魚巢砌塊水力特性的研究現(xiàn)狀與意義

葉昆河，韓 雷，王正君，蘇國青，狄高健，劉中坤

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2. 黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

通過調(diào)研國內(nèi)外現(xiàn)有魚巢砌塊產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式和功能特點(diǎn)，可認(rèn)為魚巢砌塊是一種具備空腔結(jié)構(gòu)、近水壁面有開孔、能通過砌塊間組合連接構(gòu)造出人工魚巢、為魚類或其他水生生物提供適宜棲息和生存空間的預(yù)制混凝土構(gòu)件[1]。魚巢砌塊作為一種新型生態(tài)護(hù)岸構(gòu)件越來越受到人們的關(guān)注，其設(shè)計(jì)有孔洞和巢穴，又有適宜附著基質(zhì)，還適于產(chǎn)粘、沉性卵魚類的產(chǎn)卵和孵化，創(chuàng)造了接近自然的棲息繁衍條件[2]。

1 魚巢砌塊生態(tài)護(hù)岸構(gòu)件概述

1.1 研究背景

隨著近代混凝土施工技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)河道護(hù)岸工程為了保證河道防洪安全一般會(huì)使用現(xiàn)澆混凝土或砌石等硬質(zhì)材料。傳統(tǒng)河道護(hù)岸工程雖然具備其防洪、排澇、岸坡穩(wěn)定及防治水土流失等基本功能，但是“三面光”的河道同時(shí)也產(chǎn)生了一些負(fù)面影響，例如阻礙了陸地與水域環(huán)境的連通性，使河流棲息地的生境多樣性受到破壞，從而破壞生物群落的多樣性，最終影響河流生態(tài)系統(tǒng)的健康。此外，隨著人們不斷加強(qiáng)和提高生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識，傳統(tǒng)硬質(zhì)護(hù)岸工程已無法滿足社會(huì)需求。

近年來，為了維持河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和保護(hù)物種多樣性，利用植物或者植物與工程手段相結(jié)合的生態(tài)護(hù)岸技術(shù)雖然快速發(fā)展，在河道防洪、排澇、岸坡穩(wěn)定、防治水土流失、綠化、景觀、親水以及增強(qiáng)河道自凈能力等方面上取得較好效果，但是其大多側(cè)重于植被和景觀效果，而很少考慮水生動(dòng)物棲息和繁衍的需求[3]。故魚巢砌塊作為一種兼顧岸坡防護(hù)、生態(tài)景觀與水生生物保護(hù)的新型生態(tài)護(hù)岸構(gòu)件越來越受到人們的關(guān)注。

魚巢砌塊生態(tài)護(hù)岸構(gòu)件對于推動(dòng)我國生態(tài)護(hù)岸工程建設(shè)、維持河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和保護(hù)物種多樣性等方面都具有極其重要的社會(huì)意義和生態(tài)價(jià)值。

1.2 研究現(xiàn)狀

日本經(jīng)歷1973年石油危機(jī)之后，其經(jīng)濟(jì)迎來了快速發(fā)展階段，但隨之而來的是嚴(yán)重的河川污染問題，因此人們?yōu)榻鉀Q河川污染問題開始提出各種河流生態(tài)修復(fù)方案。1977年日本研發(fā)“魚巢砌塊”這種新型生態(tài)護(hù)岸構(gòu)件，即空心混凝土砌塊。魚巢砌塊既可作為魚類等水生生物的棲息地，又可在洪水期間防止魚類等水生生物被沖走[4]。20世紀(jì)80年代，日本開始興起了“實(shí)施有助于河川環(huán)境保護(hù)和創(chuàng)造的河川工程”，于是魚巢砌塊廣泛應(yīng)用于日本河流生態(tài)化整治工程中。20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初，日本逐漸從魚巢砌塊的基礎(chǔ)應(yīng)用轉(zhuǎn)向其相關(guān)理論的研究，其中包含砌塊材料對魚類行為的影響、魚巢砌塊的聚魚效果和魚類保護(hù)效果、不同魚類喜愛的砌塊型式等理論研究內(nèi)容[5-8]。

目前在國外，日本和韓國對魚巢砌塊的研究和應(yīng)用比較深入和成熟。歐美國家雖然非常重視生態(tài)護(hù)岸技術(shù)且進(jìn)行了大量研究，但是其大多側(cè)重于利用植物或者植物與工程手段相結(jié)合的生態(tài)護(hù)岸技術(shù)，故歐美國家在為魚類等水生生物提供棲息及繁衍的生存環(huán)境、河道洪水期間保護(hù)魚類等水生生物等方面尚未提出具有代表性的研究成果[1]。雖然國內(nèi)學(xué)者對魚巢砌塊的研究起步比較晚，從21世紀(jì)初才開始研究魚巢砌塊，但是在短時(shí)間內(nèi)涌現(xiàn)出一大批產(chǎn)品和專利。

2 魚巢砌塊水力特性的研究現(xiàn)狀

2.1 國外相關(guān)研究現(xiàn)狀

盡管日韓兩國對魚巢砌塊做了大量研究，但是對魚巢砌塊水力特性的研究卻很少。2000年，牧平朋大[9]通過室內(nèi)水力學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究了魚巢砌塊內(nèi)部的大致流程及開口處的物質(zhì)交換機(jī)制。2001年，山本貴則[10]進(jìn)行了水力學(xué)實(shí)驗(yàn)，測量了魚巢砌塊開口周圍的流速變化和水面變化，并研究了魚巢砌塊開口處剪切層的紊流結(jié)構(gòu)及魚巢砌塊內(nèi)部的水面變化。2002年，中島央晶[11]通過將弗勞德數(shù)作為參數(shù)進(jìn)行流速變化的時(shí)間序列測量，從而驗(yàn)證了在河流和魚巢砌塊的交界處形成的紊流剪切層中發(fā)生旋渦的特性。2003年，黒川昇平[12]以明渠平面二維流的基礎(chǔ)式為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，通過分析3種不同開口部形狀的魚巢砌塊數(shù)值模擬結(jié)果研究魚巢砌塊的水力特性。2006年，黒川昇平[13]基于明渠二維流的基礎(chǔ)式進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，以魚巢砌塊的流場為對象，研究了魚巢砌塊開口部以內(nèi)的水面振動(dòng)特性、流速變動(dòng)特性以及河道主流、魚巢砌塊區(qū)域間的流體交換特性。

2.2 國內(nèi)相關(guān)研究現(xiàn)狀

雖然國內(nèi)短時(shí)間內(nèi)涌現(xiàn)出一大批產(chǎn)品和專利，但是目前國內(nèi)學(xué)者對魚巢砌塊水力特性方面的相關(guān)理論研究極少。2002年，華清青生態(tài)環(huán)保科技(北京)公司發(fā)明了既可固定植物根系又具有魚類生存功能的多孔混凝土砌塊，并明確指出魚巢砌塊是為魚類提供生存空間的[14]。這是國產(chǎn)魚巢砌塊的首次亮相，對之后國內(nèi)魚巢砌塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、迭代優(yōu)化和理論研究等方面均產(chǎn)生了非常重要的影響。2006年，陳興茹[15]通過物理模型試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型計(jì)算相結(jié)合的方式，探討不同工況下魚巢砌塊內(nèi)部的流場和流態(tài)，并提出了可以保護(hù)魚類的魚巢砌塊體型。2007年，王興勇、郭軍、劉樹坤等[16]以生態(tài)型魚巢砌塊的水力特性為研究對象，根據(jù)幾種常見魚類的水流習(xí)性提出了魚巢砌塊的基本結(jié)構(gòu)尺寸，并通過物理模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算分析了魚巢砌塊的三種連接形式在不同主槽流速下的流場分布以及它們各自不同的適用性。2007年，劉盈斐[17]通過物理實(shí)驗(yàn)就魚類對孔隙的選擇特點(diǎn)進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)和論證了新型多孔棲息單元式生態(tài)護(hù)岸(魚巢砌塊)，最后驗(yàn)證了基于River2D軟件的護(hù)岸生態(tài)效果實(shí)例和基于嵌入式魚類數(shù)量變化模型的護(hù)岸生態(tài)效果實(shí)例。2012年，陳玉芳、薛志良、劉亦鋒[18]分析了孔隙生態(tài)護(hù)岸的功能之后，根據(jù)生態(tài)護(hù)岸孔隙特點(diǎn)與集魚效果原理設(shè)計(jì)了一種新型多孔隙單元式生態(tài)護(hù)岸塊體(魚巢砌塊)，并且將其應(yīng)用于實(shí)際工程中。2016年，韓莉娟[19]通過試驗(yàn)得出魚類對孔隙的各種要求，然后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)出新型多孔隙生態(tài)護(hù)岸塊體體型(魚巢砌塊)，最后使用River2D軟件對應(yīng)用新型多孔隙生態(tài)護(hù)岸塊體(魚巢砌塊)前后的流速、WUA值進(jìn)行對比分析。2017年，邢浩翰、周林飛、張靜[20-21]在魚類對孔隙的選擇性試驗(yàn)基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)出多孔型生態(tài)護(hù)岸塊體(魚巢砌塊)，再運(yùn)用River2D軟件模擬應(yīng)用多孔型生態(tài)護(hù)岸塊體(魚巢砌塊)前后的流速、WUA值，并進(jìn)行對比分析。

3 魚巢砌塊水力特性的研究意義

盡管國內(nèi)外涌現(xiàn)出很多魚巢砌塊產(chǎn)品和專利，但傳統(tǒng)魚巢砌塊大多僅停留在其設(shè)計(jì)層面和施工層面，很少有人開展魚巢砌塊水力特性的研究。國內(nèi)外大量研究表明，大多數(shù)魚類游泳行為與流速、水深、水流紊動(dòng)能息息相關(guān)。1990年，Leon A. Barmuta[22]在研究卵石底質(zhì)和流速的共同作用時(shí)發(fā)現(xiàn)流速是最有影響的環(huán)境變量。1995年，P. Sempeski等[23]調(diào)研了法國Pollon River和Suran River的河鱒產(chǎn)卵場，根據(jù)兩處河鱒產(chǎn)卵場流速相近發(fā)現(xiàn)河鱒對產(chǎn)卵場的流速是有要求的。2007年，王得祥[24]利用震動(dòng)格柵產(chǎn)生紊流，從而研究水流紊動(dòng)能對魚類游泳行為特性的影響，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)過高或過低的紊動(dòng)能均不利于魚類生存。2008年，付世建等[25]提出魚類進(jìn)行逃逸、穿越激流和伏擊捕食等行為時(shí)主要取決于爆發(fā)式游泳速度的觀點(diǎn)。2009年，劉穩(wěn)、諸葛亦斯等[26]選用流速、流速梯度和動(dòng)能梯度進(jìn)行量化分析，并結(jié)合鯽魚相對日增長率，得到鯽魚生長與流速、動(dòng)能梯度之間的定量關(guān)系。2012年，齊亮、楊宇等[27]進(jìn)行了水流流速、紊動(dòng)能和切應(yīng)力對魚類行為的影響試驗(yàn)，闡明了水流紊動(dòng)和切應(yīng)力對魚類的傷害。2018年，李芳、安瑞冬、馬衛(wèi)忠等[28]根據(jù)壩下魚類分布規(guī)律探測數(shù)據(jù)，分析魚類壩下集群效應(yīng)，并分別探究了其對流速、水深及水流紊動(dòng)能的響應(yīng)規(guī)律。2019年，楊慶、胡鵬等[29]探索草魚上溯洄游的適宜流速條件與適應(yīng)閾值，為河流生態(tài)水力學(xué)模擬和河流生態(tài)修復(fù)提供技術(shù)支撐。2021年，李樹航、韓雷、王正君等[30]通過流速遞增法測得松花江鯽魚的游泳能力。

而且魚類對水流有天然的趨流性，魚類的趨流性為魚類在水流中對流向和流速的行為反應(yīng)特性[31]。魚類的趨流性特征與魚類品種、體長、所棲息的自然水流環(huán)境有密切關(guān)系，即不同流域中不同品種、不同生長期的魚類對水流環(huán)境條件的要求不盡相同[32]。又由于不同結(jié)構(gòu)形式的魚巢砌塊會(huì)營造出不同的水流環(huán)境條件，因此必須基于魚巢砌塊水力特性與魚類游泳行為特性耦合分析的基礎(chǔ)上研發(fā)各種魚巢砌塊體型，以滿足不同流域中不同品種、不同生長期的魚類對水流環(huán)境條件的要求?；隰~巢砌塊水力特性與魚類游泳行為特性耦合分析的基礎(chǔ)上針對特定流域中特定品種、特定生長期的魚類而研發(fā)的魚巢砌塊，既可滿足特定魚類棲息繁衍的生存要求，又可使特定魚類躲避天敵和安全度過汛期。

研究魚巢砌塊水力特性，并將其與魚類游泳行為特性進(jìn)行耦合分析，既補(bǔ)充和完善相關(guān)理論，又為之后生態(tài)魚巢砌塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論依據(jù)，同時(shí)體現(xiàn)了設(shè)計(jì)和優(yōu)化魚巢砌塊結(jié)構(gòu)形式時(shí)的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性。

4 結(jié) 語

通過對國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)及資料的調(diào)研，本文簡單概述了魚巢砌塊的起源、定義、結(jié)構(gòu)形式和功能特點(diǎn)，并詳細(xì)闡述了其研究背景、目的、意義和國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，最后闡明了魚巢砌塊水力特性的研究意義，為魚巢砌塊后續(xù)的理論研究、體型設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了思路。

根據(jù)前人對水力特性影響魚類習(xí)性的相關(guān)研究可知，大多數(shù)魚類游泳行為與流速、水深、水流紊動(dòng)能有密切關(guān)系。又由于不同結(jié)構(gòu)形式的魚巢砌塊會(huì)營造出不同的水流環(huán)境條件，同時(shí)還需滿足不同流域中不同品種、不同生長期的魚類對水流環(huán)境條件的要求，故設(shè)計(jì)和優(yōu)化魚巢砌塊時(shí)必須針對其水力特性和魚類游泳行為特性進(jìn)行耦合分析。

目前，雖然魚巢砌塊的結(jié)構(gòu)形式越來越豐富多樣，但是極其欠缺相關(guān)理論研究進(jìn)行支撐，故之后需深入研究魚巢砌塊水力特性相關(guān)內(nèi)容以填補(bǔ)相關(guān)理論空白。綜上所述，研究魚巢砌塊水力特性有利于我國生態(tài)護(hù)岸工程建設(shè)、維持河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和保護(hù)物種多樣性。