鱼道领域的相关研究现状分析

江慧 汪星 孟席

摘要：随着水利工程的建设发展，越来越多的挡水建筑物的修建，破坏了河流中洄游鱼类的休憩场所，鱼道作为一种帮助鱼类能够顺利上溯的重要设施，在种群交流中具有不可替代的作用，文章分析了鱼类游泳能力及行为特征研究、水力特性研究现状、鱼道的过鱼效果研究现状，对鱼道的设计以及运行提供参考。

关键词：过鱼设施；水力特性；研究现状

1研究背景

水利水电工程等截断河流，导致这个开放、连续的系统在能量流动、物质循环及信息传递等方面发生一系列的改变，使生活其中的鱼类生存所需的生境条件、水文情势发生变化，最终对鱼类资源产生影响可能被延迟或终止、这些影响会导致鱼类种群遗传多样性丧失，为了保护鱼类资源，恢复河流生物多样性，鱼道作为一种帮助鱼类能够顺利上溯的重要设施，在种群交流中具有不可替代的作用^[1]。

2 鱼类游泳能力及行为特征研究

近年来，随着计算机视觉监测技术迅速发展，鱼类行为的研究方法由人工记录转变为图片、视频分析，实现了高频率快速量化获取游泳行为参数。鱼类游泳行为参数主要包括鱼类轨迹、摆尾频率、摆尾幅度、游泳姿势、加速度和游泳速度等。鱼类行为研究不仅局限在单个个体，而且对鱼类种群的游泳行为也进行了研究，研究发现鱼类集群运动相较于单个个体运动可以很好地保存体力，通过群体运动能够更快地通过河流障碍物。通过对鱼类行为及游泳能力的理论研究，鱼道相关研究人员从鱼类行为的研究方法、鱼类游泳特性及鱼类的趋向特征等方面对鱼类行为特征研究领域作了全面的阐述，并针对鱼类行为学研究过程中出现如运动训练对鱼类游泳能力的提升，实际过鱼设施中流场的复杂性及鱼道数据的标准化等问题，提出了一些建设性的意见。大量的研究表明鱼类游泳特性会受到水体的PH、盐度、溶解氧浓度、悬浮颗粒物浓度及鱼类的体能状态及形态大小、运动疲劳、性别等因素的影响^[2]。

3 鱼道水力特性研究现状

为了实现鱼类快速洄游上溯，对鱼道中水力特征的分析是必不可少的。在水力特性方面的研究，大多数学者主要通过物理模型和数值模拟的方法对各水力学参数进行研究，探究结构内部水流流态、各水力学参数之间的相互关系以及以各参数为指标对鱼道结构的可行性进行分析。水力特性是鱼道设计过程中非常重要的参考因素之一，涉及到水流速度、流量、湍流动能、湍流强度、湍流消散率、水流剪切应力等多个水力参数。研究人员通过物理模型或原位场地试验研究，从而获取鱼道内各水力参数，辅助鱼道设计相关工作。鱼道建设完成后需要试运行一段时间，通过分析鱼道中的水流流态及过鱼效果等主要影响因素，对鱼道的运行效果进行科学评估，并对存在设计缺陷的部分进行试验优化，使鱼道能够达到良好的过鱼效果^[3]。

大量竖缝式、丹尼尔式、池室及组合式鱼道内的湍流速度、湍流动能、湍流消散率及雷诺应力等方面的相关研究表明：鱼道内水流湍流速度及强度会对鱼类栖息和洄游产生较大的影响。在高强度的湍流或漩涡区，由于水流方向比较混乱，造成环形流动，这样鱼类很难发现主流方向，容易在激流中迷失方向，尤其是未成年幼鱼在高速混沌水流条件下，很难通过尾鳍运动控制身体平衡。

大量的研究结果表明：通过合理地优化鱼道结构布设，能够很好地改善鱼道。为了模拟分析鱼道中水流流态及分布规律，研究人员将现代信息技术与传统水力学研究相结合，开发出一系列的数值模拟软件，如计算流体力学软件（CFD）、MATLAB、Fluent等，运用软件构建与实物具有相同比尺的结构模型，并将模型与理论流体力学方程相结合，在模型中演算各种水力参数的变化及分布特征。通过数值模拟研究鱼道中水流流态及分布规律，可以验证设计的鱼道实物或物理模型是否合理，并可以为鱼道结构优化布局提供数据参考，能够很好地辅助解决鱼道设计与运行过程中出现的技术难题。鱼道水力特性作为鱼道设计的前期初探，一直以来备受国内外研究人员关注，只有在弄清鱼道基本水力参数，使鱼道设计结构具有很好的过鱼效果，才可以说鱼道的设计和建设达到了最基本的要求^[4]。

4 鱼道的过鱼效果研究现状

鱼道的过鱼效率是衡量鱼道设计和运行效果很重要的指标，良好的过鱼效果是鱼道建设所要达到的最基本的要求。在过鱼效果方面，主要研究各水力因子对过鱼效果的影响和过鱼效果的监测手段。

目前对鱼道的过鱼效果的评价更多地聚焦在与鱼道性能相关的指标，如鱼道进口吸引率、鱼类通过的数目和种类及鱼道成功通过率等。可以采用PIT遥测与声学遥测相结合的方式，对过鱼目标通过鱼道进口吸引率及通过率进行调查，也可以采用PIT遥测与无线电遥测综合监测相结合的技术，对鱼道过鱼效果进行监测，主要监测指标有：进口吸引率、通过率、通过时间、进口延迟时间。还可以在主要过鱼季节内，采用张网监测的方法对鱼道的运行效果进行研究，结果发现不同季节水温和上游水位存在着怎样的变化，这两个因素会影响鱼类的活跃度，进而影响鱼类洄游迁徙。为了研究更好的提高过鱼效率，用PIT监测鱼类游泳路线，发现鱼类的通过效率与体长之间存在的联系。在研究鱼道过鱼效果的过程中，研究人员根据具体的实际情况采用的监测方法各不相同，如张网法、堵截法、水声学监测、无线电遥测、电捕捞法、视频监测、PIT标记等。理想鱼道的过鱼效果应该是个体通过鱼类通道时不会因为水流条件等原因出现迁徙延迟现象，进入鱼道内即能实现成功上溯，而且不会因为鱼道的建设过多地改变河流生态环境，给通过的鱼类带来疾病、被捕猎、伤害等额外的压力。

未来鱼道监测方向应当将重点更多地放在鱼道过鱼后监测和鱼类生理学方面的监测，不断改善监测技术、提高野外监测精度，对鱼道过鱼效果进行精准化、标准化监测，并在鱼类监测技术方面不断创新，开发出新的鱼道过鱼效果监测手段，更好的鱼道过鱼效果监测手段系统化、规范化、标准化及无伤化^[5]。

参考文献：

[1]王兴勇,郭军.国内外鱼道研究与建设[J].中国水利水电科学研究院学报,2005,3(03):222-228.

[2]金志军,陈小龙,王从锋等.应用于鱼道设计的马口鱼(Opsariichthys bidens)游泳能力[J].生态学杂志, 2017,36(09):2678-2684.

[3]王义川,王煜,林晨宇等.鱼道过鱼效果监测方法述评[J].生态学杂志,2018:1-11.

[4]边永欢,孙双科,郑铁刚,等.竖缝式鱼道180°转弯段的水力特性与改进研究[J].四川大学学报(工程科学版),2015(01):90-96.

[5]吴剑疆,邵剑南,李宁博.水利水电工程中高水头鱼道的布置和设计[J].水利水电技术, 2016,47(09):34-38.