魚道相關(guān)研究進展

摘要：大壩、水閘等水利工程建設(shè)改變了河流自然的連通性，影響了洄游性和半洄游性魚類生活史的順利進行，這不僅會導(dǎo)致魚類種群數(shù)量的減少，甚至還可能導(dǎo)致部分魚類種群滅絕。只有以魚類的不同特性為依據(jù)，才能設(shè)計出具有較好過魚效果的魚道。文章對魚道相關(guān)研究進展進行了探討。

關(guān)鍵詞：魚道設(shè)計；游泳能力；游泳速度；水力特性；數(shù)值模擬 文獻標識碼：A

中圖分類號：S956 文章編號：1009-2374（2016）08-0007-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.08.004

1 概述

大壩、水閘等水利工程建設(shè)改變了河流自然的連通性，影響了洄游性和半洄游性魚類生活史的順利進行。這不僅會導(dǎo)致魚類種群數(shù)量的減少，甚至導(dǎo)致部分魚類種群的滅絕。魚道作為幫助魚類和其他水生生物物種通過河流障礙物完成自由洄游的生態(tài)補償工程措施應(yīng)運而生。但是通過對我國現(xiàn)有魚道的調(diào)研表明，絕大部分魚道運行情況并不理想，其主要原因在于缺乏對魚類行為及魚道水力學(xué)問題進行深入的研究。滿足魚類生理生態(tài)行為的水流流態(tài)、流速和紊動能等水力因子是魚類順利通過魚道實現(xiàn)自然洄游的關(guān)鍵因素。因此，在魚道設(shè)計時，洄游魚類生物特性和水力適應(yīng)性對提高魚道的過魚效果具有重要意義。在魚道設(shè)計過程中，魚類的游泳行為和魚道內(nèi)的水力特性是決定魚道設(shè)計的兩大關(guān)鍵因素。魚類游泳特性的研究可以為魚道設(shè)計提供直接而有效的水力參數(shù)數(shù)據(jù)資料，而魚道內(nèi)水力特性研究可以指導(dǎo)魚類游泳路徑的選擇。將水力學(xué)特性與魚類游泳特性結(jié)合后優(yōu)化設(shè)計的魚道將會在生態(tài)修復(fù)中實現(xiàn)魚道的有效性。本文收集分析了國內(nèi)外多年來的魚類游泳特性和魚道水力特性的研究成果，為魚道設(shè)計提供依據(jù)，以更加深入地認識魚道的研究對魚類保護的作用和前景。

2 魚類的游泳特性

魚類的游泳特性是魚道設(shè)計中必須考慮的重要因素，缺乏對魚類行為學(xué)研究的魚道設(shè)計往往是失敗的。不同種類的魚或同種魚類個體大小不同，它們的游泳能力是不同的，將魚類游泳的持續(xù)時間作為分類方法可以把游泳能力分為三種主要形式：爆發(fā)游泳速度（魚類在該模式下至多僅可維持20s）、耐久游泳速度（魚類在該模式下可維持20s～200min，最大耐久游泳速度又稱作臨界游泳速度）和持續(xù)游泳速度（魚類在該模式下可維持大于200min）。在魚道的設(shè)計中，魚類的爆發(fā)游泳速度和臨界游泳速度是兩個重要的參數(shù)，對于魚道的一些高流速區(qū)，則參考魚類的爆發(fā)游泳流速，同時還考慮魚疲勞后恢復(fù)體力所需時間，作為魚道休息池個數(shù)及距離的設(shè)計依據(jù)。魚道過魚孔處流速通常以臨界游泳流速作為設(shè)計指標。

魚類游泳特性的研究方法可以分為兩大類：實驗室研究和野外研究。大多數(shù)游泳特性的研究都是在實驗室研究裝置中進行的。魚被放置在特定研究裝置內(nèi)，使其在人為設(shè)計條件下進行游泳運動，同時測定相關(guān)參數(shù)。實驗室研究裝置樣式各異，但總體上分為密封式和開放式運動裝置兩類。兩類裝置各有其優(yōu)點：密封式研究裝置便于調(diào)控水環(huán)境變量，從而更易于實現(xiàn)單因素影響研究；開放式研究裝置更接近自然河道，能更好地模仿實際魚道進行研究。野外研究如利用聲納探測、GPS定位等技術(shù)，收集魚類的流域分布信息，跟蹤魚類的洄游行為，然后結(jié)合魚類游泳特性相關(guān)資料在適當?shù)乃虿贾敏~類洄游引導(dǎo)路線；利用水下視頻監(jiān)測設(shè)備，在魚道各個關(guān)鍵部位（例如魚道進出口、過魚孔等地方）收集視頻資料，繼而分析魚類的運動行為和通過狀況，從而評估魚道的運作效率，也可為今后的魚道設(shè)計參數(shù)調(diào)整提供參考。

3 魚道的水力特性研究

國內(nèi)外許多研究發(fā)現(xiàn)，水流水力特性與魚的生存等都具有非常重要的關(guān)系，水流對魚類行為的影響被認為是最原始和最切實有效的，魚類能通過身體表面的側(cè)線感覺到流速、紊動強度和壓力的變化，其行為受紊動尺度及其作用范圍影響。而目標魚種能否順利通過魚道實現(xiàn)洄游上溯，取決于水流流態(tài)、流速場、紊動能和雷諾剪切應(yīng)力等水力特性，因此深入研究魚道的水力學(xué)特性對評價魚道的過魚效率及優(yōu)化魚道設(shè)計等具有重要意義。適宜的水流流態(tài)、流速和紊動能等水力特性是魚類順利通過魚道實現(xiàn)自然洄游的關(guān)鍵因素，因此深入研究魚道內(nèi)的水力特性，對提高魚道的過魚效果具有重要意義。國內(nèi)外較多地選擇利用數(shù)值模擬與模型試驗相結(jié)合的方法對魚道進行研究，獲得適合魚類自由上溯的理想流速和流態(tài)等，為后續(xù)魚道的設(shè)計、優(yōu)化及其改造提供依據(jù)。

3.1 模型試驗

在計算機技術(shù)發(fā)展起來之前，物理模型試驗作為主要的研究手段，一直以來都在魚道研究中起著重要作用。Wu等對豎縫式魚道的試驗研究發(fā)現(xiàn)，當魚道坡度小于5%時，水池中的水流具有二維流動的特性，垂向流速遠小于水平方向的流速，在“魚道均勻流”條件下，池室二維流動形態(tài)與流量無關(guān)。Tarrade研究發(fā)現(xiàn)，隨著池長/池寬的變化和坡度的不同，魚道中的水流流態(tài)出現(xiàn)了兩種流態(tài)。Puertas等綜合前人基于豎縫式魚道的水力特性進行了試驗研究，建立了魚道無量綱流量與相對水深存在線性關(guān)系。Bermudez等對不同水池尺寸的同側(cè)豎縫式魚道進行試驗，得到兩種不同水流流態(tài)。國內(nèi)的董志勇等對豎縫式魚道的豎縫寬度與水池寬度之比較大的情況進行了系統(tǒng)的試驗研究。試驗研究表明：靠近豎縫處的斷面流速分布具有正態(tài)分布形態(tài)，距豎縫較遠處才逼近壁面射流的流速分布；水池內(nèi)總向流速的衰減比平面自由壁面射流快得多，并且不存在平面射流中的勢流核。曹慶磊等利用三維超聲波流速儀（ADV）測魚道池室中流速，對池室中不同流量不同水深時的流速場、紊動能和雷諾剪切應(yīng)力等水力特性進行研究。發(fā)現(xiàn)池室中的流速、紊動能和雷諾剪切應(yīng)力在豎縫出口附近最大，在兩側(cè)的回流區(qū)比較小，其中大回流區(qū)的這三個指標要小于小回流區(qū)，適宜魚類休息。

3.2 魚道的數(shù)值模擬

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，通過數(shù)值模擬分析魚道流場，探討魚道的水力特性是目前研究的發(fā)展趨勢。在已知魚類習(xí)性的前提條件下，利用數(shù)值模擬技術(shù)進行仿真和魚道結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)化，可以大大提高魚道的設(shè)計效率。Guiny等對豎縫式魚道的水力特性和生物特性進行過較為系統(tǒng)的試驗研究和數(shù)值模擬。Barton、Fujihara、Stephan等先后對豎縫式魚道的水力特性進行了數(shù)值模擬計算，并與Yong的試驗結(jié)果進行了比較。Bombae等在PCFLOW2D模型的基礎(chǔ)上增加三種不同的湍流模型對豎縫式魚道進行數(shù)值模擬，所需的流速、最大豎縫速度及體積能量耗散率等水力特性參數(shù)能夠被詳細分析出來。Marriner等采用流速測量和計算流體動力學(xué)模型方法，研究了七種豎縫式魚道不同轉(zhuǎn)彎段結(jié)構(gòu)型式的水流流態(tài)、流速場、紊動能及單位體積能量耗散率等水力特性。徐體兵與孫雙科等用標準k-ε湍流模型對豎縫式魚道水流結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬計算，研究了水池內(nèi)不同長寬比對水池內(nèi)流場結(jié)構(gòu)、主流區(qū)最大流速軌跡及其沿程變化情況，得出當長寬比在8∶8～10.5∶8的豎縫寬度范圍內(nèi)，可以獲得較好的適合魚類上溯的流態(tài)。曹慶磊等分別采用標準的k-ε模型和雷諾應(yīng)力方程模型（RSM）對同側(cè)豎縫式魚道進行了三維數(shù)值模擬，對池室內(nèi)的流場、紊動能和雷諾剪切應(yīng)力等水力特性進行了分析，結(jié)果表明：兩種紊流模型均可模擬同側(cè)豎縫式魚道水流基本特性，但RSM模型流速場的計算結(jié)果與水工模型試驗結(jié)果更為吻合。羅小鳳利用Fluent軟件模擬了豎縫式魚道的流場，并用模型試驗對數(shù)值模擬進行了驗證，分析了豎縫式魚道導(dǎo)板的長度及導(dǎo)角大小對魚道內(nèi)流場的影響。毛熹等通過采用模型試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對魚道結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提出了一種新的魚道，稱為“T形魚道”，并對T形魚道的水力特性進行了研究。郭維東等通過三維數(shù)值模擬對同側(cè)豎縫式魚道結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，并采用可視化顯示及數(shù)據(jù)分析的方法分析不同豎縫相對寬度、底坡條件下的水流結(jié)構(gòu)特征。

4 結(jié)語

我國目前已修建的魚道絕大部分都是根據(jù)國外魚道的設(shè)計來完成的。但是魚道設(shè)計不僅與水力特征相關(guān)，而且與魚類游泳特性相關(guān)。國外流域中的魚種和國內(nèi)不同，即使某些魚種相同，但因生活環(huán)境的差異性，游泳特性也很難一致。因此，魚道設(shè)計時，首先必須針對不同的魚類，深入了解其魚類的游泳特性；其次依靠數(shù)值模擬和物理模型試驗研究進行魚道結(jié)構(gòu)優(yōu)化，塑造出能滿足魚類洄游需求的水流條件。依據(jù)水流特征及魚類游泳特性設(shè)計并修建了魚道后，下一步還應(yīng)運行監(jiān)測統(tǒng)計、研究與評價魚道實際的過魚效率，把理論與實際相結(jié)合。只有以魚類的不同特性為依據(jù)，結(jié)合魚道水力特性的塑造，才能設(shè)計出具有較好過魚效果的魚道。通過對魚類游泳特性和魚道水力特征的研究可為相關(guān)設(shè)計提供技術(shù)支撐。

參考文獻

[1]陳凱麒，常仲農(nóng)，曹曉紅，等.我國魚道的建設(shè)現(xiàn)狀與展望[J].水利學(xué)報，2012，（2）.

[2]王琲，楊文俊，陳輝.生態(tài)水工建筑物——魚道的建設(shè)及研究進展[J].人民長江，2013，（9）.

[3]王興勇，郭軍.國內(nèi)外魚道研究與建設(shè)[J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2005，（3）.

[4]閆濱，王鐵良，劉桐渤.魚道水力特性研究進展[J].長江科學(xué)院院報，2013，（6）.

[5]鄭金秀，韓德舉，胡望斌，等.與魚道設(shè)計相關(guān)的魚類游泳行為研究[J].水生態(tài)學(xué)雜志，2010，3（5）.

[6]王萍，桂福坤，吳常文.魚類游泳速度分類方法的探討[J].中國水產(chǎn)科學(xué)，2010，17（5）.

[7]楊宇，嚴忠民，喬曄.河流魚類棲息地水力學(xué)條件表征與評述[J].河海大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，（2）.

[8]白音包力皋，王玎，陳興茹，等.魚道水力學(xué)關(guān)鍵問題及設(shè)計要點[A].水力學(xué)與水利信息學(xué)進展[C].2009.

[9]董志勇，馮玉平，Ervine A.同側(cè)豎縫式魚道水力特性及放魚試驗研究[J].水力發(fā)電學(xué)報，2008，（6）.

[10]董志勇，馮玉平，Ervine A.異側(cè)豎縫式魚道水力特性及放魚試驗研究[J].水力發(fā)電學(xué)報，2008，（6）.

[11]曹慶磊，楊文俊，陳輝.異側(cè)豎縫式魚道水力特性試驗研究[J].河海大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，（6）.

[12]徐體兵，孫雙科.豎縫式魚道水流結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報，2009，（11）.

[13]曹慶磊，楊文俊，陳輝.同側(cè)豎縫式魚道水力特性的數(shù)值模擬[J].長江科學(xué)院院報，2010，（7）.

[14]羅小鳳，李嘉.豎縫式魚道結(jié)構(gòu)及水力特性研究[J].長江科學(xué)院院報，2010，（10）.

[15]毛熹，李嘉，易文敏，等.魚道結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].四川大學(xué)學(xué)報（工程科學(xué)版），2011，（S1）.

[16]毛熹，脫友才，安瑞冬，等.結(jié)構(gòu)變化對魚道水力學(xué)特性的影響[J].四川大學(xué)學(xué)報（工程科學(xué)版），2012，（3）.

[17]郭維東，賴倩，王麗，等.同側(cè)豎縫式魚道水力特性數(shù)值模擬[J].水電能源科學(xué)，2013，（5）.

[18]郭維東，孟文，熊守純，等.同側(cè)豎縫式魚道結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)值模擬研究[J].長江科學(xué)院院報，2015，（2）.

[19]郭維東，孫磊，高宇，等.同側(cè)豎縫式魚道流速特性研究[J].水力發(fā)電學(xué)報，2013，（2）.

作者簡介：胡?。?989-），男，湖北宜昌人，三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院碩士研究生，研究方向：生態(tài)水利學(xué)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）