過魚設施進口區域水溫對集誘魚效果的影響

鄭鐵剛，孫雙科，柳海濤，李廣寧，涂承義，柳松濤，石 凱

過魚設施進口區域水溫對集誘魚效果的影響

鄭鐵剛1，孫雙科1，柳海濤1，李廣寧1，涂承義2，柳松濤1，石 凱1

（1. 中國水利水電科學研究院流域水循環模擬及調控國家重點實驗室，北京 100038；2. 中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州 311122）

庫區水溫分層與過魚通道隔斷是水利水電工程建設隨之產生的生態環境影響之一。過魚效果是評估過魚設施建設成功與否的關鍵指標。對于存在水溫分層的高壩工程而言，過魚設施進口附近存在的溫差效應是否會對進口區域的集誘魚效果產生影響是當前應該解決的首要問題之一。該研究通過建立三維水溫水動力數學模型與包含過魚設施進口段和明渠河流段的物理模型，分別開展了水溫水動力預測及實魚過魚試驗研究工作，研究結果表明：溫差效應對進口附近水動力條件影響甚微，影響區域主要取決于魚道流量，而岸邊水溫量值則取決于溫差的大??；增大明渠流量將增加上溯魚類發現魚道進口的難度；沿冷水區域上溯樣本量占總樣本的39%，沿溫水區域上溯樣本量占總樣本的61%，由此可知，溫水區域對洄游魚類更具有吸引力；溫差效應在一定程度上有利于洄游魚類發現魚道進口并在進口區域聚集，與冷水區域相比，溫水有效區域魚進入魚道進口的嘗試率提高了17個百分點。研究成果可為相關人員嘗試采用改變水溫調整洄游魚類上溯路線，改善魚道進口集誘魚，進而提升魚道過魚效果提供思路。

溫度；設施；模型；水溫分層；集誘魚；溫差效應；裂腹魚

0 引 言

修建過魚設施是實現人與自然和諧相處、確保水利水電工程建設可持續發展的重要環保措施，在維系河流聯通性、溝通魚類上下游基因交流方面具有無可替代的作用[1-3]。近10 a來，隨著環境保護政策的加強，過魚設施建設逐漸受到重視，成為國內所有待建水利水電工程均需考慮的內容[4]。以此為契機，國內過魚設施相關技術水平得到顯著提升，魚道在高壩工程中也越來越多得到應用，如大古水電站（水頭差80 m）[5]、藏木水電站（水頭差67 m）[6]、枕頭壩一級水電站（水頭差34 m）[7]、巴西伊泰普水電站（水頭差120 m）[6]等。隨著過魚設施的廣泛應用與推廣，如何提升過魚設施的過魚效果成為當前研究的新熱點[8]。

對于魚道、魚閘或升魚機工程而言，過魚設施進口區域的集誘魚效果，是決定過魚設施能否發揮其應有作用與效果的關鍵因素之一[9-10]，主要取決于進口布置、誘魚水流、環境流場分布特性、地形條件與水溫條件等因素。在上述因素的耦合疊加下，如何形成有利于過魚對象聚集的水溫水動力學條件，是需要系統研究的關鍵科技問題，該問題的研究屬于水工水力學與生態水力學的交叉學科范疇，尚處于起步探索階段[9,11]。目前國內外已有研究多聚焦于過魚設施進口水動力學條件，如流速分布與水流流態等[12-17]。然而，對于大部分高壩工程過魚設施而言，除水動力學條件外，還需要考慮因庫區水溫分層導致的溫差效應的影響[18]。

中國大部分高壩工程，其水庫大都屬于水溫分層型，水庫表底層之間的溫差甚大，如光照水電站水庫表底層最大溫差約為11 ℃[19]，糯扎渡水電站則達到13 ℃[20]。然而，過魚設施的上游供水系統通常取自水庫表層，其水溫相對較高，電站進水口取水高程則相對較低，下泄水溫較低，即便采用疊梁門分層取水措施，電站尾水水溫仍明顯低于水庫表層水溫，由此導致過魚設施進口出流水溫高于環境水溫，形成溫差效應。以光照水電站工程為例[19]，7－9月份為主要過魚期間，庫區表層水溫達到27～28 ℃，而疊梁門分層取水下游河道現場監測水溫僅為19～21 ℃，即過魚設施出流水溫與環境水流水溫差達8 ℃。已有文獻研究表明，魚類對于水流水溫的敏感程度極高，甚至0.03～0.10 ℃的水溫變化會對魚類活動產生影響[21-22]。由此可見，高壩過魚設施存在的溫差效應可能會對洄游魚類的上溯與聚集產生一定的直接影響。目前國內外關于水溫對魚類的影響研究大多圍繞生物學指標上開展的分析，且試驗方法基本為在靜止的水體內提升水溫，進而觀測魚類生物學指標的變化[23-24]；亦或在恒溫水槽內，通過改變水溫，測試某均一水溫條件下魚類的游泳行為[25-27]，以上研究結論均難以反饋水溫變化對魚類上溯與聚集的影響。目前，對于水溫與動力學結合條件下對魚類上溯行為的影響研究鮮有成果發表。鑒于此，本文采用水力學與魚類行為學相結合的方法，分別建立三維水溫水動力數學模型與包含過魚設施進口段和明渠河流段的物理模型，開展水溫水動力特性及實魚過魚試驗研究，探究溫差效應對洄游魚類上溯行為的作用，分析其對過魚設施進口集誘魚效果的影響，以期為過魚效果的提升提供技術支撐。

1 試驗設計與方法

1.1 模型試驗設計

過魚試驗在中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室大興試驗基地開展。圖1為試驗裝置照片。綜合考慮水流及試驗魚樣本因素，本研究中試驗模型比尺為1∶4，模型長約20 m、寬2.0 m、深0.80 m，采用魚道出流方式模擬過魚設施出流，長度和寬度方向上保證兩股出流充分發展且互不干涉。過魚設施1和2上游側均設置有獨立的供水池，其中，過魚設施2與明渠中水流水溫保持一致，而過魚設施1上游側的供水池內裝配有加熱系統，可通過調整水流水溫來模擬與明渠水流的不同溫差條件。過魚設施出流位置均在水槽兩側1/2深度，注入水流方向與水槽主流成30°夾角，以此實現工程應用中三維流場特征的模擬。魚道池室內水深為20 cm，明渠內水深為40 cm。試驗水槽下游設有放魚區，放魚區安裝有活動式攔魚格柵。

圖1 試驗模型實物圖

為實時記錄過魚對象的誘集行為，在整個水槽模型的上部安裝有FDR-AX700高速攝像機（1 000幀/s），對魚類誘集行為進行全過程監控。監測視頻實時傳輸入監控電腦以備后續分析處理。

1.2 試驗用魚

本文選擇齊口裂腹魚作為試驗樣本，如圖2所示。齊口裂腹魚（）別名齊口、雅魚等，屬裂腹魚亞科，裂腹魚屬，底棲冷水魚類，主要分布于中國長江上游水域，其多生活在水流湍急、溶解氧含量較高的山區河段，生活水溫7～10 ℃，適宜生長水溫5～27 ℃，具有短距離生殖洄游習性[28]。

已有研究表明，體型大小和魚鰭位置、形狀相近的魚類在相近水流環境下的行為具有一致性[29]。同種魚類成魚與幼魚的體型相近。可以假定在試驗條件下，幼魚的游泳行為與成魚一致，故目前文獻中實魚試驗多以幼魚為主[30-32]。野外捕獲的齊口裂腹魚體長范圍通常為13～42 cm，根據比尺換算可知模型中試驗魚體長范圍應介于3.25～10.50 cm，本研究選用體長范圍（9.0±1.5）cm的齊口裂腹魚作為試驗用魚。試驗用魚采購自四川某漁場，試驗前暫養于1 m3的方形水池中，光照為室內自然光，采用水泵24 h循環供水，并進行曝氣處理。試驗期間暫養池內溶解氧濃度為7.0～8.0 mg/L，池內水溫為15.2 ℃左右，試驗前兩日停止喂食。

圖2 試驗用魚照片

1.3 過魚試驗方法

過魚試驗于2021年11月份開展，試驗周期內試驗基地水庫水溫為13.8 ℃，略低于魚類暫養池內水溫，但滿足試驗樣本適宜生存溫度。試驗中采用電加熱的方法來升高過魚設施1的水流水溫，但鑒于試驗中耗水量較大，同時考慮到試驗基地的最大供電功率，本研究僅在溫升為0.5 ℃的工況下（14.3 ℃）開展過魚試驗。為不影響過魚試驗的有效開展，進行過魚試驗時，在暫養池中隨機選擇健康個體，在測試段下游的放魚區中部同時放入5～10條試驗魚，多條試驗魚的體長范圍誤差控制在20%以內。將試驗魚在放魚區內等待20～30 min，使魚類能夠適應明渠水槽中的水溫與水流環境，之后打開測試段下游的攔魚格柵，并同步啟動測試段的攝像系統開始記錄水槽內魚類的游泳行為信息，即完成一組試驗。試驗過程中，為了盡量消除除水溫條件外，其他外界環境對魚類行為的影響，試驗在開展過程中，過魚設施1上游加熱區、過魚設施2及主渠道內三股來流均來自于同一根管道，然后再進行分流，即試驗過程中可以保證三股來流的初始水溫、DO（dissolved oxygen）、pH值等水環境條件一致。同時，在無加熱條件下，主渠道兩岸岸邊區域的流速分布測量結果一致。為了測試光環境的差別，試驗中利用特安斯高精度測光儀對主渠道兩岸區域的光照強度進行了測試，結果顯示無差異。由此可以認為，試驗過程中兩側的水環境條件及光環境條件一致，進而忽略除變量條件外其他因素對試驗魚上溯的影響。

將試驗魚放置放魚區，放魚區距離魚道進口下游6.5 m，放魚區下游即為明渠水流溢出口，受到溢出口的紊動摻混影響，放魚區內的水溫均勻，即試驗魚在放魚區內不受過魚設施1水溫魚1的影響。提起攔魚格柵后，試驗魚開始上溯。整個試驗過程中要保證模型周圍無人為行動或噪聲等因素干擾。重復上述試驗步驟，可獲得多組試驗數據，試驗組次數量需滿足統計學意義。

1.4　試驗數據處理與分析

本研究中，將物理模型測試區域分為冷水區域和溫水區域，冷水區域為明渠基礎水溫，而溫水區域則為高于基礎水溫的區域范圍，該區域由水溫摻混擴散模擬結果確定。此外，還分別定義過魚設施1、2進口附近區域為誘魚區域，該區域為過魚設施進口上游1倍至下游2倍的進口寬度區域。嘗試是近幾年用于描述目標魚上溯動機的一種新概念，關注目標魚在上溯過程中嘗試進入魚道進口的上溯行為過程[31]。本文結合視頻監測結果，將在魚道進口誘魚區域內出現明顯停滯的上溯魚數量占總上溯魚數量的比例定義為嘗試率，出現停滯的上溯魚可由魚道繼續上溯，也可進一步越過魚道進口沿明渠上溯。試驗魚上溯過程中的路徑采用logger pro 軟件收集和分析。

結合處理后的數據，統計分析試驗樣本在溫水區域上溯的數量、冷水區域上溯的數量、由溫水區進入冷水區上溯或由冷水區進入溫水區上溯的數量、以及分別在過魚設施1和2有效區域內停滯的數量。此外，將放魚區內不進行上溯、上溯途中折回以及沿明渠中線上溯的試驗魚定為上溯失敗的樣本。

1.5 水溫水動力預測

為了準確反映溫差效應對過魚對象行為的影響規律，本研究結合三維水溫水動力數值模擬方法，對不同溫差條件下試驗區域內的水溫水動力結果進行預測，以期判別水溫條件改變對水動力條件的影響規律。三維水溫水動力數學模型基于Boussinesq假定建立，采用RNG-紊流模型結合傳熱方程進行水溫水動力模擬[33-34]，傳熱方程如下：

式中為流體的密度，kg/m3；為時間，s；為流速，m/s；為溫度，K；為流體的傳熱系數，取值0.6 W/(m×K)；c為比熱容，取值4 182 J/(kg×K)。

模擬過程中，過魚設施及明渠上游設定流量邊界，并賦予來流水溫，下游為自由出流邊界，同時，水體表面賦予大氣溫度。過魚設施及明渠邊壁采用無滑移邊界條件，且為絕熱邊界。計算模擬區域與物理模型試驗區域一致，考慮到原型中魚道與河道的流速量值，通過比尺換算，過魚設施1和2流量魚1、魚2均設計為0.007 5 m3/s，上游明渠來流量渠分別設計為0.16、0.32 m3/s。參考物理模型試驗設計參數，過魚設施2及明渠來流水溫魚2、渠均為13.8 ℃，過魚設施1來流水溫T魚1為14.3 ℃。在此基礎上，為進一步對比分析溫差對過魚設施進口附近水動力的影響，本研究進一步增加溫升分別為1.0 ℃（水溫14.8 ℃）和2.0 ℃（水溫15.8 ℃）開展數值模擬研究。

為驗證數值模擬結果的可靠性，本文選取明渠來流量渠為0.16 m3/s、過魚設施1來流水溫魚1為14.3 ℃工況，采用JM6200I高精度數字溫度計對明渠段魚道進口下游沿程水溫進行測量，設備精度為±0.05%。離岸0.2 m、水下0.1 m的沿程水溫試驗結果與數值模擬結果的對比如圖3所示。由圖3可見，數值模擬結果與試驗結果吻合良好，最大相對誤差為1.5%，兩者均表現出水溫在魚道進口下游迅速升高而后緩慢下降的趨勢，該水溫衰減規律與文獻[34]現場監測結果一致。由此表明，數值模擬結果可信，可以用于預測不同工況下過魚設施下游水溫水動力結果。

注：橫坐標表示遠離魚道進口的距離。下同。

2 結果與分析

2.1 流速結果分析

改變過魚設施1來流水溫魚1及渠道來流量渠條件，不同工況過魚設施下游水動力預測結果如圖4所示。由于計算水槽內流態均勻，無漩渦、回流等流態存在，因此本文不再展示流態計算結果，僅開展流速相關分析。此外，鑒于該部分研究的重點在于論證溫差是否會對水動力條件產生顯著影響，因此文中忽略垂向的流速分布變化，僅選取水下單層平面流速分布開展分析。

由圖4a可見，受魚道出流影響岸邊流速加大，且沿寬度方向擴散，魚道出流與明渠水流交匯處流速量值約為0.30 m/s，在剪切應力的影響下，明渠兩岸岸邊（離岸距離小于0.5 m）流速沿程衰減至0.24 m/s，略大于明渠中央（離岸距離大于0.5 m）流速0.22 m/s。由熱力學理論可知，受熱浮力及水黏性變化等影響，當兩股水流存在溫度差時，明渠內的流速分布與等溫條件下流速分布具有一定差異。然而，盡管魚1與魚2存在0.5 ℃的溫差，但明渠兩岸岸邊流速分布及量值基本對稱（圖4a）。且當進一步增大魚1，明渠兩岸岸邊流速分布及量值仍基本對稱，如圖4b和4c所示。可見在本文背景下溫差增大對水動力條件影響不明顯。這是由于本研究中魚道流量較小，盡管魚道出流水溫增加0.5～2.0 ℃，但魚道出流熱流量僅占明渠內熱流量的5%左右，由此導致水體熱浮力效應有限，進而溫差對流速分布的影響甚微。

圖4d為增大明渠來流量條件下過魚設施下游水動力結果。預測結果表明，該條件下明渠兩岸岸邊流速及量值仍表現出基本對稱的分布規律，然而與圖4a所示結果不同，明渠兩岸岸邊（離岸距離小于0.2 m）流速略小于明渠中央（離岸距離大于0.2 m）流速。由于魚道出池水流流速與明渠內水流流速相當，與前一工況不同，魚道出池水流前行受阻，僅附壁前行（圖5）。由圖4和圖5可知，如果魚道出池水流流速不變時，增大明渠流量后，魚道出池水流對明渠水流的影響寬度由0.5 m縮窄到0.2 m，且魚道出池水流流速與明渠流速相當，也就是說，對于洄游魚類而言魚道出池水流（吸引流）將不再明顯，進而增加上溯魚類發現魚道進口的難度。

注：縱坐標表示遠離明渠中線的距離；Q渠表示上游明渠來流量；T魚1表示過魚設施1來流水溫；過魚設施2及明渠來流水溫均為13.8 ℃。下同。

圖5 魚道進口附近流線圖

2.2 水溫結果分析

由熱力學理論可知，當具有水溫差的兩股水流摻混后會迅速發生熱量交換，低溫水體的溫度在摻混區迅速上升，而后逐步降低直至與環境水體一致[35]。圖6為改變過魚設施1來流水溫魚1及渠道來流量渠條件，不同工況過魚設施下游水溫沿程分布的預測結果。其中，圖6a、6b和6c分別為溫差0.5、1.0和2.0 ℃的渠道水溫沿程分布的預測結果。由圖6可見，隨著溫差的增大，明渠右岸的沿程水溫量值逐漸增加，明渠末端附近，即下游橫向距離為5.0 m、離岸0.2 m處，岸邊水溫增幅僅為0.1～0.2 ℃，約占魚道進口溫差增幅（渠?魚1=0.5～1.0 ℃）的30%。另外，對比圖中結果可知，3種溫差條件下魚道進口下游溫水區域基本一致，結合圖4和圖5可見，溫水區域主要集中在魚道出池水流的流線區域，并不隨溫差的增大而發生變化。分析其原因，這可能是由于本研究中明渠流量約為魚道流量的20倍，魚道流量與明渠流量差距明顯所致。眾所周知，具有較高水溫的魚道出池水流進入明渠后，溫差效應影響的區域主要取決于魚道出池水流與明渠水流的熱流量比。然而，本文的研究對象分別為魚道出池水流與明渠水流，如前所述，兩者流量差距明顯，實際工程中亦如此[36]，由此致使溫差量值對熱流量比的影響遠小于流量的影響，即熱流量差距明顯。換而言之，溫差效應影響的區域主要取決于魚道出池水流的流量大小，而溫差量值則對岸邊水溫量值的影響較大。

為論證上述觀點，本文進一步提取了增大明渠水流流量條件下的平面水溫分布預測結果，如圖6d所示。對比圖6a和圖6d可見，當明渠流量增大后，即魚道出池水流流量與明渠水流流量比（魚1/渠）減小，岸邊水溫沿程衰減規律及量值與流量增大前基本一致，然而溫水區域范圍則明顯減小，與圖4d所示的魚道出池水流的流線區域一致。由此可進一步斷定，對于魚道工程而言，上游庫區水溫分層導致的溫差效應影響的區域取決于魚道流量，而岸邊水溫量值則取決于溫差的大小。

圖6 不同工況下游水溫預測結果

3 過魚試驗結果分析

由上文分析可知，魚道出池水流與明渠水流溫差的存在，對進口下游流速及溫水區域分布影響甚微，而對岸邊水溫量值影響則較大。由此可以判斷，當魚道出池水流與明渠上游水動力條件不發生變化時，溫差效應的存在對洄游魚類上溯及集誘魚的影響主要體現在水溫本身對洄游魚類的影響，而非溫差效應引起的水動力改變對洄游魚類的影響。為分析水溫本身如何影響洄游魚類的上溯路線及魚道進口集誘魚效果，本文在大比尺水槽模型中開展了實魚過魚試驗。根據前文過魚試驗方法的介紹，同時考慮到流量改變對岸邊水溫分布規律的影響較為有限，本研究過魚試驗背景條件選擇為：渠道流量渠為0.16 m3/s，渠道水溫渠為13.8 ℃，渠道水深渠為0.4 m，過魚設施流量魚1、魚2均為0.007 5 m3/s，過魚設施1水溫魚1為14.3 ℃，過魚設施2水溫魚2為13.8 ℃，魚道水深魚為0.2 m，試驗魚樣本數量55條。

圖7為試驗魚上溯路徑示意圖，試驗結果中，有效過魚試驗樣本數量為41尾，其中直接沿冷水區域上溯樣本數量為16尾，占總樣本量的39%；沿溫水區域上溯樣本數量為25尾，占總樣本量的61%；沿冷水區域過渡至溫水區域上溯樣本數量為5尾，占總樣本量的12%；沿溫水區域過渡至冷水區域上溯的樣本數量為0尾。此外，在冷水有效區域出現停滯的樣本數量為5尾，嘗試率為31%；在溫水有效區域出現停滯的樣本數量為12尾，嘗試率為48%，較冷水區域，嘗試率提高了17個百分點。由于齊口裂腹魚喜好渠底上溯，而模型設計中考慮了工程實際情況，魚道底部與渠底存在高差，進而導致試驗樣本中進入魚道的樣本數量較少，僅在溫水區域發現2尾，統計學意義不大。

前文水溫預測結果可知，進口下游溫水區域水溫較冷水區域水溫高0.1～0.2 ℃，而沿溫水區域上溯的試驗樣本數量明顯高于沿冷水區域上溯的樣本數量，這可能與魚類本身的體表熱受體（Surface temperature receptors）有關，魚類可以通過體表熱受體探知極小水溫的改變，同時結合中樞神經系統影響魚類正常游泳過程中復雜而又非常完整的一系列肌肉收縮，進而激發其相關行為特征[22,37]。由此可見，洄游魚類能夠感知河道內0.1～0.2 ℃的水溫差，且溫水區域對于魚類上溯路線的選擇具有一定的誘導作用。進一步對比試驗錄像發現，洄游魚類上溯具有一定的集群效應，例如一組試驗中試驗樣本為10尾，有6尾樣本集群由冷水區域上溯，且集體未在進口有效區域內出現停滯；而其余4尾則分散由溫水區域上溯，并有3尾樣本在進口有效區域內出現停滯。另外試驗過程中還發現，當3尾以上的樣本集群上溯時，樣本在進口有效區域的嘗試率基本為0，無論在冷水區域亦或溫水區域內。而當3尾以下的樣本上溯時，樣本在冷水和溫水有效區域的嘗試率分別達到50%和67%。可見，集群效應對進口有效區域的嘗試率影響較大，然而河流中魚類多以集群形式上溯[38-39]，因此如何有效地吸引集群魚類調整上溯路線應是今后的研究重點。

圖7　試驗魚上溯路徑示意圖

綜上所述，無論從魚類洄游路線還是過魚設施進口嘗試率考慮，溫水區域對洄游魚類更具有吸引力，即上游水庫水溫分層導致的溫差效應在一定程度上有利于洄游魚類發現魚道進口并在進口區域聚集，改善過魚設施進口集誘魚效果，進而提升過魚效果。

4 結 論

本研究分別開展了三維水溫水動力數值模擬與實魚過魚試驗，探討了溫差效應對洄游魚類上溯行為的影響，得到如下結論：

1）在溫差為0.5～2.0 ℃條件下，過魚設施進口下游流速分布及量值基本一致，均為0.24 m/s左右，魚道出池水流與明渠水流溫差的改變對進口附近水動力條件影響甚微；魚道出池水流與明渠水流流量比值的改變對進口附近水動力條件影響較大，魚道出池水流對明渠水流的影響寬度由0.5 m縮窄到0.2 m。

2）在魚道出池水流與明渠水流流量比值不變條件下，溫差條件的改變對溫水區域寬度的影響較小，而對水溫量值影響較大，岸邊水溫增幅約為0.5 ℃，溫差效應影響的區域取決于魚道出池水流流量。

3）相較于冷水區域，溫水區域對于魚類上溯路線的選擇具有一定的誘導作用，上溯樣本數量占總樣本量的61%；溫水有效區域的嘗試率為48%，冷水有效區域的嘗試率為31%。

4）集群效應對進口有效區域的嘗試率影響較大，當3尾以上的樣本集群上溯時，進口有效區域的嘗試率基本為0，而當3尾以下的樣本上溯時，冷水中嘗試率則達到50%以上。

該研究可為研究人員嘗試采用改變水溫調整洄游魚類上溯路線，提升魚道過魚效果提供思路。然而，由于影響魚類上溯行為的因素眾多，且魚種的不同其上溯行為同樣具有差異，致使基于水溫調整改善魚道過魚效果的相關研究尚處于起步探索階段。本研究中試驗魚僅為裂腹魚，且樣本量較少，目前尚難以準確定量反映溫差效應對洄游魚類上溯及聚集的影響規律，多魚種、大樣本量、多環境量等是今后研究人員開展進一步研究要考慮的試驗條件。此外，魚類趨向行為對不同溫度水流響應的生理學分析至關重要，然而遺憾的是，由于魚類在運動過程中對溫度的選擇行為是魚類根據外界條件和自身需求做出的一個非常復雜的綜合選擇的行為，屬于交叉學科范疇，目前未見深入的相關研究工作，同樣需要在未來的工作中進一步開展。

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Effects of water temperature on luring fish in the inlet zone of fish passage facilities

ZHENG Tiegang1, SUN Shuangke1, LIU Haitao1, LI Guangning1, TU Chengyi2, LIU Songtao1, SHI Kai1

(1.100038; 2.311122)

The stratification of water temperature in the reservoir and the separation of fish passage is one of the ecological environmental effects resulting from the construction of water conservancy and hydropower projects. Fish passing is a key index to evaluate the success of fish passage facilities. One of the primary challenges can be determined whether the temperature difference near the inlet of the fish passage facility will affect the luring fish in the inlet zones in the high dam project with the stratified water temperature. Therefore, this study aims to establish a three-dimensional water temperature hydrodynamic mathematical model and a physical model, including the inlet section of the fish passage facility and river section. Some experiments were also carried out to predict the water temperature hydrodynamic and fish behavior. A series of biological experiments were conducted in November 2021, with a discharge of 0.007 5 m3/s and a water depth of 0.2 m for the fishway. Juvenile(length range: 9.0 cm± 1.5 cm) was used in this case, and the number of tested fish was 55. The tested fish were held in a rectangular tank (1 m×1 m×1 m) for at least 24 h between tests for recovery. Among them, the tested fish in the experiment was selected randomly. The results showed that there was little influence of temperature difference between the flow from the fishway inlet and that in the channel on the hydrodynamics in the inlet zone for the fishway in the high dam project. The area that affected by the temperature difference was depended mainly on the fishway discharge, while the water temperature near the shore depended on the temperature difference. Once the flow from the fishway inlet was constant, the increasement of discharge of the channel was reduced the influence area of the flow from the fishway inlet, and then increased the difficulty for the migratory fish to find the fishway inlet. The migrating rate along the cold-water area was 39%, and the attempt rate in the inlet zone was 31%, while the migrating rate along the warm-water area was 61% and the attempt rate in the inlet zone was 48%. In addition, five migrating fishes were observed from the cold- to the warm-water area, accounting for 12% of the total tested fish. The warm-water area was more attractive to the migratory fish. The temperature difference was conducive to the migratory fish to find the fishway inlet, and then gather in the inlet zone. The cluster effect posed a great influence on the attempt rate in the inlet zone. Once the samples with less than 3 tails were migrating, the attempt rate of samples in the cold and warm water areas reached 50% and 67%, respectively. Consequently, the migrating route of migratory fish can be expected to be adjusted by changing the water temperature, and then effectively attract the cluster fish, which can get the better effect of luring fish to fish-passing facilities. The finding can greatly contribute to the technological level of fish passage facilities.

temperature; facility; model; water temperature stratification; luring fish; temperature difference effect;

10.11975/j.issn.1002-6819.202210076

TV61

A

1002-6819(2023)-01-0195-08

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ZHENG Tiegang, SUN Shuangke, LIU Haitao, et al. Effects of water temperature on luring fish in the inlet zone of fish passage facilities[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(1): 195-202. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202210076 http://www.tcsae.org

2022-10-11

2022-12-29

國家重點研發計劃（2022YFC3204203）；國家重點實驗室自主研發項目（SKL2020TS04）

鄭鐵剛，博士，正高級工程師，研究方向為生態水力學。Email：zhengtg@iwhr.com