基于非生物指标的鱼道效果评价模型

doi:10.11988/ckyyb.20230809

长江科学院院报 ›› 2024, Vol. 41 ›› Issue (12): 82-90.DOI: 10.11988/ckyyb.20230809

基于非生物指标的鱼道效果评价模型

郭辉¹^,²(), 娄起浩¹^,³(), 陈端¹, 杨文俊¹, 付国栋⁴, 金光球³

¹ 长江科学院水力学研究所,武汉 430010
² 长江科学院流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室,武汉 430010
³ 河海大学水利水电学院,南京 210098
⁴ 贵州省水利水电勘测设计研究院科技创新部,贵阳 550002

收稿日期:2023-07-25 修回日期:2023-12-04 出版日期:2024-12-01 发布日期:2024-12-01
通信作者:
娄起浩(1998-),男,浙江舟山人,硕士研究生,研究方向为生态水利。E-mail:louqh@hhu.edu.cn
作者简介:
郭辉(1982-),男,安徽霍邱人,正高级工程师,博士研究生,研究方向为生态水利。E-mail: guohui@mail.crsri.cn
基金资助:
国家重点研发计划项目(2022YFC3203904); 国家自然科学基金项目(U2340218); 国家自然科学基金项目(52130903); 水利重大关键技术项目(SKR-2022010); 中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF2023401/SL); 贵州省科技计划项目(黔科合支撑[2021]一般467)

Fishway Effectiveness Evaluation Model Based on Abiotic Indices

GUO Hui¹^,²(), LOU Qi-hao¹^,³(), CHEN Duan¹, YANG Wen-jun¹, FU Guo-dong⁴, JIN Guang-qiu³

¹ Hydraulics Department, Changjiang River Scientific Research Institute,Wuhan 430010, China
² HubeiProvincial Key Laboratory of Basin Water Resource and Eco-environmental Sciences, Changjiang River ScientificResearch Institute,Wuhan 430010, China
³ College of Water Conservancy and Hydropower Engineering,HohaiUniversity, Nanjing 210098, China
⁴ Department of Technological Innovation, Guizhou Water & Power SurveyDesign Institute Co., Ltd., Guiyang 550002, China

Received:2023-07-25 Revised:2023-12-04 Published:2024-12-01 Online:2024-12-01

摘要/Abstract

摘要：

目前鱼道效果评价多采用网捕、PIT跟踪等手段直接评价过鱼数量和效率,存在工作量大、周期长、诊断识别非生物工程问题困难等不足。基于我国鱼道效果已有监测数据,构建鱼道效果评价指标体系,涵盖水力条件适宜度、环境因子适应性、内部结构符合度等非生物指标和过鱼有效性等生物指标。典型相关分析表明,进口流速指数、孔缝宽度指数和池室消能指数等水力与结构指标对鱼道效果影响较大,指标权重分别为0.23、0.16和0.15;耦合模糊评价理论,构建了基于非生物指标的鱼道效果评价模型。案例分析表明,模型评价结果与直接监测结论相符,模型可靠性较好,可为我国鱼道运行管理提供技术支撑。

关键词: 鱼道效果, 非生物指标, 间接评价模型, 典型相关分析, 指标适宜度

Abstract:

At present, the evaluation of fishway effectiveness primarily relies on methods such as net fishing and PIT (Passive Integrated Transponder) tracking to directly assess the quantity and efficiency of fish passage. However, these approaches have limitations, including long cycle, heavy workloads, and the inability to diagnose or identify abiotic engineering issues. Based on existing monitoring data of fishway effectiveness in China, we constructed an evaluation index system that encompasses abiotic indicators such as hydraulic condition suitability, environmental factor adaptability, and internal structure conformity, as well as biological indicators like fish passage effectiveness. Canonical correlation analysis reveals that hydraulic and structural indices, including the inlet velocity index, slot width index, and energy dissipation index, significantly influence fishway effectiveness, with respective weights of 0.23, 0.16, and 0.15. By integrating fuzzy evaluation theory, we developed a fishway effectiveness evaluation model based on abiotic indices. Case analysis demonstrates that the model’s results align with direct monitoring conclusions, indicating that the model can provide more reliable scientific and technological support for fishway operations in China.

Key words: fishway effectiveness, abiotic indices, indirect evaluation model, canonical correlation analysis, index suitability

中图分类号:

TV135工程水力学(水工建筑水力学)

郭辉, 娄起浩, 陈端, 杨文俊, 付国栋, 金光球. 基于非生物指标的鱼道效果评价模型[J]. 长江科学院院报, 2024, 41(12): 82-90.

GUO Hui, LOU Qi-hao, CHEN Duan, YANG Wen-jun, FU Guo-dong, JIN Guang-qiu. Fishway Effectiveness Evaluation Model Based on Abiotic Indices[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2024, 41(12): 82-90.

图/表 9

图1 技术路线

Fig.1 Technical route

表1 鱼道基本信息

Table 1 Basic information of fishways

鱼道类型	设计流量 /(m³·s^-1)		长度/m		进出口水位差/m
鱼道类型	范围	平均	范围	平均	范围	平均
竖缝式	[0.4, 3.6]	0.96	[72, 2 100]	877.50	[2.50, 48.53]	17.58
仿自然式	[0.9, 1.7]	1.34	[451, 1 850]	1 030.67	[4.00, 20.35]	10.98

表2 鱼道效果评价指标体系

Table 2 Index system for fishway effectiveness evaluation

目标层	准则层	指标	参数需求	计算公式	最小值	最大值	平均值	变异系数C_v
非生物指标层	水力条件适宜度	进口流速指数	R_i:下游水体第i种过鱼对象丰度	C₁= $∑ i = 1 n$ R_i $v A U c r i t$	0.11	0.82	0.39	0.385
			v_A:鱼道进口及附近环境水体平均流速
			U_crit:第i种过鱼对象绝对临界流速
		出口流速指数	R_i:下游水体第i种过鱼对象丰度	C₂= $∑ i = 1 n$ R_i $v B U i n d$	0.58	3.00	1.68	0.458
			v_B:鱼道出口及附近环境水体平均流速
			U_ind:第i种过鱼对象绝对感应流速
		最大流速指数	R_i:下游水体第i种过鱼对象丰度	C₃= $∑ i = 1 n$ R_i $v C U b u r s t$	0.59	1.46	0.93	0.247
			v_C:鱼道过鱼孔缝最大流速值
			U_burst:第i种过鱼对象绝对突进游泳速度
		池室消能指数	Q:鱼道运行流量	C₄= $ρ g Q Δ h 200 V$	0.09	1.62	0.68	0.551
			Δh:池室间水头差
			V:单个池室水量
	环境因子适应性	水温指数	R_i:下游水体第i种过鱼对象丰度	C₅= $∑ i = 1 n$ R_i $T 1 T 2$	0.54	1.26	0.90	0.167
			T₁:鱼道平均水温
			T₂:第i种过鱼对象偏好水温
	内部结构符合度	孔缝宽度指数	R_i:下游水体第i种过鱼对象丰度	C₆= $∑ i = 1 n$ R_i $e b$	4.11	12.80	8.23	0.399
			e:鱼道孔缝宽度
			b:第i种过鱼对象爆发游泳摆幅
		休息池比例指数	L₂:休息池总长度	C₇= $L 2 L T$	0.008	0.180	0.086	0.698
		休息池比例指数	L_T:鱼道总长度	C₇= $L 2 L T$	0.008	0.180	0.086	0.698
生物指标层	过鱼有效性	目标鱼类通过率/%	R_i:下游水体第i种过鱼对象丰度	C₈= $∑ i = 1 n$ R_i $N S i N K i$	15.25	90.18	50.80	0.374
			N_S_i:监测时段鱼种i通过出口尾数
			N_K_i:监测时段鱼种i进道尾数
		目标鱼类进口吸引率/%	R_i:下游水体第i种过鱼对象丰度	C₉= $∑ i = 1 n$ R_i $N K i N T i$	9.60	65.00	42.53	0.401
			N_K_i:监测时段鱼种i进道尾数
			N_T_i:监测时段鱼种i坝下资源调查总尾数
		种类通过率/%	S_A:鱼道可通过鱼种数量	C₁₀= $S A S$	20.00	80.30	51.35	0.351
		种类通过率/%	S:坝下鱼类调查总种数	C₁₀= $S A S$	20.00	80.30	51.35	0.351
		总体上行过坝率/%	N:监测时段总过鱼尾数	C₁₁= $N N T$	8.35	33.90	18.74	0.428
		总体上行过坝率/%	N_T:监测时段坝下资源调查总尾数	C₁₁= $N N T$	8.35	33.90	18.74	0.428
		上溯时间指数/ (min·m^-1)	Δt:鱼类平均上溯时长	C₁₂= $Δ t Δ H$	32.47	265.05	134.97	0.515
		上溯时间指数/ (min·m^-1)	ΔH:鱼道总高差	C₁₂= $Δ t Δ H$	32.47	265.05	134.97	0.515

表2 鱼道效果评价指标体系

Table 2 Index system for fishway effectiveness evaluation

目标层	准则层	指标	参数需求	计算公式	最小值	最大值	平均值	变异系数C_v
非生物指标层	水力条件适宜度	进口流速指数	R_i:下游水体第i种过鱼对象丰度	C₁= $∑ i = 1 n$ R_i $v A U c r i t$	0.11	0.82	0.39	0.385
			v_A:鱼道进口及附近环境水体平均流速
			U_crit:第i种过鱼对象绝对临界流速
		出口流速指数	R_i:下游水体第i种过鱼对象丰度	C₂= $∑ i = 1 n$ R_i $v B U i n d$	0.58	3.00	1.68	0.458
			v_B:鱼道出口及附近环境水体平均流速
			U_ind:第i种过鱼对象绝对感应流速
		最大流速指数	R_i:下游水体第i种过鱼对象丰度	C₃= $∑ i = 1 n$ R_i $v C U b u r s t$	0.59	1.46	0.93	0.247
			v_C:鱼道过鱼孔缝最大流速值
			U_burst:第i种过鱼对象绝对突进游泳速度
		池室消能指数	Q:鱼道运行流量	C₄= $ρ g Q Δ h 200 V$	0.09	1.62	0.68	0.551
			Δh:池室间水头差
			V:单个池室水量
	环境因子适应性	水温指数	R_i:下游水体第i种过鱼对象丰度	C₅= $∑ i = 1 n$ R_i $T 1 T 2$	0.54	1.26	0.90	0.167
			T₁:鱼道平均水温
			T₂:第i种过鱼对象偏好水温
	内部结构符合度	孔缝宽度指数	R_i:下游水体第i种过鱼对象丰度	C₆= $∑ i = 1 n$ R_i $e b$	4.11	12.80	8.23	0.399
			e:鱼道孔缝宽度
			b:第i种过鱼对象爆发游泳摆幅
		休息池比例指数	L₂:休息池总长度	C₇= $L 2 L T$	0.008	0.180	0.086	0.698
		休息池比例指数	L_T:鱼道总长度	C₇= $L 2 L T$	0.008	0.180	0.086	0.698
生物指标层	过鱼有效性	目标鱼类通过率/%	R_i:下游水体第i种过鱼对象丰度	C₈= $∑ i = 1 n$ R_i $N S i N K i$	15.25	90.18	50.80	0.374
			N_S_i:监测时段鱼种i通过出口尾数
			N_K_i:监测时段鱼种i进道尾数
		目标鱼类进口吸引率/%	R_i:下游水体第i种过鱼对象丰度	C₉= $∑ i = 1 n$ R_i $N K i N T i$	9.60	65.00	42.53	0.401
			N_K_i:监测时段鱼种i进道尾数
			N_T_i:监测时段鱼种i坝下资源调查总尾数
		种类通过率/%	S_A:鱼道可通过鱼种数量	C₁₀= $S A S$	20.00	80.30	51.35	0.351
		种类通过率/%	S:坝下鱼类调查总种数	C₁₀= $S A S$	20.00	80.30	51.35	0.351
		总体上行过坝率/%	N:监测时段总过鱼尾数	C₁₁= $N N T$	8.35	33.90	18.74	0.428
		总体上行过坝率/%	N_T:监测时段坝下资源调查总尾数	C₁₁= $N N T$	8.35	33.90	18.74	0.428
		上溯时间指数/ (min·m^-1)	Δt:鱼类平均上溯时长	C₁₂= $Δ t Δ H$	32.47	265.05	134.97	0.515
		上溯时间指数/ (min·m^-1)	ΔH:鱼道总高差	C₁₂= $Δ t Δ H$	32.47	265.05	134.97	0.515

表3 间接评价等级量值范围

Table 3 Value ranges for indirect evaluation grades

间接评价等级	较差	合格	良好	优秀
评价量值	[0,25]	(25,50]	(50,75]	(75,100]

图2 相关系数分布

Fig.2 Distribution of correlation coefficients

表4 非生物指标交叉荷载值与权重分布

Table 4 Cross load and weight distribution of abiotic indices

非生物指标层	交叉荷载值	权重值	非生物指标层	交叉荷载值	权重值
进口流速指数	0.79	0.23	水温指数	0.51	0.15
出口流速指数	0.24	0.07	孔缝宽度指数	0.57	0.16
最大流速指数	0.52	0.15	休息池比例指数	-0.35	0.10
池室消能指数	0.53	0.15

图3 非生物指标层频度分析

Fig.3 Frequency analysis for abiotic index layer

图4 非生物指标层隶属度函数图像

Fig.4 Membership function image of abiotic index layer

表5 案例鱼道监测数据指标转化值

Table 5 Values for indices conversion from monitoring data of case fishway

指标层	监测参数	指标转化值
进口流速指数	R_i:下游水体第i种过鱼对象丰度	0.17
	v_A:鱼道进口及附近环境水体平均流速
	U_crit:第i种过鱼对象绝对临界流速
出口流速指数	R_i:下游水体第i种过鱼对象丰度	2.29
	v_B:鱼道出口及附近环境水体平均流速
	U_ind:第i种过鱼对象绝对感应流速
最大流速指数	R_i:下游水体第i种过鱼对象丰度	0.90
	v_C:鱼道过鱼孔缝最大流速值
	U_burst:第i种过鱼对象绝对突进游泳速度
池室消能指数	Q:鱼道运行流量	0.39
	Δh:池室间水头差
	V:单个池室水量
水温指数	R_i:下游水体第i种过鱼对象丰度	0.85
	T₁:鱼道平均水温
	T₂:第i种过鱼对象偏好水温
孔缝宽度指数	R_i:下游水体第i种过鱼对象丰度	9.26
	e:鱼道孔缝宽度
	b:第i种过鱼对象爆发游泳摆幅
休息池比例指数	L₂:休息池总长度	0.012
休息池比例指数	L_T:鱼道总长度	0.012

基于非生物指标的鱼道效果评价模型

Fishway Effectiveness Evaluation Model Based on Abiotic Indices

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