CN111802287A - 基于漂流性鱼卵胚体发育时间的产卵场定位反演模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于漂流性鱼卵胚体发育时间的产卵场定位反演模拟方法，在预设检测位置采集鱼卵；对采集的鱼卵的发育时间进行鉴定得到鱼卵的漂流时间；建立网格化的二维水流模型，并计算二维水流模型中每个网格节点的流速；基于二维水流模型中每个网格节点的流速及鱼卵的漂流时间，将每颗采集到的鱼卵运动作为一个模拟对象进行反演计算，实现对产卵场的定位。本发明基于二维水流数学模型将水流进行了网格化，从而计算得到了水流的流场分布，再根据鱼卵的采集位置及漂流时间推演定位鱼类产卵场的位置。与现有技术中将水流视为匀速流体的方式相比，本发明考虑了不同位置的水流流速的不同，进而极大地提高了鱼类产卵场定位的精确性。

Description

基于漂流性鱼卵胚体发育时间的产卵场定位反演模拟方法

技术领域

本发明涉及定位技术领域，具体涉及基于漂流性鱼卵胚体发育时间的产卵场定位反演模拟方法。

背景技术

长江是世界第三大河流，复杂多样的地貌地形造就了长江流域生境及物种的多样性，鱼类资源的种类和数量都在世界上占据着重要地位。鱼类资源是长江生态环境演变的指示性生物，而鱼类资源的保护首先是其生境的保护，而鱼类生境保护的核心是“三场一通道”，即产卵场、越冬场、索饵场以及回游通道生境的营造与保护。产卵和鱼卵的顺利孵化是鱼类繁殖和生长发育的基础，而漂流性鱼卵在随水迁移的同时进行孵化。在长江上游分布有20余种产漂流性卵的鱼类(如胭脂鱼和四大家鱼)，具有不可替代和十分重要的经济和物种价值。

随着各个大型水利工程的建设和运行，长江上游的产卵场数量、位置和产卵规模或发生根本性的变化。目前，长江上游产漂流性卵鱼类产卵场的确切信息相当匮乏，给长江上游生态航道建设以及鱼类资源的保护带来了极大的不便。

自20世纪80年代以来我国修建了大量水利工程和大规模整治河道，极大改变了河流鱼类原有的产卵和栖息环境。加之过度捕捞等人为原因，致使鱼类资源大量减少。例如，对于产漂流性鱼卵的青鱼、草鱼、鳙和鲢(四大家鱼)，其种群数量明显下降，渔获量占比从1974年的46.2％下降到1990年的10％左右。捕捞规格下降，渔获物呈小型化、低龄化趋势，四大家鱼资源量明显下降。而产卵场是鱼类栖息地中重要且敏感的场所。鱼类资源量下降与产卵场条件受到破坏密切相关，产卵场规模缩小、产卵场水动力条件的改变使鱼类产卵时间、产卵量受到影响，从而影响鱼类资源量。

鱼卵是鱼类生长发育和繁殖的基础，鱼卵运动是鱼类早期发育的一个重要阶段。四大家鱼等漂流性鱼卵的孵化过程是在漂流的过程中进行的，因此鱼卵漂流运动关系着鱼类的成功孵化和资源补充。一直以来，产卵场位置主要依据所采到的各种不同发育期的鱼苗、鱼卵，同时依据当时的水温和流速来推算出卵苗漂流距离,推断产卵场位置：

L＝VT

L一漂流性鱼卵的漂流距离，单位为m；

V一采集江段的平均流速，单位为m/s；

T一胚胎发育所经历的时间，单位为s。

沿用至今的产卵场位置推算方法主要利用采集到卵苗的发育时间和江水平均流速，反推上游产卵场位置。估算的产卵场范围往往在20至40公里，有些甚至达70公里，推算误差可达数十公里，不利于鱼类产卵场定位和开展精准保护。

因此，如何对鱼类产卵场进行精确定位，成为了本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明实际解决的问题包括：如何对鱼类产卵场进行精确定位。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

基于漂流性鱼卵胚体发育时间的产卵场定位反演模拟方法，包括：

S1、在预设检测位置采集鱼卵；

S2、对采集的鱼卵的发育时间进行鉴定得到鱼卵的漂流时间；

S3、建立网格化的包括产卵场的二维水流模型，并计算二维水流模型中每个网格节点的流速；

S4、基于二维水流模型中每个网格节点的流速及鱼卵的漂流时间，将每颗采集到的鱼卵运动作为一个模拟对象进行反演计算，实现对产卵场的定位。

优选地，步骤S3包括：

S301、获取包括产卵场的二维水流模型，并将二维水流模型网格化；

S302、基于对应到河道地形得到水体深度信息；

S303、基于水体深度信息及二维水流数学模型计算每个网格节点的流速。

优选地，二维水流数学模型包括：

水流连续方程

ξ方向动量方程

η方向动量方程

k输运方程

ε输运方程

式中，ξ和η分别表示正交曲线坐标系中的两个正交曲线坐标；u和v分别表示沿ξ和η方向的流速，C_ξ和C_η分别表示正交曲线坐标系中的拉梅系数，

x_ξ和y_ξ分别表示沿ξ方向的坐标，x_η和y_η分别表示沿η方向的坐标，H表示水位，t表示时间，h表示水深；g表示重力加速度，σ_ξξ、σ_ξη、σ_ηξ和σ_ηη均表示紊动切应力υ_t表示紊动粘性系数，υ_t＝C_μK²/ε，k和ε分别表示紊动动能及紊动耗散系数，k和ε分别分别由对应的运输方程确定P_kv和P_εv均表示因床底切应力所引起的紊动效应，与摩阻流速u_*之间的关系为：

C_μ、σ_k、σ_ε、C_1ε和C_2ε均为经验系数，n为糙率系数。

优选地，步骤S4包括：

S401、获取鱼卵初始位置坐标，并将其作为鱼卵当前位置坐标；

S402、基于鱼卵当前位置坐标对应的网格节点流速计算平面二维水流流速V_x0和V_y0；

S403、基于公式

计算鱼卵上一时刻位置，式中，X和Y为鱼卵上一时刻位置坐标，X₀和Y₀为鱼卵当前位置坐标，dt为时间步长；

S404、若T-dt＝0，则将X和Y作为产卵场坐标，T表示鱼卵漂流时间；若T-dt＞0，则将T-dt作为新的鱼卵漂流时间，将鱼卵上一时刻位置坐标作为鱼卵当前位置坐标，将上一时刻作为新的当前时刻，返回执行步骤S402。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

本发明基于二维水流数学模型将水流进行了网格化，从而计算得到了水流的流场分布，再根据鱼卵的采集位置及漂流时间推演定位鱼类产卵场的位置。与现有技术中将水流视为匀速流体的方式相比，本发明考虑了不同位置的水流流速的不同，进而极大地提高了鱼类产卵场定位的精确性。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明公开的基于漂流性鱼卵胚体发育时间的产卵场定位反演模拟方法的方法流程图；

图2为现有的一维水流计算示意图；

图3为本发明中对一具体水流进行网格化的示意图；

图4为图3对应的深度示意图；

图5为图3对应的流场分布示意图；

图6为基于网格节点流速计算平面二维水流流速的示意图；

图7为二维流场分布示意图；

图8为单颗鱼卵反演推算示意图；

图9为多颗鱼卵反演推算示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明公开了基于漂流性鱼卵胚体发育时间的产卵场定位反演模拟方法，包括：

S1、在预设检测位置采集鱼卵；

本发明中，可在河道典型或特征断面对漂流性鱼卵进行采集。具体可在河流弯曲系数小于预设阈值的平直段沿河流宽度方向进行鱼卵的采集，这样便于确保能有效采集到鱼卵和估算鱼卵总量。

S2、对采集的鱼卵的发育时间进行鉴定得到鱼卵的漂流时间；

如表1所示，为部分鱼类的鱼卵胚体孵化时间对照表。对采集的鱼卵进行胚体发育时间鉴定，再根据鱼卵胚体发育阶段，即可相应得到其漂流时间。

表1典型的漂流性鱼卵胚体孵化时间对照表(h:min)

S3、建立网格化的包括产卵场的二维水流模型，并计算二维水流模型中每个网格节点的流速；

在对包含产卵场区域的二维水流进行数值模拟时，需要采集包含产卵场区域的二维水流的进口流量及出口水位边界。

S4、基于二维水流模型中每个网格节点的流速及鱼卵的漂流时间，将每颗采集到的鱼卵运动作为一个模拟对象进行反演计算，实现对产卵场的定位；

本发明中，可基于拉格朗日坐标系，将鱼卵群视为许多离散的单颗鱼卵进行直接模拟。将每一颗鱼卵运动作为一个模拟对象进行反演计算，根据鱼卵发育时间，即可追踪得出产卵场位置。

本发明基于二维水流数学模型将水流进行了网格化，从而计算得到了水流的流场分布，再根据鱼卵的采集位置及漂流时间推演定位鱼类产卵场的位置。与现有技术中将水流视为匀速流体的方式相比，本发明考虑了不同位置的水流流速的不同，进而极大地提高了鱼类产卵场定位的精确性。

具体实施时，步骤S3包括：

S301、获取包括产卵场的二维水流模型，并将二维水流模型网格化；

如图2所示，现有的一维水流模拟计算仅对单个断面进行，只能获得断面平均流速，一个断面只有一个流速值，因此用于鱼卵产卵场反演定位计算精度较低。

如图3所示，在本发明中，首先将包含产卵场区域的二维水流模型进行网格化。

S302、基于对应到河道地形得到水体深度信息；

如图4所示，为二维水流模型对应的深度示意图。

S303、基于水体深度信息及二维水流数学模型计算每个网格节点的流速。

如图5所示，在得到了深度信息及网格化的二维水流模型后，通过二维水流数学模型即可计算出每个网格节点的流速。

具体实施时，天然河道常蜿蜒曲折，为克服计算域边界起伏变化较大的问题，目前通常使用计算网格与河道边界贴合的方法，即利用贴体正交曲线坐标系进行计算。采用Willemse导出的正交曲线坐标方程作为转换方程：

其中，

J＝x_ξy_η-x_ηy_ξ；P、Q为调节因子。假定水域中的水体做有势运动，其流线簇与势线簇必然正交，可导出以网格间距变化为调节因子的贴体正交曲线坐标方程：

(1)水流连续方程

(2)ξ方向动量方程

(3)η方向动量方程

其中，ξ、η分别表示正交曲线坐标系中的两个正交曲线坐标；u、v分别表示沿ξ、η方向的流速；h表示水深；H表示水位；C_ξ、C_η表示正交曲线坐标系中的拉梅系数：

σ_ξξ、σ_ξη、σ_ηξ、σ_ηη表示紊动切应力：

其中，υ_t表示紊动粘性系数，即

υ_t＝C_μK²/ε

式中，k及ε分别为紊动动能及紊动耗散系数，由k及ε的输运方程确定。

(4)k输运方程

(5)ε输运方程

其中：

P_kv、P_εv表示因床底切应力所引起的紊动效应，与摩阻流速u_*之间的关系为：

C_μ、σ_k、σ_ε、C_1ε、C_2ε为经验系数，取C_μ＝0.09，σ_k＝1.0，σ_ε＝1.3，C_1ε＝1.44，C_2ε＝1.92；n为糙率系数。

对比方程(1)～(6)可知，各方程的形式是相似的，可表达为如下的通用格式：

其中，Γ为扩散系数；C为源项。在数值计算时，只需对上式编制一个通用程序，所有控制方程均可用此程序求解。在对控制方程的差分离散和求解过程中，本模型采用了如下几项技术和方法：

(1)在利用控制体积法(或称有限体积法)离散通用方程时，为解决压力梯度项和连续方程离散的困难，采用交错网格的方法。

(2)离散中对流－扩散项采用幂函数格式。

(3)由通用方程及各控制方程可见，各方程的主要差别在源项上。源项通常是因变量的函数，为加快计算收敛，对各方程源项进行负坡线性化处理。

(4)差分方程的求解采用三对角矩阵算法(TDMA)逐行求解。

(5)数值计算采用提出的SIMPLEC法。为避免由计算机截断误差引起的发散，在数值计算中采用了欠松弛技术。其收敛标准是：连续方程的剩余质量源与入口质量流之比小于0.5％。

边界条件的给法为：进口边界给定流量，出口边界给定水位。对于岸边界采用无滑移条件，即岸边流速为零。

动边界的处理方法为：对于边滩及心滩随着水位的升降边界发生变化时，采用动边界技术。即根据水深(水位)结点处河底高程，可以判断该网格单元是否露出水面，若不露出，糙率n取正常值；反之，n取一个接近于无穷大(如1030)的正数。在用动量方程计算出露单元四边流速时，其糙率采用相邻结点糙率的平均值。无论相邻单元是否出露，平均阻力仍然是一个极大值。这样动量方程式中其它各项与阻力项相比仍然为无穷小，计算出露单元四周流速一定是趋于零的无穷小量。为使计算能正常进行，在出露单元水深点给定微小水深(0.005m)。

具体的模型求解方法为现有技术，在此不再赘述。

具体实施时，步骤S4包括：

S401、获取鱼卵初始位置(预设检测位置)坐标，并将其作为鱼卵当前位置坐标；

S402、基于鱼卵当前位置坐标对应的网格节点流速计算平面二维水流流速V_x0和V_y0；

如图6所示，设某颗鱼卵的当前位置坐标为O(x₀,y₀)，可搜索寻求包含其所在的网格节点分别为A、B、C、D，其相应水流流速为(V_xA,V_yA)、(V_xB,V_yB)、(V_xC,V_yC)、(V_xD,V_yD)，可按有限元基函数内插出该颗鱼卵所在位置的平面二维水流流速，设为V_x0和V_y0。

S403、基于公式

计算鱼卵上一时刻位置，式中，X和Y为鱼卵上一时刻位置坐标，X₀和Y₀为鱼卵当前位置坐标，dt为时间步长；

S404、若T-dt＝0，则将X和Y作为产卵场坐标，T表示鱼卵漂流时间；若T-dt＞0，则将T-dt作为新的鱼卵漂流时间，将鱼卵上一时刻位置坐标作为鱼卵当前位置坐标，将上一时刻作为新的当前时刻，返回执行步骤S402。

如图7及图9所示，按照以上技术路线及思路，可准确反演推算出鱼卵的漂流轨迹，进而推算出整个鱼卵群的产卵场位置。为鱼类保护和产卵场的精准定位精确保护提供决策参考。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (4)

1.基于漂流性鱼卵胚体发育时间的产卵场定位反演模拟方法，其特征在于，包括：

S1、在预设检测位置采集鱼卵；

S2、对采集的鱼卵的发育时间进行鉴定得到鱼卵的漂流时间；

S3、建立网格化的包括产卵场的二维水流模型，并计算二维水流模型中每个网格节点的流速；

S4、基于二维水流模型中每个网格节点的流速及鱼卵的漂流时间，将每颗采集到的鱼卵运动作为一个模拟对象进行反演计算，实现对产卵场的定位。

2.如权利要求1所述的漂流性鱼卵胚体发育时间的产卵场定位反演模拟方法，其特征在于，步骤S3包括：

S301、获取包括产卵场的二维水流模型，并将二维水流模型网格化；

S302、基于对应到河道地形得到水体深度信息；

S303、基于水体深度信息及二维水流数学模型计算每个网格节点的流速。

3.如权利要求1所述的基于漂流性鱼卵胚体发育时间的产卵场定位反演模拟方法，其特征在于，二维水流数学模型包括：

水流连续方程

ξ方向动量方程

η方向动量方程

k输运方程

ε输运方程

式中，ξ和η分别表示正交曲线坐标系中的两个正交曲线坐标；u和v分别表示沿ξ和η方向的流速，C_ξ和C_η分别表示正交曲线坐标系中的拉梅系数，

x_ξ和y_ξ分别表示沿ξ方向的坐标，x_η和y_η分别表示沿η方向的坐标，H表示水位，t表示时间，h表示水深；g表示重力加速度，σ_ξξ、σ_ξη、σ_ηξ和σ_ηη均表示紊动切应力υ_t表示紊动粘性系数，υ_t＝C_μK²/ε，k和ε分别表示紊动动能及紊动耗散系数，k和ε分别分别由对应的运输方程确定P_kv和P_εv均表示因床底切应力所引起的紊动效应，与摩阻流速u_*之间的关系为：

C_μ、σ_k、σ_ε、C_1ε和C_2ε均为经验系数，n为糙率系数。

4.如权利要求1所述的基于漂流性鱼卵胚体发育时间的产卵场定位反演模拟方法，其特征在于，步骤S4包括：

S401、获取鱼卵初始位置坐标，并将其作为鱼卵当前位置坐标；

S402、基于鱼卵当前位置坐标对应的网格节点流速计算平面二维水流流速V_x0和V_y0；

S403、基于公式

计算鱼卵上一时刻位置，式中，X和Y为鱼卵上一时刻位置坐标，X₀和Y₀为鱼卵当前位置坐标，dt为时间步长；

S404、若T-dt＝0，则将X和Y作为产卵场坐标，T表示鱼卵漂流时间；若T-dt＞0，则将T-dt作为新的鱼卵漂流时间，将鱼卵上一时刻位置坐标作为鱼卵当前位置坐标，将上一时刻作为新的当前时刻，返回执行步骤S402。

Images