[发明专利]一种基于鱼类集群行为习性的鱼道设计方法

说明书

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。

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。