西藏部分水利設(shè)施的魚道設(shè)計及魚道監(jiān)測技術(shù)分析*

鄧希 呂琳莉 胡建生 馮春平

1.西藏農(nóng)牧學(xué)院水利土木工程學(xué)院；2.國家能源集團西藏尼洋河流域水電開發(fā)有限公司，西藏 林芝 860000

修建大壩會直接影響到河流中魚類的洄游，從而影響到該河流的生態(tài)。根據(jù)水利水電工程建設(shè)項目環(huán)境保護要求，在水利水電工程開發(fā)的同時應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)備相應(yīng)的生態(tài)保護措施［1］，建設(shè)魚道就是措施之一。魚道能減輕大壩對河流的隔離影響，促進魚類的洄游，對生態(tài)保護發(fā)揮著重要作用。魚道監(jiān)測是評價魚道運行效果的手段，魚道監(jiān)測可以了解到魚類的洄游情況、總體的過魚效率等信息，進而對魚道進行優(yōu)化，使得原本受影響的河流生態(tài)恢復(fù)程度提高。目前西藏的魚道大都采用的是豎縫式設(shè)計，采用視頻監(jiān)控、紅外線和水聲學(xué)等魚道監(jiān)測方法。

1 魚道設(shè)計發(fā)展概況

1.1 國內(nèi)外魚道發(fā)展概況

魚道這一概念首先是由17 世紀(jì)60 年代的法國提出的，截至到目前，巴西已建成超過50座魚道、澳大利亞超過70 座、西班牙超過115 座、英國超過380 座、法國超過500座、日本超過11000座。1909年，由丹尼爾提出了一種利用擋板降低流速的魚道，后被稱為丹尼爾式魚道。1938 年，美國建成了堰流式魚道，它屬于隔板式魚道的一種。1943年，加拿大建成了鬼門峽魚道，開創(chuàng)了豎縫式魚道的先河。1994 年，澳大利亞在原有魚道的基礎(chǔ)上改造出了豎縫式魚道，過魚數(shù)量和種類明顯增加。［10］

國內(nèi)魚道建設(shè)發(fā)展較晚，20 世紀(jì)50 年代我國才開始魚道的建設(shè)，1958 年，我國第一次提出魚道的概念，1960 年、1962 年和1966 年，我國相繼建成了新開流魚道、鯉魚港魚道和斗魚港魚道。到20 世紀(jì)80 年代，我國已建成的魚道約有40座。到21世紀(jì)初，國家更加重視生態(tài)環(huán)境的保護，我國魚道建設(shè)得到大力發(fā)展，設(shè)計水頭從20m 提高到了40 多m，魚道的長度達(dá)到了4km，出現(xiàn)了淹沒孔口式、仿生態(tài)式、涵洞式和組合式等新型魚道。

1.2 西藏部分魚道建設(shè)概況

西藏地處高海拔地區(qū)，魚道建設(shè)起步較晚。目前國內(nèi)外對西藏魚道的研究較少，據(jù)筆者統(tǒng)計，與西藏魚道相關(guān)的文獻共14 篇。西藏自治區(qū)普遍選擇魚道作為過魚設(shè)施。獅泉河水電站地處西藏自治區(qū)阿里地區(qū)噶爾縣境內(nèi)［2］，壩高為32m，壩址海拔約4350m。該處過魚對象的主要過魚季節(jié)為3～6 月，主要過魚對象為橫口裂腹魚和錐吻葉須魚。作為西藏自治區(qū)內(nèi)早期建設(shè)魚道的水電站，國內(nèi)可供參考的魚道建設(shè)經(jīng)驗較少，獅泉河水電站的魚道設(shè)計尚未規(guī)范。魚道采用導(dǎo)墻式魚道，一共設(shè)有170 個水池，池室長度為3.7m，深度為1.5m，狹縫寬度為0.4m，每10 個池室設(shè)置一個6.625m 的休息池，整體長度為735m。魚道設(shè)有1 個進魚口和1 個出魚口。由于經(jīng)驗的缺失，獅泉河水電站并未設(shè)置用于監(jiān)測過魚效果的魚道監(jiān)測系統(tǒng)。

藏木水電站處于西藏自治區(qū)山南地區(qū)加查縣城上游［3，4］。該水電站處的主要過魚對象為異齒裂腹魚、巨須裂腹魚和拉薩裂腹魚，兼顧過魚對象為尖裸鯉、雙須葉須魚、拉薩裂尻魚、黑斑原鮡和黃斑褶鮡，主要過魚季節(jié)為2～10 月。藏木水電站魚道最大水頭67.0m，因此魚道的長度也達(dá)到了驚人的3621.388m。魚道采用的是垂直豎縫式魚道設(shè)計，池室長寬分別為3m 和2.4m，豎縫寬度為0.3m，深度為3.5m，魚道中每上升4.5m 高程設(shè)置一個休息池，共10 個休息池。魚道設(shè)有3個進魚口和4個出魚口。采用了視頻監(jiān)控的魚道監(jiān)測方法。

湘河水利工程地處西藏自治區(qū)日喀則市南木林縣境內(nèi)［5］。該處的主要過魚對象可分為兩大類群：鯉科的裂腹魚亞科和鰍科的條鰍亞科，其中包括9 種土著魚，4 種外來魚種。湘河水利工程的主要過魚季節(jié)為6～8 月份。湘河水利樞紐魚道的最大水頭達(dá)45.8m，魚道總長度約1968.2m。魚道采用了垂直豎縫式設(shè)計，池室長寬分別為2.3m 和2.0m，深度為1.2m，豎縫寬度為0.2m，魚道中每隔18 個池室設(shè)置一個5～6m 長的休息池。魚道設(shè)有2 個進魚口和4 個出魚口。采用了視頻監(jiān)控的魚道監(jiān)測方法。

多布水電站處于西藏自治區(qū)林芝市境內(nèi)［6］。該水電站處的主要過魚對象為拉薩裸裂尻魚、異齒裂腹魚、拉薩裂腹魚、巨須裂腹魚和雙須葉須魚，主要過魚季節(jié)為3～6 月。多布水電站魚道最大水頭約21m，魚道全場為1100.46m。魚道采用豎縫式設(shè)計，池室長寬分別為2.5m 和2m，深度為2.5m，豎縫寬度為0.3m。魚道在轉(zhuǎn)彎處共設(shè)置7 個休息池，在較長直段處設(shè)置共計2 個休息池，休息池長寬分別為5m和2m。魚道設(shè)有2 個進魚口和2 個出魚口。采用了視頻監(jiān)控、紅外線監(jiān)測和水聲學(xué)監(jiān)測的魚道監(jiān)測方法。

拉洛水利工程地處西藏自治區(qū)日喀則市薩迦縣境內(nèi)［7］，壩址海拔達(dá)4300m。主要過魚對象為雙須葉須魚、異齒裂腹魚、拉薩裸裂尻魚和拉薩裂腹魚，主要過魚季節(jié)為3～8 月。魚道最大水頭為39.90m，最小水頭為26.49m，全長約2194m。魚道采用豎縫式設(shè)計，整體池室呈現(xiàn)“U”形結(jié)構(gòu)，池室長寬分別為2.5m 和2.0m，深度最大為3.4m，豎縫寬度為0.35m，每20 個池室設(shè)置一個長度為5.0m 的休息池。魚道設(shè)有1 個進魚口和6 個出魚口。由于拉洛水利樞紐位處海拔4000m 的嚴(yán)寒地區(qū)，多年平均溫度為4.8℃，所以魚道設(shè)計采用了C25F200W6 抗凍混凝土，魚道內(nèi)采用了防凍涂料涂抹水位變幅區(qū)域，魚道外基面鋪設(shè)厚度不小于1.5m 的砂卵石。拉洛水利樞紐于2014年6 月9 日開始修建，于2020 年投入使用，目前魚道監(jiān)測系統(tǒng)正在建設(shè)中。西藏部分魚道概況如表1所示。

表1 西藏部分魚道概況

1.3 魚道設(shè)計展望

自2010 年起，國家環(huán)保部、水利部和交通部都陸續(xù)出臺了關(guān)于魚道建設(shè)的相應(yīng)政策和文件，對魚道建設(shè)越來越重視。我國魚類種類數(shù)量多、空間分布廣、江河生態(tài)環(huán)境差異大，針對不同的區(qū)域，所需的魚道是截然不同的。魚道的任務(wù)除了滿足魚類的洄游需求外，還應(yīng)保持河流的連通性、水生態(tài)的完整性、水生生物的完整性。在后續(xù)的魚道建設(shè)中，希望能做到因地制宜，對目標(biāo)區(qū)域的洄游魚類的洄游特性進行調(diào)查研究，包括洄游魚類的年齡段、體長、對光的敏感度、喜好的流速和洄游的時間段等。同時，在工程建設(shè)完成后進行魚道監(jiān)測，不斷優(yōu)化魚道管理方式，提高過魚效率，確保魚道能真正發(fā)揮實際作用，實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境和水利工程共贏的局面。

2 魚道監(jiān)測技術(shù)發(fā)展概況

2.1 國內(nèi)外魚道監(jiān)測技術(shù)發(fā)展概況

魚道監(jiān)測系統(tǒng)的目的是對魚道的運行情況進行監(jiān)測，對魚道的運行情況進行評價。關(guān)于魚道監(jiān)測問題的研究，主要關(guān)注監(jiān)測方法的精準(zhǔn)度和對生態(tài)的影響問題。

國外魚道監(jiān)測技術(shù)發(fā)展較早，已形成了一些相對成熟得方法。目前，國外常用的監(jiān)測技術(shù)主要有物理掛牌標(biāo)記、水聲學(xué)探測、PIT（Passive Integrated Transponder被動整合雷達(dá)標(biāo)）射頻識別、電阻法等。能夠?qū)︳~類數(shù)量、種類、長度、質(zhì)量、年齡段等生物指標(biāo)和水溫、水頭、流量等非生物指標(biāo)進行記錄，對于魚道的運行做出有效評估。方法的選擇主要取決于監(jiān)測指標(biāo)、成本、應(yīng)用價值和學(xué)術(shù)價值等因素。

國內(nèi)魚道監(jiān)測的主要方法有人工觀測、標(biāo)記重捕、攝像機監(jiān)測和水聲學(xué)探測等。1980年在洋塘使用人工觀測和攝像機監(jiān)測法，2011年在長洲使用人工觀測、張網(wǎng)法和水聲學(xué)探測法，2012 年在崔家營使用標(biāo)志重捕和水聲學(xué)探測法。由于魚道監(jiān)測時間持續(xù)短，監(jiān)測方法使用有限，在之前的魚道監(jiān)測中，均未對魚道的運行效果進行有效評估。

2.2 西藏魚道監(jiān)測技術(shù)概況

西藏目前常用的魚道監(jiān)測方法有視頻監(jiān)控法、魚類識別法、標(biāo)記重捕法、水聲學(xué)監(jiān)測、紅外線監(jiān)測等。

2.2.1 視頻監(jiān)控。西藏常用魚道觀察室作為魚道監(jiān)測系統(tǒng)。魚道觀察室設(shè)有攝像機和電腦等設(shè)備，本質(zhì)上是屬于視頻監(jiān)控技術(shù)。通過攝像頭在魚道中捕捉圖像，利用人工計數(shù)得到過魚數(shù)目。視頻監(jiān)控的優(yōu)勢在于成本較低、攝像頭覆蓋面積較廣，弊端在于僅適用于渾濁度低的水體中。

2.2.2 魚類識別。魚類識別是基于深度學(xué)習(xí)的一種魚道監(jiān)測方法，目前西藏自治區(qū)并未大量引入。魚類識別技術(shù)是通過將魚類的某一物理特征作為識別標(biāo)志［8］使用大量數(shù)據(jù)進行模型訓(xùn)練，使計算機在給出圖像中，識別出具有識別標(biāo)志的目標(biāo)。目前使用較多的是將魚類的長度、寬度和長寬比作為識別標(biāo)志，通過大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練能夠識別出圖像中擁有特定特征的目標(biāo)，目前大部分魚類識別技術(shù)的步驟大致為：

（1）投入大量需要識別的目標(biāo)數(shù)據(jù)以供訓(xùn)練模型；

（2）人工篩選魚道監(jiān)控中的有效過魚片段；

（3）將篩選出來的有效過魚片段投入系統(tǒng)中進行識別。

該技術(shù)類似于人臉識別技術(shù)。目前的魚類識別技術(shù)基本還停留在靜態(tài)識別階段，需要事先通過人工去篩選有效過魚片段，再將數(shù)據(jù)傳入計算機系統(tǒng)進行識別。魚類識別技術(shù)的優(yōu)勢在于，水下攝像頭對水體渾濁度的敏感度較低，不需要人工計數(shù)，能夠同時統(tǒng)計數(shù)量和種類。弊端在于成本較高，需要軟件和硬件雙重支持，使用數(shù)據(jù)庫在監(jiān)測前對目標(biāo)魚類進行數(shù)據(jù)采集，無法正確識別數(shù)據(jù)庫以外的魚類。此外，水下攝像頭的精度一定程度上會受到水體渾濁度和亮度的影響。

2.2.3 標(biāo)志重捕。原理是在下游捕撈一定數(shù)量的魚類，并將捕獲的魚類做上標(biāo)記，一定時間后在上游再次進行同樣數(shù)目的魚類捕獲，統(tǒng)計捕獲魚類中的帶標(biāo)記的魚類。標(biāo)志重捕法的優(yōu)勢在于，實驗結(jié)果即過魚效率。PIT射頻識別技術(shù)本質(zhì)上也屬于標(biāo)志重捕的一種，不同的點在于PIT 射頻識別技術(shù)不需要二次捕獲標(biāo)記魚類，通過設(shè)備接收標(biāo)記魚的信號，得到過魚效率。弊端在于，該方法得到的過魚效率具有偶然性且成本較高，需要對魚類進行捕撈并在其身上植入標(biāo)記，會對魚體產(chǎn)生損傷，可能會影響魚類的正常活動。該方法不能用于長時間的魚道監(jiān)測，且在長魚道中使用效果較差，僅適合作為調(diào)查研究使用。

2.2.4 水聲學(xué)監(jiān)測。原理是利用設(shè)備在水下發(fā)射聲波脈沖，聲波脈沖在水下傳播，監(jiān)測到與傳播環(huán)境不同密度的目標(biāo)時反射回發(fā)射機，以此達(dá)到對魚類的計數(shù)［9］。水聲學(xué)監(jiān)測的結(jié)果會受噪音、水深、水流流速、魚類集群等因素影響。水聲學(xué)監(jiān)測的優(yōu)勢在于不受水體渾濁度的影響，監(jiān)測范圍較廣。弊端在于成本較高，無法應(yīng)對魚類集群現(xiàn)象。

2.2.5 紅外線監(jiān)測。原理是在水下安裝設(shè)備，一側(cè)設(shè)置發(fā)射端另一側(cè)設(shè)置接收端，當(dāng)接收端沒有收到發(fā)射端的信號時，計數(shù)加一。紅外線監(jiān)測的結(jié)果會受到亂石、雜物和水生植物少等阻擋物的影響，無法應(yīng)對魚類并排洄游的情況。安裝在水下的設(shè)備，其檢修頻率和更換頻率會提高。紅外線監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢在于，不受水體渾濁度的影響，成本較低。弊端在于，無法區(qū)分魚類和水中雜物，且不能應(yīng)對魚類集群的情況，如表2所示。

表2 西藏魚道監(jiān)測技術(shù)的適用條件及不足處

2.3 魚道監(jiān)測技術(shù)的展望

魚道監(jiān)測的目的是檢驗魚道的運行效果，了解魚道的過魚效率，實質(zhì)上就是確定魚類是否能成功洄游到上游。理論上通過在上游進行仔魚捕獲，記錄數(shù)量和種類也能達(dá)到這一目的。實際上魚類洄游分為生殖洄游、索餌洄游和越冬洄游三種，該方法僅能針對生殖洄游這一種情況，因此，該方法并不實用。

新興的魚類識別技術(shù)，目前大部分還處于靜態(tài)識別的階段，筆者認(rèn)為魚類識別技術(shù)的發(fā)展方向大致應(yīng)從軟件和硬件兩方面出發(fā)：軟件方面是實現(xiàn)動態(tài)識別，即實現(xiàn)實時圖像處理并進行識別；硬件方面需提高水下攝像頭的清晰度并要保證在夜間運作的清晰度，否則魚類識別技術(shù)在渾濁水體中無法正常發(fā)揮作用，在洪水期，魚類識別技術(shù)無法有效對魚道進行監(jiān)測，無法監(jiān)測完整的魚類洄游期。

筆者認(rèn)為，可將水聲學(xué)監(jiān)測技術(shù)和紅外線監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合。兩種方法都不受水體渾濁度影響，魚道監(jiān)測需要在水體渾濁度較高的洪水期進行，該兩種監(jiān)測技術(shù)相較于利用水下攝像頭的魚類識別技術(shù)適用性更好。其中，水聲學(xué)監(jiān)測技術(shù)是以聲吶為基礎(chǔ)的監(jiān)測技術(shù)，在魚群密集通過魚道時無法準(zhǔn)確識別數(shù)量。紅外線監(jiān)測技術(shù)在魚群并排通過魚道時無法準(zhǔn)確識別數(shù)量。將二者結(jié)合，魚道中安裝聲吶的基礎(chǔ)上，在魚道鉛直方向安裝紅外線儀器，紅外線儀器密集排放，從下方發(fā)射，以該處進行洄游魚類的平均寬度作為計量標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)，側(cè)面安裝的紅外線儀器，以該處進行洄游魚類的平均高度作為計量標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)。聲吶計數(shù)將過魚數(shù)量限定在一個較小的范圍之內(nèi)，在魚道下方安裝紅外線儀器應(yīng)對魚群并排洄游的情況，側(cè)面安裝應(yīng)對魚群上下疊層洄游的情況，最后對三者監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)果更趨近實際值。

3 結(jié)論

西藏地處高原地帶，海拔較高，多是河谷地形，已建成的水利設(shè)施多為中、低水頭水電站，升魚機、魚閘等形式的過魚設(shè)施，持續(xù)運作時間短且更適用于水頭較高的水利設(shè)施中，因此，西藏自治區(qū)內(nèi)基本采用魚道作為過魚設(shè)施。魚道監(jiān)測方面，西藏已經(jīng)引入部分國內(nèi)外較為先進的魚道監(jiān)測技術(shù)，包括PIT射頻識別、水聲學(xué)探測和魚類識別等，同時使用魚類識別技術(shù)和水聲學(xué)探測能達(dá)到較好的魚道監(jiān)測效果。針對魚道建設(shè)區(qū)域開展洄游魚類的調(diào)查，能提高魚道的針對性，優(yōu)化魚道設(shè)計建設(shè)，根據(jù)不同的情況選擇合適的魚道監(jiān)測技術(shù)，能提高魚道監(jiān)測的精準(zhǔn)度，改進魚道的運行管理方式，推進魚道設(shè)計建設(shè)發(fā)展。