水力学

桑河二级仿自然鱼道过鱼效果监测与评估

  • 沈春颖 , 1 ,
  • 王靖超 1 ,
  • 秦鑫 , 2 ,
  • 陈玉斌 1 ,
  • 薛如展 1
展开
  • 1 昆明理工大学 电力工程学院,昆明 650500
  • 2 华能澜沧江水电股份有限公司,昆明 650214
秦 鑫(1984-),男,云南昆明人,高级工程师,硕士,主要从事水电工程及生态环保研究。E-mail:

沈春颖(1982-),女,浙江杭州人,教授,博士,主要从事生态水力学及生态水文研究。E-mail:

Copy editor: 罗玉兰

收稿日期: 2024-03-22

  修回日期: 2024-05-30

  网络出版日期: 2024-12-26

基金资助

国家自然科学基金项目(52069009)

云南省高校科技创新团队项目(202304003)

Monitoring and Evaluation of Fish Passage Effectiveness in Nature-like Fishway of Sanghe River Secondary Hydropower Station

  • SHEN Chun-ying , 1 ,
  • WANG Jing-chao 1 ,
  • QIN Xin , 2 ,
  • CHEN Yu-bin 1 ,
  • XUE Ru-zhan 1
Expand
  • 1 School of Electric Power Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China
  • 2 Huaneng Lancang River Hydropower Inc., Kunming 650214, China

Received date: 2024-03-22

  Revised date: 2024-05-30

  Online published: 2024-12-26

摘要

为了解桑河二级仿自然鱼道的过鱼效果,采用水力学条件监测、红外线水下视频监测和下闸排空捕捞的方法对鱼道内的水力学参数及过鱼种类组成、体型分布等进行统计分析。结果表明:鱼道内蛮石缝间的平均流速为0.79 m/s,通道内的平均流速为0.635 m/s,符合流速设计要求。监测期间调查统计到过鱼数量共计3 954尾,隶属9目、14科、21属、24种,种类组成以鲤形目为主,占75.99%,鱼类个体数量以头孔无须魮最多,黄尾短吻鱼、裂峡鲃次之,过鱼体型集中在体长10~20 cm、体宽0~5 cm范围内。鱼类洄游游向不同并具有昼夜差异和季节差异,监测到的鱼类中有68%通过鱼道上溯,白天(6:00~18:00)过鱼效果显著优于其他时段,过鱼季节集中在7—8月份,原设计过鱼季节选在4—8月份基本合理。桑河二级仿自然鱼道为鱼类洄游提供了通道和适宜的水流环境,具有良好的过鱼功能,对该流域的鱼类保护具有重要的意义。

本文引用格式

沈春颖 , 王靖超 , 秦鑫 , 陈玉斌 , 薛如展 . 桑河二级仿自然鱼道过鱼效果监测与评估[J]. 长江科学院院报, 2025 , 42(6) : 124 -130 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240280

Abstract

[Objective] With the continuous expansion of China’s water conservancy infrastructure, hydraulic structures such as dams and sluice gates have obstructed fish migration routes and altered hydrological regimes both upstream and downstream. These changes have led to fragmentation of fish habitats, population declines, and even pushed some endemic fish species to the brink of extinction. To protect aquatic biodiversity and restore river connectivity, fishways have been widely implemented as critical passage facilities. Post-construction monitoring of fishway effectiveness is essential for verifying performance and identifying potential design improvements to enhance functionality and operational management. [Methods] This study evaluated the performance of the nature-like fishway at Sanghe River Secondary Hydropower Station through comprehensive monitoring. Hydrodynamic conditions were assessed using an Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) and 3D acoustic Doppler velocimeter (ADV) to measure water depth, temperature, and velocity parameters, ensuring they met fish passage requirements. Fish passage was monitored using infrared underwater video surveillance and capture methods during periodic dewatering, with data collected on species composition, abundance, size distribution, and movement patterns, providing references for domestic studies on nature-like fishway construction and fish passage monitoring. [Results] Results indicated all hydrodynamic parameters met design specifications. During monitoring, reservoir levels remained stable at 75 m, with fishway depths fluctuating between 0.03-1.22 m. Average velocities were 0.79 m/s in boulder crevices and 0.635 m/s in main channels, creating suitable migratory conditions. A total of 3 954 fish from 24 species (9 orders, 14 families) were recorded, dominated by Cypriniformes (75.99%). The most abundant species were Crossocheilus reticulatus, followed by Sikukia flavicaudata and Hampala macrolepidota, with most fish measuring 10-20 cm in length and 0-5 cm in width. Migration patterns showed distinct temporal variations: 68% of fish moved upstream, with significantly greater passage efficiency during daylight hours (06:00-18:00). Peak migration occurred in July-August, validating the design assumption of April-August being the primary migration season. [Conclusions] Measures to improve fish passage effectiveness include optimizing power generation-fishway coordination, removing debris in front of dam,dredging and maintaining fishway, and regular cleaning of monitoring equipment to improve reliability. The nature-like fishway at Sanghe River has successfully reestablished connectivity and created favorable hydrodynamic conditions for fish migration, demonstrating significant conservation value for the basin’s ichthyofauna.

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

河流生态系统中,鱼类为了觅食、寻找产卵地和越冬场而进行洄游迁移。水坝、闸堰等水工建筑物,阻碍了鱼类洄游,改变了闸坝上下游水文情势,导致鱼类的上溯、下行受阻,鱼类生境片段化、破碎化,种群间的遗传多样性降低,使得鱼类资源量减少,甚至导致部分土著鱼类濒危[1-3]。为保护水生物种资源,恢复河流连通性,鱼道作为重要的过鱼设施之一被广泛应用[4]。20世纪70年代末,Katopodis 等[5]首次提出仿自然鱼道的概念。仿自然鱼道使用天然材料尽可能地模仿自然河道的生态环境和水流流态,与河道特征类似,为流水性水生生物提供洄游通道和栖息空间[5-6]。在仿自然鱼道中,通过改变岩石的排列模式调整水流流态,使得水流高度多样化,满足不同目标鱼类的游泳能力,利用岩石周围的湍流和回水为鱼类创造局部休息的水流条件[7]
鱼道运行后应进行过鱼效果监测,验证其有效性或改善初始设计的不足,以完善鱼道功能和优化运行管理方式[8-9]。国内对鱼道过鱼效果的监测、评估数量较少,相对于建设总数占比较低,1960—2017年间,内陆地区150余座过鱼设施中,仅有14座进行过鱼效果监测评估[10],对于仿自然鱼道的过鱼效果监测,目前仍开展较少。现有的过鱼监测技术中,国外主要采用无线电标记跟踪法、超声波标记跟踪法、PIT射频标记跟踪法等,然后通过过鱼效能和过鱼效率进行评估[11-12];国内主要采用声学监测、张网法、网具回捕等进行监测,通过鱼类的数量、种类、体长等指标进行评估[13]
为了解桑河二级仿自然鱼道的过鱼效果,对鱼道内的水力学参数(水位、水温、流速)等进行监测,判断其是否满足过鱼对象的流态需求;采用fishexplorer红外线水下视频监测和下闸排空捕捞的方法,对通过该鱼道的鱼类数量、种类、体型和游向等指标进行统计,并对监测结果进行了分析评估,以期为国内仿自然鱼道建设、过鱼效果监测等研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域

桑河是湄公河左岸支流,由桑河、塞公河、斯雷波克河汇集而成,分布有329种鱼类资源。根据桑河流域内气象站点的监测数据,该地区呈现高地热带季风气候,具有明显的季节性降水,70%~80%的年径流集中在雨季,9—10月份的月平均流量最大,占年总径流量的15%~20%,多年平均降水量在1 700~2 200 mm之间。根据项目环评阶段的水质监测,工程所在河段水质总体较好,湿地植物约30种,为鱼类提供了丰富的栖息条件。桑河二级水电站位于桑河干流上,于2017年12月9日建成投产,其主要枢纽建筑物有河床泄洪闸坝、河床式发电厂房、混凝土挡水重力坝、左右岸土坝、侧墙式接头、仿自然鱼道等,坝顶全长6.5 km,最大坝高56.5 m,是亚洲第一长坝,水库正常蓄水位高程75 m,总库容27.15亿m3[14]
桑河二级仿自然鱼道于2018年2月3日正式投运使用,全长约2.9 km,其中鱼道进口段长135 m,渠身段长2 290 m,出口段长55 m,出口引渠段长434 m。鱼道进口段底坡坡度为2%,利用水流的局部紊动诱集鱼群,便于洄游性鱼类找到入口。鱼道渠身段布置在原始地形的冲沟内,渠身段底坡坡度为1%和0.5%,鱼道内布设蛮石槛,形成水池系统,每间隔800 m设置一个休息池,共有3个休息池。鱼道出口段采用底宽5 m、坡度1%的矩形断面,并设置平板钢闸门便于鱼道的运行管理。工程河段内共分布34种洄游性鱼类,其中有9种在洞里萨湖、湄公河下游和工程区之间进行长距离的迁徙,有3种被列入世界自然保护联盟濒危物种红色名录,有4种鱼类被列入柬埔寨濒危鱼种名单。综合考虑最终将6种濒危物种(巴丁鱼、头孔无须魮、穗须原鲤、密鳃鲥、露齿丝足鲈、鲠鱼)和4种经济鱼种(拉氏高须鱼、半孔鱼、盔圆唇鱼、拉氏巨鲶)作为主要过鱼对象,并根据目标鱼类的洄游、繁殖习性,过鱼季节选择在4—8月份和11—12月份,目标鱼类行为学特征见表1
表1 目标鱼类行为学特征统计

Table 1 Ethological characteristics of target fish species

种类 洄游月份 繁殖月份 生活习性
巴丁鱼 5—8、11—12 5—7 底栖,杂食性
头孔无须魮 底栖,杂食性
穗须原鲤 12—2 底栖,杂食性
密鳃鲥 4—6 3—5 浮游,杂食性
露齿丝足鲈 11—12 浮游,杂食性
鲠鱼 5—6 底栖,草食性
拉氏高须鱼 11—12 底栖,食肉性
半孔鱼 6—7 底栖,杂食性
盔圆唇鱼 5—8、11—2 底栖,杂食性
拉氏巨鲶 4—5 底栖,杂食性

1.2 监测方法

桑河二级仿自然鱼道过鱼效果监测包括水力学条件监测、水下视频监测和下闸排空捕捞,其相关的监测手段、空间布置、监测时间见表2。为保证监测数据的全面性和有效性,在鱼道的进出口断面布设红外线水下视频监测测点,选取了3个不同坡度断面和1个休息池断面作为水力学条件监测测点,监测方案平面布置见图1
表2 过鱼效果监测项目概要

Table 2 Monitoring metrics for fish passage evaluation

项目 水力学条件监测 水下视频监测 下闸排空捕捞
监测手段 ADCP
ADV
fishexplorer红外线水下视频观测设备、纳森电子水下高清摄像机 人工排空捕捞
空间布置 3个坡度断面
1个休息池断面
鱼道进出口断面 鱼道全长范围
监测时间 2019-12-09 2019-12-17—24以及
2021-07-17—10-30
2019-12以及
2021-05

注:ADCP表示多普勒流速剖面仪,即Acoustic Doppler Current Profiler;ADV表示多普勒声学流速仪,即Acoustic Doppler Velocimeter。

图1 鱼道监测方案平面布置

Fig.1 Layout of fish passage monitoring program

1.2.1 水力学条件监测

水力学条件监测包括库水位监测和鱼道内水深、水温、流速监测。为获取鱼道典型断面的水力学参数,选取3个不同的坡度断面(坡度分别为2%、1%和0.5%)和1个休息池作为监测断面进行监测。流速监测采用多普勒流速剖面仪ADCP进行移动式观测和三维点式多普勒声学流速仪ADV进行定点精细化测量,测定各断面左、中、右岸处的表、中、底层的流速,最终求取平均值作为断面的平均流速。

1.2.2 水下视频监测

水下视频监测装置主要包括fishexplorer红外线水下视频观测设备、纳森电子水下高清摄像机等构件(图2)。监测期间安装在鱼道进出口断面,进行全天24 h实时监测。当鱼类通过红外线扫描单元时自动触发红外线感应装置,系统根据反馈的数据进行视频录像,对鱼类外部轮廓进行成像描绘,并大致分析出鱼类种类和规格。
图2 水下视频观测设备示意

Fig.2 Configuration of underwater video monitoring system

1.2.3 下闸排空捕捞

采取排空法网捕鱼道内鱼类,捕捞期间定期关闭闸门,以休息池为区分节点将鱼道分为上、中、下游3段,在鱼道进、出口附近和渠身段休息池,布置拦鱼网,人工下闸依次完成沿程的捕捞工作,并记录鱼道内鱼类种类组成、数量、体长等基础信息。

2 监测结果

2.1 鱼道内部水体环境

鱼道监测期间库水位较为平稳,基本稳定在75 m,最高水位75.39 m,水力学条件监测时,库水位为75.17 m。监测结果显示,鱼道内水深在0.03~1.22 m间波动,4个断面的水温相差不大,从上游到下游分别为29.56、29.92、29.75、28.93 ℃。蛮石缝间流速分布在0.55~1.18 m/s,流速平均值为0.79 m/s;4个监测断面的平均流速接近,从库区上游到下游依次为0.63、0.65、0.62、0.64 m/s,4个监测断面前端流速分布在0.39~0.57 m/s,后端流速分布在0.24~0.81 m/s。一般来说,仿自然鱼道断面平均流速设计为0.4~0.6 m/s,最大流速≤2 m/s[7],鱼道流速监测结果满足以上设计鱼类游泳能力条件,为鱼类洄游和休息提供了适宜的水流环境。

2.2 过鱼数量与种类

鱼道水下视频监测设备共正常监测5个月,监测到鱼类3 133尾,各月过鱼数量见表3,其中2019年12月仅包含17—24日数据,2021年7月仅包含16—31日数据,其余月份均为全月数据。8月份过鱼数量最多,占总过鱼数量的36%,但由于7月份仅包含16—31日数据,假设7月上半月与下半月过鱼数量均匀分布,则7月全月过鱼数量约1 644尾,各月份按照过鱼数量由多至少排名为7、8、9、10月,主要过鱼季节为7月份和8月份。2次下闸排空捕捞共捕获821尾渔获物。
表3 各月过鱼数量统计

Table 3 Monthly variations in fish passage abundance

监测
方式
不同时期水下视频监测 不同时期下
闸排空捕捞
2019-
11
2021-
07
2021-
08
2021-
09
2021-
10
2019-
11
2021-
05
过鱼数
量/尾
21 822 1 129 851 310 314 507
水下视频监测和下闸排空捕捞期间,共计通过鱼类种类24种,隶属9目、14科、21属。鱼类组成以鲤形目为主,共10种,占总数的75.99%,其次是合鳃目,占总数的11.03%。鱼类个体数量以头孔无须魮最多,占18.3%,黄尾短吻鱼、裂峡鲃次之,分别占15%和11%。水下视频监测识别的鱼类以头孔无须魮、黄尾短吻鱼、裂峡鲃为主,下闸排空捕捞到的鱼类以大刺鳅、异裂峡魮、魮鲤为主。各渔获物的种类组成及编号见表4,种类统计及其隶属占比分别见图3图4
表4 渔获物种类组成及编号

Table 4 Taxonomic composition and identification numbers of captured fish

目属 种名 编号 目属 种名 编号
鲤形目 裂峡鲃 A 鲈形目 缘鳢 M
魮鲤 B 横带锯鳞鲈 N
黄尾短吻鱼 C 沙塘鳢 O
伊洛瓦底沙鳅 D 线鳢 P
橙鳍沙鳅 E 合鳃目 大刺鳅 Q
短吻鱼 F 黄鳝 R
纹唇鱼 G 曼谷吻棘鳅 S
异裂峡魮 H 魨形目 坎寶單孔魨 T
小鳞鲮 I 鹤目 似灰异齿颌针鱼 U
头孔无须魮 J 鲇形目 湄公河半鲶 V
鲶形目 辛格鳠 K 骨舌鱼目 弓背鱼
胡子鲶 L 鳢形目 小盾鳢 X
图3 过鱼种类统计

Fig.3 Statistical summary of fish species in passage

图4 渔获物隶属占比

Fig.4 Proportional distribution of captured fish species

2.3 过鱼体型

根据水下视频监测和下闸排空捕捞对鱼类的体长、体宽进行统计,2019年12月数据仅包含17—24日数据,因监测时间短,结果不具有代表性剔除外,不同月份过鱼对象的体型分布类似,过鱼体型以体长10~20 cm、体宽0~5 cm范围内的鱼类为主,其次以体长0~10 cm、体宽5~10 cm范围内的鱼类为主。监测数据表明,体长在10~20 cm范围内的鱼类数量最多,占比约为49%;体宽在0~5 cm范围内的鱼类数量最多,占比约为77%。水下视频监测鱼类体长、体宽分布见图5
图5 水下视频监测鱼类体长及体宽分布

Fig.5 Frequency distribution of fish body length and width from underwater video monitoring

下闸排空捕捞获取的渔获物依据单体体重不同将其区分为小体型鱼(体重<0.01 kg)、中体型鱼(体重0.01~1 kg范围内)和大体型鱼(体重>1 kg)。两次下闸排空捕捞共捕获821尾渔获物,其中捕获小体型鱼569尾,中体型鱼242尾,大体型鱼10尾。为避免人工测量时造成小体型鱼死亡,因此只对大、中体型鱼类进行体长、体宽测量,测量结果见图6,体长在10~30 cm、体宽在0~10 cm范围内的鱼类数量最多,分布特征与水下视频监测存在一定差异。
图6 下闸排空捕捞渔获物体长及体宽分布

Fig.6 Body length and width distribution of fish species captured during sluice gate dewatering

2.4 过鱼游向与昼夜规律

水下视频监测期间,总过鱼量3 133尾,其中上溯鱼2 141尾,占比约为68%;下行鱼992尾,占比约为32%,各月鱼类游向见图7,鱼道在7—10月份期间,主要过鱼对象游向为上溯,7月份上溯个体比率高达84%。
图7 不同月份鱼类游向统计

Fig.7 Monthly variations in migration direction

过鱼统计分析发现,鱼类洄游存在昼夜差异,白天(上午及下午)为主要过鱼时段。按时间划分为上午(6:00—12:00)、下午(12:00—18:00)、夜晚(18:00—24:00)、和凌晨(0:00—6:00)4个时段,上午、下午、夜晚及凌晨时段过鱼数量分别为1 281、1 329、449、74尾,下午过鱼量最多,不同月份各时段过鱼数量占比见图8,各月主要过鱼时段集中在上午、下午,白天过鱼数量占比高达83.3%,凌晨过鱼数量最少,仅占2.4%。
图8 不同月份各时段过鱼数量占比

Fig.8 Proportional distribution of fish passage by time period across different months

3 评估分析

3.1 鱼道运行效果评估

鱼道运行效果评估的主要内容包括初始设计评估、运行效果评估和运行管理评估[13]。桑河二级水电站发电运行方式为水库水位在74~75 m之间变化,电站进行日调节运行,鱼道正常运行期间,库水位较为平稳,基本稳定在75 m,满足电站运行调度需求。《水利水电工程鱼道设计导则》 (SL 609—2013)[15]规定仿生态式鱼道最大流速不宜>2 m/s,《桑河二级水电站右岸仿自然鱼道专题报告》考虑鱼道流速应能使鱼类较易上溯,鱼道内设计平均流速控制在0.4~0.8 m/s,蛮石缝间流速控制在1.0~1.5 m/s[16],监测期间鱼道蛮石缝间的平均流速为0.79 m/s,通道内的平均流速为0.635 m/s,满足鱼类洄游流速要求。监测期间,桑河二级仿自然鱼道调查统计到过鱼数量共3 954尾,种类组成共24种,目标过鱼对象中仅有头孔无须魮通过鱼道洄游,并且数量居多,该鱼种主要分布在工程区的沿海河流流域,栖息于中小型河流的中下层水域。由于10种过鱼对象中有6种为濒危、易危或近危物种,下闸排空捕捞及水下视频观测中捕捞或监测到目标鱼种难度较大以及目前监测时间较短,无法捕获全部鱼种。根据现有的监测数据,12月份仅包含17—24日数据,数据不具有代表性,其他各月份按照过鱼数量由多到少排名为7、8、9、10月份,7月份和8月份过鱼数量占过鱼总量的70.5%,9月份和10月份过鱼数量仅占过鱼总量29.5%,过鱼数量相对较少,由此推测原设计的过鱼季节选择在4—8月份基本合理,11—12月份有待验证。
因此,该鱼道流速设计、过鱼季节选择符合初始设计要求,鱼道运行时,库水位满足电站运行调度需求,鱼道至少为24种鱼类提供洄游通道,具有良好的过鱼效果。

3.2 桑河二级仿自然鱼道过鱼特点

监测发现,鱼道过鱼群落具有季节差异和昼夜差异,鱼类游向以上溯为主。不同月份的过鱼数量具有较大差异,7月份和8月份的过鱼数量显著高于其他月份,其中7月份过鱼数量约为10月份的5倍,季节差异显著。通过对不同月份各时段的过鱼数量统计发现,8月份下午(12:00—18:00)过鱼数量占该月总过鱼数量的48%,9月份上午(6:00—12:00)过鱼数量占该月总过鱼数量的46%,白天的过鱼数量约为凌晨的35倍,昼夜差异显著。分析原因认为,7、8月份为主要过鱼季节,恰逢鱼类产卵繁殖的高峰期,上溯需求较为迫切,大部分鱼类上溯,呈现出季节差异;鱼类洄游具有昼夜差异可能与鱼类的生活习性、觅食规律相关,鱼类具有趋温逐暖的习性,温度可以通过改变栖息地选择,范围分布和生态系统功能来影响鱼类种群的生态模式[17],大多数鱼类喜欢在温暖的水域活动、觅食,白天水体温度上升,鱼类活动频繁,因此过鱼数量显著高于其他时段。

3.3 影响监测结果及过鱼效果的因素

经分析,影响桑河二级仿自然鱼道运行效果的因素可能有以下几个方面:①红外线水下视频监测识别的准确性。在鱼道红外线感应装置触发的视频录像中,通过人工识别,在一些视频中未观察到明显鱼类。经分析未观察到鱼类的原因是鱼类通过红外监测设备时,触发红外扫描设备后,由于水流流速过大,又退回下游,导致视频内无鱼;另外一种情况是由于水流湍急产生的大量泡沫导致红外扫描设备误触,被误记为有鱼。②鱼道内部的漂浮物、垃圾、淤积泥沙等异物,易造成通道堵塞,阻碍鱼类洄游。③鱼道上游水位的波动对鱼道正常运行存在影响,当库水位超过正常蓄水位时,仿自然鱼道不满足过鱼要求,鱼道出口将下闸关闭,导致过鱼效率降低。
因此,桑河二级水电站运行过程中应协调电站运行与过鱼的关系,充分考虑鱼道过鱼对象的水力学需要,进一步优化调度方案;定期对出口区域河道异物进行清理,对鱼道内堵塞淤积部位进行疏通维护,保证通道畅通;定期对水下辅助视频设备摄像头进行清洗,保证视频清晰,提高数据的可靠性。

4 结论

(1)鱼道内各水力学参数符合设计要求。监测期间库水位稳定在75 m,鱼道内水深在0.03~1.22 m波动,蛮石缝间的平均流速为0.79 m/s,通道内的平均流速为0.635 m/s。鱼道内流量、水深、流速基本满足设计要求,为鱼类洄游提供了适宜的水流环境。
(2)鱼道具有良好的过鱼效果。监测期间调查统计到过鱼数量共3 954尾、24种鱼类通过,以鲤形目为主,其中优势种是头孔无须魮和短吻鱼,过鱼体型集中在体长10~20 cm、体宽0~5 cm范围内。
(3)鱼道过鱼群落具有季节差异和昼夜差异,7月份过鱼数量最多,8月份其次,与鱼类产卵繁殖时段吻合;鱼类多选择在白天(6:00—18:00)洄游,可能与鱼类趋温逐暖的习性相关。
(4)有必要从优化协调电站与鱼道的运行调度、加强坝前水域异物清理与鱼道内疏通维护、定期清洗鱼道内监测设备等方面,进一步提高过鱼效果与监测的可靠性。
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