魚道相關研究進展

摘要：大壩、水閘等水利工程建設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，這不僅會導致魚類種群數量的減少，甚至還可能導致部分魚類種群滅絕。只有以魚類的不同特性為依據，才能設計出具有較好過魚效果的魚道。文章對魚道相關研究進展進行了探討。

關鍵詞：魚道設計；游泳能力；游泳速度；水力特性；數值模擬 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。這不僅會導致魚類種群數量的減少，甚至導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補償工程措施應運而生。但是通過對我國現有魚道的調研表明，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問題進行深入的研究。滿足魚類生理生態行為的水流流態、流速和紊動能等水力因子是魚類順利通過魚道實現自然洄游的關鍵因素。因此，在魚道設計時，洄游魚類生物特性和水力適應性對提高魚道的過魚效果具有重要意義。在魚道設計過程中，魚類的游泳行為和魚道內的水力特性是決定魚道設計的兩大關鍵因素。魚類游泳特性的研究可以為魚道設計提供直接而有效的水力參數數據資料，而魚道內水力特性研究可以指導魚類游泳路徑的選擇。將水力學特性與魚類游泳特性結合后優化設計的魚道將會在生態修復中實現魚道的有效性。本文收集分析了國內外多年來的魚類游泳特性和魚道水力特性的研究成果，為魚道設計提供依據，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計中必須考慮的重要因素，缺乏對魚類行為學研究的魚道設計往往是失敗的。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）和持續游泳速度（魚類在該模式下可維持大于200min）。在魚道的設計中，魚類的爆發游泳速度和臨界游泳速度是兩個重要的參數，對于魚道的一些高流速區，則參考魚類的爆發游泳流速，同時還考慮魚疲勞后恢復體力所需時間，作為魚道休息池個數及距離的設計依據。魚道過魚孔處流速通常以臨界游泳流速作為設計指標。

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，使其在人為設計條件下進行游泳運動，同時測定相關參數。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。兩類裝置各有其優點：密封式研究裝置便于調控水環境變量，從而更易于實現單因素影響研究；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，收集魚類的流域分布信息，跟蹤魚類的洄游行為，然后結合魚類游泳特性相關資料在適當的水域布置魚類洄游引導路線；利用水下視頻監測設備，在魚道各個關鍵部位（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計參數調整提供參考。

3 魚道的水力特性研究

國內外許多研究發現，水流水力特性與魚的生存等都具有非常重要的關系，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洄游上溯，取決于水流流態、流速場、紊動能和雷諾剪切應力等水力特性，因此深入研究魚道的水力學特性對評價魚道的過魚效率及優化魚道設計等具有重要意義。適宜的水流流態、流速和紊動能等水力特性是魚類順利通過魚道實現自然洄游的關鍵因素，因此深入研究魚道內的水力特性，對提高魚道的過魚效果具有重要意義。國內外較多地選擇利用數值模擬與模型試驗相結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等，為后續魚道的設計、優化及其改造提供依據。

3.1 模型試驗

在計算機技術發展起來之前，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現，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，池室二維流動形態與流量無關。Tarrade研究發現，隨著池長/池寬的變化和坡度的不同，魚道中的水流流態出現了兩種流態。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系。Bermudez等對不同水池尺寸的同側豎縫式魚道進行試驗，得到兩種不同水流流態。國內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分布形態，距豎縫較遠處才逼近壁面射流的流速分布；水池內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力等水力特性進行研究。發現池室中的流速、紊動能和雷諾剪切應力在豎縫出口附近最大，在兩側的回流區比較小，其中大回流區的這三個指標要小于小回流區，適宜魚類休息。

3.2 魚道的數值模擬

隨著計算機技術的發展，通過數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展趨勢。在已知魚類習性的前提條件下，利用數值模擬技術進行仿真和魚道結構型式的優化，可以大大提高魚道的設計效率。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的試驗研究和數值模擬。Barton、Fujihara、Stephan等先后對豎縫式魚道的水力特性進行了數值模擬計算，并與Yong的試驗結果進行了比較。Bombae等在PCFLOW2D模型的基礎上增加三種不同的湍流模型對豎縫式魚道進行數值模擬，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模型方法，研究了七種豎縫式魚道不同轉彎段結構型式的水流流態、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構的數值模擬計算，研究了水池內不同長寬比對水池內流場結構、主流區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，可以獲得較好的適合魚類上溯的流態。曹慶磊等分別采用標準的k-ε模型和雷諾應力方程模型（RSM）對同側豎縫式魚道進行了三維數值模擬，對池室內的流場、紊動能和雷諾剪切應力等水力特性進行了分析，結果表明：兩種紊流模型均可模擬同側豎縫式魚道水流基本特性，但RSM模型流速場的計算結果與水工模型試驗結果更為吻合。羅小鳳利用Fluent軟件模擬了豎縫式魚道的流場，并用模型試驗對數值模擬進行了驗證，分析了豎縫式魚道導板的長度及導角大小對魚道內流場的影響。毛熹等通過采用模型試驗和數值模擬相結合的方法對魚道結構優化，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值模擬對同側豎縫式魚道結構進行優化，并采用可視化顯示及數據分析的方法分析不同豎縫相對寬度、底坡條件下的水流結構特征。

4 結語

我國目前已修建的魚道絕大部分都是根據國外魚道的設計來完成的。但是魚道設計不僅與水力特征相關，而且與魚類游泳特性相關。國外流域中的魚種和國內不同，即使某些魚種相同，但因生活環境的差異性，游泳特性也很難一致。因此，魚道設計時，首先必須針對不同的魚類，深入了解其魚類的游泳特性；其次依靠數值模擬和物理模型試驗研究進行魚道結構優化，塑造出能滿足魚類洄游需求的水流條件。依據水流特征及魚類游泳特性設計并修建了魚道后，下一步還應運行監測統計、研究與評價魚道實際的過魚效率，把理論與實際相結合。只有以魚類的不同特性為依據，結合魚道水力特性的塑造，才能設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設計提供技術支撐。

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作者簡介：胡健（1989-），男，湖北宜昌人，三峽大學水利與環境學院碩士研究生，研究方向：生態水利學。

（責任編輯：黃銀芳）