集鱼船在水电工程应用的问题与建议

2017-09-03童碧云王旭航李冬晓张晓璐

水力发电 2017年5期

关键词：过鱼鲑鱼水电工程

郭坚,童碧云,王旭航,李冬晓,张晓璐

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江杭州310014；2.宁波原水集团集团公司，浙江宁波315100)

集鱼船在水电工程应用的问题与建议

郭坚1,童碧云2,王旭航1,李冬晓1,张晓璐1

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江杭州310014；2.宁波原水集团集团公司，浙江宁波315100)

集运鱼系统为过鱼设施的一种,应用于高坝大库工程,正日益得到关注。过鱼设施的关键在于集鱼,而集运鱼系统一般利用集鱼船进行集鱼。目前,集鱼船在水电工程应用中存在成年鱼类集鱼难度大、诱集底栖鱼类效果较差和急流水域集鱼作业困难等问题。对此进行了探讨,提出了加强鱼类活动调查、深入鱼类习性研究、优化集鱼船体结构和构建适宜集鱼区域等建议,以期为水电工程集鱼船的应用提供参考。

集鱼船；水电工程；问题；建议

0 引言

由于水电工程建设形成大坝,造成阻隔,使原河流的水域形态和水文情势发生变化,对河段内的鱼类将产生一定的影响。修建过鱼设施是减缓水电工程对鱼类影响的有效措施之一,以充分发挥水电工程在流域水能资源开发利用中的经济、社会与生态环境综合效益。环境保护部、国家能源局在《关于深化落实水电开发生态环境保护措施的通知》(环发[2014]65号)中要求,充分论证过鱼方式,认真落实过鱼措施。对水头较高的水电建设项目,应结合场地条件和枢纽布置特性,研究采取鱼道、升鱼机、集运鱼系统或不同组合方式的过鱼措施。

集运鱼系统作为过鱼设施的一种类型,一般利用集鱼船进行集鱼,通过运鱼船或运鱼车进行鱼类的运输和投放,以实现鱼类过坝和种质交流。从国外特别是美国已运行的情况看,集运鱼系统在沟通阻隔河段、恢复水生生物交流的同时能够适应鱼群变化调整,放鱼的位置更有针对性,能实现鱼类的安全有效过坝。相比于鱼道、鱼闸以及升鱼机等固定过鱼设施,集运鱼系统具有机动、灵活、造价相对低廉、对枢纽布置没有干扰等优点,特别是对那些高坝水电站以及原枢纽中未考虑设置过鱼设施的工程。

目前,集运鱼系统在世界范围内的应用案例较少,仅见于美国、俄罗斯等少数国家,有关研究和应用在我国尚处于起步阶段,仅有乌江彭水水电站“唐环1号”集鱼平台进行了集鱼试验但尚未正式运行[1]。过鱼设施的关键在于集鱼,集鱼船在水电工程应用时间仍较短,尤其是在我国,目前仍存在诸多问题,有待于进一步研究。本文对国外集鱼船的起源、发展及典型工程进行了分析研究,对目前水电工程集鱼船应用的问题及改进优化进行了探讨,期待为今后的相关研究和应用提供参考。

1 集鱼船的起源和发展

集鱼船的首次应用为美国贝克坝,包括在20世纪20年代建成的下贝克和50年代建成的上贝克坝。在其工程规划期间,设计中已考虑洄游鲑鱼和孵化后的幼鱼通过大坝的集鱼及输鱼设施。从20世纪50年代开展了鲑鱼亲鱼上行产卵和新孵化幼鱼下行入海的研究和试验。位于上游的上贝克坝建成后,在上贝克坝库尾受淹没影响的老贝克湖上游重建了鲑鱼人工孵化场。上溯的鲑鱼成鱼采取位于下贝克下游的拦鱼坝、升鱼机收集,通过运鱼车转运至上贝克坝库尾的产卵场。孵化后的鲑鱼幼鱼在上贝克坝水库内通过集鱼船收集然后输送至下游,以此解决幼鱼下行入海问题[2]。贝克坝过鱼设施如图1所示。此后,其他流域的集鱼船试验研究也陆续展开,在哥伦比亚河和蛇河中均开展了大鳞麻哈鱼、虹鳟等鱼类的集鱼船试验,并进行了大鳞麻哈鱼和虹鳟成活率及返回率影响的试验研究等。

图1 贝克坝过鱼设施示意

20世纪50年代,前苏联开始集鱼船的相关研究,在里海流域的伏尔加河、顿河和库班河流域为鲟科、鲱科和鲤科的部分种类设计并制造了集鱼船。其中1970年在顿河支流马内奇河口枢纽开展了集鱼船的试验,在8天时间内收集了鲱、鳊、梭鲈等鱼2.5万尾。但从20世纪80年代以后,已很少有前苏联和俄罗斯的集鱼船的设计与建设的相关报道[3]。

国外应用集鱼船的典型工程为贝克坝。贝克坝工程所在的华盛顿州贝克河有5种洄游鱼类的天然产卵场,包括4种太平洋鲑鱼及硬头鳟。上贝克坝建设后,在下贝克坝的集鱼船基础上进行了改进,在上贝克坝库区内进行集鱼,主要集鱼对象为15 cm以下的鲑鱼幼鱼。

上贝克坝集鱼船的尺寸为约21 m长、12 m宽、7 m高,内设28个压舱筒和14个大浮筒,以调节吃水水深。集鱼船内的集鱼舱尺寸为约3.7 m宽、2.7 m 高、12.8 m长,运行时需下沉约2.5 m进行集鱼。船内装有2台各为2.1 m3/s和1台备用容量为0.3 m3/s的水泵进行抽水,以形成集鱼船进口处的稳定水流,通过水流吸引鲑鱼幼鱼。鲑鱼幼鱼进入集鱼舱后集中进入尾部,并被输送到大坝下游的贝克河适宜河段。贝克坝集鱼船内部构造示意见图2[4]。

图2 贝克坝集鱼船内部构造示意

2 集鱼船应用的问题

我国水电工程的集鱼船应用工作取得了一定的进展,但由于试验研究的历史较短,相关的经验缺乏。尤其是集鱼部分，有待进一步改善。

(1)成年鱼类集鱼难度较大。从国外已投运的集鱼船情况看,主要收集的是水库库尾区域孵化后需要下行入海的鲑鱼幼鱼,鱼龄基本上在1～2 a之间,长度多在15 cm以下。此时的鲑鱼幼鱼体形较小,体质尚未发育,游泳速度慢,行动和反应能力也较成年鱼类有不小的差距,较易被集鱼船诱集。我国集鱼对象主要为处于产卵期的成年亲鱼,体形相对较大。如,齐口裂腹鱼的亲鱼一般可达30 cm以上,一般雌性4龄成熟、雄性3龄成熟。成年亲鱼的游泳能力强,行动和反应速度快,所需吸引的诱导水流也较幼鱼有较大的增加,且仅用水流并不能达到对成鱼的诱集,因而对于成年鱼类的集鱼难度大。

(2)诱集底栖鱼类效果较差。国外集鱼船在诱集过程中,鲑鱼幼鱼主要在水库的库尾等浅水区域活动,在深水区域较少。上贝克坝的集鱼船针对该特点进行了设计,在船体下沉2.5 m后即可进行库区表面的幼鱼集鱼作业。我国集鱼对象大多为底栖鱼类,主要在河底或者水深较深的区域活动,在水体表面出现频率较低。集鱼船吃水深度较浅,设计进鱼口位于水体表层,除了采用加大水流进行诱集外,缺少其他诱鱼手段。由于集鱼口处于底栖鱼类非主要活动水层,与其活动水层距离较远,因此对于底栖鱼类的集鱼效果较差。

(3)急流水域集鱼作业困难。国外集鱼船主要为诱集产卵场附近水库里的幼鱼,幼鱼活动水域主要靠近库区上游,水流条件相对较缓。因此,集鱼船采用无动力浮箱形式,集鱼区域的水流对于集鱼船的运行影响不大。我国底栖鱼类在产卵期常在具一定流速的水域活动,喜分布于水电站发电尾水附近的急流区域,具有迎流上溯的特点,而电站发电时水流往往较大,坝下静水水域较少。若集鱼船设计采用无动力形式,在便于集鱼的水流相对较缓的水域却是鱼类分布较少区域,而在鱼类分布较多的电站发电尾水附近又开展集鱼作业又存在困难。

3 对改善集鱼效果的相关建议

国内集运鱼系统应用效果不理想的问题主要在于集鱼部分。对此,建议从以下方面进行改进和优化。

(1)加强鱼类活动调查,掌握聚集水域情况。从水电工程集鱼船的设计情况看,主要关注集鱼船的工程设计,对于集鱼位置的选择却论证较少。而摸清坝下鱼类的分布区域,是确定集鱼位置的前提条件,也是关系过鱼方案选择的重大因素。为提高集鱼船的集鱼效果,应进一步加强鱼类活动调查,掌握不同种类的鱼类在坝下分布水域、水深以及上溯季节和日期、日内不同时间的变化,不同运行工况下水位、水量的变化与鱼类上溯行为活动的关系等。应掌握鱼类的聚集水域,并在鱼类密集区进行针对性的集鱼作业,以获得良好的集鱼效果。对于鱼类分布区域的调查,有声学探测法和水下视觉探测法等,其均需采用船只携带仪器或人员进行现场作业。如,在葛洲坝电站上、下游江段利用船载回声探测仪进行了鱼类调查,表明坝下河段鱼类分布最多的为发电尾水附近江段[5- 6]。长江河段水面相对宽阔,而部分高山峡谷型的水电站,坝下尾水附近的水流较快,不利于船只停留,开展调查的难度较大,应用船只进行调查的较少。在现场作业不便开展的时候,可采取了解访问和现场购买等方法进行,通过向周边渔民的调查访问,了解坝下河段分布主要的鱼类种类、大小、数量、分布水域、捕捞地点和时间等。建议加强鱼类活动情况调查,确定不同鱼类的主要聚集水域、资源量和时空分布特点,结合所在水域的水位、水深、流速、流态、周边地形及水电工程运行调度等条件,针对性地开展集鱼船的设计,如船体长宽度、吃水水深、集鱼种类和规模等。

(2)深入鱼类习性研究,丰富诱鱼措施。鱼类一般循着水流溯流而上,部分鱼类喜欢激流中顶流前进,目前的集鱼船,正是利用鱼类这一习性通过水泵形成高速水流吸引鱼类。然而,在现有集鱼船中,除了水流吸引外,使用其他诱集鱼类的措施却很少。鱼类活动与周边的各种环境因子相关,如水流、光线、声音、气味等。在水库和海洋渔业生产中,常通过光、声、味等其他手段进行鱼类诱集和捕捞,并取得较好效果。鱼类对不同强度、颜色的光照均有不同的反应,如对鲤鱼不同光照颜色的趋向性研究试验表明,不同的光照颜色对其诱集效果的影响大小依次为：白光>红光>蓝光>绿光[7]。鲤鱼为水库养殖的底层鱼类,在声学试验中,利用水下扬声器产生400 Hz正弦波连续音对不同体长鲤鱼进行音响驯化,具有明显的诱集效果。其中,体长30～40 cm的鲤鱼在驯化第8 d聚集率达到100%,平均聚集时间为50.01 s[8]。根据鲑鱼对出生水域的气味反应回到鱼卵孵化水域产卵的特性,利用合成物吗啉诱鱼回归,让鱼苗在含有吗啉的水体中生活一段时间后,可诱导其长大后回到散发微弱啉气味的水域中产卵。除了水流吸引外,建议进一步深入研究其他方式的诱鱼手段,如各种鱼类对于光线、声音和气味的反应阈值和行为,采用多种途径的诱鱼措施,在集鱼船上设置不同的诱鱼灯光,配备诱鱼音响和模拟成鱼的气味的诱鱼剂,根据鱼类的不同采取不同的措施来增强诱鱼的效果。

(3)根据底栖鱼类特点,优化船体结构。集鱼船主要应用在美国、前苏联的部分工程,我国的彭水水电站也已修建了集鱼平台。现有的集鱼船一般为箱型结构,吃水深度浅,对于收集表层鱼类可起到一定效果,但对于底栖鱼类的效果较差。鱼类有迎流上溯的特点,多集聚于水电站坝下发电尾水附近,该区域水流流速较快,而现有的集鱼船大部分未配置航行动力系统,在急流水域的适应性差。集鱼船应配备发动机,以增强船只的航行和抗急流能力。船头如采用垂直舰首等型式,可减少抗流能力和行船阻力,提高船只的机动性和稳定性。同时,船舱内应配备足够的压水舱,以保证较大的吃水深度。集鱼船的进鱼口应保持较宽大的尺寸,以增强对底栖鱼类的集鱼效果。集鱼船的发动机应加装减震垫和隔声罩,抽水水泵应采用电动静音型,运行时应开启电动水泵和关闭发动机,以减少运行振动和抽水噪声对底栖鱼类产生的干扰。另外,对于底栖鱼类,如改变表面诱鱼而采用底层诱集的方式,通过集鱼船拖拽水底集鱼器在河床底部进行集鱼,可能会起到更好的效果。因此,建议根据底栖鱼类特点,增加船只的动力,优化集鱼船体结构,改善船只的动力性和抗急流能力,减少振动和噪声干扰,将集鱼船的进鱼口高程设置于水底鱼类喜好的水层,可较现有集鱼平台起到更好的集鱼效果。

(4)引导鱼类上溯行为,构建适集水域。在诱鱼导鱼的设施中,除了可应用于集鱼船的光、声、味等设施外,还有其它可在河道、水库内布置的,如拦鱼坝、拦鱼网、拦鱼电栅、驱鱼气幕等,一般设置于鱼类上溯或下行通道上,使其远离电站进出水口等设施,并取得过一定的效果。上述设施也可作为集鱼船的辅助诱导设施,布置于鱼类洄游通道上,引导更多的上溯鱼类,使其进一步形成聚集。在许多水电工程中,在大坝下游附近有支流汇入,在汇入口形成新的栖息地,成为许多鱼类索饵、产卵的场所。另外,在部分水域通过建设人工鱼礁,为鱼类等生物提供了一定的索饵、繁殖和生长发育场所。支流汇口和人工鱼礁为鱼类提供新的栖息地,集鱼船可利用上述栖息地开展集鱼活动。除集鱼船的诱鱼、集鱼设备外,建议在水电工程坝下河段上研究在河道内建设拦鱼、驱鱼设施的可行性,通过人为引导鱼类上溯到集鱼船所在的水域。同时在支流汇口和以修建人工鱼礁等方式形成适宜鱼类休憩、觅食和繁衍的区域,为集鱼船提供适合的集鱼水域,进一步提高集鱼效果。

4 展望

在过鱼设施中,集运鱼系统具有机动灵活、造价相对低廉、对枢纽布置无干扰等优点,作为除鱼道、升鱼机等固定过鱼设施之外的另一可选方案正日益得到关注；但目前国内的集鱼船的集鱼效果较差,尤其是底栖性鱼类。建议：在今后的研究与实践过程中,加强鱼类活动调查、深入鱼类习性研究、优化集鱼船体结构和构建适宜集鱼区域等,在此基础上结合电站坝下地形流场等条件,进一步完善集鱼船在水电工程的应用。相比于美国等其他发达国家,我国水电工程集鱼船的研究历史较短,基础较为薄弱,但如能针对其中的问题进一步加强调查和研究工作,相信经过不断地努力,在此领域必将取得发展和突破。

[1]水利部中国科学院水工程生态研究所,长江船舶设计院. 乌江彭水水电站集运鱼系统方案设计[R]. 武汉：长江船舶设计院, 2010: 30- 36．

[2]WAYNE W W. 贝克河水库工程的过鱼设施[C]∥过鱼设备与鱼类资源保护国外参考资料. 武汉：湖北省水生生物研究所,长江流域规划办公室技术情报科, 1977: 76- 91．

[3]梁园园, 刘德富, 石小涛, 等. 集运鱼船研究综述[J]. 长江科学院院报, 2014, 31(2)： 25- 29．

[4]南京水利科学研究所等. 鱼道[M]. 北京：电力工业出版社, 1982: 177- 180, 271, 268．

[5]林鹏程, 高欣, 刘春池, 等. 葛洲坝上下游江段鱼类时空分布特征研究[J]. 长江流域资源与环境, 2011, 20(9)： 1047- 1053．

[6]陶江平, 龚昱田, 谭细畅, 等. 长江葛洲坝坝下江段鱼类群落变化的时空特征[J]. 中国科学：生命科学, 2012, 42(8)： 677- 688．

[7]白艳勤, 陈求稳, 许勇, 等. 光驱诱技术在鱼类保护中的应用[J]. 水生态学杂志, 2013, 34(4)： 85- 88．

[8]邢彬彬, 张国胜, 陈帅, 等. 声音对不同体长鲤的诱集效果[J]. 大连水产学院学报, 2009, 24(2)： 120- 124．

(责任编辑陈萍)

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．

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