梁园园,刘德富,石小涛 ,许 勇,王从锋,郑霞忠,白艳勤,罗 佳
(三峡大学三峡库区生态环境教育部工程研究中心,湖北宜昌 443002)
鱼类因生理要求、遗传和外界环境因素等的影响,常常需要进行洄游。然而,兴建在天然河流或人工运河上的许多水利工程如闸(坝)等却将完整的河流截断[1],不仅阻断了鱼类的洄游通道,限制了它们的洄游习性,而且阻隔了坝上下当地鱼类种群的交流,影响了它们的遗传多样性,最终对鱼类的繁殖和生存构成了严重的威胁[2]。
为了保护河流生态系统并适应鱼类的过坝需求,人们在鱼道、鱼闸、升鱼机等固定过鱼设施的基础上,发明了一种活动过鱼设施——集运鱼船[3]。集运鱼船相比于固定过鱼设施,具有机动灵活、造价相对低廉、对枢纽布置无干扰等优点,不仅能够沟通阻隔河段,恢复水生生物交流,而且能够适应鱼群变化规律,实现鱼类的安全过坝。它是对高坝过鱼方式的一次积极探索,对水利工程建设中的水生态保护也意义重大。目前,集运鱼船在世界范围内应用案例尚少,仅见于美国、俄罗斯等少数发达国家,有关研究和应用在我国尚处于起步阶段。因此,集运鱼船在帮助鱼类过坝和恢复生态系统平衡方面的功能有待进一步挖掘。本文仅对集运鱼船的国内外现状作出分析,期待为其后期相关研究和应用提供参考。
集运鱼船即“浮式鱼道”,可移动位置,适应下游流态变化,移至鱼类高度集中的地方诱鱼、集鱼[4]。在具体运行过程中,有时需配合运鱼车的使用。
集运鱼船通常由集鱼船和运鱼船经挂钩前后挂接而成(图1),有时也可通过水下旁路系统连接。二者均为平底船,设有专门的集鱼舱道与补水机组。工作时,集鱼船在适当地点抛锚固定,启开舱道两头闸门,放下接鱼栅,让水流从舱道中流过,并利用补水机组使水流速度增加至0.2~0.3 m/s,促使鱼类游入集鱼舱道。1.5~2.5 h后,进行计数,选鱼,然后提起运鱼舱道网格闸门,把集鱼船所集之鱼驱入运鱼船。两船脱钩后,运鱼船通过船闸过坝卸鱼于上游水域[5]。通常1艘集鱼船需配备2~3艘运鱼船,交替挂接,连续工作。集运鱼船可在鱼群集中的地方,通过改变流速的方式吸引不同的鱼类,其它诱鱼设备如LED水下诱鱼灯、声控诱鱼装置等,也可作为辅助诱鱼措施灵活运用。
图1 集运鱼船示意图Fig.1 Sketch of fish barging
集运鱼船上行过坝,可帮助生殖洄游性鱼类上溯产卵,下行过坝可保护幼鱼[6],避免其受到涡轮机、泄洪道等的损伤。美国运行的集运鱼船主要由屏障网、诱鱼船、水下旁路管道和收集船4个部分组成。屏障网延伸到水库,把鱼定向引入利用出口水流获得额外吸引力的集鱼船。集鱼船下游的2个主泵,将水库中的水通过倾斜的屏引到上游,同时将引流中的鱼从屏转移到水槽中。较小的泵,通过第2个屏引流,并将鱼转入集鱼槽。然后,通过鱼槽底部的旁路管道将鱼运送到收集船。收集船位于出口前面的浅水库河道,通常要求其在坝顶桥梁及出口附近的一点上。在桥尾1个悬臂起重机把鱼槽吊到桥上的运鱼车中。最后,运鱼车把鱼运到大坝下游水域释放。
早在20世纪50年代,为克服升鱼机投资高,及固定过鱼建筑物(鱼梯、鱼闸等)进口不能完全适应下游流态变化的缺点,前苏联最先开始了集运鱼船相关研究。20世纪60年代,大、中型水利枢纽的过鱼问题,引起国外研究者广泛关注,此时集运鱼船作为一种新型过鱼设施得到初步发展。集运鱼船的首次应用是在美国贝克水库项目中的Lower Baker Dam[7]。因Lower Baker Dam最初修建未考虑鱼类过坝问题,后重新翻修需补建过鱼设施,此时集运鱼船与枢纽布置无干扰的特点独具优势。随后,集运鱼船的试验研究陆续展开,相关报道也逐渐出现。如Raymond[8-10],Beiningen[11]等,对 Columbia River和Snake River中的大鳞麻哈鱼(Oncorhynchus tshawytscha)及虹鳟(Salmo gairdneri)进行的集运鱼船试验。Slatick[12],Ebel[13-14]等进行的集运鱼船对大鳞麻哈鱼和虹鳟成活率及返回率影响的试验等。
相比之下,我国集运鱼船的研究则起步较晚,其早期研究国内基本为空白。直到1974年,为了解决葛洲坝水利枢纽的过鱼问题,才出现少量集运鱼船试验研究[15]。近年来,随着鱼类监测跟踪技术及驱诱鱼技术的迅速发展,国外集运鱼船的研究和运用呈现发展态势,特别是在帮助美国哥伦比亚河流域的幼年鲑鱼下行过坝过程中,集运鱼船发挥了重要的作用[16]。集运鱼船被认为在保留幼鱼洄游印记,大批量转运,协助幼鱼避开捕食者以及连续过坝等方面有突出的贡献[17]。而集运鱼船在生态保护和高坝或梯级水电站过鱼方面的独特优势,仍未引起我国相关部门足够重视,发展相对缓慢。目前,我国集运鱼船的研究仍处于探索阶段[18],国内运用集运鱼系统解决鱼类过坝问题的水利工程甚少,仅见于重庆乌江彭水水电站。“唐环1号”集鱼平台是该集运鱼系统的核心部分,目前集运鱼船正在调试中,尚未运行,运行效果未知。
集运鱼船虽然目前在世界上的应用并不多,但其机动灵活的特性和实现高坝大库及梯级闸坝过鱼的潜在优势,很早就引起美国、苏联等发达国家的重视,各国积极致力于集运鱼船的相关研究。为了弥补鱼闸、升鱼机等固定过鱼设施的不足,前苏联在顿河支流Manych River开展了集运鱼船试验[19]。研究表明,集运鱼船适合在大规模产卵洄游期内诱鱼、集鱼和运鱼。鱼群是否进入集鱼船内并非偶然,而有其规律性,这取决于集鱼船与河底衔接的水力学和结构的条件好坏、诱鱼流速的大小、鱼群洄游的昼夜和季节节律等。
为了解决洄游性鱼类的过坝问题,1955年4月美国华盛顿州渔业部将在Klickitat河口诱集的200 000尾大鳞麻哈鱼装入运鱼船,经Bonneville Dam顺流而下释放到Skamokawa附近水域[20]。由于避免了天敌的捕食,集运鱼船运输过坝的鱼成活率明显高于自然迁移的鱼。在1955年评估Bonneville Dam涡轮机和叶唇鱼(Ptychocheilus oregonensis)对幼年鲑鱼洄游影响的标志重捕试验[21]中,集运鱼船也有应用。1958年4月华盛顿州渔业部又在Lower Baker Dam进行了试验。最初的运行效果不甚理想,但经过不断改进和完善,最终取得较好的运行效果。1998年返回Baker River产卵的红大麻哈鱼(Oncorhynchus nerka)达到13 000尾,与20世纪70年代末每年平均返回量3 000尾相比,有了大幅提升。2000年左右,集运鱼船平均每年运送到Baker River产卵的红大麻哈鱼都在7 000~8 000尾之间[7]。1968年美国海洋渔业局将集运鱼船应用于Ice Harbor Dam[22]并取得良好效果。1971年建成的Little Goose Dam[23]和1975年建成的Lower Granite Dam中也应用了集运鱼船实现鱼类过坝。但自1989年Pavlov对前苏联在里海流域的伏尔加河、顿河和库班河流域为鲟科、鲱科和鲤科的一些种类设计的集运鱼船报道后,就很少有集运鱼船的相关设计与建设的报道,多见于集运鱼船的效果评估[24]。
集运鱼船作为一种活动过鱼设施,具有如下优点:能根据不同工作情况变换集鱼地点、可在较大范围内根据目标鱼类的不同调节诱鱼流速、当确定定向流速后可将鱼放至不被下泄水流影响的河段上、不需要从上游水库取水等,但实际运行中也存在不少缺点[4]。
如大坝尾水处是鱼群最易集聚的地方,但河床多以乱石为主,容易卡锚,为了安全起见一般不在尾水处作业;最关键的技术即集鱼方法有待进一步挖掘:船内发动机和水泵开动产生的噪音和振动会惊扰鱼类,对集鱼量造成一定影响[25];通过集运鱼船运输过坝的鱼经过非自然的迁徙可能会降低洄游本能,出现返回率较低的现象;集运鱼船作业周期比较长,需要较多操作人员,运行费用较大;对于没有船闸的水利工程不能直接使用,而只能辅以运鱼车达到运鱼过坝的目的。此外,集运鱼船还存在较难诱集底层鱼类[26],易受过往船只影响[27],冬季水库结冰后不能使用等问题。所以,推广集运鱼船时,如何更好地将现有集诱鱼技术应用其中,如何更好地因地制宜使它顺利运行,如何减小鱼在运输过程中的死亡率[28]等,都是需要十分小心谨慎处理的问题。此外,集运鱼船目前在国外的应用仅局限于鲑鱼幼鱼下行过坝过程,在成鱼上行过坝过程中未见应用。其原因是集运鱼船较适宜转运大批量小个体鱼类而不适宜大批量转移大个体鱼类,同时,大个体鱼类不存在印记需求,更适合鱼道和升鱼机等过鱼设施。
集运鱼船无论帮助上溯洄游鱼类上行过坝,还是帮助幼鱼及降河迁徙鱼类下行过坝,都需要监测跟踪目标鱼类,并利用适当驱诱鱼手段将目标鱼类诱集、驱赶到集运鱼船中。所以在集运鱼船设计、建造及运行过程中,需要同时研究鱼类监测跟踪和驱、诱鱼等关键技术。其中,集鱼技术是核心技术,因为能否成功地诱集到目标鱼类,直接决定着集运鱼船运行效果的好坏。
现有的鱼类监测跟踪技术有回声探测仪声纳探测、射频标记跟踪、生物遥测定位、超声波标志[29]和水下声学成像技术[30]等。其中,水下声学成像技术和射频标记跟踪适用于复杂环境下小水体中鱼类行为的定量,可应用于集运鱼船集鱼效果的精细评估。相比监测技术,各种集鱼技术更直接地影响着集运鱼船的效果。大部分集鱼技术如水流、引导屏障、集鱼灯、人工鱼礁、饵料法、声光诱鱼器和电诱鱼等较适合小范围应用,而在水库、湖泊及河流等范围较大的地方单独使用的效果仍有待提高。为提高集鱼效果,可结合当地河段和目标鱼类特点,将以上方法组合使用。如利用鱼类对水流的趋性[31]和光的选择性,将水流诱鱼和LED水下诱鱼灯联合应用,同时辅以适当驱鱼手段如电极驱鱼[32]或气泡幕驱鱼[33]等,会诱集到更多的目标鱼类。近年来,我国对驱诱鱼技术进行了研究与探索,利用鱼类对声音的趋性发明了具有良好稳定性和安全性的声控诱鱼装置[34],利用鱼类对食物或诱食剂的喜好设计了鱼饵续供型诱鱼器[35],综合利用鱼类对声光电等的选择性发明了声光电综合驱鱼仪[36]等,但是在实际运用中的集诱效果仍有待验证或改善。在集运鱼船的建设过程中,有必要综合各种集鱼措施,寻求更好的鱼类集运效果。我国少数工程救鱼设施(如鱼道)中应用的相关技术,如电栅栏拦鱼、喷水设备诱鱼和射流诱鱼等方法均可借鉴到集鱼船的建设中。国外如美国、加拿大和英国等国家的驱诱鱼技术,包括鱼类引导系统[37]、水流诱鱼装置技术[38]等,发展相对成熟,已经应用于多个水电站、火电站和核电站的鱼类保护中,并取得了较好的效果,在集运鱼船的建设过程中也可借鉴其技术。
在河流生态系统平衡受到大坝修建严重影响的背景下,如何保护鱼类并帮助其安全过坝已经成为众多水电工作者、生态学者和政府人员共同关注的问题。集运鱼船作为在国外有多年发展历史的工程救鱼措施,具有机动灵活、能够适应不同水位、流量、地形和船闸运行情况的特点,在恢复河流生态系统平衡及帮助鱼类过坝等方面具有独特优势。目前,以三峡大坝、葛洲坝及金沙江水电开发为代表的水利工程对鱼类洄游路线的阻隔问题,已经引起人们的广泛关注。在现有生态补偿措施尚不能较好解决救鱼问题的背景下,集运鱼船作为除鱼道、升鱼机等固定过鱼设施之外的另一潜在途径值得关注。
目前,水利条件的掌握及集鱼技术的发展是限制集运鱼船发展的最主要因素。此外,运行位置的选择、鱼类资源的了解等因素也会影响其运行效果。鉴于此,建议在今后的研究与实践过程中,首先针对国内外集运鱼船的研究现状、关键技术、运行状况等问题开展实地调研,了解其基本环节并明确未来发展趋势,同时学习欧美等发达地区集运鱼船的设计理念、关键技术、运行概况和管理环节;然后针对国内驱、诱鱼技术发展较为落后,并且不适合在大范围内使用的问题,开展进一步的研发工作,如在现有的诱鱼灯、声控诱鱼装置、鱼饵续供型诱鱼器等的基础上,综合利用鱼类对声音频率、大小,光照颜色、强度,电流,电压以及气泡,水流,诱食剂等的选择性和敏感性,设计出一种以水流诱鱼为主,同时辅以其他方法的综合诱鱼技术,以改善现有技术诱鱼效果不理想的现状;最后针对我国内陆河道、水电站和拟保护鱼类的特点,在调研结果的基础上,结合国内外相关经验,自行设计建造集运鱼船。
在设计建造的过程中,有必要详细分析集运鱼船在各种工程实践中的可行性,比较其与其他过鱼设施在不同工况下的优劣。我国部分内陆水电工程,如长江三峡大坝,具有水头高、水面宽和流量大的特点,建设鱼道已经不能作为工程救鱼的可选方案;另一些水电工程,如北盘江流域开发中的马马崖水电站等,所在流域具有坡降大、河流窄并以峡谷为主的特点,采用修建鱼道的方法解决鱼类的过坝问题亦不可取。重庆市乌江彭水水电站在综合考虑了当地的河道、鱼类、水文等实际情况后建造了“集鱼平台”,成为我国第1个运用集运鱼系统解决鱼类过坝问题的水电站。贵州北盘江马马崖一级水电站在综合了各种因素之后,也准备采用集运鱼系统实现鱼类的安全过坝[39]。由此可见,集运鱼船在生态保护及高坝过鱼方面的优势已逐渐得到认可。虽然相比于美国、加拿大等发达国家,我国在集运鱼船的基础研究方面仍较为薄弱,在其具体设计、建造及运行方面也存在一定的技术难题,但相信经过不断地努力,我国有望在此领域取得水电发展与生态和谐的突破。
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