第1章 概论
1.1 引言
闸、坝等水利工程在除害兴利、造福人类社会的同时，也阻断了鱼类洄游通道，干扰了鱼类正常生命活动。过鱼设施是帮助鱼类顺利通过闸、坝等溯河障碍物的重要生态保护工程，对保护鱼类资源、恢复河流生态系统功能具有重要作用。与发达国家相比，我国过鱼设施研究工作起步较晚，但进入21 世纪以来，随着我国环保意识的提高，国内过鱼设施建设迎来了较大发展。过鱼设施的研究从本质上讲是一门交叉学科，既需要考虑闸、坝工程上、下游的水头消减问题，又需要考虑鱼类游泳行为对水流的需求；既要保障鱼类能发现过鱼设施入口，又要保障鱼类进入鱼道后能顺利上溯。忽视任何一个方面，过鱼设施都难以达到效果。加之不同鱼类的游泳能力、生态习性和行为特征差别较大，因此必须把水工水力学和鱼类行为生态学结合起来，开展专门的过鱼设施水力学研究，揭示鱼类喜好的上溯水流环境，营造出适宜鱼类上溯的水力条件，设计出具有实际效果的过鱼设施。基于鱼类游泳行为特性，加强过鱼设施水力学的研究工作，对于保护鱼类种群、推动绿色水电发展都具有重要意义。
1.2 过鱼设施水力学的研究背景
《中国水利统计年鉴2021 》显示，截至2020 年底，全国已建成的各类水库有98 566 座，流量Q≥5 m3/s 的水闸有103 474 座，并且数量仍在逐年增加。这些水利工程在除害兴利的同时，也给河流生态系统造成了一系列负面影响。其中一项重要影响就是，阻断了河流的纵向连通性，隔断了鱼类“三场”即产卵场、索饵场和越冬场之间的洄游通道，严重影响了鱼类产卵、索饵、越冬等关键生命活动，导致鱼类种群多样性丧失、经济鱼类品质退化，甚至使部分溯河洄游性鱼类的种群濒临灭绝。例如，20 世纪50 年代，我国长江下游的苏北地区开始修建万福闸等一系列水利工程，切断了幼鳗、刀鲚等鱼类的洄游路线，使高邮湖、洪泽湖等地区的此类经济鱼类几乎绝迹（水利部交通部南京水利科学研究所等，1982）。20 世纪60 年代，巢湖闸的修建使巢湖鱼类资源数量发生巨大变化，导致白鲟、河豚及东方鲀等珍稀鱼类均已不见踪影，甚至灭绝（王岐山，1987）。20 世纪80 年代，葛洲坝水利枢纽的兴建，不仅造成了当地淡水鱼产量的大幅度下降，也使得同期同江段中华鲟的数量下降约60% ，即使每年增殖放流，但相比于截流之前，雄性中华鲟的总体数量依然衰减了 90% 左右（柯福恩，1999 ；胡德高等，1983； 余志堂等，1981）。《长江三峡工程生态与环境监测公报2012 》显示，2012 年5～7 月，三峡水库坝下监利江段“四大家鱼”即青鱼、草鱼、鳙、鲢的鱼苗径流量平均值仅为三峡水库蓄水前平均值的3.8%。近年来国家通过增殖放流等方法加大了保护力度，2016 年监利断面“四大家鱼”鱼苗径流量恢复至13.4 亿尾，但仍仅为三峡水库蓄水前的53.1% 。张建铭等（2010）调查赣江峡江段“四大家鱼”资源状况发现，由于万安水电站的建设，青鱼、鲢、鳙资源量都已经极为稀少，仅余少量草鱼种群。抚河中游由于廖坊水库的修建也出现了和赣江峡江段相同的问题（花麒等，2009）。
因此，恢复河流纵向连通性，恢复鱼类洄游通道已刻不容缓。鱼道、鱼梯、升鱼机、集运鱼船等过鱼设施是帮助鱼类顺利通过水利枢纽等溯河障碍物的重要生态保护工程，对保护鱼类资源、恢复河流生态系统功能具有重要作用。随着人们环境保护意识的增强和国家生态环境保护力度的加大，越来越多的力量投入过鱼设施的研究和建设当中。
但当前已建过鱼设施的运行效果却不容乐观，如Fishway Guidelines for Washington State（Bates，2000）显示，目前世界各国可有效过鱼的鱼道工程不足50% 。过鱼效果不佳的主要原因就是，鱼类在利用过鱼设施上溯时难以克服水流障碍：一是鱼道等过鱼设施内部的水流障碍，包括流速、紊动能等水力学参数超出鱼类游泳能力或承受能力，以及鱼道池室内存在不利流态，使鱼类迷失上溯方向等；二是过鱼设施进口附近的水流障碍，主要是指河道主流、发电水流、鱼道水流等多股水流在过鱼设施的进鱼口形成复杂的水流条件，使得鱼类难以顺利发现并进入过鱼设施，从而导致过鱼失败。可见，适宜的水力条件对于过鱼设施成功过鱼是十分关键的，一直都是该领域研究的重点和热点问题。
过鱼设施水力学是一门水工水力学、鱼类行为生态学交叉的学科。传统过鱼设施水力学多单纯针对过鱼建筑物的水力特性开展研究，对鱼类游泳行为特性考虑不足。但是由于鱼类对水流环境有天然的趋利避害特性，所以如果水力设计缺乏对鱼类游泳行为特性的考虑，过鱼设施往往难以达到理想效果，不可避免地会出现上述水流障碍问题。针对我国鱼类种群，将水工水力学与鱼类行为生态学相结合，开展鱼道水力学研究，对于推动我国鱼道工程建设具有重要意义。
1.3 国内外研究进展
1.3.1 国内外过鱼设施建设情况
1. 鱼道
当前国内外主流的过鱼设施主要包括鱼道、升鱼机、集运鱼船等。鱼道是国内外研究和实践*早、应用*为广泛的过鱼设施，距今已有几百年的历史。鱼道工程*早可以追溯到 17 世纪的法国，当时人们利用一捆捆的树枝在陡峭的渠道中制造台阶来消除水能，以创造出供鱼类上溯的水流条件。早期的鱼道设计多凭直觉，并未进行相应的科学研究。直到20 世纪初，比利时工程师丹尼尔（Denil）*次提出利用水力学基本原理来设计鱼道，他通过在鱼道内间隔地布置隔板和底坎，来达到逐级消能和减小水流流速的目的，这种鱼道被称为丹尼尔式鱼道（水利部交通部南京水利科学研究所等，1982）。
自此，人们才真正认识到水力设计对于鱼道工程的重要性，过鱼设施水力学及鱼类行为学的相关研究自此陆续地开展起来。据统计，至20 世纪60 年代早期，西欧各国已建各类过鱼设施100 多座，美国和加拿大两国过鱼设施有200 多座，日本过鱼设施有近35 座，苏联修建了15 座过鱼设施，这些过鱼设施基本都是鱼道工程（国际大坝委员会，2012；王兴勇和郭军，2005）。到了20 世纪末，随着人们生态环境保护意识的增强，鱼道建设数量显著上升，北美约有400 座鱼道，而日本则有多达1 400 余座鱼道（陈凯麒等，2014）。
根据上溯鱼种的游泳行为特性差异，人们采用不同的水流消能方式，设计出了多种鱼道形式，根据结构形式可以将鱼道分为隔板式、槽式、仿生态式及特殊结构形式等。其中，隔板式鱼道近十几年来应用*为广泛，根据隔板形式的不同可分为竖缝式、溢流堰式、淹没孔口式、组合式等。
与发达国家相比，我国鱼道建设起步较晚，其建设经历了三个不同阶段（陈大庆等，2005）。
**阶段为从20 世纪50 年代末到80 年代初，国内开始研究鱼道并相继建设了40 多座鱼道，但大多已停止运行或废弃。1958 年在规划开发富春江七里垄水电站时*次提及鱼道，并进行了生态环境调查和水工模型试验。我国建设的**座鱼道是新开流鱼道，于1960 年在黑龙江兴凯湖附近建成。这一阶段建设的鱼道大多数布置在沿海、沿江、平原地区的低水头闸、坝上，底坡较缓，提升高度不大，一般在10 m 左右。这些鱼道大多数采用了组合式鱼道形式，其中新开流鱼道、鲤鱼港鱼道和洋塘鱼道等过鱼效果良好，但因当时的认识、经费和运行管理等方面的众多因素，大多数鱼道已年久失修，或者停止运行或遭废弃。
第二阶段为从20 世纪80 年代到20 世纪末，属于鱼道建设停滞期，个别工程通过建设增殖放流站来解决珍稀鱼种的保护问题。以葛洲坝为代表，当时普遍认为葛洲坝水利枢纽工程对长江草鱼、青鱼、鲢、鳙鱼类资源并无不利影响，不必建过鱼设施。鱼类即使通过鱼道，对繁殖也无好处。当时承认葛洲坝建设对中华鲟有很大影响，但是认为“中华鲟虽有过坝产卵的需要，但也不可能用鱼道来使这种大型鱼类上下通行。人工繁殖放流是繁殖保护中华鲟的可行而有效的措施”（易伯鲁，1982）。在此期间鱼道出现了近20年的停滞期。
第三个阶段：进入21 世纪以来，随着环保意识的提高，国内又恢复了鱼道的研究与建设，并且作为水利水电工程环境影响评价中生态环境保护的重要评价指标，鱼道建设迎来了大发展。我国先后颁布多项政策法规，针对水电开发提出生态环境保护工作要求。
2006 年国家环境保护总局办公厅下发了《关于印发水电水利建设项目水环境与水生生态保护技术政策研讨会会议纪要的函》，表明我国对水利水电工程生态环境保护措施的要求开始规范化，并将鱼道作为水利水电工程环境影响评价中生态环境保护的重要评价指标。
2013 年环境保护部、农业部联合印发了《关于进一步加强水生生物资源保护严格环境影响评价管理的通知》，以环境影响评价为主线，针对可能对水生生物产卵场、索饵场、越冬场及洄游通道造成不良影响的开发建设规划提出了更为严格和具体的要求。2014 年环境保护部和国家能源局联合下发了《关于深化落实水电开发生态环境保护措施的通知》，提出结合鱼类保护的重要性、影响程度和过鱼效果，水电工程应全面分析论证过鱼方式和采取过鱼措施的必要性，认真落实过鱼措施，加强过鱼效果的观测，优化过鱼设施的运行管理。这些工作有力地推动了过鱼设施建设和研究的发展。
2000 年以来，根据环境影响评价要求，我国98 个水电建设项目中，有44 个采取了过鱼设施，这些过鱼设施包括鱼道、升鱼机、网捕过坝等多种形式（祁昌军等，2017）。其中，采用鱼道的水电工程有19 个，约占43.2% 。这19 个鱼道中，有5 个是组合式鱼道，14 个是*立形式鱼道，*立形式鱼道中包括9 个竖缝式鱼道、3 个仿自然鱼道和2 个横隔板式鱼道。
国内近期鱼道建设中*高的大坝工程为丰满水电站，其*大坝高为94.5 m ，鱼道长度为1 407.57 m ，主要过鱼对象为日本七鳃鳗、草鱼、青鱼、鲢等短距离生殖洄游的经济鱼类。*长的鱼道为澜沧江里底水电站的鱼道，全长达3.0 km ，坝高75 m，主要过鱼对象为澜沧裂腹鱼、光唇裂腹鱼、灰裂腹鱼等。这两座鱼道均采用了竖缝式鱼道形式。
从鱼道工程的建设情况看，竖缝式鱼道在我国的应用*为广泛，其鱼道池室之间的过鱼口是从上到下的一条竖缝，水流受到池室之间隔板的阻挡而达到消能的效果，水流从布置在中间或两侧的竖缝中下泄，鱼可根据不同习性选择其喜好的水深通过，适合表、中、底层鱼类溯河洄游，适用性*为广泛。通过改变竖缝的位置和数量可以将竖缝式鱼道分为单侧、双侧、异侧、同侧等类型。
2. 集运鱼船
相比于鱼道，集运鱼船具有移动性强、可以适应坝下流场变化的优点。但是其也具有很大的局限性，因为集运鱼船适用于水流平缓的区域，所以多布置在坝上库区，帮助幼鱼降河，且受船体吃水深度的限制，只适用于在水面活动的鱼类，对于喜深水活动的鱼类诱集效果不佳。因为其适用范围比鱼道工程要小，所以集运鱼船更多情况下是鱼道工程的辅助过鱼手段，或是无法建设鱼道情况下的一种补偿手段。
3. 升鱼机
常规鱼道工程的运行水位差一般在60 m 之内，长度很少超过5 km 。升鱼机是*为常见的中高坝过鱼设施，但是在国内起步较晚，应用案例并不多。与鱼道相比，升鱼机具有四大优势：
（1）升鱼机出口能够适应大范围的水位变化；
（2）升鱼机对鱼类游泳能力要求不高，即使是游泳能力很弱的幼鱼依然能够通过升鱼机过坝，适用于各种鱼种；
（3）升鱼机结构紧凑，占地面积小；
（4）升鱼机改造方便，投资小，可以随着设备的升级不断改进。
从国外的经验看，对某些鱼种来说，升鱼机的效率很高，如美洲西鲱（利用传统鱼道很难成功地实现其过坝洄游）。升鱼机的主要缺点是它的运行及维修费用很高。而且对于小型鱼类而言（如鳗鲡），升鱼机的过鱼效率较低，对鱼类实现有效诱集的难度比较大。因此，集鱼系统的集诱鱼效果决定了升鱼机的*终成效。
4. 发展趋势
从发展趋势来看，低坝的过鱼技术仍
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