柳松濤 李廣寧 石凱 孫雙科 石小濤

摘要：為優(yōu)化魚(yú)道池室結(jié)構(gòu)，提升魚(yú)類洄游效果，以常規(guī)豎縫式魚(yú)道為原型，以齊口裂腹魚(yú)（Schizothorax prenanti）為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬和對(duì)照性過(guò)魚(yú)試驗(yàn)，比較分析了4種池室內(nèi)部增加與未增加樁柱的水流結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，在魚(yú)道主流中間增設(shè)樁柱結(jié)構(gòu)，可以有效減小回流區(qū)面積，減幅達(dá)49%，并可減小豎縫處的紊動(dòng)能，最大減少18%；增加魚(yú)類上溯路線分布，提高了池室空間利用率。2種結(jié)構(gòu)的上溯軌跡分析發(fā)現(xiàn)，齊口裂腹魚(yú)多選擇回流區(qū)外側(cè)上溯，避免進(jìn)入回流區(qū)中心，即選擇較高的水力應(yīng)變與紊動(dòng)能區(qū)域作為上溯方向，且上溯路線中偏好較低水力因子區(qū)域，上溯偏好流速為0.01～0.09 m/s，紊動(dòng)能為0.001～0.008 m2/s2，水力應(yīng)變?yōu)?.2～3.0/s。體型Ⅱ魚(yú)道通過(guò)在主流位置增加樁柱結(jié)構(gòu)，形成了多股水流，有效減小回流區(qū)的占比，提高了魚(yú)道池室空間利用率，為魚(yú)類的上溯路徑提供了更多選擇。

關(guān)鍵詞：豎縫式魚(yú)道；樁柱結(jié)構(gòu)；數(shù)值模擬；水力學(xué)特性

中圖分類號(hào)：S956? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-3075（2024）02-00148-11

受大壩和水庫(kù)修建的影響，魚(yú)類的洄游通道受到阻隔，作為緩解措施的魚(yú)道得到廣泛運(yùn)用（董哲仁，2006；陳凱麒等，2012）；其中，豎縫式魚(yú)道（Vertical Slot Fishway，VSF）因其消能效果充分，能適應(yīng)較大水位變幅受到廣泛關(guān)注（劉志雄等，2010；Mao，2018）。然而，我國(guó)豎縫式魚(yú)道實(shí)際運(yùn)行效果并不理想，主要體現(xiàn)在魚(yú)類通過(guò)時(shí)間較長(zhǎng)且通過(guò)率較低。為此，有必要以提高魚(yú)道通過(guò)效率為目標(biāo)，對(duì)常規(guī)池室結(jié)構(gòu)開(kāi)展進(jìn)一步探索研究。

國(guó)內(nèi)外對(duì)VSF結(jié)構(gòu)開(kāi)展了許多研究，Rajaratnam等（1986）最早提出豎縫式魚(yú)道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，在對(duì)18種不同體型池室研究后發(fā)現(xiàn)，10：8為最佳池室長(zhǎng)寬比，池室內(nèi)回流區(qū)流速與湍流強(qiáng)度適中，可為魚(yú)類提供休息區(qū)（徐體兵和孫雙科，2009；Rajaratnam et al，2010）。對(duì)比不同魚(yú)道坡度的流場(chǎng)分布發(fā)現(xiàn)，當(dāng)坡度<5%，流場(chǎng)呈現(xiàn)二維分布（Wu，1999）。對(duì)豎縫寬度（b）、池室寬度（B）、導(dǎo)板長(zhǎng)度（P）等參數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)0.1≤b/B≤0.2、0.2

本文提出了4種增設(shè)樁柱結(jié)構(gòu)的魚(yú)道池室體型方案，并開(kāi)展數(shù)值模擬計(jì)算和過(guò)魚(yú)試驗(yàn)，從而優(yōu)選流態(tài)較好、過(guò)魚(yú)效率較高的池室體型。對(duì)優(yōu)選池室進(jìn)行齊口裂腹魚(yú)（Schizothorax prenanti）對(duì)比性過(guò)魚(yú)試驗(yàn)，分析其上溯行為規(guī)律，進(jìn)而識(shí)別魚(yú)類行為與水力因子間的響應(yīng)關(guān)系，以期為優(yōu)化魚(yú)道結(jié)構(gòu)及提升過(guò)魚(yú)效率提供理論依據(jù)。

1? ?研究方法

1.1? ?試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1.1? ?模型設(shè)計(jì)? ?魚(yú)道模型以常規(guī)豎縫式魚(yú)道為原型，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，模型比尺為1：4。試驗(yàn)水槽長(zhǎng)10.2 m、寬0.6 m，底坡坡度J=1%，設(shè)置11級(jí)試驗(yàn)池室。魚(yú)道池室長(zhǎng)L=0.75 m，寬 B=0.6 m，導(dǎo)板長(zhǎng)P=0.15 m，豎縫寬b=0.075 m，導(dǎo)向角θ=45°，導(dǎo)板厚d和隔板厚b均為0.075 m。導(dǎo)板迎水面和隔板背水面坡度均為1：1，隔板迎水面和導(dǎo)板背水面坡度均為1：3（Li et al，2021）。設(shè)計(jì)4種池室，分別為體型I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，其差異為樁柱數(shù)量及位置不同，樁柱直徑為豎縫寬度b=0.075 m，樁柱布置及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)圖1。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀盟捎米匝h(huán)閉合系統(tǒng)，模型下游設(shè)回水池，試驗(yàn)時(shí)采用水泵供水，進(jìn)水池中設(shè)置消能柵，魚(yú)道池室運(yùn)行水深H0=0.3 m。模型下游末端池室為放魚(yú)池，內(nèi)部上下游各安裝一道攔魚(yú)柵，上游側(cè)攔魚(yú)柵可防止試驗(yàn)魚(yú)提前進(jìn)入試驗(yàn)段，下游側(cè)攔魚(yú)柵可防止試驗(yàn)魚(yú)進(jìn)入回水池。

1.1.2? ?試驗(yàn)方法? ?試驗(yàn)所用齊口裂腹魚(yú)采購(gòu)自四川某漁場(chǎng)，選擇體長(zhǎng)（10±2） cm的幼魚(yú)，該體長(zhǎng)下其臨界游泳能力大于豎縫處最大流速0.39 m/s，確保不會(huì)因試驗(yàn)魚(yú)游泳能力不足影響試驗(yàn)結(jié)果（Cai et al，2018）。試驗(yàn)前暫養(yǎng)于8 m3的方形水池中，采用深井水24 h循環(huán)供水，并進(jìn)行曝氣處理，溶解氧濃度保持在7 mg/L以上（Branco et al，2013）。試驗(yàn)期間暫養(yǎng)池水溫（16±2）℃，pH值（7.3±2.0），光照為室內(nèi)自然光。試驗(yàn)前2 d停止喂食（Mallen-Cooper，1994）。

試驗(yàn)分為2組，設(shè)置試驗(yàn)組Ⅰ篩選出較優(yōu)的魚(yú)道結(jié)構(gòu)，分別在試驗(yàn)池室第3、5、7、9號(hào)布置體型Ⅰ～Ⅳ，根據(jù)各級(jí)池室通過(guò)時(shí)間，選擇相對(duì)較優(yōu)的池室結(jié)構(gòu)布置體型。該試驗(yàn)未設(shè)置對(duì)照試驗(yàn)，作為初步篩選較優(yōu)池室結(jié)構(gòu)方案，有利于縮小試驗(yàn)周期，避免試驗(yàn)期間水溫等環(huán)境因素變幅過(guò)大對(duì)過(guò)魚(yú)試驗(yàn)結(jié)果的影響。試驗(yàn)組Ⅱ設(shè)置對(duì)照試驗(yàn)，以篩選的較優(yōu)結(jié)構(gòu)作為試驗(yàn)組，標(biāo)準(zhǔn)魚(yú)道作為對(duì)照組，進(jìn)一步分析樁柱結(jié)構(gòu)對(duì)魚(yú)類上溯行為的影響，試驗(yàn)布置見(jiàn)圖2。相比于單一試驗(yàn)，對(duì)照試驗(yàn)?zāi)鼙ＷC在相同條件下進(jìn)行過(guò)魚(yú)試驗(yàn)，降低水溫、光照和聲音等無(wú)關(guān)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響（郭子琪等，2021；黃婕等；2021；譚紅林等，2021）。

試驗(yàn)前調(diào)整魚(yú)道運(yùn)行水深為0.3 m，測(cè)量并記錄試驗(yàn)魚(yú)道中的水溫、含氧量、pH值等相關(guān)參數(shù)，確保試驗(yàn)中循環(huán)水含氧量大于6 mg/L，pH值在（7.75±2.5）（Branco et al，2013）。每天隨機(jī)選取20尾魚(yú)作為試驗(yàn)用魚(yú)，每尾魚(yú)僅用于1次試驗(yàn)，試驗(yàn)后將魚(yú)放置于另一水池暫養(yǎng)。魚(yú)道流態(tài)穩(wěn)定后開(kāi)始放魚(yú)，關(guān)閉攔魚(yú)柵，待試驗(yàn)魚(yú)適應(yīng)15 min后，撤去攔魚(yú)柵。自試驗(yàn)魚(yú)進(jìn)入11號(hào)池室時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，待其游出1號(hào)池室時(shí)停止計(jì)時(shí)，記錄上溯時(shí)間和上溯視頻。若試驗(yàn)魚(yú)超過(guò)20 min未通過(guò)魚(yú)道，則記為上溯失敗。本試驗(yàn)共放魚(yú)106尾，其中順利通過(guò)11級(jí)池室67尾，作為數(shù)據(jù)分析對(duì)象，避免各體型池室通過(guò)率偏差對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的影響。試驗(yàn)組Ⅱ中，將2組魚(yú)同時(shí)放入下游放魚(yú)池并開(kāi)始試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中分別記錄2組魚(yú)道的通過(guò)時(shí)間和上溯視頻。試驗(yàn)完成后，隨機(jī)選取另2尾魚(yú)繼續(xù)下一組對(duì)照試驗(yàn)。

1.2? ?數(shù)值模擬

1.2.1? 數(shù)學(xué)模型? ?本研究使用Fluent軟件對(duì)4種樁柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行湍流計(jì)算，VOF模型追蹤魚(yú)道自由水面，結(jié)合壓力-速度耦合SIMPLE算法進(jìn)行求解計(jì)算（Li et al，2021）。計(jì)算域包括11級(jí)池室，如圖3所示。采用結(jié)構(gòu)性六面體網(wǎng)格，魚(yú)道池室網(wǎng)格尺寸0.05 m，豎縫及樁柱處網(wǎng)格尺寸0.04 m，垂向網(wǎng)格0.025 m，計(jì)算區(qū)域高度1 m。魚(yú)道進(jìn)口及出口邊界條件設(shè)置為壓力進(jìn)口，給定水深0.3 m；頂部邊界條件設(shè)置為壓力進(jìn)口，相對(duì)壓強(qiáng)設(shè)置為0；底面及邊壁設(shè)置為無(wú)滑移壁面。迭代計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 s，每步迭代最大次數(shù)設(shè)置為30（Anastasios et al，2018; Fuentes-Pérez et al，2018）。

1.2.2? ?模型驗(yàn)證? ?數(shù)值模擬結(jié)果與物理模型試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性。魚(yú)道流場(chǎng)為典型的二維分布（Wu et al，1999），為此選取0.5H0橫截面作為數(shù)據(jù)提取斷面，以斷面Ⅰ（X=15 cm）、斷面Ⅱ（X=40 cm）和斷面Ⅲ（X=60 cm）作為驗(yàn)證斷面，對(duì)體型Ⅱ的模型進(jìn)行驗(yàn)證。計(jì)算結(jié)果表明，各體型驗(yàn)證斷面數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果流速分布吻合程度較高，流速誤差在0.03 m/s以內(nèi)，數(shù)值模擬結(jié)果與物理模型試驗(yàn)結(jié)果基本一致（圖4）。

2? ?結(jié)果與分析

2.1? ?池室水力特性

2.1.1? ?回流區(qū)尺度? ?按數(shù)值計(jì)算的流線圖劃分主流區(qū)及回流區(qū)，結(jié)果見(jiàn)圖5。將回流區(qū)的分布圖導(dǎo)入CAD，計(jì)算回流區(qū)面積a，與魚(yú)道池室面積A相比進(jìn)行無(wú)量綱化處理，得出回流區(qū)在魚(yú)道中的占比a/A。統(tǒng)計(jì)5種結(jié)構(gòu)的回流區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)如表1。

體型Ⅰ中，主流經(jīng)過(guò)樁柱產(chǎn)生向池室左側(cè)分支（順?biāo)鞣较蜃髠?cè)），主流范圍更加廣泛，增加可能的魚(yú)類上溯路線，同時(shí)左側(cè)大回流區(qū)被削減。體型Ⅱ中，主流由于中間樁柱作用主流范圍有所擴(kuò)大，偏向樁柱左側(cè)。體型Ⅲ、Ⅳ在魚(yú)道回流區(qū)增設(shè)樁柱，其中體型Ⅳ由于樁柱靠近池室左側(cè)，減小了左側(cè)回流區(qū)對(duì)主流的壓縮，回流區(qū)范圍更加廣泛。

相較于標(biāo)準(zhǔn)魚(yú)道，布置樁柱結(jié)構(gòu)的池室回流區(qū)總面積占比都有一定程度減小，其中體型Ⅱ減小幅度最大，達(dá)49%。由于回流區(qū)面積減小，對(duì)主流的約束作用減弱，其分布范圍更加廣泛，體型Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ主流均有偏向左側(cè)墻壁的趨勢(shì)。4種結(jié)構(gòu)中，回流區(qū)的變化主要集中在左側(cè)，體型Ⅰ中左側(cè)大回流區(qū)被分割為4個(gè)小回流區(qū)，體型Ⅲ、Ⅳ回流區(qū)也有所增加。體型Ⅱ中大回流區(qū)縮減為位于上游隔板側(cè)的小回流區(qū)，減小為原來(lái)的26.1%，這也是其回流區(qū)占比減小明顯的主要原因。

2.1.2? ?池室流場(chǎng)水力參數(shù)分布? ?使用Tecplot提取各體型池室數(shù)值模擬結(jié)果，選擇Z=0.5H0平面作為數(shù)據(jù)分析斷面，分別做流速、紊動(dòng)能和總水力應(yīng)變?cè)茍D，觀察不同體型池室各水力參數(shù)分布差異。

流速是影響魚(yú)類上溯的主要水力要素，也是魚(yú)道設(shè)計(jì)的重要判斷標(biāo)準(zhǔn)（Hou et al，2019）。5種體型中，高流速區(qū)主要在主流附近區(qū)域，低流速區(qū)主要位于兩側(cè)回流區(qū)。主流區(qū)流速為 0.20～0.38 m/s，回流區(qū)流速較小，僅0～0.1 m/s，其最大流速均位于豎縫靠近隔板側(cè)。除在體型Ⅰ中池室流速有明顯增加外，其他3種體型魚(yú)標(biāo)準(zhǔn)魚(yú)道流速分布差異不大，各體型魚(yú)道的流速場(chǎng)分布如圖6-a。

紊動(dòng)能TKE反應(yīng)出水流流速脈動(dòng)振幅，若在實(shí)際流場(chǎng)中魚(yú)類所經(jīng)過(guò)的區(qū)域水流紊動(dòng)過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致魚(yú)類上溯體能消耗加快，進(jìn)一步影響其游泳能力（Enders et al，2003）。5種體型池室的紊動(dòng)能如圖6-b所示。紊動(dòng)能較高區(qū)域都位于豎縫處，回流區(qū)紊動(dòng)能低于0.006 m2/s2，豎縫及部分主流區(qū)域則在0.010～0.025 m2/s2。

對(duì)比5種體型池室的紊動(dòng)能分布發(fā)現(xiàn)，體型Ⅱ最大紊動(dòng)能0.018 m2/s2低于標(biāo)準(zhǔn)魚(yú)道0.022 m2/s2，減小幅度為18%；體型Ⅰ豎縫處最大紊動(dòng)能小于標(biāo)準(zhǔn)魚(yú)道。5種魚(yú)道中標(biāo)準(zhǔn)魚(yú)道豎縫處紊動(dòng)能為0.018～0.022 m2/s2的區(qū)域面積最大，主流區(qū)紊動(dòng)能在0.006～0.008 m2/s2的面積更加廣泛。體型Ⅲ、體型Ⅳ豎縫處紊動(dòng)能有明顯的增加，最大紊動(dòng)能為0.024 m2/s2?？傮w來(lái)說(shuō)，在主流區(qū)增設(shè)樁柱的方案可以有效減小魚(yú)道內(nèi)的紊動(dòng)能，回流區(qū)增設(shè)樁柱結(jié)構(gòu)會(huì)增加豎縫處的紊動(dòng)能。

總水力應(yīng)變用以反映流場(chǎng)區(qū)域內(nèi)控制體變形情況，可以綜合反映各方向流速變化的梯度（Nestler et al，2008；齊亮等，2012）。本研究5種魚(yú)道池室中，總水力梯度相對(duì)較高的區(qū)域均位于主流區(qū)域，且各體型豎縫處總水力應(yīng)變明顯高于池室內(nèi)部；其中，體型Ⅰ豎縫處水力梯度最高，達(dá)到18/s；體型Ⅲ、Ⅳ豎縫處水力梯度分布相似，導(dǎo)板端部較小部分存在水力梯度達(dá)到18/s；體型Ⅱ與標(biāo)準(zhǔn)魚(yú)道豎縫處水力梯度相似，處于相對(duì)較低水平。各魚(yú)道池室體型總水力應(yīng)變?nèi)鐖D6-c所示。

2.2? ?過(guò)魚(yú)效果

2.2.1? ?通過(guò)時(shí)間? ?試驗(yàn)組Ⅰ過(guò)魚(yú)試驗(yàn)于9月上、中旬進(jìn)行，平均水溫15.4℃，溶解氧為7.0 mg/L以上。試驗(yàn)共放魚(yú)106尾，其中順利通過(guò)11級(jí)池室共67尾，統(tǒng)計(jì)其通過(guò)時(shí)間中位數(shù)及平均數(shù)如圖7-a所示。體型Ⅱ通過(guò)時(shí)間平均數(shù)相比其他體型時(shí)間更短，為 14 s，同時(shí)體型Ⅱ通過(guò)時(shí)間中位數(shù)與其他體型相比也有優(yōu)勢(shì)，通過(guò)時(shí)間為 9 s。為此，以齊口裂腹魚(yú)為過(guò)魚(yú)對(duì)象時(shí)推薦體型Ⅱ作為初步篩選的池室結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)組Ⅱ過(guò)魚(yú)試驗(yàn)于10月中旬至11月中旬進(jìn)行，平均水溫15.6℃，溶解氧為7.0 mg/L以上。體型Ⅱ與標(biāo)準(zhǔn)魚(yú)道通過(guò)時(shí)間中位數(shù)與平均數(shù)差異并不大。試驗(yàn)組Ⅱ各體型魚(yú)道通過(guò)時(shí)間如圖7-b所示。

2.2.2? ?通過(guò)率? ?通過(guò)率是判斷魚(yú)道過(guò)魚(yú)效果的重要判斷指標(biāo)。試驗(yàn)組Ⅰ中未詳細(xì)統(tǒng)計(jì)各體型魚(yú)道的通過(guò)率，參考樣本為順利通過(guò)11級(jí)池室的魚(yú)類，各體型魚(yú)道通過(guò)率一致，以避免各池室布置位置差異對(duì)過(guò)魚(yú)效果的影響。試驗(yàn)組Ⅱ?qū)φ赵囼?yàn)共放魚(yú)168尾，標(biāo)準(zhǔn)魚(yú)道成功上溯121尾，通過(guò)率PrⅠ=72%；體型Ⅱ成功上溯115尾，通過(guò)率PrⅡ=68%。試驗(yàn)組Ⅱ中標(biāo)準(zhǔn)魚(yú)道中試驗(yàn)魚(yú)通過(guò)率略高于體型Ⅱ。

2.2.3? ?生存曲線? ?采用生存分析方法，分析試驗(yàn)組Ⅱ中不同池室體型對(duì)齊口裂腹魚(yú)通過(guò)效果的影響。生存分析不僅綜合考慮了通過(guò)時(shí)間與通過(guò)率指標(biāo)，還考慮到隨通過(guò)時(shí)間遞增通過(guò)率的變化。隨后利用時(shí)序檢驗(yàn)（log-rank test）的方法比較不同生存曲線分布區(qū)別是否顯著。將試驗(yàn)組數(shù)據(jù)導(dǎo)入統(tǒng)計(jì)分析軟件GraphPad Prism 7對(duì)生存曲線進(jìn)行比較。結(jié)果表明，試驗(yàn)組Ⅱ中標(biāo)準(zhǔn)魚(yú)道和體型Ⅱ過(guò)魚(yú)效果無(wú)顯著差異（P=0.361>0.05），各試驗(yàn)組生存曲線如圖7-c所示。

2.3? ?上溯行為

2.3.1? ?上溯軌跡熱點(diǎn)? ?為進(jìn)一步深入分析2種結(jié)構(gòu)對(duì)魚(yú)類上溯的影響，對(duì)其上溯的軌跡進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。由攝像機(jī)記錄魚(yú)類在池室中的上溯視頻，采用LoggerPro對(duì)魚(yú)類上溯過(guò)程進(jìn)行打點(diǎn)，通過(guò)多條上溯軌跡疊加繪制熱點(diǎn)圖8。

試驗(yàn)組Ⅱ中，體型Ⅱ魚(yú)類上溯軌跡主要集中在樁柱上部，之后沿隔板側(cè)通過(guò)豎縫，上溯軌跡明顯，部分魚(yú)類沿樁柱下端邊墻貼壁上溯。標(biāo)準(zhǔn)魚(yú)道中大部分魚(yú)類選擇沿下部分邊墻上溯，在導(dǎo)板處轉(zhuǎn)向通過(guò)豎縫，部分魚(yú)類靠近池室右側(cè)沿隔板側(cè)通過(guò)豎縫，結(jié)果與Shi等（2022）的研究結(jié)論一致。其中樁柱結(jié)構(gòu)中魚(yú)道上溯軌跡分布更加豐富，而標(biāo)準(zhǔn)魚(yú)道中魚(yú)類上溯多集中于導(dǎo)板一側(cè)，位于左側(cè)大回流區(qū)少有魚(yú)類通過(guò)，樁柱結(jié)構(gòu)豐富了魚(yú)類上溯路徑的選擇，有利于提高池室空間利用率。

觀察體型Ⅱ魚(yú)類主要上溯路徑上的行為發(fā)現(xiàn)，魚(yú)類多沿隔板側(cè)通過(guò)豎縫，通過(guò)豎縫后存在明顯的調(diào)整上溯方向行為，大多數(shù)魚(yú)類調(diào)整方向朝向樁柱側(cè)，之后沿該方向移動(dòng)至樁柱左側(cè)。在樁柱附近魚(yú)類又一次調(diào)整方向垂向隔板側(cè)，沿該方向行一段距離后，魚(yú)類轉(zhuǎn)向靠近隔板側(cè)，貼近隔板行進(jìn)至豎縫處后調(diào)整方向沿隔板背水面通過(guò)豎縫，完成單級(jí)池室的上溯，魚(yú)類上溯過(guò)程如圖9。

2.3.2? ?水力因子與上溯軌跡耦合? ?由上溯軌跡熱點(diǎn)圖8可以發(fā)現(xiàn)主要上溯路線差異明顯，提取魚(yú)類的主要上溯路線與水力因子、回流區(qū)分布耦合，分析魚(yú)類在上溯軌跡上差異的成因，結(jié)果如圖10。剔除軌跡線中規(guī)律不明顯的其他軌跡，得出體型Ⅱ主要軌跡線占比為52%，次要軌跡占比30%，標(biāo)準(zhǔn)魚(yú)道中主要軌跡線占比78%，次要軌跡占比12%。

魚(yú)類上溯過(guò)程中都偏向由回流區(qū)域外側(cè)通過(guò)，避免了進(jìn)入回流區(qū)中中心，同時(shí)偏好于較小回流區(qū)側(cè)通過(guò)，可能是魚(yú)類偏好于流向單一的通道上溯，回流區(qū)中流向復(fù)雜不利于魚(yú)類辨明上溯方向。從流速云圖的耦合中可以發(fā)現(xiàn)，魚(yú)類偏好避免通過(guò)豎縫下游段的高流速區(qū)域，行進(jìn)路線中流速大多處于較低水平。

兩者軌跡線的差異主要集中在魚(yú)類通過(guò)豎縫后上溯方向的選擇，標(biāo)準(zhǔn)魚(yú)道中大部分魚(yú)類通過(guò)豎縫后由于慣性作用繼續(xù)沿當(dāng)前方向行進(jìn)至邊墻，而體型Ⅱ中魚(yú)類大多選擇沿隔板側(cè)直行，之后調(diào)整方向朝向樁柱側(cè)行進(jìn)，在隔板側(cè)存在主動(dòng)選擇上溯方向的行為，可能是魚(yú)類偏向高紊動(dòng)能、高水力應(yīng)變區(qū)域上溯。標(biāo)準(zhǔn)魚(yú)道中，豎縫上游端突出存在較高水力應(yīng)變與高紊動(dòng)能區(qū)域，其與魚(yú)類的主要上溯路線存在較高的吻合度；而體型Ⅱ中高水力應(yīng)變高紊動(dòng)能區(qū)集中在隔板側(cè)，且其范圍較窄導(dǎo)向性并強(qiáng)烈，為此魚(yú)類的主要上溯路線偏向隔板側(cè)，且主要軌跡占比沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)魚(yú)道高。在體型Ⅱ中樁柱左側(cè)，豎縫下游段存在較高的水力應(yīng)變與紊動(dòng)能區(qū)域，魚(yú)類的主要上溯軌跡中在該區(qū)域都有方向調(diào)整的傾向，表明魚(yú)類偏好于高水力應(yīng)變高紊動(dòng)能區(qū)域進(jìn)行方向調(diào)整。

2.3.3? ?水力因子上溯偏好范圍? ?對(duì)魚(yú)類軌跡分布與池室水力因子分布進(jìn)行定量分析，將池室按照熱點(diǎn)圖中網(wǎng)格劃分，提取每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)水力參數(shù)的平均值，結(jié)合魚(yú)類在該網(wǎng)格分布數(shù)量繪制直方圖11。對(duì)魚(yú)類在各網(wǎng)格中的數(shù)量分布與水力因子進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，無(wú)論標(biāo)準(zhǔn)魚(yú)道還是體型Ⅱ魚(yú)道，魚(yú)類數(shù)量的分布與流速、紊動(dòng)能、水力應(yīng)變具有顯著的相關(guān)性，大部分P<0.01（表2）。雖然2種體型過(guò)魚(yú)軌跡存在明顯的差異，但魚(yú)類偏好的水力因子范圍存在一致性，都偏向于較低水力因子區(qū)域上溯，裂腹魚(yú)在上溯過(guò)程中偏好水力應(yīng)變0.2～3.0/s，偏好流速為0.01～0.09 m/s，偏好紊動(dòng)能為0.001～0.008 m2/s2。本研究與譚均軍等（2017）研究得出草魚(yú)、鰱等幼魚(yú)偏好水力因子范圍有所不同，可能是不同種類不同體長(zhǎng)魚(yú)類偏好水力因子范圍存在差異。與本研究團(tuán)隊(duì)在裂腹魚(yú)的其他試驗(yàn)研究中結(jié)論一致，都偏好在低流速、低紊動(dòng)能區(qū)域上溯（Li et al，2021） 。

本試驗(yàn)表明，體型Ⅱ魚(yú)道與標(biāo)準(zhǔn)魚(yú)道從通過(guò)時(shí)間及通過(guò)率的角度看來(lái)，兩者效果相當(dāng)。體型Ⅱ魚(yú)道通過(guò)在主流位置增加樁柱結(jié)構(gòu)，形成了多股水流，有效減小了回流區(qū)的占比，提高了魚(yú)道池室空間利用率，為魚(yú)類的上溯路徑提供了更多選擇。鑒于本文僅開(kāi)展了齊口裂腹魚(yú)的相關(guān)試驗(yàn)研究，尚未能證實(shí)體型Ⅱ魚(yú)道的過(guò)魚(yú)優(yōu)勢(shì)，后續(xù)擬進(jìn)一步開(kāi)展其他魚(yú)種的過(guò)魚(yú)試驗(yàn)，以進(jìn)一步論證體型Ⅱ魚(yú)道的合理性。

3? ?結(jié)論

在豎縫式魚(yú)道池室內(nèi)部增設(shè)樁柱結(jié)構(gòu)，并采用數(shù)值模擬和放魚(yú)試驗(yàn)方法驗(yàn)證4種樁柱結(jié)構(gòu)的可靠性，評(píng)價(jià)樁柱結(jié)構(gòu)實(shí)際過(guò)魚(yú)效果，得出如下結(jié)論：

（1）體型Ⅱ魚(yú)道在主流中間處布置樁柱結(jié)構(gòu)可以有效的減小回流區(qū)的占比，有利于減小池室內(nèi)紊動(dòng)能，同時(shí)相較于本文其他結(jié)構(gòu)，齊口裂腹魚(yú)的通過(guò)時(shí)間較短。

（2）體型Ⅱ魚(yú)道與標(biāo)準(zhǔn)魚(yú)道過(guò)魚(yú)效果相當(dāng)，但具有更高的空間利用率，形成了具有流速梯度的多股水流，為魚(yú)類的上溯路徑提供了更多選擇。

（3）齊口裂腹魚(yú)在上溯過(guò)程中偏好于回流區(qū)外側(cè)通過(guò)，都選擇避免豎縫下游段的高流速區(qū)域，偏好于高水力應(yīng)變高紊動(dòng)能區(qū)域進(jìn)行方向調(diào)整。

（4）魚(yú)類上溯軌跡偏好與流速、紊動(dòng)能、水力應(yīng)變顯著相關(guān)（P≤0.01），偏好流速0.01～0.09 m/s，偏好紊動(dòng)能0.001～0.008 m2/s2，偏好水力應(yīng)變0.2～3.0/s。

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（責(zé)任編輯? ?萬(wàn)月華）

收稿日期：2022-07-14? ? ? 修回日期：2022-11-14

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51679261）；流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室自主研究課題（SKL2020TS04）。

作者簡(jiǎn)介：柳松濤，1997年生，男，碩士研究生，研究方向?yàn)轸~(yú)道水力學(xué)。E-mail：202008150021032@ctgu.edu.cn

通信作者：李廣寧，1993年生，男，高級(jí)工程師，主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究。E-mail：lgnchina@163.com