我国水利的迅速发展伴随着大坝、堰坝、水闸等水利设施的大量建设^[1]。根据国际大坝委员会(International Commission on Large Dams，ICOLD) 2023年4月更新的数据，全球共有61 988座大坝登记在册，其中中国大坝有24 089座，占全球总数的38.86%，大坝数量位列第一。水坝等水利设施的建设在保障人民生命财产安全和经济社会可持续发展方面发挥了重要作用，但同时也对生态系统造成了巨大影响。水利结构的建设破坏了水域的连通性，大量河道被水坝等设施阻隔，进而阻碍了鱼类的迁徙，对鱼类生物多样性造成了显著的负面影响^[2-3]。鱼道是保留水利设施鱼类洄游通道的有效工具，它可以保持河流的连通性，防止鱼类的灭绝。

随着近年来生态保护意识的不断增强，鱼道的建设及相关研究已逐渐成为热点^[4-5]。据不完全统计，2000年后我国有110多个水电工程修建了过鱼设施，其中鱼道占比＞65%^[6]。对鱼道的监测评估是改进和提升鱼道过鱼效能的基础，虽然我国鱼道的建设得到了长足的发展，但鱼道过鱼效能的监测和研究仍然较少^[7-11]。目前，国内已开展的鱼道监测工作以网补法为主，该方法可以对监测时段过鱼的种类和数量进行统计和分析，但受采样频率及采样时段的限制，难以进行持续监测，监测数据的时间分辨率也较低，限制了对鱼道过鱼规律的研究^[7]。本研究利用基于视频识别和水下声学的鱼道监测技术，对走马塘鱼道开展监测研究，了解鱼道过鱼效果及过鱼规律，为后续优化鱼道调度、保障鱼类洄游通道畅通提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 走马塘江边枢纽鱼道

走马塘江边枢纽于2012年7月建成通水，走马塘鱼道依附于走马塘江边枢纽节制闸建设，连接走马塘河道和长江。走马塘江边枢纽节制闸及鱼道遥感影像见图 1。由图 1可见，鱼道为垂直竖缝式，布置在水流平稳，且有一定水深的岸边(节制闸北岸)。鱼道长59.5 m，净宽2 m，底板高程0.5 m，顶部高程4.0 m(胸墙下为3.5 m)，设闸门控制。鱼道采用竖缝式隔板将水槽上、下游的水位差分成若干个小的梯级，共设竖缝式隔板28组，间距2 m。为优化鱼道空箱悬臂墩墙结构的受力条件，隔板下部生根于底板之上的肋板上，上部以撑板衔接固定，撑板宽度80 cm，厚度50 cm，竖缝之间过鱼孔最小间隙23 cm，利用竖缝式隔板之间的水垫、沿程摩阻、水流对冲和扩散来消除上、下游水头的多余能量。此外，为便于观察，在内河侧空箱翼墙的扶壁之间(鱼道侧壁)设置1个观察孔。上游鱼道纵剖面示意见图 2。鱼道隔板剖面及观察孔剖面示意见图 3(a)(b)。

1.2 监测方法

采用建设自动在线监测站点的方法对走马塘鱼道进行实时在线监测，传感器主要包括声呐、水下摄像头和水位传感器。分别在长江侧和内河侧鱼道内各设置了1套监测设备，每套监测设备包括1个水位传感器和6个水下摄像头；同时在内河侧安装1套探鱼声呐。声呐视野覆盖鱼道第1个隔板的左右2个狭缝。水下摄像头安装在鱼道第1个隔板和第2个隔板之间，摄像头靠近狭缝安装，每侧狭缝安装上、中、下3个摄像头，监控范围覆盖所有深度。水位监测点设置在鱼道出口和入口处，用于监测内河侧和长江侧水位变化。监测设备安装点位示意见图 4。监测设备安装方式示意见图 5。自动监测设备从2022年5月15日—8月15日开展连续监测，水位数据每小时记录1次，声呐和水下摄像头实时监测并全程记录影像数据。所有监测数据实时上传至监测软件平台，以供进一步分析研究。

1.3 数据分析

水位数据全程记录用于分析鱼道不同工况下的流场变化，特别是鱼道狭缝处的流速，流速流场的计算采用MIKE21软件进行模拟^[12-13]。声呐数据每小时抽样2 min进行人工观察分析，记录鱼道内过鱼数量和过鱼方向，总过鱼数为进鱼数和出鱼数之和。过鱼效率计算方法为：每小时抽样观察到的过鱼数×30，单位为尾/h。水下摄像头数据通过硬盘录像机的移动侦测功能辅助提取可能的过鱼片段，再由人工进行核实并对出现的鱼类进行鉴定和记录。

2 结果与分析 2.1 过鱼种类组成

通过水下摄像头监测发现，鱼道过鱼种类以鲤形目鲤科为主，包括(Hemiculter leucisculus)、鲫(Carassius auratus)、鳊(Parabramis pekinensis)、鲤(Cyprinus carpio)、草鱼(Ctenopharyngodon idella) 和鲢(Hypophthalmichthys molitrix)6种。鱼道过鱼的体长大约在10~40 cm，体长范围在20~30 cm之间的最多，占总数的83.6%。最小的个体是，最大的个体为草鱼。5月16日—8月16日水下摄像头取得过鱼影像样本482尾。鱼道过鱼种类、过鱼体长及其占比见图 6(a)(b)。由图 6可见，鳊的数量最多，约为370尾，占总数的76.76%；其次是鲫和鲤，分别为51尾和33尾，分别占总数的10.58%和6.85%；草鱼10尾，占总数的2.07%；鲢和各9尾，各占总数的1.87%。

2.2 过鱼数量变化特征 2.2.1 过鱼效率月变化特征

通过声呐监测数据计算，5月16日—8月16日，走马塘鱼道总体过鱼效率约为206.02尾/h，其中进鱼(长江游向走马塘)效率为161.19尾/h，占总过鱼数的78.24%；出鱼(走马塘游向长江)效率为96.00尾/h，占总过鱼数的22.76%。在监测期间，不同月份的过鱼效率呈升高趋势，5月份总过鱼效率为128.04尾/h，而8月份的总过鱼效率为368.00尾/h。各月份的进鱼和出鱼数量的占比略有不同，在监测期间，进鱼数占总过鱼数的比例不断降低，总体上进鱼效率约为出鱼效率的3~5倍。

2.2.2 过鱼效率日变化特征

过鱼效率日变化见图 7。由图 7可见，从日过鱼数上看，5月16日—8月16日，鱼道过鱼日过鱼数整体上呈增加的趋势。过鱼总数和进鱼数在8月5日达到最大值，分别为13 860和10 980尾，出鱼数在8月8日达到最大值，为3 060尾；过鱼总数和进鱼数在6月14日达到最小值，分别为180和120尾，出鱼数在5月18日、6月14日和7月27日达到最小值，为60尾。

2.2.3 过鱼效率小时变化特征

过鱼效率小时变化见图 8。由图 8可见，从每小时看，鱼道过鱼效率呈单峰模式，主要集中在每天6：00—18：00，平均过鱼效率＞250尾/h；11：00 —14：00，过鱼数量达到峰值，此时段过鱼效率＞500尾/h。

不同月份的过鱼效率小时变化见图 9。由图 9可见，走马塘鱼道过鱼效率在监测期间均表现出明显的昼夜节律，鱼类通过鱼道的行为大多发生在白天，极少发生在夜晚，这与鱼类的昼夜活动规律一致。从不同月份看，5—8月，鱼道的小时平均过鱼数量逐月增加，这与过鱼数量日变化特征一致。

2.3 鱼道狭缝平均流速与过鱼效率

鱼道过鱼效率受到的影响因素比较多，除了温度、光线以外，尤以鱼道复杂的水流环境影响最大，不同的水文状况下，鱼道运行效果的差异非常明显。鱼道上、下游水位落差变化，往往导致近鱼口的流速发生变化，而进鱼口的流速和流态是诱鱼的关键^[14-15]。

2.3.1 走马塘鱼道水文变化特征

走马塘鱼道连接内河与长江，监测期间内河侧平均水位为3.37 m，长江侧平均水位为3.03 m，总体上内河侧水位高于长江侧水位。内河水位相对稳定，变化范围为2.76 ~3.99 m；而走马塘鱼道所在长江段为感潮河段，长江水位变化相对较大，变化范围为1.24 ~5.26 m。一般情况下，鱼道内水流方向为从内河侧流入长江侧，但在长江涨潮时，长江侧水位常常高于内河侧水位，从而导致鱼道内水流方向的改变，长江水位每日涨潮2次，最多可导致3次鱼道内流向的改变。以“内河侧水位-长江侧水位”计算水位差，平均水位差为0.34 m，最大水位差为2.33 m，最小水位差为-1.94 m，在监测期间，几乎每日至少发生1次鱼道内流向的改变。同样的，鱼道内狭缝的平均流速也呈现相同的变化规律，以走马塘流向长江的流速为正，反之为负，则鱼道内狭缝处平均流速为0.26 m/s，2个方向上的最大流速分别为1.00和-1.10 m/s。

2.3.2 鱼道狭缝流速与过鱼数量的关系

走马塘鱼道监测期间的总过鱼效率、进鱼效率、出鱼效率与鱼道狭缝平均流速的散点图见图 10(a)(b)(c)，走马塘流向长江为正，反之为负。

由图 10可见，走马塘鱼道过鱼效率与鱼道狭缝平均流速关系明显。总过鱼效率在流速上的分布呈三峰结构，其中1个过鱼峰值出现在流速很小时(0 m/s附近)，另2个过鱼峰值分别出现在流速-0.75~-0.5 m/s和0.5~0.75 m/s处。这说明在流速达到0.5~0.75 m/s附近时，鱼道内的水流速度可能起到了诱鱼作用，有利于鱼类逆流而上，提升鱼道的过鱼效能；流速很小时出现的峰值说明在水流平缓时也有利于鱼类通过鱼道，但此时鱼类通过鱼道的行为与洄游无关。溯游而上的鱼类通过鱼道的过鱼效率在不同流速上的分布与总过鱼数的趋势相同，但顺流而下的鱼类在流速的驱动下表现出的行为有所不同，顺流而下的过鱼效率在流速上的分布没有出现双峰结构，而表现出随流速的增加，过鱼效率不断增加，这说明流速的增加亦有助于鱼类借助水流顺流而下。

3 讨论 3.1 过鱼效率评价

国内不同鱼道过鱼效率对比见表 2。由表 2可见，本研究监测期间，综合过鱼效率约为206尾/h，与国内其他鱼道过鱼效率对比，走马塘江边枢纽鱼道的过鱼效率属于中等水平，高于崔家营航电枢纽、连江西牛航运枢纽和峡江水利枢纽。但本研究中观测到的鱼道过鱼物种数仅为6种，少于其他研究。因不同研究间选取的监测方法、监测时段不同，地理位置、水文条件等亦不相同，这些因素都可能造成过鱼效率的差异。大多数长江鱼类的繁殖季一般集中在每年的3—6月，本研究的监测时段与长江鱼类繁殖季吻合度不高，这可能由于本研究观测到鱼物种数较少。同时，本研究采用视频监控和水下声呐作为监测手段，提高了监测的连续性和实时性，但视频监控的清晰度和水下声呐的分辨率可能限制了对小型或隐蔽性较强的鱼类的识别和监测，导致监测到的鱼类种类和数量可能低于实际。特别是在夜间或水质浑浊时，视频识别的准确性和效率降低，可能遗漏了部分过鱼事件^[16]。

3.2 过鱼数量的时间分布

本研究揭示了走马塘鱼道过鱼效率显著的季节性与日变化特征。随着不同月份气温的升高，走马塘鱼道过鱼效率不断增加，表明鱼类活动和迁徙行为与季节(气温)变化有着密切关联。日过鱼效率呈现出单峰模式，鱼类主要在06：00—18：00通过鱼道，高峰时段集中在11：00—14：00，这与鱼类的日常活动节律相符，反映了鱼类利用日间光照和适宜水流条件进行洄游和迁徙的自然习性。但本研究仅有3个月的监测期，可能不足以全面反映整个鱼类活动周期的过鱼情况，未来应考虑延长监测周期，以更加全面地反映走马塘鱼道鱼类过鱼行为特征，为优化鱼道运行策略提供参考。

3.3 狭缝流速与过鱼效率

鱼道狭缝平均流速的变化对过鱼效率具有直接影响。研究发现，过鱼效率与流速间存在三峰结构，在流速接近0 m/s，-0.75~-0.5 m/s和0.5 ~0.75 m/s时，鱼道具有较高的过鱼效率。这表明，适当的流速可能刺激鱼类逆流而上的本能，从而增加过鱼效率。但并不是所有鱼类通过鱼道的行为都是上溯的(由长江侧进入走马塘侧)，对于顺流而下的鱼类(由走马塘侧进入长江侧)，适当的流速同样有助于其通过鱼道。

鱼道流速对于鱼道的过鱼效率至关重要，不同鱼类的启动流速、最大耐受流速、体形大小和游泳能力等直接影响其通过鱼道的能力。因此，鱼道的设计流速范围应当兼顾各类目标鱼类的生理特性，确保大部分不同体型和游泳能力的鱼类都能有效利用鱼道^[23-25]。此外，对于特定溯游性鱼类和顺游性鱼类，设计中可考虑设置不同的流速区间，以针对性地优化过鱼效率。

4 结论

本研究利用基于视频识别和水下声学的鱼道监测技术，对走马塘江边枢纽鱼道开展监测研究。结果表明，该鱼道的综合过鱼效率约为206尾/h，相较于国内其他鱼道，其过鱼效率属于中等水平。在5—8月间，走马塘鱼道过鱼效率不断升高，这可能与鱼类活动的季节性有关；鱼类通过鱼道的行为亦展现出明显的日变化特征，鱼道过鱼行为大部分发生在日间，特别是11：00—14：00是鱼类通过的高峰时段。本研究观测到的过鱼物种数仅为6种，低于其他国内的同类研究。这可能由于本研究监测时段与鱼类繁殖期吻合度不高，以及水下视频和水下声呐的清晰度限制了对于小型或隐蔽性较强的鱼类的识别，导致监测到的鱼类种类和数量可能低于实际情况。走马塘鱼道狭缝流速对鱼道过鱼行为有显著影响，在流速接近0 m/s，-0.75~-0.5 m/s和0.5 ~0.75 m/s时，鱼道具有较高的过鱼效率，表明鱼道设计中应考虑设置适应不同鱼类特性的流速区间，以适应不同鱼类的迁徙需求。

综上所述，走马塘江边枢纽鱼道在促进鱼类过鱼方面展现了一定成效，但也反映出鱼道设计面临的挑战。未来鱼道建设和管理应结合更细致的生态学研究，采用更有针对性的设计和管理策略，以期实现更好的生态保护和鱼类资源的可持续管理。