方面進(jìn)行了諸多研究，美國對哥倫比亞下游及其支流蛇河過魚效果進(jìn)行長時間序列監(jiān)測[5]；奧地利、捷克、丹麥、澳大利亞對其境內(nèi)的過魚設(shè)施進(jìn)行了大量的監(jiān)測評估工作[6]；Larinier提出了過魚效果與過魚效率2個評價指標(biāo)[7]。目前，國外用于魚類監(jiān)測的主流方法可分為計數(shù)方法和標(biāo)記技術(shù)兩大類。計數(shù)方法主要有誘捕統(tǒng)計、自動電阻計數(shù)器計數(shù)、視頻觀測計數(shù)、紅外掃描計數(shù)和聲學(xué)探測計數(shù)；標(biāo)記技術(shù)包括視覺標(biāo)記、生物標(biāo)記和遙測技術(shù)。近年來，被動感應(yīng)技術(shù)PIT(passive integrated transponder)因其定位精度高，使用壽命長(幾近無限)，信號響應(yīng)速度快(可實時監(jiān)測)等優(yōu)點，受到越來越多學(xué)者和研究人員的關(guān)注和應(yīng)用[8-9]。我國過魚設(shè)施設(shè)計和研究起步晚、歷時短，關(guān)于過魚設(shè)施過魚效果的研究報道較少，1975年安徽省巢湖地區(qū)巢湖水產(chǎn)資源調(diào)查小組[10]和1982年湖南水產(chǎn)研究所徐維忠[11]等分別對裕溪閘魚道和洋塘魚道過魚效果進(jìn)行觀測，統(tǒng)計分析了過魚數(shù)量、過魚種類和過魚個體大?。?013年李捷[3]等采用張網(wǎng)法和截堵法對連江西牛魚道運行效果進(jìn)行監(jiān)測分析，王珂[12]等采用網(wǎng)具回捕和水聲學(xué)監(jiān)測相結(jié)合的方法，對通過崔家營航電樞紐工程魚道魚類的種類、規(guī)格、數(shù)量和生物學(xué)性狀進(jìn)行了調(diào)查；2011年～2014年譚細(xì)暢等[13]利用堵截法對長洲水利樞紐魚道過魚種群結(jié)構(gòu)進(jìn)行了評估；2015年～2016張艷艷[14]等采用張網(wǎng)法統(tǒng)計分析了廣州流溪河水廠壩魚道的過魚種類組成，并分析了季節(jié)、上游水位對魚道過魚效果的影響。

枕頭壩一級水電站魚道工程位于大渡河中游樂山市金口河區(qū)段，是大渡河流域第一個開展魚道試運行的項目。本文在分析國內(nèi)外過魚設(shè)施監(jiān)測評估研究的基礎(chǔ)上，采用視頻觀測分析、PIT跟蹤標(biāo)記的方法對枕頭壩一級水電站魚道過魚效果進(jìn)行監(jiān)測評估，以期為枕頭壩一級水電站生態(tài)調(diào)度、魚道運行以及流域后續(xù)過魚設(shè)施效果監(jiān)測提供參考。

1 材料與方法

1.1 枕頭壩一級水電站魚道概況

枕頭壩一級水電站是大渡河干流水電開發(fā)的第19個梯級，位于四川省樂山市，壩址處多年平均流量1 360 m3/s，正常蓄水位高程624 m，最大壩高86.5 m。過魚設(shè)施沿大壩左岸布置，總長1 228.25 m，上下水頭差34 m，采用豎縫式橫隔板魚道槽身。魚道池室坡度i=3.3%，長2.5 m，寬2.0 m，豎縫寬0.3 m，隔板高2.7 m；每隔24個池室設(shè)置長5 m的標(biāo)準(zhǔn)休息池(見圖1)。魚道整體設(shè)置了2個觀測室，3個進(jìn)口，3個出口，進(jìn)口和出口工作水深均為1.0～2.5 m。

圖1 枕頭壩一級水電站魚道池室(左)與休息池室(右)的結(jié)構(gòu)示意

枕頭壩一級水電站魚道設(shè)計過魚目標(biāo)分為3類：第一類，如齊口裂腹魚(Schizothoraxprenanti)和重口裂腹魚(Schizothoraxdavidi)，資源量較大，是主要過魚對象；第二類，如青石爬鮡(Euchiloglanisdavidi)、裸體鰍鮀(Xenophysogobionudicorpa)、大渡白甲魚(Onychostomadaduense)、側(cè)溝爬巖鰍(Beaufortialiui)，在該河段資源量較低，為四川省保護(hù)魚類，從物種保護(hù)的角度將其作為兼顧過魚種類；第三類，為兼顧壩上壩下基因交流，而列為兼顧過魚對象，可以隨機(jī)通過[15]。魚道運行期為每年3月～9月(目標(biāo)魚類繁殖季節(jié))，每年主要過魚季節(jié)為春季3月～4月及秋季8月～9月。

1.2 監(jiān)測方法

1.2.1 視頻監(jiān)測

視頻監(jiān)測裝置參照《魚道：生物學(xué)依據(jù)、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及監(jiān)測》中所述的過魚記錄系統(tǒng)自動錄像示意圖制作而成。在魚道上、下游觀測室觀測窗前分別設(shè)置一組視頻監(jiān)測裝置。視頻監(jiān)測裝置包括攔魚導(dǎo)魚板、攝像機(jī)、存儲器(?？低?和顯示屏等構(gòu)件。攝像機(jī)攝像范圍為長117 cm、高65 cm的矩形框，攔魚導(dǎo)魚板上畫有刻度線，用以測量過魚對象的長度，視頻監(jiān)測裝置24 h不間斷運行和存儲。通過存儲設(shè)備自帶的視頻分析工具對2017年4月至7月的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行智能篩選，記錄上溯及下行魚類的數(shù)量及個體體長。依據(jù)《四川魚類志》(丁瑞華，1994)、《中國淡水魚類檢索》(朱松泉，1995)，通過肉眼觀察記錄，并結(jié)合上、下游漁獲物調(diào)查結(jié)果，對魚道內(nèi)魚類進(jìn)行種類鑒定。魚體體長計算公式為

L=(L1/L2)×Lo

(1)

式中，L為魚類個體的實際長度；Lo為視頻畫面中魚類個體的長度；L1為實際矩形框長；L2為視頻中矩形方框長。

1.2.2 PIT標(biāo)記檢測

表1 PIT標(biāo)記信息 cm

圖2 PIT檢測布置點(Z1～Z4為PIT監(jiān)測布置點)

1.3 生物多樣性分析

匯總下游觀測室每月魚類數(shù)據(jù)，計算魚道內(nèi)每個月生物多樣性。

多樣性指數(shù)H=-∑PilnPi

(2)

物種豐富度指數(shù)D=(S-1)/lnN

(3)

均勻度指數(shù)J=H/lnS

(4)

式中，Pi為每月第i種的個體數(shù)與總個體數(shù)比值；S為每批次的魚類種類數(shù)；N為每月采集到的魚類個體數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本研究采用spss13.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，并采用T檢驗進(jìn)行差異性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 魚道內(nèi)魚類種類組成

表2 枕頭壩一級水電站魚道內(nèi)優(yōu)勢種及裂腹魚的體長

注：裂腹魚為齊口裂腹魚和重口裂腹魚統(tǒng)稱。

2.2 魚道內(nèi)魚類上溯的時間節(jié)律

由圖3可知，魚道內(nèi)上溯魚類的種類及數(shù)量均呈現(xiàn)一定的季節(jié)差異，4月～7月期間，4月～5月的日平均上溯量較高，5月上溯魚類種類最多，多達(dá)13種。相比之下，7月魚道內(nèi)上溯魚類種類及數(shù)量均最少，分別為8種和2尾/日。多樣性分析結(jié)果顯示，5月的豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)在監(jiān)測月份中最高，均勻度指數(shù)最低，而7月的均勻度指數(shù)最高(表 3)。由圖4可知，在4個監(jiān)測月份中均有一定數(shù)量分布，蛇鮈、鲇、白緣、青石爬鮡等優(yōu)勢種類存在明顯的季節(jié)差異。4月～5月蛇鮈的上溯數(shù)量相比于6月～7月較高，鲇在6月～7月上溯數(shù)量較多，白緣在6月的上溯量明顯多于其他月份，青石爬鮡則在7月具有最大的上溯量。由圖5可知，魚道內(nèi)魚類上溯的數(shù)量同樣呈現(xiàn)明顯的晝夜節(jié)律，夜間(18:00～06:00)上溯魚類的數(shù)量顯著性多于白天(06:00～18:00)(P<0.05)。

圖3 魚道過魚數(shù)量和種類季節(jié)差異

表3 枕頭壩一級水電站魚道4月～7月上溯魚類的多樣性

圖4 魚道優(yōu)勢種相對多度

圖5 魚道不同時段過魚數(shù)量頻率分布

2.3 魚道通過性

PIT出口接收機(jī)共探測到3種魚，分別為齊口裂腹魚、重口裂腹魚和泉水魚，探測種類占標(biāo)記魚類種類的50%；投放試驗魚3日內(nèi)，出口PIT信號感應(yīng)裝置共探測到魚類數(shù)量為15尾，占標(biāo)記魚類總數(shù)的21.4%；出口探測魚類體長范圍12.4～37.1 cm，與標(biāo)記魚體長范圍無顯著性差異(P>0.05)。

2.4 水位對過魚效果的影響

統(tǒng)計監(jiān)測期間電站和魚道的調(diào)度運行資料，并結(jié)合魚道內(nèi)的魚類記錄情況，繪制魚道過魚數(shù)量與魚道出口水深的關(guān)系圖(見圖6)。

圖6 魚道過魚數(shù)量與魚道出口水深關(guān)系

由圖6可知，魚道水深對魚道過魚效果影響較大。當(dāng)魚道出口水深小于0.5 m時，魚道內(nèi)魚類上溯量極低，水深在1.0～2.5 m范圍時，上溯個體比例達(dá)87.2%，其中水深在1.5～2.0 m范圍時，魚類上溯數(shù)量最大。

3 討 論

3.1 試運行過魚效果初步探討

枕頭壩一級水電站魚道的布置設(shè)計是在魚類游泳能力測試和水力學(xué)模型試驗的基礎(chǔ)上開展，并根據(jù)壩上和壩下水位變幅情況和水流條件布置了3個魚道進(jìn)口和3個魚道出口[15]。從設(shè)計角度而言，魚道進(jìn)、出口的高程和流速可滿足過魚對象的過魚需求。從監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析角度來看，枕頭壩一級水電站魚道過魚數(shù)量相對其他魚道稍少可能與多種因素有關(guān)：一是壩下魚類資源量減少。枕頭壩一級水電站為大渡河流域眾多梯級水電站的一級，其壩上壩下均已修建梯級電站，盡管壩址上下游仍保存有一定距離的流水河段及支流，但這些河段水文、水質(zhì)、水溫等環(huán)境因素的改變使得這些河段的生境適宜性下降，進(jìn)而導(dǎo)致壩址上下游河段的土著喜流水性魚類資源逐年下降，現(xiàn)場走訪還發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)鼐用翊嬖谝归g偷魚捕魚現(xiàn)象。相關(guān)技術(shù)資料顯示，2009年枕頭壩一級水電站壩下河段共調(diào)查到魚類58種，隸屬于4目9科46屬[15-16]。本次研究(2017年)漁獲物調(diào)查，枕頭壩一級水電站壩下僅有魚類39種，分屬于3目，9科，27屬，現(xiàn)階段壩下魚類資源量明顯減少。二是魚道運行調(diào)度機(jī)制尚不完備。2017年枕頭壩一級水電站魚道開始試運行，相關(guān)的運行調(diào)度制度還未完善，受多種因素影響，監(jiān)測期間正常運行工況比率較低；此外，由于枕頭壩一級水電站為日調(diào)節(jié)型水電站，庫容量較小，為滿足汛期防洪需求，汛期常保持在低水位運行，導(dǎo)致魚道內(nèi)水位較低，使得魚類上溯活動受到不利影響，后期的監(jiān)測將完備魚道的運行調(diào)度，保證魚道內(nèi)正常的運行水深。三是壩下河段清淤可能對魚類上溯造成一定干擾。電站竣工后建設(shè)單位對壩下河段開展了河道疏浚，這使得壩下河段水下地形和底質(zhì)生境發(fā)生了較大變化，水下地形變化可能對魚道進(jìn)口流場有一定影響，流場變化對魚類上溯行為是否存在影響尚不知曉，后期監(jiān)測將針對魚道進(jìn)口流場開展監(jiān)測工作，并采取相應(yīng)措施，底質(zhì)生境的改變的影響也會在下階段監(jiān)測中進(jìn)行分析研究。四是監(jiān)測設(shè)備的限制。魚道配置了本研究所采用的魚類視頻監(jiān)測為光學(xué)監(jiān)測裝置，由于枕頭壩一級水電站魚道過魚季節(jié)(3月～9月)與該河段的汛期(6月～9月)重疊度較高，魚道內(nèi)水體透明度過低一方面影響光學(xué)攝像頭辨別能力，另一方面水體過度渾濁可能對魚類的上溯行為也有一定影響。鑒于此，后期監(jiān)測將利用水聲學(xué)監(jiān)測設(shè)備以及魚道內(nèi)定期捕撈的方式對魚道過魚效果進(jìn)行輔助監(jiān)測，以提高魚道監(jiān)測分析的有效性，此外，PIT標(biāo)記試驗也顯示，6種標(biāo)記試驗魚(共70尾)只有3種魚類(共15尾)可順利通過魚道，魚類種類通過率與魚類數(shù)量通過率分別為50%和21.4%。魚類的通過性略低，這可能與PIT試驗期間魚道出現(xiàn)較大的水位變幅以及放流試驗和數(shù)據(jù)采集時間間隔較短有關(guān)，存在反復(fù)上行的個體未能被統(tǒng)計的情況，后期的監(jiān)測將控制監(jiān)測期間的水位變化情況，并延長放流和數(shù)據(jù)采集的時長，以便更精準(zhǔn)的分析魚類通過性。

3.2 晝夜變化、季節(jié)變化及水位變化對魚道過魚效果的影響及其指導(dǎo)意義