魚類壩下集群效應(yīng)對(duì)水力學(xué)條件的響應(yīng)規(guī)律研究

李 芳，安瑞冬，馬衛(wèi)忠，趙再興，林寧亞

(1. 四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065；2. 中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng) 550081)

0 前 言

水利水電工程破壞了河流的連通性，過(guò)魚設(shè)施作為恢復(fù)河流連通性的重要手段，通過(guò)幫助魚類過(guò)壩促進(jìn)魚類的遷移交流行為。集群行為在動(dòng)物界中普遍存在，且是魚類的重要行為之一。魚類因群居習(xí)性等原因，在產(chǎn)卵、索餌和洄游時(shí)將形成群體進(jìn)行有序而同一的運(yùn)動(dòng)，這種群體性行為被定義為集群效應(yīng)。魚類的集群行為表現(xiàn)在魚群中的個(gè)體具有相近的游泳速度和相同的方向，時(shí)刻調(diào)整自己的速度和方向并保持相對(duì)穩(wěn)定的空間距離，是有固定空間分布規(guī)律的同種魚類的集合[1]。魚類個(gè)體的行為運(yùn)動(dòng)較簡(jiǎn)單，而群體行為則比較復(fù)雜。水流會(huì)對(duì)魚類洄游行為產(chǎn)生最原始和最有效的影響，在魚類的整個(gè)生命史中都需要某種特定的水動(dòng)力學(xué)條件，這是魚類對(duì)外部環(huán)境變化的長(zhǎng)期適應(yīng)結(jié)果，此外水力學(xué)特性也對(duì)魚類的行為規(guī)律(產(chǎn)卵、棲息和洄游等)有著密切的響應(yīng)關(guān)系。

國(guó)內(nèi)外對(duì)魚類集群的機(jī)制以及所魚類集群效應(yīng)對(duì)水力學(xué)因子的響應(yīng)規(guī)律做了大量研究工作。Yael Katz等分析了兩尾金槍魚一組和三尾一組的運(yùn)動(dòng)軌跡，發(fā)現(xiàn)流速是影響魚類運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要指標(biāo)，以兩尾為一組的金槍魚個(gè)體能定性捕捉到空間結(jié)構(gòu)的分布并且能感知到另一個(gè)體從而表現(xiàn)出相似性，而三尾一組的金槍魚個(gè)體大多復(fù)制其鄰近魚類的運(yùn)動(dòng)模式表現(xiàn)出集群性，此時(shí)個(gè)體間的交互作用顯得尤為重要[2]。L.R.Newbold等分析了魚類在不同粗糙度邊墻水槽中的運(yùn)動(dòng)模式,發(fā)現(xiàn)紊動(dòng)能會(huì)限制魚類選擇偏好的低流速區(qū)域，提出在評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)生態(tài)型魚道時(shí)，魚類運(yùn)動(dòng)行為對(duì)水力學(xué)特性的響應(yīng)特點(diǎn)是一個(gè)重要的考慮因素[3]。Michael T等觀察記錄魚類在設(shè)置有障礙物的紊流模擬裝置中的運(yùn)動(dòng)路徑，并利用視頻圖像資料和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量定量分析魚類路徑選擇與紊流、流速的關(guān)系，得出魚類偏好于選擇紊動(dòng)能值變化穩(wěn)定的區(qū)域上溯，紊動(dòng)能值高或低不是主要影響因素，在進(jìn)行魚道設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意將紊動(dòng)、流速等因子結(jié)合考慮，而不是只注重單一的水力學(xué)條件[4]。David L. Smith等提出即使是在紊動(dòng)能相等的不同區(qū)域，魚類的反應(yīng)也可能不是一樣的，并強(qiáng)調(diào)不要從研究者的視角量化棲息地的水力學(xué)特征進(jìn)行分析，而是要從魚類本體的視角出發(fā)，即用相對(duì)紊動(dòng)取代之前的絕對(duì)紊動(dòng)數(shù)值定義魚類對(duì)不同紊動(dòng)強(qiáng)度的響應(yīng)程度[5]。J. M. NESTLER, R. A. GOODWIN等提出用“總水力應(yīng)變”假設(shè)(SVP)分析魚類運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和軌跡，該變量由水流流速、流速梯度和紊動(dòng)能組成，并通過(guò)分析魚類對(duì)單個(gè)指標(biāo)的響應(yīng)情況驗(yàn)證了SVP假設(shè)的合理性[6]。Jernimo Puertas等設(shè)計(jì)了一種計(jì)算軟件利用流速指標(biāo)不僅可以評(píng)價(jià)現(xiàn)存魚道的過(guò)魚合理性，還可以在魚道的設(shè)計(jì)階段評(píng)價(jià)不同方案的優(yōu)劣性并選出最合適目標(biāo)魚類上溯的設(shè)計(jì)方案[7]。

付世建，聶利娟等在(25±0.5)℃條件下對(duì)不同數(shù)量青幼魚組成的群體進(jìn)行了視頻拍攝和軌跡分析，研究了群體大小對(duì)青幼魚群體特征的影響，結(jié)果表明青幼魚具有典型的集群行為[8]。譚均軍，高柱等描述了鳙魚和草魚在豎縫式魚道中的運(yùn)動(dòng)軌跡與水力偏好，定量分析了其與水力學(xué)特征因子的相關(guān)關(guān)系，得到了兩種魚類喜好的紊動(dòng)能、流速等因子的適宜范圍[9]。劉穩(wěn)，諸葛亦斯等以鯽魚為研究對(duì)象，對(duì)流速、流速梯度和動(dòng)能梯度3個(gè)水動(dòng)力學(xué)特征量進(jìn)行量化分析， 通過(guò)分析相對(duì)體長(zhǎng)日增長(zhǎng)率得到了魚類生長(zhǎng)與水動(dòng)力學(xué)特征量的相關(guān)關(guān)系[10]。齊亮, 楊宇等將魚類生理學(xué)與魚類行為學(xué)2個(gè)學(xué)科結(jié)合，并通過(guò)對(duì)魚類學(xué)領(lǐng)域和水力學(xué)領(lǐng)域的魚類行為試驗(yàn)的總結(jié)分析, 得出采用SVP假設(shè)(總水力應(yīng)變)的方法可以量化水動(dòng)力特征指標(biāo)并為魚類感覺(jué)閾值與水流的空間分布試驗(yàn)提供支持[11]。鄭鐵剛，孫雙科等以魚類行為學(xué)與水力學(xué)為基礎(chǔ)，對(duì)某電站下游流場(chǎng)進(jìn)行三維精細(xì)模擬，并結(jié)合魚類游泳能力和生活習(xí)性創(chuàng)新性地提出了布置魚道進(jìn)口的優(yōu)選區(qū)域和禁選區(qū)域的新思路[12]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)魚類集群的研究主要集中在幾種行為學(xué)模式動(dòng)物上，對(duì)青、草、鰱、鳙四大家魚的研究較少。在現(xiàn)有的研究和設(shè)計(jì)中，研究者大多只用流速指標(biāo)來(lái)表征水流條件對(duì)魚類洄游和集群行為的影響，并沒(méi)有深入地挖掘水流速度和魚類洄游及集群行為之間的響應(yīng)關(guān)系，也忽略了其他水力學(xué)特性因子(如漩渦、紊動(dòng)能和水深等)對(duì)魚類洄游和集群行為的多因素作用結(jié)果。且由于缺乏現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，大多數(shù)研究?jī)H從理論角度分析，不能反映實(shí)際中魚類在天然水流中的行為運(yùn)動(dòng)模式，因此過(guò)魚設(shè)施的水流條件并不能滿足特定目標(biāo)魚類的生理生態(tài)行為需求，影響過(guò)魚設(shè)施的有效實(shí)施和運(yùn)行。本文結(jié)合永慶壩下樞紐下游數(shù)值模擬結(jié)果，采用ARIS Explorer觀測(cè)器探測(cè)永慶壩下四大家魚集群分布規(guī)律，得到現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)對(duì)典型目標(biāo)魚類的集群行為特征，解析出其對(duì)壩下流域水力學(xué)特性的響應(yīng)規(guī)律，得到壩下魚類集群效應(yīng)與水流水力學(xué)特性相關(guān)關(guān)系，確定適合四大家魚集群效應(yīng)的水力學(xué)特性。

1 過(guò)魚設(shè)施

從魚類保護(hù)要求出發(fā)，并根據(jù)過(guò)魚對(duì)象為重要經(jīng)濟(jì)魚類、重點(diǎn)保護(hù)魚類與攔河工程壩址上下游均有分布三個(gè)選取原則，本工程的主要過(guò)魚對(duì)象為草魚、青魚、鰱、鳙、鳊、銀鲴、細(xì)鱗鲴、翹嘴鲌、蒙古鲌等，過(guò)魚季節(jié)為5-8月份。

永慶反調(diào)節(jié)水庫(kù)是豐滿三期擴(kuò)建工程的一部分，壩址距上游豐滿發(fā)電廠約10.30 km，上游水位與豐滿發(fā)電廠尾水相銜接，豐滿發(fā)電廠位于吉林市東南24.00 km的第二松花江上。由于永慶反調(diào)節(jié)水庫(kù)修建永久性攔河大壩，需配套建設(shè)魚道，以減緩水電工程對(duì)水生生態(tài)(尤其是魚類)的不利影響。

永慶水壩屬于低水頭水壩，永慶魚道工程布置于樞紐的左岸，仿自然通道具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是一種友好型魚道，有很好的過(guò)魚效果，故采用交錯(cuò)石塊式仿自然通道布置型式。

2 數(shù)值模擬

2.1 控制方程

本文采用Flow3D流體計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，F(xiàn)low3D將連續(xù)性方程和不可壓縮黏性流體運(yùn)動(dòng)的Navier-Stokes方程作為控制方程。對(duì)于實(shí)際的水利水電工程問(wèn)題，我們往往不需要了解流場(chǎng)在任何時(shí)刻的全部細(xì)節(jié)，更關(guān)注紊流引起的平均流場(chǎng)變化，而k-ε模型已被證實(shí)有較好的模擬效果，故紊流模型選取在工程中應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型，并采用VOF方法追蹤自由液面運(yùn)動(dòng)。

水動(dòng)力學(xué)方程組由連續(xù)方程、動(dòng)量方程組成，三維湍流數(shù)值計(jì)算模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(5)

k方程：

(6)

ε方程：

(7)

(8)

(9)

(10)

標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程：

(11)

式中：ui、uj為各方向速度分量，m/s；xi、xj為各方向坐標(biāo)分量；p為壓強(qiáng)，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；VF為網(wǎng)格內(nèi)可供流體流動(dòng)區(qū)域的體積分?jǐn)?shù)；Ai、Aj為流體通過(guò)各個(gè)方向?qū)?yīng)的面積分?jǐn)?shù)；Gi表示體積力加速度，m/s2；fi表示黏滯力加速度，m/s2；μ為動(dòng)力黏度，kg/(m·s)；νt為紊動(dòng)黏度，m2/s；k為紊動(dòng)能，m2/s2；Cu取值0.09；ε為紊動(dòng)能耗散率，m2/s2；Diffk為紊動(dòng)能擴(kuò)散項(xiàng)；Diffε為紊動(dòng)能耗散率擴(kuò)散項(xiàng)；PT為由平均速度梯度引起的紊動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)。

本研究采用VOF方法追蹤水流自由表面運(yùn)動(dòng)，該過(guò)程是通過(guò)求解水氣兩相的體積分?jǐn)?shù)連續(xù)方程來(lái)完成，該方程如下：

(12)

式中：F代表一個(gè)水氣體積比函數(shù)，F(xiàn)=1表示計(jì)算網(wǎng)格中充滿水體，F(xiàn)=0表示計(jì)算網(wǎng)格中充滿氣體，函數(shù)F的值可以體現(xiàn)流體自由液面的狀態(tài)和位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)自由液面的追蹤。

2.2 工況設(shè)置

本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)時(shí)所處的運(yùn)行工況確定模擬工況的水力參數(shù)，觀測(cè)時(shí)間為2015年5月，選取永慶壩下關(guān)鍵位置進(jìn)行觀測(cè)，由運(yùn)行資料及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，模擬工況的上游水位為192.20 m，下游水位為189.80 m，右岸1、6、7號(hào)閘門全開，下泄流量為561 m3/s。

2.3 計(jì)算區(qū)域

本研究的計(jì)算區(qū)域?yàn)椋篨方向?yàn)閴屋S線上游170.00 m到壩軸線下游530.00 m處，X方向?yàn)榕c壩軸線垂直方向，Y方向?qū)挾葹?50.00 m，Y方向?yàn)榕c壩軸線平行方向，Z方向最低處高程為183.00 m，Z方向最高處為高堰堰頂高程194.00 m，計(jì)算區(qū)域如圖1所示。

模擬工況自由表面的邊界條件設(shè)定為壓力邊界條件，水流入口為壩軸線上游170.00 m處，采用流量邊界條件，給定入口斷面流量Q為561 m3/s與入口斷面的水面高程為192.20 m。出口為壩軸線下游530.00 m處，采用壓力邊界條件，給定出口斷面的水面高程為189.80 m及水面壓力(大氣壓力)。壁面采用無(wú)滑移壁面條件，參考實(shí)際工程的河道資料，給定壁面糙率為0.03。

圖1 壩體周圍計(jì)算區(qū)域(藍(lán)色箭頭為水流方向)Fig.1 Calculation area around the dam(The blue arrow is the direction of the water flow)

2.4 網(wǎng)格劃分

考慮到結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的優(yōu)越性，本次研究采用正六面體的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并采用漸變網(wǎng)格處理，對(duì)右岸泄水閘附近進(jìn)行局部加密。模擬工況的網(wǎng)格劃分一致，X方向最小網(wǎng)格尺寸為0.50 m，最大網(wǎng)格尺寸為3.80 m，Y方向最小網(wǎng)格尺寸為1.00 m，最大網(wǎng)格尺寸為2.60 m，Z方向網(wǎng)格尺寸為0.50 m，計(jì)算區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格數(shù)量約為360萬(wàn)，整體計(jì)算網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 整體計(jì)算網(wǎng)格劃分Fig.2 Overall computing grid division

2.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，本文對(duì)模擬工況進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)，并提取數(shù)值模擬結(jié)果與相應(yīng)下游流場(chǎng)測(cè)試結(jié)果作對(duì)比分析。樞紐整體模型按重力相似準(zhǔn)則來(lái)設(shè)計(jì)，長(zhǎng)度比尺為1∶60。魚道樞紐模型的具體布置如下：右岸泄洪建筑物由8孔可調(diào)節(jié)流量帶閘門的低堰壩段組成，左岸由3孔高堰自由溢流壩組成。本次試驗(yàn)擋水建筑物及河道地形采用水泥，泄水建筑物閘孔采用有機(jī)玻璃，消力池?fù)鯄Σ捎媚静?。流速用聲學(xué)多普勒流速儀(Acoustic-Doppler Velocimeter)測(cè)量，它能直接測(cè)量三維流速，且測(cè)量精度高。表1記錄了壩下滾水壩后流場(chǎng)數(shù)值模擬的計(jì)算工況與主要計(jì)算結(jié)果，左右岸局部模型布置如圖3所示，壩下流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示，且水位左岸壩下與右岸泄水閘下游流場(chǎng)均吻合良好。

表1 壩下流場(chǎng)計(jì)算工況與數(shù)值模擬主要結(jié)果Tab.1 Calculation results of flow field under dam and main results of numerical simulation

圖3 左右岸局部模型實(shí)驗(yàn)情況Fig.3 Left and right bank local model experiment

圖4 壩下流場(chǎng)數(shù)值模擬情況Fig.4 Numerical simulation of dam flow field

對(duì)壩下典型斷面1(X=96 m)和斷面2(X=198 m)實(shí)測(cè)與計(jì)算流速對(duì)比情況，斷面1與斷面2流速大小相對(duì)誤差總范圍為1.1%～20%，流速平均絕對(duì)誤差為0.088 m/s,平均相對(duì)誤差為4%，最大相對(duì)誤差16%出現(xiàn)在X=198 m、Y=295 m處，原因是利用ADV測(cè)量有一定誤差且流速大小基數(shù)較小會(huì)擴(kuò)大相對(duì)誤差，角度大小相對(duì)誤差總范圍為0.5%～20%，角度平均絕對(duì)誤差為2.08°,平均相對(duì)誤差為13%，最大相對(duì)誤差18%出現(xiàn)在X=198 m、Y=325 m處。結(jié)果表明，斷面1與斷面2流速大小計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值吻合較好。故本文采用的數(shù)值模型具有一定的合理性，能夠滿足研究需求。

圖5 斷面1與斷面2流速矢量誤差比較Fig.5 Comparison of flow velocity vector errors for section 1 and section 2

3 壩下魚類集群效應(yīng)觀測(cè)

表征魚類游泳能力的指標(biāo)主要有兩類，一是趨流特性，二是克流能力。由于右岸閘門開啟后存在擋水墻，觀測(cè)區(qū)域水流流速較小，因此本研究主要探討魚類的趨流特性。魚類的趨流特性一般以感應(yīng)流速為指標(biāo)，四大家魚的平均感應(yīng)游速下限值處于0.06～0.12 m/s之間。

本研究借助相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的永慶反調(diào)節(jié)水庫(kù)左岸壩下魚類分布規(guī)律探測(cè)數(shù)據(jù)，分析魚類集群規(guī)律，并分別探究其與水流流速、水深及紊動(dòng)能的相關(guān)關(guān)系。

3.1 觀測(cè)區(qū)域網(wǎng)格劃分

本研究使用雙頻識(shí)別聲吶ARIS Explorer作為觀測(cè)儀器，ARIS Explorer 1800 Case是一種利用超聲波獲得高分辨率、大范圍的清晰圖像設(shè)備，能夠在較混濁的水體中獲得較好圖像效果的聲成像系統(tǒng)。ARIS使用一個(gè)12波束組發(fā)射、接收信號(hào)，依次生成連續(xù)的圖像或圖幅。當(dāng)使用低頻率1.1 Mhz模式時(shí)，探測(cè)目標(biāo)范圍為30 m, 圖像分辨率為8～70 mm，使用高頻率1.8 MHz時(shí)，探測(cè)目標(biāo)范圍為12 m，圖像分辨率為2.2～17.6 mm。本研究使用高頻率模式探測(cè)魚類數(shù)量，觀測(cè)半徑為12 m，為便于劃分網(wǎng)格，將網(wǎng)格寬度定為10 m，網(wǎng)格長(zhǎng)度為15 m，共劃分20×12(縱向×橫向)為240個(gè)網(wǎng)格。將每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)劃分到一個(gè)網(wǎng)格里，將網(wǎng)格中心點(diǎn)作為概化后的魚群數(shù)量觀測(cè)點(diǎn)，并按照?qǐng)D中給出的順序，給每一個(gè)網(wǎng)格編號(hào)(如圖6中標(biāo)注(3，3))。

利用壩下數(shù)值模擬結(jié)果，分別找出每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)所處網(wǎng)格四個(gè)角點(diǎn)的流速、水深和紊動(dòng)能值，并將每個(gè)變量求取平均值作為此網(wǎng)格流速、水深和紊動(dòng)能值。以下分別討論魚群數(shù)量與此三個(gè)水力學(xué)特征量的相關(guān)關(guān)系。

圖6 觀測(cè)區(qū)域網(wǎng)格劃分圖Fig.6 Map of observation area grid

3.2 魚類數(shù)量與流速的關(guān)系

流速是魚類在自然河流中重要的生境因子。圖7研究表明，魚體數(shù)量在0～0.25 m/s流速范圍內(nèi)與流速線性相關(guān)關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為0.81。當(dāng)流速處于0～0.05 m/s之間時(shí)，魚體數(shù)量無(wú)明顯變化，其與流速?zèng)]有明顯相關(guān)性。當(dāng)流速處于0.12～0.25 m/s之間時(shí)，魚體數(shù)量隨流速增加呈線性變化，且10個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的流速處于0.60～0.20 m/s之間，其中8個(gè)點(diǎn)位的魚體數(shù)量超過(guò)了100尾，此時(shí)的流速范圍能吸引魚類聚集，說(shuō)明0.12～0.25 m/s的流速為集群適宜流速。魚體數(shù)量的最大值出現(xiàn)在流速為0.22 m/s處，但觀察整體曲線發(fā)現(xiàn)有繼續(xù)增大的趨勢(shì)，說(shuō)明極有可能在流速大于0.25 m/s的地方聚集的魚類數(shù)量更大，體現(xiàn)出魚類的喜好流速范圍既受感應(yīng)游速的影響，也與其突進(jìn)游泳速度和臨界游泳速度有關(guān)。

圖7 魚類數(shù)量與流速關(guān)系圖Fig.7 Relationship between fish quantity and flow velocity

3.3 魚類數(shù)量與水深的關(guān)系

圖8分析了魚體數(shù)量隨著水深變化的關(guān)系，其在一定范圍內(nèi)呈線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.78。研究表明，水深處于0～1.8 m之間時(shí)，魚體數(shù)量無(wú)明顯變化。當(dāng)水深值處于2.7～3.8 m之間時(shí)，魚體數(shù)量隨水深值增加有較大幅度上升，并呈線性相關(guān)關(guān)系，魚體數(shù)量最大值出現(xiàn)在水深為3.8 m處，說(shuō)明魚類更傾向于聚集在水深大于等于2.7 m的水域，即四大家魚集群適宜水深范圍為2.7～3.8 m。

圖8 魚類數(shù)量與水深關(guān)系圖Fig.8 Relationship between fish quantity and depth

3.4 魚類數(shù)量與紊動(dòng)能的關(guān)系

圖9為魚體數(shù)量與紊動(dòng)能關(guān)系，魚體數(shù)量隨紊動(dòng)能增加先上升后下降。研究表明，當(dāng)紊動(dòng)能值處于0～0.001 2 kg·m2/s2之間時(shí)，魚體數(shù)量與紊動(dòng)能有明顯的線性相關(guān)關(guān)系，且隨著紊動(dòng)能的增大數(shù)量顯著上升。其中，紊動(dòng)能值處于0.000 6～0.001 5 kg·m2/s2時(shí)，對(duì)應(yīng)的魚體數(shù)量均超過(guò)100尾，此范圍是魚類集群的紊動(dòng)能適宜范圍。當(dāng)紊動(dòng)能值處于0.001 5～0.004 0 kg·m2/s2之間時(shí)，魚體數(shù)量隨紊動(dòng)能的增加而減少。當(dāng)紊動(dòng)能過(guò)大時(shí)，魚類會(huì)耗費(fèi)更大的能量保持自身的運(yùn)動(dòng)和在魚群中的相對(duì)位置[38]，此外，紊動(dòng)能過(guò)大還會(huì)對(duì)魚類的身體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損害，故魚類傾向于選擇避開此區(qū)域。魚類通過(guò)此類區(qū)域時(shí)會(huì)因由紊動(dòng)能過(guò)大而導(dǎo)致的復(fù)雜流態(tài)難以給出及時(shí)的判斷能力，因此會(huì)迷失自身的方向。

圖9 魚類數(shù)量與紊動(dòng)能關(guān)系圖Fig.9 Relationship between fish quantity and turbulent energy

4 結(jié)論與展望

第二松花江魚類資源豐富，本研究主要過(guò)魚對(duì)象為青魚、草魚、鰱魚、鳙魚四大家魚，并兼顧其他過(guò)魚對(duì)象。永慶反調(diào)節(jié)水庫(kù)修建永久性攔河大壩，使得魚類生境逐漸破碎化。為滿足四大家魚過(guò)魚需求，修建永慶水壩左岸仿自然通道魚道工程，作為恢復(fù)河流連通性的重要過(guò)魚設(shè)施。

本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型和VOF方法對(duì)永慶反調(diào)節(jié)水庫(kù)壩軸線下游530 m與壩軸線垂直方向 450 m內(nèi)流域進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，并采用物理模型試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，表明數(shù)值模型可以滿足研究要求。本文使用ARIS Explorer作為觀測(cè)儀器探測(cè)觀測(cè)點(diǎn)位的魚類集群數(shù)量，根據(jù)左岸壩下魚類分布規(guī)律探測(cè)數(shù)據(jù)，分析魚類壩下集群效應(yīng)，并分別探究了其對(duì)水流流速、水深及紊動(dòng)能的響應(yīng)規(guī)律，結(jié)論如下：

當(dāng)流速處于0.12～0.25 m/s之間時(shí)，二者呈正線性變化，且為四大家魚魚類集群的適宜流速范圍；當(dāng)水深值處于2.7～3.8 m之間時(shí)，二者呈正線性相關(guān)關(guān)系，其適宜水深下限值為2.7 m；當(dāng)紊動(dòng)能值處于0.000 6～0.001 5 kg·m2/s2之間時(shí)，魚體數(shù)量與紊動(dòng)能呈正線性相關(guān)，當(dāng)紊動(dòng)能值處于0.001 5～0.004 0 kg·m2/s2之間時(shí)，二者呈負(fù)線性相關(guān)，故0.000 6～0.001 5 kg·m2/s2是其紊動(dòng)能適宜范圍。

由于擋水墻阻隔了壩體與泄水閘門，觀測(cè)區(qū)域無(wú)劇烈水流流動(dòng)，水力學(xué)特性較平穩(wěn)，魚類在此條件下 表現(xiàn)出的趨流特性與在較復(fù)雜條件下表現(xiàn)的克流特性有所差別，故應(yīng)在泄水閘下游布置更詳細(xì)的觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，以期進(jìn)一步分析。而且探測(cè)魚類數(shù)量時(shí)并未辨別其類別與數(shù)量，故每種魚類的適宜水力學(xué)特征范圍又有所不同，為量化處理每種魚類的適宜水力學(xué)特性，仍需進(jìn)一步探究。

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