鱼道特征流场下雅砻江裂腹鱼的游泳行为及生理响应研究

The research applied the experiments and numerical simulation to study the Schizothorax's swimming performance in complex flow. Meanwhile, field investigations and literature reviews are applied to study the water environmental features of their habitat. In order to acquire the behavioral and physiological stress response (swimming capability, physiological metabolism, ecological behavior) of juvenile Schizothorax in the complex flow at different water temperature, DO and turbulence intensity were tested by behavior study. CFD software (fluent) was used to numerically simulate 3D flow in an experimental model, analyzing the correlation between swimming performance and flow characteristics to reveal the influence of hydraulics index (velocity, turbulence kinetic energy, vortices) on their swimming performance. Based on its mechanism of influence, a physical model of fishery facilities was set up. The swimming performance in real fishery facilities was compared with those of theory predicts to validate the reliability of physical models. The report reveals the ideal flow characteristics of the fish passage. It is expected that the findings will help supplement the general fishery passage facility designing guidelines.

本项目拟以雅砻江典型鱼类裂腹鱼属为研究对象,按照“实验→分析→建模→评价”的总思路，以实验研究和数值模拟相结合的方式研究其在复杂流场下的游泳特性，为大坝建设中鱼设施提供参考依据。通过查阅文献及实地考察，获取长江中上游裂腹鱼栖息地的水环境特征；通过鱼类行为学实验，研究不同水温、溶氧及湍流强度的鱼道特征流场(复杂流场)下裂腹鱼幼鱼的行为及生理胁迫响应(游泳能力、生理代谢、生态行为)并比较其差异性；借助Fluent等流体计算软件对实验模型内部流场进行三维数值模拟，分析鱼类游泳特性对特征流场的响应，揭示各水力指标(流速、湍动能、涡量)影响游泳特性的机制。根据目标鱼类对各水力因子的响应规律构建过鱼设施物理模型，通过测定目标鱼在几种过鱼设施特征流场中游泳特性各指标的变化，比较模型的理论预测值与试验实测值，验证模型的可靠性，提出有利于目标鱼安全通过过鱼设施的特征流场条件，为工程应用提供参考。

我国水利工程的迅速发展给鱼类带来了不可忽视的影响，修建鱼道是减缓我国水电工程生态负面影响的重要途径，因此急需开展鱼道建设的关键技术研究。过鱼对象在不同流速、流态下的行为特征是鱼道设计、优化的重要依据。项目组赴雅砻江两河口水电站、澜沧江果多电站和新疆木扎提河电站等地开展野外调查，确定了以长江中上游典型过鱼对象：裂腹鱼、圆口铜鱼、鳅、四大家鱼、鲟等为实验目标，开展了水温、流速、流态、底质、光照等重要因子对游泳行为及生理响应的研究。研究结果表明，相近体长的野生裂腹鱼游泳能力各不相同，临界游泳速度大小的排序为斑重唇鱼>齐口裂腹鱼>厚唇裂腹鱼>长丝裂腹鱼，而它们爆发游泳速度相近，介于9.8 bl/s ~ 11.8 bl/s。当以裂腹鱼为过鱼对象时，鱼道内竖缝等高流速区流速范围建议为1.0~1.5m/s，休息池主流速为0.2~1.0m/s。季节水温变化与急性水温变化均对鱼的生理代谢及游泳能力有显著影响。在最适宜季节水温下，实验鱼具有最大临界游速，且重复疲劳运动后的最佳水温不变；活动耗氧率在临界游速时达到最大，重复疲劳运动时，耗氧率随流速增加的递增速度下降，说明连续疲劳运动有利于提高游泳过程中的能量利用效率。在一定温度范围内，急性升温能提高鱼的游泳能力及运动耗氧，而急降温则使游泳能力及运动耗氧降低。流速增大是导致鱼游泳疲劳的原因，通过研究圆口铜鱼在游泳至疲劳及疲劳恢复过程中血液指标变化探索鱼游泳疲劳的生理机制。研究表明运动应激会导致血液总蛋白、血糖和甘油三酯在低游速时初始下降而后积累，且白肌的无氧代谢导致乳酸积累，使血液总蛋白、血糖和甘油三酯水平升高。在实验水槽中增加障碍物可模拟鱼道流场，研究表明，实验鱼在D型柱后方运动时可利用涡街调节运动行为以降低运动能耗，但当流速超过5bl/s时，游泳姿态变得复杂并出现较大横向位移。合适的障碍物尺寸与流速的结合，有利于鱼在不稳定水流中长时间游泳。为了更接近自然鱼道，在开放明渠中放置障碍物营造不同的特征流场，研究了实验鱼的自主上溯能力与行为。结果表明游泳速度和障碍物长度均是鱼类能否成功上溯的重要因素，鱼在应对流速障碍时选择低流速场上溯的流场利用策略。项目研究结果为过鱼设施设计及评价提供了重要数据参考及研究新思路。