鱼巢砌块水力特性的研究现状与意义

叶昆河，韩 雷，王正君，苏国青，狄高健，刘中坤

(1.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2. 黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

通过调研国内外现有鱼巢砌块产品的结构形式和功能特点，可认为鱼巢砌块是一种具备空腔结构、近水壁面有开孔、能通过砌块间组合连接构造出人工鱼巢、为鱼类或其他水生生物提供适宜栖息和生存空间的预制混凝土构件[1]。鱼巢砌块作为一种新型生态护岸构件越来越受到人们的关注，其设计有孔洞和巢穴，又有适宜附着基质，还适于产粘、沉性卵鱼类的产卵和孵化，创造了接近自然的栖息繁衍条件[2]。

1 鱼巢砌块生态护岸构件概述

1.1 研究背景

随着近代混凝土施工技术的进步，传统河道护岸工程为了保证河道防洪安全一般会使用现浇混凝土或砌石等硬质材料。传统河道护岸工程虽然具备其防洪、排涝、岸坡稳定及防治水土流失等基本功能，但是“三面光”的河道同时也产生了一些负面影响，例如阻碍了陆地与水域环境的连通性，使河流栖息地的生境多样性受到破坏，从而破坏生物群落的多样性，最终影响河流生态系统的健康。此外，随着人们不断加强和提高生态环境保护意识，传统硬质护岸工程已无法满足社会需求。

近年来，为了维持河流生态系统稳定和保护物种多样性，利用植物或者植物与工程手段相结合的生态护岸技术虽然快速发展，在河道防洪、排涝、岸坡稳定、防治水土流失、绿化、景观、亲水以及增强河道自净能力等方面上取得较好效果，但是其大多侧重于植被和景观效果，而很少考虑水生动物栖息和繁衍的需求[3]。故鱼巢砌块作为一种兼顾岸坡防护、生态景观与水生生物保护的新型生态护岸构件越来越受到人们的关注。

鱼巢砌块生态护岸构件对于推动我国生态护岸工程建设、维持河流生态系统稳定和保护物种多样性等方面都具有极其重要的社会意义和生态价值。

1.2 研究现状

日本经历1973年石油危机之后，其经济迎来了快速发展阶段，但随之而来的是严重的河川污染问题，因此人们为解决河川污染问题开始提出各种河流生态修复方案。1977年日本研发“鱼巢砌块”这种新型生态护岸构件，即空心混凝土砌块。鱼巢砌块既可作为鱼类等水生生物的栖息地，又可在洪水期间防止鱼类等水生生物被冲走[4]。20世纪80年代，日本开始兴起了“实施有助于河川环境保护和创造的河川工程”，于是鱼巢砌块广泛应用于日本河流生态化整治工程中。20世纪90年代至21世纪初，日本逐渐从鱼巢砌块的基础应用转向其相关理论的研究，其中包含砌块材料对鱼类行为的影响、鱼巢砌块的聚鱼效果和鱼类保护效果、不同鱼类喜爱的砌块型式等理论研究内容[5-8]。

目前在国外，日本和韩国对鱼巢砌块的研究和应用比较深入和成熟。欧美国家虽然非常重视生态护岸技术且进行了大量研究，但是其大多侧重于利用植物或者植物与工程手段相结合的生态护岸技术，故欧美国家在为鱼类等水生生物提供栖息及繁衍的生存环境、河道洪水期间保护鱼类等水生生物等方面尚未提出具有代表性的研究成果[1]。虽然国内学者对鱼巢砌块的研究起步比较晚，从21世纪初才开始研究鱼巢砌块，但是在短时间内涌现出一大批产品和专利。

2 鱼巢砌块水力特性的研究现状

2.1 国外相关研究现状

尽管日韩两国对鱼巢砌块做了大量研究，但是对鱼巢砌块水力特性的研究却很少。2000年，牧平朋大[9]通过室内水力学实验，研究了鱼巢砌块内部的大致流程及开口处的物质交换机制。2001年，山本貴則[10]进行了水力学实验，测量了鱼巢砌块开口周围的流速变化和水面变化，并研究了鱼巢砌块开口处剪切层的紊流结构及鱼巢砌块内部的水面变化。2002年，中島央晶[11]通过将弗劳德数作为参数进行流速变化的时间序列测量，从而验证了在河流和鱼巢砌块的交界处形成的紊流剪切层中发生旋涡的特性。2003年，黒川昇平[12]以明渠平面二维流的基础式为基础进行数值模拟实验，通过分析3种不同开口部形状的鱼巢砌块数值模拟结果研究鱼巢砌块的水力特性。2006年，黒川昇平[13]基于明渠二维流的基础式进行数值模拟实验，以鱼巢砌块的流场为对象，研究了鱼巢砌块开口部以内的水面振动特性、流速变动特性以及河道主流、鱼巢砌块区域间的流体交换特性。

2.2 国内相关研究现状

虽然国内短时间内涌现出一大批产品和专利，但是目前国内学者对鱼巢砌块水力特性方面的相关理论研究极少。2002年，华清青生态环保科技(北京)公司发明了既可固定植物根系又具有鱼类生存功能的多孔混凝土砌块，并明确指出鱼巢砌块是为鱼类提供生存空间的[14]。这是国产鱼巢砌块的首次亮相，对之后国内鱼巢砌块的结构设计、迭代优化和理论研究等方面均产生了非常重要的影响。2006年，陈兴茹[15]通过物理模型试验和数学模型计算相结合的方式，探讨不同工况下鱼巢砌块内部的流场和流态，并提出了可以保护鱼类的鱼巢砌块体型。2007年，王兴勇、郭军、刘树坤等[16]以生态型鱼巢砌块的水力特性为研究对象，根据几种常见鱼类的水流习性提出了鱼巢砌块的基本结构尺寸，并通过物理模型试验和数值计算分析了鱼巢砌块的三种连接形式在不同主槽流速下的流场分布以及它们各自不同的适用性。2007年，刘盈斐[17]通过物理实验就鱼类对孔隙的选择特点进行了研究，并设计和论证了新型多孔栖息单元式生态护岸(鱼巢砌块)，最后验证了基于River2D软件的护岸生态效果实例和基于嵌入式鱼类数量变化模型的护岸生态效果实例。2012年，陈玉芳、薛志良、刘亦锋[18]分析了孔隙生态护岸的功能之后，根据生态护岸孔隙特点与集鱼效果原理设计了一种新型多孔隙单元式生态护岸块体(鱼巢砌块)，并且将其应用于实际工程中。2016年，韩莉娟[19]通过试验得出鱼类对孔隙的各种要求，然后根据试验结果设计出新型多孔隙生态护岸块体体型(鱼巢砌块)，最后使用River2D软件对应用新型多孔隙生态护岸块体(鱼巢砌块)前后的流速、WUA值进行对比分析。2017年，邢浩翰、周林飞、张静[20-21]在鱼类对孔隙的选择性试验基础上重新设计出多孔型生态护岸块体(鱼巢砌块)，再运用River2D软件模拟应用多孔型生态护岸块体(鱼巢砌块)前后的流速、WUA值，并进行对比分析。

3 鱼巢砌块水力特性的研究意义

尽管国内外涌现出很多鱼巢砌块产品和专利，但传统鱼巢砌块大多仅停留在其设计层面和施工层面，很少有人开展鱼巢砌块水力特性的研究。国内外大量研究表明，大多数鱼类游泳行为与流速、水深、水流紊动能息息相关。1990年，Leon A. Barmuta[22]在研究卵石底质和流速的共同作用时发现流速是最有影响的环境变量。1995年，P. Sempeski等[23]调研了法国Pollon River和Suran River的河鳟产卵场，根据两处河鳟产卵场流速相近发现河鳟对产卵场的流速是有要求的。2007年，王得祥[24]利用震动格栅产生紊流，从而研究水流紊动能对鱼类游泳行为特性的影响，经研究发现过高或过低的紊动能均不利于鱼类生存。2008年，付世建等[25]提出鱼类进行逃逸、穿越激流和伏击捕食等行为时主要取决于爆发式游泳速度的观点。2009年，刘稳、诸葛亦斯等[26]选用流速、流速梯度和动能梯度进行量化分析，并结合鲫鱼相对日增长率，得到鲫鱼生长与流速、动能梯度之间的定量关系。2012年，齐亮、杨宇等[27]进行了水流流速、紊动能和切应力对鱼类行为的影响试验，阐明了水流紊动和切应力对鱼类的伤害。2018年，李芳、安瑞冬、马卫忠等[28]根据坝下鱼类分布规律探测数据，分析鱼类坝下集群效应，并分别探究了其对流速、水深及水流紊动能的响应规律。2019年，杨庆、胡鹏等[29]探索草鱼上溯洄游的适宜流速条件与适应阈值，为河流生态水力学模拟和河流生态修复提供技术支撑。2021年，李树航、韩雷、王正君等[30]通过流速递增法测得松花江鲫鱼的游泳能力。

而且鱼类对水流有天然的趋流性，鱼类的趋流性为鱼类在水流中对流向和流速的行为反应特性[31]。鱼类的趋流性特征与鱼类品种、体长、所栖息的自然水流环境有密切关系，即不同流域中不同品种、不同生长期的鱼类对水流环境条件的要求不尽相同[32]。又由于不同结构形式的鱼巢砌块会营造出不同的水流环境条件，因此必须基于鱼巢砌块水力特性与鱼类游泳行为特性耦合分析的基础上研发各种鱼巢砌块体型，以满足不同流域中不同品种、不同生长期的鱼类对水流环境条件的要求。基于鱼巢砌块水力特性与鱼类游泳行为特性耦合分析的基础上针对特定流域中特定品种、特定生长期的鱼类而研发的鱼巢砌块，既可满足特定鱼类栖息繁衍的生存要求，又可使特定鱼类躲避天敌和安全度过汛期。

研究鱼巢砌块水力特性，并将其与鱼类游泳行为特性进行耦合分析，既补充和完善相关理论，又为之后生态鱼巢砌块的结构设计与优化提供理论依据，同时体现了设计和优化鱼巢砌块结构形式时的科学性和严谨性。

4 结 语

通过对国内外相关文献及资料的调研，本文简单概述了鱼巢砌块的起源、定义、结构形式和功能特点，并详细阐述了其研究背景、目的、意义和国内外相关研究现状及发展趋势，最后阐明了鱼巢砌块水力特性的研究意义，为鱼巢砌块后续的理论研究、体型设计与优化提供了思路。

根据前人对水力特性影响鱼类习性的相关研究可知，大多数鱼类游泳行为与流速、水深、水流紊动能有密切关系。又由于不同结构形式的鱼巢砌块会营造出不同的水流环境条件，同时还需满足不同流域中不同品种、不同生长期的鱼类对水流环境条件的要求，故设计和优化鱼巢砌块时必须针对其水力特性和鱼类游泳行为特性进行耦合分析。

目前，虽然鱼巢砌块的结构形式越来越丰富多样，但是极其欠缺相关理论研究进行支撑，故之后需深入研究鱼巢砌块水力特性相关内容以填补相关理论空白。综上所述，研究鱼巢砌块水力特性有利于我国生态护岸工程建设、维持河流生态系统稳定和保护物种多样性。