水电站尾水区水力因素对热带鱼类（Mandi与Curimba）洄游行为的影响机制研究

为探究水电站尾水区水力条件对热带鱼类聚集行为的影响，研究人员结合三维水动力模型（CFD）与声学遥测技术，分析了流速、涡量、湍流动能（TKE）、湍流强度等参数与鱼类分布的关系。研究发现湍流相关参数（34.8%）与水力应变、涡量组合（21.3%）是吸引鱼类聚集的关键因素，为水电站生态调控提供了重要依据。

　　

水电站作为全球重要的可再生能源来源，在提供电力的同时，也对河流生态系统造成了显著影响，特别是对鱼类洄游路线的阻断。在巴西的Três Marias水电站，曾因涡轮机停机和溢洪道开启导致7吨鱼类死亡，突显了尾水区鱼类聚集带来的风险。尽管已有研究关注流速对鱼类行为的影响，但湍流等高阶水力参数的作用仍缺乏深入探讨，尤其是针对热带物种的研究更为有限。为此，研究人员开展了一项跨学科研究，结合水动力学与生态学方法，旨在揭示复杂水力条件对两种热带鱼类——Mandi（Pimelodus maculatus）和Curimba（Prochilodus argenteus）行为的影响，相关成果发表在《Water Biology and Security》上。

研究团队运用了几项关键技术方法：首先，通过三维计算流体动力学（CFD）模型（采用Fluent软件，基于RANS方程和标准k-ε湍流闭合方案）模拟了尾水区的水力环境，计算了流速大小、涡量、湍流动能（TKE）、湍流强度、湍流能耗散和水力应变等参数；其次，采用声学遥测技术对90尾鱼类（50尾Mandi和40尾Curimba）进行了运动追踪，获取了其三维空间位置数据；最后，通过混合数据因子分析（FAMD）统计方法，量化了各水力变量对鱼类存在的影响。所有分析基于Três Marias水电站尾水区的实地监测数据，聚焦于2011年11月至12月期间鱼类聚集事件。

2.3. Numerical model of Três Maria tailrace

研究人员建立了稳态流CFD模型，模拟流量为462 m³/s（代表鱼类监测期间最常见流量）。模型考虑了5台运行涡轮（涡轮4停机），并限定了尾水区计算域。通过Tecplot 360软件后处理，提取了各水力参数值，为后续与鱼类位置数据交叉分析奠定了基础。

2.4. Hydraulic flow variables

定义了包括流速大小（u）、湍流强度（I）、湍流动能（k）、涡量（ω→）、水力应变（S）和湍流能耗散（ε）在内的6个关键水力参数，并给出了详细计算公式。这些参数共同描述了尾水区的复杂流场特性。

2.5. Fish monitoring and tagging

声学遥测结果显示，74尾个体被成功追踪，但最终仅有14尾（10尾Mandi和4尾Curimba）在特定流量（462 m³/s）下的运动数据被用于与CFD结果的交叉分析。鱼类被释放于左岸非涡轮流影响区，其运动被11个水听器组成的网络记录。

2.6. Crossing fish monitoring and CFD outputs

通过创建11个分析体积（analysis volumes），将鱼类存在量化为在各体积内的检测百分比。采用箱线图和FAMD统计方法，分析了水力变量、物种、月份和存在/缺席类别之间的关系。

3.1. Hydraulic flow experienced by Mandi and Curimba

结果表明，两种鱼类经历了不同的水力环境。Mandi倾向于更高流速（最大1.317 m/s）、涡量（最大7.557 s^-1）和水力应变区域，而Curimba则出现在更低湍流区域。涡轮1附近区域显示出最高的流速、湍流参数和水力应变值。

3.2. Fish presence along the tailrace

分析体积因素对鱼类存在有显著影响（p < 0.05），而物种和月份的影响不显著。Mandi在12月更集中于涡轮1附近的体积（1-5和9），表明该区域具有特定水力吸引力。

3.3. Relationship between fish presence in the tailrace and hydraulic variables

Pearson相关显示各水力变量高度相关。FAMD分析表明，维度1（34.8%方差）主要由湍流相关参数（湍流能耗散、TKE、湍流强度和涡量）贡献，维度2（21.3%方差）则由水力应变、涡量和流速主导。Mandi和“存在”类别与高水力值区域正相关，而Curimba和“缺席”类别则相反。

4. Discussion

研究表明，湍流参数（组合解释34.8%方差）与水力应变-涡量-流速组合（21.3%）是吸引鱼类聚集的关键因素。Mandi表现出对高湍流区域的适应性，其停留时间和访问频率高于Curimba。这种“错误吸引”现象增加了鱼类进入危险区域（如涡轮附近）的风险，可能导致伤亡。与温带物种相比，热带鱼类显示出更高的湍流耐受性，这为热带河流水电站的生态管理提供了新见解。

5. Conclusion

本研究通过整合3D-CFD与声学遥测，揭示了湍流等高阶水力参数在热带鱼类尾水区聚集行为中的重要作用。超过50%的鱼类存在变异可由水力参数解释，其中湍流相关因素占34%。研究强调，将湍流特性纳入环境流态分析和减缓措施设计，可显著改善水电站对鱼类行为影响的预测与管理，促进河流生态系统的可持续利用。