西藏部分水利设施的鱼道设计及鱼道监测技术分析*

邓希 吕琳莉 胡建生 冯春平

1.西藏农牧学院水利土木工程学院；2.国家能源集团西藏尼洋河流域水电开发有限公司，西藏 林芝 860000

修建大坝会直接影响到河流中鱼类的洄游，从而影响到该河流的生态。根据水利水电工程建设项目环境保护要求，在水利水电工程开发的同时应当准备相应的生态保护措施［1］，建设鱼道就是措施之一。鱼道能减轻大坝对河流的隔离影响，促进鱼类的洄游，对生态保护发挥着重要作用。鱼道监测是评价鱼道运行效果的手段，鱼道监测可以了解到鱼类的洄游情况、总体的过鱼效率等信息，进而对鱼道进行优化，使得原本受影响的河流生态恢复程度提高。目前西藏的鱼道大都采用的是竖缝式设计，采用视频监控、红外线和水声学等鱼道监测方法。

1 鱼道设计发展概况

1.1 国内外鱼道发展概况

鱼道这一概念首先是由17 世纪60 年代的法国提出的，截至到目前，巴西已建成超过50座鱼道、澳大利亚超过70 座、西班牙超过115 座、英国超过380 座、法国超过500座、日本超过11000座。1909年，由丹尼尔提出了一种利用挡板降低流速的鱼道，后被称为丹尼尔式鱼道。1938 年，美国建成了堰流式鱼道，它属于隔板式鱼道的一种。1943年，加拿大建成了鬼门峡鱼道，开创了竖缝式鱼道的先河。1994 年，澳大利亚在原有鱼道的基础上改造出了竖缝式鱼道，过鱼数量和种类明显增加。［10］

国内鱼道建设发展较晚，20 世纪50 年代我国才开始鱼道的建设，1958 年，我国第一次提出鱼道的概念，1960 年、1962 年和1966 年，我国相继建成了新开流鱼道、鲤鱼港鱼道和斗鱼港鱼道。到20 世纪80 年代，我国已建成的鱼道约有40座。到21世纪初，国家更加重视生态环境的保护，我国鱼道建设得到大力发展，设计水头从20m 提高到了40 多m，鱼道的长度达到了4km，出现了淹没孔口式、仿生态式、涵洞式和组合式等新型鱼道。

1.2 西藏部分鱼道建设概况

西藏地处高海拔地区，鱼道建设起步较晚。目前国内外对西藏鱼道的研究较少，据笔者统计，与西藏鱼道相关的文献共14 篇。西藏自治区普遍选择鱼道作为过鱼设施。狮泉河水电站地处西藏自治区阿里地区噶尔县境内［2］，坝高为32m，坝址海拔约4350m。该处过鱼对象的主要过鱼季节为3～6 月，主要过鱼对象为横口裂腹鱼和锥吻叶须鱼。作为西藏自治区内早期建设鱼道的水电站，国内可供参考的鱼道建设经验较少，狮泉河水电站的鱼道设计尚未规范。鱼道采用导墙式鱼道，一共设有170 个水池，池室长度为3.7m，深度为1.5m，狭缝宽度为0.4m，每10 个池室设置一个6.625m 的休息池，整体长度为735m。鱼道设有1 个进鱼口和1 个出鱼口。由于经验的缺失，狮泉河水电站并未设置用于监测过鱼效果的鱼道监测系统。

藏木水电站处于西藏自治区山南地区加查县城上游［3，4］。该水电站处的主要过鱼对象为异齿裂腹鱼、巨须裂腹鱼和拉萨裂腹鱼，兼顾过鱼对象为尖裸鲤、双须叶须鱼、拉萨裂尻鱼、黑斑原鮡和黄斑褶鮡，主要过鱼季节为2～10 月。藏木水电站鱼道最大水头67.0m，因此鱼道的长度也达到了惊人的3621.388m。鱼道采用的是垂直竖缝式鱼道设计，池室长宽分别为3m 和2.4m，竖缝宽度为0.3m，深度为3.5m，鱼道中每上升4.5m 高程设置一个休息池，共10 个休息池。鱼道设有3个进鱼口和4个出鱼口。采用了视频监控的鱼道监测方法。

湘河水利工程地处西藏自治区日喀则市南木林县境内［5］。该处的主要过鱼对象可分为两大类群：鲤科的裂腹鱼亚科和鳅科的条鳅亚科，其中包括9 种土著鱼，4 种外来鱼种。湘河水利工程的主要过鱼季节为6～8 月份。湘河水利枢纽鱼道的最大水头达45.8m，鱼道总长度约1968.2m。鱼道采用了垂直竖缝式设计，池室长宽分别为2.3m 和2.0m，深度为1.2m，竖缝宽度为0.2m，鱼道中每隔18 个池室设置一个5～6m 长的休息池。鱼道设有2 个进鱼口和4 个出鱼口。采用了视频监控的鱼道监测方法。

多布水电站处于西藏自治区林芝市境内［6］。该水电站处的主要过鱼对象为拉萨裸裂尻鱼、异齿裂腹鱼、拉萨裂腹鱼、巨须裂腹鱼和双须叶须鱼，主要过鱼季节为3～6 月。多布水电站鱼道最大水头约21m，鱼道全场为1100.46m。鱼道采用竖缝式设计，池室长宽分别为2.5m 和2m，深度为2.5m，竖缝宽度为0.3m。鱼道在转弯处共设置7 个休息池，在较长直段处设置共计2 个休息池，休息池长宽分别为5m和2m。鱼道设有2 个进鱼口和2 个出鱼口。采用了视频监控、红外线监测和水声学监测的鱼道监测方法。

拉洛水利工程地处西藏自治区日喀则市萨迦县境内［7］，坝址海拔达4300m。主要过鱼对象为双须叶须鱼、异齿裂腹鱼、拉萨裸裂尻鱼和拉萨裂腹鱼，主要过鱼季节为3～8 月。鱼道最大水头为39.90m，最小水头为26.49m，全长约2194m。鱼道采用竖缝式设计，整体池室呈现“U”形结构，池室长宽分别为2.5m 和2.0m，深度最大为3.4m，竖缝宽度为0.35m，每20 个池室设置一个长度为5.0m 的休息池。鱼道设有1 个进鱼口和6 个出鱼口。由于拉洛水利枢纽位处海拔4000m 的严寒地区，多年平均温度为4.8℃，所以鱼道设计采用了C25F200W6 抗冻混凝土，鱼道内采用了防冻涂料涂抹水位变幅区域，鱼道外基面铺设厚度不小于1.5m 的砂卵石。拉洛水利枢纽于2014年6 月9 日开始修建，于2020 年投入使用，目前鱼道监测系统正在建设中。西藏部分鱼道概况如表1所示。

表1 西藏部分鱼道概况

1.3 鱼道设计展望

自2010 年起，国家环保部、水利部和交通部都陆续出台了关于鱼道建设的相应政策和文件，对鱼道建设越来越重视。我国鱼类种类数量多、空间分布广、江河生态环境差异大，针对不同的区域，所需的鱼道是截然不同的。鱼道的任务除了满足鱼类的洄游需求外，还应保持河流的连通性、水生态的完整性、水生生物的完整性。在后续的鱼道建设中，希望能做到因地制宜，对目标区域的洄游鱼类的洄游特性进行调查研究，包括洄游鱼类的年龄段、体长、对光的敏感度、喜好的流速和洄游的时间段等。同时，在工程建设完成后进行鱼道监测，不断优化鱼道管理方式，提高过鱼效率，确保鱼道能真正发挥实际作用，实现生态环境和水利工程共赢的局面。

2 鱼道监测技术发展概况

2.1 国内外鱼道监测技术发展概况

鱼道监测系统的目的是对鱼道的运行情况进行监测，对鱼道的运行情况进行评价。关于鱼道监测问题的研究，主要关注监测方法的精准度和对生态的影响问题。

国外鱼道监测技术发展较早，已形成了一些相对成熟得方法。目前，国外常用的监测技术主要有物理挂牌标记、水声学探测、PIT（Passive Integrated Transponder被动整合雷达标）射频识别、电阻法等。能够对鱼类数量、种类、长度、质量、年龄段等生物指标和水温、水头、流量等非生物指标进行记录，对于鱼道的运行做出有效评估。方法的选择主要取决于监测指标、成本、应用价值和学术价值等因素。

国内鱼道监测的主要方法有人工观测、标记重捕、摄像机监测和水声学探测等。1980年在洋塘使用人工观测和摄像机监测法，2011年在长洲使用人工观测、张网法和水声学探测法，2012 年在崔家营使用标志重捕和水声学探测法。由于鱼道监测时间持续短，监测方法使用有限，在之前的鱼道监测中，均未对鱼道的运行效果进行有效评估。

2.2 西藏鱼道监测技术概况

西藏目前常用的鱼道监测方法有视频监控法、鱼类识别法、标记重捕法、水声学监测、红外线监测等。

2.2.1 视频监控。西藏常用鱼道观察室作为鱼道监测系统。鱼道观察室设有摄像机和电脑等设备，本质上是属于视频监控技术。通过摄像头在鱼道中捕捉图像，利用人工计数得到过鱼数目。视频监控的优势在于成本较低、摄像头覆盖面积较广，弊端在于仅适用于浑浊度低的水体中。

2.2.2 鱼类识别。鱼类识别是基于深度学习的一种鱼道监测方法，目前西藏自治区并未大量引入。鱼类识别技术是通过将鱼类的某一物理特征作为识别标志［8］使用大量数据进行模型训练，使计算机在给出图像中，识别出具有识别标志的目标。目前使用较多的是将鱼类的长度、宽度和长宽比作为识别标志，通过大量数据训练能够识别出图像中拥有特定特征的目标，目前大部分鱼类识别技术的步骤大致为：

（1）投入大量需要识别的目标数据以供训练模型；

（2）人工筛选鱼道监控中的有效过鱼片段；

（3）将筛选出来的有效过鱼片段投入系统中进行识别。

该技术类似于人脸识别技术。目前的鱼类识别技术基本还停留在静态识别阶段，需要事先通过人工去筛选有效过鱼片段，再将数据传入计算机系统进行识别。鱼类识别技术的优势在于，水下摄像头对水体浑浊度的敏感度较低，不需要人工计数，能够同时统计数量和种类。弊端在于成本较高，需要软件和硬件双重支持，使用数据库在监测前对目标鱼类进行数据采集，无法正确识别数据库以外的鱼类。此外，水下摄像头的精度一定程度上会受到水体浑浊度和亮度的影响。

2.2.3 标志重捕。原理是在下游捕捞一定数量的鱼类，并将捕获的鱼类做上标记，一定时间后在上游再次进行同样数目的鱼类捕获，统计捕获鱼类中的带标记的鱼类。标志重捕法的优势在于，实验结果即过鱼效率。PIT射频识别技术本质上也属于标志重捕的一种，不同的点在于PIT 射频识别技术不需要二次捕获标记鱼类，通过设备接收标记鱼的信号，得到过鱼效率。弊端在于，该方法得到的过鱼效率具有偶然性且成本较高，需要对鱼类进行捕捞并在其身上植入标记，会对鱼体产生损伤，可能会影响鱼类的正常活动。该方法不能用于长时间的鱼道监测，且在长鱼道中使用效果较差，仅适合作为调查研究使用。

2.2.4 水声学监测。原理是利用设备在水下发射声波脉冲，声波脉冲在水下传播，监测到与传播环境不同密度的目标时反射回发射机，以此达到对鱼类的计数［9］。水声学监测的结果会受噪音、水深、水流流速、鱼类集群等因素影响。水声学监测的优势在于不受水体浑浊度的影响，监测范围较广。弊端在于成本较高，无法应对鱼类集群现象。

2.2.5 红外线监测。原理是在水下安装设备，一侧设置发射端另一侧设置接收端，当接收端没有收到发射端的信号时，计数加一。红外线监测的结果会受到乱石、杂物和水生植物少等阻挡物的影响，无法应对鱼类并排洄游的情况。安装在水下的设备，其检修频率和更换频率会提高。红外线监测技术的优势在于，不受水体浑浊度的影响，成本较低。弊端在于，无法区分鱼类和水中杂物，且不能应对鱼类集群的情况，如表2所示。

表2 西藏鱼道监测技术的适用条件及不足处

2.3 鱼道监测技术的展望

鱼道监测的目的是检验鱼道的运行效果，了解鱼道的过鱼效率，实质上就是确定鱼类是否能成功洄游到上游。理论上通过在上游进行仔鱼捕获，记录数量和种类也能达到这一目的。实际上鱼类洄游分为生殖洄游、索饵洄游和越冬洄游三种，该方法仅能针对生殖洄游这一种情况，因此，该方法并不实用。

新兴的鱼类识别技术，目前大部分还处于静态识别的阶段，笔者认为鱼类识别技术的发展方向大致应从软件和硬件两方面出发：软件方面是实现动态识别，即实现实时图像处理并进行识别；硬件方面需提高水下摄像头的清晰度并要保证在夜间运作的清晰度，否则鱼类识别技术在浑浊水体中无法正常发挥作用，在洪水期，鱼类识别技术无法有效对鱼道进行监测，无法监测完整的鱼类洄游期。

笔者认为，可将水声学监测技术和红外线监测技术相结合。两种方法都不受水体浑浊度影响，鱼道监测需要在水体浑浊度较高的洪水期进行，该两种监测技术相较于利用水下摄像头的鱼类识别技术适用性更好。其中，水声学监测技术是以声呐为基础的监测技术，在鱼群密集通过鱼道时无法准确识别数量。红外线监测技术在鱼群并排通过鱼道时无法准确识别数量。将二者结合，鱼道中安装声呐的基础上，在鱼道铅直方向安装红外线仪器，红外线仪器密集排放，从下方发射，以该处进行洄游鱼类的平均宽度作为计量标准计数，侧面安装的红外线仪器，以该处进行洄游鱼类的平均高度作为计量标准计数。声呐计数将过鱼数量限定在一个较小的范围之内，在鱼道下方安装红外线仪器应对鱼群并排洄游的情况，侧面安装应对鱼群上下叠层洄游的情况，最后对三者监测的数据进行处理，结果更趋近实际值。

3 结论

西藏地处高原地带，海拔较高，多是河谷地形，已建成的水利设施多为中、低水头水电站，升鱼机、鱼闸等形式的过鱼设施，持续运作时间短且更适用于水头较高的水利设施中，因此，西藏自治区内基本采用鱼道作为过鱼设施。鱼道监测方面，西藏已经引入部分国内外较为先进的鱼道监测技术，包括PIT射频识别、水声学探测和鱼类识别等，同时使用鱼类识别技术和水声学探测能达到较好的鱼道监测效果。针对鱼道建设区域开展洄游鱼类的调查，能提高鱼道的针对性，优化鱼道设计建设，根据不同的情况选择合适的鱼道监测技术，能提高鱼道监测的精准度，改进鱼道的运行管理方式，推进鱼道设计建设发展。