基于鱼类集群及上溯通道分析的鱼道进口位置论证

文 典，李洪泽，王晓刚，黄涌增，祝 龙

(1. 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司, 四川 成都 610072； 2. 南京水利科学研究院, 江苏 南京 210029)

鱼道由进鱼口、过鱼池、休息池、出鱼口等构成，进鱼口向河道的冲泄水流诱导鱼类寻找到进鱼口并游入鱼道。与宽阔河道相比，鱼道通常是较小的结构，宽度一般在5 m之内，往往具有“针眼”的特点，对于大江大河尤其明显[1]。因此，选取合适的鱼道进口位置，是确保鱼类能够轻松找到进口并进入鱼道的关键，对鱼道工程的效用发挥具有至关重要的意义。

根据鱼类坝下上溯规律，鱼道进口的选择一般考虑以下几个方面：（1）经常有水流下泄的地方，尽可能靠近鱼类能上溯到达的最前沿[2]；（2）进口前水流不应有漩涡、水跃，进口下泄水流应使鱼类易于分辨和发现[3]；（3）选择水质新鲜、肥沃的水域，避开泥沙易淤积区及有油污、化学性污染和漂浮物的水域；（4）鱼道进口的布置和设计需要协调好电站尾水与鱼道水流之间的关系，使鱼道水流与河道主流平顺衔接，并消除进口处的水流障碍，必要时增加额外的诱鱼水流来吸引鱼类[4]；（5）进口不能超过河床太高，应与河床平顺衔接；（6）进口应能适应拟定过鱼对象对水流的要求及运行水位变化范围。

鱼道进鱼口的选点与布置型式，主要通过枢纽整体模型试验结合数学模型模拟研究进行选取。根据试验与模拟结果确定鱼道与其他各建筑物之间的相互关系，分析主要过鱼季节枢纽不同调度方式下的鱼道进、出口水流条件，确定鱼道在枢纽中的整体布置，从而提出满足从坝下到鱼道进口有大于感应流速、小于鱼类极限流速的上溯通道及进鱼口型式。如Baek等[5]采用二维水流输沙数值模型，揭示鱼道进口附近流场结构和冲淤特性，验证了鱼道进口布置的合理性；Andersson等[6]采取水力学模拟措施，研究水电站下游流场结构对洄游鱼类的影响，对鱼道进口位置的布置进行论证；李丹丹等[7]利用水工模型分析水库大坝上下游流场，结合地形条件，设计鱼道进出口、坡度等；史斌等[8]通过物理模型试验，结合当地鱼类生活习性、建筑物布置特点等，提出鱼道进口布置型式。可见，先前的鱼道进鱼口布置位置主要依据水力学研究结果确定，随着水声学技术的发展，越来越多的研究辅以鱼类集群分布，为进鱼口位置的确定提供支持[9-10]。但对鱼类从坝下河段上溯到鱼道进口区域的上溯通道研究尚不多见；且受限于试验条件，前期的研究往往难以将鱼类集群特征和水流条件同步测量并分析。本文基于大渡河龚嘴水电站坝下鱼类集群特征的水声学观测与坝下水流条件同步观测，分析电站坝下河段鱼类的上溯通道分布，进而提出了龚嘴水电站鱼道进口布置位置方案。研究结果对类似工程合理确定鱼道进鱼口位置具有一定的参考意义。

1 鱼类集群特征及坝下水流条件现场观测方法

1.1 鱼类集群特征现场数据采集

采取走航和定点观测的方法进行鱼类水声学观测。观测内容包括：坝下鱼类资源丰度、空间分布及上溯集群特征情况。在3—5月，采用Simrad EK80回声鱼类探测仪，利用船载走航进行“Z”字型高密度探测，探测范围为坝下1.5 km的区域。探测过程中，换能器入水深至少0.5 m，横向走航间距控制在20 m以内，平均航速控制在10 km/h以下。根据现场河道状况和信号质量，选择合适的主采样功率和脉冲持续时为128 μs。数据采集过程中，采用Garmin公司生产的GPS60CS进行导航，便捷式电脑进行声学数据和GPS数据的同步存储。

1.2 坝下水流条件现场观测

采用走航式声学多普勒流速剖面仪（ADCP，型号：RiverRay，产地：美国）对典型栖息地的水深、流速、河道形态等参数进行观测。RiverRay走航式ADCP可根据厘米级高精度GPS定位系统，记录船只航迹；每0.5 s记录航线相应点位0.45～30.00 m水深范围内不同深度水层的流速与流向；相邻水层距离为0.2 m。ADCP具有流场扰动小、分辨率高、测验历时短、测速范围大、精度高等优点，且体积小、易于携带，已被广泛应用于河流、湖泊、水库等水体的流场结构观测。

1.3 水声学数据处理与鱼类密度分析

本研究针对龚嘴水电站坝下500～2 000 m河段开展水声学观测。由于坝下河段水流流速较大，紊动强度较高，河流水体表面、江底、气泡、行船等产生的噪声及浮游生物等散射体均会对水声学探测精度造成影响，再加之探测过程中声学“盲区”的存在，需对水声学数据进行筛选，以提高评估结果的可靠性和准确性。水面下1.0 m至河流底部上方0.5 m水深范围，能够有效规避江面、江底、行船噪声及声学“盲区”对探测精度的影响。因此，本研究采用水声学探测数据分析软件 Echoview，选取水面下1.0 m至河流底部上方0.5 m之间的水声学数据进行处理和分析，并将体积散射强度和目标强度回波映像中的最小阈值设为-60 dB，最大波束补偿设为10 dB，以削减浮游生物等散射体对探测精度的影响。

在单体目标追踪过程中，一个鱼类信号的追踪完成必需由至少3个单目标信号组成，且各目标信号之间的最大采样间隔不超过2。单个体目标强度值（Target strength,ST）和体长换算采用谢晓等[11]提出的经验公式：

式中：ST为目标强度（dB）；L为鱼体体长（cm）。

利用回波计数法计算鱼类密度。通过声学波束对水体空间进行扫描，在空间内部进行个体回波计数，根据波束扩展采样角度计算扫描水域的体积，通过回波信号数量与扫描水体空间体积之比，获得该范围内的鱼类平均分布密度，计算式如下：

式中：ρv为鱼类密度（ind/ m3）；Et为扫描水体的回声信号数量；Vp为每次采样扫描的水体体积（m3）；n为换能器的采样次数。

采用资源密度面积法，将观测河段划分为若干个观测层区，单独计算各小区的水体体积及鱼类平均密度。鱼类资源量估算如下：

式中：B为鱼类资源量（ind）；ρi为第i个区域鱼类平均密度（ind/m3）；Vi为第i个区域水体体积（m3）。

对于不同探测区域的鱼类空间分布特征，采用ArcGIS 10.2软件进行空间分布的建模。将计算出的各单元鱼类密度、各区域的平均水深，各单元航段中心坐标数据导入ArcGIS平台，采用反距离加权插值法绘制坝下鱼类密度水平分布图。

1.4 观测范围及龚嘴水电站运行情况

为掌握龚嘴水电站坝下流场及鱼类集群特征，于2021年4月27—28日对龚嘴坝下长约2 km的河段进行了水声学走航探测。本研究探测区域如图1所示。探测区域覆盖了大部分过鱼对象上溯的必经通道，且探测区域所在河段为过鱼对象主要的群聚区域。

图1 龚嘴水电站坝下探测区域Fig. 1 Detection area under the dam of Gongzui Hydropower Station

2021年4月27—28日不同时刻龚嘴水电站运行工况如表1所示。

表1 观测时段内电站运行工况Tab. 1 Operating conditions of the power station during the observation period

2 结果与分析

2.1 龚嘴水电站坝下鱼类集群特征

龚嘴水电站坝下河段的主要过鱼对象为：长薄鳅、长鳍吻鮈、齐口裂腹鱼、重口裂腹鱼、四川白甲鱼、青石爬鮡、裸体异鳔鳅鮀和蛇鮈等。鱼道主要过鱼时间为每年的3—9月。主要过鱼对象的游泳能力测试资料显示，流速0.1～1.2 m/s范围内能够满足其上溯需求。

使用水声学方法在龚嘴水电站坝下进行鱼类集群分布观测，扫描数据回放显示，回声探测图图像杂噪音较大，经过降噪及杂质去除后可以清晰观测鱼类反射信号，河底反射信号清晰。同时探测结果还表明，探测区域地形略有起伏，水深分布较为均匀，整体较浅；探测过程中发现鱼类较少以个体形式进行活动，鱼类集群现象居多。

2.1.1 坝下鱼类垂直分布 研究期间龚嘴水电站下游河段鱼类单体目标强度值（ST）关于水深的分布如图2所示。由图2可知，此次探测样带12.0 m，鱼体反射信号的平均水深8.02 m；共获取单体目标TS值106个，分布范围为水深1.15～11.62 m；4.7%的鱼类反射信号位于0～4 m水深范围内，38.7%集中在4～8 m水深范围，56.6%位于8～12 m水深范围内，说明研究河段的鱼类主要分布在水体中下层，与该河段鱼类实际分布情况相吻合。

图2 ST值关于深度的分布Fig. 2 Distribution of ST values with resepect to depth

2.1.2 坝下鱼群水平分布 龚嘴水电站坝下鱼类密度GIS 水平分布见图3。由图3可知，龚嘴水电站坝下探测范围内，探测鱼类密度观测区域鱼类平均密度为0.310 ind/m2；观测水域水深较浅，鱼类大多分布在中下层，探测到的鱼类目标有90.56%分布在水深5 m以下水域（不代表浅水区域没有鱼类分布）；大部分鱼类分布在坝下500～1 500 m河段范围内，电站尾水渠附近水域也存在一定规模的鱼类集群；鱼群密度最高的区域为坝下约500 m靠近河道右岸水域（0.115～0.700 ind/m2）；坝下500～1 500 m河段鱼群密度为0.085～0.115 ind/m2，且鱼群在该区域内水平分布范围较广，河段大部分鱼类都集中在该河段范围内；坝下1 500～2 000 m河段仅有少数几个鱼类集群信号，鱼群密度较小，主要分布在左岸和河道中泓线附近。

图3 龚嘴水电站坝下鱼群水平分布Fig. 3 Horizontal distribution of fish under the dam of Gongzui Hydropower Station

2.2 龚嘴水电站鱼类上溯通道分析

选取4月27日12:00 至13:00运行工况下的水深、流速观测结果，分析坝下河段流场结果特性。该工况为过鱼季节（3—9月）龚嘴水电站典型运行工况，多数时段电站运行工况接近该工况。且该工况流量较大，对应的流速也较大，基于流速的上溯通道分析成果偏保守。龚嘴水电站坝下河段水深分布见图4，典型断面形状及流速分布见图5。由图4和5可知，河道整体呈“V”字形，底部狭窄，礁石较多，由于表层流速大，根据表层流速推求的鱼类上溯通道更加保守，因此本文仅分析表层流速分布情况。

图4 龚嘴水电站坝下河段水深分布（2021-04-27T12:00—13:00）Fig. 4 Water depth distribution in the downstream of Gongzui Hydropower Station (2021-04-27T12:00—13:00)

图5 断面1、2形状及断面流速分布等值线（单位：m/s）Fig. 5 The shape and contour map of velocity of section 1 and section 2 (unit: m/s)

研究河段表层流速分布云图与流速矢量图分别见图6和7。由图6和7可知，坝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线深度10～15 m，流速2.5～3.5 m/s；研究河段中下游大部分区域水深5～10 m，流速1～2 m/s。研究河段上游区域由于河道水深相对较大，河道宽度相对狭窄，过水断面偏小，流速相对下游较大。

图6 龚嘴水电站坝下河段表层流速分布云图（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)

图7 龚嘴水电站坝下河段表层流速矢量图（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)

目标鱼类在水流流速0.1～1.2 m/s范围内能够感应上溯，并具有持续游泳能力。如图8所示，图示色带区域表示水流流速在0.1～1.2 m/s之间的流速区域（其他流速区域不显示），即流速满足鱼类上溯条件的区域（鱼类可上溯通道）。可见，坝下河道左右岸存在足够宽度的鱼类上溯通道。值得一提的是，图8显示在研究河段北纬29.290°～29.292°范围内，河道存在横跨整个河宽的流速适宜区域（红圈处），结合图9的鱼类集群水平分布图对比可知，此处确实存在鱼类聚集现象（图9红圈处）。水力学监测结果与水声学观测结果比较接近，说明提取的鱼类可上溯通道较符合河段鱼类的实际上溯与聚集情况。

图8 龚嘴水电站坝下河段表层鱼类上溯通道 （红圈内为流速满足鱼类适宜性条件且鱼类水声学观测结果中鱼类聚集规模较大的区域）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)

由图9可知，在龚嘴坝下500～2 000 m河段鱼群分布密度总体上呈现从下游到上游逐渐增大的趋势，这说明在该流速条件下，鱼类表现出较明显的趋流特性；而在坝下0～500 m范围内的河段，鱼群主要分布在靠近两岸的水域，且各鱼群的密度相差不大，鱼群未表现出明显的趋流性。

图9 龚嘴水电站坝下河段鱼群水平分布（红圈内为流速满足鱼类适宜性条件且鱼类水声学观测结果中鱼类聚集规模较大的区域）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 龚嘴水电站鱼道进口位置建议

根据进口位置选择原则、类似工程运行经验及龚嘴水电站建筑特点，综合考虑鱼类生态习性和集群分布特点，对龚嘴水电站的鱼道进口布置提出以下建议：

（1）根据鱼类资源观测和水声学观测结果，建议龚嘴水电站鱼道进口布置在坝下两侧河岸地带。其中1#区域内鱼类聚集现象较为明显，2#和3#位点位于近坝区域，处于该河段鱼类洄游末端位置，亦可为鱼道进鱼口位置（见图10）。

图10 龚嘴水电站鱼道进口位置推荐Fig. 10 Recommended layout of fishway entrance of Gongzui Hydropower Station

（2）依据坝下河段流速场分布观测结果，同样建议龚嘴水电站鱼道进口布置在坝下两侧河岸地带。其中1#区域流速范围为0.5～1.5 m/s，满足鱼类的上溯洄游需求；2#和3#位点位于近坝区域，且水深较浅，水流湍急，岸边鱼类上溯通道较窄，湍急的水流对鱼类洄游上溯产生一定的“流速屏障”，如在此位置设置鱼道进口，建议疏通河道，减缓流速。

3 结 语

通过鱼类集群特征及坝下水流条件现场观测，提出了基于鱼类集群分布及鱼类上溯通道的鱼道进鱼口布置建议，主要结论如下：

（1）大渡河龚嘴水电站坝下河段鱼类主要分布于河流中下层；水平方向上鱼群主要集中于研究河段的中上游段。

（2）龚嘴水电站坝下河段鱼类上溯通道主要分布于河道两侧河岸附近水域，且在河段北纬29.290°～29.292°、29.285°～29.286°范围内，存在横跨整个横断面的流速适宜区域。

（3）综合鱼类集群分布和流速分布特征，推荐了1#～3#共3个区域作为龚嘴水电站鱼道进鱼口的备选位置，其中1#区域流速范围为0.5～1.5 m/s，满足鱼类的上溯洄游需求；2#和3#位点位于近坝区域，水深较浅，水流湍急，如在该位置设置鱼道进口，建议疏通河道，减缓流速。