基于流场分析的人工鱼礁设计及其相关机理研究

【摘要】：小江流域位于三峡库区腹心地带,随着三峡水库蓄水运行,小江两岸形成了面积约48km2的消落区,同时也带来了诸多的生态环境问题。首先,由于消落区湿地生态系统正处于转变期,植物群落结构开始简单化,生态调节功能也逐渐减弱。其次,水库水域生态系统中的水生生境结构也逐渐简化和均质化,蓄水后水体自净能力降低,加之流域社会经济快速发展,入库污染负荷居高不下,水体污染物滞留加剧了局部水域富营养化现象的发生。在诸多因素的影响作用下,小江的渔获物种数相对于以往的渔获物种数正逐渐减少,渔获物种类及特有鱼类丰度指数相对于库区其他支流均较低,小江生态环境保护形势严峻。因此,在三峡库区小江流域开展生境改善或生态修复技术研究意义重大。人工鱼礁技术目前属于一项针对海洋生态环境的修复技术,本文首次提出将人工鱼礁技术引入三峡库区小江流域的生态修复中,但要判断这是否是一种可行的生态恢复关键技术,前期的理论分析、实验研究、实地环境调查都是非常重要的。其中实验研究中要衡量鱼礁是否起到良好的生态效应,主要是评价它的流场效应和物理稳定性,即人工鱼礁的水动力学性能,及其对鱼的诱集效果。本文针对三峡库区小江流域生态环境现状,首次提出将人工鱼礁技术应用于在三峡库区小江流域的生态修复,主要开展人工鱼礁的设计,鱼礁体在江河消落带上的水动力学性能,鱼礁模型对淡水鱼的诱集效果以及人工鱼礁布设和工程实施可行性分析等研究,为“三峡水库小江生态恢复关键技术研究与示范”工程实施奠定基础。本文首先结合海洋人工鱼礁设计原则,设计了3种新型的功能性人工鱼礁,根据小江季节性水位变化特点,提出将人工鱼礁设立在消落带上,并参照海洋中鱼礁布局原则设计人工鱼礁在消落带的横向和纵向布局方式;基于计算流体力学(CFD)软件Fluent为平台,以3种新型功能鱼礁结构之一的避敌型鱼礁A为研究对象,对布设于斜面上的单体鱼礁模型和双体鱼礁组合模型在不同流速的情况下的水动力学性能进行数值模拟,分析人工鱼礁周围的压力及流场分布情况,获得鱼礁的负压区位置、背涡流强度以及背涡流强度随速度的变化情况等数据信息;开展室内鱼礁模型对于鲤鱼的诱集效果研究,研究发现鲤鱼在有模型礁时在标志区的分布率相对于无模型礁时提高了近20%;文章最后对小江上游的汉丰湖人工鱼礁示范区的建设进行了可行性分析,设计了人工鱼礁区的布局方式并作鱼礁稳定性分析。同时对于人工鱼礁技术在小江内实施的进一步的理论和实验研究工作进行了展望。以上研究结果期望为人工鱼礁技术在三峡库区小江流域生境改善及生态恢复中的应用提供依据和参考。