福建省罗源霍口水库工程过鱼设施设计中鱼类游泳能力试验的研究

摘要：高坝水库的建设会对洄游鱼类造成影响，为促进坝上坝下的鱼类基因交流以及保持河道的连通性，过鱼设施的建设非常重要。福建省罗源霍口水库工程的主要过鱼对象共有6种，为确保这几种主要过鱼对象可以找到过鱼设施的进鱼口，并顺利保证它们通过，以及为过鱼设施提供设计参数支持，对这几种鱼类进行了鱼类游泳能力测试。根据测试结果，分析了几种主要过鱼对象的感应流速、临界游泳速度、突进游泳速度和持续游泳时间，为过鱼设施的设计提供了参考和依据。

关键词：大坝阻隔;鱼类游泳能力;过鱼设施;进鱼口;感应流速

中图分类号：X174    文献标识码：A    文章编号：2095-672X（2021）01-0112-06

DOI.10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2021.01.018

Study on swimming ability test of fishes for design of fish passage facility of Huokou Water Conservancy Project in Luoyuan

Dong Yanlong

（Fujian Provincial Investigation， Design & Research Institute of Water Conservancy & Hydropower， Fuzhou Fujian 350001， China）

Abstract：Construction of high dam reservoir can lead adverse effects to migratory fishes. In order to facilitate exchange of genes and maintain connectivity of the Aojiang river basin， dams should be constructed with fish passage facilities. For the Huokou water conservancy project in Luoyuan， Fujian Province， six species of fishes are defined as main migratory fishes and their migration breeding should be guaranteed by construction of fish passage facility. The swimming ability test of these six species of fishes are done in order to ensure they can find the entrance of the fish passage facility so that they are capable of passing the passage successfully， and moreover provide parameters for optimizing the design of fish passage facility in this project. The test analyzed induced velocity， critical swimming speed， burst swimming speed and swimming duration of these six species of fishes， and thereby provides references and design bases for fish passage facility of this project.

Key words：Dam obstruction; Swimming ability test of fishes; Fish passage facilities; Entrance of fish passage facility; Induced velocity

1    工程概況

福建省罗源霍口水库工程位于敖江干流中上游，地处福州市罗源县霍口乡，其坝址距离罗源县城城关约29km，是敖江干流梯级开发方案的龙头水库。霍口水库为年调节水库，正常蓄水位为190.00m，死水位为150.00m，汛限水位为185.80m，淤沙高程134.20m，100年一遇设计洪水位为190.50m（P=1%），相应下游设计洪水位为129.40m;2000年一遇校核洪水位为192.84m（P=0.05%），相应下游校核洪水位为131.30m。水库总库容2.97亿m3，正常蓄水位以下库容2.71亿m3，死库容0.47亿m3，正常蓄水位时水库面积8.76km2，水库回水长度19km。本工程厂房位于主坝左岸下游200m左右，共安装3台混流式水轮发电机组（2×25MW+10 MW），总装机容量为60MW。110kV升压开关站位于进厂公路左侧布置。

霍口水库建成后，可有效调节敖江年径流量，增加枯水期敖江可引水量，从而进一步完善福州市闽江北岸以及闽江、敖江双水源供水体系。同时还可以增加下游塘坂水库枯水期的生态流量，有利于敖江下游水生生态的保护。但大坝的建设会对洄游鱼类和产漂流性卵的鱼类产生阻隔作用。洄游性鱼类因为闸坝阻隔无法到达产卵地，产漂流性卵的鱼类可能因闸坝建设丧失了卵的漂浮条件。因此，大坝应建设过鱼设施。

2    过鱼对象分析

2.1    过坝种类分析

本工程过鱼设施的主要目的是保证鱼类洄游通道畅通以及促进坝上坝下鱼类交流。因此，为保证过鱼设施的运行效果，过鱼对象的确定十分重要。原则上坝址处分布的所有鱼类都是本工程的过鱼对象，但过鱼设施的设计需根据主要过鱼对象的特点及生态习性进行设计[1]。

为确定本工程的主要过鱼对象，在综合考虑本工程的过鱼需求、鱼类经济价值、过鱼时效性以及当地的鱼类资源量现状后，制定了相应的具体考虑指标和赋分依据。过鱼对象筛选依据见表1，对不同种类的综合得分（各指标得分累加）进行排序作为过鱼种类选择依据。根据表1的筛选依据以及对过鱼对象的赋分，确定的过鱼对象见表2。

综合考虑，为保证坝上坝下鱼类的交流，本工程的过鱼对象为坝址处分布的所有鱼类，其中重点考虑黑脊倒刺鲃、细鳞鲴、宽鳍鱲、半刺光唇鱼、粗唇鮠、银鲴等六种鱼类。

2.2    鱼类游泳能力

过鱼设施运行的成败以及过鱼效率主要由两个重要因素决定：（1）鱼类能否顺利找到入口;（2）鱼类能否通过。因此过鱼设施的有效性通目标鱼类的游泳行为密切相关[2]。具体而言，鱼类的趋流特性主要用于过鱼设施进口的流场设计;而鱼类疲劳时间和鱼类克流速度等指标则是过鱼设施流速设计的重要依据。

为了给本工程过鱼设施设计提供基础数据支撑，需进行鱼类游泳能力试验，研究本工程影响区域内主要过鱼对象的游泳能力等关键参数。

3    鱼类游泳能力试验

3.1    测试方法

本工程鱼类游泳能力试验研究的主要测试指标为主要过鱼种类的：感应流速、临界游速、突进游速和持续游泳时间[3]。

3.1.1    感应流速

鱼的趋流特性一般以感应流速为指标，在过鱼设施的设计中，感应流速可以反映鱼道和鱼类洄游路线中，鱼类上溯的最小流速，在这个流速以上，鱼类才能够找到洄游方向[4]。

在本试验中，将暂养24h后的试验鱼按照头部指向测试水槽顺流方向放置于游泳能力测试水槽中，适应1h后逐步调大测试段中的流速，每隔5s，流速升高2cm/s。在实验过程中密切关注鱼类的游泳能力行为，当试验鱼逆转方向，逆流行动，记录此时的流速，此流速即是试驗鱼的感应流速。

3.1.2    临界游泳速度

鱼类的临界游泳速度是鱼类耐久游泳速度能达到的最大值，临界游泳速度代表了鱼类在特定时间内可以维持的最大速度。获取这个数值对于保证鱼类通过的前提下，减小工程量，缩短鱼道长度有重要意义。

本试验中，临界游速采用“递增流速法”。试验前将单尾试验鱼放入测试仪器中，在低流速（0.1cm/s左右）下适应1h以消除转移过程对鱼体的胁迫并让试验鱼熟悉测试环境。测试开始后，先把流速调至60%的预估临界游泳速度，然后逐步调大测试段中的流速，时间间隔为15min，流速步长为15%的预估临界游泳速度。在此试验期间同时关注试验鱼的游泳行为情况，一旦试验鱼体力耗尽无法继续游泳，则立即结束试验，并记录游泳时间。试验过程用录像机全程记录游泳试验过程。

测试完成后，记录鱼体长、全长、体重、损伤状况等值;记录水槽水温、溶氧等参数。

临界游速计算公式：

其中：Vi是增速大小，Vp是鱼极限疲劳的前一个水流速度，tf是上次增速到达极限疲劳的时间，ti是两次增速的时间间隔。

3.1.3    突进游泳速度

突进游泳速度是鱼类所能达到的最大速度，维持时间很短，鱼类通过竖缝式鱼道的竖缝时运用突进游泳速度，直到疲劳才停下来休息，因此突进游泳速度也是鱼道设计中的重要参数。

本试验中，突进游速也采用“递增流速法”。与临界游速测试方法基本一致，只是将流速提升时间间隔改为20s。突进游速计算公式与临界游速计算公式一致。

3.1.4    持续游泳时间

持续游泳时间是耐久游泳速度的一个重要指标，指在特定流速下鱼类可以维持的游泳时间，对于距离较长或者结构较为简单的鱼道，持续游泳时间关系到鱼类可以连续上溯的距离。

在本试验中，将暂养24h后的试验鱼放置于游泳能力测试水槽中，在小于0.1m/s的流速中适应1h，然后以每10s 增加0.1 Ucrit逐渐调大测试段中的流速达到预先设定的流速值（Ucrit），观察鱼的游泳行为，直至试验鱼疲劳无法继续游动或持续游动时间达到200min，此时结束试验，记录游泳时间。

3.2    测试结果

本次试验，银鲴也作为主要实验对象，但是由于本次捕捞到的数量仅仅只有一条，下面将列出此条试验鱼的所有实验数据：银鲴感应流速为0.18m/s，临界泳速为0.9m/s，突进泳速为1m/s，持续游动时间为1260s。其他鱼类的实验数据如下所示。

3.2.1    感应流速

根据测试结果，这六种鱼除银鲴之外感应流速比较相近。各种类的中值感应流速都在0.16m/s左右。说明各鱼种对水流都比较敏感，结果见表3。

3.2.2    临界游泳速度

临界游泳速度主要作为持续游泳时间测试的预测试，其结果主要用于鱼类的持续游泳时间测试的流速值选取。同时，临界游泳速度也用于观测鱼类稳定式游动和加速-滑行式游动的速度范围。

由测试结果可以看出，半刺厚唇鱼、粗唇鮠、黑脊倒刺鲃、宽鳍鱲、细鳞鲴、银鲴的临界游泳速度中值分别为0.96 m/s、0.97 m/s、0.9 m/s、0.71m/s、0.84m/s、0.9m/s。具体结果见表4。

3.2.3    突进游泳速度

由测试结果得出，粗唇鮠和宽鳍鱲的突进泳速比较接近。细鳞鲴的突进游泳速度较低，符合一般体长与游泳速度关系，见表5。

3.2.4    持续游泳时间

在进行持续游动时间实验时，本测验采用0.6倍的临界泳速进行试验，通过表6可以看出这五种试验鱼的中值持续游泳时间差异巨大，两级分化严重，其中黑脊倒刺鲃、半刺厚唇鱼以及宽鳍鱲的中值游泳时间都可以达到2小时，而细鳞鲴只能达到960s。具体结果见表6。

3.3    测试结论

福建省罗源霍口水库工程的鱼类游泳能力试验测试测得本工程的6种主要过鱼对象半刺厚唇鱼、粗唇鮠、黑脊倒刺鲃、宽鳍鱲、细鳞鲴、银鲴的几项主要特征游泳速度，具体结果见表7，其中银鲴由于样本较小，结论可能代表性较为欠缺。

从测试结果可以得出，本工程主要过鱼对象的感应流速相差不大，从0.15m/s～0.18m/s;粗唇鮠的临界流速在6种主要过鱼对象中是最大的，达到0.97m/s，半刺厚唇鱼、黑脊倒刺鲃和银鲴的临界流速也分别为0.96m/s、0.90m/s、0.90m/s，寬鳍鱲的临界流速较小，为0.71m/s;半刺厚唇鱼的突进流速最大，达到1.33m/s，细鳞鲴的突进流速在这几种鱼类中最小，为0.96m/s;半刺厚唇鱼、粗唇鮠和宽鳍鱲的持续游泳时间都可以达到2小时，而细鳞鲴只有960s，差异较为明显。

4    结语

福建省罗源霍口水库工程具有供水、防洪以及发电等多种功能，但是霍口水库的建设和运行将改变工程河段的水文情势和鱼类生境特征，并阻隔上下游鱼类基因交流的机会。综合考虑工程河段鱼类特点及坝上生境适宜度，本工程拟采取工程措施解决鱼类上行连通，促使坝上下间的鱼类群体基因交流及保留鱼类洄游通道。进鱼口位置、进鱼口流速、鱼道池室结构、过鱼孔流速等因素都是影响过鱼设施运行效果的重要因素。根据鱼类游泳能力测试，通过测试主要过鱼对象的感应流速、临界流速、突进流速和持续游泳时间，可以更好的优化过鱼设施的细节以及参数设计，选择水流条件和诱鱼流态更加适宜的诱鱼口，确保过鱼设施的高效运行。

参考文献

[1]熊锋，王从锋，刘德富，寇方露，莫伟均，刘伟，石小涛.松花江流域典型鱼类的游泳能力比较试验研究[J].三峡大学学报（自然科学版），2014（000），004：14-18.

[2]杨宇，高勇，韩昌海，候轶群，董杰英.鱼类水力学试验研究发展[J].水生态学杂志，2013，04（015）：71-75.

[3]蔡露，金瑶，潘磊，赵萍，贺达，侯轶群，陈小娟，张鹏.过鱼设施设计中鱼类行为研究与问题[J].生态学杂志，2018，37（11）：3458-3466.

[4]SL609-2013.水利水电工程鱼道设计导则[S].

收稿日期：2020-11-27

作者简介：董彦珑，男，汉族，助理工程师，研究方向为环境影响评价和环境工程。