吴 欢,王继保,王永普，沈 汉,陈和春,宋基权,石小涛

(三峡大学 水利与环境学院,湖北 宜昌 443002)

鱼类能否找到过鱼设施入口影响过鱼设施的过鱼效果[1-2]。Theodore Castro-Santos[3]将鱼道入口设计分为两个区域：①诱导区域，通过该区域将鱼诱导至鱼道入口附近；②入口区，在该区域鱼类必须能够探测到鱼道入口并选择进入鱼道。可见，完成整个诱鱼过程不仅需要在入口区内吸引鱼类进入鱼道，同时还需要采取其他措施吸引鱼类通过诱导区域进入入口区。已有研究表明，鱼类对水流、声音、光和气都比较敏感[4-6]，如何利用这些外界因素来诱导鱼类快速找到过鱼设施入口，是近年来许多学者和工程师们拟解决的一大难题。

三峡大学生态水利学实验室分析了影响鱼类对水流流场产生趋避行为的原因，提出通过在水体内设置一球体悬浮式诱驱鱼器[7]，通过悬浮球体在水中自扰动，改变水流原有的流速、紊动的分布及大小，直接影响鱼类生存的局部流场，在水体中形成一种鱼类偏好或厌恶的紊动流场来达到诱驱鱼的目的。球体悬浮式诱驱鱼器由底座、牵引绳和扰动器三部分组成。底座为固定装置，可由混凝土浇筑或由较大石块制作；扰动器由轻质材料制作，能够悬浮在水中，悬浮式诱驱鱼器工作示意图如图1。

图1 悬浮式诱驱鱼器工作示意图

本文采用数值模拟和生物学放鱼实验等研究方法，拟从水流流场的流速、紊动强度等方面对鱼类在受扰动水流影响下的上溯行为进行耦合分析，探讨球体悬浮式诱驱鱼器导鱼的作用机理，分析此方法的可行性。

1 数值模拟

1.1 研究方法

为探究球体悬浮式诱驱鱼器在鱼道内产生的水流水力特性，本研究采用Flow-3D流体计算软件详细展示了三维鱼道计算流体动力学模型。本次研究的内容为不可压缩液体，故采用群理论重整化的RNG紊流模型闭合方程，配合体积分辨率法(VOF)来进行水力数值模拟。结果表明鱼道有内部强烈的三维速度场，伴随有涡流、流动分离、漩涡等现象。在生物学实验中，用Logger Pro软件采集鱼类的典型洄游轨迹，划定鳙幼鱼在流场中上溯的集中区域，分析流速和紊动在诱驱鱼器工作机理中所起的作用。

该实验模型长6.5 m，宽0.5 m，为了保证鱼在诱驱鱼器影响流层内活动，设置池内水深17 cm，球体悬浮式诱驱鱼器为直径10 cm的不锈钢球，将其固定于水流下游距离平水箱4 m处，置于水面以下7 cm处，球体所在纵断面与下游尾门之间为实验区。实验装置示意图如图2。

图2 实验装置示意图

1.2 模型验证

通过调节水泵流量控制鱼道内实验区流速，根据鱼类的偏好流速，设置三个流速工况V1、V2、V3分别为0.14 m/s、0.26 m/s、0.34 m/s，根据建立的数学模型，对整个流场进行了数值计算。实验区内流场采用声学多普勒流速仪(ADV)测量，将三个工况中球体诱驱鱼器中心流速的沿程值与实测值进行比较。以水槽进口为三维坐标原点，在纵向上，选取球心纵向中心线上的各测点(下游纵向离球心0.05 m、0.1 m、0.2 m、0.4 m、0.6 m、1.0 m、1.4 m处)进行对比；在垂向上，选取球心所在断面处中心垂线上各测点(水深Z=1 cm、3 cm、6 cm、7 cm、10 cm、12 cm)进行对比；在横向上，选取球心所在断面高程横向上各测点(距离球心Y=±0、±5 cm、±7.5 cm、±10.0 cm、±12.5 cm、±15.0 cm、±20.0 cm处)进行对比。其中，工况1相应的流速实测值与模拟值对比如图3所示。

经测定，模拟流速结果与ADV实测控制点流速结果误差在5%以内，模拟结果偏大于实测结果，因此该模拟可用于研究诱驱鱼器模型流场的模拟分析。

1.3 流场紊动强度分布规律

数据指标在球体所在高程范围内的各流层的分布规律是类似的，球心所在高程平面各指标的平面分布具有较好的代表性，将其作为实验分析对象。各流速工况下，球心所在高程相对紊动强度等值线分布规律如图4所示。

图3 工况1各测点流速拟合

2 放鱼实验

2.1 实验设计

该实验装置照片如图5所示，外围由钢板构成，隔板材质为有机钢化玻璃，连接处用密封胶水光滑粘接。装置采用溢流堰循环供水系统，系统提供的最大流量为 0.6 m3/s，并通过控制阀门的开度和调节水泵的调速隔板开度分别调节水槽中的流速和进口处流速，从而形成不同的流速工况。在水槽下游设置拦网，将水槽分为实验区和放鱼区。实验采用视频监控,用以记录实验鱼的游泳行为。

(1)V1=0.14 m/s

(2)V2=0.26 m/s

(3)V3=0.34 m/s图4 球心所在高程(Z=7 cm)相对紊动强度平面分布图

2.2 实验材料

本实验选择鳙幼鱼为研究对象。鳙为四大家鱼之一，性情温和，不大跳跃，具有河流洄游习性，为重要经济鱼类，分布在全国除西北高原外的各主要水系，满足目标鱼类选择的要求。从渔场购买后暂养于三峡大学生态水利学实验室,暂养3 d。在放鱼实验前需验证流场流态的稳定性，当验证工作完成之后，可以开始放鱼观测实验。实验鳙幼鱼平均体长(11.50±1.50)cm，平均湿重(26.80±35.25)g，实验前停食24 h。

图5 实验装置

2.3 实验方法

实验开始时，在水槽尾部将实验鱼平稳的放进放鱼区中，动水适应10 min，然后取走栏网使其进入实验区中上溯，其成功通过紊流场进入上游的休息池时再放下一条，每个流速工况下共放200尾频次的实验鱼，利用摄像机记录鳙鱼幼苗的洄游路径。根据行为学实验要求,同一实验鱼不重复实验,以防止实验用鱼对实验环境产生适应,影响实验结果的可靠性。在实验过程中，部分实验鱼不顶流上溯、静止不动，或从靠近实验区的左右边壁通过，表示该次实验不成功，只有实验鱼上溯且经过诱驱鱼器尾流区为有效实验。

2.4 游泳行为统计及分析

为了便于进一步分析实验鱼的洄游规律，根据图4中球心所在高程平面的相对紊动强度分布情况和实验鱼的游泳轨迹特征对流场进行分区[8]，A表示强紊动区，B表示弱紊动区。在工况1的有效实验中，鱼上溯速度偏慢，游泳状态比较稳定，在上溯过程中较少突然改变游动方向。通过实验观察，在其有效实验中发现两种典型的鳙幼鱼游泳轨迹，见图6。第一种是鱼稳定游泳上溯至A2区(诱驱鱼器后60～70 cm处尾流区)突然改变方向避开；第二种是鱼稳定游泳上溯至A1区(诱驱鱼器后10～60 cm处尾流区)突然改变方向避开。在低流速工况1中，由于在距诱驱鱼器50 cm以外的尾流区，实验鱼上溯轨迹并没有出现明显的诱驱行为，因此未产生对实验鱼上溯形成影响的B区，在工况1的两种典型游泳轨迹中分别随机提取5条轨迹，如图6所示。对诱驱鱼器后纵向各段鳙幼鱼游出数据进行统计，见表1。分析形成这两种典型上溯轨迹的原因是：当实验鱼稳定前行至A2区时，很大一部分鱼敏感地感受到该区域紊动强度的变化，从而立刻改变上溯方向，此为第一种鳙幼鱼典型游泳轨迹的原因；还有一部分鱼对水流变化的适应能力较强，经过A2区时没有立即避开，而是继续前游至A1区，由于A1区存在更大的紊动强度以及紊动强度变化的速率更快，这部分鱼在A1区各段改变方向离开，也还有一部分鱼没有经过A2区，而是由A区外直接斜向游入A1区，感应到A1区的紊动强度并改变方向避开，此为造成第二种鱼典型游泳轨迹。从统计结果来看，第一种典型轨迹有37次，第二种典型轨迹有50次，在有效实验中还有一部分鱼在A区以外的尾流区域绕出上溯以及一部分鱼虽在A区绕出但不是在此区域内改变上溯方向，不计入典型游泳轨迹范畴。

(1)

(2)图6 V1=0.14 m/s两种典型的鳙幼鱼游泳轨迹

表1 工况1中鳙幼鱼游出数据统计表

在工况2的有效实验中，鳙幼鱼的上溯速度较快，在游动过程中较频繁地改变游动方向。通过实验观察，在其有效实验中发现两种典型的鳙幼鱼游泳轨迹。在第一种典型游泳轨迹中，相较于工况1中的鱼较多的在A2区域(诱驱鱼器后10～60 cm处尾流区)转变方向绕开，并且在A2区域(诱驱鱼器后60～70 cm处尾流区)有集中绕进的现象，工况2中鳙幼鱼选择绕出的区域则分散得多，这一点从表2统计数据可以看出，分析其原因，应是诱驱鱼器尾流区的后段位置即B区(诱驱鱼器后130～175 cm处尾流区)的紊动扩散增强，导致鳙幼鱼上溯至该区域感应到水流紊动场的变化，从而改变上溯路径从水槽两侧上溯。当经过A区时，鳙幼鱼感应到该区域的紊动渐变，绕进该区域上溯至诱驱鱼器后再绕出。第二种典型游泳轨迹体现出诱驱鱼器的一种兼具诱驱的效果，如图7所示。

表2 工况2中鳙幼鱼游出数据统计表

(1)

(2)图7 V2=0.26 m/s两种典型的鳙幼鱼游泳轨迹

在工况3的有效实验中，随着流场流速增大，鳙幼鱼的上溯游泳速度明显变快，摆尾的频率明显增加，在上溯过程中改变游动方向的频率明显增多，多采用“突进-滑行”这一游泳方式上溯。通过实验观察，在其有效实验中发现两种典型的鳙幼鱼游泳轨迹，见图8。在第一种典型游泳轨迹中，由于诱驱鱼器后存在大范围的强紊动区，使鳙幼鱼在上溯过程中，频繁改变游泳方向。第二种典型游泳轨迹中，鳙幼鱼在高流速工况下上溯过程中感应到B区(诱驱鱼器后100～180 cm处尾流区)末端有明显的紊动程度衰减区,从而游进该区域，并保持稳定地“滑行”状态，感应到A1区越靠近诱驱鱼器紊动程度越大的趋势，然后又转变方向离开。从统计表3看出，鱼在高流速工况3的紊动扩散区B区中有集中的绕进现象，并在A区和B区的过渡段感应到诱驱鱼器后产生的紊动强度急变区又集中绕出，上溯至A1区间时，受诱驱鱼器对流场的干扰，该区段流速和紊动强度均大幅衰减，此时实验鱼又集中绕进，最后绕开诱驱鱼器成功上溯至水槽顶端。相比中间流速工况2，鱼在诱驱鱼器的尾流区间B区中绕进次数增加，绕出A区的区间段也更为集中，因此通过对流场的干扰，诱驱鱼器对鳙幼鱼的诱驱效果更加显著。此时，B区相对于A区，流速几乎不变，紊动强度减小，说明在诱驱鱼器的扰动下，实验鱼受其偏好的流速吸引，而避开强紊动区进行顶流上溯。

(1)

(2)图8 V3=0.34 m/s两种典型的鳙幼鱼游泳轨迹

表3 工况3中鳙幼鱼游出数据统计表

3 结 论

本文通过球体悬浮式诱驱鱼器的模型实验，在不同的流速工况下研究了流场紊动强度与目标鱼类的洄游路线之间的耦合关系，验证了球体悬浮式诱驱鱼器的可行性。

在0.14 m/s流速场中，诱驱鱼器造成的较小程度的流速亏损未能对鱼产生有效吸引，当鱼游至紊动渐变段即感受到紊动的变化，在此处产生比较集中的避开行为。此时诱驱鱼器体现出驱鱼的效果。

在0.26 m/s流速场中，诱驱鱼器产生兼具驱诱的效果。部分鱼经过紊动发展扩散段即被驱开；部分鱼顶流游泳产生疲劳被流速急变段后部的流速亏损吸引游入，游至急变段前部时适应不了强烈的水流紊动而被驱开。

在0.34 m/s流速场中，紊动程度和范围更大，鱼的游泳速度和摆尾频率加快，较多采用“突进-滑行”方式前进。在紊动发展段乃至全流场各段改变游动方向的次数明显增多，体现出兼具驱诱的效果。

参考文献：

[1] 白音包力皋，郭军，吴一红，等.国外典型过鱼设施建设及其运行情况[J].中国水利水电科学研究院学报，2011,9(2):116-120．

[2] 曹庆磊，杨文俊，周良景.国内外过鱼设施研究综述[J].长江科学院院报，2010，27(5):39-43．

[3] Theodore Castro-Santos. Optimal swim speeds for traversing velocity barriers: an analysis of volitional high-speed swimming behavior of migratory fishes[J]．Journal of Experimental Biology,2005,208(3) :421-432．

[4] 白艳勤，陈求稳，许勇，等.光诱驱技术在鱼类保护中的运用[J].水生态学杂志，2013,34(4):85-88.

[5] 胡运燊，石小涛，刘德富，等.声音导鱼技术的分析与展望[J].水生态学杂志，2013,34(4):89-94.

[6] 罗佳，白艳勤，林晨宇，等.不同流速下气泡幕和闪光对光倒刺鲃趋避行为的影响[J].水生生物学报，2015,39(5):1066-1068.

[7] 王继保，沈汉，陈和春，等.一种悬浮式导鱼装置以及利用该装置进行导鱼的方法：201510159934.4[P].2015-07-08.

[8] 董志勇，冯玉平，Alan Ervine．异侧竖缝式鱼道水力特性及放鱼试验研究[J].水力发电学报，2008，27(6):126-130．

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