基于魚類集群及上溯通道分析的魚道進口位置論證

文 典，李洪澤，王曉剛，黃涌增，祝 龍

(1. 中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司, 四川 成都 610072； 2. 南京水利科學研究院, 江蘇 南京 210029)

魚道由進魚口、過魚池、休息池、出魚口等構(gòu)成，進魚口向河道的沖泄水流誘導魚類尋找到進魚口并游入魚道。與寬闊河道相比，魚道通常是較小的結(jié)構(gòu)，寬度一般在5 m之內(nèi)，往往具有“針眼”的特點，對于大江大河尤其明顯[1]。因此，選取合適的魚道進口位置，是確保魚類能夠輕松找到進口并進入魚道的關(guān)鍵，對魚道工程的效用發(fā)揮具有至關(guān)重要的意義。

根據(jù)魚類壩下上溯規(guī)律，魚道進口的選擇一般考慮以下幾個方面：（1）經(jīng)常有水流下泄的地方，盡可能靠近魚類能上溯到達的最前沿[2]；（2）進口前水流不應有漩渦、水躍，進口下泄水流應使魚類易于分辨和發(fā)現(xiàn)[3]；（3）選擇水質(zhì)新鮮、肥沃的水域，避開泥沙易淤積區(qū)及有油污、化學性污染和漂浮物的水域；（4）魚道進口的布置和設(shè)計需要協(xié)調(diào)好電站尾水與魚道水流之間的關(guān)系，使魚道水流與河道主流平順銜接，并消除進口處的水流障礙，必要時增加額外的誘魚水流來吸引魚類[4]；（5）進口不能超過河床太高，應與河床平順銜接；（6）進口應能適應擬定過魚對象對水流的要求及運行水位變化范圍。

魚道進魚口的選點與布置型式，主要通過樞紐整體模型試驗結(jié)合數(shù)學模型模擬研究進行選取。根據(jù)試驗與模擬結(jié)果確定魚道與其他各建筑物之間的相互關(guān)系，分析主要過魚季節(jié)樞紐不同調(diào)度方式下的魚道進、出口水流條件，確定魚道在樞紐中的整體布置，從而提出滿足從壩下到魚道進口有大于感應流速、小于魚類極限流速的上溯通道及進魚口型式。如Baek等[5]采用二維水流輸沙數(shù)值模型，揭示魚道進口附近流場結(jié)構(gòu)和沖淤特性，驗證了魚道進口布置的合理性；Andersson等[6]采取水力學模擬措施，研究水電站下游流場結(jié)構(gòu)對洄游魚類的影響，對魚道進口位置的布置進行論證；李丹丹等[7]利用水工模型分析水庫大壩上下游流場，結(jié)合地形條件，設(shè)計魚道進出口、坡度等；史斌等[8]通過物理模型試驗，結(jié)合當?shù)佤~類生活習性、建筑物布置特點等，提出魚道進口布置型式?？梢?，先前的魚道進魚口布置位置主要依據(jù)水力學研究結(jié)果確定，隨著水聲學技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究輔以魚類集群分布，為進魚口位置的確定提供支持[9-10]。但對魚類從壩下河段上溯到魚道進口區(qū)域的上溯通道研究尚不多見；且受限于試驗條件，前期的研究往往難以將魚類集群特征和水流條件同步測量并分析。本文基于大渡河龔嘴水電站壩下魚類集群特征的水聲學觀測與壩下水流條件同步觀測，分析電站壩下河段魚類的上溯通道分布，進而提出了龔嘴水電站魚道進口布置位置方案。研究結(jié)果對類似工程合理確定魚道進魚口位置具有一定的參考意義。

1 魚類集群特征及壩下水流條件現(xiàn)場觀測方法

1.1 魚類集群特征現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

采取走航和定點觀測的方法進行魚類水聲學觀測。觀測內(nèi)容包括：壩下魚類資源豐度、空間分布及上溯集群特征情況。在3—5月，采用Simrad EK80回聲魚類探測儀，利用船載走航進行“Z”字型高密度探測，探測范圍為壩下1.5 km的區(qū)域。探測過程中，換能器入水深至少0.5 m，橫向走航間距控制在20 m以內(nèi)，平均航速控制在10 km/h以下。根據(jù)現(xiàn)場河道狀況和信號質(zhì)量，選擇合適的主采樣功率和脈沖持續(xù)時為128 μs。數(shù)據(jù)采集過程中，采用Garmin公司生產(chǎn)的GPS60CS進行導航，便捷式電腦進行聲學數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)的同步存儲。

1.2 壩下水流條件現(xiàn)場觀測

采用走航式聲學多普勒流速剖面儀（ADCP，型號：RiverRay，產(chǎn)地：美國）對典型棲息地的水深、流速、河道形態(tài)等參數(shù)進行觀測。RiverRay走航式ADCP可根據(jù)厘米級高精度GPS定位系統(tǒng)，記錄船只航跡；每0.5 s記錄航線相應點位0.45～30.00 m水深范圍內(nèi)不同深度水層的流速與流向；相鄰水層距離為0.2 m。ADCP具有流場擾動小、分辨率高、測驗歷時短、測速范圍大、精度高等優(yōu)點，且體積小、易于攜帶，已被廣泛應用于河流、湖泊、水庫等水體的流場結(jié)構(gòu)觀測。

1.3 水聲學數(shù)據(jù)處理與魚類密度分析

本研究針對龔嘴水電站壩下500～2 000 m河段開展水聲學觀測。由于壩下河段水流流速較大，紊動強度較高，河流水體表面、江底、氣泡、行船等產(chǎn)生的噪聲及浮游生物等散射體均會對水聲學探測精度造成影響，再加之探測過程中聲學“盲區(qū)”的存在，需對水聲學數(shù)據(jù)進行篩選，以提高評估結(jié)果的可靠性和準確性。水面下1.0 m至河流底部上方0.5 m水深范圍，能夠有效規(guī)避江面、江底、行船噪聲及聲學“盲區(qū)”對探測精度的影響。因此，本研究采用水聲學探測數(shù)據(jù)分析軟件 Echoview，選取水面下1.0 m至河流底部上方0.5 m之間的水聲學數(shù)據(jù)進行處理和分析，并將體積散射強度和目標強度回波映像中的最小閾值設(shè)為-60 dB，最大波束補償設(shè)為10 dB，以削減浮游生物等散射體對探測精度的影響。

在單體目標追蹤過程中，一個魚類信號的追蹤完成必需由至少3個單目標信號組成，且各目標信號之間的最大采樣間隔不超過2。單個體目標強度值（Target strength,ST）和體長換算采用謝曉等[11]提出的經(jīng)驗公式：

式中：ST為目標強度（dB）；L為魚體體長（cm）。

利用回波計數(shù)法計算魚類密度。通過聲學波束對水體空間進行掃描，在空間內(nèi)部進行個體回波計數(shù)，根據(jù)波束擴展采樣角度計算掃描水域的體積，通過回波信號數(shù)量與掃描水體空間體積之比，獲得該范圍內(nèi)的魚類平均分布密度，計算式如下：

式中：ρv為魚類密度（ind/ m3）；Et為掃描水體的回聲信號數(shù)量；Vp為每次采樣掃描的水體體積（m3）；n為換能器的采樣次數(shù)。

采用資源密度面積法，將觀測河段劃分為若干個觀測層區(qū)，單獨計算各小區(qū)的水體體積及魚類平均密度。魚類資源量估算如下：

式中：B為魚類資源量（ind）；ρi為第i個區(qū)域魚類平均密度（ind/m3）；Vi為第i個區(qū)域水體體積（m3）。

對于不同探測區(qū)域的魚類空間分布特征，采用ArcGIS 10.2軟件進行空間分布的建模。將計算出的各單元魚類密度、各區(qū)域的平均水深，各單元航段中心坐標數(shù)據(jù)導入ArcGIS平臺，采用反距離加權(quán)插值法繪制壩下魚類密度水平分布圖。

1.4 觀測范圍及龔嘴水電站運行情況

為掌握龔嘴水電站壩下流場及魚類集群特征，于2021年4月27—28日對龔嘴壩下長約2 km的河段進行了水聲學走航探測。本研究探測區(qū)域如圖1所示。探測區(qū)域覆蓋了大部分過魚對象上溯的必經(jīng)通道，且探測區(qū)域所在河段為過魚對象主要的群聚區(qū)域。

圖1 龔嘴水電站壩下探測區(qū)域Fig. 1 Detection area under the dam of Gongzui Hydropower Station

2021年4月27—28日不同時刻龔嘴水電站運行工況如表1所示。

表1 觀測時段內(nèi)電站運行工況Tab. 1 Operating conditions of the power station during the observation period

2 結(jié)果與分析

2.1 龔嘴水電站壩下魚類集群特征

龔嘴水電站壩下河段的主要過魚對象為：長薄鰍、長鰭吻鮈、齊口裂腹魚、重口裂腹魚、四川白甲魚、青石爬鮡、裸體異鰾鰍鮀和蛇鮈等。魚道主要過魚時間為每年的3—9月。主要過魚對象的游泳能力測試資料顯示，流速0.1～1.2 m/s范圍內(nèi)能夠滿足其上溯需求。

使用水聲學方法在龔嘴水電站壩下進行魚類集群分布觀測，掃描數(shù)據(jù)回放顯示，回聲探測圖圖像雜噪音較大，經(jīng)過降噪及雜質(zhì)去除后可以清晰觀測魚類反射信號，河底反射信號清晰。同時探測結(jié)果還表明，探測區(qū)域地形略有起伏，水深分布較為均勻，整體較淺；探測過程中發(fā)現(xiàn)魚類較少以個體形式進行活動，魚類集群現(xiàn)象居多。

2.1.1 壩下魚類垂直分布 研究期間龔嘴水電站下游河段魚類單體目標強度值（ST）關(guān)于水深的分布如圖2所示。由圖2可知，此次探測樣帶12.0 m，魚體反射信號的平均水深8.02 m；共獲取單體目標TS值106個，分布范圍為水深1.15～11.62 m；4.7%的魚類反射信號位于0～4 m水深范圍內(nèi)，38.7%集中在4～8 m水深范圍，56.6%位于8～12 m水深范圍內(nèi)，說明研究河段的魚類主要分布在水體中下層，與該河段魚類實際分布情況相吻合。

圖2 ST值關(guān)于深度的分布Fig. 2 Distribution of ST values with resepect to depth

2.1.2 壩下魚群水平分布 龔嘴水電站壩下魚類密度GIS 水平分布見圖3。由圖3可知，龔嘴水電站壩下探測范圍內(nèi)，探測魚類密度觀測區(qū)域魚類平均密度為0.310 ind/m2；觀測水域水深較淺，魚類大多分布在中下層，探測到的魚類目標有90.56%分布在水深5 m以下水域（不代表淺水區(qū)域沒有魚類分布）；大部分魚類分布在壩下500～1 500 m河段范圍內(nèi)，電站尾水渠附近水域也存在一定規(guī)模的魚類集群；魚群密度最高的區(qū)域為壩下約500 m靠近河道右岸水域（0.115～0.700 ind/m2）；壩下500～1 500 m河段魚群密度為0.085～0.115 ind/m2，且魚群在該區(qū)域內(nèi)水平分布范圍較廣，河段大部分魚類都集中在該河段范圍內(nèi)；壩下1 500～2 000 m河段僅有少數(shù)幾個魚類集群信號，魚群密度較小，主要分布在左岸和河道中泓線附近。

圖3 龔嘴水電站壩下魚群水平分布Fig. 3 Horizontal distribution of fish under the dam of Gongzui Hydropower Station

2.2 龔嘴水電站魚類上溯通道分析

選取4月27日12:00 至13:00運行工況下的水深、流速觀測結(jié)果，分析壩下河段流場結(jié)果特性。該工況為過魚季節(jié)（3—9月）龔嘴水電站典型運行工況，多數(shù)時段電站運行工況接近該工況。且該工況流量較大，對應的流速也較大，基于流速的上溯通道分析成果偏保守。龔嘴水電站壩下河段水深分布見圖4，典型斷面形狀及流速分布見圖5。由圖4和5可知，河道整體呈“V”字形，底部狹窄，礁石較多，由于表層流速大，根據(jù)表層流速推求的魚類上溯通道更加保守，因此本文僅分析表層流速分布情況。

圖4 龔嘴水電站壩下河段水深分布（2021-04-27T12:00—13:00）Fig. 4 Water depth distribution in the downstream of Gongzui Hydropower Station (2021-04-27T12:00—13:00)

圖5 斷面1、2形狀及斷面流速分布等值線（單位：m/s）Fig. 5 The shape and contour map of velocity of section 1 and section 2 (unit: m/s)

研究河段表層流速分布云圖與流速矢量圖分別見圖6和7。由圖6和7可知，壩下河段流速主要分布在0.5～3.0 m/s，研究河段上游河道中泓線深度10～15 m，流速2.5～3.5 m/s；研究河段中下游大部分區(qū)域水深5～10 m，流速1～2 m/s。研究河段上游區(qū)域由于河道水深相對較大，河道寬度相對狹窄，過水斷面偏小，流速相對下游較大。

圖6 龔嘴水電站壩下河段表層流速分布云圖（2021-04-27T12:00—13:00）Fig. 6 Nephogram of surface velocity distribution in the downstream of Gongzui Hydropower Station (2021-04-27T12:00—13:00)

圖7 龔嘴水電站壩下河段表層流速矢量圖（2021-04-27T12:00—13:00）Fig. 7 Surface velocity vector diagram of downstream of dam of Gongzui Hydropower Station(2021-04-27T12:00—13:00)

目標魚類在水流流速0.1～1.2 m/s范圍內(nèi)能夠感應上溯，并具有持續(xù)游泳能力。如圖8所示，圖示色帶區(qū)域表示水流流速在0.1～1.2 m/s之間的流速區(qū)域（其他流速區(qū)域不顯示），即流速滿足魚類上溯條件的區(qū)域（魚類可上溯通道）。可見，壩下河道左右岸存在足夠?qū)挾鹊聂~類上溯通道。值得一提的是，圖8顯示在研究河段北緯29.290°～29.292°范圍內(nèi)，河道存在橫跨整個河寬的流速適宜區(qū)域（紅圈處），結(jié)合圖9的魚類集群水平分布圖對比可知，此處確實存在魚類聚集現(xiàn)象（圖9紅圈處）。水力學監(jiān)測結(jié)果與水聲學觀測結(jié)果比較接近，說明提取的魚類可上溯通道較符合河段魚類的實際上溯與聚集情況。

圖8 龔嘴水電站壩下河段表層魚類上溯通道 （紅圈內(nèi)為流速滿足魚類適宜性條件且魚類水聲學觀測結(jié)果中魚類聚集規(guī)模較大的區(qū)域）Fig. 8 Surface fish upstream channel in the downstream of the dam of Gongzui Hydropower Station (The red circle is the area where the flow velocity meets the fish suiability conditions and the fish assemble scale is large in the fish hydroacoustic investigation results)

由圖9可知，在龔嘴壩下500～2 000 m河段魚群分布密度總體上呈現(xiàn)從下游到上游逐漸增大的趨勢，這說明在該流速條件下，魚類表現(xiàn)出較明顯的趨流特性；而在壩下0～500 m范圍內(nèi)的河段，魚群主要分布在靠近兩岸的水域，且各魚群的密度相差不大，魚群未表現(xiàn)出明顯的趨流性。

圖9 龔嘴水電站壩下河段魚群水平分布（紅圈內(nèi)為流速滿足魚類適宜性條件且魚類水聲學觀測結(jié)果中魚類聚集規(guī)模較大的區(qū)域）Fig. 9 Horizontal distribution of fish under the dam of Gongzui Hydropower Station (The red circle is the area where the flow velocity meets the fish suiability conditions and the fish assemble scale is large in the fish hydroacoustic investigation results)

2.3 龔嘴水電站魚道進口位置建議

根據(jù)進口位置選擇原則、類似工程運行經(jīng)驗及龔嘴水電站建筑特點，綜合考慮魚類生態(tài)習性和集群分布特點，對龔嘴水電站的魚道進口布置提出以下建議：

（1）根據(jù)魚類資源觀測和水聲學觀測結(jié)果，建議龔嘴水電站魚道進口布置在壩下兩側(cè)河岸地帶。其中1#區(qū)域內(nèi)魚類聚集現(xiàn)象較為明顯，2#和3#位點位于近壩區(qū)域，處于該河段魚類洄游末端位置，亦可為魚道進魚口位置（見圖10）。

圖10 龔嘴水電站魚道進口位置推薦Fig. 10 Recommended layout of fishway entrance of Gongzui Hydropower Station

（2）依據(jù)壩下河段流速場分布觀測結(jié)果，同樣建議龔嘴水電站魚道進口布置在壩下兩側(cè)河岸地帶。其中1#區(qū)域流速范圍為0.5～1.5 m/s，滿足魚類的上溯洄游需求；2#和3#位點位于近壩區(qū)域，且水深較淺，水流湍急，岸邊魚類上溯通道較窄，湍急的水流對魚類洄游上溯產(chǎn)生一定的“流速屏障”，如在此位置設(shè)置魚道進口，建議疏通河道，減緩流速。

3 結(jié) 語

通過魚類集群特征及壩下水流條件現(xiàn)場觀測，提出了基于魚類集群分布及魚類上溯通道的魚道進魚口布置建議，主要結(jié)論如下：

（1）大渡河龔嘴水電站壩下河段魚類主要分布于河流中下層；水平方向上魚群主要集中于研究河段的中上游段。

（2）龔嘴水電站壩下河段魚類上溯通道主要分布于河道兩側(cè)河岸附近水域，且在河段北緯29.290°～29.292°、29.285°～29.286°范圍內(nèi)，存在橫跨整個橫斷面的流速適宜區(qū)域。

（3）綜合魚類集群分布和流速分布特征，推薦了1#～3#共3個區(qū)域作為龔嘴水電站魚道進魚口的備選位置，其中1#區(qū)域流速范圍為0.5～1.5 m/s，滿足魚類的上溯洄游需求；2#和3#位點位于近壩區(qū)域，水深較淺，水流湍急，如在該位置設(shè)置魚道進口，建議疏通河道，減緩流速。