竖缝式鱼道内齐口裂腹鱼洄游行为模拟

鱼道是帮助洄游鱼类跨越河道内物理障碍的主要过鱼设施之一。针对鱼道结构优化试验耗时长、成本高的问题。该研究在物理试验基础上建立模拟鱼类运动的数值模型,基于竖缝式鱼道内齐口裂腹鱼的行为数据,结合机器学习和欧拉-拉格朗日智能体方法(Eulerian-Lagrangian-agent method,ELAM)建立了鱼类洄游路线预测模型。首先,将齐口裂腹鱼的游泳行为数据划分为3个数据集(顺流而下、侧向运动和逆流而上);然后,根据不同机器学习算法(XGBoost、K-近邻、梯度提升决策树、随机森林)分别构建游泳行为分类模型和游泳速度回归模型,并通过试验结果对比,筛选出最优模型;最后,结合ELAM的框架,构建鱼类洄游数学模型,模拟了齐口裂腹鱼在3种体型的竖缝式鱼道中的洄游路线。结果表明：基于随机森林建立的游泳行为分类模型和游泳速度回归模型预测效果最佳,游泳行为分类精度为0.804,召回率为0.794,F1得分为0.798,3个数据集的游泳速度回归的R²均大于0.75。研究所建立的鱼类洄游数学模型能够较好的预测齐口裂腹鱼的洄游路线,可为相关鱼类保护措施的设计和优化提供参考。     

曲线边壁竖缝式鱼道池室内部构造优化

为提高鱼道的过鱼效率,在曲线边壁竖缝式鱼道基础上增加内部构造,即在鱼道内壁和底板上布置辅助过鱼装置,组合而成6种不同布置方案,并对每种布置方案进行了相应的数值模拟和模型试验,探究不同布置方案的过鱼效果。结果表明：不同隔板组合的方案1、2、3的上溯成功率分别为36.7%、43.3%、73.3%,其中以中央贯通且尾部边壁只设一组隔板的方案3试验鱼上溯成功率最高;在方案3的基础上引入不同直径圆形柱组合形成方案4、5、6,其相应的上溯成功率分别为56.7%、73.3%、90.0%,其中以圆柱直径为池室入口宽度二分之一的方案6上溯成功率最高,可作为推荐方案,同时发现鱼类游动会大致沿主流进行逆流上溯,当水流形态呈现多股主流流径,流速梯度明显,主流流速衰减平缓合理,且水流回流区较少时,有利于提升鱼类的通过性能。研究结果可丰富了道设计理念和方法,为鱼道设计建造提高参考。     

基于PIT遥测技术的竖缝式鱼道过鱼效率及鱼类行为分析

PIT（Passive Integrated Transponder）遥测作为一种射频识别和电磁感应相结合的技术,是开展鱼类行为学原位观测的一项重要手段。采用该技术进行鱼道过鱼效率评估,需解决该技术监测有效性及鱼类洄游轨迹量化分析等问题。该研究以大渡河安谷竖缝式鱼道为试验案例,以该水域的优势物种（白甲鱼和唇?）为试验对象,试验鱼的全长范围为9.70～26.60 cm,均值为（15.79±3.58 cm）。基于 HDX（Half Duplex）半双工PIT标记遥测系统的构建,试验鱼PIT标记的腹腔植入,开展了2种标记试验鱼在鱼道6个典型监测断面的行为特征研究以及鱼道过鱼效率的量化评估。结果表明,标记试验鱼成活率为79.17%,放流的169尾标记试验鱼,有81尾进入鱼道,14尾完全游出了鱼道。其中白甲鱼通过鱼道的经历时长为1.46～17.38 h;唇?通过鱼道的经历时长为11.5～162.38 h。2种试验鱼均在鱼道转弯池室停留的时间最长,触发频次最高。此外,2种标记试验鱼在鱼道不同监测断面的通过效率均没有显著性差异,鱼道的入口效率和过鱼效率分别为47.93%和8.28%。该研究可为国内过鱼设施过鱼效率量化及鱼类行为学原位观测提供技术参考。     

旋流式鱼道的构建与水力特性分析

为增强过鱼设施的蜿蜒性和自然性,该文提出了一种采用曲线型边壁和导流坎的旋流式鱼道结构。首先通过模型试验得到了鱼道在不同工况下鱼道内两侧边壁水流的沿壁沿程水深以及水流流态,观察了过鱼效果,验证了数值计算的准确性,通过数值计算进一步分析了旋流式鱼道的表面流速、近底流速及关键横断面流速分布。结果表明:鱼道内形成的旋流蜿蜒曲折,流态丰富。过鱼通道内主流区流速均不大于0.84 m/s,满足过鱼要求,过鱼对象可以在该鱼道内顺利上溯,主流两侧的缓流或回流区可为鱼类休息之用,说明了鱼道体型的合理性。该文提出的鱼道丰富了鱼道的形式,对今后类似鱼道的设计和建设具有一定的指导意义。     

仿自然鱼道水力及过鱼性能物理模型试验

仿自然鱼道是具有一定自然特征的过鱼设施,适用于中低水头工程,是目前鱼道形式研究热点之一。为了获得一种具有综合生态功能的鱼道,该文提出了一种利用芦苇模块构建的植物型鱼道,并通过物理模型试验对其水力特性和过鱼性能进行了研究。结果表明:选取芦苇为基本单元构建植物型鱼道是合适的。植物模块交错布置的植物鱼道内可形成蜿蜒的水流,流态丰富,过鱼通道内流速均小于1.1 m/s,满足过鱼要求。过鱼试验表明,过鱼对象可以在该鱼道内顺利上溯,植物模块下游侧可形成低流速的鱼类休息区,验证了鱼道体型的合理性。该文提出的植物型鱼道丰富了鱼道的形式,具有一定创新性,对今后类似鱼道的设计和建设具有一定的指导意义。     

过鱼设施进口区域水温对集诱鱼效果的影响

库区水温分层与过鱼通道隔断是水利水电工程建设随之产生的生态环境影响之一。过鱼效果是评估过鱼设施建设成功与否的关键指标。对于存在水温分层的高坝工程而言,过鱼设施进口附近存在的温差效应是否会对进口区域的集诱鱼效果产生影响是当前应该解决的首要问题之一。该研究通过建立三维水温水动力数学模型与包含过鱼设施进口段和明渠河流段的物理模型,分别开展了水温水动力预测及实鱼过鱼试验研究工作,研究结果表明：温差效应对进口附近水动力条件影响甚微,影响区域主要取决于鱼道流量,而岸边水温量值则取决于温差的大小;增大明渠流量将增加上溯鱼类发现鱼道进口的难度;沿冷水区域上溯样本量占总样本的39%,沿温水区域上溯样本量占总样本的61%,由此可知,温水区域对洄游鱼类更具有吸引力;温差效应在一定程度上有利于洄游鱼类发现鱼道进口并在进口区域聚集,与冷水区域相比,温水有效区域鱼进入鱼道进口的尝试率提高了17个百分点。研究成果可为相关人员尝试采用改变水温调整洄游鱼类上溯路线,改善鱼道进口集诱鱼,进而提升鱼道过鱼效果提供思路。     

基于鱼类行为学与水力学的水电站鱼道进口位置选择

鱼道进口位置选择属于鱼类行为学与水力学交叉研究范畴,设置的合适与否直接影响鱼道工程的过鱼效果。根据过鱼对象的游泳能力和生活习性,提出了将下游河道内区域划分为鱼道进口优选区域、鱼道进口备选区域及鱼道进口禁布区域的方法和思路。以某大型水电工程为例,在鱼类行为学基础上,通过对水电站下游流速和流场等水力特性进行分析,结果表明:左岸存在低流速带,鱼类可顺利上溯至尾水渠附近,为鱼道进口主要布置区域;综合生物学指标和水力学指标,利用回流屏障建议将鱼道进口布置于桩号0+200~0+210 m范围内;考虑到部分上溯性较强的鱼类,建议在电站发电机组上方布置备用进口。该研究可为水电工程鱼道进口位置选择提供参考。     

电站尾水渠内鱼道进口位置布局

电站尾水渠是上溯鱼类较为理想的聚集场所,利用电站尾水渠合理布置鱼道进口,是目前大中型河流鱼道建设中的研究热点之一。该文通过数值模拟,结合鱼类游泳能力,对利用电站尾水诱鱼的鱼道进口布置进行研究。结果表明:机组运行方式、鱼道进口位置与出流方向均对鱼道进口诱鱼水流产生较大影响。机组运行方式决定了尾水渠内主流的位置,并在主流两侧形成多个回流区。回流区水流的旋转方向和位置对鱼道进口诱鱼水流的影响较大,鱼道进口的诱鱼水流动量较小,其出流方向应与回流区水流方向一致,并可根据电站运行方式,设置多个鱼道进口。主流与回流区之间的过渡区域是布置鱼道进口的重点区域。该研究结果可为优化改进大中型河流鱼道进口设计提供重要参考。     

基于鱼类上溯行为的导鱼堰设计与效果评估

河道内鱼类上溯路径不唯一,聚集位置更是难以预测,对鱼类上溯行为进行有效引导有助于提升过鱼设施进口的效率。为此,该研究提出了一种导鱼堰的概念和设计方法,结合姚家坪水电站的过鱼设施,利用流场三维数值模拟、鱼类洄游（active fish migration,AFM）模型和实鱼试验对导鱼堰的效果进行评估。结果表明：姚家平水利枢纽工程的导鱼堰上下游水面落差为0.36～0.40 m,过堰水流流速可达1.5～2.8 m/s,形成阻鱼的屏障,并在导鱼堰下游侧形成了诱导鱼类向集鱼渠进鱼口游动的唯一低流速上溯通道,鱼类聚集点趋于唯一,验证了导鱼堰方案的合理性。利用鱼类洄游模型对导鱼堰的导鱼效果进行预测,结果表明,下游高水位和低水位2种工况下,90%以上的鱼类游动路径均表现出相似的规律,鱼类沿河道右岸和导鱼堰下游侧的低流速通道上溯,并最终聚集在集鱼渠的进鱼口处。放鱼试验中试验个体全部进入集鱼渠,结果进一步证实导鱼堰可以有效引导鱼类游动路线,并在集鱼渠进鱼口处形成唯一的聚集区。本文提出的导鱼堰丰富了生态水工建筑物的形式,可为过鱼设施进口的水力设计及下游河道的局部整治提供参考。     

鱼游泳能力对体长的响应及其在鱼道设计中的应用

为了探讨鱼类体长对游泳能力的影响并为鱼道水流的设计提供参考,该研究在封闭水槽中使用"递增流速法"测试了海南省某水利枢纽鱼道目标对象的游泳能力,并用Origin软件进行了数据统计分析,得到了试验鱼感应流速、临界游泳速度和爆发游泳速度的直线回归方程和Kaplan-Meier曲线。结果表明:1)随着试验鱼体长增大,相对感应流速、临界游泳速度和爆发游泳速度(体长/s)均减小,体长和鱼类速度的相关关系可用直线方程表示,且数据经过对数变换后的直线方程拟合效果比未经过对数变换的拟合效果更好,其中R2由0.664～0.725提高至0.907～0.933。2)根据鱼道设计规范、导则及文献,结合本工程目标过鱼对象的感应流速、临界游泳速度和爆发游泳速度(m/s),建议本工程鱼道进口诱鱼流速控制在0.35～0.47 m/s,池室流速控制在0.21～0.59 m/s,竖缝流速控制在0.57～0.74 m/s,出口断面至下一个池室之间的流速控制在0.21～0.50 m/s。鱼类体长对相对游泳速度(体长/s)产生了负面影响,鱼类游泳速度及其变化规律可对鱼道水流设计值提供参考。     

穴盘水稻秧苗通过分秧滑道的运动仿真与分析

为了研究所设计的分秧滑道的性能,利用Pro/E和ADAMS软件对穴盘水稻秧苗通过分秧滑道运动进行了仿真。建立了2种秧苗营养土钵模型,球体模型和实际尺寸营养土钵模型。结果发现秧苗在通过分秧滑道圆弧段时其速度、加速度和接触力会发生突变;秧苗通过7条滑道需要的时间最长为0.633 s,最短为0.463 s;当滑道相对竖直平面倾斜2°布置时,秧苗通过滑道的通过性与滑道竖直布置时的差异不大。通过仿真可得到7穴秧苗不同时间点在7条滑道中的运动轨迹,以及在滑道运动的状态下,秧苗通过2组分秧滑道后在田间的定植情况。研究结果为今后分秧机构的进一步优化设计和试验研究提供了参考依据。     

比例施肥泵驱动活塞受力分析及内部流动模拟与试验

为了研究比例施肥泵驱动活塞在往复运动过程中的受力情况,基于Fluent软件,通过用户自定义函数编程技术实现了相应的三维动网格模型,建立了比例施肥泵三维动态数值模拟模型,并通过实验数据对比验证了模型的可靠性。在此基础上,对施肥泵的内部流场进行了数值模拟。结果表明:所建立的数值模拟模型具有较好的准确性,模拟所得压差流量关系与试验结果基本一致,比例施肥泵流量的模拟值与试验值的最大相对误差为4.20%;模拟与试验所得活塞往复频率随压差的变化趋势基本相同,且模拟值与试验值的相对误差控制在12%之内。驱动活塞在往复运动过程中,泵内大部分流域流速较低,动能基本转变为压能驱动活塞。活塞上行运动与下行运动类似,在行程初期呈加速运动随后进行匀速运动。活塞不同表面所受到的力随压差的增大呈线性递增关系。该研究可为比例施肥泵的性能研究和结构设计提供参考。     

太极式鱼道水力特性试验研究及数值模拟

针对传统鱼道一经建成,其固体边界条件已经固定,池室内水流流速分布变化不大而难以适应多种鱼类通过的缺点,该文研究一种通过太极圆盘和八卦爻条消减水流能量,形成多态流速场以适应多种鱼类洄游的太极式新型鱼道,并对其进行了水力模型试验和数值分析。首先通过模型试验得到了鱼道在不同工况下的流态和沿程水深变化,然后通过数值计算得到了与模型试验相近的结果,并进一步分析了太极式鱼道的表面流速、近底流速及关键横断面流速分布。结果表明:太极式新型鱼道具有显著的消能减速效果,最浅处水深达到无太极圆盘时相应最浅水深的2倍左右,断面平均最大流速为0.95 m/s,相对于无太极圆盘的情况降低50%左右,池室内水流呈现多态化,另外随太极圆盘方位不同流速场亦有明显变化,该种鱼道可为鱼类提供更多适宜的洄游条件。     

Uncertainty Analysis of Regional Mercury Exposure

A modeling system has been developed to simulate regional environmental exposure to mercury due to atmospheric deposition of mercury to watersheds. The atmospheric fate and transport of mercury is simulated using a comprehensive three-dimensional Eulerian model, the Trace Element Atmospheric Model (TEAM). The aquatic chemistry and bioaccumulation of mercury in fish are simulated using a model of mercury cycling in a lake/watershed system, the Regional Mercury Cycling Model (R-MCM). Fish consumption was derived from a review of available surveys. Previous work focused on an assessment of the environmental and inter-individual variability in key input data (Seigneur et al., 1997a). We address here the uncertainties associated with critical model input variables (e.g., atmospheric deposition velocities, precipitation rate, limnological characteristics). A probabilistic assessment is conducted to propagate the uncertainties in the input data through the modeling system and develop a probability distribution of the human mercury dose that reflects these uncertainties. The standard deviation of the distribution of the calculated human dose is about 50% of the mean value. For the example considered here (i.e., Park Lake in Michigan, U.S.A.), 80% of the uncertainty in the human dose was due to uncertainties in the speciation of mercury air emissions, pH and temperature of the lake, burial velocity of the sediments, and rate of fish consumption.     

考虑射流破碎和液滴形状的喷灌水运动轨迹改进模型构建及验证

喷洒液滴分布特征是模拟喷头水量和能量分布的基础。为解决现有弹道轨迹模型过度简化运动液滴的破碎过程及形状变化导致模型精度不足的问题,该研究改进了弹道轨迹模型的液滴破碎过程、运动液滴形状参数和运动液滴阻力系数,提出了基于能量加权的等效液滴指标,建立了考虑射流破碎和液滴形状的喷洒水运动轨迹改进模型;采用HY50型蜗轮蜗杆式喷枪验证了模型精度,对比了不同模型的差异。结果表明：喷嘴直径20mm和工作压力0.35MPa时,改进模型的平均绝对误差MAE分别比Fukui模型和Li模型的降低了43.3%和75.1%（落地速度）、51.8%和27.1%（落地位置）和61.4%和76.1%（落地角度）;以4个验证工况中落地速度为例,改进模型、Fukui模型和Li模型的均方根误差RMSE平均值分别为0.53、0.93和2.21 m/s;归一化均方根误差NRMSE平均值分别为0.10、0.17和0.40。研究可为应用弹道轨迹模拟喷洒液滴分布特征提供新思路。     

履带式联合收获机水田作业转向运动学分析与试验

为设计适于水田土壤环境的履带式联合收获机导航控制器,需准确分析履带联合收获机在水田中的运动规律。该研究在建立履带联合收获机转向运动学模型的基础上,推导了低速侧履带转向滑移率和高速侧履带转向滑转率与转向半径、转向角速度、履带卷绕速度的关系,搭建了履带联合收获机转向运动参数测试系统,采用限幅平均滤波处理转速信号,滤波窗口宽度为10个采样值时,转速信号方差减小了60.8%;采用扩展Kalman滤波器融合定位数据和IMU传感器数据记录履带式联合收获机行进轨迹和航向角,航向监测标准差比滤波前减小53.6%。田间试验表明,水田中履带式联合收获机的转向半径和转向角速度主要与前进速度和滑转率、滑移率相关,高速度侧履带滑转率随前进速度的增加而增大,变化范围为0.066～0.378,低速侧履带滑移率接近1,由于履带转向时的滑移滑转,实际转向半径大于理论转向半径,转向半径修正系数的变化范围为1.737～2.947,与前进速度呈二次函数关系;实际转向角速度小于理论转向角速度,转向角速度修正系数的变化范围为0.315～0.677,与前进速度呈幂函数关系。研究结果可为水田作业的履带式联合收获机导航控制器设计提供理论依据和参考。