一种漂流性鱼卵再悬浮临界条件的确定方法与流程

本发明涉及一种漂流性鱼卵再悬浮临界条件的确定方法，是一种用于水电工程对鱼类产卵孵化环境的定量判断和影响评估的方法，为水电工程生态影响评估提供科学依据和量化工具。

背景技术：

1、水电开发导致库区流速降低，这一变化导致产漂流性卵鱼类的产卵栖息地及卵漂流孵化环境发生剧烈改变，对该类型鱼类种群的繁殖构成了威胁。产漂流性卵鱼类因其独特的孵化策略，对水动力条件的变化尤为敏感，其早期资源变化能够有效反映水电开发的环境影响。这类鱼卵的比重略大于水，产出后需在具有一定流速的水流顶托作用下悬浮于水层中，随水流输移并完成胚胎发育。因此，鱼卵能否在漂流过程中保持悬浮状态、避免沉降至河床死亡，是决定其能否成功孵化的关键环节。目前关于决定鱼卵漂流的主要因素与机制，学界尚未形成共识。一种观点认为，鱼卵能否安全漂流取决于水流流速，即安全漂流的流速区间在0.2~0.7m/s；另一种观点认为鱼卵漂流中受重力、浮力、阻力、拖曳力等共同影响。当前，关于水电开发对产漂流性卵鱼类影响的研究中存在一种主流观点：水库建成后，库区流速降低，水流动能不足以维持鱼卵悬浮，导致鱼卵大量沉降至河床而死亡，进而造成鱼类早期资源锐减。基于这一认识，许多研究将“低流速”等同于“鱼卵沉降”、“孵化失败”，认为水电工程对产漂流性卵鱼类的种群补充构成了显著影响。然而，野外调查和实验观测表明：鱼卵沉降至河床后并非必然死亡，在适宜的水动力条件下，沉积鱼卵可能受到水流作用，脱离河床，重新悬浮进入水体，继续随流输移并完成胚胎发育。这种“再悬浮”机制表明鱼卵在沉降后仍可在水流影响下重新获得生机，因此，水电工程对鱼类资源的影响可能需要更为审慎的评估，科学认识鱼卵的再悬浮机制，客观评估水电工程对产漂流性卵鱼类的实际影响，对于准确判断建坝后鱼类的产卵场格局、制定合理的生态调度策略具有重要的理论价值与现实意义。

2、目前，相关研究或未考虑再悬浮过程，或将其简化为随机事件，尚缺乏对再悬浮机理的系统认识，关键科学问题尚未厘清：鱼卵能够实现再悬浮的水动力条件和关键控制因子是什么，如何定量描述其再悬浮条件。上述问题的解决，直接关系到水电开发后鱼卵输移路径、有效漂流时长与孵化成功率的准确预测，也关系到建坝后可能形成的新产卵场的科学识别。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种漂流性鱼卵再悬浮临界条件的确定方法。所述的方法构建以水动力参数（流速、涡量）和鱼卵生理特征（鱼卵密度、卵径、质量）为核心的再悬浮特征流速ec，解决现有技术对漂浮性鱼卵沉降后再悬浮机制认识不清，再悬浮条件无法定量确定等问题。

2、本发明的目的是这样实现的：一种漂流性鱼卵再悬浮临界条件的确定方法，所述方法的步骤如下：

3、步骤1：制备模型卵：制备与真实鱼卵物理特性一致的模型卵，获取目标鱼种鱼卵的物理特性参数，包括密度、卵径d、静水沉降速度，制备与真实鱼卵物理特性参数一致的琼脂模型卵，并通过静水沉降实验筛选和真实卵沉降速度近似的模型卵；

4、步骤2：开展鱼卵输移过程的水槽实验：构建变坡水槽，在水槽底部设置高低起伏的变化地形，模拟天然河流中复杂的水力条件，通过在水槽底部铺设特征形态的沙波，诱导产生与天然河流相似的特征流场；沙波形状依据水流和泥沙输移共同作用的沙波方程确定：

5、

6、式中：为沙波在水平位置x处的垂向高度，m；为沿水槽方向的水平坐标，m；a为波高，m；l为波长，m；f为影响沙波迎水面与背水面比例的参数；、为波形控制参数。通过调整上述参数，能够改变沙波诱导的流场结构；

7、在不同水力工况下进行鱼卵输移实验，测量水槽内流场的水平方向流速、垂向流速分布，计算合速度u、涡量分布，公式分别如下：

8、

9、式中：为合速度，；为水平方向流速，；为垂向流速，。

10、

11、式中：为水平方向流速，；为垂向流速，；为垂向坐标，m；

12、拍摄鱼卵在水槽中的运动轨迹，观测鱼卵的“沉降-滞留-再悬浮”全过程，汇总各组工况获得同步的鱼卵轨迹与流场数据，作为后续分析的数据基础；

13、步骤3：鱼卵输移状态的能量表征：对鱼卵运动轨迹与同步流场数据进行耦合分析，鱼卵的输移状态与特定的水动力阈值密切相关，忽略鱼卵自身形变的基础上，基于能量守恒原理，分析鱼卵在流场中的动能与势能变化规律。

14、流场中任意时刻鱼卵的能量包括其重力势能与在流场中运动的动能，将鱼卵的输移状态与其在流场中的能量状态（动能与势能）相关联。对鱼卵运动轨迹与同步流场数据进行耦合分析，鱼卵的输移状态（如沉降、再悬浮）与特定的水动力阈值密切相关，忽略鱼卵自身形变的基础上，基于能量守恒分析鱼卵输移状态。计算公式如下：

15、

16、其中：为鱼卵动能和势能变化之和，以下称“能量变化”； 为鱼卵密度，；为水体密度，；为鱼卵在t时刻的位置高度，m；为鱼卵在时刻的位置高度，m；为鱼卵在当前时间步t时刻的速度，；为鱼卵在上一个时间步时刻的速度，；m为鱼卵质量，kg，；g为重力加速度，，取g=9.81 m/s2。当，鱼卵总能量不足以克服床面的阻力，处于“滞留”状态，鱼卵的能量变化主要受势能微小波动影响，动能几乎为零；当，鱼卵受水动力环境变化影响，动能增加，当鱼卵能量变化大于0，鱼卵克服重力与床面阻力，从底部再悬浮进入水体继续输移；

17、步骤4：识别影响鱼卵再悬浮的关键因子：基于变坡水槽实验获得的多组不同水力工况下的同步流场与鱼卵运动数据，采用pearson相关性分析法，分析鱼卵能量变化与各水动力因子、环境因子及鱼卵自身特性之间的关联，以筛选对鱼卵再悬浮具有显著影响的关键因子，包括：能量变化、合速度u、涡量ω、水流雷诺数re、相对速度δv、拖曳力、鱼卵卵径d、实验水槽坡度j、沙波波高a及沙波波长l，构建pearson相关性热力图；通过相关系数r及其显著性水平p值，评估各变量与之间的关系；

18、步骤5：构建再悬浮特征流速公式：综合考虑步骤4筛选的关键因子与鱼卵物理特性，基于量纲齐次性原理，构建再悬浮特征流速的表达结构。

19、选取合速度u、涡量、水流拖曳力、沉速和鱼卵质量m作为特征量，构建，其表达式为：

20、

21、代入各物理量的量纲（，要求等式两端量纲一致，的量纲为)，联立求解得a=1，b=1，c=-1，d=-1，e=-1，即的表达式为：

22、

23、式中，u为合速度，m/s；为涡量，；水流拖曳力，n；沉速，m/s；鱼卵质量m，kg。

24、将公式重新整理如下：

25、

26、式中，为再悬浮特征流速，m/s；u为合速度，m/s；为水流拖曳力，n；为鱼卵沉降速度，m/s；ω为涡量，；m为鱼卵质量，kg；

27、其中：

28、

29、

30、式中：为相对速度，m/s；为鱼卵与水流的切面面积，，；cd拖曳力系数，无量纲；

31、将鱼卵概化为球体，根据水流雷诺数，计算cd，公式如下：

32、stokes区，：

33、

34、过渡区，：

35、

36、牛顿区，：

37、；

38、步骤6：再悬浮临界阈值确定：计算并分析鱼卵能量变化与再悬浮特征流速的关系，采用广义加性模型gam建立鱼卵再悬浮率q与再悬浮特征流速的非线性关系，拟合关系，输出不同悬浮率下的多级临界阈值；

39、当鱼卵值大于等于临界阈值时，则鱼卵能够实现再悬浮，实现对鱼卵再悬浮临界条件的确定。

40、进一步的，步骤1所述的静水沉降实验包括如下子步骤：

41、子步骤1.1，准备实验设施：使用一个透明的、带有刻度的高筒容器，在容器中放入洁净的水，并在高筒容器一侧设置高速相机；制备与被研究鱼卵的密度、卵径相同的模型卵；

42、子步骤1.2，模型卵投放：将模型卵置于玻璃柱内水面下0.02m处无初速度释放，每次投放1粒；

43、子步骤1.3，图像采集：调整高速相机与沉降柱之间的相对位置，采用粒子追踪测速技术，以50帧/s的帧率连续拍摄模型卵的沉降过程，获取高分辨率时序图像；

44、子步骤1.4,速度计算：基于模型卵的质心位置（x，z）与图像时间间隔，计算模型卵在不同深度处的瞬时下落速度；实验仅考虑模型卵在垂向的位移，忽略横向位移，当速度稳定时，测量值为最终垂向沉降速度；

45、子步骤1.5，重复实验：针对与真实鱼卵卵径一致的5mm和6mm的两种卵径的模型卵，分别重复上述步骤50次，取稳定阶段的最终沉降速度进行单粒模型卵沉降速度公式的拟合；

46、子步骤1.6,沉降过程分析：模型卵在静水中的沉降过程分为两个阶段：

47、第一阶段，加速沉降阶段。模型卵由静止开始下落，初始阶段沉降波动较大，该阶段的运动距离约为0.3m；

48、第二阶段，匀速沉降阶段。随着沉降速度逐渐增大，模型卵所受阻力不断增加，直至达到受力平衡状态，此后模型卵以自由沉降速度做匀速沉降运动。当速度趋于稳定时，将该速度值作为模型卵的最终沉降速度；

49、经过数据分析、回归拟合，得到卵沉降速度vg的公式为：

50、

51、式中，为鱼卵在静水中的沉降速度；d为卵径；和分别表示模型卵和水的密度；g为重力加速度。

52、进一步的，步骤2所述的鱼卵输移过程的水槽实验，所述的水槽实验使用的装置包括：

53、一长条形、界面为矩形的水槽，水槽至少有一段通过千斤顶顶起，形成倾斜水槽，倾斜的角度通过千斤顶调节。水槽的底部设置一些起伏不平的障碍物，模拟真实的水底地形。水槽配备水流循环设施，包括：水泵、蓄水池、流量计，以便产生不断流动水体的效果，配合实验。水槽上方和侧面设置激光器和高速摄影、摄像设备，作为观察鱼卵流动状态的鱼卵轨迹采集装置；

54、流场构造方法：通过在水槽底部铺设特征形态的沙波，诱导产生与天然河流相似的特征流场。沙波形状依据水流和泥沙输移共同作用的沙波方程确定：

55、

56、式中：为沙波在水平位置x处的垂向高度，m；为沿水槽方向的水平坐标，m；a为波高；l为波长；f为影响沙波迎水面与背水面比例的参数；、为波形控制参数；

57、所述水槽实验包括如下子步骤：

58、子步骤2.1实验准备：调节水槽支架的插杆高度，将水槽坡度设定至目标值；将对应形态的模型沙波固定于水槽内底壁；制备目标卵径与密度的模型卵，置于烧杯中备用；

59、子步骤2.2，水槽初始条件设置和工况设置：调节供水箱水位控制板至低水位，使水槽低流量过水，待水流稳定后，在模型沙波的波谷处无初速度释放100粒模型卵；

60、实验工况设置：为系统研究鱼卵再悬浮的水动力响应机制，实验选取三种可变参数：水力坡度、沙波形态和鱼卵卵径，其中：水力坡度，结合实验水槽底坡可调节能力，设置5个水力坡度，分别为、、、、；沙坡形态，设置两种，分别为：大沙波：波长18cm，波高3.6cm；小沙波：波长9cm，波高1.8cm；鱼卵卵径：5mm、6mm。上述参数组合共形成20组实验工况；

61、子步骤2.3，流量调节与再悬浮现象观测：逐步调节供水箱滑动板高度，通过三角堰控制水槽流量，同步观测模型沙波中鱼卵的运动状态。以连续三个沙波为观测对象：当上游沙波内鱼卵全部输移至下游沙波，沙波内鱼卵出现再悬浮现象，而下游沙波内鱼卵未见输移时，则停止增加流量；通过多次预实验，对鱼卵再悬浮判定如下：水槽底部铺设连续沙波，观测段大沙波：20s内70%鱼卵输移至下一个沙波；观测段小沙波：10s内70%鱼卵输移至下一个沙波；

62、子步骤2.4，数据采集：鱼卵满足再悬浮判定后，记录以下各水动力参数的数据，每个工况采集的数据，包括流场及鱼卵轨迹数据，其中流场数据：通过piv系统获取瞬时速度场，获得水槽内流场的合速度u、水平方向流速、垂向流速、涡量等水动力参数；鱼卵轨迹数据：通过高速相机同步获取鱼卵运动视频，采用背景差分法与粒子追踪技术提取鱼卵运动轨迹；每组工况获得同步的鱼卵轨迹；

63、每个工况重复2次，取平均值进行后续分析；通过上述数据，分析不同水力条件下鱼卵再悬浮情况及运动轨迹特征，为再悬浮机制分析提供基础数据。

64、本发明的优点和有益效果是：本发明首次建立了鱼卵再悬浮特征流速公式，将流速、涡量等水力因子和鱼卵生理特征因子作为关键因子引入鱼卵再悬浮特征流速公式，揭示了漂流性鱼卵再悬浮的水动力机制，突破了传统方法直接忽略鱼卵再悬浮过程或将其简化为概率或随机问题来处理的技术瓶颈；基于能量守恒原理揭示了鱼卵再悬浮的能量阈值机制（鱼卵从沉降滞留转为再悬浮，取决于外界水动力（流速、涡量、拖曳力）输入的能量是否足以克服重力与床面阻力。由负转正的“零”点即为再悬浮的临界能量阈值——该阈值为再悬浮特征流速ec的构建提供了物理基础），为再悬浮特征流速中流速、涡量、拖曳力等关键因子的选取与组合提供了理论依据，建立了鱼卵能量变化与再悬浮状态之间的内在联系。构建了再悬浮特征流速，并发现鱼卵能量变化与再悬浮特征流速存在一定关系，当较小时，δe为负（滞留状态）；随着增大，逐渐由负转正，且正值持续增加；当超过某一临界阈值（如 0.00244m/s）时，所有数据点的均大于0；进一步的，利用广义加性模型gam拟合关系，将鱼卵再悬浮率q作为响应变量，再悬浮特征流速作为预测变量，采用二项分布族和logit链接函数构建gam模型，发现了再悬浮率q随单调递增的规律，输出不同悬浮率下的多级临界阈值，为不同风险偏好的工程应用提供灵活选择。本发明广泛应用于水电工程生态影响评估、鱼类资源保护及水库生态调度，为保障鱼卵安全孵化提供科学依据。