Рыбные лестницы: конструкции для миграции рыб через преграды

Введение

Структура, позволяющая рыбам мигрировать вверх по реке, обходя препятствия

Рыбный проход, также известный как рыбная лестница, рыбный путь, рыбные ступени или рыбная пушка, – это сооружение на или вблизи искусственных и естественных препятствий (таких как плотины, шлюзы и водопады), предназначенное для облегчения естественной миграции диадромовных рыб, а также перемещения видов, обитающих только в пресных водах. Большинство рыбных проходов позволяют рыбам обходить препятствия, плывя и перепрыгивая по серии относительно невысоких ступеней (отсюда и название "лестница") в воду по другую сторону. Скорость потока воды, перекатывающегося через ступени, должна быть достаточно высокой, чтобы привлечь рыбу к проходу, но не настолько сильной, чтобы сносить рыбу вниз по течению или изматывать ее до такой степени, что она не сможет продолжить путь вверх по реке.

История

В письменных источниках упоминаются примитивные рыбоходы, созданные во Франции в XVII веке, когда для преодоления рыбами крутых участков и обхода препятствий использовались связки веток. В 1823 году в деле Тайлер против Уилкинсона, рассматривавшемся в окружном суде США, упоминается строительство в 1714 году старого канала, обходящего плотину, "первоначально прорытого для обеспечения прохода рыбы вверх и вниз по реке". Этот пример предшествует рыбной лестнице 1880 года у водопада Паутухет. Канал 1714 года "полностью не справился с этой задачей", и в 1730 году на его месте была построена мельница. Канал и его использование для мельницы стали важным прецедентом в американском водном праве. Около 1830 года Джеймс Смит, шотландский инженер, построил у реки Тейт, недалеко от Дианстона в Пертшире (Шотландия), бассейн с перекатом для лосося. И плотина, и лососевая лестница сохранились до наших дней и послужили вдохновением для многих последующих лососевых лестниц, построенных в Шотландии. В 1837 году Ричард Макфарлан из Батерста (Нью-Брансуик, Канада) запатентовал свою конструкцию рыбохода для обхода плотины на своей водяной лесопилке. В 1852–1854 годах в графстве Слайго (Ирландия) был построен рыбопропуск Баллисодар, чтобы привлечь лосося в реку, где ранее рыболовство не велось. В 1880 году первая рыбная лестница в США была построена на плотине у водопада Паутухет в штате Род-Айленд. Лестница была демонтирована в 1924 году, когда город Провиденс заменил деревянную плотину бетонной. В 1888 году в США были приняты законы, регулирующие строительство рыбоходов. С развитием промышленной эпохи плотины и другие речные преграды становились больше и многочисленнее, что потребовало создания эффективных путей для обхода рыбами этих препятствий.

Типы

Бассейн и плотина – один из старейших типов рыбных проходов. Он использует серию небольших плотин и бассейнов одинаковой длины, образующих длинный наклонный канал для преодоления рыбами препятствия. Канал функционирует как фиксированный шлюз, постепенно снижая уровень воды; для движения вверх по течению рыба должна перепрыгивать из одного бассейна в другой. Баффле-рыбоход (или рыбопропускной канал с перегородками) использует ряд симметричных, близко расположенных перегородок в канале для перенаправления потока воды, позволяя рыбе обплывать препятствие. Баффле-рыбоходы не обязательно должны иметь зоны отдыха, хотя бассейны могут быть включены для обеспечения места отдыха или снижения скорости потока. Такие рыбоходы могут быть построены с извилистыми участками для минимизации занимаемой площади. Перегородки имеют различные конструкции. Наиболее распространенной является конструкция рыбного прохода Ларинье, названная в честь французского инженера, который ее разработал. Она подходит как для мирных пород рыб, так и для лососевых, и может быть достаточно большой для прохода каноэ. Исходный проект рыбопропускного канала Дениля был разработан в 1909 году бельгийским ученым Г. Денилем и впоследствии многократно модифицировался и адаптировался. Например, Аляскинский Стиппасс – это модульный, сборный вариант рыбопропускного канала Дениля, первоначально разработанный для отдаленных районов Аляски. В рамках проекта "Маитай" в нескольких водотоках в Нельсоне (Новая Зеландия) были установлены перегородки для улучшения прохода рыбы в рамках общей реставрации окружающей среды. Рыбный лифт (или рыбоподъемник) отличается от конструкции лестницы тем, что обеспечивает своего рода лифт для транспортировки рыбы через препятствие. Он особенно хорошо подходит для высоких плотин. В рыбном лифте рыба заплывает в накопительную зону у основания препятствия. Когда в накопительной зоне собирается достаточно рыбы, ее направляют в желоб, который выносит ее в реку выше плотины. Например, на реке Коннектикут два рыбных лифта одновременно поднимают до 500 рыб на высоту 15,85 метра, преодолевая плотину Холиок. В 2013 году лифтом было перевезено более 400 000 рыб. Рыбопропускной канал с каменными уступами использует крупные камни и бревна для создания бассейнов и небольших перекатов, имитирующих естественные структуры. Из-за необходимой длины канала такие конструкции наиболее подходят для относительно невысоких плотин. Их значительное преимущество заключается в том, что они могут обеспечить рыбе места для нереста. Вертикальный щелевой рыбопропускной канал аналогичен системе бассейна и плотины, за исключением того, что каждая "плотина" имеет узкую щель у стенки канала. Это позволяет рыбе плыть вверх по течению, не перепрыгивая через препятствие. Вертикальные щелевые рыбопропускные каналы также хорошо справляются с сезонными колебаниями уровня воды по обе стороны от плотины. Недавние исследования показывают, что судоходные шлюзы потенциально могут использоваться в качестве вертикальных щелевых рыбопропускных каналов для обеспечения доступа широкому спектру биоты, включая плохо плавающих видов. Рыбный сифон позволяет установить проход параллельно руслу реки и соединять два русла. Проход использует эффект сифона для регулирования потока. Этот тип особенно предпочтителен для защиты от наводнений. Рыбная пушка – это гибкая пневматическая труба, использующая давление воздуха для всасывания лосося по одному и бережного выпуска их в пункт назначения. Система была первоначально разработана компанией Whooshh из Белвью (штат Вашингтон) для безопасной транспортировки яблок. Рыбоподъемник Борланда похож на шлюз канала. У подножия плотины рыба привлекается в накопительный бассейн потоком воды через затвор. Через определенные промежутки времени затвор закрывается, и вода с верхнего уровня заполняет накопительный бассейн и наклонный ствол, поднимая рыбу вверх по течению. Когда ствол заполнен, открывается затвор на верхнем уровне, позволяя рыбе продолжить свой путь вверх по течению. Затем верхний затвор закрывается, и ствол опорожняется для повторения процесса. В Шотландии было построено несколько рыбоподъемников Борланда, связанных с гидроэлектростанциями, в том числе один на плотине Айгас на реке Боли.

Pool and weir One of the oldest styles of fish ladders. It uses a series of small dams and pools of regular length to make a long, sloping channel for fish to travel around the obstruction. The channel acts as a fixed lock to gradually step down the water level; to head upstream, fish must jump over from box to box in the ladder. Baffle fishway Uses a series of symmetrical close spaced baffles in a channel to redirect the flow of water, allowing fish to swim around the barrier. Baffle fishways need not have resting areas, although pools can be included to provide a resting area or to reduce the velocity of the flow. Such fishways can be built with switchbacks to minimize the space needed for their construction. Baffles come in variety of designs. The most common design is the Larinier pass, named after the French engineer who designed them. They are suitable for coarse fish as well as salmonids, and can be built large enough to be used by canoes. The original design for a Denil fishway was developed in 1909 by a Belgian scientist, G. Denil; it has since been adjusted and adapted in many ways. The Alaskan Steeppass, for example, is a modular prefabricated Denil fishway variant originally designed for remote areas of Alaska. Baffles have been installed by Project Maitai in several waterways in Nelson, New Zealand, to improve fish passage as part of general environmental restoration. Fish elevator (or fish lift) Breaks with the ladder design by providing a sort of elevator to carry fish over a barrier. It is well suited to tall barriers. With a fish elevator, fish swim into a collection area at the base of the obstruction. When enough fish accumulate in the collection area, they are nudged into a hopper that carries them into a flume that empties into the river above the barrier. On the Connecticut River, for example, two fish elevators lift up to 500 fish at a time, 52 feet (15.85 m), to clear the Holyoke Dam. In 2013, the elevator carried over 400,000 fish. Rock ramp fishway Uses large rocks and timbers to make pools and small falls that mimic natural structures. Because of the length of the channel needed for the ladder, such structures are most appropriate for relatively short barriers. They have a significant advantage in that they can provide fish spawning habitat. Vertical slot fish passage Similar to a pool and weir system, except that each "dam" has a narrow slot in it near the channel wall. This allows fish to swim upstream without leaping over an obstacle. Vertical slot fish passages also tend to handle reasonably well the seasonal fluctuation in water levels on each side of the barrier. Recent studies suggest that navigation locks have a potential to be operated as vertical slot fishways to provide increased access for a range of biota, including poor swimmers. Fish siphon Allows the pass to be installed parallel to a water course and can be used to link two watercourses. The pass utilises a syphon effect to regulate its flow. This style is particularly favoured to aid flood defence. Fish cannon A wet, flexible pneumatic tube uses air pressure to suck in salmon one at a time and gently shoot them out into the destination water. The system was originally designed by Bellevue, Washington company Whooshh to safely move apples. Borland Fish Lift This is similar to a canal lock. At the downstream end of the obstruction, fish are attracted to a collecting pool by an outflow of water through a sluice gate. At fixed intervals, the gate is closed, and water from the upper level fills the collecting pool and an inclined shaft, lifting the fish up to the upstream level. Once the shaft is full, a sluice at the top level opens, to allow fish to continue their journey upstream. The top sluice then closes, and the shaft empties for the process to begin again. A number of Borland fish lifts have been built in Scotland, associated with hydro electric dams, including one at Aigas Dam on the River Beauly.

Эффективность

У рыбных лестниц неоднозначная эффективность. Она варьируется для разных видов рыб: по данным одного исследования, лишь три процента американского шеда достигают мест нереста, преодолев все рыбные лестницы на своем пути. Эффективность зависит от способности рыбы к плаванию и от особенностей ее передвижения вверх и вниз по течению. Например, сооружение для прохода рыб вверх по течению может оказаться непроходимым для них при движении вниз. Рыбные проходы не всегда функционируют должным образом. На практике сложность заключается в сопоставлении данных о скоростных характеристиках плавания рыб с результатами гидродинамических измерений. Испытания рыб на плавательную способность редко проводятся по единому протоколу, а результаты представляются либо в виде отдельных значений, либо в виде средней скорости потока. В то же время, физическое и численное моделирование течения жидкости (то есть гидродинамика) позволяет получить детальную карту потока с высоким пространственным и временным разрешением. Для регулирующих органов представляет сложность сопоставление гидродинамических измерений и данных о плавательной способности рыб.

Общие и цитируемые ссылки

To Save the Salmon (1997) Инженерный корпус армии США. Рыбопропускные водопропускные сооружения и водопропускные трубы. Интеграция гидродинамики и взаимодействия рыб с турбулентностью (2017) Университет Квинсленда.