荆江航道整治工程中透水框架集鱼效果初步评估

王 珂，郭 杰,2， 段辛斌，陈大庆，刘绍平

(1.中国水产科学研究院长江水产研究所，武汉 430233；2.南京农业大学无锡渔业学院，江苏无锡 214081)

荆江航道整治工程中透水框架集鱼效果初步评估

王 珂1，郭 杰1,2， 段辛斌1，陈大庆1，刘绍平1

(1.中国水产科学研究院长江水产研究所，武汉 430233；2.南京农业大学无锡渔业学院，江苏无锡 214081)

为了解荆江航道整治工程中透水框架的集鱼效果，分别于2014年5-6月和2015年5-6月，采用科学探鱼仪SIMRAD EY60和双频识别声纳(DIDSON)ARIS EXPORER 1800两种水声学设备，分别对荆江瓦口子水道的金城洲和太平口水道的腊林洲透水框架水域的鱼类分布情况进行了水声学监测，并对工程江段的鱼类进行了刺网调查。结果显示：采用刺网捕获鱼类17种共204尾，其中数量和重量最多的都是鳊鱼，分别占 64.71% 和39.62%。渔获物体长范围是10～80 cm，平均体长是(26.90±8.82) cm；EY60监测到腊林洲工程区鱼的数目是金城洲工程区的1.92倍，DIDSON监测腊林洲工程区鱼的数目是金城洲工程区的2.36倍；EY60监测到金城洲鱼类体长集中在5～10 cm，占55.24%，腊林洲鱼类体长集中在30～50 cm，占45.38%。结果表明，透水框架群对于鱼类具有一定的诱集效果。

荆江航道整治工程；透水框架；渔获物；水声学；诱集效果

航道整治造成河道形态、河床底质和水文条件的改变，在一定程度上破坏了鱼类等水生生物的栖息场所，为了降低航道整治工程对水生生态的破坏程度，打造绿色生态航道，航道建设部门提出了航道建设和渔业资源保护兼顾的总体设想[1]。研发和推广生态环保型的航道整治技术和整治建筑物，如生态护岸、生态护滩、生态丁坝、人工鱼巢等是实现这一总体设想的主要途径。

四面六边透水框架具有减速促淤效果理想和重心低不易翻滚的结构优势，在荆江航道整治中被用作洲滩保护[2]。透水框架单体由6根框杆通过内含的钢筋焊接组合成正四面体，框杆的常规断面尺寸为10 mm×10 mm，框杆的长度有0.6 m，0.8 m和1 m三种类型[3]。改进后的整体预制模具可以批量生产出钢筋不外露、不易松散的透水框架。透水框架的摆放有平顺式和梳式两种方式，梳式的减速防冲效果优于平顺式[4]。四面六边透水框架减速促淤机理是当水流流经框架，框架的框杆将水流分散，并发生旋涡分离现象，同时水流围绕框杆形成绕流，绕流阻力会影响水流运动，改变局部的水流流态，从而使河道断面水流形态分布发生变化，改变河道的局部阻力[5]。

目前关于透水框架等航道整治建筑物的研究主要集中在水力学特性和结构等方面，通过对透水框架减速落淤机理研究来优化透水框架的构型、布置组合和投放方式，从而达到减少水流对堤岸、桥墩等破坏的目的，考察的指标是减速促淤和岸滩防护效果[2-4]，很少涉及到其生态效果。而今一些生态型航道整治建筑物如透水框架应用在长江航道中，在实现航道整治目的的前提下，对所在区域环境、资源的改善和修复也起到一定的作用，越来越凸显透水框架的多功能性。在长江上各种水工工程不断修建和长江渔业资源日趋衰退、水工程对长江渔业的生态胁迫不断严重的矛盾背景下，以能发挥河流生态修复功能为目的的水工工程措施越来越受到人们的重视。为了解四面六边透水框架群的集鱼效果，本研究采用网具捕捞和水声学监测相结合的方法，于2014年夏季和2015年夏季，分别对荆江航道中的金城洲和腊林洲工程水域的鱼类种类、规格和数量进行调查和监测。本文通过对荆江透水框架集鱼效果的评估，可为航道整治工程中渔业资源保护和鱼类栖息地的修复提供数据和实践支撑。

1 材料与方法

1.1 监测江段和位点布设

金城洲和腊林洲均位于荆江沙市河段。金城洲是瓦口子水道中的江心洲，2008～2011年对金城洲进行了整治。整治工程包括控导工程和加固工程，金城洲水下主要采用D型排、抛石和四面六边透水框架进行守护，陆上护滩上游边缘部分、头部和下游边缘采用透水框架进行守护和加固[5]。腊林洲位于太平口水道的南岸，是护堤护岸工程，2013～2014年期间对腊林洲中部实施了守护工程，在腊林洲低滩布设了三条护滩带，宽度为180 m，在腊林洲的高滩采用平顺式的守护方式[6]。

根据工程区上、下游水文特征的差异和工程区的规模，以及在均匀且具有代表性的原则下对监测点进行选择。将调查区域分成三部分进行监测，即工程区上游、工程区和工程区下游，其中上游和下游为对照区(见图1)。

1.2 调查方法

1.2.1渔获物： 2014年、2015年的5-6月，两次对金城洲和腊林洲所在沙市河段(太平口～盐卡)进行渔获物调查。雇佣专业渔民进行捕鱼。渔民采用刺网进行捕鱼，网具规格为每片网长400 m，宽2 m，网眼大小是8分目。捕鱼作业时，刺网顺着堤岸布设，放置时间为24 h左右，覆盖了昼夜两个时间段。

1.2.2 水声学监测：采用两台水声学仪器定点水平监测透水框架工程水域鱼类情况。两台仪器分别是科学探鱼仪SIMRAD EY60[7]和双频识别声呐(DIDSON)Aris Explore 1800[8-9]。EY60在本文中用于监测透水框架外围区域的鱼，双频识别声呐用于监测透水框架内部的鱼。EY60监测时的参数设置如下，换能器频率为200 kHz，-3 dB波束宽7°，脉冲宽度64 μs，分辨精度0.012 m。ARIS Explore 1800监测时的参数设置如下，探测频率1.8 MHz(识别模式)，频率换能器的波束数96，探测范围是28°×14°，分别精度0.0003 m，帧的频率3帧每秒。将两台水声学仪器固定在船舷上，探头深入水下25 cm左右，并朝向水底有一定的倾角，以减少上缘边界效应对监测结果的影响，两台水声学仪器同时进行监测。每天定点监测时长大约5 h，监测时间一般是9∶00～16∶00。

1.3 数据处理和分析

1.3.1 渔获物数据

鱼类的鉴定参照《中国动物志》[10]和《湖南鱼类志》[11]。对所有渔获物个体鉴定到种，并测量体长和体重等生物学指标，精确至1 mm和1 g。

图1 工程区和监测点分布Fig.1 The distribution of construction area and monitoring points

1.3.2 水声学数据

SIMRAD EY60的记录结果用SNOAR5软件进行数据的提取，回波阈值均设置为-70 dB，应用方式选择水平固定。数据转换后，通过最大探测范围确定分析区域，作用相当于垂直探测中的底，然后手动去除杂物。通过数据转换、去除噪音并进行目标分离等步骤后，获得鱼类信号的平均目标强度值，对结果进行检查去除错误数据，然后将数据导出。采用目标强度-体长转换公式[12]：TS=22.87 lgSL-84.5，对获取到的目标强度值进行转换。其中，SL为标准体长(cm)，TS为目标强度(dB)，对鱼的标准体长进行换算。

ARIS Explore 1800采集的数据用ArisFish软件进行鱼类数量统计。本文采用回波图计数方法，将声纳图像的格式转化为回波图的格式，结合声纳图像鱼的形状和回波图鱼的运动轨迹对鱼进行确认并手动计数，只对透水框架覆盖区域内的鱼类进行计数，然后将数据导出。

EY60探测体积的计算公式：

DIDSON探测体积的计算公式：

H为DIDSON探测水体的长度，平均长度14m，h为EY60探测水体的长度12.5m，θ1为EY60的张角7°，θ2和θ3分别是DIDSON的横向和纵向的张角，θ2是28°和θ3是14° 。

计算的EY60的探测体积是7.65m3，DIDSON的探测体积是31.32m3。

单位探测体积鱼类出现频率的计算公式：

F=1000N/(T×V)

其中N是鱼的数目ind.，T是探测的时长min，V是探测的体积m3，F是指单位探测体积鱼类出现的频率ind./(min*1000m3)。下文简称鱼类出现频率。

1.3.3 数据统计和绘图

用SPSS22.0进行数据分析，应用独立性T检验进行差异性分析，绘图使用Origin9.0。

2 结果与分析

2.1 环境因子

金城洲调查水域水温是17.97～20.91 ℃，透明度是99.67～123.64cm，溶氧是 6.29～7.32mg/L，pH是7.78～7.88；腊林洲调查水域水温是20.88～21.64 ℃，透明度是67.00～74.00cm，溶氧是6.63～6.90mg/L，pH是8.22～8.30。金城洲的底质主要是细沙，腊林洲底质主要是细沙和淤泥，植被生长较丰富(见表1)。金城洲对照区的平均流速是(0.37±0.04)m/s，工程区的平均流速是(0.28±0.02)m/s；腊林洲对照区的平均流速是(0.29±0.05)m/s，工程区的平均流速是(0.21±0.02)m/s，对照区的流速大于工程区。

表1 调查点水体理化指标Tab.1 physicochemical parameters of each investigation site

2.2 渔获物情况

由于金城洲和腊林洲相距较近，渔获物调查时部分区域又有重合，所以将两次调查结果合在一起分析。刺网调查结果表明：渔获物共204尾，重94.58 kg。包含4目6科17种。分别是鳊(Parabramispekinensis)、拟尖头鲌(Culteroxycephaloides)、翘嘴鲌(Culteralburnus)、蒙古红鲌(Chanodichthysmongolicus)、赤眼鳟(Squaliobarbuscurriculus)、鲫(Carassiusauratus)、银鲴(Xenocyprisargentea)、铜鱼(Coreiusheterodon)、青鱼(Mylopharyngodonpiceus)、鲤(Cyprinuscarpio)、鱤(Elopichthysbambusa)、瓦氏黄颡鱼(Pseudobagrusvachelli)、胡子鲶(Clariasfuscus)、鱖(Sinipercachuatsi)、中华鲟(Acipensersinensis)、胭脂鱼(Myxocyprinusasiaticus)、大口鲶(Silurusmeridionalis)(见表3)。鱼类组成以鲤形目为主，共12 种，占总数的70.59%，其次是鲶形目，共3种，占总数的17.65%，鲟形目和鲈形目各一种，各占总数的5.88%。数量以鳊最多，占64.71%，瓦氏黄颡鱼和鳜次之，分别占10.78%和9.31%。渔获物的体长范围是 10～80 cm，平均体长是(26.90±8.82) cm，95%置信区间是25.67～28.12 cm。体重范围是50～12 500 g，平均体重是(463.63±983.51) g，95%置信区间是327.86～599.40 g。体长主要集中在20～30 cm，占75%，其次是30～40 cm，占11%。按照生活水层可以划分中下层鱼类和中上层鱼类，中下层鱼类12种，占70.59%；中上层鱼类5种，占29.41%。

表2 渔获物种类和栖息习性Tab.2 Species and habitats of fish catches

续表2

2.3 水声学监测

2.3.1 鱼类数量差异

2014年夏季对金城洲透水框架工程区的鱼类情况进行水声学监测评估，SIMRAD EY60监测57天共12 092 min，获得14 504尾鱼，每一千立方米平均每分钟监测到鱼157尾，DIDSON监测43天共8 895 min，记录到13 470尾鱼，每一千立方米平均每分钟48尾；2015年夏季对腊林洲透水框架区的鱼类情况进行水声学监测评估，SIMRAD EY60监测30天共8 460 min，获得19 198尾鱼，每一千立方米平均每分钟297尾，DIDSON监测30天共8 460 min，记录到20 520尾鱼，每一千立方米平均每分钟78尾。

将两个工程水域的工程区和对照区分别进行对比发现，SIMRAD EY60在金城洲工程区监测到鱼出现频率是对照组的1.5倍，DIDSON在工程区监测到鱼出现频率是对照组的0.86倍；SIMRAD EY60在腊林洲工程区监测到鱼出现频率是对照组的1.34倍，DIDSON在工程区监测到鱼出现频率是对照组的10.21倍。将两个工程水域之间进行对比发现，SIMRAD EY60在腊林洲工程区监测到鱼出现频率是金城洲工程区的1.92倍，DIDSON在腊林洲工程区监测到鱼出现频率是金城洲工程区的2.36倍(见表3)。透水框架外围鱼的数目，金城洲和腊林洲差异不显著(P>0.05)，透水框架内鱼的数目金城洲和腊林洲差异显著(P<0.05)。

表3 金城洲和腊林洲工程区鱼类出现频率Tab.3 the frequency of fish in Jinchengzhou and Lalinzhou

2.3.2 鱼类体长差异

EY60鱼探仪的结果显示，金城洲对照区监测到鱼共2 148尾，目标强度范围-69.9～-40.01 dB，目标强度均值为(-61.35±6.37) dB，95%置信区间为-64.04～-58.66 dB；工程区监测到鱼共12 356尾，目标强度范围-69.96～-40.02 dB,目标强度均值为(-63.25±5.79) dB，95%置信区间为-63.35～-63.15 dB。腊林洲工程区共监测到鱼13 994尾，目标强度的区间是-39.67～-71.09 dB，平均目标强度的值为(-48.61±4.56) dB，95%置信区间为-48.69～-48.54 dB；对照区共监测到鱼5 204尾，目标强度区间-40～-65.09 dB，平均目标强度为(-47.96±3.97) dB，95%置信区间为-48.06～-47.85 dB；其中目标强度在-71～-49 dB的体长小的鱼类多集中在工程区，而目标强度在-47～-39 dB的体长大的鱼类多集中在对照区，可能是因为体长小的鱼对水流的抗冲击能力弱，趋向生活在透水框架的减速区内。

金城洲工程区鱼类的体长主要集中在4～35 cm之间，占总鱼数目的97.05%，其中5～10 cm的鱼数目占总数目的55.24%，10～20 cm的鱼占20.90%，20～35 cm的鱼占6.82%，35 cm以上的只占2.95%。腊林洲工程区鱼类体长主要集中在20～60 cm之间，占总鱼数目的79.63%。其中20～30 cm的鱼数目占总数目的16.48%，30～50 cm的鱼占45.38%，50～60 cm的鱼占17.76%。腊林洲透水框架工程区监测到的鱼的平均体长大于金城洲透水框架工程区监测到的鱼的平均体(P<0.05)(见图4)。

图4 金成洲和腊林洲工程区EY60探测鱼类标准体长分布图Fig.4 Length distribution chart of detected fish using EY60 in Jinchengzhou and Lalinzhou

3 讨论

3.1 透水框架群集鱼原因分析

调查结果显示透水框架群工程区鱼的数量多于对照区鱼的数量，说明透水框架群对鱼类具有一定的诱集作用。结合鱼类的栖息特征和透水框架群水力学方面的研究成果，从水流紊乱程度、流场和流速三个物理因子的角度对透水框架群的集鱼效果做初步分析。

水流碰到透水框架会产生水体紊动，水体紊动强度与当地流速和流速梯度有关，但并不随着流速流量的增减而增减，在透水框架群的高度范围内，水流紊动强度明显的增强，而超过透空四面体高度后，紊动强度则有所减弱[13]。不同鱼类对水体紊动强度有着不同的偏好，王得祥研究水流紊动对鲫鱼的影响，指出生活在河道中的鱼类会选择紊动强度稍大的水流，一方面水流的充分紊乱有利于捕食，另一方面在恰当紊动强度的水体内，鱼类充分利用水流紊动来提高自身的游动效率，如鲫鱼在紊动强度为0.56 ～6.64 cm/s时游动效率较高[14]。吴龙华[15]研究四面六边透水框架的尾流场指出，尾流场存在近床面的减速区和近水面的增速区这两个区域，随着水流雷诺数的增大，减速或增速幅度也变大，同时四面体透水框架3个杆件的绕流会产生尾涡。日本学者研究透水框架的物理因素时指出流场中的上升流促进营养物质的交换，背涡流形成流体力学阴影区域，从而提供鱼类索饵和躲避强水流的场所[16]。付东伟[17]等指出在流速较大区域投放开口较大比较小的单体鱼礁可以获得较大的上升流流速和背涡流面积，鱼礁区诱鱼效果更好，与人工鱼礁模型相比，透水框架单体具有较大的开口。透水框架群对近底流速减速率可达0.6以上，1999年长春垸崩堤，透水框架使流速从3～4 m/s降低到0.5 m/s以下。根据王兆印等[18-19]对西江鱼类和底栖动物的研究成果，当流速增至1.0 m/s时约40%鱼类不适合生存，当流速增至1.5 m/s时约85%鱼类不适合生存，当流速增至2.0 m/s时几乎不适合鱼类生存，鱼类最适流速范围为0.2-0.8 m/s。所以透水框架群可以为鱼类提供避免强流速影响的场所。

3.2 金城洲和腊林洲工程区集鱼效果差异分析

刺网捕获鱼类的体长是10～80 cm，平均体长是(26.90±8.82) cm，EY60监测到鱼的体长是3.86～91.25 cm，腊林洲鱼平均体长是(40.58±15.60) cm，金城洲鱼平均体长(10.55±9.61) cm，刺网捕获的鱼与仪器探测的鱼的平均体长存在差异，这主要是因为网具选择的单一，网具网目决定了捕获鱼类的大小[20]。

水声学仪器探测的结果表明两个工程区在鱼类数量和大小方面都存在差异。两种仪器总计在腊林洲工程区单位时间监测到鱼的数目是金城洲工程区的2.16倍。这可能是因为腊林洲位于江边，流速较低，生境相对金城洲较好。底栖动物是河流生态系统中食物链的重要环节[21]，同时是环境监测、生态评价和栖息地恢复评价的指示生物[22]。通过李莎[23]等对腊林洲工程区和金城洲工程区的底栖动物的群落结构的研究中显示，腊林洲工程区采集到底栖动物种类13种、密度为1 430.0 ind/m2、生物量为4.17 g/m2，金城洲工程区采集到底栖动物种类7种、密度为175.0 ind/m2、生物量为0.10 g/m2。腊林洲底栖动物多样性指数高于金城洲底栖动物多样性指数，腊林洲底栖动物的群落结构比金城洲的相对复杂，说明腊林洲工程区的生境恢复程度好于金城洲。腊林洲鱼平均体长是(40.58±15.60) cm，主要分布在30～50 cm之间，金城洲鱼平均体长(10.55±9.61) cm，而金城洲鱼的体长主要集中在5～10 cm之间。杜浩[24]等人研究天然河道中鱼类对水深、流速选择特性的结果表明，全长30～50 cm鱼所处环境的平均流速要高于10～20 cm鱼所处环境的平均流速，并且随着鱼类全长的增加，选择适合的流速区域能力越强。体长较小的鱼游泳能力相对较弱，受水流影响较大，体长较大的鱼游泳能力相对较强，有能力选择流速较小饵料相对丰富的生境进行索饵。金城洲流速大，小体长鱼较多，可能是随水流漂到金城洲水域，而腊林洲水域，流速较慢，底栖动物等饵料生物较多，体长较大鱼进行索饵，造成腊林洲水域的鱼体长较大。

3.3 生态环保型水工建筑物在航道整治工程的应用和研究前景

航道整治建筑物是整治工程中重要的设施，对改进航路状况起到十分重要的作用[25]。实体型建筑物存在基础被掏空影响工程自身稳定和割裂水-土-生物之间联系的问题[26]。生态环保型的航道整治建筑物，既能满足通航、水运和水利等方面的要求，又能减少对鱼等生生物的影响，并且在一定程度修复和恢复被破坏的水生生态和渔业资源[27-28]。

透水框架的研究前景：(1)透水框架的优化研究。从材料、构型、布置等方面对透水框架进行优化改造，使其更加适应鱼类等水生生物的生活习性。在透水框架的优化时遵循安全原则和效应原则，既需要关注透水框架抗倾覆抗滑移的能力，也需要关注透水框架对流场变动、整体水体交换的影响。比如，制造材料的优化，应用生态水泥或将缓和肥料加入到水泥中，保证框杆具有抗冲击的前提下，能够利于水生植物的生长和附着生物的附着；结构的优化，增加透水框架遮蔽面积或在透水框架增加附属结构，为水生生物提供附着基和产卵基；排布优化，研究不同排布方式如何满足鱼类对流场的需求。(2)在鱼类栖息地修复应用上的研究。扩大透水框架等航道整治建筑物的应用范围，发掘透水框架的功能多样性。通过利用透水框架等水工建筑物改变河道坡降及局部流场，调整泥沙变化格局，从而形成具有深潭-浅滩序列特征和相对蜿蜒特征的河道形态；或者在水底利用水工构造物，增强水域栖息地功能，以恢复河底地貌、水流的自然形态。(3)生态修复评价体系的研究。研究利用生态水力学模型对透水框架的生态效果及栖息地修复效果进行评估。

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(责任编辑：张红林)

Preliminary evaluation on fish-aggregation effects of tetrahedron-like penetrating frame structure in Jingjiang channel regulation project

WANG Ke1,GUO Jie1,2,DUAN Xin-bin1,CHEN Da-qing1,LIU Shao-ping1

( 1.YangtzeRiverFisheriesResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences，Wuhan430223,China；2.WuxiFisheryCollege,NanjingAgriculturalUniversity,Wuxi214081，Jiangsu,China)

In order to realize the fish-aggregation effects of penetrating frame groups in Jingjiang channel regulation project,investigations were conducted from May to June,2014 in Jinchengzhou and from May to June,2015 in Lalinzhou.During investigations,net catching and hydro-acoustic monitoring methods were adopted.The results show that the quantity and weight of the fish caught were 204 individuals with a total weight of 94.58 kg,among which the quantity and weight ofParabramispekinensisaccounted for 64.71% and 39.62%,respectively.The average length of the caught fish was 26.90±8.82 cm，the longest was 80 cm and the shortest was 10 cm.The result of Hydro-acoustic investigations showed that the quantity of fish in Lalinzhou is 1.92 and 2.36 times to that in Jinchengzhou investigated by EY60 and DIDSON,respectively.The body length of fish monitored by EY60 in Jinchengzhou concentrated in the range from 5 to 10 cm,accounted for 55.24%,and that in Lalinzhou concentrated in the range from 30-50 cm,accounting for 45.38%.In general,the tetrahedron-like penetrating frame groups have a certain fish-aggregation effect.

Jingjiang channel regulation project;penetrating frame;fish catch;hydroacoustic;fish-aggregation effect

2016-04-26；

2016-10-09

中国水产科学研究院基本科研业务费专项课题(2017HY-ZD0101)；长江航道规划设计研究院项目“长江中下游水下航道整治工程区生境恢复过程研究”；国家自然科学基金“长江中游四大家鱼产卵场定位及特征研究”(51249004)；农业部物种资源保护项目“长江中上游重要渔业水域主要经济物种产卵场及洄游通道调查”

王 珂(1982- )，女，副研究员，研究方向为鱼类生态。E-mail：wangkelily@126.com

刘绍平。E-mail：lsp@yfi.ac.cn

X835；TV86

A

1000-6907-(2017)04-0097-08