弯道沙洲对“四大家鱼”鱼卵运动的影响机理研究

Movement of the four major Chinese carps’ eggs and its influence mechanisms play a crucial role in estimating the carps’ resources in the early life stage. The study is also crucial important for the environmental assessment of hydropower engineering projects and the evaluation of ongoing ecological conservation measures. Previous research works on fish resources estimation mainly depend on fishing data and statistical methods, and the estimated results often render to be randomness, low reliability and poor accuracy. Thus, it is an urgent interest in the research to employ further study on hydrodynamics of fish eggs’ movement. Considering meanders and sand bars are the most common morphologies in the middle reaches of the Yangtze River, and also the typical spawning ground of the four major carps, this project aims to study the eggs’ movement in meanders and sand bars, and to explore the corresponding impact mechanism. To be specific, special ecological properties of the eggs, advanced river dynamics analysis approaches, flume experiments and numerical simulations, all these issues will be collectively considered to implement the research in a reasonable and efficient way. The research work is innovative in China, and it devotes to developing theoretic guidance for the estimation of both the Chinese four major carps’ and other drifting egg fishes’ resources, and to providing useful reference to the relevant protection works development.

“四大家鱼”鱼卵运动规律及其影响机理研究对家鱼早期资源量的科学估算，乃至水电工程的环境影响分析及生态保护措施的有效性评估都至关重要。目前，国内外对鱼类早期资源量的传统估算大多通过捕捞数据、运用统计方法所得，存在随意性大、准确性差、可靠性低等问题，迫切需要结合鱼卵运动的水动力特性从理论上进行深入研究。弯道和沙洲是长江中游的常见地形，也是“四大家鱼”产卵场的典型地形。本项目以弯道和沙洲为研究环境，以“四大家鱼”鱼卵为研究对象，借鉴河流动力学领域的研究方法，结合鱼卵的生态属性，通过室内试验和数值模拟相结合的方法，系统研究弯道、沙洲作用下“四大家鱼”鱼卵的运动规律及其影响机理。研究成果将填补国内这方面研究的空白，为“四大家鱼”早期资源量的科学估算与野外调查的采样设计提供理论指导，同时也为其他产漂浮性卵鱼类的早期资源量估算和保护工作提供参考依据。

鱼卵运动研究是了解自然河流中鱼卵漂流散布规律的力学基础。本项目应用室内水槽试验、野外试验、理论推导和数值模拟等多种手段，系统开展了鱼卵运动主要影响因素定性分析、顺直河道鱼卵运动特性、弯曲河道鱼卵运动特性、沙洲河道鱼卵运动特性、基于理论推导的鱼卵运动影响因素作用机理、基于环境水力学的产漂流性卵鱼类早期资源估算方法改进等方面研究。研究结果表明：影响鱼卵运动的主要影响因素包括鱼卵物理生物属性、地形因素和水动力因素；在顺直河道中，鱼卵纵向速度随水流纵向速度线性增大，鱼卵运动轨迹在小流速情况下近似线性下降，且轨迹斜率随流速增大而趋缓，在大流速情况下，鱼卵轨迹受水流紊动效应影响转变为伴随着个别鱼卵猝发跃移的波浪翻滚式下沉；在弯曲河道中，鱼卵垂向浓度受弯道影响失去单调变化趋势，先随水深增大而增大，在水体中上层某位置达到峰值，而后随水深增大而减小，弯道还将引起鱼卵横向浓度分布不均，使鱼卵沉底率显著下降；在天然沙洲河道中，鱼卵密度在河道横向上分布上受弯道、沙洲地形影响显著，鱼卵漂流过程中更易搁浅沉降于沙洲浅滩位置；理论推导结果表明，直线恒定均匀流条件下，鱼卵运动的主要影响因素为水流速度、鱼卵比重、鱼卵粒径和鱼卵初始速度，水流纵向速度主要影响鱼卵纵向速度（漂流速度）；鱼卵比重和粒径主要影响鱼卵的垂向速度（沉速），鱼卵初始速度对鱼卵纵向速度和垂向速度的影响仅在初始极为短暂的时间内；提出基于环境水力学的产漂流性卵鱼类早期资源量估算方法，与传统方法的估算结果对比表明，中心产卵从产卵点到下游约80km范围内的断面，鱼卵密度呈钟形分布，由传统方法估算得到的早期资源量低于真实值，近岸产卵从产卵点到下游约200km范围内的断面，鱼卵密度随距离增加呈指数趋势下降，由传统方法估算得到的资源量高于真实值。研究成果对鱼类早期资源估算、产卵场位置推算和鱼类栖息地修复等具有重要意义。