球體懸浮式誘驅魚器鳙幼魚實驗與研究

吳 歡,王繼保,王永普，沈 漢,陳和春,宋基權,石小濤

(三峽大學 水利與環境學院,湖北 宜昌 443002)

魚類能否找到過魚設施入口影響過魚設施的過魚效果[1-2]。Theodore Castro-Santos[3]將魚道入口設計分為兩個區域：①誘導區域，通過該區域將魚誘導至魚道入口附近；②入口區，在該區域魚類必須能夠探測到魚道入口并選擇進入魚道?？梢姡瓿烧麄€誘魚過程不僅需要在入口區內吸引魚類進入魚道，同時還需要采取其他措施吸引魚類通過誘導區域進入入口區。已有研究表明，魚類對水流、聲音、光和氣都比較敏感[4-6]，如何利用這些外界因素來誘導魚類快速找到過魚設施入口，是近年來許多學者和工程師們擬解決的一大難題。

三峽大學生態水利學實驗室分析了影響魚類對水流流場產生趨避行為的原因，提出通過在水體內設置一球體懸浮式誘驅魚器[7]，通過懸浮球體在水中自擾動，改變水流原有的流速、紊動的分布及大小，直接影響魚類生存的局部流場，在水體中形成一種魚類偏好或厭惡的紊動流場來達到誘驅魚的目的。球體懸浮式誘驅魚器由底座、牽引繩和擾動器三部分組成。底座為固定裝置，可由混凝土澆筑或由較大石塊制作；擾動器由輕質材料制作，能夠懸浮在水中，懸浮式誘驅魚器工作示意圖如圖1。

圖1 懸浮式誘驅魚器工作示意圖

本文采用數值模擬和生物學放魚實驗等研究方法，擬從水流流場的流速、紊動強度等方面對魚類在受擾動水流影響下的上溯行為進行耦合分析，探討球體懸浮式誘驅魚器導魚的作用機理，分析此方法的可行性。

1 數值模擬

1.1 研究方法

為探究球體懸浮式誘驅魚器在魚道內產生的水流水力特性，本研究采用Flow-3D流體計算軟件詳細展示了三維魚道計算流體動力學模型。本次研究的內容為不可壓縮液體，故采用群理論重整化的RNG紊流模型閉合方程，配合體積分辨率法(VOF)來進行水力數值模擬。結果表明魚道有內部強烈的三維速度場，伴隨有渦流、流動分離、漩渦等現象。在生物學實驗中，用Logger Pro軟件采集魚類的典型洄游軌跡，劃定鳙幼魚在流場中上溯的集中區域，分析流速和紊動在誘驅魚器工作機理中所起的作用。

該實驗模型長6.5 m，寬0.5 m，為了保證魚在誘驅魚器影響流層內活動，設置池內水深17 cm，球體懸浮式誘驅魚器為直徑10 cm的不銹鋼球，將其固定于水流下游距離平水箱4 m處，置于水面以下7 cm處，球體所在縱斷面與下游尾門之間為實驗區。實驗裝置示意圖如圖2。

圖2 實驗裝置示意圖

1.2 模型驗證

通過調節水泵流量控制魚道內實驗區流速，根據魚類的偏好流速，設置三個流速工況V1、V2、V3分別為0.14 m/s、0.26 m/s、0.34 m/s，根據建立的數學模型，對整個流場進行了數值計算。實驗區內流場采用聲學多普勒流速儀(ADV)測量，將三個工況中球體誘驅魚器中心流速的沿程值與實測值進行比較。以水槽進口為三維坐標原點，在縱向上，選取球心縱向中心線上的各測點(下游縱向離球心0.05 m、0.1 m、0.2 m、0.4 m、0.6 m、1.0 m、1.4 m處)進行對比；在垂向上，選取球心所在斷面處中心垂線上各測點(水深Z=1 cm、3 cm、6 cm、7 cm、10 cm、12 cm)進行對比；在橫向上，選取球心所在斷面高程橫向上各測點(距離球心Y=±0、±5 cm、±7.5 cm、±10.0 cm、±12.5 cm、±15.0 cm、±20.0 cm處)進行對比。其中，工況1相應的流速實測值與模擬值對比如圖3所示。

經測定，模擬流速結果與ADV實測控制點流速結果誤差在5%以內，模擬結果偏大于實測結果，因此該模擬可用于研究誘驅魚器模型流場的模擬分析。

1.3 流場紊動強度分布規律

數據指標在球體所在高程范圍內的各流層的分布規律是類似的，球心所在高程平面各指標的平面分布具有較好的代表性，將其作為實驗分析對象。各流速工況下，球心所在高程相對紊動強度等值線分布規律如圖4所示。

圖3 工況1各測點流速擬合

2 放魚實驗

2.1 實驗設計

該實驗裝置照片如圖5所示，外圍由鋼板構成，隔板材質為有機鋼化玻璃，連接處用密封膠水光滑粘接。裝置采用溢流堰循環供水系統，系統提供的最大流量為 0.6 m3/s，并通過控制閥門的開度和調節水泵的調速隔板開度分別調節水槽中的流速和進口處流速，從而形成不同的流速工況。在水槽下游設置攔網，將水槽分為實驗區和放魚區。實驗采用視頻監控,用以記錄實驗魚的游泳行為。

(1)V1=0.14 m/s

(2)V2=0.26 m/s

(3)V3=0.34 m/s圖4 球心所在高程(Z=7 cm)相對紊動強度平面分布圖

2.2 實驗材料

本實驗選擇鳙幼魚為研究對象。鳙為四大家魚之一，性情溫和，不大跳躍，具有河流洄游習性，為重要經濟魚類，分布在全國除西北高原外的各主要水系，滿足目標魚類選擇的要求。從漁場購買后暫養于三峽大學生態水利學實驗室,暫養3 d。在放魚實驗前需驗證流場流態的穩定性，當驗證工作完成之后，可以開始放魚觀測實驗。實驗鳙幼魚平均體長(11.50±1.50)cm，平均濕重(26.80±35.25)g，實驗前停食24 h。

圖5 實驗裝置

2.3 實驗方法

實驗開始時，在水槽尾部將實驗魚平穩的放進放魚區中，動水適應10 min，然后取走欄網使其進入實驗區中上溯，其成功通過紊流場進入上游的休息池時再放下一條，每個流速工況下共放200尾頻次的實驗魚，利用攝像機記錄鳙魚幼苗的洄游路徑。根據行為學實驗要求,同一實驗魚不重復實驗,以防止實驗用魚對實驗環境產生適應,影響實驗結果的可靠性。在實驗過程中，部分實驗魚不頂流上溯、靜止不動，或從靠近實驗區的左右邊壁通過，表示該次實驗不成功，只有實驗魚上溯且經過誘驅魚器尾流區為有效實驗。

2.4 游泳行為統計及分析

為了便于進一步分析實驗魚的洄游規律，根據圖4中球心所在高程平面的相對紊動強度分布情況和實驗魚的游泳軌跡特征對流場進行分區[8]，A表示強紊動區，B表示弱紊動區。在工況1的有效實驗中，魚上溯速度偏慢，游泳狀態比較穩定，在上溯過程中較少突然改變游動方向。通過實驗觀察，在其有效實驗中發現兩種典型的鳙幼魚游泳軌跡，見圖6。第一種是魚穩定游泳上溯至A2區(誘驅魚器后60～70 cm處尾流區)突然改變方向避開；第二種是魚穩定游泳上溯至A1區(誘驅魚器后10～60 cm處尾流區)突然改變方向避開。在低流速工況1中，由于在距誘驅魚器50 cm以外的尾流區，實驗魚上溯軌跡并沒有出現明顯的誘驅行為，因此未產生對實驗魚上溯形成影響的B區，在工況1的兩種典型游泳軌跡中分別隨機提取5條軌跡，如圖6所示。對誘驅魚器后縱向各段鳙幼魚游出數據進行統計，見表1。分析形成這兩種典型上溯軌跡的原因是：當實驗魚穩定前行至A2區時，很大一部分魚敏感地感受到該區域紊動強度的變化，從而立刻改變上溯方向，此為第一種鳙幼魚典型游泳軌跡的原因；還有一部分魚對水流變化的適應能力較強，經過A2區時沒有立即避開，而是繼續前游至A1區，由于A1區存在更大的紊動強度以及紊動強度變化的速率更快，這部分魚在A1區各段改變方向離開，也還有一部分魚沒有經過A2區，而是由A區外直接斜向游入A1區，感應到A1區的紊動強度并改變方向避開，此為造成第二種魚典型游泳軌跡。從統計結果來看，第一種典型軌跡有37次，第二種典型軌跡有50次，在有效實驗中還有一部分魚在A區以外的尾流區域繞出上溯以及一部分魚雖在A區繞出但不是在此區域內改變上溯方向，不計入典型游泳軌跡范疇。

(1)

(2)圖6 V1=0.14 m/s兩種典型的鳙幼魚游泳軌跡

表1 工況1中鳙幼魚游出數據統計表

在工況2的有效實驗中，鳙幼魚的上溯速度較快，在游動過程中較頻繁地改變游動方向。通過實驗觀察，在其有效實驗中發現兩種典型的鳙幼魚游泳軌跡。在第一種典型游泳軌跡中，相較于工況1中的魚較多的在A2區域(誘驅魚器后10～60 cm處尾流區)轉變方向繞開，并且在A2區域(誘驅魚器后60～70 cm處尾流區)有集中繞進的現象，工況2中鳙幼魚選擇繞出的區域則分散得多，這一點從表2統計數據可以看出，分析其原因，應是誘驅魚器尾流區的后段位置即B區(誘驅魚器后130～175 cm處尾流區)的紊動擴散增強，導致鳙幼魚上溯至該區域感應到水流紊動場的變化，從而改變上溯路徑從水槽兩側上溯。當經過A區時，鳙幼魚感應到該區域的紊動漸變，繞進該區域上溯至誘驅魚器后再繞出。第二種典型游泳軌跡體現出誘驅魚器的一種兼具誘驅的效果，如圖7所示。

表2 工況2中鳙幼魚游出數據統計表

(1)

(2)圖7 V2=0.26 m/s兩種典型的鳙幼魚游泳軌跡

在工況3的有效實驗中，隨著流場流速增大，鳙幼魚的上溯游泳速度明顯變快，擺尾的頻率明顯增加，在上溯過程中改變游動方向的頻率明顯增多，多采用“突進-滑行”這一游泳方式上溯。通過實驗觀察，在其有效實驗中發現兩種典型的鳙幼魚游泳軌跡，見圖8。在第一種典型游泳軌跡中，由于誘驅魚器后存在大范圍的強紊動區，使鳙幼魚在上溯過程中，頻繁改變游泳方向。第二種典型游泳軌跡中，鳙幼魚在高流速工況下上溯過程中感應到B區(誘驅魚器后100～180 cm處尾流區)末端有明顯的紊動程度衰減區,從而游進該區域，并保持穩定地“滑行”狀態，感應到A1區越靠近誘驅魚器紊動程度越大的趨勢，然后又轉變方向離開。從統計表3看出，魚在高流速工況3的紊動擴散區B區中有集中的繞進現象，并在A區和B區的過渡段感應到誘驅魚器后產生的紊動強度急變區又集中繞出，上溯至A1區間時，受誘驅魚器對流場的干擾，該區段流速和紊動強度均大幅衰減，此時實驗魚又集中繞進，最后繞開誘驅魚器成功上溯至水槽頂端。相比中間流速工況2，魚在誘驅魚器的尾流區間B區中繞進次數增加，繞出A區的區間段也更為集中，因此通過對流場的干擾，誘驅魚器對鳙幼魚的誘驅效果更加顯著。此時，B區相對于A區，流速幾乎不變，紊動強度減小，說明在誘驅魚器的擾動下，實驗魚受其偏好的流速吸引，而避開強紊動區進行頂流上溯。

(1)

(2)圖8 V3=0.34 m/s兩種典型的鳙幼魚游泳軌跡

表3 工況3中鳙幼魚游出數據統計表

3 結 論

本文通過球體懸浮式誘驅魚器的模型實驗，在不同的流速工況下研究了流場紊動強度與目標魚類的洄游路線之間的耦合關系，驗證了球體懸浮式誘驅魚器的可行性。

在0.14 m/s流速場中，誘驅魚器造成的較小程度的流速虧損未能對魚產生有效吸引，當魚游至紊動漸變段即感受到紊動的變化，在此處產生比較集中的避開行為。此時誘驅魚器體現出驅魚的效果。

在0.26 m/s流速場中，誘驅魚器產生兼具驅誘的效果。部分魚經過紊動發展擴散段即被驅開；部分魚頂流游泳產生疲勞被流速急變段后部的流速虧損吸引游入，游至急變段前部時適應不了強烈的水流紊動而被驅開。

在0.34 m/s流速場中，紊動程度和范圍更大，魚的游泳速度和擺尾頻率加快，較多采用“突進-滑行”方式前進。在紊動發展段乃至全流場各段改變游動方向的次數明顯增多，體現出兼具驅誘的效果。

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Abstract：The actual effect of some fish facilities in domestic and foreign was often less than their anticipate ones. The main reason was that it was difficult for fish to find the inlet because that fish were generally more likely attracted by the large flow of the tail pipe or spillway. An idea was occurred that the spherical suspended device was installed in fish migration channels, which maybe result in strong flow disturbance so as to guide the fish migrating. In this paper the aristichthys nobilis of Yangtze River was used as the experiment object. The migration pathways of the fish in different flow field were studied by tests which were both the numerical simulation and the open channel experiment. The mechanism of the induced fish device was analyzed by observing the trapping effect of the target fish. The conclusion showed that the larvae's swimming behavior was obviously changed because the fluctuating flow field was influenced by the device. Namely the device was proved valid.

Keywords：fishway; fish induced by flow; spherical suspended device; turbulence intensity