鱼道相关研究进展

摘要：大坝、水闸等水利工程建设改变了河流自然的连通性，影响了洄游性和半洄游性鱼类生活史的顺利进行，这不仅会导致鱼类种群数量的减少，甚至还可能导致部分鱼类种群灭绝。只有以鱼类的不同特性为依据，才能设计出具有较好过鱼效果的鱼道。文章对鱼道相关研究进展进行了探讨。

关键词：鱼道设计；游泳能力；游泳速度；水力特性；数值模拟 文献标识码：A

中图分类号：S956 文章编号：1009-2374（2016）08-0007-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.08.004

1 概述

大坝、水闸等水利工程建设改变了河流自然的连通性，影响了洄游性和半洄游性鱼类生活史的顺利进行。这不仅会导致鱼类种群数量的减少，甚至导致部分鱼类种群的灭绝。鱼道作为帮助鱼类和其他水生生物物种通过河流障碍物完成自由洄游的生态补偿工程措施应运而生。但是通过对我国现有鱼道的调研表明，绝大部分鱼道运行情况并不理想，其主要原因在于缺乏对鱼类行为及鱼道水力学问题进行深入的研究。满足鱼类生理生态行为的水流流态、流速和紊动能等水力因子是鱼类顺利通过鱼道实现自然洄游的关键因素。因此，在鱼道设计时，洄游鱼类生物特性和水力适应性对提高鱼道的过鱼效果具有重要意义。在鱼道设计过程中，鱼类的游泳行为和鱼道内的水力特性是决定鱼道设计的两大关键因素。鱼类游泳特性的研究可以为鱼道设计提供直接而有效的水力参数数据资料，而鱼道内水力特性研究可以指导鱼类游泳路径的选择。将水力学特性与鱼类游泳特性结合后优化设计的鱼道将会在生态修复中实现鱼道的有效性。本文收集分析了国内外多年来的鱼类游泳特性和鱼道水力特性的研究成果，为鱼道设计提供依据，以更加深入地认识鱼道的研究对鱼类保护的作用和前景。

2 鱼类的游泳特性

鱼类的游泳特性是鱼道设计中必须考虑的重要因素，缺乏对鱼类行为学研究的鱼道设计往往是失败的。不同种类的鱼或同种鱼类个体大小不同，它们的游泳能力是不同的，将鱼类游泳的持续时间作为分类方法可以把游泳能力分为三种主要形式：爆发游泳速度（鱼类在该模式下至多仅可维持20s）、耐久游泳速度（鱼类在该模式下可维持20s～200min，最大耐久游泳速度又称作临界游泳速度）和持续游泳速度（鱼类在该模式下可维持大于200min）。在鱼道的设计中，鱼类的爆发游泳速度和临界游泳速度是两个重要的参数，对于鱼道的一些高流速区，则参考鱼类的爆发游泳流速，同时还考虑鱼疲劳后恢复体力所需时间，作为鱼道休息池个数及距离的设计依据。鱼道过鱼孔处流速通常以临界游泳流速作为设计指标。

鱼类游泳特性的研究方法可以分为两大类：实验室研究和野外研究。大多数游泳特性的研究都是在实验室研究装置中进行的。鱼被放置在特定研究装置内，使其在人为设计条件下进行游泳运动，同时测定相关参数。实验室研究装置样式各异，但总体上分为密封式和开放式运动装置两类。两类装置各有其优点：密封式研究装置便于调控水环境变量，从而更易于实现单因素影响研究；开放式研究装置更接近自然河道，能更好地模仿实际鱼道进行研究。野外研究如利用声纳探测、GPS定位等技术，收集鱼类的流域分布信息，跟踪鱼类的洄游行为，然后结合鱼类游泳特性相关资料在适当的水域布置鱼类洄游引导路线；利用水下视频监测设备，在鱼道各个关键部位（例如鱼道进出口、过鱼孔等地方）收集视频资料，继而分析鱼类的运动行为和通过状况，从而评估鱼道的运作效率，也可为今后的鱼道设计参数调整提供参考。

3 鱼道的水力特性研究

国内外许多研究发现，水流水力特性与鱼的生存等都具有非常重要的关系，水流对鱼类行为的影响被认为是最原始和最切实有效的，鱼类能通过身体表面的侧线感觉到流速、紊动强度和压力的变化，其行为受紊动尺度及其作用范围影响。而目标鱼种能否顺利通过鱼道实现洄游上溯，取决于水流流态、流速场、紊动能和雷诺剪切应力等水力特性，因此深入研究鱼道的水力学特性对评价鱼道的过鱼效率及优化鱼道设计等具有重要意义。适宜的水流流态、流速和紊动能等水力特性是鱼类顺利通过鱼道实现自然洄游的关键因素，因此深入研究鱼道内的水力特性，对提高鱼道的过鱼效果具有重要意义。国内外较多地选择利用数值模拟与模型试验相结合的方法对鱼道进行研究，获得适合鱼类自由上溯的理想流速和流态等，为后续鱼道的设计、优化及其改造提供依据。

3.1 模型试验

在计算机技术发展起来之前，物理模型试验作为主要的研究手段，一直以来都在鱼道研究中起着重要作用。Wu等对竖缝式鱼道的试验研究发现，当鱼道坡度小于5%时，水池中的水流具有二维流动的特性，垂向流速远小于水平方向的流速，在“鱼道均匀流”条件下，池室二维流动形态与流量无关。Tarrade研究发现，随着池长/池宽的变化和坡度的不同，鱼道中的水流流态出现了两种流态。Puertas等综合前人基于竖缝式鱼道的水力特性进行了试验研究，建立了鱼道无量纲流量与相对水深存在线性关系。Bermudez等对不同水池尺寸的同侧竖缝式鱼道进行试验，得到两种不同水流流态。国内的董志勇等对竖缝式鱼道的竖缝宽度与水池宽度之比较大的情况进行了系统的试验研究。试验研究表明：靠近竖缝处的断面流速分布具有正态分布形态，距竖缝较远处才逼近壁面射流的流速分布；水池内总向流速的衰减比平面自由壁面射流快得多，并且不存在平面射流中的势流核。曹庆磊等利用三维超声波流速仪（ADV）测鱼道池室中流速，对池室中不同流量不同水深时的流速场、紊动能和雷诺剪切应力等水力特性进行研究。发现池室中的流速、紊动能和雷诺剪切应力在竖缝出口附近最大，在两侧的回流区比较小，其中大回流区的这三个指标要小于小回流区，适宜鱼类休息。

3.2 鱼道的数值模拟

随着计算机技术的发展，通过数值模拟分析鱼道流场，探讨鱼道的水力特性是目前研究的发展趋势。在已知鱼类习性的前提条件下，利用数值模拟技术进行仿真和鱼道结构型式的优化，可以大大提高鱼道的设计效率。Guiny等对竖缝式鱼道的水力特性和生物特性进行过较为系统的试验研究和数值模拟。Barton、Fujihara、Stephan等先后对竖缝式鱼道的水力特性进行了数值模拟计算，并与Yong的试验结果进行了比较。Bombae等在PCFLOW2D模型的基础上增加三种不同的湍流模型对竖缝式鱼道进行数值模拟，所需的流速、最大竖缝速度及体积能量耗散率等水力特性参数能够被详细分析出来。Marriner等采用流速测量和计算流体动力学模型方法，研究了七种竖缝式鱼道不同转弯段结构型式的水流流态、流速场、紊动能及单位体积能量耗散率等水力特性。徐体兵与孙双科等用标准k-ε湍流模型对竖缝式鱼道水流结构的数值模拟计算，研究了水池内不同长宽比对水池内流场结构、主流区最大流速轨迹及其沿程变化情况，得出当长宽比在8∶8～10.5∶8的竖缝宽度范围内，可以获得较好的适合鱼类上溯的流态。曹庆磊等分别采用标准的k-ε模型和雷诺应力方程模型（RSM）对同侧竖缝式鱼道进行了三维数值模拟，对池室内的流场、紊动能和雷诺剪切应力等水力特性进行了分析，结果表明：两种紊流模型均可模拟同侧竖缝式鱼道水流基本特性，但RSM模型流速场的计算结果与水工模型试验结果更为吻合。罗小凤利用Fluent软件模拟了竖缝式鱼道的流场，并用模型试验对数值模拟进行了验证，分析了竖缝式鱼道导板的长度及导角大小对鱼道内流场的影响。毛熹等通过采用模型试验和数值模拟相结合的方法对鱼道结构优化，提出了一种新的鱼道，称为“T形鱼道”，并对T形鱼道的水力特性进行了研究。郭维东等通过三维数值模拟对同侧竖缝式鱼道结构进行优化，并采用可视化显示及数据分析的方法分析不同竖缝相对宽度、底坡条件下的水流结构特征。

4 结语

我国目前已修建的鱼道绝大部分都是根据国外鱼道的设计来完成的。但是鱼道设计不仅与水力特征相关，而且与鱼类游泳特性相关。国外流域中的鱼种和国内不同，即使某些鱼种相同，但因生活环境的差异性，游泳特性也很难一致。因此，鱼道设计时，首先必须针对不同的鱼类，深入了解其鱼类的游泳特性；其次依靠数值模拟和物理模型试验研究进行鱼道结构优化，塑造出能满足鱼类洄游需求的水流条件。依据水流特征及鱼类游泳特性设计并修建了鱼道后，下一步还应运行监测统计、研究与评价鱼道实际的过鱼效率，把理论与实际相结合。只有以鱼类的不同特性为依据，结合鱼道水力特性的塑造，才能设计出具有较好过鱼效果的鱼道。通过对鱼类游泳特性和鱼道水力特征的研究可为相关设计提供技术支撑。

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作者简介：胡健（1989-），男，湖北宜昌人，三峡大学水利与环境学院硕士研究生，研究方向：生态水利学。

（责任编辑：黄银芳）