不同宽度溢洪道斜坡对下游洄游鱼类水力条件的影响研究

为解决大坝影响鱼类洄游问题，研究人员探究 45° 斜坡宽度对溢洪道水力条件影响，发现 10% 宽度比斜坡利于鱼类洄游。

　　在大自然的水系中，河流一直扮演着至关重要的角色，它不仅是地球水文循环的关键环节，还滋养着无数的生命。然而，随着人类社会的发展，大坝的建设虽然为人们带来了诸如发电、防洪等诸多益处，但也给河流生态系统尤其是鱼类的生存和繁衍带来了巨大挑战。据统计，2022 年全球约 15% 的电力来自水电，像挪威、加拿大等国家水电占比更是高达 88%、60% 。不过，大坝的存在阻碍了鱼类的洄游路线，使鱼群隔离，还增加了鱼类受伤和死亡的风险。例如，Radinger 等人对超过 27.5 万条来自 75 个物种的鱼进行研究，发现鱼类通过涡轮机时的平均死亡率为 22.3%，不同涡轮机类型和鱼类物种的死亡率差异显著，其中鲑科鱼类在不同涡轮机中的死亡率从卡普兰涡轮机的 8.6% 到弗朗西斯涡轮机的 26.2% 不等，鳗鱼在小型水轮机中的死亡率甚至可达 100% 。

为了减少大坝对鱼类的负面影响，人们一直在探索有效的解决办法。过去，对上游洄游鱼类的研究和保护措施相对较多，如开发了多种鱼道帮助鱼类向上游洄游。但下游洄游鱼类面临的问题却长期被忽视，相关研究和技术也较为滞后。溢洪道作为水利设施的重要组成部分，在调节水库水量的同时，也影响着鱼类的洄游。此前研究多集中在全宽度斜坡对水流和鱼类洄游的影响，而在实际应用中，在溢洪道安装全宽度斜坡可能并不现实。因此，研究不同宽度斜坡对溢洪道水力条件以及下游洄游鱼类的影响具有重要的现实意义。

加拿大曼尼托巴大学（University of Manitoba）等机构的研究人员开展了一项实验研究，旨在探究不同宽度的 45° 上游溢洪道斜坡对引导鱼类下游洄游的湍流流动特性的影响。该研究成果发表在《Scientific Reports》上。

研究人员采用了粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry，PIV）进行实验。实验在曼尼托巴大学的湍流与水利工程实验室（Turbulence and Hydraulic Engineering Laboratory，THEL）的开放式循环水槽中进行。水槽由单级轴流叶轮泵提供动力，流速可在 0.03 - 2.00m/s 之间连续调节。实验模型采用 45° 改良溢洪道，改变其上游斜坡的跨度宽度，分别设置为溢洪道宽度的 10%、25% 和 50%，同时保持水深和来流速度恒定。利用 PIV 系统在多个垂直和跨度平面上测量流速场，并分析平均流速、空间速度梯度、雷诺应力和湍流动能（Turbulent Kinetic Energy，TKE）等统计数据。

研究结果如下：

1. 壁面法向平面内的流动特性
   • 平均流型：在不同宽度比的斜坡下，P1 平面上靠近斜坡处流线靠近且偏离底壁，形成小的再循环气泡。10% 宽度比的再循环气泡最小，25% 和 50% 宽度比的气泡大小相近。在 P2 和 P3 平面，水流撞击溢洪道后分叉，大部分流向溢洪道顶部，小部分在溢洪道底部形成大的再循环气泡，且 P3 平面的气泡更大。
   • 平均流向速度：随着斜坡宽度比增加，靠近斜坡和通过斜坡时的流速增大，在溢洪道顶部流速峰值显著增大（U/Ue?>4）。
   • 空间速度梯度（Spatial Velocity Gradient，SVG）：靠近溢洪道底部，由于水流受阻，SVG 为负值。斜坡上的 SVG 值较低，10% 宽度比的斜坡 SVG 变化更平缓，升高区域更小。靠近溢洪道顶部，SVG 值显著增大（?U/?x>9 m s?1 m?1） 。
   • 湍流动能：在斜坡和溢洪道上游，TKE 较低，靠近底壁处因湍流边界层 TKE 较高。在斜坡（P1）、P2 和 P3 平面靠近溢洪道处，TKE 因流动分离而增加。10% 宽度比的斜坡 TKE 最低，且随着宽度比增加 TKE 增大。在溢洪道顶部，由于水流截面减小和流速增加，TKE 显著增大。
   
   
2. 跨度平面内的流动特性
   • 平均流型：在 P4 平面靠近底壁处，随着斜坡宽度比增加，水流分叉现象更明显，回流量增大，可能导致鱼类回避行为。10% 宽度比的斜坡部分水流会被引导回斜坡，有利于引导靠近溢洪道的鱼类。在 P5 平面，随着离壁垂直距离增加，水流开始均匀化，但仍存在跨度不均匀性。在 P6 平面，水流经过溢洪道顶部时加速且均匀化，W 显示出流向斜坡的趋势。
   • 湍流动能：在溢洪道和斜坡上游（除 10% 宽度比斜坡外），TKE 升高区域存在。10% 宽度比的斜坡 TKE 最低，随着宽度比增加 TKE 增大。在 P6 平面，所有测试案例的 TKE 水平都可忽略不计。
   
   

研究结论和讨论部分指出，鱼类的游泳行为受水力条件影响，如水流速度、TKE 和速度梯度。10% 宽度比的斜坡形成的水力条件对下游洄游鱼类最为有利，其再循环区域最小，流速、雷诺应力和 TKE 在靠近底壁和自由表面处都最低。然而，部分宽度斜坡周围的水流跨度不均匀性可能会影响鱼类的洄游路线和时间，特别是对靠近河床游泳的鱼类。因此，在选择 10% 宽度比斜坡和全宽度斜坡时，需要综合考虑鱼类物种、生活阶段、游泳路径以及溢洪道改造的成本和难度。未来还需要通过不同物种的现场测试来验证鱼类的反应，并进一步评估部分宽度斜坡的洄游有效性。

这项研究为优化溢洪道设计、促进鱼类下游洄游提供了重要的理论依据，有助于在水利工程建设和鱼类保护之间找到更好的平衡，对于维护河流生态系统的健康和稳定具有重要意义。