突扩明渠分离流中红鲫鱼运动的特点

薛宗璞，黄明海

(长江水利委员会长江科学院，武汉 430000)

游泳行为是鱼类最基本的生命活动，鱼类在水中的洄游、聚集、索饵、逃避敌害及生殖等生命活动都离不开游泳，研究鱼类游泳行为对阐明鱼类行为进化的生态适应机制具有重要意义。随着科技手段的不断发展，游泳行为研究方法也从传统的直接观察和手工记录等定性行为研究，逐渐发展为水下摄像、船舶跟踪、计算机图像处理及卫星遥感遥测等多种高效率、广范围的定量研究，极大地扩大了鱼类生态行为的研究领域[1-14]。

突扩明渠分离流具有显著影响鱼类行为的紊流、漩涡运动和回流等复杂特征，明渠中的鱼类会经常遇到这种水流。

红鲫鱼(Red Crucian Carp)又名金鲫鱼或草金鱼，鲫鱼种，鲤属，鲤科，体呈纺锤形，尾鳍不分叉，背、腹、胸、臀鳍均正常。体质强健，适应性强，食性广，对于水流较为敏感。本研究以红鲫鱼为研究对象，分析其对突扩明渠分离流的行为适应特征，加深水流运动对鱼类行为学影响的认识，还对鱼类栖息地微观水流环境改善、过鱼设施设计和水电站枢纽调度管理等方面有重要参考价值。

1 材料与方法

1.1 试验鱼来源与暂养

从市场购买2种不同大小的鱼，每种体长鱼类个体数量为15尾，用以进行重复性试验。在开展试验前，所有试验用鱼放置于专用养鱼池中驯养，定期投饵料，试验前一日停止喂投饵料。

1.2 试验装置及试验方法

1.2.1 突扩明渠试验模型

试验装置采用自循环供水系统(见图1)，最大供水流量为300 L/s；在现有的平底玻璃水槽(10 m×0.6 m×1.0 m)中安装明渠突扩结构模型，水槽前端安装整理器和拦鱼网，水槽末端安装拦鱼网和尾门。

图1 试验装置示意图

1.2.2 实验条件

水流条件：上游流量分别为30、60、90、120和150 L/s；控制下游出口断面水深0.6 m，上游渠道平均流速分别为0.2、0.4、0.6、0.8和1.0 m/s；试验时段为2016年12月份，试验时水槽内稳定水温变化范围为11～14 ℃，水体溶解氧变化范围为10.0～10.4 mg/L。

1.2.3 观测方法

鱼类活动范围观测区域为突扩断面上游0.2 m至下游2.0 m水槽区段。为避免水面波动对鱼类游动行为图像的干扰，通过在水槽底部放置平面玻璃镜观测鱼类游动行为，采用摄像机采集鱼类游动图像视频。模型结构和观测仪器布置照片见图2。

图2 模型结构和观测仪器布置

1.2.4 试验步骤

步骤1：开泵放水前，将水槽中驯养鱼类捞起分别单独置于有标识的容器中备用。

步骤2：将水槽按设定试验水流条件调整至稳定。

步骤3：取一尾鱼放置于水槽内突扩断面下游约5 m处以适应水流，并设置拦鱼网防止其上溯。

步骤4：待鱼适应30 min后，移开拦鱼网，观察鱼类在水槽下游游动情况，待进入摄像机观测区域进行鱼游动行为图像采集，鱼长时间在小范围徘徊或游出摄像机观测区且短时间不再返回，则该次试验结束，将鱼从水槽中捞起放回相应容器中。

步骤5：按照步骤3和步骤4，对同一体长鱼种共进行超过10个组次的游泳行为观测试验。

1.3 数据处理

采用Image-Pro Plus图形分析软件提取视频中鱼类运动轨迹和轮廓，自编程序计算鱼类运动速度，Tecplot数据处理软件制作图形和动画。通过提取每一帧图像鱼体轮廓，并计算分析质点位置形成鱼类游动轨迹，根据图像采样间隔时间和相邻图像鱼类质点距离计算鱼类游动速度。实验红鲫鱼体长见图3。

图3 红鲫鱼形态指标

2 试验结果

2.1 鱼类游动模式

通过水槽中鱼类游动行为视频数据分析处理，得出了不同水流情况下不同个体鱼类游动轨迹。

根据鱼类游动轨迹分析结果，鱼类游动轨迹可分为以下3种主要游动模式。

(1)模式1：沿主流直接上溯模式。鱼类在下游贴近上壁底边逆流上溯，在进入主流区随着流速增大逐渐加大游动速度，接近特征流速时游动速度趋于稳定，并以此速度顶着主流通过收缩断面，在此过程中一般鱼尾摆动频率和幅度较大。模式1代表性游动轨迹见图4。

图4 模式1代表性运动轨迹

(2)模式2：回流区内长时间徘徊模式。鱼类从回流区一侧贴壁慢速进入回流区，或中部遇剪切层改变路径进入回流区，或在上壁底边逆流上溯过程中遭遇主流大流速斜穿主流区进入，最终在角窝区长时间小范围徘徊。还有少数在回流区尾部摆动区或上壁近壁区短距离上下游往复游动徘徊。模式2代表性游动轨迹见图5。

图5 模式2代表性运动轨迹

(3)模式3：遭遇模式。在上溯过程中遭遇强剪切层、大漩涡复杂水流结构和大流速时，在主流区和回流区之间大范围徘徊，游动轨迹明显改变，轨迹改变后主要出现2种结果：①在角窝区徘徊时遇到角点附近强剪切层和主流大流速，通过加快游动速度上溯通过收缩断面进入渠道上游(见图6)；②或被大流速冲退至一段距离后再次回到回流区，或直接被主流带出观测区(见图7)。

图6 模式3①代表性运动轨迹

图7 模式3②代表性运动轨迹

图8 各游动模式数量分布

图8给出了不同体长鱼类在5种水流中游动模式出现数量情况，从图8中分析可知：

(1)在U=0.2 m/s水流情况下，大、中2种体长的鱼模式2(回流区内长时间徘徊模式)占比最大，模式1(沿主流直接上溯模式)次之，模式3(遭遇模式)最少；随着体长减小，模式2占比逐渐增大，模式1占比减小，模式3变化不显著。

(2)在U=0.4 m/s水流情况下，大、中2种体长的鱼以模式2为主，模式1和模式3也占有一定比例。

(3)在U=0.6 m/s水流情况下，大、中2种体长的鱼3种模式占比比较接近。

(4)在U=0.8 m/s水流情况下，大、中鱼以模式1和模式3为主，模式4较少。

(5)在U=1.0 m/s水流情况下，大、中2种体长的鱼以模式2为主。

(6)随着试验水流流速增加，大、中鱼运动的模式3出现百分比都在增加，而模式1出现百分比在U=0.8 m/s水流的试验工况都出现明显下降，模式2出现百分比则一直相对稳定。

(7)由上文分析可见，在不同流速工况下大鱼和中鱼的运动规律并没有根本性的差异，故之后本文将只针对大鱼运动轨迹进行分析、介绍。

2.2 流场结构、涡量场与鱼类运动轨迹叠加效果图

利用fluent建立大涡模拟三维数学模型，对不同特征流速情况下的突扩明渠分离再附着水流特性进行模拟分析, 选择单边突扩明渠结构为代表性研究对象，突扩断面上游长5 m，下游8 m,算出流场结构和涡量场，并将流场结构与红鲫鱼运动轨迹点进行叠加，以黑色圆点代表红鲫鱼运动轨迹点(见图9～18)。在实际观察中大鱼和中鱼运动规律并没有明显区别，所以只给出大鱼运动轨迹与流场结构叠加效果图，涡量场也作同样处理。

图9 U=0.2 m/s流场结构中大鱼运动轨迹点

图10 U=0.2 m/s涡量场中大鱼运动轨迹点

图11 U=0.4 m/s流场结构中大鱼运动轨迹点

图12 U=0.4 m/s涡量场中大鱼运动轨迹点

图13 U=0.6 m/s流场结构中大鱼运动轨迹点

图14 U=0.6 m/s涡量场中大鱼运动轨迹点

图15 U=0.8 m/s流场结构中大鱼运动轨迹点

图16 U=0.8 m/s涡量场中大鱼运动轨迹点

图17 U=1.0 m/s流场结构中大鱼运动轨迹点

图18 U=1.0 m/s涡量场中大鱼运动轨迹点

2.3 流场结构、涡量场与鱼类特征运动轨迹线叠加

将流场结构、涡量场与红鲫鱼特征运动轨迹线进行叠加，以黑色虚线代表红鲫鱼特征运动轨迹线(见图19～26)。

图19 流场结构中模式1鱼类运动轨迹线

图20 涡量场中模式1鱼类运动轨迹线

图21 流场结构中模式2鱼类运动轨迹线

图22 涡量场中模式2鱼类运动轨迹线

图23 流场结构中模式3鱼类运动轨迹线

图24 涡量场中模式3鱼类运动轨迹线

图25 流场结构中模式3鱼类运动轨迹线

图26 涡量场中模式3鱼类运动轨迹线

3 讨 论

3.1 鱼类游动范围分析

图9～图18分别给出了不同水流条件下大鱼在流场结构和涡量场图中活动范围，以黑色圆点显示鱼类轨迹点。从图中分析可知：

(1)由图9和图10可知，在U=0.2 m/s水流情况下，大鱼主要活动范围分布在角窝低流速区、回流区下壁近壁区、上壁近壁区，以及回流区中心点至再附着点之间的主流区，在主流大流速区和角点下游大涡量带出现游动情况较少。

(2)由图11和图12可知，在U=0.4 m/s水流情况下，大鱼活动范围主要分布在角窝低流速区、回流区下壁近壁区、上壁近壁区，突扩断面至再附着点区段主流区和回流区，其他区域也有部分轨迹点分布，在角点下游大涡量带出现游动情况则相对较少。

(3)由图13和图14可知，在U=0.6 m/s水流情况下，大鱼主要分布在角窝低流速区、回流区下壁近壁区、上壁近壁区，在主流大流速区和角点下游大涡量带出现游动情况则相对较少。

(4)由图15和图16可知，在U=0.8 m/s水流情况下，大鱼活动范围基本集中在角窝低流速区，回流区下壁近壁区，上壁近壁区也有少量大鱼轨迹点出现，在主流大流速区和角点下游大涡量带出现游动情况则相对较少。

(5)由图17和图18可知，在U=1.0 m/s水流情况下，大鱼活动范围基本集中在角窝低流速区，回流区下壁近壁区，上壁近壁区也有少量大鱼轨迹点出现，在主流大流速区和角点下游大涡量带出现游动情况则相对较少。

综上所述，各种水流条件下，鱼类主要活动区域位于角窝低流速区、回流区下壁近壁区、上壁近壁区；在较小的特征流速(U=0.2～0.4 m/s)情况下主流区和回流区其他区域也有部分轨迹点分布；当特征流速U=0.6～1.0 m/s时，鱼类主要活动范围集中在角窝低流速区，回流区下壁近壁区，上壁近壁区也有少量鱼类轨迹点出现。鱼类在主流大流速区和角点下游大涡量带出现游动情况则相对较少。

3.2 鱼类游动行为与水流响应关系分析

图19～26给出了不同水流条件下鱼类3种游动模式代表性游动轨迹线与流场结构、涡量场叠加效果图，综合各种游动模式代表性轨迹线的叠加图分析可知：

(1)由图19和图20可知，在模式1情况下，鱼类游动轨迹线总体与流线保持平顺，所经历的上壁近区大涡量和主流区流速变化对鱼类游动速度影响关系不显著。

(2)由图21和图22可知，在模式2情况下，鱼类在角窝、回流区下壁等区域长时间以较低游动速度徘徊，所在区域流速、涡量非常小，鱼类游动速度基本不受此2者影响；但在徘徊的过程中遇到流速大幅增大或大涡量时，鱼类也出现快速响应情况。

(3)由图23～图26可知，在模式3情况下，由于鱼类游动范围较大，轨迹线所经历的流速大小和流向、涡量等都有较大变化，鱼类在游动过程中对流速或涡量较大变化时也不断调整游动速度以适应水流变化。当鱼类经过角窝下游的大涡量带时，鱼类游动速度改变较大。

4 结 语

本实验针对喜流性淡水鱼类，开展突扩明渠中不同来流条件下的鱼类游泳行为水槽试验，采用高速摄像机和运动分析软件分别观测和分析了鱼类游动轨迹、游动模式和游动范围，结合大涡模拟数学模型分析突扩明渠水流运动特性，分析了各种突扩明渠分离再附着水流对鱼类游动行为影响规律，得出了鱼类游泳行为与突扩明渠结构分离再附着水流响应关系。研究成果加深了复杂水流对鱼类行为影响的认识，对鱼类栖息地微观水流环境修复、过鱼设施设计和水电站枢纽调度管理等具有重要参考价值。

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