魚巢砌塊水力特性的研究現狀與意義

葉昆河，韓 雷，王正君，蘇國青，狄高健，劉中坤

(1.黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080；2. 黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

通過調研國內外現有魚巢砌塊產品的結構形式和功能特點，可認為魚巢砌塊是一種具備空腔結構、近水壁面有開孔、能通過砌塊間組合連接構造出人工魚巢、為魚類或其他水生生物提供適宜棲息和生存空間的預制混凝土構件[1]。魚巢砌塊作為一種新型生態護岸構件越來越受到人們的關注，其設計有孔洞和巢穴，又有適宜附著基質，還適于產粘、沉性卵魚類的產卵和孵化，創造了接近自然的棲息繁衍條件[2]。

1 魚巢砌塊生態護岸構件概述

1.1 研究背景

隨著近代混凝土施工技術的進步，傳統河道護岸工程為了保證河道防洪安全一般會使用現澆混凝土或砌石等硬質材料。傳統河道護岸工程雖然具備其防洪、排澇、岸坡穩定及防治水土流失等基本功能，但是“三面光”的河道同時也產生了一些負面影響，例如阻礙了陸地與水域環境的連通性，使河流棲息地的生境多樣性受到破壞，從而破壞生物群落的多樣性，最終影響河流生態系統的健康。此外，隨著人們不斷加強和提高生態環境保護意識，傳統硬質護岸工程已無法滿足社會需求。

近年來，為了維持河流生態系統穩定和保護物種多樣性，利用植物或者植物與工程手段相結合的生態護岸技術雖然快速發展，在河道防洪、排澇、岸坡穩定、防治水土流失、綠化、景觀、親水以及增強河道自凈能力等方面上取得較好效果，但是其大多側重于植被和景觀效果，而很少考慮水生動物棲息和繁衍的需求[3]。故魚巢砌塊作為一種兼顧岸坡防護、生態景觀與水生生物保護的新型生態護岸構件越來越受到人們的關注。

魚巢砌塊生態護岸構件對于推動我國生態護岸工程建設、維持河流生態系統穩定和保護物種多樣性等方面都具有極其重要的社會意義和生態價值。

1.2 研究現狀

日本經歷1973年石油危機之后，其經濟迎來了快速發展階段，但隨之而來的是嚴重的河川污染問題，因此人們為解決河川污染問題開始提出各種河流生態修復方案。1977年日本研發“魚巢砌塊”這種新型生態護岸構件，即空心混凝土砌塊。魚巢砌塊既可作為魚類等水生生物的棲息地，又可在洪水期間防止魚類等水生生物被沖走[4]。20世紀80年代，日本開始興起了“實施有助于河川環境保護和創造的河川工程”，于是魚巢砌塊廣泛應用于日本河流生態化整治工程中。20世紀90年代至21世紀初，日本逐漸從魚巢砌塊的基礎應用轉向其相關理論的研究，其中包含砌塊材料對魚類行為的影響、魚巢砌塊的聚魚效果和魚類保護效果、不同魚類喜愛的砌塊型式等理論研究內容[5-8]。

目前在國外，日本和韓國對魚巢砌塊的研究和應用比較深入和成熟。歐美國家雖然非常重視生態護岸技術且進行了大量研究，但是其大多側重于利用植物或者植物與工程手段相結合的生態護岸技術，故歐美國家在為魚類等水生生物提供棲息及繁衍的生存環境、河道洪水期間保護魚類等水生生物等方面尚未提出具有代表性的研究成果[1]。雖然國內學者對魚巢砌塊的研究起步比較晚，從21世紀初才開始研究魚巢砌塊，但是在短時間內涌現出一大批產品和專利。

2 魚巢砌塊水力特性的研究現狀

2.1 國外相關研究現狀

盡管日韓兩國對魚巢砌塊做了大量研究，但是對魚巢砌塊水力特性的研究卻很少。2000年，牧平朋大[9]通過室內水力學實驗，研究了魚巢砌塊內部的大致流程及開口處的物質交換機制。2001年，山本貴則[10]進行了水力學實驗，測量了魚巢砌塊開口周圍的流速變化和水面變化，并研究了魚巢砌塊開口處剪切層的紊流結構及魚巢砌塊內部的水面變化。2002年，中島央晶[11]通過將弗勞德數作為參數進行流速變化的時間序列測量，從而驗證了在河流和魚巢砌塊的交界處形成的紊流剪切層中發生旋渦的特性。2003年，黒川昇平[12]以明渠平面二維流的基礎式為基礎進行數值模擬實驗，通過分析3種不同開口部形狀的魚巢砌塊數值模擬結果研究魚巢砌塊的水力特性。2006年，黒川昇平[13]基于明渠二維流的基礎式進行數值模擬實驗，以魚巢砌塊的流場為對象，研究了魚巢砌塊開口部以內的水面振動特性、流速變動特性以及河道主流、魚巢砌塊區域間的流體交換特性。

2.2 國內相關研究現狀

雖然國內短時間內涌現出一大批產品和專利，但是目前國內學者對魚巢砌塊水力特性方面的相關理論研究極少。2002年，華清青生態環保科技(北京)公司發明了既可固定植物根系又具有魚類生存功能的多孔混凝土砌塊，并明確指出魚巢砌塊是為魚類提供生存空間的[14]。這是國產魚巢砌塊的首次亮相，對之后國內魚巢砌塊的結構設計、迭代優化和理論研究等方面均產生了非常重要的影響。2006年，陳興茹[15]通過物理模型試驗和數學模型計算相結合的方式，探討不同工況下魚巢砌塊內部的流場和流態，并提出了可以保護魚類的魚巢砌塊體型。2007年，王興勇、郭軍、劉樹坤等[16]以生態型魚巢砌塊的水力特性為研究對象，根據幾種常見魚類的水流習性提出了魚巢砌塊的基本結構尺寸，并通過物理模型試驗和數值計算分析了魚巢砌塊的三種連接形式在不同主槽流速下的流場分布以及它們各自不同的適用性。2007年，劉盈斐[17]通過物理實驗就魚類對孔隙的選擇特點進行了研究，并設計和論證了新型多孔棲息單元式生態護岸(魚巢砌塊)，最后驗證了基于River2D軟件的護岸生態效果實例和基于嵌入式魚類數量變化模型的護岸生態效果實例。2012年，陳玉芳、薛志良、劉亦鋒[18]分析了孔隙生態護岸的功能之后，根據生態護岸孔隙特點與集魚效果原理設計了一種新型多孔隙單元式生態護岸塊體(魚巢砌塊)，并且將其應用于實際工程中。2016年，韓莉娟[19]通過試驗得出魚類對孔隙的各種要求，然后根據試驗結果設計出新型多孔隙生態護岸塊體體型(魚巢砌塊)，最后使用River2D軟件對應用新型多孔隙生態護岸塊體(魚巢砌塊)前后的流速、WUA值進行對比分析。2017年，邢浩翰、周林飛、張靜[20-21]在魚類對孔隙的選擇性試驗基礎上重新設計出多孔型生態護岸塊體(魚巢砌塊)，再運用River2D軟件模擬應用多孔型生態護岸塊體(魚巢砌塊)前后的流速、WUA值，并進行對比分析。

3 魚巢砌塊水力特性的研究意義

盡管國內外涌現出很多魚巢砌塊產品和專利，但傳統魚巢砌塊大多僅停留在其設計層面和施工層面，很少有人開展魚巢砌塊水力特性的研究。國內外大量研究表明，大多數魚類游泳行為與流速、水深、水流紊動能息息相關。1990年，Leon A. Barmuta[22]在研究卵石底質和流速的共同作用時發現流速是最有影響的環境變量。1995年，P. Sempeski等[23]調研了法國Pollon River和Suran River的河鱒產卵場，根據兩處河鱒產卵場流速相近發現河鱒對產卵場的流速是有要求的。2007年，王得祥[24]利用震動格柵產生紊流，從而研究水流紊動能對魚類游泳行為特性的影響，經研究發現過高或過低的紊動能均不利于魚類生存。2008年，付世建等[25]提出魚類進行逃逸、穿越激流和伏擊捕食等行為時主要取決于爆發式游泳速度的觀點。2009年，劉穩、諸葛亦斯等[26]選用流速、流速梯度和動能梯度進行量化分析，并結合鯽魚相對日增長率，得到鯽魚生長與流速、動能梯度之間的定量關系。2012年，齊亮、楊宇等[27]進行了水流流速、紊動能和切應力對魚類行為的影響試驗，闡明了水流紊動和切應力對魚類的傷害。2018年，李芳、安瑞冬、馬衛忠等[28]根據壩下魚類分布規律探測數據，分析魚類壩下集群效應，并分別探究了其對流速、水深及水流紊動能的響應規律。2019年，楊慶、胡鵬等[29]探索草魚上溯洄游的適宜流速條件與適應閾值，為河流生態水力學模擬和河流生態修復提供技術支撐。2021年，李樹航、韓雷、王正君等[30]通過流速遞增法測得松花江鯽魚的游泳能力。

而且魚類對水流有天然的趨流性，魚類的趨流性為魚類在水流中對流向和流速的行為反應特性[31]。魚類的趨流性特征與魚類品種、體長、所棲息的自然水流環境有密切關系，即不同流域中不同品種、不同生長期的魚類對水流環境條件的要求不盡相同[32]。又由于不同結構形式的魚巢砌塊會營造出不同的水流環境條件，因此必須基于魚巢砌塊水力特性與魚類游泳行為特性耦合分析的基礎上研發各種魚巢砌塊體型，以滿足不同流域中不同品種、不同生長期的魚類對水流環境條件的要求。基于魚巢砌塊水力特性與魚類游泳行為特性耦合分析的基礎上針對特定流域中特定品種、特定生長期的魚類而研發的魚巢砌塊，既可滿足特定魚類棲息繁衍的生存要求，又可使特定魚類躲避天敵和安全度過汛期。

研究魚巢砌塊水力特性，并將其與魚類游泳行為特性進行耦合分析，既補充和完善相關理論，又為之后生態魚巢砌塊的結構設計與優化提供理論依據，同時體現了設計和優化魚巢砌塊結構形式時的科學性和嚴謹性。

4 結 語

通過對國內外相關文獻及資料的調研，本文簡單概述了魚巢砌塊的起源、定義、結構形式和功能特點，并詳細闡述了其研究背景、目的、意義和國內外相關研究現狀及發展趨勢，最后闡明了魚巢砌塊水力特性的研究意義，為魚巢砌塊后續的理論研究、體型設計與優化提供了思路。

根據前人對水力特性影響魚類習性的相關研究可知，大多數魚類游泳行為與流速、水深、水流紊動能有密切關系。又由于不同結構形式的魚巢砌塊會營造出不同的水流環境條件，同時還需滿足不同流域中不同品種、不同生長期的魚類對水流環境條件的要求，故設計和優化魚巢砌塊時必須針對其水力特性和魚類游泳行為特性進行耦合分析。

目前，雖然魚巢砌塊的結構形式越來越豐富多樣，但是極其欠缺相關理論研究進行支撐，故之后需深入研究魚巢砌塊水力特性相關內容以填補相關理論空白。綜上所述，研究魚巢砌塊水力特性有利于我國生態護岸工程建設、維持河流生態系統穩定和保護物種多樣性。