王思瑩， 楊文俊， 黃明海， 王智娟

(1.長江科學院 水力學研究所，武漢 430010； 2.武漢理工大學 新材料力學理論與應用湖北省重點實驗室，武漢 430070)

我國魚類洄游通道和生境恢復技術研究現(xiàn)狀分析

王思瑩1,2， 楊文俊1， 黃明海1， 王智娟1

(1.長江科學院 水力學研究所，武漢 430010； 2.武漢理工大學 新材料力學理論與應用湖北省重點實驗室，武漢 430070)

我國目前處于水電開發(fā)建設的高峰時期，生態(tài)環(huán)境保護問題受到高度重視。人們對河流資源的開發(fā)利用阻隔了魚類自由遷徙的洄游通道，大大影響了魚類賴以生存的環(huán)境，亟需發(fā)展洄游通道和魚類生境的恢復技術來加以保護。闡述了魚類洄游通道和生境恢復的重要意義，總結了該類技術在我國的研究現(xiàn)狀和發(fā)展過程，指出了我國魚類洄游通道技術發(fā)展面臨的主要問題和挑戰(zhàn)。通過對21世紀以來(特別是最近5 a)國家自然科學基金資助的相關項目及研究成果分析，指明了目前我國魚類洄游通道和生境恢復技術的主要努力方向，包括：①各種典型魚類的生活習性和游泳行為能力；②魚類種群分布及生境因子影響規(guī)律；③水電開發(fā)對魚類生境因子的影響規(guī)律；④洄游通道和生存環(huán)境恢復措施及過魚效果驗證。

魚類；洄游通道；生境恢復技術；魚道；魚類種群分布;國家自然科學基金

1 魚類洄游通道和生存環(huán)境恢復的意義

由于肥育、繁殖等需求，一些魚類的不同生命周期需要在不同水域之中進行，在不同水域之間的洄游成為這些魚類生命中不可或缺的行為習性。然而隨著人們對河流資源的不斷開發(fā)利用，越來越多的隔流建筑物修建于自然河流中，中斷了河流生境的連續(xù)暢通，改變了上下游的水文及水動力學條件。對魚類來說，一方面隔斷了其自由遷徙的洄游通道，另一方面改變了其長年適應的生態(tài)環(huán)境，包括水文情勢的變化、下泄水溫降低、水體中總溶解氣體的過飽和等[1]，對魚類的生存發(fā)育造成了較大的影響。

我國目前仍處于水利水電工程建設的高峰時期，環(huán)境保護問題受到來自社會各方面的高度重視，過魚設施已成為工程環(huán)境影響評價的主要內(nèi)容之一。針對魚類及其他生物保護對象的需求，一些重大工程通過設計和建造魚道、過魚閘、升魚機等魚類過壩建筑物，或采取集運魚船、增殖放流、河道生態(tài)恢復等非工程手段來恢復魚類洄游通道和生存環(huán)境，力求在取得工程綜合效益的同時，也能取得良好的生態(tài)恢復效果，以利于保持生態(tài)系統(tǒng)的平衡和物種多樣化。

魚類洄游通道和生境恢復技術的發(fā)展主要受2方面因素的影響：一是涉及魚類的行為習性、生理特征的生物學，另一方面是涉及魚道、過魚閘、升魚機等洄游通道恢復措施設計和建設的工程水力學。前者是魚道等魚類洄游通道和生境恢復技術發(fā)展的基礎，后者是該技術實施運行的保障，兩者應相互依存，互相支撐，缺一不可。我國在對魚類洄游通道和生境恢復技術進行的相關研究和設計應用過程中，對魚類等生物行為習性和生理特性的研究主要集中在對魚類種群分布的現(xiàn)場調研和對魚類游泳能力的室內(nèi)試驗觀測2方面。由于我國流域分布寬廣，魚的種類繁多、習性各異，目前掌握的觀測數(shù)據(jù)和研究深度都十分有限，對不同生境下各種魚的生理機能和行為特點未形成系統(tǒng)有效的認識。工程設計時則通常從建筑物的體型結構設計出發(fā)，注重水力學參數(shù)的測定，對魚類的生活習性等考慮不夠。專門研究魚的生物科學家對工程應用背景和設計準則不甚關注，工程設計人員對魚的特性又知之甚少，形成了兩者研究之間的脫節(jié)，即“魚”和“水”的分離研究，嚴重制約了我國魚類洄游通道和生境恢復技術的發(fā)展，亟需突破。

因此，將魚類行為學和魚道等相關的工程水力學研究相結合，發(fā)展魚類等水生生物洄游通道和生存環(huán)境恢復技術，對我國生態(tài)環(huán)境保護有著重要的意義，在當前水電大開發(fā)的背景下顯得十分重要和緊迫。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 工作基礎

陳凱麒等[2]通過調查收集水電站蓄水階段竣工環(huán)保驗收報告，分析得出我國水電項目所采用的魚類保護措施主要是魚道、增殖放流、人工魚巢、網(wǎng)捕過壩等，其中魚道是目前使用最多的魚類洄游通道恢復手段。

我國的魚道建設和研究大致經(jīng)歷了如下3個時期[3-4]。①初步發(fā)展期：1958年在規(guī)劃開發(fā)富春江七里壟水電站時首次提及魚道，1960年在興凱湖附近首先建成新開流魚道；至20世紀80年代，相繼建設了40余座魚道。②停滯期：自葛洲壩水利樞紐中采取建設增殖放流站的措施來解決中華鱘等珍稀魚類的保護問題至此后的20多年，我國在建設水利水電工程時很少修建過魚設施，相關的技術研究工作幾乎沒有開展。③二次發(fā)展期：進入21世紀后，過魚設施的研究和建設重新受到重視，一批過魚設施已建成運行或在規(guī)劃建設中，如西藏獅泉河魚道[5]、吉林老龍口魚道[6-7]、湘江土谷塘魚道[8]、西江長洲魚道[9]、黑龍江依蘭魚道[10-11]、漢江興隆魚道[12]、大渡河枕頭壩一級電站魚道[13-14]、漢江崔家營魚道[15-16]等。

但現(xiàn)有魚道設施的調研結果表明，我國大部分魚道運行情況并不理想。因此，在充分認識和了解魚道研究和建設發(fā)展狀況的基礎上， 提出改進方法與措施， 提高魚道的設計水平， 大幅加強過魚有效性，對于保護河流生態(tài)、促進水利水電可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。近2 a，一些學者提出了仿自然式[17-18]、流速可控式[19]、改進的橫隔板豎縫式[20]、梯形橫斷面式[21]、螺旋式[22]等新型魚道結構型式，并對其水力特性和設計準則進行了探索性研究。

此外，減緩水利工程建設對魚類棲息和生存環(huán)境影響的主要措施包括建立替代生境拓展魚類的生存空間、采取分層取水減輕水庫下泄低溫水對下游河道中魚類生長發(fā)育的不利影響、通過人工優(yōu)化調度下泄生態(tài)流量滿足下游魚類生存的棲息環(huán)境需求等。由于以往人們生態(tài)保護意識不夠強烈，這些研究的開展都發(fā)展緩慢，往往淺嘗輒止，其廣度和深度都比較有限。

總體來說，目前我國魚類洄游通道和生境恢復技術的水平仍然較低，難以滿足我國生態(tài)保護的需求，亟需發(fā)展。

2.2 面臨的問題和挑戰(zhàn)

我國對魚類洄游通道和生境恢復研究面臨的主要問題如下。①基礎研究薄弱、經(jīng)驗不足。國外水電開發(fā)進程比我國要早，生態(tài)環(huán)境保護等方面也有非常豐富的成功經(jīng)驗可供借鑒。我國在這方面起步較晚，基礎較薄弱，經(jīng)驗不足。早期我國相關研究主要從借鑒國外成功經(jīng)驗著手開展工作。由于地域、環(huán)境、物種等方面的差別，我國魚道等魚類保護措施的作用對象以及工作環(huán)境均與國外有差別，因此技術引進過程中存在不少問題，需要我國科研工作者進行專門研究。②觀測資料欠缺、不系統(tǒng):由于我國水電開發(fā)的規(guī)模大，涉及的地域廣泛，影響的物種豐富，生態(tài)環(huán)境保護的任務重，目前針對各流域生態(tài)環(huán)境保護相關資料的調研查勘仍然存在資料欠缺、已有資料不夠全面系統(tǒng)的問題。③重建設、輕管理的運行維護機制:由于以往社會環(huán)保意識不強、缺少經(jīng)費支持等原因，我國早期的魚類洄游通道和生境恢復工程普遍存在重建設、輕管理的現(xiàn)象;一些設施建成之后即成擺設，沒有有效運行。④缺少運行效果的反饋:對已有的成功實例，目前也往往缺乏長期系列的監(jiān)測，對設施的過魚情況以及生態(tài)修復效果進行反饋評估。

除上述問題之外，我國水電開發(fā)存在梯級開發(fā)程度高、大壩和高壩數(shù)量眾多的特點，增加了相關工程措施的建設難度，給我國魚類保護措施的建設帶來了新的挑戰(zhàn)。

3 主要研究方向

魚類洄游通道和生境恢復技術的發(fā)展與魚類習性及其生活環(huán)境、水電工程建設及其對生態(tài)環(huán)境的影響、通道恢復設施的特性等方面息息相關。對該技術的研究也應該從這幾個方面著手，且必須各方面同步發(fā)展，才能實現(xiàn)魚類生態(tài)保護水平的切實提高。本節(jié)主要從我國國家自然科學基金近期資助的研究項目和獲得成果出發(fā)，對我國魚類洄游通道和生境恢復技術相關的4個主要研究方向的研究現(xiàn)狀及最新進展作總結分析。

3.1 魚類生活習性及游泳行為

表1列出了2001年以來， 國家自然科學基金資助的有關魚類游泳行為和生活習性等方面的研究項目信息。此外在生物學專業(yè)，有較多針對各種魚類本身的生理特征、成長演變、遺傳機理等方面的研究項目和成果，本文未列入其中，并不作討論。

表1 與魚類生活習性及游泳行為相關的 國家自然科學基金項目

最初出于仿生應用等方面的考慮，中國科學院、中國科學技術大學、清華大學、中國人民解放軍理工大學的課題組對魚類的游泳機理進行了研究，包括對特殊魚類在巡游、機動等游動狀態(tài)的運動和力學特性[23-24]、推進機理[25]、節(jié)能機制[26]的觀測和分析[27]。

近幾年，從生態(tài)保護的角度出發(fā)，一些學者開始關注不同影響因素(流速、溫度、溶氧水平、鹽度、魚體重、年齡和攝食水平等)對鯽魚[28]、裂腹魚[29]、鳙魚[30]、中華鱘[31]、松花江典型魚類[32]以及草魚[33]等各種魚類游泳特性(運動代謝、游泳能力和生態(tài)行為等)的影響[34]。

研究結果表明魚類的游泳速度可分為3類，即持續(xù)游泳速度、 耐久游泳速度(臨界游速)和突進游泳速度，其中與魚道等洄游通道恢復工程設計密切相關的是后兩者[35]。測得試驗條件下，體長12～20 cm鯽的相對極限游速為(3.85±1.10) BL/s(BL表示體長)，松花江內(nèi)懷頭鲇相對臨界游速為(3.17±0.66) BL/s，翹嘴鮐相對臨界游速為(5.84±1.87) BL/s，長春鳊的相對臨界游速為(4.56±1.44) BL/s,鳙的相對臨界游速為(4.57±0.56) BL/s，草魚幼魚(體長5～15 cm)的相對臨界游速為(9.33±2.43) BL/s，體長10～11 cm細鱗裂腹魚的相對臨界游泳速度為(11.5±0.5) BL/s。一般來說，同一種類的魚臨界游速隨體長的增加而增加，而相對臨界游速隨體長的增大而減小。這些基礎研究，給魚類保護技術的發(fā)展提供了支撐。

3.2 魚類種群分布及其生境因子響應

表2列出了2001年以來，國家自然科學基金資助的有關不同流域不同種類的魚類種群分布、生態(tài)特征及環(huán)境因子變化對其影響的相關研究項目。此外涉及遺傳變化等因素的研究較多，本文不作論述。

現(xiàn)有研究成果多是專門針對中華鱘[36]、裂腹魚[37]等特殊魚種的分布格局、洄游特性及其對生境因子的響應進行的，已有研究表明環(huán)境因素中溫度、水流和鹽度等因素對于魚類種群分布和洄游運動都具有特別重大的影響[38]。這些因素一般是綜合發(fā)揮作用的，在某種特定狀況下，一種因素可能起主導的作用，比如流速較大時，裂腹魚受生活環(huán)境的限制及水流的脅迫，不斷地調整行為，適應較大的流速及生理條件的需要。

最近2 a立項的國家自然科學基金資助的相關項目顯著增加，內(nèi)容涉及到河口、黃河口、珠江、漓江等多個水系中的各類魚種棲息地生境因子的時空變化及群落分布。這顯示了社會對魚類生態(tài)保護的重視及科研界作出的努力應對。

3.3 水電開發(fā)對魚類生境因子的影響

目前改變我國魚類生境因子最大的原因是水電開發(fā)。表3列出了2001年以來， 國家自然科學基金資助的有關水電開發(fā)等對魚類環(huán)境因子造成影響的相關研究項目。

表2 與魚類種群分布及其生境因子響應相關的 國家自然科學基金項目

表3 有關水電開發(fā)對魚類生境因子造成影響的 國家自然科學基金項目

以中國科學院水工程生態(tài)研究所、三峽大學、四川大學等科研機構為代表的研究團隊，以三峽、葛洲壩等不同水利工程的建設和運行為背景，選取中華鱘、裂腹魚等珍稀魚種為研究對象，進行一系列研究，取得了初步成果[31，39-43]。研究成果表明水電開發(fā)對魚類生境可能產(chǎn)生的影響包括：水量減少，棲息地連續(xù)性和水力條件改變，水溫降低，溶解氣體過飽和，泥沙含量變化，產(chǎn)卵場、索餌場和越冬場條件變化等。對西南山區(qū)某日調節(jié)水庫壩后電站下泄排水變化(非恒定流)對下游河道內(nèi)齊口裂腹魚棲息地的影響進行研究，結果表明[43]產(chǎn)卵場受非恒定流影響水位變幅較大，越冬場受非恒定流影響流速變幅較大，尤其是產(chǎn)卵場河道水位驟升驟降時將影響成魚產(chǎn)卵及魚卵的成活率。近2 a，相關項目明顯增多，科研資源的加大投入應該可以進一步促進本方向的發(fā)展。

3.4 洄游通道和生境恢復措施和效果

以上研究最終都是為了發(fā)展魚類洄游通道和生境的恢復技術，加強生態(tài)保護措施建設，實現(xiàn)生態(tài)保護。針對魚道等措施的設計和建設，我國在歷年的工程實踐中積累了寶貴的經(jīng)驗。近年來，有關單位和學者也申報獲批了不少國家自然科學基金項目，對魚道、過魚水輪機、閘壩生態(tài)運行調度、生境恢復等相關技術進行專門的深入研究(見表4)。

表4 與魚類洄游通道恢復技術相關的 國家自然科學基金項目

目前主要采取減緩阻隔作用和減緩適宜生境被壓縮的措施來減緩水利工程建設對魚類棲息地的不利影響。其中，減緩阻隔包括采取過魚措施疏通魚類洄游通道、人工捕撈親魚輔助其過壩到上游產(chǎn)卵或者通過人工增殖放流等措施幫助洄游性魚類完成其生活史，增強非洄游性魚類上下游的種質交流。減緩適宜生境被壓縮的措施主要包括建立替代生境拓展魚類的生存空間、采取分層取水減輕水庫下泄低溫水對下游河道中魚類生長發(fā)育的不利影響、通過人工優(yōu)化調度下泄生態(tài)流量滿足下游魚類生存的棲息環(huán)境需求等。

特別值得一提的是，近10 a，針對豎縫式、池堰式、涵洞式、丹尼爾式和組合式等不同類型魚道的水力特性，科研工作者利用數(shù)值模擬和模型試驗等研究手段，針對不同進口型式、結構體型等布置條件下魚道各部位的水流流態(tài)、流速場特征、流量與水深的關系、紊流特性及消能率等方面進行了較全面而深入的研究[44-48]，促進了魚道等工程設計水平的發(fā)展。而水庫分層取水、生態(tài)調度運行控制等近幾年也成為水利科研的研究熱點，社會及科研界對生態(tài)保護的重視正逐步落到實處。

4 結論與展望

本文基于我國水電大開發(fā)的背景，闡明了發(fā)展魚類洄游通道恢復技術對生態(tài)環(huán)境保護的重要意義?；仡櫫宋覈贼~道建設為主的魚類洄游通道和生態(tài)恢復技術的發(fā)展過程和研究現(xiàn)狀，指出目前我國相關技術發(fā)展存在的主要問題有：①基礎研究薄弱、經(jīng)驗不足；②觀測資料欠缺、不系統(tǒng)；③重建設、輕管理的運行維護機制；④缺少運行效果的反饋等。最后，通過對21世紀以來(特別是最近5 a)相關研究成果的歸納總結和對我國國家自然科學基金資助相關項目的調查，指明了我國魚道洄游通道和生境恢復技術發(fā)展的4個主要研究方向包括：①各種典型魚類的生活習性和游泳行為能力；②魚類種群分布特點及其生境因子響應規(guī)律；③水電開發(fā)對魚類生境因子的影響；④魚類保護措施的制定及過魚效果。

雖然我國魚類洄游和生境恢復技術的發(fā)展面臨著艱難的挑戰(zhàn)，但我國社會和科研界已經(jīng)意識到生態(tài)保護的重要性，并且已經(jīng)開始投入較大的科研資源開展工作，相信不久的將來該技術必將得到大力發(fā)展，為我國的生態(tài)保護切實發(fā)揮作用。

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[47]王 猛，史德亮，陳 輝，等.豎縫式魚道池室結構變化對水力特性的影響分析[J].長江科學院院報，2015，32(1):79-83.

[48]黎賢訪，朱世洪，鄧潤興，等.魚道進口水力特性數(shù)值模擬研究[J].人民長江，2015，46(8)：7-9.

(編輯：羅 娟)

Fish Passage and Habitat Restoration Techniques in China:State of the Art

WANG Si-ying1,2，YANG Wen-jun1，HUANG Ming-hai1，WANG Zhi-juan1

(1.Hydraulics Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China； 2.Hubei Provincial Key Laboratory of Theory and Application of Advanced Materials Mechanics， Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China)

As China is now in the peak of hydropower development and construction,ecological environment protection has

great attentions. The exploitation and utilization of river resources have obstructed the migration passages of fishes, greatly affecting the environment in which fishes live. It is urgent to develop migration passages and habitat restoration techniques. This paper presents the significance of fish migration passages and habitat restoration, outlines the research status and development process of the techniques, and points out the main problems and challenges of technology development for fish passages in China. By summarizing relevant projects and research results supported by the National Natural Science Foundation of China since the 21st Century (especially in the recent 5 years), we present the main research directions of migration passages and habitat restoration techniques in China: 1) living habits and swimming ability of typical fishes; 2) influence of fish population distribution and habitat factors; 3) influence of hydropower development on habitat factors; 4) measures of fish passage and living habitat restoration and the verification of their effects.

fishes; migration passage; habitat restoration technique; fish passage; distribution of fish species; National Natural Science Foundation of China

2016-04-20

國家自然科學基金項目(51479007，51509016)；湖北省自然科學基金創(chuàng)新群體項目(2015CFA026)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目(2017IVA065)

王思瑩(1983-)，女，江西樟樹人，高級工程師，博士，主要從事水工水力學、流體力學方面的研究，(電話)15972102044(電子信箱)sywang@whut.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20160371

2017,34(8):11-17

TV135.9；Q958.12；X176

A

1001-5485(2017)08-0011-07