基于鲢幼鱼水力藏匿场特征的鱼道阻流体设计原则研究

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水利设施对河流的阻隔是淡水鱼类丰富度急剧下降的主要原因之一,尤其是对于有洄游需求的鱼类种群。随着人们对水利工程建设所引起的生态问题认识的加深,兴建过鱼设施、重建洄游通道已成为当前生态水利的研究热点之一。鱼道作为保持河流纵向连通性的重要手段之一,受到关泛关注。鱼道内水力特性的变化对鱼游泳行为会造成一定影响,其水力特性的改变主要取决于阻流体形式的改变。在某种特征流场下,鱼会被吸引,甚至藏匿在某种流场环境中。鱼类在通过鱼道的过程中首先是沿着主流区上溯,当体力消耗过多时会在休息区(藏匿场)节省能量,接着在进行上溯。休息区的水流形态对鱼类能否顺利上溯有着重要的影响。在自然界溪流中鱼类为了避开高速水流通常也会寻找一个水力藏匿场,保护自身不受到高速水流的冲击。因此本文基于鲢幼鱼水力藏匿场特征对鲢的临界游泳能力、游泳动力学和藏匿场流场特性进行分析和总结,再结合国内外工程案例对鱼道阻流体设计原则提供优化方案,对帮助鱼类能否顺利通过鱼道具有重要的参考价值。本文的研究工作及结论如下:  1)不同阻流体型式下,通过对鲢临界游泳能力的测试,结果表明:半圆柱条件下鲢临界游泳速度为76.857±9.273cm/s,显著高于其它两种阻流体型式,半圆型柱更有利于提高鱼类临界游泳能力,因此选取以半圆柱作为研究水力藏匿场的主要型式。  2)以半圆型柱做为阻流体型式,分析了其对不同体长鲢临界游泳能力的影响。结果表明:随着鲢体长的增加,其绝对临界游泳速度显著增加,相对体长的临界游泳速度值反而减小。在半圆型柱条件下,鲢体长与半圆柱后方涡的大小有一定的相关关系。当鲢体长超过17.02cm时,鲢能充分利用半圆柱后方产生的漩涡,抵抗高速水流的冲击,提高其临界游泳能力。通过对不同体长鲢的绝对临界和相对体长临界游泳速度对比分析表明:同一体长的鲢,在半圆柱下其绝对和相对体长临界游泳速度都比无阻流体要大。通过跟踪鱼从头到尾身体中线的运动变化可知,在半圆型柱下其身体头尾的摆动幅度明显要比无阻流体的大。  3)半圆型柱对鲢游泳动力学也有影响。通过对不同体长鲢的摆尾频率和幅度对比分析表明:在半圆型柱下其摆尾频率显著要比无阻流体低;通过对鲢绝对游泳速度、游泳加速度和运动步长分析表明:体长为9.5cm的鲢偏好阻流体的水力藏匿场,其绝对游泳速度和加速度要显著低于无阻流体条件,而运动步长受到摆尾频率和游泳速度的双重影响,无显著性差异。体长为13.5cm的鲢反而不偏好躲在阻流体后方,在水流速度50cm/s时,采用了冲刺爆发行为,导致游泳速度,加速度和运动步长突然增大,表明藏匿场的流场环境与鱼体长存在一定的联系。  4)通过对鲢水力藏匿场偏好流速区间的研究,结果表明:直径为19和25mm的半圆型柱下产生的水力藏匿场对鲢没有明显的吸引;直径为32和50mm的半圆型柱,两种体长的鲢对一定水流速度区间产生的水力藏匿场有明显的偏好,结果表明:32mm半圆型柱下鲢对流速区间60-75cm/s的水力藏匿场有明显偏好,而50mm半圆型柱为40-65cm/s。通过对偏好水力藏匿场流场特性的分析,选取以涡径为敏感水力学指标,由实验结果分析表明:当涡体直径在0.6~1倍鱼体长时,阻流体对鲢的游泳能力、游泳稳定性和减少耗能是有利的。  5)以国内外实际工程案例为背景,结合本实验研究,以半圆型柱为主要型式,采用交错排列的布置形式,其阻流体垂直间距a1为1.5倍的半圆柱直径,阻流体垂直间距a2为2.5-3.5倍的半圆柱直径;阻流体横向间距b1为1.65倍的半圆柱直径,阻流体横向间距b2为0.5倍的半圆柱直径。
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