漂流性魚卵安全漂流的臨界水動(dòng)力條件實(shí)驗(yàn)研究

胡 鵬，唐家璇，楊澤凡，曾慶慧，楊明達(dá)

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038）

1 研究背景

以四大家魚為典型代表的產(chǎn)漂流性卵魚類，受精卵需要一定的漂流時(shí)間和距離，在順?biāo)鬟^程中孵化并發(fā)育至具有自主游泳能力的仔魚，這有利于物種的散布和躲避敵害［1-3］。漂流性魚卵一旦沉底，則會(huì)因觸底造成的破碎、泥沙掩埋導(dǎo)致的缺氧等原因而死亡［4-6］。隨著水庫(kù)大壩等攔河建筑物的大量修建，河流水動(dòng)力條件大幅改變［7-8］，可能無(wú)法滿足維持魚卵漂流孵化的流速［9］、流態(tài)［10］、漂程［11］等條件，進(jìn)而導(dǎo)致漂流性魚卵不能成功孵化，對(duì)產(chǎn)漂流性卵魚類的物種多樣性和豐度造成嚴(yán)重影響［12-13］。此外，漂流性魚卵安全漂流的水動(dòng)力條件是構(gòu)建河流水文-生態(tài)響應(yīng)關(guān)系的重要水文參數(shù)，可服務(wù)于河流生態(tài)流量的相關(guān)研究［14-16］。深入開展漂流性魚卵安全漂流的臨界水動(dòng)力條件研究，對(duì)于河流生態(tài)流量目標(biāo)制定和魚類保護(hù)具有重要意義。

目前，關(guān)于魚卵漂流的研究方法主要有實(shí)驗(yàn)觀察和模型模擬兩種，實(shí)驗(yàn)觀察又分為野外實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)［17］。野外實(shí)驗(yàn)方面，易伯魯?shù)龋?8］在5—6月四大家魚產(chǎn)卵期，使用塑料標(biāo)志物，于長(zhǎng)江干流江段開展漂流試驗(yàn)，初步得到卵苗在江中平均漂流速度為0.947 m/s的結(jié)論。唐會(huì)元等［19］在丹江口水庫(kù)設(shè)置6處漂流性魚卵采集斷面，根據(jù)各斷面表、底層魚卵分布變化，認(rèn)為流速為0.27 m/s時(shí)魚卵開始下沉，流速為0.1 m/s時(shí)魚卵全部沉底。姜偉等［20］在長(zhǎng)江上游江段，以植物種子作為標(biāo)志物模擬漂流性魚卵，結(jié)果表明主要投放點(diǎn)投放的3組標(biāo)志物平均漂流速度存在顯著差異，主要投放點(diǎn)和對(duì)照投放點(diǎn)投放的4組標(biāo)志物漂流密度的高峰值、低峰值相間出現(xiàn)。

由于野外實(shí)驗(yàn)條件復(fù)雜、干擾因素眾多，在可控條件下開展重復(fù)性室內(nèi)實(shí)驗(yàn)成為研究魚卵運(yùn)動(dòng)和漂流對(duì)水動(dòng)力需求的有效手段。唐明英等［21］通過水槽實(shí)驗(yàn)，研究了漂流距離為20 m時(shí)不同流速與四大家魚魚卵懸浮率的響應(yīng)關(guān)系，提出以0.25 m/s 作為三峽水庫(kù)庫(kù)區(qū)漂流性魚卵安全漂流的下限流速。

Garcia等［22］利用視頻錄像，對(duì)漂流距離為2 m時(shí)不同流速、河床形態(tài)對(duì)模型魚卵運(yùn)動(dòng)的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)流速大于0.2 m/s時(shí)，平坦和非平坦河床形態(tài)下魚卵懸浮率無(wú)明顯差異。劉雪飛等［23］借鑒泥沙實(shí)驗(yàn)機(jī)理，利用PTV 粒子追蹤測(cè)速技術(shù)，分析了恒定均勻流條件下漂流距離為4 m 時(shí)不同流速、水深對(duì)模型魚卵運(yùn)動(dòng)速度、軌跡的影響，并推導(dǎo)了適用于主流區(qū)的魚卵運(yùn)動(dòng)方程，但由于實(shí)驗(yàn)條件限制，實(shí)驗(yàn)水深皆小于0.6 m。楊慶［24］借助仿真河道，探究了漂流距離為19 m時(shí)流速、水深對(duì)鰱魚受精卵漂流的協(xié)同作用，初步得出水深的降低需要一定程度上提高下限流速以保證魚卵安全漂流的結(jié)論。

上述室內(nèi)實(shí)驗(yàn)都對(duì)魚卵漂流的水動(dòng)力需求進(jìn)行了研究，但大都局限于流速對(duì)魚卵漂流和運(yùn)動(dòng)的影響，且由于實(shí)驗(yàn)裝置的限制，實(shí)驗(yàn)過程中魚卵漂流的距離十分有限，水深與天然河流相比也較小。王殿常等［25］曾在探究明槽水流中顆粒運(yùn)動(dòng)特性時(shí)，計(jì)算了不同工況下的水流雷諾數(shù)，但由于實(shí)驗(yàn)工況較少，雷諾數(shù)變化范圍很小，未深入關(guān)注水流雷諾數(shù)對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的影響。在前述研究基礎(chǔ)上，本研究擬通過在室外建設(shè)大型仿真河道，分析流速、水深、水面寬等因素對(duì)魚卵漂流的協(xié)同影響機(jī)制，并探究決定漂流性魚卵能否安全漂流的控制性因子及其閾值。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置本次實(shí)驗(yàn)在中國(guó)水利水電科學(xué)研究院延慶實(shí)驗(yàn)基地內(nèi)開展，大型室外明渠實(shí)驗(yàn)裝置和魚卵收集裝置如圖1所示。

圖1 大型明渠實(shí)驗(yàn)裝置及模型魚卵收集裝置示意

大型明渠實(shí)驗(yàn)裝置（見圖1（a））整體長(zhǎng)60 m、高1.5 m，矩形明渠①、②、③寬度分別為0.8、0.8和1.8 m，主要結(jié)構(gòu)有：a為上游進(jìn)水口、b為消能緩沖池、c為可調(diào)閘門、d為穩(wěn)流柵、e為下游出水口、f為水泵抽水區(qū)、g為水泵。

模型魚卵收集裝置（見圖1（b））主體寬0.8 和1 m，高1.25 m，布置于下游出水口處，主要結(jié)構(gòu)有：h為魚卵收集區(qū)，共分5層，每層高0.25 m；i 為紗網(wǎng)，規(guī)格為7目（直徑2.8 mm）；j 為木質(zhì)提升桿。

大型明渠實(shí)驗(yàn)裝置利用8臺(tái)水泵，通過輸水管道將水流從下游出水口抽至上游消能緩沖池，以實(shí)現(xiàn)水體的循環(huán)流動(dòng)，為實(shí)驗(yàn)提供水源及動(dòng)力。通過改變水泵開啟數(shù)量和閘門開度控制明渠進(jìn)水量，從而控制水流流速。穩(wěn)流柵設(shè)于閘門后，用于消能并穩(wěn)定水流流態(tài)。此外，自制與水槽矩形斷面形狀一致的魚卵收集裝置，能夠起到收集模型魚卵，又不顯著阻擋水流的作用。

2.2 實(shí)驗(yàn)材料實(shí)驗(yàn)所用模型魚卵的主要成分為海藻酸鈉，具有一定的吸水膨脹特性，充分吸水膨脹后的直徑介于4.0 ～5.0 mm，與四大家魚受精卵吸水膨脹后的卵徑4.0 ～5.3 mm［21，26］基本一致。模型魚卵吸水膨脹后的相對(duì)比重介于1.001 ～1.01，為更接近真實(shí)魚卵的相對(duì)比重1.0014 ～1.0031［21］，利用不同濃度梯度的鹽水篩選出相對(duì)比重在1.002 ～1.005的模型魚卵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。經(jīng)測(cè)量，模型魚卵靜水下沉速度為0.0067 ～0.0095 m/s，與四大家魚真實(shí)魚卵基本一致，能夠較好的反映漂流性魚卵的各項(xiàng)物理性質(zhì)。

2.3 工況設(shè)置實(shí)驗(yàn)共設(shè)置7 種流速、4 種水深、2種水面寬，共計(jì)56種工況，每種工況進(jìn)行5組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，共計(jì)280 組，實(shí)驗(yàn)工況基本參數(shù)見表1。由于大型明渠實(shí)驗(yàn)裝置位于室外，難以人為控制水溫，實(shí)驗(yàn)過程中平均水溫為9.1 ℃，6.9 ～11 ℃范圍的實(shí)驗(yàn)組占比為83.2%。

表1 實(shí)驗(yàn)工況基本參數(shù)

水流雷諾數(shù)是一種用來表征流體流動(dòng)情況、物體在流動(dòng)中所受阻力的無(wú)量綱數(shù)［27-28］，56種工況下的不同實(shí)驗(yàn)組各對(duì)應(yīng)一組雷諾數(shù)，可根據(jù)明渠水面寬以及水流的流速、水深和溫度計(jì)算得到，計(jì)算公式為：

式中：ρ為流體密度，kg/m3；v為流體的平均流速，m/s；d為特征長(zhǎng)度，由斷面形狀決定，m；μ為流體的動(dòng)力黏滯系數(shù)，與溫度相關(guān)，Pa·s。

對(duì)于矩形明渠，特征長(zhǎng)度d與其水力半徑相關(guān)［29］：

式中：b為矩形明渠的寬度，m；h為矩形明渠的高度，m。因此，矩形明渠中水流雷諾數(shù)的計(jì)算公式可表達(dá)為：

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟（1）實(shí)驗(yàn)開始前，按預(yù)設(shè)水深從自備井中抽取地下水注入明渠。由于大型實(shí)驗(yàn)裝置的水深較難精準(zhǔn)控制，在各組實(shí)驗(yàn)中可能略有差異（±2 cm）。（2）實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，先于下游出水口處布設(shè)魚卵收集裝置，再通過控制水泵開啟數(shù)量和閘門開度將水流中層平均流速調(diào)至預(yù)設(shè)水平，流速采用YSI Flow Tracker流速儀和多普勒流速流量計(jì)共同測(cè)量，以提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。（3）在水流中層使用水溫計(jì)測(cè)得水溫并記錄。（4）在上游水流穩(wěn)定處（距離下游出水口50 m），水面10 cm 以下釋放模型魚卵，每組實(shí)驗(yàn)釋放200顆模型魚卵。（5）達(dá)到預(yù)計(jì)最大漂流時(shí)間后，將魚卵收集裝置取出，對(duì)收集到的模型魚卵進(jìn)行人工計(jì)數(shù)，計(jì)算魚卵收集率，并進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和分析。

3 結(jié)果與分析

由于本次實(shí)驗(yàn)過程中水溫變化對(duì)水流動(dòng)力黏滯系數(shù)的影響幅度較小，因此不單獨(dú)考慮水溫差異，重點(diǎn)針對(duì)流速、水深、水面寬以及水流雷諾數(shù)與魚卵收集率的關(guān)系進(jìn)行分析。

3.1 流速單因子對(duì)魚卵漂流的影響本研究對(duì)于7 種不同流速的實(shí)驗(yàn)各進(jìn)行了40 組，不同流速下的魚卵收集率如圖2 所示。流速在0.1 ～0.25 m/s 范圍內(nèi)，魚卵收集率先是隨流速的增大而增加；當(dāng)流速達(dá)到0.25 m/s 后，魚卵平均收集率達(dá)到84.5%，與唐明英等［21］和楊慶［24］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。雖然0.35、0.4 m/s 流速下魚卵收集率較0.25、0.3 m/s 流速下略有增加，魚卵平均收集率達(dá)到了91.0%和92.4%，但增加幅度不大，流速達(dá)到0.25 m/s 后魚卵收集率增加趨勢(shì)基本趨于平緩。魚卵收集率在0.35 和0.4 m/s 流速下與前人實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異，可能是因?yàn)樘泼饔⒌龋?1］和楊慶［24］所用實(shí)驗(yàn)材料為家魚真卵，在漂流過程中存在破碎現(xiàn)象，影響最終計(jì)數(shù)結(jié)果，使魚卵收集率偏小。

圖2 不同流速條件下的魚卵收集率

另一方面，根據(jù)圖2的箱體變化可知，流速小于0.3 m/s 時(shí)，各流速下的魚卵收集率極差皆大于30%，上、下四分位數(shù)之差皆大于10%，一定程度上反映出在較低流速下（＜0.3 m/s），以流速單因子作為判別魚卵能否安全漂流的臨界條件存在不足。

3.2 流速和水深對(duì)魚卵漂流的影響圖3分別展示了在兩種水面寬下，不同流速、水深組合條件對(duì)魚卵漂流影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖3 不同水深、流速條件下的魚卵平均收集率

由圖3可知，水面寬為0.8 m時(shí)，對(duì)比相同流速、不同水深下的魚卵平均收集率，水深越大，魚卵平均收集率明顯越高。其中，在0.5和0.75 m水深下，魚卵平均收集率始終隨流速的增大而上升，未呈現(xiàn)出趨于平緩的跡象；在1 和1.25 m 水深下，當(dāng)流速達(dá)到0.35 m/s 時(shí)，魚卵平均收集率趨于穩(wěn)定。水面寬為1.8 m時(shí)，相同流速下，0.5和0.75 m水深的魚卵平均收集率均小于1和1.25 m水深平均收集率，但其兩兩之間差距不顯著。從變化趨勢(shì)來看，0.5和0.75 m水深下，魚卵平均收集率先隨著流速的增大而增加，當(dāng)流速達(dá)到0.3 m/s 時(shí)，平均收集率開始趨于穩(wěn)定；而1和1.25 m水深下，流速達(dá)到0.25 m/s時(shí)，平均收集率即趨于穩(wěn)定。

綜上可以看出，水面寬一定時(shí)，水深越大對(duì)魚卵實(shí)現(xiàn)安全漂流的臨界流速要求越低。為了更清晰地說明不同水深下魚卵安全漂流的流速需求，參考唐明英等［21］確定漂流性魚卵安全漂流下限流速所對(duì)應(yīng)的收集率，以魚卵平均收集率達(dá)到90%作為魚卵安全漂流的標(biāo)準(zhǔn)，不同水深下的臨界流速需求見表2。

表2 不同水深下魚卵安全漂流臨界流速需求 （單位：m/s）

在0.8 m水面寬時(shí)，若要保障魚卵安全漂流，0.5 m水深所需流速大于0.4 m/s；0.75 m水深所需流速為0.4 m/s；1、1.25 m水深所需流速為0.35 m/s。在1.8 m水面寬時(shí)，若要保障魚卵安全漂流，0.5 m水深所需流速為0.4 m/s；0.75 m 水深所需流速為0.3 m/s；1 m 水深所需流速為0.25 m/s；而1.25 m 水深所需流速為0.2 m/s。其中，水深相同時(shí)，1.8 m水面寬下魚卵安全漂流的臨界流速需求皆小于0.8 m水面寬。結(jié)果表明，流速、水深對(duì)魚卵安全漂流具有協(xié)同影響，并且水面寬也是影響魚卵漂流的因素之一。

3.3 流速和水面寬對(duì)魚卵漂流的影響為了進(jìn)一步分析水面寬對(duì)于魚卵漂流的影響，圖4分別展示了同一水深下，不同水面寬與不同流速組合條件下的魚卵收集率。

圖4 不同水面寬、流速條件下的魚卵收集率

如圖4 所示，0.5 m 水深下，1.8 m 水面寬的魚卵平均收集率在所有流速下皆大于0.8 m 水面寬，并且兩種水面寬的魚卵平均收集率始終隨著流速增大而增加，無(wú)趨于穩(wěn)定的跡象。0.75 m 水深下，流速小于0.35 m/s時(shí)，1.8 m水面寬的平均收集率大于0.8 m水面寬，當(dāng)流速達(dá)到0.4 m/s時(shí)，二者趨于一致。1 m水深下，在流速未達(dá)到0.35 m/s時(shí)，1.8 m水面寬的平均收集率大于0.8 m水面寬，流速達(dá)到0.35 m/s后，二者趨于一致。1.25 m水深下，在流速達(dá)到0.25 m/s之前，1.8 m水面寬的平均收集率大于0.8 m水面寬，當(dāng)流速達(dá)到0.25 m/s 之后，0.8 m水面寬的平均收集率開始接近1.8 m水面寬，并在流速達(dá)到0.35 m/s時(shí)趨于一致。

可見，水深一定時(shí)，在一定流速范圍內(nèi)，1.8 m水面寬的魚卵平均收集率皆大于同等流速下0.8 m水面寬的平均收集率。并且，當(dāng)流速達(dá)到一定條件時(shí)，1.8 m 水面寬的魚卵平均收集率與0.8 m 水面寬的平均收集率可趨于一致。

3.4 水流雷諾數(shù)對(duì)魚卵漂流的影響及其閾值綜合前述分析結(jié)果，以流速單因子作為魚卵能否安全漂流的判別條件不夠合理，且水深、水面寬對(duì)魚卵漂流具有重要影響。水流雷諾數(shù)與流速、水深、水面寬三種影響因素密切相關(guān)，預(yù)測(cè)其與魚卵的運(yùn)動(dòng)和漂流存在響應(yīng)關(guān)系。

從式（3）中可以看出，矩形明渠中水流的雷諾數(shù)與水流的動(dòng)力黏滯系數(shù)、流速、水深、水面寬4種因素有關(guān)，其中，水流的動(dòng)力黏滯系數(shù)與溫度相關(guān)。根據(jù)每組實(shí)驗(yàn)的水溫、流速、水深、水面寬數(shù)據(jù)，計(jì)算得到不同實(shí)驗(yàn)組的水流雷諾數(shù)，56種工況下280組實(shí)驗(yàn)的水流雷諾數(shù)與魚卵收集率的響應(yīng)關(guān)系見圖5。

根據(jù)圖5（a）可知，雷諾數(shù)在15 000 ～60 000之間時(shí)，魚卵收集率隨著雷諾數(shù)的增大而增加；當(dāng)雷諾數(shù)增大到60 000 ～75 000之間時(shí)，魚卵收集率增加的趨勢(shì)放緩，開始趨于穩(wěn)定；隨著雷諾數(shù)的繼續(xù)增大，魚卵收集率更加穩(wěn)定集中。根據(jù)圖5（b）可知，在相同水深、水面寬下，水流雷諾數(shù)隨著流速增大而增加；相同流速下，水面越寬、水深越深，水流雷諾數(shù)越大，這與3.2和3.3節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致。綜合來看，水流雷諾數(shù)與魚卵收集率存在緊密的相關(guān)性。

圖5 水流雷諾數(shù)與魚卵收集率響應(yīng)關(guān)系

由于同一工況下5組實(shí)驗(yàn)水溫和水流雷諾數(shù)差距不大，為了提高擬合的精度，計(jì)算56種工況下的平均雷諾數(shù)，并與對(duì)應(yīng)的魚卵平均收集率進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，結(jié)果如圖6所示。

圖6 各工況平均雷諾數(shù)與魚卵收集率的擬合曲線

如圖6所示，采用四階多項(xiàng)式進(jìn)行擬合后，雷諾數(shù)與魚卵收集率的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.938，證明了二者之間的強(qiáng)相關(guān)性。選取魚卵平均收集率達(dá)到90%時(shí)對(duì)應(yīng)的水流雷諾數(shù)作為魚卵安全漂流的臨界閾值，求解得到，在明渠均勻流中，當(dāng)水流雷諾數(shù)達(dá)到7.9×104時(shí)，漂流性魚卵可實(shí)現(xiàn)安全漂流。

4 討論

（1）水流雷諾數(shù)對(duì)于魚卵漂流的作用機(jī)理。魚卵在順?biāo)鬟^程中一般受到水流浮力、阻力、拖曳力等的共同作用，從而克服自身重力保持懸浮狀態(tài)［17］。劉雪飛等［23］對(duì)比魚卵運(yùn)動(dòng)理論公式計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)未考慮紊流作用的理論公式計(jì)算結(jié)果對(duì)魚卵縱向速度、沉速都有所高估，這種差異表明：在紊流中，除了水流流速大小，還應(yīng)有水流流速引起的紊動(dòng)效應(yīng)對(duì)魚卵的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生著影響。由水流流速引發(fā)的水流在不同方向的紊動(dòng)對(duì)魚卵產(chǎn)生了附加阻力，減緩了其縱向漂流速度和垂向沉速，進(jìn)而遲滯了其下沉趨勢(shì)。而水流紊動(dòng)的強(qiáng)烈程度受到水流雷諾數(shù)的影響［30］，水流雷諾數(shù)反映了水流慣性力和黏滯力的對(duì)比關(guān)系，慣性力相對(duì)黏滯力越大，水流生成漩渦、混摻、保持和強(qiáng)化擾動(dòng)的能力越強(qiáng)［31］，因此不同水流雷諾數(shù)條件應(yīng)對(duì)魚卵漂流具有不同程度的影響。

（2）弗勞德數(shù)與魚卵漂流的響應(yīng)關(guān)系。弗勞德數(shù)作為表征水流水動(dòng)力條件的重要無(wú)量綱數(shù)，也有相關(guān)研究表明其與魚卵漂流存在一定的相關(guān)性［32］，其計(jì)算公式為：

式中：v為流體的平均流速，m/s；l為特征長(zhǎng)度，m；g為重力加速度，m/s2。

為了驗(yàn)證弗勞德數(shù)與魚卵漂流之間的相關(guān)性，對(duì)本實(shí)驗(yàn)56 種工況下的平均弗勞德數(shù)及其魚卵平均收集率采用多種函數(shù)進(jìn)行擬合分析，發(fā)現(xiàn)Boltzmann 函數(shù)的擬合效果最好，結(jié)果如圖7 所示。從圖7來看，二者具有一定的相關(guān)性，弗勞德數(shù)在0.05 ～0.15 范圍內(nèi)，魚卵平均收集率隨弗勞德數(shù)的增大而增加，當(dāng)弗勞德數(shù)大于0.15后，魚卵收集率逐漸趨于穩(wěn)定。但在最佳擬合效果下，二者間的相關(guān)系數(shù)也僅為0.557，遠(yuǎn)低于雷諾數(shù)與魚卵收集率之間的相關(guān)性，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了采用雷諾數(shù)作為判斷漂流性魚卵能否安全漂流的臨界條件的合理性。

圖7 各工況平均弗勞德數(shù)與魚卵平均收集率關(guān)系擬合曲線

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果在天然河流和模型中的應(yīng)用。本研究雖然采用了室外大型明渠，但與天然河流相比，仍存在斷面規(guī)則化、水面寬偏窄等限制因素。雷諾數(shù)計(jì)算公式中特征長(zhǎng)度d與斷面形狀密切相關(guān)，對(duì)于天然河流，尤其是大江大河，一般水面寬遠(yuǎn)大于水深，這種情況下假設(shè)，則天然河流的雷諾數(shù)計(jì)算公式為：

由式（7）可以看出，在天然河流中，流速和水深對(duì)魚卵漂流起主導(dǎo)作用。在魚類集中產(chǎn)卵期，可根據(jù)不同河段的平均水深，推求維持漂流性魚卵安全漂流的最小流速和流量要求，支撐魚類產(chǎn)卵期河流敏感生態(tài)需水目標(biāo)的制定和調(diào)控保障，促進(jìn)產(chǎn)漂流性卵魚類的自然繁殖；同時(shí)，實(shí)驗(yàn)成果還可與水動(dòng)力學(xué)模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)于較長(zhǎng)河段（河流）內(nèi)魚卵漂流軌跡的整體模擬。在以往研究中，Zeng［33］等基于三維水動(dòng)力學(xué)模型，以0.25 m/s作為魚卵安全漂流的臨界條件，結(jié)合拉格朗日粒子示蹤技術(shù)，模擬了金沙江中游魯?shù)乩畮?kù)不同調(diào)度方案下漂流性魚卵的漂流軌跡。在后續(xù)研究中，可以探索將本研究所得水流雷諾數(shù)閾值作為魚卵安全漂流的臨界條件，以更加準(zhǔn)確地模擬漂流性魚卵的漂流軌跡，支撐相應(yīng)優(yōu)化調(diào)控方案的制定。

5 結(jié)論與展望

本研究通過開展室外大型明渠魚卵漂流實(shí)驗(yàn)，對(duì)流速、水深、水面寬以及水流雷諾數(shù)與魚卵收集率的關(guān)系進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：（1）流速是決定漂流性魚卵能否安全漂流的重要影響因素，但相比于流速，以綜合反映流速、水深、水面寬等信息的水流雷諾數(shù)作為魚卵安全漂流的臨界判別條件更加合理。（2）在明渠均勻流中，當(dāng)水流雷諾數(shù)達(dá)到7.9×104以上時(shí)，漂流性魚卵的收集率可達(dá)到90%，且趨于穩(wěn)定，可作為明渠均勻流中魚卵安全漂流的臨界水動(dòng)力條件。（3）在天然河流中，水面寬一般遠(yuǎn)大于水深，此時(shí)斷面的雷諾數(shù)主要取決于水深和流速，研究得到的相關(guān)閾值可應(yīng)用于魚類產(chǎn)卵期敏感生態(tài)需水目標(biāo)制定等工作。

本實(shí)驗(yàn)采用的明渠斷面為規(guī)則矩形，與天然河流存在一定差異，但若對(duì)天然河流不規(guī)則斷面進(jìn)行網(wǎng)格剖分和微分處理后，其微觀機(jī)理和閾值是基本一致的，下一階段可選擇合適的天然河流/河段進(jìn)一步開展野外驗(yàn)證，并通過生態(tài)調(diào)度等手段，營(yíng)造適宜的流場(chǎng)條件，促進(jìn)產(chǎn)漂流性卵魚類的自然繁殖。