过鱼设施设计要点及有效性评价

侯轶群，蔡露，陈小娟，温静雅，贺达，金瑶，陶江平,赵先进

(1.水利部中国科学院水工程生态研究所，水利部水工程生态效应与生态修复重点实验室，湖北省水生态保护与修复工程技术研究中心，湖北武汉 430079； 2.生态环境部环境工程评估中心，北京 100012； 3.贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州省喀斯特地区水资源开发利用工程技术研究中心，贵州贵阳 550002)

自2000年以来，生态环境部(原国家环境保护总局、原环境保护部)在国家有关法律法规的要求下，依托于《水电水利建设项目河道生态用水、低温水和过鱼设施环境影响评价技术指南(试行)》(环评函〔2006〕4号)，在环境影响评价过程中对受理的水利水电工程提出了建设过鱼设施的要求，过鱼设施重新受到重视，鱼类学、水力学、水工设计等相关专业人员和机构都投入了过鱼设施的研究、建造和运行中。较早建设的一批过鱼设施，如广西长洲鱼道、大渡河安谷鱼道、大渡河枕头坝一级鱼道、汉江兴隆鱼道、乌江彭水集运鱼系统等已相继投入运行。同时，随着过鱼设施的运行监测与效果评价，我们对设计指标的认识也更为全面客观，设计技术也日臻成熟，积累了一定的经验和教训。本文主要针对过鱼设施在建造现状、设计要点、有效性评价等方面的研究进行梳理，以期为国内过鱼设施的设计研究提供参考。

1 过鱼设施设计要点

过鱼设施按结构组成划分为进口、主体结构、出口三部分，这些结构的设计均应以鱼类生态学、行为学指标为基础设计参数。

1.1 设施进口

无论是鱼道、仿自然通道还是升鱼机、集运鱼系统，保证上溯鱼类能够较快找到并顺利进入进口，都是过鱼设施设计的关键所在。进口的设计要点主要包括进口位置、进口流速流态、进口结构、进口数量、进口运行水位等。补水设施、电赶拦鱼栅等诱导鱼设施也被认为可辅助提高进口效率。同时，针对具体过鱼对象的生物学依据也必不可少，如鱼类的时空分布与环境驱动因子、鱼类的喜好流速流态指标、鱼类的游泳能力等。

(1)生物学指标。将过鱼设施进口布置在上溯鱼类的聚集区，是设计共识。据已有研究结果显示, 鱼类在坝下的时空分布与出流、河岸及水下地形有关。长洲水利枢纽坝下鱼类水声学探测表明：坝下泗化州岛附近的鱼类密度显著高于坝下其他江段，鱼类以靠近岸边分布为主；越是靠近坝下江段，鱼类的密度越高[1]。葛洲坝坝下的水声学探测结果显示，在大江电厂与泄沙闸之间区域是鱼类主要的聚集区域之一[2]。侯轶群等[3]开展了短须裂腹鱼的趋流速试验，得到短须裂腹鱼的喜好流速不超过3.17体长/s(0.8m/s～0.9m/s)。除此之外，进口设计的生物学依据依然较少，目前国内主要通过游泳能力测试结果分析诱鱼流速作为设计依据。

(2)设计要点。过鱼设施进口的设置与布局在国际以及国内均有规范要求。如法国2002年的渔业公报[4]规定：鱼道的进口最好被设置在尽量接近洄游障碍物的地方。《水电工程过鱼设施设计规范》[5]规定：进口应设在经常有水流下泄、鱼类洄游路线及经常集群的地方，并尽可能靠近鱼类能上溯到达的最前沿。《水利水电工程鱼道设计导则》中规定[6]：鱼道进口布置应符合以下要求：宜布置于泄水闸、电站尾水、生态放水口等经常有水流下泄处，或鱼类洄游路线及经常集群地附近。总体而言，进口出流应以大流量、鱼类的喜好流速为原则进行设置，且进口同下游不能有大的跌水。在进口流量/河流流量比较小的工况下可采用补水、拦导鱼等辅助设施提高进口效率。

1.2 主体结构

过鱼设施主体结构的设计要求为保证鱼类顺利、健康上溯，尽量不对上溯鱼类造成疲劳、受伤、惊吓等胁迫，一般需要将鱼类的游泳能力、鱼类对旋涡、紊动等不利水情的响应作为生物学设计依据。

(1)生物学指标。鱼类游泳能力测试是近年来国内开展较多的基础行为学研究。主体结构控制断面的最大流速应小于鱼类的爆发游泳速度。其他过鱼断面的流速尽量控制在持续游泳速度范围内。除此以外，水体旋涡直径同鱼体长相近时，会导致鱼迷失方向[7]；水体过于紊乱会导致鱼类为维持身体平衡耗能过大。

(2)鱼道、仿自然通道主体结构的关键设计要点为避免鱼类能量消耗太多[8]，应保证坡度、鱼道长度、流速、紊动能等指标均不可过大，避免鱼类疲劳。此外，主体结构上溯路线上应避免出现容易使鱼迷惑的旋涡水流。升鱼机、集运鱼系统等被动式过鱼设施应尽可能地保证集运鱼过程中的亲鱼性设计，避免对鱼类造成机械损伤和胁迫影响，有必要设置全程监控系统，以便监测整个过程中的鱼类状况，并随时调整不利操作。

1.3 设施出口

出口也是过鱼设施的重要组成部分，以不阻碍鱼顺利上溯为原则。鱼道、仿自然通道的出口主要为整个通道提供运行水流，因此出口和进口一样，在上游水位差变化较大的工况下，宜采用多出口结构，保证鱼道正常运行，同时应避免鱼道中上下游运行水位差别过大而导致的流速过急、过缓或水深过小等不利的过鱼工况发生。除此之外，出口处应设置拦漂设施，防止堵塞过鱼通道。升鱼机、集运鱼系统出口为鱼类泄放设施，以不使鱼受伤，减少应激反应为宜。

2 过鱼设施现状与有效性评价

经过10多年的发展，较早批建的过鱼设施已相继投入使用，其他设施工程也进入了规划、设计、建设等不同阶段。针对已建工程，开展有效的监测、科学的效果评价可为过鱼设施技术的进一步发展提供重要支撑。

2.1 设施现状

根据环境影响技术评估国家级受理项目统计可知，2000年—2018年，共受理并要求开展过鱼设施建设的项目109个，其中以鱼道为主要形式，占比达65.14%。除此之外，已建成并投入运行的其他形式的过鱼设施有乌江彭水集运鱼系统、北盘江马马崖集运鱼系统、澜沧江黄登升鱼机。据初步统计，截至2018年6月，已在29座拦河建筑物建设完成鱼道共计34座[8](见表1)。

表1 已建鱼道及其监测情况统计表(2000年—2018年)

2.2 有效性评价

截至2018年6月，已进行过监测或正在进行监测的鱼道数量有13座，其中12座鱼道有监测资料可查，但仍有50%以上的过鱼设施在建设完成后尚未进行效果监测。12座鱼道的监测资料均给出了鱼道的过鱼种类数，不同鱼道的过鱼种类有3种～61种，占坝下种类总数的49.35%～74.39%；9座鱼道进行了过鱼数量的统计和分析，在鱼道池室或出口位置统计过鱼数量的有枕头坝一级电站鱼道(2尾/天～10尾/天)、连江西牛航运枢纽鱼道(9.6尾/天～177尾/天)和流溪河水厂坝鱼道(1尾/月～323尾/月)。过鱼规律方面：枕头坝一级鱼道和ZM水电站鱼道以夜间过鱼为主，其余大部分鱼道以白昼为主；过鱼季节主要集中在每年的3月～6月，与鱼道设计的主要过鱼季节基本一致。过鱼效率方面：目前已有5座鱼道开展了过鱼效率的监测评价，分别为枕头坝电站一级鱼道、安谷电站竖缝式鱼道、汉江兴隆水利枢纽鱼道、广西右江鱼梁鱼道和ZM水电站鱼道，综合过鱼效率在7.56%～62.64%之间。

3 过鱼设施运行及发展中存在的问题

综上所述，尽管近年来我国过鱼设施已取得了较多进展，但仍存在一些问题有待解决，具体阐述如下：

(1)过鱼设施有效性评价仍然较少。我国目前已建成并投入使用的过鱼设施中很大一部分还未开展效果监测与评价；已开展监测的设施大多也进行持续运行监测。同时，我国还缺乏升鱼机、集运鱼系统等被动式过鱼设施的监测案例，仅有乌江彭水集运鱼系统等少数几座有一定的监测资料。随着近年来高坝水库的修建，多座大型水利水电工程采用了升鱼机和集运鱼系统这类被动式过鱼设施，且大多尚处于规划、设计和建造中，亟须相关监测评价结果予以技术和决策支持。除此之外，由于没有统一的监测规范指导，已开展的过鱼设施效果监测和评价的指标、频次、方法均存在较大差异，同类型过鱼设施甚至同一条河上距离相近的设施的监测结果都无法进行效果比较，限制了我国过鱼设施学科的进一步发展。

(2)过鱼设施的普及度仍然较低。过鱼设施在过去10多年取得了非常大的进展，但大部分仅在大型水利水电工程中采用。在一些小的水利水电工程，尤其是支流上的小水库中并未修建过鱼设施。然而，支流被认为是鱼类非常重要的栖息场所，承担了鱼类产卵、索饵等重要功能，支流生境破坏会对鱼类资源量产生深远的影响，一些小支流在枯水季节甚至被引水至断流状况，洄游通道遭到了极大的破坏。事实上，在支流修建过鱼设施的成本远低于干流，但产生的生态效益却不容小觑，对鱼类产卵这一生活史中的关键环节具有重要的促进作用，需引起足够的重视。

(3)过鱼设施的生物学标准仍然缺乏。尽管我国很多过鱼设施在设计、建造前开展了鱼类游泳能力测试、鱼类时空分布探测等鱼类基础生态行为参数研究，但还不足以充分支撑过鱼设施的定量设计，如针对进口设计的诱鱼流速、流量研究，针对出口闸门开度对鱼类上溯的影响研究等。同时，大多数工程在开展鱼类行为学参数试验时，已确定了过鱼设施的基本位置、形式和方案设计，导致鱼类行为学参数结果无法有效应用于设计优化。前期研究开展时间较晚也是目前国内过鱼设施建设中普遍存在的问题[9]。

(4)下行过鱼设施仍未引起足够重视。根据国内外相关研究，鱼类被水流挟带误入水轮机、泄水闸时，会导致较高的伤亡率，尤其是对于水头差较高的大坝、混流式机组，伤亡率甚至达到100%[10]。上述提到的我国已建过鱼设施均为提供鱼类上行洄游通道的设施，一些大型水利水电工程规划、设计有下行过鱼设施，但目前尚未有建造完成，且重视程度、基础生物学研究远不及上行过鱼设施，也是目前过鱼设施中需引起足够重视的问题。

4 提升设施有效性的建议与展望

鱼道设计、建设与运行过程需要鱼类学、生态学、水力学、水工学等多学科的结合，需要经历认识—实践—再认识—再实践的反复过程[11]。美国、欧洲、南美以及日本等国家或地区大量成功的建设实例就是以长效监测数据为基础，经过不断的实践经验积累与调整而最终取得了良好的过鱼效果。近年来，随着我国过鱼设施建设和有效性评价案例增加，对过鱼设施已经具有更为深入的了解，积累了一定的设计经验和生物学数据，也发现了一些发展中存在的问题。建议进一步通过开展技术研究和运行管理，有效提升我国过鱼设施的整体发展水平。具体建议如下：

(1)增强过鱼设施的效果评价。建议环评部门尽快出台过鱼设施效果评价的技术标准或规范，且对设施的运行管理和技术配置进行科学统一的要求，促进提升我国过鱼设施技术水平，同时促进过鱼设施生态环境效益的有效发挥，为进一步的过鱼设施优化和建设提供强有力的技术支撑。建议未来几年新兴竣工的过鱼设施尽快开展效果监测与评价，尤其是被动式过鱼设施，亟待通过效果评估积累我国在这方面的经验，也可客观评价这类过鱼设施对洄游阻隔的减缓效果，同其他生态补偿措施进行综合分析，以制定更为全面有效的生态补偿措施方案。

(2)提高过鱼设施普及率。建议开展全国鱼类洄游通道恢复计划，按流域、洄游鱼类分区制定洄游通道决策支持系统，有计划、有步骤、分批次建设过鱼设施，恢复鱼类洄游通道，改善鱼类生境条件[12]，全面提升我国过鱼设施普及率。

(3)加强针对过鱼设施设计的基础生物学研究。针对我国鱼类开展诱集鱼水流、鱼类聚集区、洄游障碍定量评价等基础研究，为过鱼设施提供设计支持；同时，建议鱼类生态行为学研究在水利水电枢纽工程规划、环评阶段即开展研究，尽早介入，有效确定最优过鱼方案。

(4)针对我国鱼类研究适宜的下行过鱼设施。尽管下行过鱼设施的技术难度、工程投入均较高，但我国鱼类不同于鲑鳟鱼类，并无下行洄游至海洋的强烈诉求，可针对我国过鱼设施保护鱼类资源量、增加基因交流的目标，开展上游近坝段驱赶、引导鱼类远离危险区，配合部分卵苗采集运输至下游投放等措施，实现下行过鱼。

综上所述，近10多年来我国过鱼设施发展取得了长足的进步，但仍存在一些问题亟待解决。随着过鱼设施进入快速的发展阶段，建议针对相关问题开展科学而广泛的研究，同时加强规划设计和运行管理，保障我国过鱼设施的持续健康发展。