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优化垂直槽鱼道中的流动条件与鱼类通过成功率:从鱼类行为观察中学习

期刊:WaterDOI:10.3390/w16121718

研究报告:优化垂直槽式鱼道的流动条件与鱼类通行成功率的研究

该研究由Damien Calluaud、Vincent Cornu、Philippe Baran、Gérard Pineau、Pierre Sagnes及Laurent David等作者完成,分别来自Institut Pprime (CNRS-Université de Poitiers-ISAE ENSMA)、Bureau d’études ECOGEA、Office Français de la Biodiversité等机构。论文发表在2024年6月的《Water》期刊上,文章标题为《Optimizing Flow Conditions and Fish Passage Success in Vertical Slot Fishways: Lessons from Fish Behavior Observations》(DOI: 10.3390/w16121718)。

一、研究背景

本研究所属科学领域为生态水动力学和鱼类生态学。河流生态系统中,障碍物的存在通常会导致栖息地的割裂,影响生物多样性。这种问题尤其影响到鱼类的洄游能力,以往解决该问题的方法之一是设计鱼道(fishways),其中垂直槽式鱼道(Vertical Slot Fishways, VSF)是常见的一种设施。现有很多垂直槽式鱼道是为了通过“优秀游泳者”如鲑鱼设计,但对于体型较小的鱼类由于不适合的流动条件(如高流速或湍流)而难以通行。因此,研究垂直槽式鱼道内的流动条件与鱼类行为的关系,并提出经济可行的优化改造方法,对改善小型鱼类的通过率具有重要意义。

本研究旨在分析湍流条件下中等体长(9.7-15.6 cm)翘嘴鱼(Squalius cephalus)的行为,揭示湍流对其通行效率的影响。此外,研究还探索了通过低成本改造鱼道流场以提高鱼类通行效率的方法。

二、研究流程

1. 垂直槽式鱼道模型的建立与测试条件

研究使用了一个实验鱼道,由五个相连的相似池塘组成。每个池塘尺寸为长0.75米、宽0.5米、高0.55米,鱼道的槽宽为0.075米,纵向斜率为10%。实验期间,水的流量设定为23升/秒,导致平均水深约为0.3米,池塘之间的水位差为0.075米。使用粒子图像速度测量(PIV)技术表征鱼道中的流速与湍流参数,测量数据覆盖第三号池塘的中心层面,采用每秒10帧的采集频率,总计获得3000张瞬时流速场数据。

为了调整湍流条件,研究引入垂直刚性圆柱,测试了三种改造配置:池塘内放置一个直径为槽宽(b)的圆柱、一个直径为槽宽一半的圆柱(b/2)、以及三个直径为槽宽一半的圆柱组成的三角形结构。

2. 鱼类采集与实验设置

实验选用了翘嘴鱼作为测试对象,这是一种适应能力较强的洄游性鱼类,从“Petite Blourde”小溪中采集了90条体长为9.7 cm到15.6 cm的翘嘴鱼。在实验之前,鱼被安置于实验室配备类似水流条件的休息池中。一组20到25条随机选择的翘嘴鱼被投放到实验鱼道的下游池塘(编号5),鱼类适应15分钟后开始实验。每次实验持续90分钟,共完成18次试验。

鱼类的行为通过视频摄像头实时记录,研究分析了鱼类的运动轨迹、通行时间及其在池塘内不同区域的分布。

三、主要结果

1. 鱼类行为与流场特征的关系

研究发现,鱼类的移动轨迹与湍流特征密切相关。鱼类倾向于停留在低湍流动能区域,并优先选择流速低且湍流可预测的区域作为“休息区”。池塘内的湍流模式因上游槽的水头差及流体挤压而形成了三个主要的对旋涡区,这些区域成为鱼类的潜在休息区。

通过视频分析,总结了三种主要的鱼类移动情景:成功穿越(从下游池到上游池),未能穿越但返回下游池,以及从上游池被冲回下游池的行为。实验中,63.1%的鱼类成功穿越第3号池,19.8%未能完成穿越,17.1%被冲回下游池。

2. 流体强度与鱼类分布的模式

基于湍流强度和速度分布,研究定义了四种流场区域(F00、F01、F10、F11),其中F00区域(流速与湍动能均低于阈值)被鱼类优先选择作为停留区或起始迁移区。高强度湍流区域(F11区域)则具有显著的阻碍作用。

3. 改造措施对流动条件与鱼类行为的影响

通过在鱼道池塘中放置圆柱,改造湍流场并提高了鱼类的通行成功率。特别是引入三个直径为槽宽一半的圆柱,使流速减少28.8%,湍动能降低40.0%,鱼类通过率提高至47.4%(无圆柱配置下为26.2%)。圆柱的加入显著改进了流体的均匀性与稳定性,直线化了湍流射流的形状,减少了对鱼类迁移轨迹的干扰。

四、研究结论与意义

这项研究通过系统实验揭示了湍流条件与鱼类行为之间的复杂关系,并提出了一种低成本改造现有垂直槽式鱼道的有效方法。在小型鱼类的鱼道设计中,采用圆柱类能量耗散装置可以显著优化流体条件,提高鱼类通过效率。

本研究具有以下科学与应用意义: 1. 提供了鱼类行为与水动力环境之间详细的定量分析,为鱼道设计者提供了新的设计参考; 2. 提出了基于整体流场特征的优化设计方法,而非单纯依赖传统的鱼道评估标准(如水头差与体积耗能); 3. 验证了针对不同鱼种和鱼体大小优化鱼道的重要性,为现有鱼道的改造提供了切实可行的方向。

五、研究亮点

  1. 首次将圆柱结构引入垂直槽式鱼道的湍流场优化,并对其效果进行全面评估;
  2. 基于粒子图像速度计技术与鱼类行为视频追踪联动,首次揭示鱼类水运动偏好的微观机制;
  3. 研究得出的优化方法具有直接的工程应用价值,特别是针对那些设计欠考虑小型鱼类的传统鱼道。

本研究为鱼道设计与改造提供了新的科学依据,有望在实际工程中推广应用,以进一步改善河流生态栖息地的连通性与生物多样性保护。

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