朱 泰，邸凌杰

(1.重慶交通大學國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074;2.重慶交通大學水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074)

在航道整治工程中，尤其在礁石量巨大的山區(qū)航道中，需要采用施工效率較高的水下爆破方式對礙航礁石進行清除以保證航道的安全通航能力[1]。但是爆破清礁會對河流生態(tài)環(huán)境造成嚴重影響，主要是其產(chǎn)生的沖擊波會導致附近魚類的損傷[2-3]。而國內這方面研究較少，適用于實際工程的魚類安全臨界指標還不明確，無法判斷爆破對魚類的具體影響范圍。所以，為進一步貫徹落實“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的新時代水利工作方針和黨的十九大生態(tài)文明建設精神[4]，切實解決水利工程存在的生態(tài)問題，開展水下爆破沖擊波作用下的魚類損傷及生態(tài)防護研究具有重要的現(xiàn)實意義，是發(fā)展生態(tài)環(huán)保、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。

1 水下爆破沖擊波對魚類的損傷研究

1.1魚類損傷機理

沖擊波會導致爆破中心周邊產(chǎn)生瞬間的高壓，并以波的形式向外傳遞。由于魚體的密度與水的密度相似，沖擊波通常會直接穿過魚體進行傳遞。當沖擊波產(chǎn)生的超高壓與超低壓交替產(chǎn)生的振動傳遞到魚體內的空氣腔時，由于空氣具有很強的可壓縮性，空氣腔壁可能在壓力作用下產(chǎn)生嚴重形變，進而導致其撕裂或破碎[5]。筆者對爆破現(xiàn)場的死亡魚類進行了解剖檢驗，主要對魚類的魚鰾等內臟進行了觀測(如圖1所示)，結果表明，只有少數(shù)爆破中心附近的魚體表受到明顯創(chuàng)傷，大多數(shù)被水下爆破殺死的魚體色正常，體表完整無擦傷，但內臟表面通常呈淡綠色或綠色液體，膽囊破裂，魚鰾破裂，部分魚的腦血管明顯充血(死亡魚類的損傷情況如圖2所示)。

圖1 實驗魚類及魚鰾示意

圖2 實驗魚類損傷示意

1.2 魚類損傷特征

現(xiàn)場觀測試驗表明，沖擊波會導致魚類產(chǎn)生以下反常的特征狀態(tài)。

1) 行為特征：水下爆破沖擊波會大大降低魚類的游動能力，使其行動緩慢麻木，甚至死亡，有些魚會失去平衡，腹部向上或側向在水面游動，可能是由于神經(jīng)系統(tǒng)受損。

2) 解剖特征：水下爆破沖擊波會導致魚類內臟器官損傷出血甚至破碎。魚鰾是最容易受到損傷的器官，除此之外，還有肝、膽、脾、腎等內臟器官。

3) 生理特征：研究表明魚類的激素水平、體溫、血壓等指標均可能受水下爆破沖擊波的影響產(chǎn)生變化[6]，具體影響程度還有待研究。

1.3 魚類死亡率的影響因素

在水下爆破沖擊波作用下，影響魚類死亡率的因素主要有以下幾個方面。

1) 沖擊波壓力

研究發(fā)現(xiàn)死亡率隨著爆心距的增大而逐漸減小。尚龍生等人[7]曾對生命力較強的鯽魚和鲇魚進行了4 kg硝銨炸藥水下爆炸試驗，結果顯示，距離爆炸中心20 m以內的魚類100%當場死亡；距離爆炸中心40 m左右的魚類33%當場死亡；距離爆炸中心50 m以外的魚基本沒有死亡。Keevin等人[8]曾選擇藍鰓太陽魚進行了兩組小藥量的水下爆破實驗，結果顯示，魚類在距離爆破中心35 m以內時，基本全部死亡；在距離45 m以外時，基本不受爆破影響。這種魚類損傷程度隨距離的增加而減弱的規(guī)律完全符合沖擊波峰值壓力隨距離遞減的傳播特征[9-11]。因此可知，沖擊波對魚類的致死率與其峰值壓力呈正相關關系。不同沖擊波壓力作用下的魚類損傷情況見表1。

表1 不同沖擊波壓力下魚類損傷情況

2) 魚群種類

蔣玫等[12]曾選擇梅童、白姑魚和鮸魚等石首科魚類進行水下爆破作用下的死亡率觀測試驗，并與其他魚類進行對比。結果顯示，在水下沖擊波壓力為0.058 MPa的情況下，對爆破沖擊波較為敏感的石首科魚類100%當場死亡；而其他科屬魚類在沖擊波壓力分別為0.293 MPa、0.075 MPa、0.058 MPa的情況下，在24 h后的死亡率分別約為20%、10%、3%。因此，沖擊波對魚類的致死率存在明顯的種間差異。

導致這種差異的主要因素是不同魚類的內臟生理結構不同。石首科魚類由于具有耳石，因此對沖擊波壓力更加敏感。對于大部分魚類，最容易受到?jīng)_擊波損傷的器官就是充滿空氣的魚鰾，因此，無鰾魚類和魚鰾較小的魚類一般具有有較強的抵抗爆破沖擊的能力。而魚鰾較大、魚鰾連接較為松散或魚鰾壁較薄的魚類更容易受到?jīng)_擊波損傷[13]。此外，活動水域靠近水面的魚類比深水魚類更易受沖擊波的作用導致?lián)p傷，這是因為沖擊波在水面反射，可能對靠近水面的魚類造成二次損傷[14]。

3) 個體大小

體重較輕的魚類比體重較重的魚類更容易在爆破中受到傷害[15]。相比較于大型幼魚和成年魚，幼魚更容易受到水下爆破沖擊波的影響，特別是有魚鰾的幼魚。

4) 約束狀態(tài)

根據(jù)實測研究發(fā)現(xiàn)，處于自由狀態(tài)的魚類對水下爆破沖擊波的承受能力要強于受約束狀態(tài)的魚類。這可能是由于自由狀態(tài)的魚類一般在礁石等掩蔽物周邊活動，且在感受到爆破時做出一定躲避。而網(wǎng)箱養(yǎng)殖魚類處于約束狀態(tài)承受沖擊波的全部作用，且應激反應使它們在魚籠內亂竄[16]造成嚴重的損傷。同時，魚籠中的水流紊動也會對魚類造成傷害。

5) 死亡率的延遲性

對爆破實驗后的魚類死亡率進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)當場的死亡率較爆破后4 h以及24 h的致死率要低，即死亡率隨爆破后時間的推移緩慢增加。這是因為魚類受到?jīng)_擊波影響后的體腔出血和器官破裂可能隨時間的延續(xù)愈發(fā)嚴重甚至導致組織壞死，進而導致部分魚類死亡。此外，魚類器官損傷可能影響魚類正常游泳活動或捕食活動，從而死亡。以魚鰾為例，一旦魚鰾受損，魚類將無法完成在水中上浮、下沉或懸停的游泳行為，使其在捕獲獵物和躲避捕食者方面可能處于嚴重的劣勢，最終導致死亡。

2 水下爆破工程的生態(tài)防護研究

為了減輕沖擊波對魚類的損傷作用，保護工程周邊的生態(tài)環(huán)境，需要對水下爆破工程的生態(tài)防護措施進行研究，主要有以下方面。

2.1 沖擊波壓力的生態(tài)安全控制

為了預防并減少水下爆破沖擊波對魚類的損傷，可以通過優(yōu)化爆破施工設計以及采用微差鉆孔爆破等先進工藝減少工程炸藥量，控制爆破沖擊波的峰值壓力，從而實現(xiàn)魚類的生態(tài)防護。研究表明，當沖擊波壓力在0.05 MPa以上時，會對部分魚類造成損傷；在0.03 MPa以上時，可能對魚類的神經(jīng)系統(tǒng)造成影響[17]。因此，對于一般的內河航道工程，可以取0.03 MPa作為其生態(tài)安全臨界壓力值；如果工程周邊有養(yǎng)殖場或產(chǎn)卵場，為確保安全可以取0.02 MPa作為其生態(tài)安全臨界壓力值。不同魚類可承受的壓力值見表2。

表2 不同魚類的安全臨界壓力 MPa

2.2 魚類的安全距離

為保護爆破工程水域的魚類，在施工前可以對周邊魚群的位置進行調查并確定附近是否有魚類產(chǎn)卵場、索餌場及越冬場，同時，對魚類的生態(tài)安全距離進行估算。根據(jù)這些結果可以對工程方案進行生態(tài)安全優(yōu)化設計，從將爆破影響范圍內的生態(tài)危害降到最小，確保工程的生態(tài)防護效果。針對有鰾魚類，現(xiàn)有安全距離的估算公式如下[18]：

(1)

式中R為安全距離，m；W為炸藥的重量，kg；Wf為魚的重量，kg；dw為爆破發(fā)生處的深度，m。

該公式的結果表示炸藥在水深較淺的水域中爆破時約90%魚類存活的大致距離。而現(xiàn)在水下爆破工程多采用鉆孔爆破，相比于傳統(tǒng)水下爆破工藝，釋放到水體中的能量更少，因此，該公式的計算結果較為可靠。

對于不同炸藥量工況下魚卵和幼魚的安全距離，加拿大漁業(yè)水域爆破物使用指南[19]中的規(guī)定見表3所示。

表3 不同炸藥量下魚卵及幼魚的安全距離

2.3 生態(tài)安全防護設施

在沖擊波峰值壓力難以控制且魚類安全距離得不到保證的情況下，可采用一些生態(tài)安全防護設施對魚類進行保護?，F(xiàn)階段較為有效的設施便是氣泡帷幕裝置，即在水底安裝與空氣壓縮機相連接的有孔鋼管，產(chǎn)生大量氣泡形成空氣壁，通過氣泡振蕩、氣泡壓縮性、隔絕熱傳導以及氣泡與水之間的粘滯力來降低水中沖擊波的能量。本文對長江三峽水利樞紐工程下游泄水箱涵出口的水下爆破開挖工程中的氣泡帷幕使用效果進行了研究(見表4所示)，由表4可見，沖擊波壓力在經(jīng)過氣泡帷幕時被削減了85%～95%，可以有效減少沖擊波對周邊魚類及生態(tài)環(huán)境的有害影響。

表4 氣泡帷幕前后沖擊波壓力對比

3 結語

水下爆破沖擊波對生態(tài)環(huán)境具有嚴重的負面效應，其產(chǎn)生的超高壓力會造成魚類的魚鰾等內臟器官損傷甚至死亡，因此需要對其進行生態(tài)安全防護。防護理念主要包括：① 將爆破沖擊波壓力控制在魚類安全臨界壓力之下；② 根據(jù)魚類的安全距離對工程進行生態(tài)優(yōu)化設計；③ 安裝氣泡帷幕來減輕爆破工程的生態(tài)危害性。研究結果對于魚類資源的保護具有積極意義，對航道的生態(tài)安全建設具有一定參考價值。