水轮机内负压对鲢鱼幼鱼损伤阈值模拟试验

程一鑫 王 煜 王继保，2

(1. 三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002； 2. 三峡库区生态环境教育部工程研究中心， 湖北 宜昌 443002)

水轮机内负压对鲢鱼幼鱼损伤阈值模拟试验

程一鑫1王 煜1王继保1，2

(1. 三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002； 2. 三峡库区生态环境教育部工程研究中心， 湖北 宜昌 443002)

大量研究表明，鱼类在通过水轮机的过程中可能会受到水轮机流道水动力特性不同程度的伤害，其中负压及压力梯度是造成过机鱼体损伤的主要因素之一．为明确负压对鲢鱼幼鱼损伤的阈值，提高鲢鱼幼鱼通过水轮机流道下行的成功概率，本文设计由真空泵、真空锅、摄像机和电脑等组成试验装置系统模拟不同的负压水环境对鲢鱼幼鱼的影响，得出鲢鱼幼鱼对负压水环境的适应性和负压损伤阈值．试验成果可为提高水轮机过鱼概率的优化运行提供参考．

水轮机； 负压损伤阈值； 模拟环境； 鲢鱼幼鱼

近年来随着人们对环境问题的重视，“生态水利”成为了水利界的高频词汇．在水利建筑物中最常见的就是大坝，而大坝的修建阻隔了洄游性鱼类的洄游通道，对鱼类造成了一定的影响．鱼类通过水轮机流道下行过坝或被误吸入水轮机流道，水轮机复杂的流道结构和水动力特性可能对流道内的鱼体造成身体残缺、鱼鳔破裂、身体失去平衡等直接或间接的损伤．相关研究表明，造成这些损伤的主要伤害机理包括剪切、压力、机械、空蚀4种[1-5]．在对水轮机进行设计时要优化水轮机流道和其流道内的水动力特性．近年来，国内外对压力因素引起的鱼类损伤问题进行了一定的研究，美国陆军工程师团(USACE)成立的水轮机流道鱼类存活率研究小组通过分析，确定了鱼类通过水轮机流道下行时压力因素可能会对鱼体造成伤害[6]．我国邵奇等学者通过研究发现负压状态下的压力梯度会对鱼的生存构成威胁[6]．然而这些研究都未具体地给出对鱼体会造成损伤的压力阈值，因此本文以洄游性鱼类鲢鱼幼鱼为研究对象，通过设计模拟水力机械内的负压水环境试验系统，对鲢鱼幼鱼对负压水环境的适应性和损伤阈值进行研究，得到对鲢鱼幼鱼通过安全的负压参考数据，为新型环保的水轮机设计提供参考．

1 仪器与设备

1.1 试验装置

试验装置分为3个部分，第1部分是由真空泵、空气压缩机、透明真空锅组成的气体通路；第2部分是由摄像头、转换器和计算机组成的俯视录像系统，第3部分是由一个单独的摄影机组成的侧视录像系统(如图1所示)．

图1 试验装置图

1.2 试验装置设计原理

试验气体通路设计：利用透明真空锅，在其下部盛放15 cm深的水和试样鱼，上部1/2为空气，然后使用空气压缩机和真空泵控制压力容器内的空气压力，可以在绝对压力为10～101 kPa的范围内使试样鱼经历大小不同的压力变化，从而模拟鱼在水轮机流道中各种压力变化过程．

试验录像视频系统设计：由于试验过程中鱼在不同的压力、不同的时段反应都不同，且反应无法预测，故采用两组高清摄像头对整个试验过程中试验鱼的状态变化进行实时跟踪记录，并通过视频分析技术采集试验鱼体有效状态数据．

2 试验材料

“四大家鱼”作为长江流域主要经济鱼类，占我国淡水鱼类总产量的80%，近年来由于大型水利工程的建设和运行，上游四大家鱼幼鱼下行过坝受到阻碍，产卵栖息地的空间分布及生存环境也都明显退化，致使家鱼数量大幅度下降．故选用四大家鱼中分布较广的鲢鱼幼鱼作为代表性的鱼种进行试验．试验鱼由宜昌渔场提供，暂养于三峡大学水工生态试验室，暂养缸规格为直径2.0 m、高0.5 m、水深0.3 m的圆形水槽，暂养7 d，待其生活状况稳定，正常进食和游动后开始进行试验．

养殖用水和试验用水均为自来水，持续曝气，每天换水1/4．暂养及试验期间水温20℃，自然光照周期．根据行为学试验要求，同一试验鱼结束试验后被捞出放回另一暂养水槽，不再重复使用以防止试验用鱼对试验环境产生适应，而影响试验结果的可靠性[7]．鱼类在摄食前后活动行为存在差异[8]，为消除此种情况的产生，每次试验均在投喂结束20 min后开始，借以消除由于活动节律引起的误差．

3 试验方案

研究表明，水轮机流道内负压对过机鱼体影响较正压明显[6]，因此负压对鲢鱼幼鱼损伤试验主要明确在不同负压水环境下鲢鱼幼鱼的反应状态及损伤情况，从而获得负压对鲢鱼幼鱼损伤的阈值．试验方案分为两个阶段，第1阶段根据低水头水轮机流道压力变化范围拟定负压工况，通过真空泵对试验鱼减压至拟定工况，然后恢复至常压，研究试验鱼对不同负压水环境的耐受性；第2阶段通过视频分析技术和试验鱼体解剖技术相结合，对第1阶段试验中的试验鱼进行分析，拟定合适的试验工况进行再试验，并对不同负压工况下试验鱼的反应状态及损伤情况进行统计分析，获得鲢鱼幼鱼对负压水环境的耐受区间和损伤阈值．

3.1 第1阶段试验

Cada等(1997)通过大量的压力升降对多种鱼类损伤的试验提出水轮机流道内部最低压强应不小于过机鱼适应环境压强的60%[1]．ARL(1996)基于美国陆军工程兵团(USACE 1991)鲑鱼试验的数据提出水轮机流道内部最低压强不小于过机鱼适应环境压强的30%[3]．为探究试验鱼能够承受的负压阈值，将试验鱼置于真空锅内，缓慢抽气(3 L/min)至试验压强，即-20 kPa、-40 kPa、-60 kPa、-80 kPa、-90 kPa，保持15 min恢复至大气压，观察试验鱼的反应并记录．选择10条鲢鱼幼鱼作为试验鱼，把它们放进标有序号1～10的桶里，对试验鱼体进行1～10的记号标记．每组压力设置值下做两次试验，每次试验用一条鱼．

试验工况设置见表1．

表1 试验工况

试验现象记录见表2．

表2 试验现象记录

3.2 第2阶段试验

通过对视频进行分析，发现试验鱼在-60 kPa的环境下开始有反应，在-80 kPa和-90 kPa的环境下反应变得敏感，且试验鱼在试验3 d内相继死亡；对第1阶段试验中死亡的4条鱼进行解剖，发现鱼眼都向外鼓起、鱼鳃红肿且鱼鳔变小．为找出使鲢鱼受损伤的最低临界压强，在第1阶段试验的基础上重新拟定试验工况，对45条试验鱼进行再试验，每次试验后对试验鱼的受损伤情况进行统计，试验结果分为未损伤、受损伤失去平衡、死亡，并在试验后12 h对试验鱼的受损伤情况进行统计，分析试验鱼的恢复情况．

表3 试验工况

表3为试验工况设置情况；表4为鲢鱼的解剖情况；表5为试验后试验鱼的受损伤情况统计；表6是试验12 h后试验鱼的受损伤情况统计.

表4 试验鲢鱼解剖分析图

表5 试验后鲢鱼幼鱼受损伤情况

表6 试验后12 h鲢鱼幼鱼受损伤情况

4 试验结果分析

4.1 鲢鱼试验反应分析

表2的记录可以看出试验鱼在压力为-60 kPa的环境下才开始有反应，在-80 kPa和-90 kPa的环境下，发现鱼的呼吸频率较平常明显加快，这是由于鱼此前处于负压缺氧状态；有少数受伤较轻的鱼会出现反射性爆发现象，奋力游向水面，这是鱼鳔及鱼神经系统对气压变化的反应[5]；而受伤较重的鱼身体完全失稳，沉到水底，而且在-90 kPa的环境下能明显看到鱼体变形，这说明鲢鱼在-80 kPa和-90 kPa的环境下易受到损伤．

4.2 真空锅压力变化过程分析

试验前对真空锅进行了调试，通过真空泵使真空锅里的压力减小到最小值-93 kPa，最后恢复到正常大气压，图2为此过程中压力与时间的变化关系，调试发现泄气的瞬间压强升高速率达到15 kPa/s，而从表2的第四、五组试验记录可以看出试验鱼在泄气时，鱼体基本完全失去平衡，这表明负压的急剧升高会对鱼体造成更大伤害．

图2 真空锅压力变化过程线

4.3 鲢鱼的解剖情况分析

试验后一段时间，通过对受损伤失去平衡的鲢鱼进行解剖，发现试验鱼的鱼鳔干瘪受损，缺少空气，因此不能通过改变鱼鳔的体积来调节身体的平衡，对死亡的鲢鱼进行解剖，发现除鱼鳔干瘪受损外，可以观察到大多数鲢鱼的鱼鳃红肿，眼睛严重向外突出．

4.4 鲢鱼受损伤情况分析

由图3的数据可以看出不同的负压环境对鲢鱼的损伤大不相同，在-70 kPa的环境下，鲢鱼的受损伤率大约在11.1%，而在-80 kPa的环境下鲢鱼的受损伤率就达到了83.3%左右，在-90 kPa的环境下受损伤率达到了94.4%左右，说明随着负压的减小，鲢鱼的受损伤率在不断升高．

图3 试验后鲢鱼幼鱼受损伤情况

4.5 鲢鱼受损伤恢复情况及死亡情况分析

由图4的数据可以看出，在-70 kPa的环境下受损伤的鲢鱼在正常气压下暂养一段时间后基本能恢复正常，在-80 kPa的环境下受损伤的鲢鱼大约只有13.3%能恢复正常，死亡率达到了55.6%；而在-90 kPa的环境下受损伤的鲢鱼恢复率更低，仅仅只有5.9%左右，而死亡率却达到将近77.8%，说明在越小的负压环境下，鲢鱼越容易死亡．

图4 试验后12 h鲢鱼幼鱼受损伤情况

5 结 论

1)鲢鱼幼鱼受到负压水环境损伤主要表现为：鱼鳔破损，致使鱼身失去平衡甚至死亡；鱼鳃红肿，导致鲢鱼呼吸困难，最终缺氧使其受损甚至死亡．

2)承受负压后进入常压水环境中暂养一段时间后，部分受损较轻的鲢鱼幼鱼可以进行损伤自愈，故对新型型水轮机下游水体的通气状况进行改善十分必要．

3)在-70 kPa的环境下鲢鱼的身体几乎不会受到损伤，而在小于或等于-80 kPa的环境下鲢鱼的身体会受到损伤，且随着负压的减小，损伤率和死亡率升高，受损伤恢复率降低．故新型水轮机设计时应控制内部负压值大于-80 kPa．

4)由于试验条件限制，本次试验的压力细化梯度只为-10 kPa．

[1] Cada G， Loar J, Garrison L, et al. Efforts to Reduce Mortality to Hydroelectric Turbine-passed Fish：Locating and Quantifying Damaging Shear Stresses[J]． Environmental Management, 2006, 37(6)：898-906．

[2] Frenkel V, Kimmel E, Iger Y. Ultrasound-induced Cavitation Damage to External Epithelia of Fish Skin[J]． Ultrasound in Medicine & Biology, 1999, 25(8)：1295-1303．

[3] Heisey P G, Mathur D, Euston E T. Fish Injury and Mortality in Spillage and Turbine Passage; Proceedings of the Proceedings of the 1995 International Conference on Hydropower Part 1 (of 3), July 25, 1995-July 28, 1995, San Francisco, CA, USA, F, 1995[C]． ASCE.1416-1423．

[4] 王振华, 赵建达. 英国观察：鱼类友好的水轮机设计的最新进展[J]．小水电, 2007(5)：5-7．

[5] 奥德 M, 马小俊. 亲鱼水轮机设计新概念[J]．水利水电快报, 2001, 22(4)：1-5．

[6] 邵 奇，等.水力机械内压力变化梯度对鱼类损伤的模拟试验[J]．机械工程学报,2002，38(10)：7-11．

[7] 何大仁, 蔡厚华. 鱼类行为学[M]．厦门：厦门大学出版社， 1998．

[8] Almazan-Rueda P, Schrama J W, Verreth J A J. Behavioural Responses under Different Feeding Methods and Light Regimes of the African Catfish (Clarias Gariepinus) Juveniles[J]． Aquaculture, 2004, 231：347-359．

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[11] 叶富良.鱼类学[M]．北京：高等教育出版社，1993．

[责任编辑 王迎春]

Simulative Experiments on Subatmospheric Pressure Injury to Young Silver Carps in Hydraulic Turbine

Cheng Yixin1Wang Yu1Wang Jibao1,2

(1．College of Hydraulic & Environmental Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 2．Engineering Research Center of Eco-environment in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

A large number of studies show that fish passing through hydraulic turbine would suffer from different degrees of injuries due to the dynamic characteristics of the flow channel of hydraulic turbine, in which the subatmospheric pressure and the pressure gradient is one of the main factors that cause injuries to fish bodies. To identify the threshold of injuries caused by the subatmospheric pressure to young silver carps, and to improve the probability that the young silver carps could pass through the flow channel of hydraulic tubine successfully, this paper designs an experimental system with vacuum pump, vacuum pan, vidicon and computer to simulate different subatmospheric pressure water environment to young silver carps, and finally to find out young silver carps' adaptability to subatmospheric pressure water environment and the threshold of subatmospheric pressure injury. The results can provide reference for the optimal operation of the hydraulic turbine to improve the fish passing rate.

hydraulic turbine; threshold of subatmospheric pressure injury; simulated environment; young silver carp

2017-02-13

国家自然科学基金(51409151)；湖北省自然科学基金(2014CFB691)；三峡库区生态环境教育部工程研究中心开放基金(KF201504)

王 煜(1976-)，女，副教授，博士，主要研究方向为水生态与环境．E-mail： wangyuhoney@163.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.04.005

S956

A

1672-948X(2017)04-0022-05