水輪機內負壓對鰱魚幼魚損傷閾值模擬試驗

程一鑫 王 煜 王繼保，2

(1. 三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002； 2. 三峽庫區生態環境教育部工程研究中心， 湖北 宜昌 443002)

水輪機內負壓對鰱魚幼魚損傷閾值模擬試驗

程一鑫1王 煜1王繼保1，2

(1. 三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002； 2. 三峽庫區生態環境教育部工程研究中心， 湖北 宜昌 443002)

大量研究表明，魚類在通過水輪機的過程中可能會受到水輪機流道水動力特性不同程度的傷害，其中負壓及壓力梯度是造成過機魚體損傷的主要因素之一．為明確負壓對鰱魚幼魚損傷的閾值，提高鰱魚幼魚通過水輪機流道下行的成功概率，本文設計由真空泵、真空鍋、攝像機和電腦等組成試驗裝置系統模擬不同的負壓水環境對鰱魚幼魚的影響，得出鰱魚幼魚對負壓水環境的適應性和負壓損傷閾值．試驗成果可為提高水輪機過魚概率的優化運行提供參考．

水輪機； 負壓損傷閾值； 模擬環境； 鰱魚幼魚

近年來隨著人們對環境問題的重視，“生態水利”成為了水利界的高頻詞匯．在水利建筑物中最常見的就是大壩，而大壩的修建阻隔了洄游性魚類的洄游通道，對魚類造成了一定的影響．魚類通過水輪機流道下行過壩或被誤吸入水輪機流道，水輪機復雜的流道結構和水動力特性可能對流道內的魚體造成身體殘缺、魚鰾破裂、身體失去平衡等直接或間接的損傷．相關研究表明，造成這些損傷的主要傷害機理包括剪切、壓力、機械、空蝕4種[1-5]．在對水輪機進行設計時要優化水輪機流道和其流道內的水動力特性．近年來，國內外對壓力因素引起的魚類損傷問題進行了一定的研究，美國陸軍工程師團(USACE)成立的水輪機流道魚類存活率研究小組通過分析，確定了魚類通過水輪機流道下行時壓力因素可能會對魚體造成傷害[6]．我國邵奇等學者通過研究發現負壓狀態下的壓力梯度會對魚的生存構成威脅[6]．然而這些研究都未具體地給出對魚體會造成損傷的壓力閾值，因此本文以洄游性魚類鰱魚幼魚為研究對象，通過設計模擬水力機械內的負壓水環境試驗系統，對鰱魚幼魚對負壓水環境的適應性和損傷閾值進行研究，得到對鰱魚幼魚通過安全的負壓參考數據，為新型環保的水輪機設計提供參考．

1 儀器與設備

1.1 試驗裝置

試驗裝置分為3個部分，第1部分是由真空泵、空氣壓縮機、透明真空鍋組成的氣體通路；第2部分是由攝像頭、轉換器和計算機組成的俯視錄像系統，第3部分是由一個單獨的攝影機組成的側視錄像系統(如圖1所示)．

圖1 試驗裝置圖

1.2 試驗裝置設計原理

試驗氣體通路設計：利用透明真空鍋，在其下部盛放15 cm深的水和試樣魚，上部1/2為空氣，然后使用空氣壓縮機和真空泵控制壓力容器內的空氣壓力，可以在絕對壓力為10～101 kPa的范圍內使試樣魚經歷大小不同的壓力變化，從而模擬魚在水輪機流道中各種壓力變化過程．

試驗錄像視頻系統設計：由于試驗過程中魚在不同的壓力、不同的時段反應都不同，且反應無法預測，故采用兩組高清攝像頭對整個試驗過程中試驗魚的狀態變化進行實時跟蹤記錄，并通過視頻分析技術采集試驗魚體有效狀態數據．

2 試驗材料

“四大家魚”作為長江流域主要經濟魚類，占我國淡水魚類總產量的80%，近年來由于大型水利工程的建設和運行，上游四大家魚幼魚下行過壩受到阻礙，產卵棲息地的空間分布及生存環境也都明顯退化，致使家魚數量大幅度下降．故選用四大家魚中分布較廣的鰱魚幼魚作為代表性的魚種進行試驗．試驗魚由宜昌漁場提供，暫養于三峽大學水工生態試驗室，暫養缸規格為直徑2.0 m、高0.5 m、水深0.3 m的圓形水槽，暫養7 d，待其生活狀況穩定，正常進食和游動后開始進行試驗．

養殖用水和試驗用水均為自來水，持續曝氣，每天換水1/4．暫養及試驗期間水溫20℃，自然光照周期．根據行為學試驗要求，同一試驗魚結束試驗后被撈出放回另一暫養水槽，不再重復使用以防止試驗用魚對試驗環境產生適應，而影響試驗結果的可靠性[7]．魚類在攝食前后活動行為存在差異[8]，為消除此種情況的產生，每次試驗均在投喂結束20 min后開始，借以消除由于活動節律引起的誤差．

3 試驗方案

研究表明，水輪機流道內負壓對過機魚體影響較正壓明顯[6]，因此負壓對鰱魚幼魚損傷試驗主要明確在不同負壓水環境下鰱魚幼魚的反應狀態及損傷情況，從而獲得負壓對鰱魚幼魚損傷的閾值．試驗方案分為兩個階段，第1階段根據低水頭水輪機流道壓力變化范圍擬定負壓工況，通過真空泵對試驗魚減壓至擬定工況，然后恢復至常壓，研究試驗魚對不同負壓水環境的耐受性；第2階段通過視頻分析技術和試驗魚體解剖技術相結合，對第1階段試驗中的試驗魚進行分析，擬定合適的試驗工況進行再試驗，并對不同負壓工況下試驗魚的反應狀態及損傷情況進行統計分析，獲得鰱魚幼魚對負壓水環境的耐受區間和損傷閾值．

3.1 第1階段試驗

Cada等(1997)通過大量的壓力升降對多種魚類損傷的試驗提出水輪機流道內部最低壓強應不小于過機魚適應環境壓強的60%[1]．ARL(1996)基于美國陸軍工程兵團(USACE 1991)鮭魚試驗的數據提出水輪機流道內部最低壓強不小于過機魚適應環境壓強的30%[3]．為探究試驗魚能夠承受的負壓閾值，將試驗魚置于真空鍋內，緩慢抽氣(3 L/min)至試驗壓強，即-20 kPa、-40 kPa、-60 kPa、-80 kPa、-90 kPa，保持15 min恢復至大氣壓，觀察試驗魚的反應并記錄．選擇10條鰱魚幼魚作為試驗魚，把它們放進標有序號1～10的桶里，對試驗魚體進行1～10的記號標記．每組壓力設置值下做兩次試驗，每次試驗用一條魚．

試驗工況設置見表1．

表1 試驗工況

試驗現象記錄見表2．

表2 試驗現象記錄

3.2 第2階段試驗

通過對視頻進行分析，發現試驗魚在-60 kPa的環境下開始有反應，在-80 kPa和-90 kPa的環境下反應變得敏感，且試驗魚在試驗3 d內相繼死亡；對第1階段試驗中死亡的4條魚進行解剖，發現魚眼都向外鼓起、魚鰓紅腫且魚鰾變小．為找出使鰱魚受損傷的最低臨界壓強，在第1階段試驗的基礎上重新擬定試驗工況，對45條試驗魚進行再試驗，每次試驗后對試驗魚的受損傷情況進行統計，試驗結果分為未損傷、受損傷失去平衡、死亡，并在試驗后12 h對試驗魚的受損傷情況進行統計，分析試驗魚的恢復情況．

表3 試驗工況

表3為試驗工況設置情況；表4為鰱魚的解剖情況；表5為試驗后試驗魚的受損傷情況統計；表6是試驗12 h后試驗魚的受損傷情況統計.

表4 試驗鰱魚解剖分析圖

表5 試驗后鰱魚幼魚受損傷情況

表6 試驗后12 h鰱魚幼魚受損傷情況

4 試驗結果分析

4.1 鰱魚試驗反應分析

表2的記錄可以看出試驗魚在壓力為-60 kPa的環境下才開始有反應，在-80 kPa和-90 kPa的環境下，發現魚的呼吸頻率較平常明顯加快，這是由于魚此前處于負壓缺氧狀態；有少數受傷較輕的魚會出現反射性爆發現象，奮力游向水面，這是魚鰾及魚神經系統對氣壓變化的反應[5]；而受傷較重的魚身體完全失穩，沉到水底，而且在-90 kPa的環境下能明顯看到魚體變形，這說明鰱魚在-80 kPa和-90 kPa的環境下易受到損傷．

4.2 真空鍋壓力變化過程分析

試驗前對真空鍋進行了調試，通過真空泵使真空鍋里的壓力減小到最小值-93 kPa，最后恢復到正常大氣壓，圖2為此過程中壓力與時間的變化關系，調試發現泄氣的瞬間壓強升高速率達到15 kPa/s，而從表2的第四、五組試驗記錄可以看出試驗魚在泄氣時，魚體基本完全失去平衡，這表明負壓的急劇升高會對魚體造成更大傷害．

圖2 真空鍋壓力變化過程線

4.3 鰱魚的解剖情況分析

試驗后一段時間，通過對受損傷失去平衡的鰱魚進行解剖，發現試驗魚的魚鰾干癟受損，缺少空氣，因此不能通過改變魚鰾的體積來調節身體的平衡，對死亡的鰱魚進行解剖，發現除魚鰾干癟受損外，可以觀察到大多數鰱魚的魚鰓紅腫，眼睛嚴重向外突出．

4.4 鰱魚受損傷情況分析

由圖3的數據可以看出不同的負壓環境對鰱魚的損傷大不相同，在-70 kPa的環境下，鰱魚的受損傷率大約在11.1%，而在-80 kPa的環境下鰱魚的受損傷率就達到了83.3%左右，在-90 kPa的環境下受損傷率達到了94.4%左右，說明隨著負壓的減小，鰱魚的受損傷率在不斷升高．

圖3 試驗后鰱魚幼魚受損傷情況

4.5 鰱魚受損傷恢復情況及死亡情況分析

由圖4的數據可以看出，在-70 kPa的環境下受損傷的鰱魚在正常氣壓下暫養一段時間后基本能恢復正常，在-80 kPa的環境下受損傷的鰱魚大約只有13.3%能恢復正常，死亡率達到了55.6%；而在-90 kPa的環境下受損傷的鰱魚恢復率更低，僅僅只有5.9%左右，而死亡率卻達到將近77.8%，說明在越小的負壓環境下，鰱魚越容易死亡．

圖4 試驗后12 h鰱魚幼魚受損傷情況

5 結 論

1)鰱魚幼魚受到負壓水環境損傷主要表現為：魚鰾破損，致使魚身失去平衡甚至死亡；魚鰓紅腫，導致鰱魚呼吸困難，最終缺氧使其受損甚至死亡．

2)承受負壓后進入常壓水環境中暫養一段時間后，部分受損較輕的鰱魚幼魚可以進行損傷自愈，故對新型型水輪機下游水體的通氣狀況進行改善十分必要．

3)在-70 kPa的環境下鰱魚的身體幾乎不會受到損傷，而在小于或等于-80 kPa的環境下鰱魚的身體會受到損傷，且隨著負壓的減小，損傷率和死亡率升高，受損傷恢復率降低．故新型水輪機設計時應控制內部負壓值大于-80 kPa．

4)由于試驗條件限制，本次試驗的壓力細化梯度只為-10 kPa．

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[責任編輯 王迎春]

Simulative Experiments on Subatmospheric Pressure Injury to Young Silver Carps in Hydraulic Turbine

Cheng Yixin1Wang Yu1Wang Jibao1,2

(1．College of Hydraulic & Environmental Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 2．Engineering Research Center of Eco-environment in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

A large number of studies show that fish passing through hydraulic turbine would suffer from different degrees of injuries due to the dynamic characteristics of the flow channel of hydraulic turbine, in which the subatmospheric pressure and the pressure gradient is one of the main factors that cause injuries to fish bodies. To identify the threshold of injuries caused by the subatmospheric pressure to young silver carps, and to improve the probability that the young silver carps could pass through the flow channel of hydraulic tubine successfully, this paper designs an experimental system with vacuum pump, vacuum pan, vidicon and computer to simulate different subatmospheric pressure water environment to young silver carps, and finally to find out young silver carps' adaptability to subatmospheric pressure water environment and the threshold of subatmospheric pressure injury. The results can provide reference for the optimal operation of the hydraulic turbine to improve the fish passing rate.

hydraulic turbine; threshold of subatmospheric pressure injury; simulated environment; young silver carp

2017-02-13

國家自然科學基金(51409151)；湖北省自然科學基金(2014CFB691)；三峽庫區生態環境教育部工程研究中心開放基金(KF201504)

王 煜(1976-)，女，副教授，博士，主要研究方向為水生態與環境．E-mail： wangyuhoney@163.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.04.005

S956

A

1672-948X(2017)04-0022-05