CN112779893B - 一种基于鱼类集群行为习性的鱼道设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于鱼类集群行为习性的鱼道设计方法，S1、将D形断面柱体按矩形和菱形形状的方式布置；S2、根据过坝目标鱼种体长度和水流雷诺数R_ed，设置D形断面柱体纵向间距；S3、根据过坝目标鱼种体长度和水流流速设置横向相邻两个D形断面柱体间的距离；S4、根据过坝目标鱼种摆尾幅度设置D形断面柱体宽度d；S5、根据鱼道运行水深设置D形断面柱体的高度。本发明基于鱼类集群行为习性特征，提出能够产生尾流涡旋的D形断面柱体型式的鱼道布置设计方法，下游来的鱼类可以从D形断面柱体发生的涡街中获取能量，用于增加鱼类的动能，提高游动效率，即鱼类利用卡门涡旋和“槽道效应”提高自身的游动效率，从而达到提高鱼道的过鱼效果目的。

Description

一种基于鱼类集群行为习性的鱼道设计方法

技术领域

本发明属于鱼道结构的技术领域，具体涉及一种基于鱼类集群行为习性的鱼道设计方法。

背景技术

鱼道作为洄游鱼类等水生动物通过人工闸坝的重要设施，对协调大坝建设与生态环境的矛盾起到重要作用，通过在挡水建筑物上设置鱼道，以满足洄游性鱼类的上溯或降河要求。国内外研究者在大量的研究和观测基础上，已经提出了水池式、竖缝式、挡板式、简易式、鱼梯和鱼闸等多种形式的鱼道，每种鱼道形成不同的水流条件，以适应不同鱼类顺利通过闸坝等挡水建筑物。

目前，在进行鱼道设计时，一般都要求做鱼道水力学试验和过坝目标鱼种的游泳能力试验。鱼类身体表面存在感知流场环境变化的侧线，可以根据不同的流场环境实时调整动作和姿态，从而充分利用流场中的能量来提升推进性能。这是当前从水力学和鱼类游泳能力角度考虑鱼道设计的主要科学依据。而从有关鱼类行为学的研究可知，鱼类除了通过侧线对水流感知之外，其视觉，听觉、嗅觉、味觉、丘状感受器的触觉等对光照和栖息地底质颜色的选择产生影响、也对鱼类穴居行为、洄游习性、昼夜活动节律等行为学特征产生影响，从而影响鱼类游泳行为。

集群是鱼类生物中一种常见的行为现象，特定编队的集群运动可以显著提高鱼群的游动效率。生物学家通过观测指出，80％的鱼类具有群游特性，尤其是小型鱼类，几乎是100％具有群游特性。有研究表明，当鱼进行低速游动时,更多采用交错跟随的形式，而当鱼需要高速游动时，会采用并列的队形游动^[1]。当迁徙时，许多鱼类会成群结队地朝同一方向游动,并且与邻近的同类保持接近恒定的间距。鱼类集群行为习性是除了生物学上增强对抗天敌的能力，降低被捕食的几率，提高觅食效率，并增进鱼类之间的交往和繁殖等原因外，从流体力学的角度来看，鱼群集群游动过程中的水动力优势可以有效节省能量消耗，鱼类群游能够增强鱼类自身的运动能力并提高游动效率。

根据现有文献，最早进行鱼集群游动中节能机制研究的是Breder^[2]。Breder通过观察发现，鱼类在群游时，鱼的侧向间距通常是从鱼侧面到其产生漩涡轨迹外缘的距离的两倍，这种分布确保了漩涡的完整性。他提出鱼群在游动时，维持这些漩涡的完整性对鱼类游动效率很重要，并认为这是决定一个鱼群中的鱼类相互接近程度的重要因素。

Park^[3]等人数值模拟了二维柔性波动板在串联、对角、三角形和菱形编队中自主运动，并分析了波动板之间流体介质的相互作用。其中，每个波动板的前端做横向起伏运动，后端随周围的流体被动运动。在串联和对角编队中，后排波动板的功率分别比前排波动板低14％和6％。三角形和菱形编队的平均效率分别比单独运动时提高了14％和19％。在菱形编队的第二列和第三列中运动的波动板功率可分别减少约24％和40％。

Chen^[4]等人通过数值仿真研究了三条鱼编队的推进力和功率消耗。相较于单独游动，集群游动最大的平均功耗可以减少20％。Chen认为主要有两种原因产生节能效果，一是在鱼体波动周期的某时刻，两条鱼之间由于“槽道效应”产生的低压区可以被动地促进头部偏转和尾鳍摆动；二是前方鱼产生的漩涡有助于后方鱼头部的摆动，利于降低功耗产生节能效果。

综上所述，参考图1，目前对于鱼类集群效应的节能机理方面，基本有两个理论基础，即“槽道效应”和“涡流假说”理论。其中，“槽道效应”的假设认为鱼紧密地挨在一起可以有效地利用旁边涡街诱导出的流动，当同一列中相邻的鱼反相游动时受益更大。“涡流假说”认为，鱼类可置身于前方鱼的尾部涡流中，通过调整姿态利用尾涡降低与迎面而来的水流的相对速度。

鱼道是一个鱼类行为习性与水力学等多学科交叉的课题，但是当前大多数鱼道设计一般由具有水利工程背景的学者和设计人员从水力学角度研究和设计，忽略了重要的鱼类集群、视觉运动反应、洄游等行为习性对鱼类游动的影响机制。当前鱼道设计中只考虑一个设计流速，很难满足不同鱼类对鱼道水流的需求。因此，在鱼道设计时应考虑水流与鱼的相互作用关系基础上，从鱼类行为习性的角度考虑鱼类集群习性及基于鱼群的节能机制设计鱼道结构，形成有利于提高鱼类游动效率的水流条件。

传统的鱼道水力学设计，主要通过增加局部阻力降低鱼道内部流速，将控制断面的流速降低到小于鱼类克流能力流速。

参考文献：

1、Ashraf I,Bradshaw H,Ha T T,Halloy J,Godoy-Diana R,Thiria B.Simplephalanx pattern leads to energy saving in cohesive fish schooling.Proceedingsof the National Academy of Sciences,2017,114(36):9599-9604

2、Breder C M.Vortices and fish schools.Zoologica:ScientificContributions of the New York Zoological Society,1965,50(10):97-114

3、Park S G,Sung H J.Hydrodynamics of flexible fins propelled intandem,diagonal,triangular and diamond configurations.Journal of FluidMechanics,2018,840:154-189

4、Chen Szu-Yung,Fei Yueh-Han,Chen Yi-Cheng,Chi Kai-Jung,Yang Jing-Tang.The swimming patterns and energy-saving mechanism revealed from threefish in a school.Ocean Engineering,2016,122:22-31

5、张天栋,王睿,程龙,王宇,王硕.鱼集群游动的节能机理研究综述.自动化学报,2020,45(x):1-13。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种基于鱼类集群行为习性的鱼道设计方法，以解决或改善上述的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于鱼类集群行为习性的鱼道设计方法，其包括：

S1、将D形断面柱体按矩形和菱形形状的方式布置；

S2、根据过坝目标鱼种体长度和水流雷诺数R_ed，设置D形断面柱体纵向间距；

S3、根据过坝目标鱼种体长度和水流流速设置横向相邻两个D形断面柱体间的距离；

S4、根据过坝目标鱼种摆尾幅度设置D形断面柱体宽度d。

S5、根据鱼道运行水深设置D形断面柱体的高度。

优选地，S2中D形断面柱体纵向间距设置为鱼种体长度的3.0～4.0倍。

优选地，S2中D形断面柱体的水流雷诺数R_ed为：

其中，f_{D形断面柱体}为D形断面柱体后面漩涡的脱落频率；μ₀为水流流速；v为水体运动粘性系数；d为D形断面柱体宽度，当R_ed值取大于40时，则D形断面柱体后面的水体流态稳定，开始摆动，并在D形断面柱体后面形成稳定的卡门涡街。

优选地，D形断面柱体后面卡门涡街的脱落频率f_{D形断面柱体}采用斯特洛哈尔数S_{tD形断面柱体}表示为：

优选地，S3中相邻两个D形断面柱体间的距离大于等于鱼种体长度的1.5～2.0倍。

优选地，鱼类采用周期运动，通过速度障碍时采用瞬时运动模式，鱼运动速度为：

其中，U为鱼运动速度；f_鱼为鱼尾摆动频率；A为尾流宽度；S_t鱼为鱼类波状摆动所产生的反卡门涡街的斯托洛哈尔数，取值为0.25～0.40。

优选地，根据D形断面柱体后面卡门涡街和高效推进的鱼类波状摆动所产生的反卡门涡街的斯托洛哈尔数，得到S_{tD形断面柱体}为0.25～0.3，对应的R_ed＝10³～10⁷。

优选地，D形断面柱体宽度d为过坝目标鱼种体长和游泳的0.8～1.0倍。

优选地，D形断面柱体的高度为高于鱼道设计水位20cm。

优选地，D形断面柱体的断面形状包括一种结构为头部使圆形和椎体形状组成，后部为矩形的D形断面柱体，和另一种头部为半圆形，后部矩形的D形断面柱体。

本发明提供的基于鱼类集群行为习性的鱼道设计方法，具有以下有益效果：

本发明基于鱼类集群行为习性特征，提出能够产生尾流涡旋的D形断面柱体型式的鱼道布置设计方法，下游来的鱼类可以从D形断面柱体发生的涡街中获取能量，用于增加鱼类的动能，提高游动效率，即鱼类利用卡门涡旋和“槽道效应”提高自身的游动效率，从而达到提高鱼道的过鱼效果目的。

附图说明

图1为两种节能机理假说示意图^[5]，其中，(a)为涡流效应，(b)为槽道效应。

图2为基于鱼类集群行为习性的鱼道设计方法的鱼道型式-矩形。

图3为基于鱼类集群行为习性的鱼道设计方法的鱼道型式-菱形。

图4为基于鱼类集群行为习性的鱼道设计方法的D形断面柱体头部形状。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的一个实施例，参考图2-图3，本方案的基于鱼类集群行为习性的鱼道设计方法，包括：

S1、将D形断面柱体按矩形和菱形形状的方式布置；

S2、根据过坝目标鱼种体长度和水流雷诺数R_ed，设置D形断面柱体纵向间距；

S3、根据过坝目标鱼种体长度和水流流速设置横向相邻两个D形断面柱体间的距离；

S4、根据过坝目标鱼种摆尾幅度设置D形断面柱体宽度d。

S5、根据鱼道运行水深设置D形断面柱体的高度。

根据本申请的一个实施例，以下将对上述步骤进行详细说明；

S1、将D形断面柱体按矩形和菱形形状的方式布置；

将D形断面柱体按矩形和菱形形状的方式布置，可形成规则尾涡和“槽道效应”。

S2、根据过坝目标鱼种体长度和水流雷诺数R_ed，设置D形断面柱体纵向间距，其具体包括：

D形断面柱体前后(纵向)间距根据过坝目标鱼种体长度、水流雷诺数R_ed大小综合决定，以达到通过对尾流结构的控制可以提高鱼类游动效率的目的。

D形断面柱体前后(纵向)间距可以取鱼种体长度的2.0～4.0倍。

另外，对于D形断面柱体，雷诺数R_ed为：

其中，f_{D形断面柱体}为D形断面柱体后面漩涡的脱落频率；μ₀为水流流速；v为水体运动粘性系数；d为D形断面柱体宽度。R_ed值取大于40，此时D形断面柱体后面的水体流态稳定，开始摆动，类似于鱼类游泳时的尾巴摆动。并在D形断面柱体后面一定距离处形成稳定的卡门涡街。

D形断面柱体后面卡门涡街的脱落频率f_{D形断面柱体}用斯特洛哈尔数S_{tD形断面柱体}表示：

S_{tD形断面柱体}由R_ed决定，即对于一个确定的R_ed有一个对应的S_{tD形断面柱体}。R_ed＝10²～10⁷时，S_{tD形断面柱体}约为0.2～0.3。

S3、根据过坝目标鱼种体长度和水流流速设置横向相邻两个D形断面柱体间的距离，其具体包括：

横向相邻两个D形断面柱体间的距离根据过坝目标鱼种体长度和水流流速大小决定。

选择横向相邻两个D形断面柱体间的距离不小于鱼种体长度的1.5～2.0倍。对于鱼道来讲，其内部流态属于定常紊流状态，鱼类一般采用周期(或时均定常)运动，而通过速度障碍时采用瞬时(或非定常)运动模式，鱼运动速度为：

其中，U为鱼运动速度；f_鱼为鱼尾摆动频率；A为尾流宽度；S_t鱼为鱼类波状摆动所产生的反卡门涡街的斯托洛哈尔数。控制斯托洛哈尔数0.25～0.40之间，达到推进效率最高。

结合D形断面柱体后面卡门涡街和高效推进的鱼类波状摆动所产生的反卡门涡街的斯托洛哈尔数，确定S_{tD形断面柱体}为0.25～0.3，对应的R_ed＝10³～10⁷

S4、根据过坝目标鱼种摆尾幅度设置D形断面柱体宽度d，可以取过坝目标鱼种体长和游泳的0.8～1.0倍。

S5、根据鱼道运行水深设置D形断面柱体的高度，并选择高于鱼道设计水位20cm，作为D形断面柱体的高度。

参考图4，D形断面柱体的断面形状由两种，一种是头部(或前部)为圆形和椎体形状组成，后部为矩形，见图4(a)。

另一种是头部(或前部)为半圆形，后部矩形，见图4(b)。头部(或前部)为圆形和椎体形状是为了平顺水流流态，后部为矩形是为了形成尾涡和“槽道效应”，穿越相邻两个D形断面柱体间的鱼类充分利用尾涡和“槽道效应”节能而顺利通过。

本发明相对于传统鱼道设计具有如下特征：

1、本发明在设计鱼道时，不仅考虑鱼道水力学和鱼类游泳能力问题，同时考虑鱼类集群行为习性，从多个角度综合考虑，提高鱼道的过鱼效果。

2、下游来的鱼类可以从位于上游D形断面柱体产生卡门涡街中获取能量，即鱼类利用D形断面柱体产生的卡门涡旋和“槽道效应”提高自身的游动效率，降低鱼类上溯洄游的能量消耗。

3、改善鱼道设计流速的选择条件：传统的鱼道水力学设计中，主要通过增加阻力降低鱼道内部水流流速，将控制断面的流速降低到小于鱼类克流能力流速。而本发明基于鱼群游动过程中的“槽道效应”和“涡流假说”理论，通过创造提高鱼类游动效率的水流条件，即使在流速大于鱼类克流能力的水流流速条件下，鱼类能够顺利通过水流速度障碍。

4、改善鱼道内部流态：水流通过矩形或菱形方式规则布置的D形断面柱体的时，水流相对平顺，避免了传统池式鱼道或竖缝式鱼道形成流速控制断面和较大回流区；有利于鱼类的顺利溯河洄游。

5、D形断面柱体本身具有一定的阻水作用，D形断面柱体的阻力具有消能作用，使得鱼道内水流流速部分降低，有助于形成有利于鱼类上溯的水流条件。

6、本发明专利所提出的鱼道结构布置方式适合于传统的溢流堰式鱼道、竖缝式鱼道等各种池式鱼道及仿自然式鱼道，改善池式内水流流态，消除回流流态，同时提高鱼类上溯游动效率。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于鱼类集群行为习性的鱼道设计方法，其特征在于，包括：

S1、将D形断面柱体按矩形和菱形形状的方式布置；

将D形断面柱体按矩形和菱形形状的方式布置，可形成规则尾涡和“槽道效应”；D形断面柱体的断面形状由两种，一种是头部为圆形和椎体形状组成，后部为矩形；

另一种是头部为半圆形，后部矩形，头部为圆形和椎体形状是为了平顺水流流态；后部为矩形是为了形成尾涡和“槽道效应”，穿越相邻两个D形断面柱体间的鱼类充分利用尾涡和“槽道效应”节能而顺利通过；

S2、根据过坝目标鱼种体长度和水流雷诺数R_ed，设置D形断面柱体纵向间距；

S3、根据过坝目标鱼种体长度和水流流速设置横向相邻两个D形断面柱体间的距离；

S4、根据过坝目标鱼种摆尾幅度设置D形断面柱体宽度d；

S5、根据鱼道运行水深设置D形断面柱体的高度；

S2中D形断面柱体纵向间距设置为鱼种体长度的3.0～4.0倍；

所述S2中D形断面柱体的水流雷诺数R_ed为：

其中，f_{D形断面柱体}为D形断面柱体后面漩涡的脱落频率；μ₀为水流流速；v为水体运动粘性系数；d为D形断面柱体宽度，当R_ed值取大于40时，则D形断面柱体后面的水体流态稳定，开始摆动，并在D形断面柱体后面形成稳定的卡门涡街；

所述D形断面柱体后面卡门涡街的脱落频率f_{D形断面柱体}采用斯特洛哈尔数S_{tD形断面柱体}表示为：

所述S3中相邻两个D形断面柱体间的距离大于等于鱼种体长度的1.5～2.0倍。

2.根据权利要求1所述的基于鱼类集群行为习性的鱼道设计方法，其特征在于，鱼类采用周期运动，通过速度障碍时采用瞬时运动模式，鱼运动速度为：

其中，U为鱼运动速度；f_鱼为鱼尾摆动频率；A为尾流宽度；S_t鱼为鱼类波状摆动所产生的反卡门涡街的斯托洛哈尔数，取值为0.25～0.40。

3.根据权利要求2所述的基于鱼类集群行为习性的鱼道设计方法，其特征在于，根据D形断面柱体后面卡门涡街和高效推进的鱼类波状摆动所产生的反卡门涡街的斯托洛哈尔数，得到S_{tD形断面柱体}为0.25～0.3，对应的R_ed＝10³～10⁷。

4.根据权利要求1所述的基于鱼类集群行为习性的鱼道设计方法，其特征在于，D形断面柱体宽度d为过坝目标鱼种体长和游泳的0.8～1.0倍。

5.根据权利要求1所述的基于鱼类集群行为习性的鱼道设计方法，其特征在于，D形断面柱体的高度为高于鱼道设计水位20cm。

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