王思瑩， 楊文俊， 黃明海， 王智娟

(1.長江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，武漢 430010； 2.武漢理工大學(xué) 新材料力學(xué)理論與應(yīng)用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

我國魚類洄游通道和生境恢復(fù)技術(shù)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(xué)院 水力學(xué)研究所，武漢 430010； 2.武漢理工大學(xué) 新材料力學(xué)理論與應(yīng)用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

我國目前處于水電開發(fā)建設(shè)的高峰時期，生態(tài)環(huán)境保護(hù)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(fù)技術(shù)來加以保護(hù)。闡述了魚類洄游通道和生境恢復(fù)的重要意義，總結(jié)了該類技術(shù)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(shù)發(fā)展面臨的主要問題和挑戰(zhàn)。通過對21世紀(jì)以來(特別是最近5 a)國家自然科學(xué)基金資助的相關(guān)項(xiàng)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(fù)技術(shù)的主要努力方向，包括：①各種典型魚類的生活習(xí)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(fù)措施及過魚效果驗(yàn)證。

魚類；洄游通道；生境恢復(fù)技術(shù)；魚道；魚類種群分布;國家自然科學(xué)基金

1 魚類洄游通道和生存環(huán)境恢復(fù)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(jìn)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(xí)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(xué)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(yīng)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?cè)芙鈿怏w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(shè)的高峰時期，環(huán)境保護(hù)問題受到來自社會各方面的高度重視，過魚設(shè)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(hù)對象的需求，一些重大工程通過設(shè)計(jì)和建造魚道、過魚閘、升魚機(jī)等魚類過壩建筑物，或采取集運(yùn)魚船、增殖放流、河道生態(tài)恢復(fù)等非工程手段來恢復(fù)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(fù)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(fù)技術(shù)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(xí)性、生理特征的生物學(xué)，另一方面是涉及魚道、過魚閘、升魚機(jī)等洄游通道恢復(fù)措施設(shè)計(jì)和建設(shè)的工程水力學(xué)。前者是魚道等魚類洄游通道和生境恢復(fù)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，后者是該技術(shù)實(shí)施運(yùn)行的保障，兩者應(yīng)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(fù)技術(shù)進(jìn)行的相關(guān)研究和設(shè)計(jì)應(yīng)用過程中，對魚類等生物行為習(xí)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(diào)研和對魚類游泳能力的室內(nèi)試驗(yàn)觀測2方面。由于我國流域分布寬廣，魚的種類繁多、習(xí)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(jī)能和行為特點(diǎn)未形成系統(tǒng)有效的認(rèn)識。工程設(shè)計(jì)時則通常從建筑物的體型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，注重水力學(xué)參數(shù)的測定，對魚類的生活習(xí)性等考慮不夠。專門研究魚的生物科學(xué)家對工程應(yīng)用背景和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則不甚關(guān)注，工程設(shè)計(jì)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(yán)重制約了我國魚類洄游通道和生境恢復(fù)技術(shù)的發(fā)展，亟需突破。

因此，將魚類行為學(xué)和魚道等相關(guān)的工程水力學(xué)研究相結(jié)合，發(fā)展魚類等水生生物洄游通道和生存環(huán)境恢復(fù)技術(shù)，對我國生態(tài)環(huán)境保護(hù)有著重要的意義，在當(dāng)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(chǔ)

陳凱麒等[2]通過調(diào)查收集水電站蓄水階段竣工環(huán)保驗(yàn)收報告，分析得出我國水電項(xiàng)目所采用的魚類保護(hù)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(fù)手段。

我國的魚道建設(shè)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(jì)80年代，相繼建設(shè)了40余座魚道。②停滯期：自葛洲壩水利樞紐中采取建設(shè)增殖放流站的措施來解決中華鱘等珍稀魚類的保護(hù)問題至此后的20多年，我國在建設(shè)水利水電工程時很少修建過魚設(shè)施，相關(guān)的技術(shù)研究工作幾乎沒有開展。③二次發(fā)展期：進(jìn)入21世紀(jì)后，過魚設(shè)施的研究和建設(shè)重新受到重視，一批過魚設(shè)施已建成運(yùn)行或在規(guī)劃建設(shè)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(shè)施的調(diào)研結(jié)果表明，我國大部分魚道運(yùn)行情況并不理想。因此，在充分認(rèn)識和了解魚道研究和建設(shè)發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上， 提出改進(jìn)方法與措施， 提高魚道的設(shè)計(jì)水平， 大幅加強(qiáng)過魚有效性，對于保護(hù)河流生態(tài)、促進(jìn)水利水電可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。近2 a，一些學(xué)者提出了仿自然式[17-18]、流速可控式[19]、改進(jìn)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(jié)構(gòu)型式，并對其水力特性和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行了探索性研究。

此外，減緩水利工程建設(shè)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(diào)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(hù)意識不夠強(qiáng)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(fù)技術(shù)的水平仍然較低，難以滿足我國生態(tài)保護(hù)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(fù)研究面臨的主要問題如下。①基礎(chǔ)研究薄弱、經(jīng)驗(yàn)不足。國外水電開發(fā)進(jìn)程比我國要早，生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面也有非常豐富的成功經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。我國在這方面起步較晚，基礎(chǔ)較薄弱，經(jīng)驗(yàn)不足。早期我國相關(guān)研究主要從借鑒國外成功經(jīng)驗(yàn)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(hù)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(shù)引進(jìn)過程中存在不少問題，需要我國科研工作者進(jìn)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(hù)的任務(wù)重，目前針對各流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)相關(guān)資料的調(diào)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(shè)、輕管理的運(yùn)行維護(hù)機(jī)制:由于以往社會環(huán)保意識不強(qiáng)、缺少經(jīng)費(fèi)支持等原因，我國早期的魚類洄游通道和生境恢復(fù)工程普遍存在重建設(shè)、輕管理的現(xiàn)象;一些設(shè)施建成之后即成擺設(shè)，沒有有效運(yùn)行。④缺少運(yùn)行效果的反饋:對已有的成功實(shí)例，目前也往往缺乏長期系列的監(jiān)測，對設(shè)施的過魚情況以及生態(tài)修復(fù)效果進(jìn)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(diǎn)，增加了相關(guān)工程措施的建設(shè)難度，給我國魚類保護(hù)措施的建設(shè)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(fù)技術(shù)的發(fā)展與魚類習(xí)性及其生活環(huán)境、水電工程建設(shè)及其對生態(tài)環(huán)境的影響、通道恢復(fù)設(shè)施的特性等方面息息相關(guān)。對該技術(shù)的研究也應(yīng)該從這幾個方面著手，且必須各方面同步發(fā)展，才能實(shí)現(xiàn)魚類生態(tài)保護(hù)水平的切實(shí)提高。本節(jié)主要從我國國家自然科學(xué)基金近期資助的研究項(xiàng)目和獲得成果出發(fā)，對我國魚類洄游通道和生境恢復(fù)技術(shù)相關(guān)的4個主要研究方向的研究現(xiàn)狀及最新進(jìn)展作總結(jié)分析。

3.1 魚類生活習(xí)性及游泳行為

表1列出了2001年以來， 國家自然科學(xué)基金資助的有關(guān)魚類游泳行為和生活習(xí)性等方面的研究項(xiàng)目信息。此外在生物學(xué)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(jī)理等方面的研究項(xiàng)目和成果，本文未列入其中，并不作討論。

表1 與魚類生活習(xí)性及游泳行為相關(guān)的 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目

最初出于仿生應(yīng)用等方面的考慮，中國科學(xué)院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)、中國人民解放軍理工大學(xué)的課題組對魚類的游泳機(jī)理進(jìn)行了研究，包括對特殊魚類在巡游、機(jī)動等游動狀態(tài)的運(yùn)動和力學(xué)特性[23-24]、推進(jìn)機(jī)理[25]、節(jié)能機(jī)制[26]的觀測和分析[27]。

近幾年，從生態(tài)保護(hù)的角度出發(fā)，一些學(xué)者開始關(guān)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(yùn)動代謝、游泳能力和生態(tài)行為等)的影響[34]。

研究結(jié)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(jìn)游泳速度，其中與魚道等洄游通道恢復(fù)工程設(shè)計(jì)密切相關(guān)的是后兩者[35]。測得試驗(yàn)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(xì)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(chǔ)研究，給魚類保護(hù)技術(shù)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(yīng)

表2列出了2001年以來，國家自然科學(xué)基金資助的有關(guān)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(guān)研究項(xiàng)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(yīng)進(jìn)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(yùn)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(dǎo)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(diào)整行為，適應(yīng)較大的流速及生理?xiàng)l件的需要。

最近2 a立項(xiàng)的國家自然科學(xué)基金資助的相關(guān)項(xiàng)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(hù)的重視及科研界作出的努力應(yīng)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(xué)基金資助的有關(guān)水電開發(fā)等對魚類環(huán)境因子造成影響的相關(guān)研究項(xiàng)目。

表2 與魚類種群分布及其生境因子響應(yīng)相關(guān)的 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目

表3 有關(guān)水電開發(fā)對魚類生境因子造成影響的 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目

以中國科學(xué)院水工程生態(tài)研究所、三峽大學(xué)、四川大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)為代表的研究團(tuán)隊(duì)，以三峽、葛洲壩等不同水利工程的建設(shè)和運(yùn)行為背景，選取中華鱘、裂腹魚等珍稀魚種為研究對象，進(jìn)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(diào)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(jìn)行研究，結(jié)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(guān)項(xiàng)目明顯增多，科研資源的加大投入應(yīng)該可以進(jìn)一步促進(jìn)本方向的發(fā)展。

3.4 洄游通道和生境恢復(fù)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(fù)技術(shù)，加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)措施建設(shè)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)。針對魚道等措施的設(shè)計(jì)和建設(shè)，我國在歷年的工程實(shí)踐中積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。近年來，有關(guān)單位和學(xué)者也申報獲批了不少國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，對魚道、過魚水輪機(jī)、閘壩生態(tài)運(yùn)行調(diào)度、生境恢復(fù)等相關(guān)技術(shù)進(jìn)行專門的深入研究(見表4)。

表4 與魚類洄游通道恢復(fù)技術(shù)相關(guān)的 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)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(shè)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(qiáng)非洄游性魚類上下游的種質(zhì)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(diào)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(yàn)等研究手段，針對不同進(jìn)口型式、結(jié)構(gòu)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(guān)系、紊流特性及消能率等方面進(jìn)行了較全面而深入的研究[44-48]，促進(jìn)了魚道等工程設(shè)計(jì)水平的發(fā)展。而水庫分層取水、生態(tài)調(diào)度運(yùn)行控制等近幾年也成為水利科研的研究熱點(diǎn)，社會及科研界對生態(tài)保護(hù)的重視正逐步落到實(shí)處。

4 結(jié)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(fù)技術(shù)對生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要意義?；仡櫫宋覈贼~道建設(shè)為主的魚類洄游通道和生態(tài)恢復(fù)技術(shù)的發(fā)展過程和研究現(xiàn)狀，指出目前我國相關(guān)技術(shù)發(fā)展存在的主要問題有：①基礎(chǔ)研究薄弱、經(jīng)驗(yàn)不足；②觀測資料欠缺、不系統(tǒng)；③重建設(shè)、輕管理的運(yùn)行維護(hù)機(jī)制；④缺少運(yùn)行效果的反饋等。最后，通過對21世紀(jì)以來(特別是最近5 a)相關(guān)研究成果的歸納總結(jié)和對我國國家自然科學(xué)基金資助相關(guān)項(xiàng)目的調(diào)查，指明了我國魚道洄游通道和生境恢復(fù)技術(shù)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(xí)性和游泳行為能力；②魚類種群分布特點(diǎn)及其生境因子響應(yīng)規(guī)律；③水電開發(fā)對魚類生境因子的影響；④魚類保護(hù)措施的制定及過魚效果。

雖然我國魚類洄游和生境恢復(fù)技術(shù)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(hù)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(shù)必將得到大力發(fā)展，為我國的生態(tài)保護(hù)切實(shí)發(fā)揮作用。

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(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(xué)基金項(xiàng)目(51479007，51509016)；湖北省自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目(2015CFA026)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)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(xué)、流體力學(xué)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