水利工程在发挥防洪、航运作用的同时，也对河流生态系统带来一些不利影响，最显著的影响就是大坝使原来连续的河流生境破碎化，鱼类洄游通道被阻断，上、下游水生生物交流困难，不利于维持鱼类自然种质资源和种群结构多样化^[1-2]。虽然三峡工程未设计过鱼通道，但双线五级船闸和升船机等附属通航建筑(以下统称为“三峡船闸”)使大坝上、下游之间存在较大体积的规律性连通水体，因而三峡船闸具有成为上、下游水生生物交流通道的生态潜力。2009年、2012年^[3-4]及2017年(内部资料，未发表)三峡船闸检修期间，闸室内共发现36种鱼类，主要种类为常见的小型经济鱼类(贝氏Hemiculter bleekeri、蛇Saurogobio dabryi、银Squalidus argentatus、瓦氏黄颡鱼Pelteobagrus vachelli等)和中长距离洄游性鱼类(草鱼Ctenopharyngodon idella、青鱼Mylopharyngodon piceus、鳙Hypophthalmichthys nobilis、长薄鳅Leptobotia elongata等)，最大个体体长达100 cm(匙吻鲟Polyodon spathula)。引航道作为连接船闸与主航道的特殊河段，其水深及流态受三峡库区水位变动影响较大，河段内的鱼类资源状况可能与自然水体存在差异，研究引航道内鱼类种类、数量及群落结构变化对于分析船闸过鱼能力具有重要意义。三峡大坝上游水域鱼类研究^[5-7]多集中于秭归江段，针对三峡船闸引航道水域的鱼类研究相对较少，仅TAN等^[8]的调查覆盖了三峡船闸上引航道水域；在三峡大坝下游水域开展鱼类资源调查时，距离下引航道最近的采样断面也仅达到引航道以外的三斗坪镇^[9-10]。

水声学方法作为评估渔业资源的一种重要手段，可以快速地对整个水体进行连续精准探测，在鱼类资源量评估^[11-12]、鱼类时空分布^[13-14]等研究中被广泛应用。因其不拘泥于调查区域地形，探测方式灵活机动，往往被用于近坝区等对调查方法有特殊要求的水域。林鹏程等^[15]于2009年在葛洲坝上、下游江段开展了水声学调查，探测范围既覆盖了库区的深水区域，又兼顾二江的急流区域和三江的引航道区域。在地理信息系统(geographic information system，GIS)中，反距离加权插值法(inverse distance weighting，IDW)通过计算与邻近区域样点的加权平均值来估算出单元格的值，进而插值得到一个区域的值^[16]，该方法常用于鱼类空间分布研究^[17-18]。本研究采用水声学方法对三峡船闸上、下引航道及其邻近水域开展鱼类空间分布特征研究。

1 材料与方法 1.1 调查区域

三峡船闸位于三峡大坝左岸，包括双线五级船闸和升船机等两处通航建筑物。本研究的调查区域(30°49′N ~ 30°51′N，110°59′E~111°03′E)包括船闸上、下游引航道及其邻近水域，主要分为4个区域：区域Ⅰ为靖江溪区域，靖江溪紧邻刘家河库湾，三峡库区蓄水前为长江支流，蓄水后淹没形成回水区，河口宽约1.3 km，纵深约4.2 km，探测水域面积约192 hm²；区域Ⅱ为上引航道区域，包含刘家河库湾，上引航道水面和坝前水面由隔离带(浮标)隔开，隔离带末端可达到刘家河库湾外侧，上引航道长约2.1 km，宽度300~800 m，航道底部高程130 m，探测水域面积约185 hm²；区域Ⅲ为下引航道区域，包括船闸六闸首和升船机下口门至隔流堤末端之间的河道，长度分别为2.7 km和4.2 km，下引航道宽度80~430 m，航道底部高程56.5 m，探测水域面积约84.4 hm²；区域Ⅳ为三斗坪水域，包括隔流堤末端至三斗坪镇三峡神牛文化广场江段，江面宽度700~800 m，探测水域面积约61.8 hm²。因隔离带外侧坝前水域和隔流堤外侧坝下水域为军事警戒区，无法在该水域开展探测工作，同时，区域Ⅱ和区域Ⅲ之间的船闸闸室区域也因通航需要无法开展水声学调查。

1.2 水声学调查

使用分裂波束回声探测仪(Simrad EY60)进行声学探测，换能器频率为200 kHz，-3 dB波束宽为7°。调查时功率设定为150 W，脉冲宽度选择256 μs，脉冲发射间隔0.02 s。探测前使用38.1 mm钨钢合金球对仪器进行实地校准。实时坐标数据采集使用GPS导航仪(Garmin 60CSx)，声学数据采集使用ER60软件。工作船选用小型渡船(长×宽= 25.7 m × 4.5 m)，工作时航速约8 km/h。使用铁质支架将换能器固定于右侧船舷，换能器垂直入水约0.5 m，用尼龙绳前后斜拉固定，保证入水角度不发生偏移。工作期间使用流速测算仪(重庆华正水文仪器有限公司HR型)采集流速数据，使用便携式溶氧仪(Hach HQ30)采集水温数据，由中国长江三峡集团有限公司官网(https://www.ctg.com.cn/sxjt/sqqk/index.html)获取各调查区域的水位数据。

实际探测过程中，区域Ⅰ和区域Ⅱ、区域Ⅲ和区域Ⅳ分别作为一个探测大区，每个探测大区探测3 d/次，工作时长6 h/d。探测开始时间和探测期间的水文信息见表 1。除2018年1月22日、23日区域Ⅰ和区域Ⅱ出现大雨天气，其他区域在调查期间均为晴天。探测期间，区域Ⅰ、区域Ⅱ、区域Ⅲ处于缓流水环境，平均流速0.23 m/s，区域Ⅳ处于流水环境，平均流速超过0.7 m/s。

考虑到2018年1月和2018年10月的库区水位超过172 m，2018年5月和2019年5月库区水位降至152 m附近，定义2018年1月和10月为高水位期，2018年5月和2019年5月为低水位期。在4个区域均采取“之”字形轨迹进行水声学探测。由于区域Ⅱ过闸船只较多，在船闸一闸首和升船机上口门外侧水域探测时，工作船的探测轨迹稍有改变。具体探测轨迹见图 1。

1.3 水声学数据处理及分析

ER60软件采集的探测数据使用Echoview7.0软件进行处理。首先，对回声映像进行水底自动识别，为避免水底杂物/淤泥干扰，提取水底上方0.5 m至换能器前方1 m的数据，采用分裂波束单体目标判别方法2(single target detection→split beam→method 2)对探测信号进行判别，相关参数设置：信号目标强度(target strength，TS)阈值设为-70 dB，脉冲宽度决定水平6 dB，最小标准脉冲宽度0.7，最大标准脉冲宽度1.5，最大波束补偿6 dB，长、短轴角度最大标准偏差均为0.6。

鱼类密度计算方法参考连玉喜等^[19]的研究方法：

式中：V为发射脉冲探测波束的水体体积，m³；θ和ϕ分别为换能器水平和垂直方向的有效检测角度，(°)；R₂为水面至水底上方0.5 m的水层深度，m；R₁为换能器前方1 m的水层深度，m；φ为单位体积水体内的鱼类数量，ind./m³；N为各单元探测到的鱼类总数量，ind.；P为脉冲探测波束的数量。

探测信号目标强度(target strength, TS)和鱼类估算体长的换算公式采用有鳔鱼类经验公式^[20]：

式中：T_TS为探测信号目标强度，dB；L为换算后的鱼类体长，cm。

1.4 鱼类时空分布的GIS建模

为清楚展示三峡船闸上下游的鱼类空间分布特征，使用ArcGIS 10.2软件对上述4个区域的鱼类空间分布进行GIS建模。将处理好的水声学数据(包括采样点GPS坐标和鱼类密度)导入ArcGIS平台，对相关数据进行栅格化处理，采用IDW进行插值运算。参照陶江平等^[17]的方法，设定幂值P=2，最大搜寻半径N=3，输出栅格的大小为100 m×50 m。

1.5 渔获物采集及生物学数据分析

根据相关部门审批意见及禁捕期禁捕要求，于2019年7月21日和9月6日开展了2次渔获物采集工作。使用6张定置刺网(长×宽= 50 m × 5 m，外层网目8.0 cm，内层网目2.0~3.0 cm)进行渔获物收集，在靖江溪、刘家河及秭归县城一侧等坝上水域和岱石渡口、隔流堤末端及西陵长江大桥下方等坝下水域各放置1张网具，下午18:00~19:00放网，次日上午5:00~6:00收网，每日收网1次，每月连续采样3 d。7月21日和9月6日，三峡库区平均水位分别为145.2 m和161.5 m，坝下平均水位分别为68.5 m和68.4 m。统计渔获物的生物学数据，包括体长、体质量、尾数、捕捞时间等，以鱼类相对重要性指数(index of relative importance, IRI)表征鱼类种类优势度，划定IRI大于1 000的种类为优势种：

式中：I_IRI为鱼类相对重要性指数；W为某一种类的鱼类样本的质量占总质量的比例，%；N为某一种类的鱼类样本尾数占总渔获尾数的比例，%；F为某一种类的鱼类样本出现的站数占总站数的比例，%。

1.6 统计与分析

对区域Ⅰ、区域Ⅱ、区域Ⅲ和区域Ⅳ鱼体TS值进行K-S正态性检验，若符合正态分布，采用F检验比较区域间鱼体TS值差异，非正态分布则采用K-W非参数检验比较差异。采用卡方独立性检验分析区域Ⅰ、区域Ⅱ和区域Ⅳ的鱼类密度差异及垂直分布组成差异。

2 结果 2.1 鱼类组成

区域Ⅰ、区域Ⅱ和区域Ⅳ鱼体TS值均集中在-64 ~ -58 dB，区域Ⅲ鱼体TS值则集中在-55 ~ -46 dB(图 2)，根据公式3将鱼体TS值换算成鱼类体长，结果显示，区域Ⅰ、区域Ⅱ和区域Ⅳ的鱼类体长主要集中在2.5 ~ 5.0 cm，区域Ⅲ的鱼类体长则集中在7.0 ~ 20.0 cm。对4个区域的鱼体TS值进行K-S正态性检验，P＜0.05，数据不符合正态分布，采用K-W非参数检验比较各区域鱼体TS值差异。结果显示区域Ⅰ、区域Ⅱ和区域Ⅳ的TS值差异不显著(K-W检验，P_Ⅰ-Ⅳ ＞0.05，P_Ⅱ-Ⅳ＞0.05)，区域Ⅲ的TS值分别与区域Ⅰ、区域Ⅱ和区域Ⅳ呈现出显著差异(K-W检验，P_Ⅲ-Ⅰ＜0.01，P_Ⅲ-Ⅱ＜0.01，P_Ⅲ-Ⅳ＜0.05)，区域Ⅰ、区域Ⅱ、区域Ⅲ和区域Ⅳ体长小于10 cm的鱼类比例分别为99.13%、99.85%、81.38%和94.13%。

2.2 鱼类时空分布

区域Ⅰ、区域Ⅱ、区域Ⅲ和区域Ⅳ的平均鱼类密度分别为(99.53±47.78)、(57.37±33.45)、(61.51 ± 1.72)和(30.61±15.75)ind./1 000 m³(图 3)。比较4个区域在各调查时期鱼类密度差异，结果显示区域Ⅰ的鱼类密度显著高于其他区域(P＜0.01)，区域Ⅳ的鱼类密度则显著低于其他区域(P＜0.05)，区域Ⅱ和区域Ⅲ的平均鱼类密度差异不显著(P>0.05)。

区域Ⅰ、区域Ⅱ和区域Ⅲ的鱼类密度在不同水位期呈现出显著差异，区域Ⅰ和区域Ⅱ低水位期鱼类密度显著高于高水位期(P＜0.05)，区域Ⅲ低水位期时鱼类密度显著低于高水位期(P＜0.05)，区域Ⅳ的鱼类密度在不同调查时期内差异不显著(P＞0.05)。

对4个调查区域在高、低水位期鱼类密度进行GIS建模(图 4)。低水位期区域Ⅱ内鱼类在一闸首外侧至太平溪港的近岸水域聚集，平均密度可达(196.12 ± 56.12)ind./1 000 m³。随着水位上升，鱼类逐渐向区域Ⅰ和区域Ⅱ的湾区集中。区域Ⅲ内鱼类在低水位期仅在西陵长江大桥下方水域集中分布，平均密度(82.16±41.11)ind./1 000 m³，高水位期鱼类的集群范围从西陵长江大桥下游延伸至船闸六闸首及升船机下口门下方，平均密度高达(152.16 ± 22.01)ind./1 000 m³。

2.3 鱼类垂直分布

比较4个区域在各调查时期内鱼类的垂直分布差异，结果显示区域Ⅰ、区域Ⅱ和区域Ⅳ的鱼类垂直分布在不同调查时期均未表现出差异性(P_Ⅰ＞0.05，P_Ⅱ＞0.05，P_Ⅳ＞0.05)。区域Ⅰ和区域Ⅱ鱼类在高、低水位期分别集中于40~60 m和16~24 m、30~50 m和20~30 m，区域Ⅳ鱼类在高、低水位期均集中分布于15~25 m。考虑各区域调查期间的水深差异，区域Ⅰ和区域Ⅱ的鱼类在不同水位期均倾向于中层偏下水体，而区域Ⅳ鱼类在不同水位期集中分布于中层水体。区域Ⅲ鱼类在高、低水位期的垂直分布差异极显著(P＜0.01)，高水位期集中分布于6 m以上水层(55.84%)，低水位期则集中分布8 m以下的中下层水体(80.66%)，见图 5。

2.4 渔获物组成

坝上水域7月共采集鱼类55种，隶属7目11科，9月共采集鱼类29种，隶属4目7科；坝下水域7月共采集鱼类16种，隶属3目3科，9月共采集鱼类29种，隶属6目9科。各区域不同时期的优势种见表 2。分别对库区水位与渔获物的日捕获量、种类进行Pearson相关性分析，结果显示坝上水域日捕获量、种类与库区水位呈弱负相关关系(P < 0.05，r_日捕获量= -0.102，r_种类 = -0.115)，坝下水域日捕获量、种类与库区水位呈弱正相关关系(P < 0.05，r_日捕获量=0.241，r_种类=0.134)，即随着库区水位升高，坝上水域的捕捞产量和种类出现下降趋势，但坝下水域却表现出增加趋势。

3 讨论 3.1 上下引航道鱼类个体差异

根据调查结果，上引航道及其邻近水域(靖江溪)体长小于10 cm的鱼类比例为99.13%和99.85%，与历史资料^{[4-5, 8]}基本一致。三峡水库已连续11年开展175 m试验性蓄水，库区水位已形成季节性变动，可能更有利于小型鱼类的生存。JENNINGS等^[21]指出，当环境发生变化时，体型较小的鱼类具有更强的繁殖和快速生长能力，进而成为区域内的优势种。董纯等^[22]在比较三峡库区2013—2015年渔获物数据后指出，三峡库区某些对流速等水文条件要求低的小型鱼类可能会更快适应库区环境，从而使种群得以恢复甚至增长。坝上水域的渔获物调查结果显示，短颌鲚和贝氏的优势度明显高于其他种类，两者均为典型的小型鱼类。前者原分布于鄱阳湖、洞庭湖等通江湖泊^[23]，三峡大坝蓄水后形成了适合短颌鲚栖息的湖泊/水库生境，该种群扩散至三峡库区后得以快速增长；后者在活动空间急剧扩张和水流减缓等条件下可以迅速成为所在水域的优势种^[24]。双线五级船闸闸室水体主要经由主廊道向大江排泄，下引航道水位变动较小，水深常年保持10 ~ 11 m，水体扰动远低于靖江溪、上引航道和三斗坪，相对稳定的水体环境可以满足鱼类索饵和生长需求，为鱼类的充分生长提供保障，因此，下引航道的鱼类规格较坝上区域和三斗坪江段大。

3.2 通航船舶对鱼类空间分布的影响

周加飞等^[25]对葛洲坝近坝区鱼类栖息及聚群行为进行调查后认为，通航船舶数量对鱼类密度分布有较大影响。三峡船闸上引航道与靖江溪水域的鱼类平均密度分别为57.37 ind./1 000 m³和99.53 ind./1 000 m³，与孙立元^[5]、王珂等^[26]的调查结果基本一致，但上引航道鱼类密度低于靖江溪，与TAN等^[8]于2007年在坝前水域的调查结果相反，这种差异可能由区域内通航船舶数量变动引起。2007年靖江溪湾区内有多个大型滚装码头，区域内船舶数量远高于同期仍处于一线通航期的上引航道水域^[27]；随着三峡船闸通航能力逐步提升，靖江溪水域陆续开展环境整治，码头全部拆除，靖江溪水域环境转好，区域内鱼类明显增加。资料显示，三峡双线五级船闸上游水位低于156 m时采用后四级补水/不补水运行^[28]，即只使用四级闸室通航，此种工况下船闸通航量明显增加。在下引航道水环境相对稳定的情况下，船舶干扰成为影响鱼类分布的主要因素：库区水位较低时，船闸通航量增加，鱼类在船舶驱赶下向下游开阔水域活动，西陵长江大桥下方(下引航道最宽处，宽度250 ~ 500 m)出现鱼类集中分布；库区水位上升后，船闸恢复5级闸室通航，上下行船舶数量减少、活动空间增大及鱼类索饵需求加大等因素促使下引航道鱼类的聚集范围和密度出现较大增长。

3.3 库区水位变动对鱼类空间分布的影响

在自然条件下，鱼类空间分布受饵料资源及水温分布的影响^[29]。春、夏季浮游生物在表层聚集，吸引鱼类向上层活动，秋、冬季表层水温下降，鱼类倾向于底层越冬。靖江溪和上引航道的鱼类在库区高水位期(秋、冬季)均表现出向下层活动的趋势，不同的是，前者中、下层的鱼类比例相近，而后者下层鱼类比例明显高于中层。可能的原因是，高水位期上引航道最大水深可达42~44 m，其下层水体的深度范围与靖江溪的中、下层存在部分重叠，在没有物理隔离的情况下，上引航道的鱼类较易在出闸船只驱使下与靖江溪鱼类产生被动交流。相较而言，下引航道鱼类的垂直分布主要受通航船舶的影响。在库区水位低、船闸通航量大时，鱼类受过闸船只驱赶向中下层水体活动，随着库区水位上升，双线五级船闸恢复五级运行，船舶等候过闸时间增加，鱼类受船只倾泻生活废水、食物残渣引诱，向上层聚集。三峡库区达到175 m蓄水位后，大坝下泄流量较少，隔流堤末端会形成回流、缓流等水文条件，在一定程度上也会吸引鱼类向下引航道聚集。鱼类密度分布GIS模型结果显示，库区低水位期时，上引航道鱼类在一闸首外侧近岸水域大量聚集，部分区域的鱼类密度接近甚至超过靖江溪水域，可能的原因是，低水位期大坝下泄流量相对较小，随之而来的营养物质在坝前汇集后经闸室或泄洪孔排入下游，这些物质可以吸引短颌鲚、鳙、草鱼等库区优势鱼种向坝前水域活动。

3.4 后续工作建议

根据声学探测结果和渔获物调查结果，大坝上下游鱼类组成以小型鱼类为主，短颌鲚、鲢、贝氏等中上层小型鱼类在不同水位时期均为区域优势种，这些鱼类有较大机会在过闸船只驱赶、下泄水流吸引等因素共同作用下进入闸室内^[30]，进而产生上下游交流。目前，葛洲坝船闸的过鱼能力研究相对较多，但针对三峡船闸过鱼效果评估的研究资料严重缺乏，研究人员尚无法对三峡船闸过鱼效果进行准确评估。建议针对三峡引航道及闸室的鱼类分布及行为特征开展专门研究，补充相关基础数据，以便后续探讨利用三峡船闸促进鱼类上下行交流的可行性。