突擴(kuò)明渠分離流中紅鯽魚運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)

薛宗璞，黃明海

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，武漢 430000)

游泳行為是魚類最基本的生命活動(dòng)，魚類在水中的洄游、聚集、索餌、逃避敵害及生殖等生命活動(dòng)都離不開游泳，研究魚類游泳行為對(duì)闡明魚類行為進(jìn)化的生態(tài)適應(yīng)機(jī)制具有重要意義。隨著科技手段的不斷發(fā)展，游泳行為研究方法也從傳統(tǒng)的直接觀察和手工記錄等定性行為研究，逐漸發(fā)展為水下攝像、船舶跟蹤、計(jì)算機(jī)圖像處理及衛(wèi)星遙感遙測(cè)等多種高效率、廣范圍的定量研究，極大地?cái)U(kuò)大了魚類生態(tài)行為的研究領(lǐng)域[1-14]。

突擴(kuò)明渠分離流具有顯著影響魚類行為的紊流、漩渦運(yùn)動(dòng)和回流等復(fù)雜特征，明渠中的魚類會(huì)經(jīng)常遇到這種水流。

紅鯽魚(Red Crucian Carp)又名金鯽魚或草金魚，鯽魚種，鯉屬，鯉科，體呈紡錘形，尾鰭不分叉，背、腹、胸、臀鰭均正常。體質(zhì)強(qiáng)健，適應(yīng)性強(qiáng)，食性廣，對(duì)于水流較為敏感。本研究以紅鯽魚為研究對(duì)象，分析其對(duì)突擴(kuò)明渠分離流的行為適應(yīng)特征，加深水流運(yùn)動(dòng)對(duì)魚類行為學(xué)影響的認(rèn)識(shí)，還對(duì)魚類棲息地微觀水流環(huán)境改善、過魚設(shè)施設(shè)計(jì)和水電站樞紐調(diào)度管理等方面有重要參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)魚來源與暫養(yǎng)

從市場(chǎng)購買2種不同大小的魚，每種體長(zhǎng)魚類個(gè)體數(shù)量為15尾，用以進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)。在開展試驗(yàn)前，所有試驗(yàn)用魚放置于專用養(yǎng)魚池中馴養(yǎng)，定期投餌料，試驗(yàn)前一日停止喂投餌料。

1.2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

1.2.1 突擴(kuò)明渠試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

試驗(yàn)裝置采用自循環(huán)供水系統(tǒng)(見圖1)，最大供水流量為300 L/s；在現(xiàn)有的平底玻璃水槽(10 m×0.6 m×1.0 m)中安裝明渠突擴(kuò)結(jié)構(gòu)模型，水槽前端安裝整理器和攔魚網(wǎng)，水槽末端安裝攔魚網(wǎng)和尾門。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.2.2 實(shí)驗(yàn)條件

水流條件：上游流量分別為30、60、90、120和150 L/s；控制下游出口斷面水深0.6 m，上游渠道平均流速分別為0.2、0.4、0.6、0.8和1.0 m/s；試驗(yàn)時(shí)段為2016年12月份，試驗(yàn)時(shí)水槽內(nèi)穩(wěn)定水溫變化范圍為11～14 ℃，水體溶解氧變化范圍為10.0～10.4 mg/L。

1.2.3 觀測(cè)方法

魚類活動(dòng)范圍觀測(cè)區(qū)域?yàn)橥粩U(kuò)斷面上游0.2 m至下游2.0 m水槽區(qū)段。為避免水面波動(dòng)對(duì)魚類游動(dòng)行為圖像的干擾，通過在水槽底部放置平面玻璃鏡觀測(cè)魚類游動(dòng)行為，采用攝像機(jī)采集魚類游動(dòng)圖像視頻。模型結(jié)構(gòu)和觀測(cè)儀器布置照片見圖2。

圖2 模型結(jié)構(gòu)和觀測(cè)儀器布置

1.2.4 試驗(yàn)步驟

步驟1：開泵放水前，將水槽中馴養(yǎng)魚類撈起分別單獨(dú)置于有標(biāo)識(shí)的容器中備用。

步驟2：將水槽按設(shè)定試驗(yàn)水流條件調(diào)整至穩(wěn)定。

步驟3：取一尾魚放置于水槽內(nèi)突擴(kuò)斷面下游約5 m處以適應(yīng)水流，并設(shè)置攔魚網(wǎng)防止其上溯。

步驟4：待魚適應(yīng)30 min后，移開攔魚網(wǎng)，觀察魚類在水槽下游游動(dòng)情況，待進(jìn)入攝像機(jī)觀測(cè)區(qū)域進(jìn)行魚游動(dòng)行為圖像采集，魚長(zhǎng)時(shí)間在小范圍徘徊或游出攝像機(jī)觀測(cè)區(qū)且短時(shí)間不再返回，則該次試驗(yàn)結(jié)束，將魚從水槽中撈起放回相應(yīng)容器中。

步驟5：按照步驟3和步驟4，對(duì)同一體長(zhǎng)魚種共進(jìn)行超過10個(gè)組次的游泳行為觀測(cè)試驗(yàn)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Image-Pro Plus圖形分析軟件提取視頻中魚類運(yùn)動(dòng)軌跡和輪廓，自編程序計(jì)算魚類運(yùn)動(dòng)速度，Tecplot數(shù)據(jù)處理軟件制作圖形和動(dòng)畫。通過提取每一幀圖像魚體輪廓，并計(jì)算分析質(zhì)點(diǎn)位置形成魚類游動(dòng)軌跡，根據(jù)圖像采樣間隔時(shí)間和相鄰圖像魚類質(zhì)點(diǎn)距離計(jì)算魚類游動(dòng)速度。實(shí)驗(yàn)紅鯽魚體長(zhǎng)見圖3。

圖3 紅鯽魚形態(tài)指標(biāo)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 魚類游動(dòng)模式

通過水槽中魚類游動(dòng)行為視頻數(shù)據(jù)分析處理，得出了不同水流情況下不同個(gè)體魚類游動(dòng)軌跡。

根據(jù)魚類游動(dòng)軌跡分析結(jié)果，魚類游動(dòng)軌跡可分為以下3種主要游動(dòng)模式。

(1)模式1：沿主流直接上溯模式。魚類在下游貼近上壁底邊逆流上溯，在進(jìn)入主流區(qū)隨著流速增大逐漸加大游動(dòng)速度，接近特征流速時(shí)游動(dòng)速度趨于穩(wěn)定，并以此速度頂著主流通過收縮斷面，在此過程中一般魚尾擺動(dòng)頻率和幅度較大。模式1代表性游動(dòng)軌跡見圖4。

圖4 模式1代表性運(yùn)動(dòng)軌跡

(2)模式2：回流區(qū)內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間徘徊模式。魚類從回流區(qū)一側(cè)貼壁慢速進(jìn)入回流區(qū)，或中部遇剪切層改變路徑進(jìn)入回流區(qū)，或在上壁底邊逆流上溯過程中遭遇主流大流速斜穿主流區(qū)進(jìn)入，最終在角窩區(qū)長(zhǎng)時(shí)間小范圍徘徊。還有少數(shù)在回流區(qū)尾部擺動(dòng)區(qū)或上壁近壁區(qū)短距離上下游往復(fù)游動(dòng)徘徊。模式2代表性游動(dòng)軌跡見圖5。

圖5 模式2代表性運(yùn)動(dòng)軌跡

(3)模式3：遭遇模式。在上溯過程中遭遇強(qiáng)剪切層、大漩渦復(fù)雜水流結(jié)構(gòu)和大流速時(shí)，在主流區(qū)和回流區(qū)之間大范圍徘徊，游動(dòng)軌跡明顯改變，軌跡改變后主要出現(xiàn)2種結(jié)果：①在角窩區(qū)徘徊時(shí)遇到角點(diǎn)附近強(qiáng)剪切層和主流大流速，通過加快游動(dòng)速度上溯通過收縮斷面進(jìn)入渠道上游(見圖6)；②或被大流速?zèng)_退至一段距離后再次回到回流區(qū)，或直接被主流帶出觀測(cè)區(qū)(見圖7)。

圖6 模式3①代表性運(yùn)動(dòng)軌跡

圖7 模式3②代表性運(yùn)動(dòng)軌跡

圖8 各游動(dòng)模式數(shù)量分布

圖8給出了不同體長(zhǎng)魚類在5種水流中游動(dòng)模式出現(xiàn)數(shù)量情況，從圖8中分析可知：

(1)在U=0.2 m/s水流情況下，大、中2種體長(zhǎng)的魚模式2(回流區(qū)內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間徘徊模式)占比最大，模式1(沿主流直接上溯模式)次之，模式3(遭遇模式)最少；隨著體長(zhǎng)減小，模式2占比逐漸增大，模式1占比減小，模式3變化不顯著。

(2)在U=0.4 m/s水流情況下，大、中2種體長(zhǎng)的魚以模式2為主，模式1和模式3也占有一定比例。

(3)在U=0.6 m/s水流情況下，大、中2種體長(zhǎng)的魚3種模式占比比較接近。

(4)在U=0.8 m/s水流情況下，大、中魚以模式1和模式3為主，模式4較少。

(5)在U=1.0 m/s水流情況下，大、中2種體長(zhǎng)的魚以模式2為主。

(6)隨著試驗(yàn)水流流速增加，大、中魚運(yùn)動(dòng)的模式3出現(xiàn)百分比都在增加，而模式1出現(xiàn)百分比在U=0.8 m/s水流的試驗(yàn)工況都出現(xiàn)明顯下降，模式2出現(xiàn)百分比則一直相對(duì)穩(wěn)定。

(7)由上文分析可見，在不同流速工況下大魚和中魚的運(yùn)動(dòng)規(guī)律并沒有根本性的差異，故之后本文將只針對(duì)大魚運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析、介紹。

2.2 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、渦量場(chǎng)與魚類運(yùn)動(dòng)軌跡疊加效果圖

利用fluent建立大渦模擬三維數(shù)學(xué)模型，對(duì)不同特征流速情況下的突擴(kuò)明渠分離再附著水流特性進(jìn)行模擬分析, 選擇單邊突擴(kuò)明渠結(jié)構(gòu)為代表性研究對(duì)象，突擴(kuò)斷面上游長(zhǎng)5 m，下游8 m,算出流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和渦量場(chǎng)，并將流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與紅鯽魚運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)進(jìn)行疊加，以黑色圓點(diǎn)代表紅鯽魚運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)(見圖9～18)。在實(shí)際觀察中大魚和中魚運(yùn)動(dòng)規(guī)律并沒有明顯區(qū)別，所以只給出大魚運(yùn)動(dòng)軌跡與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)疊加效果圖，渦量場(chǎng)也作同樣處理。

圖9 U=0.2 m/s流場(chǎng)結(jié)構(gòu)中大魚運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)

圖10 U=0.2 m/s渦量場(chǎng)中大魚運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)

圖11 U=0.4 m/s流場(chǎng)結(jié)構(gòu)中大魚運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)

圖12 U=0.4 m/s渦量場(chǎng)中大魚運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)

圖13 U=0.6 m/s流場(chǎng)結(jié)構(gòu)中大魚運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)

圖14 U=0.6 m/s渦量場(chǎng)中大魚運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)

圖15 U=0.8 m/s流場(chǎng)結(jié)構(gòu)中大魚運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)

圖16 U=0.8 m/s渦量場(chǎng)中大魚運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)

圖17 U=1.0 m/s流場(chǎng)結(jié)構(gòu)中大魚運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)

圖18 U=1.0 m/s渦量場(chǎng)中大魚運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)

2.3 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、渦量場(chǎng)與魚類特征運(yùn)動(dòng)軌跡線疊加

將流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、渦量場(chǎng)與紅鯽魚特征運(yùn)動(dòng)軌跡線進(jìn)行疊加，以黑色虛線代表紅鯽魚特征運(yùn)動(dòng)軌跡線(見圖19～26)。

圖19 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)中模式1魚類運(yùn)動(dòng)軌跡線

圖20 渦量場(chǎng)中模式1魚類運(yùn)動(dòng)軌跡線

圖21 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)中模式2魚類運(yùn)動(dòng)軌跡線

圖22 渦量場(chǎng)中模式2魚類運(yùn)動(dòng)軌跡線

圖23 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)中模式3魚類運(yùn)動(dòng)軌跡線

圖24 渦量場(chǎng)中模式3魚類運(yùn)動(dòng)軌跡線

圖25 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)中模式3魚類運(yùn)動(dòng)軌跡線

圖26 渦量場(chǎng)中模式3魚類運(yùn)動(dòng)軌跡線

3 討 論

3.1 魚類游動(dòng)范圍分析

圖9～圖18分別給出了不同水流條件下大魚在流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和渦量場(chǎng)圖中活動(dòng)范圍，以黑色圓點(diǎn)顯示魚類軌跡點(diǎn)。從圖中分析可知：

(1)由圖9和圖10可知，在U=0.2 m/s水流情況下，大魚主要活動(dòng)范圍分布在角窩低流速區(qū)、回流區(qū)下壁近壁區(qū)、上壁近壁區(qū)，以及回流區(qū)中心點(diǎn)至再附著點(diǎn)之間的主流區(qū)，在主流大流速區(qū)和角點(diǎn)下游大渦量帶出現(xiàn)游動(dòng)情況較少。

(2)由圖11和圖12可知，在U=0.4 m/s水流情況下，大魚活動(dòng)范圍主要分布在角窩低流速區(qū)、回流區(qū)下壁近壁區(qū)、上壁近壁區(qū)，突擴(kuò)斷面至再附著點(diǎn)區(qū)段主流區(qū)和回流區(qū)，其他區(qū)域也有部分軌跡點(diǎn)分布，在角點(diǎn)下游大渦量帶出現(xiàn)游動(dòng)情況則相對(duì)較少。

(3)由圖13和圖14可知，在U=0.6 m/s水流情況下，大魚主要分布在角窩低流速區(qū)、回流區(qū)下壁近壁區(qū)、上壁近壁區(qū)，在主流大流速區(qū)和角點(diǎn)下游大渦量帶出現(xiàn)游動(dòng)情況則相對(duì)較少。

(4)由圖15和圖16可知，在U=0.8 m/s水流情況下，大魚活動(dòng)范圍基本集中在角窩低流速區(qū)，回流區(qū)下壁近壁區(qū)，上壁近壁區(qū)也有少量大魚軌跡點(diǎn)出現(xiàn)，在主流大流速區(qū)和角點(diǎn)下游大渦量帶出現(xiàn)游動(dòng)情況則相對(duì)較少。

(5)由圖17和圖18可知，在U=1.0 m/s水流情況下，大魚活動(dòng)范圍基本集中在角窩低流速區(qū)，回流區(qū)下壁近壁區(qū)，上壁近壁區(qū)也有少量大魚軌跡點(diǎn)出現(xiàn)，在主流大流速區(qū)和角點(diǎn)下游大渦量帶出現(xiàn)游動(dòng)情況則相對(duì)較少。

綜上所述，各種水流條件下，魚類主要活動(dòng)區(qū)域位于角窩低流速區(qū)、回流區(qū)下壁近壁區(qū)、上壁近壁區(qū)；在較小的特征流速(U=0.2～0.4 m/s)情況下主流區(qū)和回流區(qū)其他區(qū)域也有部分軌跡點(diǎn)分布；當(dāng)特征流速U=0.6～1.0 m/s時(shí)，魚類主要活動(dòng)范圍集中在角窩低流速區(qū)，回流區(qū)下壁近壁區(qū)，上壁近壁區(qū)也有少量魚類軌跡點(diǎn)出現(xiàn)。魚類在主流大流速區(qū)和角點(diǎn)下游大渦量帶出現(xiàn)游動(dòng)情況則相對(duì)較少。

3.2 魚類游動(dòng)行為與水流響應(yīng)關(guān)系分析

圖19～26給出了不同水流條件下魚類3種游動(dòng)模式代表性游動(dòng)軌跡線與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、渦量場(chǎng)疊加效果圖，綜合各種游動(dòng)模式代表性軌跡線的疊加圖分析可知：

(1)由圖19和圖20可知，在模式1情況下，魚類游動(dòng)軌跡線總體與流線保持平順，所經(jīng)歷的上壁近區(qū)大渦量和主流區(qū)流速變化對(duì)魚類游動(dòng)速度影響關(guān)系不顯著。

(2)由圖21和圖22可知，在模式2情況下，魚類在角窩、回流區(qū)下壁等區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間以較低游動(dòng)速度徘徊，所在區(qū)域流速、渦量非常小，魚類游動(dòng)速度基本不受此2者影響；但在徘徊的過程中遇到流速大幅增大或大渦量時(shí)，魚類也出現(xiàn)快速響應(yīng)情況。

(3)由圖23～圖26可知，在模式3情況下，由于魚類游動(dòng)范圍較大，軌跡線所經(jīng)歷的流速大小和流向、渦量等都有較大變化，魚類在游動(dòng)過程中對(duì)流速或渦量較大變化時(shí)也不斷調(diào)整游動(dòng)速度以適應(yīng)水流變化。當(dāng)魚類經(jīng)過角窩下游的大渦量帶時(shí)，魚類游動(dòng)速度改變較大。

4 結(jié) 語

本實(shí)驗(yàn)針對(duì)喜流性淡水魚類，開展突擴(kuò)明渠中不同來流條件下的魚類游泳行為水槽試驗(yàn)，采用高速攝像機(jī)和運(yùn)動(dòng)分析軟件分別觀測(cè)和分析了魚類游動(dòng)軌跡、游動(dòng)模式和游動(dòng)范圍，結(jié)合大渦模擬數(shù)學(xué)模型分析突擴(kuò)明渠水流運(yùn)動(dòng)特性，分析了各種突擴(kuò)明渠分離再附著水流對(duì)魚類游動(dòng)行為影響規(guī)律，得出了魚類游泳行為與突擴(kuò)明渠結(jié)構(gòu)分離再附著水流響應(yīng)關(guān)系。研究成果加深了復(fù)雜水流對(duì)魚類行為影響的認(rèn)識(shí)，對(duì)魚類棲息地微觀水流環(huán)境修復(fù)、過魚設(shè)施設(shè)計(jì)和水電站樞紐調(diào)度管理等具有重要參考價(jià)值。

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