竖缝式鱼道内鱼类洄游上溯轨迹模拟研究

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竖缝式鱼道作为供鱼类洄游的人工通道,对于整个河流生态系统具有重要作用。目前竖缝式鱼道研究多侧重于水力学方面的计算,忽略了鱼类自身的游泳特性及各项运动能力指标,因而据此设计的竖缝式鱼道仍有进一步的优化空间。为改善竖缝式鱼道的过鱼效率,本文拟以草鱼为研究对象,通过室内试验与数值计算的方法,全面详细阐述了构建鱼类上溯运动模型的全过程,并得到如下结论:(1)借助高精密可变坡水槽开展相关放鱼试验,鱼类上溯成功率达到一半以上,表明本次试验的竖缝式鱼道结构尺寸设计较为合理,该竖缝式鱼道模型的内部流态基本能满足试验鱼种的上溯需求。(2)竖缝式鱼道水流流经各竖缝处流速增大,其流速范围约在1.01.2m·s-1,经竖缝后向池室扩散,流速逐渐减小,由于长挡板的阻挡作用,主流流线发生改变,形成类似“S”型的主流带,其流速特征分布较为明显。在主流区两侧近边壁处分别形成大小位置不对称的两个回流区,为鱼类上溯行为提供了有利的休息空间;由于主流区水流波动较大,速度梯度变化明显,导致主流区紊动能普遍高于回流区紊动能;雷诺剪切应力的分布特征与紊动能分布呈现一致性。(3)草鱼上溯过程中对流速的偏好值范围为0.10.2 m·s-1;洄游过程中其对紊动能的偏好值范围为0.020.03 m2·s-2;草鱼会优先考虑紊动强度为0.1250.175的区域进行上溯,过高或过低的紊动均不利于草鱼的上溯运动行为;对于雷诺剪切应力而言,草鱼均优先选择00.01 N·m-2的区域进行上溯,随着雷诺剪切应力的增大,草鱼对其选择占比也逐渐减小;多数草鱼洄游路径上20%60%的紊动耗散率处于00.05 m2·s-3的范围内;草鱼对应变率值约为10 s-1的区域选择性最高。此外,各水力学因子对鱼类的影响程度顺序为:紊动强度>紊动能>水平雷诺剪切应力>流速>紊动耗散率>其他方向雷诺剪切应力>应变率。(4)借助于各水力学因子的偏好阈值和权重值初步计算鱼类的上溯方向;建立鱼类游泳速度与流速的函数关系,为模型嵌入动态运动速度,通过游泳速度对时间的积分获取鱼类在?t时间段内的上溯距离。建立了竖缝式鱼道内个体鱼洄游运动模型,并运用该模型对实测鱼的运动轨迹进行模拟与预测,证实鱼类上溯模型的准确定和普适性。
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