國內(nèi)外過魚設(shè)施運(yùn)行效果評估與監(jiān)測技術(shù)研究綜述

溫靜雅,陳 昂，曹 娜,黃 茹,王海燕,王鵬遠(yuǎn)

(1.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境工程評估中心水電環(huán)境研究院,北京 100012; 2. 中國水利水電科學(xué)研究院水電可持續(xù)發(fā)展研究中心,北京 100038; 3. 中國長江三峽集團(tuán)有限公司,北京 100038)

河流筑壩開發(fā)對水文情勢、水力學(xué)特性、水溫、水質(zhì)以及魚類洄游等有一定影響,根據(jù)水利水電工程建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境保護(hù)要求,需要建立減緩筑壩影響的環(huán)境保護(hù)措施,實(shí)施生態(tài)補(bǔ)償,恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)健康[1-3]。水利水電工程建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境保護(hù)措施主要包括過魚設(shè)施設(shè)計(jì)、增殖放流、下泄生態(tài)流量、水溫影響減緩措施、河流棲息地保護(hù)與修復(fù)等[4-6],但這些措施的運(yùn)行效果尚需實(shí)踐驗(yàn)證。環(huán)境保護(hù)運(yùn)行效果評估也是研究與實(shí)踐中面臨的主要難題。

魚類是河流生態(tài)系統(tǒng)相對敏感的指示性物種,魚類種群的變化直接反映了河流生態(tài)系統(tǒng)狀況,包括魚道、魚梯、升魚機(jī)、集運(yùn)魚船等在內(nèi)的過魚設(shè)施是大壩上下游的連接通道,在魚類洄游、促進(jìn)上下游種群和基因交流等方面發(fā)揮了重要作用[7]。過魚設(shè)施的有效運(yùn)行是保護(hù)河流縱向連通性的重要手段之一,對減緩大壩阻隔影響、恢復(fù)魚類洄游通道具有重要作用[8-9]。理論上,過魚設(shè)施運(yùn)行后,需要開展運(yùn)行效果評估,通過實(shí)踐驗(yàn)證有效性并改善初始設(shè)計(jì)的不足,完善過魚功能并優(yōu)化運(yùn)行管理方式[10],同時(shí),也可為其他同類過魚設(shè)施的設(shè)計(jì)提供參考[11-12]。但在實(shí)踐中,過魚設(shè)施運(yùn)行效果評估方法還存在一些不足,歐美發(fā)達(dá)國家通過出臺(tái)相關(guān)規(guī)定明確了過魚設(shè)施運(yùn)行效果評估的必要性,如歐盟的水框架指令(water framework directive, WFD)和美國的水電站許可證制度(hydropower licensing)均規(guī)定了需要開展過魚設(shè)施運(yùn)行效果評估,經(jīng)過多年實(shí)踐,運(yùn)行效果評估的指標(biāo)體系仍在不斷完善中[13]。我國河流水利水電開發(fā)正處于快速發(fā)展時(shí)期,隨著環(huán)境保護(hù)投入加大,過魚設(shè)施成為大多數(shù)水利水電工程建設(shè)的必要措施。目前研究重點(diǎn)大多關(guān)注過魚設(shè)施設(shè)計(jì)[14],盡管開展了一些運(yùn)行效果評估研究與實(shí)踐,但在管理方面仍滯后于發(fā)達(dá)國家。一方面,過魚設(shè)施的基礎(chǔ)研究還相對薄弱;另一方面,過魚設(shè)施建成后運(yùn)行效果評估尚未形成規(guī)范性方法,過魚設(shè)施監(jiān)管主體不明確,監(jiān)管機(jī)制不健全,未建立有效的運(yùn)行管理模式與生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制[15]。

總體來講,通過修建過魚設(shè)施解決河流阻隔問題是國內(nèi)外研究學(xué)者的統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。國內(nèi)外過魚設(shè)施運(yùn)行效果監(jiān)測評估基本是以管理規(guī)定為主要驅(qū)動(dòng)力,進(jìn)而開展一系列研究與實(shí)踐。當(dāng)前效果監(jiān)測評估的主要難點(diǎn)集中在運(yùn)行效果監(jiān)測評估的指標(biāo)與方法。因此,本文回顧梳理了國內(nèi)外過魚設(shè)施運(yùn)行效果監(jiān)測評估的相關(guān)研究和實(shí)踐成果,總結(jié)分析過魚設(shè)施運(yùn)行效果監(jiān)測評估的不足,通過對國內(nèi)外運(yùn)行效果監(jiān)測評估方法的分析,擬提出我國進(jìn)一步優(yōu)化過魚設(shè)施設(shè)計(jì)、完善運(yùn)行效果監(jiān)測評估的建議,可為進(jìn)一步完善過魚設(shè)施運(yùn)行效果監(jiān)測評估指標(biāo)體系、改進(jìn)我國水利水電工程過魚設(shè)施運(yùn)行效果監(jiān)測評估方法、加強(qiáng)建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境保護(hù)措施的全過程管理提供參考。

1 過魚設(shè)施運(yùn)行效果評估

1.1 國外發(fā)展概況

國外過魚設(shè)施運(yùn)行效果評估較早,可以追溯至17世紀(jì)的法國。截至20世紀(jì)60年代初期,美國和加拿大有過魚設(shè)施200座以上,西歐各國有100座以上[16-17]。在過魚設(shè)施運(yùn)行效果評估的法律法規(guī)方面,國外規(guī)定的內(nèi)容比較明確,如歐盟水框架指令規(guī)定過魚設(shè)施運(yùn)行效果評估需要明確過魚目標(biāo)。美國水電站運(yùn)行許可證規(guī)定,過魚設(shè)施運(yùn)行期間應(yīng)保證洄游性魚類可以及時(shí)安全的通過水工建筑物。在過魚設(shè)施運(yùn)行效果評估的研究方面,國外也開展了較多工作,根據(jù)國外近50年的相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,與過魚設(shè)施運(yùn)行效果監(jiān)測評估相關(guān)的論文有96篇,其中,68%的研究集中在成魚洄游情況的討論,以鮭、鱒魚類的研究為主,由于運(yùn)行效果不理想或監(jiān)測成本過高等原因,大量過魚設(shè)施在投入運(yùn)行后并未開展運(yùn)行效果監(jiān)測評估[18]。在過魚設(shè)施運(yùn)行效果評估的實(shí)踐方面,國外開展了較多探索,如美國為了保護(hù)大馬哈魚,在哥倫比亞河流域的大壩逐日監(jiān)測了過魚設(shè)施運(yùn)行效果,建立了長達(dá)32年的數(shù)據(jù)庫;2016年,哥倫比亞河13座水電站開展了過魚設(shè)施監(jiān)測,根據(jù)成魚和幼魚的通過情況評估了魚類洄游期(4—10月)的運(yùn)行效果,并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行過魚設(shè)施的優(yōu)化和改造。美國邦納威爾大壩還設(shè)立了魚道觀察室,將魚道的過魚效果監(jiān)測與公眾教育、發(fā)展旅游等結(jié)合起來,取得了較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。加拿大建立了過魚設(shè)施監(jiān)測數(shù)據(jù)庫,但結(jié)果顯示只有9%的過魚設(shè)施使用了合適的有效性評估方法。澳大利亞墨累-達(dá)令河流域管理委員會(huì)對“流域魚類洄游通道恢復(fù)計(jì)劃”的效果開展了大規(guī)模監(jiān)測評估工作,并研發(fā)了監(jiān)測評估技術(shù)和遙感監(jiān)測設(shè)備。奧地利、捷克、丹麥等均對其境內(nèi)的魚類洄游通道恢復(fù)效果開展了大量的監(jiān)測評估工作[19]。另外,在水電可持續(xù)性評估的實(shí)踐中,也考慮將可靠地過魚設(shè)施作為一項(xiàng)重要評估內(nèi)容[20]。

總體來看,國外過魚設(shè)施運(yùn)行效果監(jiān)測評估情況較好,在過魚設(shè)施設(shè)計(jì)方面較為完善,也開展了大量過魚設(shè)施監(jiān)測工作,積累了長系列監(jiān)測資料。但效果評估方面也存在一定不足,主要為:運(yùn)行效果評價(jià)方法尚未統(tǒng)一[21],相關(guān)規(guī)定大多只有原則性要求,在管理層面未明確監(jiān)測評估的指標(biāo)體系,過魚設(shè)施的運(yùn)行、管理和效果監(jiān)測評估等方面的具體要求較少。

1.2 國內(nèi)發(fā)展概況

國內(nèi)過魚設(shè)施研究起步較晚,始于20世紀(jì)60年代,發(fā)展歷程大致可分為3個(gè)時(shí)期:初步發(fā)展期(20世紀(jì)60—70年代)、停滯期(20世紀(jì)80—90年代)和二次發(fā)展期(2000年以后)[22]。2000年以來,隨著國家對生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重視,河流筑壩開發(fā)時(shí)修建過魚設(shè)施再次被提上日程[23],并逐漸通過一系列的管理規(guī)定強(qiáng)化了過魚設(shè)施的建設(shè)與運(yùn)行管理。例如,政府主管部門通過政策文件規(guī)定了修建過魚設(shè)施的必要性,2002年修訂的《中華人民共和國水法》第27條明確規(guī)定了:河流上修建永久性攔河閘壩需要同時(shí)修建過魚設(shè)施;2004年新修訂的《中華人民共和國漁業(yè)法》提出了在魚、蝦、蟹洄游通道筑壩建閘需建造過魚設(shè)施,作為減小對漁業(yè)資源影響的重要措施;原國家環(huán)境保護(hù)總局在印發(fā)的《水電水利建設(shè)項(xiàng)目河道生態(tài)用水、低溫水和過魚設(shè)施環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)指南(試行)》中,也進(jìn)一步規(guī)范了建設(shè)項(xiàng)目環(huán)評時(shí)的過魚設(shè)施設(shè)計(jì)方法[24]。

國內(nèi)學(xué)者圍繞過魚設(shè)施設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行效果監(jiān)測評估也開展了大量研究與實(shí)踐[25-27]。根據(jù)筆者統(tǒng)計(jì),自2000年至今,國內(nèi)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行的過魚設(shè)施有110余座,其中以已建成投入運(yùn)行的約有28座。結(jié)合早期觀測資料,整理了15座已開展運(yùn)行效果監(jiān)測的過魚設(shè)施情況(表1)。研究發(fā)現(xiàn):少數(shù)過魚設(shè)施通過開展短期監(jiān)測,結(jié)合工程運(yùn)行情況,對過魚設(shè)施的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行管護(hù)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn),而多數(shù)過魚設(shè)施修建后運(yùn)行效果不理想或者長期未運(yùn)行,缺乏相關(guān)監(jiān)測資料。已開展過魚設(shè)施運(yùn)行效果監(jiān)測的工程存在監(jiān)測指標(biāo)不確定、監(jiān)測技術(shù)單一、持續(xù)周期較短、各類技術(shù)方法應(yīng)用和指標(biāo)的意義不明確等問題。

表1 我國部分已開展運(yùn)行效果監(jiān)測的過魚設(shè)施

1.3 主要評估內(nèi)容

過魚設(shè)施建設(shè)的目的是恢復(fù)河流連通性,保障洄游性魚類順利通過水工建筑物,到達(dá)產(chǎn)卵繁殖地點(diǎn)以完成其繁殖過程。通過開展過魚設(shè)施運(yùn)行效果評估,分析管理實(shí)踐中存在的問題,改進(jìn)過魚設(shè)施設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理方式,是現(xiàn)階段過魚設(shè)施運(yùn)行效果評估與改進(jìn)的有效途徑。影響過魚設(shè)施運(yùn)行效果的因素眾多,主要包括過魚設(shè)施設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理兩個(gè)方面,這也是過魚設(shè)施運(yùn)行效果監(jiān)測評估需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。

a. 過魚設(shè)施設(shè)計(jì)評估。由于過魚設(shè)施運(yùn)行效果評估需要在工程建設(shè)完成后才可以進(jìn)行,因此評估重點(diǎn)并非設(shè)計(jì)本身,而是通過建設(shè)完成后監(jiān)測過魚效果,評估過魚設(shè)施運(yùn)行狀況。主要評估內(nèi)容是對過魚設(shè)施設(shè)計(jì)的水力學(xué)參數(shù)效果進(jìn)行評估,以魚道為例,由于魚道布置不合理可能導(dǎo)致誘魚效果較差,如魚道入口處的流量相對于河流的流量太小;未達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)的池身不能適應(yīng)洄游期間魚道上下游水位的變動(dòng),造成魚道內(nèi)水流供應(yīng)不足或過剩,或出現(xiàn)入口處落差過大的情況;水池容積不足可能引起湍流過強(qiáng)、氣泡過多,不滿足目標(biāo)物種流態(tài)需求等。

b. 過魚設(shè)施運(yùn)行管理評估。過魚設(shè)施運(yùn)行管理評估的主要內(nèi)容包括過魚設(shè)施的管理維護(hù)評估和運(yùn)行控制評估兩個(gè)方面。建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評價(jià)階段一般沒有對過魚設(shè)施管理維護(hù)的具體要求,運(yùn)行階段往往缺乏過魚設(shè)施維護(hù)的專職人員。此外,過魚設(shè)施設(shè)計(jì)的考慮不如主體工程詳細(xì),例如主體工程往往設(shè)置了攔污柵等專門的攔污系統(tǒng)。由于過魚設(shè)施未設(shè)置攔污系統(tǒng),或?qū)r污系統(tǒng)的管理不善,常導(dǎo)致過魚設(shè)施堵塞,影響魚類通過。目前,過魚設(shè)施的運(yùn)行控制基本建立了自動(dòng)控制系統(tǒng),需將自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行狀況納入過魚設(shè)施運(yùn)行效果評估的指標(biāo)中,避免系統(tǒng)或部件出現(xiàn)故障,包括調(diào)節(jié)流量或水池間落差的部件(自動(dòng)閘門等)、保證閘門設(shè)施運(yùn)行的部件(自動(dòng)閘門、水槽卷揚(yáng)機(jī))等。

c. 過魚設(shè)施運(yùn)行效果評估指標(biāo)。評估指標(biāo)是過魚設(shè)施運(yùn)行效果評估的核心內(nèi)容,主要評估內(nèi)容包括過魚效能(passage effectiveness)和過魚效率(passage efficiency)兩個(gè)方面[42-43],以判斷過魚設(shè)施運(yùn)行對減緩筑壩影響的貢獻(xiàn),但由于流域、區(qū)域和目標(biāo)種群的差異性,很多研究并沒有明確過魚效能和過魚效率的概念。過魚效能是一個(gè)定性的概念,目的是評估魚類洄游期間,過魚設(shè)施令所有目標(biāo)物種通過的能力,可通過肉眼觀察、截捕、視頻檢查等方式評估,過魚效能評估必須首先確定具體的生物學(xué)目標(biāo)。過魚效率是一個(gè)較為定量的概念,是一定時(shí)段內(nèi)過魚設(shè)施成功通過的魚類種群比例,用種群通過比例和洄游延遲時(shí)間評價(jià)。然而,由于過魚設(shè)施運(yùn)行效果在評估目的、對象及方法上存在認(rèn)知和年代差異,上述兩個(gè)指標(biāo)在實(shí)際應(yīng)用中常被混淆。

2 過魚設(shè)施運(yùn)行效果監(jiān)測技術(shù)

過魚設(shè)施運(yùn)行效果監(jiān)測時(shí),主要記錄一些生物指標(biāo)和非生物指標(biāo),生物指標(biāo)如物種數(shù)量、魚類數(shù)量、魚類長度、年齡段、質(zhì)量等,非生物指標(biāo)如水溫、流量、水頭差、水位變化等。國內(nèi)外在監(jiān)測指標(biāo)的選擇方面存在一定差異,主要取決于監(jiān)測指標(biāo)和監(jiān)測技術(shù)的成本、應(yīng)用價(jià)值或?qū)W術(shù)價(jià)值等因素。

2.1 國外主要監(jiān)測技術(shù)

國外過魚設(shè)施運(yùn)行效果監(jiān)測評估方法還處于研究階段,已形成一些相對成熟的監(jiān)測方法,如美國加利福尼亞州的過魚設(shè)施監(jiān)測方法指南[44]。目前,國外常用的監(jiān)測技術(shù)主要包括物理掛牌標(biāo)記法、聲吶法、無線電標(biāo)記跟蹤法等[45-46],各種方法主要技術(shù)參數(shù)對比見表2。不同監(jiān)測方法的原理及適用條件見表3。物理掛牌標(biāo)記法在使用時(shí),由于可視范圍有限,主要適用于清水、限定的狹窄區(qū)域,主要依賴于水的透明度,對于潛行物種難于辨識(shí),難以實(shí)現(xiàn)長期跟蹤觀測,可獲得數(shù)據(jù)量很少;聲吶法無法區(qū)分魚類種類和魚類個(gè)體,數(shù)據(jù)處理對人員技術(shù)背景要求高;無線電標(biāo)記跟蹤法與聲學(xué)(超聲波)跟蹤系統(tǒng)相比,魚類位置的方向判斷性較差,深水與低洼水域條件下技術(shù)受限,標(biāo)記可能會(huì)影響魚類行為(后面3種方式也存在這一問題),無法實(shí)現(xiàn)魚類資源量的監(jiān)測(后兩種也存在這一問題);超聲波標(biāo)記跟蹤法與同等無線電標(biāo)記相比,使用壽命更短;通常需要船來布放水下接收系統(tǒng),個(gè)別情況下,面臨水聲學(xué)噪音和發(fā)射問題,相比無線電標(biāo)記,由于性能出色,可以使用更少的標(biāo)記數(shù)量開展研究;應(yīng)答器標(biāo)記法的信號(hào)的探測范圍小而窄,數(shù)據(jù)采集受限于天線附近(無法移動(dòng)跟蹤監(jiān)測);PIT射頻標(biāo)記跟蹤法的信號(hào)的探測范圍小,因此數(shù)據(jù)采集受限于天線的安裝位置或需要重新捕獲魚類進(jìn)行標(biāo)記掃描;電阻法的信號(hào)探測范圍更為狹窄,設(shè)備必須安裝在現(xiàn)有的工事上,魚類由于沒有標(biāo)記,因此無法實(shí)現(xiàn)個(gè)體層次的跟蹤研究,而且系統(tǒng)對魚類體長尺寸有要求,無法探測20 cm以下體長的魚類。

表2 過魚設(shè)施運(yùn)行效果監(jiān)測方法技術(shù)參數(shù)對比

表3 過魚設(shè)施運(yùn)行效果評估監(jiān)測方法技術(shù)原理及適用條件

2.2 國內(nèi)主要監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用

國內(nèi)魚道監(jiān)測的主要方法有人工觀測、網(wǎng)具回捕、張網(wǎng)法、漁業(yè)聲學(xué)監(jiān)測、光學(xué)攝像機(jī)監(jiān)測等(表 4)。早期建設(shè)的魚道如湖南洋塘魚道和安徽裕溪閘魚道的監(jiān)測工作比較具體,監(jiān)測指標(biāo)包括種類、數(shù)量、規(guī)格、年度/不同季節(jié)/晝夜過魚規(guī)律等。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果,洋塘魚道每年進(jìn)行5 000 h的過魚效果監(jiān)測,每年通過種類約有45種,通過數(shù)量超過580 000尾[38, 47]。近期的魚道監(jiān)測涌現(xiàn)了不少新的方法和監(jiān)測指標(biāo),如崔家營魚道采用了聲學(xué)監(jiān)測;長洲魚道測定了魚道水力流場、魚道入口吸引效果、池室通過性、出口效率等指標(biāo),但這些監(jiān)測中沒有統(tǒng)一的監(jiān)測方法與指標(biāo)。同時(shí),由于國內(nèi)魚道效果監(jiān)測時(shí)間持續(xù)短、監(jiān)測方法使用有限,所有過魚效果監(jiān)測均未評估魚道過魚效率和對大壩上下游關(guān)鍵物種資源的補(bǔ)充效果。

表4 國內(nèi)魚道主要監(jiān)測方法

3 結(jié)論及展望

通過國內(nèi)外過魚設(shè)施運(yùn)行效果監(jiān)測評估方法的回顧發(fā)現(xiàn):國內(nèi)外均開展了大量的研究與實(shí)踐探索,一定程度上改善了河流聯(lián)通性,在洄游性魚類資源量恢復(fù)方面取得一定效果;國際上尚未建立系統(tǒng)科學(xué)的過魚設(shè)施運(yùn)行效果評估方法,我國大多數(shù)過魚設(shè)施處于剛剛建設(shè)完成的初步運(yùn)行階段,在運(yùn)行過程中大多還未開展過魚設(shè)施運(yùn)行效果監(jiān)測和評估,需要進(jìn)一步的監(jiān)測才可開展有效性驗(yàn)證。我國魚類種類數(shù)量多、空間跨度大、江河生態(tài)環(huán)境差異顯著,長期以來,我國水生生物基礎(chǔ)研究相對薄弱,魚類生態(tài)習(xí)性研究和生境監(jiān)測相對匱乏。隨著河流開發(fā)理念的轉(zhuǎn)變和國家對環(huán)保的重視不斷提高,未來河流筑壩開發(fā)和管理過程中需更加合理的考慮布置過魚設(shè)施,針對主要洄游性魚類分布河段和魚類洄游特性,因地制宜地開展過魚設(shè)施設(shè)計(jì),尤其針對高壩大庫的過魚設(shè)施建設(shè),應(yīng)更加有針對性地確定過魚設(shè)施類型,保障魚類洄游通道和連通性。同時(shí),在工程建設(shè)完成后適時(shí)開展過魚設(shè)施監(jiān)測和運(yùn)行效果評估,不斷優(yōu)化過魚設(shè)施與工程主體運(yùn)行管理方式,加強(qiáng)過魚設(shè)施監(jiān)測評估方法的基礎(chǔ)研究,盡早規(guī)范我國過魚設(shè)施運(yùn)行效果監(jiān)測方法,出臺(tái)運(yùn)行效果監(jiān)測評估技術(shù)規(guī)范以指導(dǎo)實(shí)踐工作,確保過魚設(shè)施真正發(fā)揮實(shí)際作用。

過魚設(shè)施作為河流連通性保持和恢復(fù)的重要措施之一,除了本身特定的多目標(biāo)過魚任務(wù)外,還要維持上下游河流的連通性和連續(xù)性,保障河流的生態(tài)完整性。因此,評價(jià)其運(yùn)行效果,應(yīng)首先從河流上下游魚類種群資源的連通性和完整性,從降河洄游與溯河洄游兩個(gè)方面評價(jià)對洄游性魚類的保護(hù)效果,在目前以過魚設(shè)施上行過魚效果評估為主的現(xiàn)狀下,還應(yīng)加強(qiáng)對下行過魚效果評估方法的研究。在保障實(shí)現(xiàn)過魚設(shè)施設(shè)計(jì)目標(biāo)的前提下,開展過魚設(shè)施對保持水生生態(tài)完整性、水生生物完整性、河流連通性和連續(xù)性等多個(gè)方面的研究,全面評價(jià)過魚設(shè)施的運(yùn)行效果。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行效果評估結(jié)果,改進(jìn)設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理方式,從更好地維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康的角度,推進(jìn)針對不同壩高和不同工程類型的過魚設(shè)施設(shè)計(jì)研究,推進(jìn)過魚設(shè)施建設(shè)和運(yùn)行。