中國過魚設施數(shù)據(jù)庫框架設計初步研究

陳 昂 溫靜雅 王鵬遠

(1.長江生態(tài)環(huán)保集團有限公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430062；2.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；3.中國長江三峽集團有限公司環(huán)境保護部，北京 100038)

1 概 述

河流筑壩開發(fā)的阻隔作用影響了河流連通性和魚類洄游通道，導致河流生態(tài)系統(tǒng)退化、魚類洄游通道受阻和魚類棲息地破碎化等問題，同時，影響了洄游性魚類的生活史過程[1]。高壩對洄游性魚類的阻隔影響更為顯著，可能形成物理隔離導致魚類遺傳多樣性的喪失，進而影響魚類種群資源。阻隔對洄游性魚類的影響包括：阻斷洄游通道，魚類棲息地破碎化，影響水文、水溫、凌情、地形、水質(zhì)等基本要素，捕食風險增加等[2]。洄游性魚類在不同生活史階段具有不同的棲息地條件要求[3-4]，流量、溫度、水質(zhì)要素變化及棲息地退化等都是影響洄游性魚類棲息條件的主要因素。人類活動對河流的阻隔導致世界許多地區(qū)的洄游性魚類種群數(shù)量嚴重下降，部分種群已瀕臨滅絕[5]。

過魚設施是幫助魚類洄游通過河流阻隔的通道，為了恢復河流的連通性、減緩大壩阻隔對魚類的影響，通常需要同步建設魚梯、魚道等過魚設施，實現(xiàn)魚類的溯河和降河洄游，恢復魚類棲息地和河流生態(tài)系統(tǒng)的連通性。世界上現(xiàn)存最早的過魚設施是300年前法國建設的魚道，1909年比利時科學家丹尼爾以科學實驗為基礎設計了第一個魚道。20世紀30年代后期，過魚設施得到進一步發(fā)展，美國哥倫比亞河上的邦納維爾大壩建設了魚道，通過將工程設計和魚類生物學相結(jié)合，增加了對誘魚水流條件的考慮。加拿大的過魚設施比較有代表性，例如1945年在不列顛哥倫比亞省弗雷澤河(Fraser River)建造的保障鮭魚洄游的垂直豎縫式魚道。目前，已有研究在魚道設計方面開展了較多探索[6]，但是針對不同魚類的過魚有效性評價方面研究較少，過魚設施有效性評價的文章僅檢索到96篇[7]，其中以鮭魚為過魚目標的設計研究占58%。過魚有效性一般采用魚類是否能夠通過過魚設施洄游到上游進行評價，由于缺乏設計目標物種通過的有效信息，難以判定設計的有效性和合理性，設計有效性評價相對較少，導致難以確定不同魚類的最佳過魚設施類型及運行方案[8]，例如1997年通過對玻璃梭鱸(Sander vitreus)進行標記評估丹尼爾式魚道的過魚效果，發(fā)現(xiàn)過魚效果較差，玻璃梭鱸并不能發(fā)現(xiàn)和通過魚道。這種問題在其他魚道中同樣存在，需要通過長期的運行優(yōu)化才能改進過魚效果，建立統(tǒng)一的過魚設施數(shù)據(jù)庫，納入所有的魚道工程信息和魚類信息，可為未來過魚設施的建設和運行提供信息支撐。

中國正處于河流開發(fā)高峰期，筑壩開發(fā)對河流產(chǎn)生了不同程度的阻隔。隨著環(huán)境保護要求的不斷提高，在河流開發(fā)的魚類保護方面，提出了充分論證過魚方式、認真落實過魚措施的具體要求，以及加強建設項目事中事后監(jiān)管的管理辦法。但是相關(guān)管理中的技術(shù)支撐方面相對薄弱，尚未建立過魚設施運行效果評估的科學方法體系，僅有少數(shù)魚道開展了探索性的運行效果研究。另外，還未建立能夠支撐事中事后監(jiān)管的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，也是影響過魚設施運行效果評估與改進的制約性因素。過魚設施運行效果需要在長期監(jiān)測和大量數(shù)據(jù)積累的基礎上開展評估，但目前大多數(shù)國家尚未建立系統(tǒng)的過魚設施管理體系和監(jiān)測數(shù)據(jù)管理體系。2009年加拿大漁業(yè)部發(fā)起了CanFishPass項目，建立了世界上首個國家層面的過魚設施數(shù)據(jù)庫，為加拿大過魚設施運行效果評估提供了技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)支撐，也為其他國家和全球過魚設施數(shù)據(jù)庫的建設提供了參考。中國在魚類分布數(shù)據(jù)庫、過魚設施數(shù)據(jù)庫方面已開展了初步探索，例如，基于GIS技術(shù)的中國內(nèi)陸魚類物種多樣性及特有種和瀕危種的分布格局、以魚道為主的中國過魚設施典型案例集[9-10]。綜合來看，中國還未開始國家層面過魚設施數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)建設，過魚設施監(jiān)測缺乏全過程的考慮，亟需從設計之初就考慮過魚設施及其運行監(jiān)測數(shù)據(jù)管理，進一步完善數(shù)據(jù)庫建設。

根據(jù)文獻調(diào)研成果，結(jié)合中國過魚設施設計與運行管理的關(guān)鍵問題，本文提出了中國過魚設施數(shù)據(jù)庫的框架和設計方案，提出了加強過魚設施數(shù)據(jù)庫建設和研究的建議，可為完善過魚設施的運行管理和有效性評估提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)準備與處理

中國過魚設施數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)來源主要是通過百度、中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)知識服務平臺、Web of Science等搜索引擎檢索過魚設施相關(guān)的期刊論文、研究報告和新聞報道等內(nèi)容，提取關(guān)鍵指標的相關(guān)信息。通過對文獻中的過魚設施名稱、類型、地理位置、目標過魚物種、建設時間、運行方式和是否開展了有效性評價等關(guān)鍵信息進行提取，采用分類匯總統(tǒng)計的方法，將數(shù)據(jù)字段統(tǒng)一整理到Excel表格中，作為數(shù)據(jù)庫開發(fā)的基礎。確定過魚設施類型是數(shù)據(jù)庫設計的關(guān)鍵，根據(jù)文獻調(diào)研結(jié)果，過魚設施類型主要包括魚道(豎縫式魚道、丹尼爾式魚道、池堰式魚道)、魚梯、升魚機、集運魚船等。

2.2 結(jié)構(gòu)框架設計

過魚設施相關(guān)信息涉及目標魚類、過魚設施所在河流、過魚設施所屬工程等多種類型，不同信息字段存在交叉與重復，提高關(guān)系數(shù)據(jù)庫的完整性可有效減低數(shù)據(jù)冗余和數(shù)據(jù)不一致的概率，較好建立實體與實體之間的聯(lián)系，同時其二維表結(jié)構(gòu)也便于使用者的操作和理解，因此本文基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型開發(fā)設計中國過魚設施數(shù)據(jù)庫。

數(shù)據(jù)庫采用Microsoft Access設計，由三個獨立的數(shù)據(jù)表構(gòu)成，包括過魚設施數(shù)據(jù)表、過魚種類數(shù)據(jù)表和參考文獻數(shù)據(jù)表，三個數(shù)據(jù)表的主鍵分別是過魚設施數(shù)據(jù)表的工程名稱、過魚種類數(shù)據(jù)表的魚類ID和參考文獻數(shù)據(jù)表的參考文獻ID(見圖1)。通過關(guān)聯(lián)過魚設施數(shù)據(jù)表、過魚種類數(shù)據(jù)表和參考文獻數(shù)據(jù)表，可實現(xiàn)多級查詢生成來自三個數(shù)據(jù)表字段信息的結(jié)果，通過在數(shù)據(jù)庫中檢索關(guān)鍵字段可以創(chuàng)建信息報表。

圖1 中國過魚設施數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)框架

3 數(shù)據(jù)庫開發(fā)設計

3.1 過魚設施數(shù)據(jù)表設計

過魚設施數(shù)據(jù)表存儲了過魚設施的標識信息、地理位置、工程屬性、設計參數(shù)和運行情況等信息，共49個可用數(shù)據(jù)字段(見表1)。標識信息中的“工程名稱”是過魚設施數(shù)據(jù)表的唯一字段，指大壩或其他類型阻隔的名稱，類型主要包括魚道(豎縫式魚道、丹尼爾式魚道、池堰式魚道)、魚梯、升魚機、集運魚船等，不在這些類型內(nèi)的過魚設施類型定義為“其他”。魚類ID和參考文獻ID分別鏈接過魚物種數(shù)據(jù)表和參考文獻數(shù)據(jù)表。除了上述信息，數(shù)據(jù)表設計了備注信息，包括工程說明、操作說明和照片，“照片”字段鏈接了每個過魚設施的圖片信息，包括從外觀到內(nèi)部的工程示意圖、設計圖等信息。

表1 過魚設施數(shù)據(jù)表內(nèi)容

續(xù)表

3.2 過魚種類數(shù)據(jù)表設計

過魚種類數(shù)據(jù)表包含標識信息和目標物種的種類信息等內(nèi)容，共10個可用數(shù)據(jù)字段(見表2)。魚類ID是指在中國內(nèi)陸發(fā)現(xiàn)的每種魚類的唯一編號，常見物種及相關(guān)信息通過查閱朱松泉的《中國淡水魚類檢索》(1995)、中國淡水魚類物種鑒別專業(yè)數(shù)據(jù)庫、魚類網(wǎng)(http://fish.sppchina.com/)、FishBase世界魚類數(shù)據(jù)庫(https://www.fishbase.cn)等確定，并編入“過魚種類數(shù)據(jù)表”中。

表2 過魚種類數(shù)據(jù)

3.3 參考文獻數(shù)據(jù)表設計

參考文獻數(shù)據(jù)表包含從多種渠道獲得的信息，主要包括標識信息和魚類信息等內(nèi)容，共24個可用數(shù)據(jù)字段(見表3)。標識信息的參考文獻ID設定唯一的ID值，對每種魚類制定單獨的數(shù)據(jù)條目信息，并鏈接過魚種類數(shù)據(jù)表的魚類ID唯一編號，魚類信息包括目標物種的學名、俗名、可通過目標物種的尺寸范圍等內(nèi)容。

表3 參考文獻數(shù)據(jù)表內(nèi)容

4 結(jié)論與展望

本文建立了中國過魚設施數(shù)據(jù)庫的框架和設計方案，數(shù)據(jù)庫可為過魚設施管理提供數(shù)據(jù)和案例支撐，對改進過魚設施設計、開展過魚設施有效性評估具有重要作用。未來研究中仍需進一步完善數(shù)據(jù)庫的相關(guān)指標、完善過魚設施相關(guān)信息管理系統(tǒng)的建設，加強過魚設施運行效果的評估與監(jiān)測。