突擴明渠分離流中紅鯽魚運動的特點

薛宗璞，黃明海

(長江水利委員會長江科學院，武漢 430000)

游泳行為是魚類最基本的生命活動，魚類在水中的洄游、聚集、索餌、逃避敵害及生殖等生命活動都離不開游泳，研究魚類游泳行為對闡明魚類行為進化的生態適應機制具有重要意義。隨著科技手段的不斷發展，游泳行為研究方法也從傳統的直接觀察和手工記錄等定性行為研究，逐漸發展為水下攝像、船舶跟蹤、計算機圖像處理及衛星遙感遙測等多種高效率、廣范圍的定量研究，極大地擴大了魚類生態行為的研究領域[1-14]。

突擴明渠分離流具有顯著影響魚類行為的紊流、漩渦運動和回流等復雜特征，明渠中的魚類會經常遇到這種水流。

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。體質強健，適應性強，食性廣，對于水流較為敏感。本研究以紅鯽魚為研究對象，分析其對突擴明渠分離流的行為適應特征，加深水流運動對魚類行為學影響的認識，還對魚類棲息地微觀水流環境改善、過魚設施設計和水電站樞紐調度管理等方面有重要參考價值。

1 材料與方法

1.1 試驗魚來源與暫養

從市場購買2種不同大小的魚，每種體長魚類個體數量為15尾，用以進行重復性試驗。在開展試驗前，所有試驗用魚放置于專用養魚池中馴養，定期投餌料，試驗前一日停止喂投餌料。

1.2 試驗裝置及試驗方法

1.2.1 突擴明渠試驗模型

試驗裝置采用自循環供水系統(見圖1)，最大供水流量為300 L/s；在現有的平底玻璃水槽(10 m×0.6 m×1.0 m)中安裝明渠突擴結構模型，水槽前端安裝整理器和攔魚網，水槽末端安裝攔魚網和尾門。

圖1 試驗裝置示意圖

1.2.2 實驗條件

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；試驗時段為2016年12月份，試驗時水槽內穩定水溫變化范圍為11～14 ℃，水體溶解氧變化范圍為10.0～10.4 mg/L。

1.2.3 觀測方法

魚類活動范圍觀測區域為突擴斷面上游0.2 m至下游2.0 m水槽區段。為避免水面波動對魚類游動行為圖像的干擾，通過在水槽底部放置平面玻璃鏡觀測魚類游動行為，采用攝像機采集魚類游動圖像視頻。模型結構和觀測儀器布置照片見圖2。

圖2 模型結構和觀測儀器布置

1.2.4 試驗步驟

步驟1：開泵放水前，將水槽中馴養魚類撈起分別單獨置于有標識的容器中備用。

步驟2：將水槽按設定試驗水流條件調整至穩定。

步驟3：取一尾魚放置于水槽內突擴斷面下游約5 m處以適應水流，并設置攔魚網防止其上溯。

步驟4：待魚適應30 min后，移開攔魚網，觀察魚類在水槽下游游動情況，待進入攝像機觀測區域進行魚游動行為圖像采集，魚長時間在小范圍徘徊或游出攝像機觀測區且短時間不再返回，則該次試驗結束，將魚從水槽中撈起放回相應容器中。

步驟5：按照步驟3和步驟4，對同一體長魚種共進行超過10個組次的游泳行為觀測試驗。

1.3 數據處理

采用Image-Pro Plus圖形分析軟件提取視頻中魚類運動軌跡和輪廓，自編程序計算魚類運動速度，Tecplot數據處理軟件制作圖形和動畫。通過提取每一幀圖像魚體輪廓，并計算分析質點位置形成魚類游動軌跡，根據圖像采樣間隔時間和相鄰圖像魚類質點距離計算魚類游動速度。實驗紅鯽魚體長見圖3。

圖3 紅鯽魚形態指標

2 試驗結果

2.1 魚類游動模式

通過水槽中魚類游動行為視頻數據分析處理，得出了不同水流情況下不同個體魚類游動軌跡。

根據魚類游動軌跡分析結果，魚類游動軌跡可分為以下3種主要游動模式。

(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，在進入主流區隨著流速增大逐漸加大游動速度，接近特征流速時游動速度趨于穩定，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頻率和幅度較大。模式1代表性游動軌跡見圖4。

圖4 模式1代表性運動軌跡

(2)模式2：回流區內長時間徘徊模式。魚類從回流區一側貼壁慢速進入回流區，或中部遇剪切層改變路徑進入回流區，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進入，最終在角窩區長時間小范圍徘徊。還有少數在回流區尾部擺動區或上壁近壁區短距離上下游往復游動徘徊。模式2代表性游動軌跡見圖5。

圖5 模式2代表性運動軌跡

(3)模式3：遭遇模式。在上溯過程中遭遇強剪切層、大漩渦復雜水流結構和大流速時，在主流區和回流區之間大范圍徘徊，游動軌跡明顯改變，軌跡改變后主要出現2種結果：①在角窩區徘徊時遇到角點附近強剪切層和主流大流速，通過加快游動速度上溯通過收縮斷面進入渠道上游(見圖6)；②或被大流速沖退至一段距離后再次回到回流區，或直接被主流帶出觀測區(見圖7)。

圖6 模式3①代表性運動軌跡

圖7 模式3②代表性運動軌跡

圖8 各游動模式數量分布

圖8給出了不同體長魚類在5種水流中游動模式出現數量情況，從圖8中分析可知：

(1)在U=0.2 m/s水流情況下，大、中2種體長的魚模式2(回流區內長時間徘徊模式)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種體長的魚以模式2為主。

(6)隨著試驗水流流速增加，大、中魚運動的模式3出現百分比都在增加，而模式1出現百分比在U=0.8 m/s水流的試驗工況都出現明顯下降，模式2出現百分比則一直相對穩定。

(7)由上文分析可見，在不同流速工況下大魚和中魚的運動規律并沒有根本性的差異，故之后本文將只針對大魚運動軌跡進行分析、介紹。

2.2 流場結構、渦量場與魚類運動軌跡疊加效果圖

利用fluent建立大渦模擬三維數學模型，對不同特征流速情況下的突擴明渠分離再附著水流特性進行模擬分析, 選擇單邊突擴明渠結構為代表性研究對象，突擴斷面上游長5 m，下游8 m,算出流場結構和渦量場，并將流場結構與紅鯽魚運動軌跡點進行疊加，以黑色圓點代表紅鯽魚運動軌跡點(見圖9～18)。在實際觀察中大魚和中魚運動規律并沒有明顯區別，所以只給出大魚運動軌跡與流場結構疊加效果圖，渦量場也作同樣處理。

圖9 U=0.2 m/s流場結構中大魚運動軌跡點

圖10 U=0.2 m/s渦量場中大魚運動軌跡點

圖11 U=0.4 m/s流場結構中大魚運動軌跡點

圖12 U=0.4 m/s渦量場中大魚運動軌跡點

圖13 U=0.6 m/s流場結構中大魚運動軌跡點

圖14 U=0.6 m/s渦量場中大魚運動軌跡點

圖15 U=0.8 m/s流場結構中大魚運動軌跡點

圖16 U=0.8 m/s渦量場中大魚運動軌跡點

圖17 U=1.0 m/s流場結構中大魚運動軌跡點

圖18 U=1.0 m/s渦量場中大魚運動軌跡點

2.3 流場結構、渦量場與魚類特征運動軌跡線疊加

將流場結構、渦量場與紅鯽魚特征運動軌跡線進行疊加，以黑色虛線代表紅鯽魚特征運動軌跡線(見圖19～26)。

圖19 流場結構中模式1魚類運動軌跡線

圖20 渦量場中模式1魚類運動軌跡線

圖21 流場結構中模式2魚類運動軌跡線

圖22 渦量場中模式2魚類運動軌跡線

圖23 流場結構中模式3魚類運動軌跡線

圖24 渦量場中模式3魚類運動軌跡線

圖25 流場結構中模式3魚類運動軌跡線

圖26 渦量場中模式3魚類運動軌跡線

3 討 論

3.1 魚類游動范圍分析

圖9～圖18分別給出了不同水流條件下大魚在流場結構和渦量場圖中活動范圍，以黑色圓點顯示魚類軌跡點。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，大魚主要活動范圍分布在角窩低流速區、回流區下壁近壁區、上壁近壁區，以及回流區中心點至再附著點之間的主流區，在主流大流速區和角點下游大渦量帶出現游動情況較少。

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

(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、回流區下壁近壁區、上壁近壁區，在主流大流速區和角點下游大渦量帶出現游動情況則相對較少。

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

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

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

3.2 魚類游動行為與水流響應關系分析

圖19～26給出了不同水流條件下魚類3種游動模式代表性游動軌跡線與流場結構、渦量場疊加效果圖，綜合各種游動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，魚類游動軌跡線總體與流線保持平順，所經歷的上壁近區大渦量和主流區流速變化對魚類游動速度影響關系不顯著。

(2)由圖21和圖22可知，在模式2情況下，魚類在角窩、回流區下壁等區域長時間以較低游動速度徘徊，所在區域流速、渦量非常小，魚類游動速度基本不受此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，魚類也出現快速響應情況。

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

4 結 語

本實驗針對喜流性淡水魚類，開展突擴明渠中不同來流條件下的魚類游泳行為水槽試驗，采用高速攝像機和運動分析軟件分別觀測和分析了魚類游動軌跡、游動模式和游動范圍，結合大渦模擬數學模型分析突擴明渠水流運動特性，分析了各種突擴明渠分離再附著水流對魚類游動行為影響規律，得出了魚類游泳行為與突擴明渠結構分離再附著水流響應關系。研究成果加深了復雜水流對魚類行為影響的認識，對魚類棲息地微觀水流環境修復、過魚設施設計和水電站樞紐調度管理等具有重要參考價值。

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