郭 堅(jiān),童碧云,王旭航,李冬曉,張曉璐

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江杭州310014；2.寧波原水集團(tuán)集團(tuán)公司，浙江寧波315100)

集魚船在水電工程應(yīng)用的問題與建議

郭 堅(jiān)1,童碧云2,王旭航1,李冬曉1,張曉璐1

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江杭州310014；2.寧波原水集團(tuán)集團(tuán)公司，浙江寧波315100)

集運(yùn)魚系統(tǒng)為過魚設(shè)施的一種,應(yīng)用于高壩大庫工程,正日益得到關(guān)注。過魚設(shè)施的關(guān)鍵在于集魚,而集運(yùn)魚系統(tǒng)一般利用集魚船進(jìn)行集魚。目前,集魚船在水電工程應(yīng)用中存在成年魚類集魚難度大、誘集底棲魚類效果較差和急流水域集魚作業(yè)困難等問題。對(duì)此進(jìn)行了探討,提出了加強(qiáng)魚類活動(dòng)調(diào)查、深入魚類習(xí)性研究、優(yōu)化集魚船體結(jié)構(gòu)和構(gòu)建適宜集魚區(qū)域等建議,以期為水電工程集魚船的應(yīng)用提供參考。

集魚船；水電工程；問題；建議

0 引 言

由于水電工程建設(shè)形成大壩,造成阻隔,使原河流的水域形態(tài)和水文情勢發(fā)生變化,對(duì)河段內(nèi)的魚類將產(chǎn)生一定的影響。修建過魚設(shè)施是減緩水電工程對(duì)魚類影響的有效措施之一,以充分發(fā)揮水電工程在流域水能資源開發(fā)利用中的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與生態(tài)環(huán)境綜合效益。環(huán)境保護(hù)部、國家能源局在《關(guān)于深化落實(shí)水電開發(fā)生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施的通知》(環(huán)發(fā)[2014]65號(hào))中要求,充分論證過魚方式,認(rèn)真落實(shí)過魚措施。對(duì)水頭較高的水電建設(shè)項(xiàng)目,應(yīng)結(jié)合場地條件和樞紐布置特性,研究采取魚道、升魚機(jī)、集運(yùn)魚系統(tǒng)或不同組合方式的過魚措施。

集運(yùn)魚系統(tǒng)作為過魚設(shè)施的一種類型,一般利用集魚船進(jìn)行集魚,通過運(yùn)魚船或運(yùn)魚車進(jìn)行魚類的運(yùn)輸和投放,以實(shí)現(xiàn)魚類過壩和種質(zhì)交流。從國外特別是美國已運(yùn)行的情況看,集運(yùn)魚系統(tǒng)在溝通阻隔河段、恢復(fù)水生生物交流的同時(shí)能夠適應(yīng)魚群變化調(diào)整,放魚的位置更有針對(duì)性,能實(shí)現(xiàn)魚類的安全有效過壩。相比于魚道、魚閘以及升魚機(jī)等固定過魚設(shè)施,集運(yùn)魚系統(tǒng)具有機(jī)動(dòng)、靈活、造價(jià)相對(duì)低廉、對(duì)樞紐布置沒有干擾等優(yōu)點(diǎn),特別是對(duì)那些高壩水電站以及原樞紐中未考慮設(shè)置過魚設(shè)施的工程。

目前,集運(yùn)魚系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用案例較少,僅見于美國、俄羅斯等少數(shù)國家,有關(guān)研究和應(yīng)用在我國尚處于起步階段,僅有烏江彭水水電站“唐環(huán)1號(hào)”集魚平臺(tái)進(jìn)行了集魚試驗(yàn)但尚未正式運(yùn)行[1]。過魚設(shè)施的關(guān)鍵在于集魚,集魚船在水電工程應(yīng)用時(shí)間仍較短,尤其是在我國,目前仍存在諸多問題,有待于進(jìn)一步研究。本文對(duì)國外集魚船的起源、發(fā)展及典型工程進(jìn)行了分析研究,對(duì)目前水電工程集魚船應(yīng)用的問題及改進(jìn)優(yōu)化進(jìn)行了探討,期待為今后的相關(guān)研究和應(yīng)用提供參考。

1 集魚船的起源和發(fā)展

集魚船的首次應(yīng)用為美國貝克壩,包括在20世紀(jì)20年代建成的下貝克和50年代建成的上貝克壩。在其工程規(guī)劃期間,設(shè)計(jì)中已考慮洄游鮭魚和孵化后的幼魚通過大壩的集魚及輸魚設(shè)施。從20世紀(jì)50年代開展了鮭魚親魚上行產(chǎn)卵和新孵化幼魚下行入海的研究和試驗(yàn)。位于上游的上貝克壩建成后,在上貝克壩庫尾受淹沒影響的老貝克湖上游重建了鮭魚人工孵化場。上溯的鮭魚成魚采取位于下貝克下游的攔魚壩、升魚機(jī)收集,通過運(yùn)魚車轉(zhuǎn)運(yùn)至上貝克壩庫尾的產(chǎn)卵場。孵化后的鮭魚幼魚在上貝克壩水庫內(nèi)通過集魚船收集然后輸送至下游,以此解決幼魚下行入海問題[2]。貝克壩過魚設(shè)施如圖1所示。此后,其他流域的集魚船試驗(yàn)研究也陸續(xù)展開,在哥倫比亞河和蛇河中均開展了大鱗麻哈魚、虹鱒等魚類的集魚船試驗(yàn),并進(jìn)行了大鱗麻哈魚和虹鱒成活率及返回率影響的試驗(yàn)研究等。

圖1 貝克壩過魚設(shè)施示意

20世紀(jì)50年代,前蘇聯(lián)開始集魚船的相關(guān)研究,在里海流域的伏爾加河、頓河和庫班河流域?yàn)轺\科、鯡科和鯉科的部分種類設(shè)計(jì)并制造了集魚船。其中1970年在頓河支流馬內(nèi)奇河口樞紐開展了集魚船的試驗(yàn),在8天時(shí)間內(nèi)收集了鯡、鳊、梭鱸等魚2.5萬尾。但從20世紀(jì)80年代以后,已很少有前蘇聯(lián)和俄羅斯的集魚船的設(shè)計(jì)與建設(shè)的相關(guān)報(bào)道[3]。

國外應(yīng)用集魚船的典型工程為貝克壩。貝克壩工程所在的華盛頓州貝克河有5種洄游魚類的天然產(chǎn)卵場,包括4種太平洋鮭魚及硬頭鱒。上貝克壩建設(shè)后,在下貝克壩的集魚船基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),在上貝克壩庫區(qū)內(nèi)進(jìn)行集魚,主要集魚對(duì)象為15 cm以下的鮭魚幼魚。

上貝克壩集魚船的尺寸為約21 m長、12 m寬、7 m高,內(nèi)設(shè)28個(gè)壓艙筒和14個(gè)大浮筒,以調(diào)節(jié)吃水水深。集魚船內(nèi)的集魚艙尺寸為約3.7 m寬、2.7 m 高、12.8 m長,運(yùn)行時(shí)需下沉約2.5 m進(jìn)行集魚。船內(nèi)裝有2臺(tái)各為2.1 m3/s和1臺(tái)備用容量為0.3 m3/s的水泵進(jìn)行抽水,以形成集魚船進(jìn)口處的穩(wěn)定水流,通過水流吸引鮭魚幼魚。鮭魚幼魚進(jìn)入集魚艙后集中進(jìn)入尾部,并被輸送到大壩下游的貝克河適宜河段。貝克壩集魚船內(nèi)部構(gòu)造示意見圖2[4]。

圖2 貝克壩集魚船內(nèi)部構(gòu)造示意

2 集魚船應(yīng)用的問題

我國水電工程的集魚船應(yīng)用工作取得了一定的進(jìn)展,但由于試驗(yàn)研究的歷史較短,相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)缺乏。尤其是集魚部分，有待進(jìn)一步改善。

(1)成年魚類集魚難度較大。從國外已投運(yùn)的集魚船情況看,主要收集的是水庫庫尾區(qū)域孵化后需要下行入海的鮭魚幼魚,魚齡基本上在1～2 a之間,長度多在15 cm以下。此時(shí)的鮭魚幼魚體形較小,體質(zhì)尚未發(fā)育,游泳速度慢,行動(dòng)和反應(yīng)能力也較成年魚類有不小的差距,較易被集魚船誘集。我國集魚對(duì)象主要為處于產(chǎn)卵期的成年親魚,體形相對(duì)較大。如,齊口裂腹魚的親魚一般可達(dá)30 cm以上,一般雌性4齡成熟、雄性3齡成熟。成年親魚的游泳能力強(qiáng),行動(dòng)和反應(yīng)速度快,所需吸引的誘導(dǎo)水流也較幼魚有較大的增加,且僅用水流并不能達(dá)到對(duì)成魚的誘集,因而對(duì)于成年魚類的集魚難度大。

(2)誘集底棲魚類效果較差。國外集魚船在誘集過程中,鮭魚幼魚主要在水庫的庫尾等淺水區(qū)域活動(dòng),在深水區(qū)域較少。上貝克壩的集魚船針對(duì)該特點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)計(jì),在船體下沉2.5 m后即可進(jìn)行庫區(qū)表面的幼魚集魚作業(yè)。我國集魚對(duì)象大多為底棲魚類,主要在河底或者水深較深的區(qū)域活動(dòng),在水體表面出現(xiàn)頻率較低。集魚船吃水深度較淺,設(shè)計(jì)進(jìn)魚口位于水體表層,除了采用加大水流進(jìn)行誘集外,缺少其他誘魚手段。由于集魚口處于底棲魚類非主要活動(dòng)水層,與其活動(dòng)水層距離較遠(yuǎn),因此對(duì)于底棲魚類的集魚效果較差。

(3)急流水域集魚作業(yè)困難。國外集魚船主要為誘集產(chǎn)卵場附近水庫里的幼魚,幼魚活動(dòng)水域主要靠近庫區(qū)上游,水流條件相對(duì)較緩。因此,集魚船采用無動(dòng)力浮箱形式,集魚區(qū)域的水流對(duì)于集魚船的運(yùn)行影響不大。我國底棲魚類在產(chǎn)卵期常在具一定流速的水域活動(dòng),喜分布于水電站發(fā)電尾水附近的急流區(qū)域,具有迎流上溯的特點(diǎn),而電站發(fā)電時(shí)水流往往較大,壩下靜水水域較少。若集魚船設(shè)計(jì)采用無動(dòng)力形式,在便于集魚的水流相對(duì)較緩的水域卻是魚類分布較少區(qū)域,而在魚類分布較多的電站發(fā)電尾水附近又開展集魚作業(yè)又存在困難。

3 對(duì)改善集魚效果的相關(guān)建議

國內(nèi)集運(yùn)魚系統(tǒng)應(yīng)用效果不理想的問題主要在于集魚部分。對(duì)此,建議從以下方面進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

(1)加強(qiáng)魚類活動(dòng)調(diào)查,掌握聚集水域情況。從水電工程集魚船的設(shè)計(jì)情況看,主要關(guān)注集魚船的工程設(shè)計(jì),對(duì)于集魚位置的選擇卻論證較少。而摸清壩下魚類的分布區(qū)域,是確定集魚位置的前提條件,也是關(guān)系過魚方案選擇的重大因素。為提高集魚船的集魚效果,應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)魚類活動(dòng)調(diào)查,掌握不同種類的魚類在壩下分布水域、水深以及上溯季節(jié)和日期、日內(nèi)不同時(shí)間的變化,不同運(yùn)行工況下水位、水量的變化與魚類上溯行為活動(dòng)的關(guān)系等。應(yīng)掌握魚類的聚集水域,并在魚類密集區(qū)進(jìn)行針對(duì)性的集魚作業(yè),以獲得良好的集魚效果。對(duì)于魚類分布區(qū)域的調(diào)查,有聲學(xué)探測法和水下視覺探測法等,其均需采用船只攜帶儀器或人員進(jìn)行現(xiàn)場作業(yè)。如,在葛洲壩電站上、下游江段利用船載回聲探測儀進(jìn)行了魚類調(diào)查,表明壩下河段魚類分布最多的為發(fā)電尾水附近江段[5- 6]。長江河段水面相對(duì)寬闊,而部分高山峽谷型的水電站,壩下尾水附近的水流較快,不利于船只停留,開展調(diào)查的難度較大,應(yīng)用船只進(jìn)行調(diào)查的較少。在現(xiàn)場作業(yè)不便開展的時(shí)候,可采取了解訪問和現(xiàn)場購買等方法進(jìn)行,通過向周邊漁民的調(diào)查訪問,了解壩下河段分布主要的魚類種類、大小、數(shù)量、分布水域、捕撈地點(diǎn)和時(shí)間等。建議加強(qiáng)魚類活動(dòng)情況調(diào)查,確定不同魚類的主要聚集水域、資源量和時(shí)空分布特點(diǎn),結(jié)合所在水域的水位、水深、流速、流態(tài)、周邊地形及水電工程運(yùn)行調(diào)度等條件,針對(duì)性地開展集魚船的設(shè)計(jì),如船體長寬度、吃水水深、集魚種類和規(guī)模等。

(2)深入魚類習(xí)性研究,豐富誘魚措施。魚類一般循著水流溯流而上,部分魚類喜歡激流中頂流前進(jìn),目前的集魚船,正是利用魚類這一習(xí)性通過水泵形成高速水流吸引魚類。然而,在現(xiàn)有集魚船中,除了水流吸引外,使用其他誘集魚類的措施卻很少。魚類活動(dòng)與周邊的各種環(huán)境因子相關(guān),如水流、光線、聲音、氣味等。在水庫和海洋漁業(yè)生產(chǎn)中,常通過光、聲、味等其他手段進(jìn)行魚類誘集和捕撈,并取得較好效果。魚類對(duì)不同強(qiáng)度、顏色的光照均有不同的反應(yīng),如對(duì)鯉魚不同光照顏色的趨向性研究試驗(yàn)表明,不同的光照顏色對(duì)其誘集效果的影響大小依次為：白光>紅光>藍(lán)光>綠光[7]。鯉魚為水庫養(yǎng)殖的底層魚類,在聲學(xué)試驗(yàn)中,利用水下?lián)P聲器產(chǎn)生400 Hz正弦波連續(xù)音對(duì)不同體長鯉魚進(jìn)行音響馴化,具有明顯的誘集效果。其中,體長30～40 cm的鯉魚在馴化第8 d聚集率達(dá)到100%,平均聚集時(shí)間為50.01 s[8]。根據(jù)鮭魚對(duì)出生水域的氣味反應(yīng)回到魚卵孵化水域產(chǎn)卵的特性,利用合成物嗎啉誘魚回歸,讓魚苗在含有嗎啉的水體中生活一段時(shí)間后,可誘導(dǎo)其長大后回到散發(fā)微弱啉氣味的水域中產(chǎn)卵。除了水流吸引外,建議進(jìn)一步深入研究其他方式的誘魚手段,如各種魚類對(duì)于光線、聲音和氣味的反應(yīng)閾值和行為,采用多種途徑的誘魚措施,在集魚船上設(shè)置不同的誘魚燈光,配備誘魚音響和模擬成魚的氣味的誘魚劑,根據(jù)魚類的不同采取不同的措施來增強(qiáng)誘魚的效果。

(3)根據(jù)底棲魚類特點(diǎn),優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)。集魚船主要應(yīng)用在美國、前蘇聯(lián)的部分工程,我國的彭水水電站也已修建了集魚平臺(tái)。現(xiàn)有的集魚船一般為箱型結(jié)構(gòu),吃水深度淺,對(duì)于收集表層魚類可起到一定效果,但對(duì)于底棲魚類的效果較差。魚類有迎流上溯的特點(diǎn),多集聚于水電站壩下發(fā)電尾水附近,該區(qū)域水流流速較快,而現(xiàn)有的集魚船大部分未配置航行動(dòng)力系統(tǒng),在急流水域的適應(yīng)性差。集魚船應(yīng)配備發(fā)動(dòng)機(jī),以增強(qiáng)船只的航行和抗急流能力。船頭如采用垂直艦首等型式,可減少抗流能力和行船阻力,提高船只的機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性。同時(shí),船艙內(nèi)應(yīng)配備足夠的壓水艙,以保證較大的吃水深度。集魚船的進(jìn)魚口應(yīng)保持較寬大的尺寸,以增強(qiáng)對(duì)底棲魚類的集魚效果。集魚船的發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)加裝減震墊和隔聲罩,抽水水泵應(yīng)采用電動(dòng)靜音型,運(yùn)行時(shí)應(yīng)開啟電動(dòng)水泵和關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī),以減少運(yùn)行振動(dòng)和抽水噪聲對(duì)底棲魚類產(chǎn)生的干擾。另外,對(duì)于底棲魚類,如改變表面誘魚而采用底層誘集的方式,通過集魚船拖拽水底集魚器在河床底部進(jìn)行集魚,可能會(huì)起到更好的效果。因此,建議根據(jù)底棲魚類特點(diǎn),增加船只的動(dòng)力,優(yōu)化集魚船體結(jié)構(gòu),改善船只的動(dòng)力性和抗急流能力,減少振動(dòng)和噪聲干擾,將集魚船的進(jìn)魚口高程設(shè)置于水底魚類喜好的水層,可較現(xiàn)有集魚平臺(tái)起到更好的集魚效果。

(4)引導(dǎo)魚類上溯行為,構(gòu)建適集水域。在誘魚導(dǎo)魚的設(shè)施中,除了可應(yīng)用于集魚船的光、聲、味等設(shè)施外,還有其它可在河道、水庫內(nèi)布置的,如攔魚壩、攔魚網(wǎng)、攔魚電柵、驅(qū)魚氣幕等,一般設(shè)置于魚類上溯或下行通道上,使其遠(yuǎn)離電站進(jìn)出水口等設(shè)施,并取得過一定的效果。上述設(shè)施也可作為集魚船的輔助誘導(dǎo)設(shè)施,布置于魚類洄游通道上,引導(dǎo)更多的上溯魚類,使其進(jìn)一步形成聚集。在許多水電工程中,在大壩下游附近有支流匯入,在匯入口形成新的棲息地,成為許多魚類索餌、產(chǎn)卵的場所。另外,在部分水域通過建設(shè)人工魚礁,為魚類等生物提供了一定的索餌、繁殖和生長發(fā)育場所。支流匯口和人工魚礁為魚類提供新的棲息地,集魚船可利用上述棲息地開展集魚活動(dòng)。除集魚船的誘魚、集魚設(shè)備外,建議在水電工程壩下河段上研究在河道內(nèi)建設(shè)攔魚、驅(qū)魚設(shè)施的可行性,通過人為引導(dǎo)魚類上溯到集魚船所在的水域。同時(shí)在支流匯口和以修建人工魚礁等方式形成適宜魚類休憩、覓食和繁衍的區(qū)域,為集魚船提供適合的集魚水域,進(jìn)一步提高集魚效果。

4 展 望

在過魚設(shè)施中,集運(yùn)魚系統(tǒng)具有機(jī)動(dòng)靈活、造價(jià)相對(duì)低廉、對(duì)樞紐布置無干擾等優(yōu)點(diǎn),作為除魚道、升魚機(jī)等固定過魚設(shè)施之外的另一可選方案正日益得到關(guān)注；但目前國內(nèi)的集魚船的集魚效果較差,尤其是底棲性魚類。建議：在今后的研究與實(shí)踐過程中,加強(qiáng)魚類活動(dòng)調(diào)查、深入魚類習(xí)性研究、優(yōu)化集魚船體結(jié)構(gòu)和構(gòu)建適宜集魚區(qū)域等,在此基礎(chǔ)上結(jié)合電站壩下地形流場等條件,進(jìn)一步完善集魚船在水電工程的應(yīng)用。相比于美國等其他發(fā)達(dá)國家,我國水電工程集魚船的研究歷史較短,基礎(chǔ)較為薄弱,但如能針對(duì)其中的問題進(jìn)一步加強(qiáng)調(diào)查和研究工作,相信經(jīng)過不斷地努力,在此領(lǐng)域必將取得發(fā)展和突破。

[1]水利部中國科學(xué)院水工程生態(tài)研究所,長江船舶設(shè)計(jì)院. 烏江彭水水電站集運(yùn)魚系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)[R]. 武漢： 長江船舶設(shè)計(jì)院, 2010: 30- 36．

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(責(zé)任編輯 陳 萍)

Problems and Recommendations for the Application of Fish Collecting Vessel in Hydropower Project

GUO Jian1, TONG Biyun2, WANG Xuhang1, LI Dongxiao1, ZHANG Xiaolu1
(1. PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 310014, Zhejiang, China; 2. Ningbo Raw Water Group Corporation Limited, Ningbo 315100, Zhejiang, China)

The fish collection and transportation system which is applied to high dam projects has been increasingly concerned as one of fish passage facilities. Fish collecting is crucial to fish passage facility, while the fish collecting vessel is used in fish collection and transportation system to collect fish. At present, there are several problems in the application of fish collecting vessel in hydropower project, such as difficult adult fish collecting, poor benthic fish trapping and hard fish collecting in torrent. Above problems are analyzed herein and relevant suggestions are presented, including strengthening fish activity survey, researching fish habits, optimizing vessel hull structure and constructing suitable fish collecting region, to provide a reference for the application of fish collecting vessel in hydropower project．

fish collecting vessel; hydropower project; problem; recommendation

2014- 08- 08

郭堅(jiān)(1977—),男,浙江三門人,高級(jí)工程師,碩士,主要從事水利水電工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)和環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)工作．

S956

A

0559- 9342(2017)05- 0001- 04