高水头水电站的尾水辅助鱼类捕集与运输系统：水动力学设计及现场评估

《Ecological Engineering》：Tailwater-assisted fish collection and transportation system for high-head hydropower dams: Hydrodynamic design and field evaluation

　　

摘要

高水头水力发电大坝会破坏河流的连续性，而在大坝高度较高、水库水位变化较大且下游水力条件极为复杂的情况下，传统的鱼道往往难以实用。在本研究中，我们为中国金沙江下游一座270米高的水力发电大坝设计并实地测试了一种利用尾水辅助鱼类采集与运输的系统。通过三维水动力模型来确定大坝下游鱼类可能出现的接近通道和聚集区域，该系统被设置在大坝尾水出口附近，因为预计喜流性鱼类会聚集在此处。该系统由固定的尾水采集站和可移动的采集桶组成：固定站利用水轮机的尾水作为吸引水流，同时设有高速和低速入口以及低速休息区，从而能够针对不同游泳能力的鱼类实现多深度、多速度的采集。2021年和2022年的实地操作分别捕获了30,368条和33,931条鱼类，涵盖了两年监测期内的所有主要目标物种及次要目标物种。采集效果与水力发电的运行状况密切相关：当通过固定站旁尾水隧道的流量为500–1100立方米/秒时，采集效果最佳；流量过小则无法有效吸引鱼类，而流量过大则可能超出某些目标物种的水流适应能力或游泳极限。这些结果表明，水力发电产生的尾水可作为一种生态引导信号，为在高水头大坝处恢复鱼类通道提供可借鉴的捕捉与运输设计方案。

引言

大坝和水力发电站会打破河流的纵向连通性，改变自然水流模式，进而改变河流生态系统的物理结构（Roscoe和Hinch，2010；Bunt等人，2012）。在高水头水力发电系统中，蓄水还会进一步改变水深、流速分布和水温条件，使河流栖息地变为类似水库的环境（Pelicice等人，2015；Kuriqi等人，2021）。对于洄游鱼类而言，这些变化会干扰它们的产卵迁徙，降低不同种群间的基因流动，进而影响鱼群的补充（Katopodis等人，2019；Li等人，2021）。因此，鱼类通道设施是受人类干预河流中河流修复和生物多样性保护的重要组成部分（Shi等人，2015；Silva等人，2018）。

鱼类通道设施的效能不仅取决于设施类型，还与入口位置、吸引水流、水力条件复杂性以及与目标物种的生物适应性密切相关。入口位置不当是导致鱼道无法有效吸引鱼类的主要原因之一（Williams等人，2012）。吸引力过弱则无法引导鱼类进入通道，而过强的湍流或流速则可能阻碍鱼类进入或通过通道（Bunt等人，2012；Noonan等人，2012）。鱼类通道的效能还受到鱼类自身游泳能力以及对复杂水流场行为反应的影响（Katopodis等人，2019；Tan等人，2022）。在高水头大坝处，由于大坝高度高、河谷狭窄、尾水水位波动大以及水轮机或溢流道水流复杂，传统的人工鱼道更难以发挥作用，这些问题尤为突出。

对于中水头和高水头的水电项目，当建造全高度鱼道或类似自然环境的绕行通道不可行时，捕捉与运输系统可作为一种实用的修复手段（Williams，2008）。这类系统可在下游捕获鱼类，将其提升或运输到障碍物另一侧，然后再放归上游栖息地。美国太平洋西北地区长期开展的计划就利用这种捕捉与运输方式帮助鲑科鱼类绕过高坝和水库迁移（Williams，2008；Kock等人，2021），而澳大利亚的Hinze大坝系统则实现了跨62米高障碍物的多种鱼类向上游转移（Harris等人，2019）。这类方法的有效性取决于能否可靠地吸引和捕获鱼类、安全地处理和运输它们、选择合适的放流地点，以及鱼类放流后的生存状况。在高坝的尾水区域，水轮机喷射流、循环区以及快速变化的流量既可能引导鱼类走向采集入口，也可能将它们驱离采集区域。因此，将尾水水力条件与目标物种的游泳能力相结合，对于提升采集效率至关重要（Piper等人，2020；Kock等人，2021）。

近几十年来，中国的鱼类通道建设发展迅速，但由于在设计和管理过程中未能充分考虑吸引水流条件以及目标物种的行为特征，许多设施的效能仍然有限（Mao，2018；Yu和Chang，2025）。金沙江下游生活着许多具有不同栖息地偏好和游泳能力的特有河鱼。在金沙江下游的一座270米高的水力发电大坝处，由于大坝高度过高、河谷地形狭小以及下游水流湍急，传统的鱼道难以使用。本研究旨在解答三个关键问题：（1）在复杂的尾水流场中，鱼类采集设施应设置在何处；（2）如何利用水轮机尾水作为吸引水流，同时保留低速避难区域；（3）水力发电的运行如何影响实地采集效果？本研究的创新之处在于，通过整合固定式和移动式采集系统，将水力发电产生的尾水转化为生态引导信号，从而为多种特有河鱼提供多深度、多速度的采集条件。

内容节选

研究地点与生态目标

W水电站位于长江上游流域的金沙江下游，左岸为四川省会东县，右岸为云南省禄劝县。该工程于2021年6月全面投入运营，主要用于发电和防洪。大坝为混凝土双曲拱坝，最大高度约为270米。该坝址的年均流量为3830立方米/秒，水库

模拟的尾水水力条件及模型推导的鱼类接近路径

在所有12台机组均运行的条件下，模拟结果显示出中央区域流速较高，两岸边缘流速较低，而在尾水喷射流附近存在循环区。根据2.3节所述方法得出的鱼类接近通道和潜在聚集区域如下所示。

模拟显示，下游狭窄区域的流速约为3.0–5.0米/秒，这一数值超过了已公布的鱼类临界游泳速度范围

尾水作为生态吸引水流

本研究的一个实际成果是，可将水轮机尾水纳入入口设计之中，而不仅仅是将其视为一种水力限制因素。在高水头水力发电项目中，由于流速高、湍流强且流量变化快，尾水水力条件通常被视为极具挑战性的。然而，如果将采集入口设置在上游鱼类可能出现的区域，这些水流反而可以为喜流性鱼类提供方向指引。

结论

本研究为中国金沙江下游一座270米高的水坝设计并实地测试了一种利用尾水辅助鱼类采集与运输的系统。通过经过水动力验证的三维模型，结合施工前的鱼类采样数据、水声观测结果、渔民访谈信息以及已发表的鱼类游泳能力数据，我们确定了鱼类可能出现的接近通道和聚集区域，从而为采集设施的位置选择提供了依据。最终

CRediT作者贡献说明

张文川：模型验证、方法设计、研究实施、数据整理、论文审稿与编辑、初稿撰写。王翔：方法设计、概念构思、论文审稿与编辑。江伟：资金获取、论文审稿与编辑。张迪吉：模型验证、资源协调。梁岩：软件应用、定量分析、论文审稿与编辑。杨磊：研究实施。杨婷悦：数据整理。李文静：模型验证、研究实施。高玉雷：模型验证、资源协调。戴凌泉：

利益冲突声明

作者声明存在以下可能构成利益冲突的财务利益或个人关系：

江伟表示，其研究工作得到了中国三峡集团技术服务项目（项目编号0711677和0711678）的资助。此外，他还获得了中国国家重点研发计划（项目编号2022YFC3204200）的资助。此外，江伟还提及自己拥有相关专利申请中，具体情况为

致谢

本研究得到了中国三峡集团技术服务项目（项目编号0711677和0711678）以及中国国家重点研发计划（项目编号2022YFC3204200）的支持。

张文川|王翔|江伟|张迪吉|梁岩|戴凌泉|杨磊|杨婷悦|李文静|高玉雷

中国三峡集团，中国武汉430010