第1章 绪论
1.1 过鱼设施发展概要
1.1.1 过鱼设施的发展背景与现实需求
1. 发展背景
据史料记载，我国于公元前600年建成**座水利工程芍陂，并在其后相继成功修建了诸多水利设施。其中，位于四川的都江堰（建于公元前250年）和位于广西的灵渠（建于公元前214年）历经2200多年仍可正常运作并造福当地百姓。随着我国现代化进程的不断推进，特别是全面建成小康社会这一历史壮举的实现，人民对可靠能源和清洁环境的需求也日益提高。在此背景下，我国水电事业蓬勃发展，全国主要流域的水电潜能已被开发或正处于开发之中。当前，梯级水电站已成体系，如何实现水电工程与生态保护的协调发展成为新的课题。根据国家新的发展要求，我国针对水电开发与环境保护形成了“生态优先、统筹考虑、适度开发、确保底线”的原则与共识。过鱼设施作为沟通闸、坝或天然障碍，促进鱼类洄游而设置的一种工程手段应运而生。
2. 现实需求
水电工程的建设不可避免地将原本通畅的河流分割成为不同片段，阻断了洄游性鱼类的迁徙通道，阻隔了当地鱼类种群的基因交流。同时，河流连通性的降低也阻滞了上下游各生物与非生物要素的交换，削弱了河流系统的完整性，导致其在能量流动、物质循环及信息传递等方面发生功能性退化。拦河筑坝改变了河道内原有的水文情势，破坏了鱼类生存所需的生境条件，从而降低了各鱼种的丰度和遗传多样性，*终对种群的繁衍和鱼类资源的可持续发展产生不利影响。综上所述，为保护鱼类，恢复河流生态多样性，修建过鱼设施势在必行。
1.1.2 过鱼设施的发展历程
1. 过鱼设施的起步、停滞与重启
与西方发达国家相比，我国过鱼设施的建设与研究起步较晚。据统计我国从1958年
至2017年水利水电项目中已建和在建的过鱼设施共150座[1]。
我国于1958年修建富春江七里垄水电站时*次提出过鱼设施的概念。工程进行了原位生态环境调查和水工模型试验，为鱼道修建奠定了基础。而在之后的20世纪60年代至70年代，我国共修造了10多条鱼道，主要分布在江苏、浙江、上海、安徽、广东、湖南。这些鱼道大多直接参照西方的技术与经验，缺乏鱼道所在地基础渔业资料的支撑，因而未能充分发挥过鱼功能。
考虑到过鱼设施较高的建设成本及不尽如人意的过鱼效果，国内学者和工程人员开始转而寻求包括增殖放流在内的其他方式作为过鱼设施的替代方案。这些措施在葛洲坝工程建设初期引发了广泛讨论，并被*终确定为后续水电工程鱼类资源补偿的主要方法。受此影响，从1980年至2000年，我国过鱼设施建造减缓。增殖放流在保护和维系水产资源的实践初期效果良好，但随即也暴露出诸多弊端，如保护对象种质退化、养殖个体野外存活率低及河流生态环境持续恶化等问题。此外，因过鱼设施工程需求的下降，相应的科研与技术研究工作鲜有开展，这直接导致我国过鱼设施建设在这20年间几乎停滞。
21世纪初，我国水电开发飞速发展，珍稀特有鱼类的保护变得更加棘手。鱼类资源所面临的严重危机使过鱼设施的研究和建设重新获得关注，国家更在法律层面为过鱼设施的回归奠定基础。其中，2002年颁布的《中华人民共和国水法》第二十七条明确要求：国家鼓励开发、利用水运资源。在水生生物洄游通道、通航或者竹木流放的河流上修建永久性拦河闸坝，建设单位应当同时修建过鱼、过船、过木设施，或者经国务院授权的部门批准采取其他补救措施，并妥善安排施工和蓄水期间的水生生物保护、航运和竹木流放，所需费用由建设单位承担。在不通航的河流或者人工水道上修建闸坝后可以通航的，闸坝建设单位应当同时修建过船设施或者预留过船设施位置。而其他一些法规也规定，在鱼、虾、蟹洄游通道建闸、筑坝，对渔业资源有严重影响的，建设单位应当建造过鱼设施或者采取其他补救措施。在法律出台的同时，中国渔业管理人员和科研人员也开始从多种渠道了解西方的鱼类通道和鱼类保护方法。
2. 过鱼形式的多样化
过鱼设施包含所有能够让鱼类通过障碍物的一切人工通道和设施。早期的过鱼设施通过开凿河道中的礁石和疏浚急滩等天然障碍以疏通鱼类的洄游路线。伴随着社会和科学的发展，过鱼设施的种类更为多样，主要包含上行过鱼设施和下行过鱼设施两大类。上行过鱼设施包括鱼道、鱼闸、升鱼机、集运鱼系统及其他诱鱼导流附属设施。鱼道适用于低水头水利枢纽，鱼闸和升鱼机适用于高水头水利枢纽，而集运鱼船则可以跨越梯级电站河段。相对于上行过鱼设施，我国在下行过鱼设施方面研究和实践尚不深入。根据国外发展经验，下行过鱼设施既可以通过设置物理栏栅或行为屏障（如电栅、声驱鱼阵列等）来防止下行鱼类进入危险通道（如传统水轮机室），也可以对原有下行通道进行优化，使其生态友好化。下行过鱼设施通常包括过鱼旁路、生态友好型溢流堰、生态友好型水轮机及其他附属物理屏障。
3. 高坝过鱼带来的挑战经过数十年发展，我国建设的水利枢纽有数万座。截至2017年，建设坝高在100m以上的水利枢纽共计191座，其中已建水利枢纽172座，在建水利枢纽19座（图1-1）；建设库容10亿m3以上水利枢纽137座，其中已建126座，在建11座。从时间上看，20世纪90年代后期至21世纪是我国高坝建设的高峰，尤其是坝高200 m 以上的水利枢纽基本兴建于21世纪[2]。
图1-1 中国高坝建设年代分布
随着我国高水头大坝数量的增加，高坝过鱼问题日益突出。针对高坝过鱼，过鱼设施工程可考虑选择集运鱼系统、升鱼机或鱼闸，并根据当地条件，比较各设施类型的优缺点进行合理设计。同时，还需对各类型设施在国内应用的可行性做进一步探讨，选择有代表性的流域和地区开展前期试点研究。我国的**座集运鱼系统位于乌江水电基地12级开发中的第10级彭水水电站。此后，更多的集运鱼系统在不同流域相继建成，为我国高坝过鱼实践积累了宝贵经验。
当前，过鱼设施在我国发展势头迅猛，全国对生态环境保护的认知及重视程度不断提高。过鱼设施不仅是鱼类洄游通道，也已成为实现上下游物质、能量与水生生物基因交流的重要通道，充分发挥了河流生态廊道的功能，*大限度地解决大坝修建带来的生境破碎化等问题。
1.1.3 过鱼设施的改进与完善
过鱼设施优化与众多工程技术手段密切相关，而生物种类、水力条件、地形工况等诸多因素都制约着过鱼设施的设计。不同鱼类的游泳能力将直接影响过鱼设施特征流速的取值，是过鱼设施设计必须考虑的因素。纵观国内外过鱼设施建设的经验，任何成功的过鱼项目都必须在工程设计上充分考虑鱼类的生态习性和当地的生态环境特征。
具体而言，合理高效的过鱼设施必须从以下几个方面进行考虑：一方面，要充分解析过鱼设施周围资源环境参数水平；另一方面，要分析鱼类对环境因子的行为响应。以鱼道为例，作为鱼道设计的关键参数，鱼类游泳能力对指导优化鱼道设计至关重要，鱼道流速应与过鱼对象的游泳能力相适应，从而保证鱼类能够成功克服水流完成上溯洄游。基于此，工程人员通常需要以主要过鱼对象的游泳能力、游泳行为等特性为依据来确定鱼道类型、鱼道设计流速及鱼道池室参数。主要过鱼对象持续游泳速度的快慢直接决定着鱼道内的设计流速大小，而鱼道休息池的距离主要通过主要过鱼对象持续游泳速度及游泳恢复能力等相关信息进行确定。此外，鱼道有效性还与通道内水深、紊动能、紊动耗散等参数有关，通常而言，竖缝式鱼道池室竖缝宽度与池宽比为0.1～0.2时较为合理。综上，选择合理鱼道设计流速对鱼类迅速高效地通过过鱼设施，提高过鱼通过率，以达到较好过鱼效果具有重大的意义。
1.2 我国过鱼设施主要特征
过鱼设施作为缓解筑坝工程对鱼类洄游通道和河流连通性影响的常用措施，对促进坝址上下游鱼类遗传信息交流，维护自然鱼类基因库、保证鱼类种质资源、维护鱼类种群结构等有着重要作用。当前，过鱼设施的研究、设计和建设正处于高潮，各大流域凡筑坝修堤阻断河流连通性且有鱼类保护要求的工程，都在积极论证、研究合理的过鱼和鱼类保护措施。
中国境内“七大水系”均为河流构成，为“江河水系”，均属太平洋水系，包括：珠江水系、长江水系、黄河水系、淮河水系、辽河水系、海河水系和松花江水系。各大水系因地理位置不同，水电资源特色各不相同，相应的水电站建设也形式各异，过鱼和鱼类保护措施类型也有所不同。例如：在东部沿海、长江下游沿江平原地区的低水头闸坝建有湖南洋塘鱼道、安徽裕溪闸鱼道和江苏浏河鱼道等40座以上的过鱼设施，形式主要为结构型鱼道；葛洲坝由于过鱼对象中华鲟的特殊性，故采用增殖放流取代过鱼设施。水头较低或水头中等的水电建设项目，设计阶段可采用鱼道或仿自然通道措施，而对水头较高的水电建设项目，可采取鱼道、升鱼机、集运鱼系统或不同组合方式的过鱼措施。
基于以上分析，本节梳理了国内各大水系水利水电工程过鱼设施的建设情况。相比于数量众多的水电站，过鱼设施数量明显不足。表1-1列举出截至2003年七大水系上建有过鱼设施的水电站，以及该水电站采用的过鱼设施类型，表1-2列举出了截至2014年其他流域的过鱼设施类型。
表1-1 截至2003年七大水系水电站及过鱼设施分布情况[3]
表1-2 截至2014年其他水系流域鱼道建设相关情况
我国水能资源空间分布不均衡，具有明显的空间集聚特点。西南地区的水能资源*为丰富，而东部地区的水能资源则较为贫乏，在全国总体上呈现出“西部丰富、东部贫乏”的状况。水能资源在不同流域之间的分布也有较大的差异，长江流域的水能资源*丰富，远高于其他流域。水电开发方面，长江流域的水电站装机容量*大，占全国总量的一半以上。从开发程度看，我国水能资源总体开发利用程度较低。因我国水资源的分布不均匀，所以不同流域水电站数量有很大不同。中国的七大水系上，长江流域分布的水电站*多，有5 748座；其次是珠江流域，1 759座；松花江和辽河上的水电站数量较少，分别为33座和16座。各水系之间水电站的数量差距较明显，这可能与每个水系的水资源量有关。长江流域的水电开发已从三峡上溯到金沙江及其他上游支流，长江上游流域水电开发规模大、梯级密、水坝高[5]。
因不同流域水文条件、过鱼对象等不同，所以过鱼设施的种类和数量也有所不同。长江流域虽然水电站的数量*多，但过鱼设施的建设与其水电站数量不存在正比关系（图1-2），这可能与长江一些水利工程坝址所处环境、施工技术及过鱼种类有关。随着水能资源的开发利用，长江成为世界上拥有拟建或在建大坝*多的河流，大坝的建设水头往往较高，修建鱼道的技术和成本较高。长江流域梯级开发形成的水利工程联合调度大大增加了过鱼难度，这些地区过鱼设施的建设不能只针对未建或在建大坝，有必要根据具体情况，决定是否在已建大坝补建过鱼设施或考虑一体化的过鱼方案。若大坝距离较近，分开建设过鱼设施就不现实，而水电开发过于密集的地区，支流消失，过坝后鱼类很难寻找到栖息地，这些地区采用集运鱼系统或许更为合适[6]。相反，松花江流域相较其他流域，过鱼设施数量与水电站数量的比值接近10%（图1-2），即平均每10座水电站会建一座过鱼设施，这样河流中鱼类的多样性能得到很大的保障。
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