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原文传递 D型柱障碍物对鱼类在仿自然鱼道内上溯行为的影响机理

论文题名：	D型柱障碍物对鱼类在仿自然鱼道内上溯行为的影响机理
关键词：	仿自然鱼道;鱼类上溯行为;障碍物型式;游泳动力学;流速偏好
摘要：	近年来，水利设施兴建引起的鱼类洄游通道受阻隔的问题被广泛关注，水电的梯级开发破坏了原有河流的连通性，导致有过坝需求的洄游鱼类资源量正在逐渐下降。为缓解闸坝工程对自然界鱼类资源造成的不利影响，促进上下游的鱼类遗传信息交流，维护自然鱼类的基因库、保证鱼类种群资源、维护鱼类种群结构等，鱼道作为恢复河流连通性的重要措施之一被广泛应用。随着我国低水头闸坝数量的逐步增加，仿自然鱼道作为辅助鱼通过低水头闸坝的重要措施之一近年来被广泛关注。仿自然鱼道内障碍物的设置形成了复杂的水流环境，而这些水力特性的变化会对目标鱼类的游泳行为学指标造成一定的影响，但鱼道内的水力特性变化取决于鱼道池室内障碍物的型式与结构以及排布方式。为此本文先找寻适合鱼类最佳的障碍物型式，分析其最佳障碍物型式下的水力特性的变化对试验鱼游泳动力学指标的具体影响，解析鱼在复杂水流环境中的运动行为；进一步根据最优障碍物结构下的仿自然鱼道内鱼类上溯行为评价指标来研究目标鱼类对不同工况下的水力条件的行为策略，分析单尾鱼和多尾鱼之间尝试率和成功上溯率等指标的差异性，探讨放鱼数量对鱼上溯行为的影响。本研究中复杂流场下鱼类行为学指标的变化、鱼类上溯行为特征分析、鱼类水力因子偏好曲线等研究结果均可为鱼类行为学研究提供重要参考，也可为我国仿自然鱼道进口和池室内部流速设计及优化提供重要参考依据。本文的研究工作及结论如下：　　（1）通过研究不同障碍物型式对鲢幼临界游泳能力的影响测试，结果表明：在D型下，鲢幼鱼的临界游泳速度最大，为76.86±9.27cm/s，显著高于方柱和圆柱两种型式下的鲢幼鱼的临界游泳能力。D型柱更有利于提高鱼类的临界游泳能力，因此D型柱为最优障碍物型式。　　（2）通过研究D型柱下复杂流场对鲢游泳动力学的影响，分析不同来流速度（1BL/s，3BL/s和5BL/s）下鲢顶流静止和顶流前进时的游泳动力学表现，提取其速度、加速度、摆尾频率、摆尾幅度和运动步长等指标。在流速为3BL/s下，鲢表现为顶流静止时障碍物下鲢的摆尾幅度显著高于自由来流(P＜0.05)，其摆尾频率相比于自由来流显著降低了24%(P＜0.05)；鲢表现为顶流前进时，在障碍物下鲢的摆尾频率、对地游泳速度、游泳加速度和运动步长要显著低于自由来流(Plt;0.05)，而摆尾幅度显著高于自由来流。鲢明显集中在距离障碍物后方约5-30cm处游动，停留时间占比达92.5%。当流速为1和5BL/s时，鲢没有表现出非常明显的位置偏好；在自由来流中鲢常贴壁游泳，没有明显的位置偏好，表明障碍物和流速的结合可为鱼类提供水流藏匿场。　　（3）通过室内仿自然鱼道，开展了目标鱼类在4种不同流量工况下（Q1=11L/s，Q2=17L/s，Q3=23L/s，Q4=31L/s）的上溯行为试验。结果表明：Q1流量下目标鱼类的尝试率显著低于其他工况，4种工况下目标鱼类的上溯成功率均高于80%；鱼在上溯过程中呈现“八字型”、“贴壁型”、“绕柱型”三种典型上溯轨迹，在低流量工况（Q1、Q2）下，主要选择以八字型轨迹进行上溯；在高流量（Q3、Q4）工况下，主要选择以绕柱型轨迹上溯。分析其游泳速度和上溯时间发现：绕柱型轨迹上溯时游泳速度显著低于其他两类轨迹（P＜0.05）；低流量下，鱼可以以较快的速度和较短的时间完成上溯，八字型轨迹是最佳的上溯路径；在高流量下，绕柱型轨迹可以最大程度的提高鱼的运动效率，从而提高过鱼效果。　　（4）将鱼道池室内流态分布与鱼类上溯轨迹耦合发现：4种流量工况下鲢的共同偏好流速范围为0.14m/s-0.28m/s，鳅的偏好流速为0.13m/s-0.34m/s，草鱼的偏好流速为0.13m/s-0.36m/s。　　（5）对多尾鱼的流速偏好曲线分析得知：3尾鱼4种流量工况下的共同流速范围为0.16m/s-0.37m/s；5尾鱼的共同流速范围为0.18m/s-0.42m/s，较单尾鱼有了显著性(P＜0.05)的提升。结果表明：随着放鱼数量的增大，在低流速下，鱼道内鱼类的尝试率和成功上溯率显著提升(P＜0.05)；在高流速下，鱼群的游泳速度显著增大(P＜0.05)，目标鱼类的尝试时间和上溯时间显著缩短(P＜0.05)。
作者：	姜泽文
专业：	水利工程
导师：	石小涛
授予学位：	硕士
授予学位单位：	三峡大学
学位年度：	2021