电脑计算仿真技术协助大鳍鳠鱼返回缅因州山漠岛的产卵栖息地

作者：约翰 李察森（John E. Richardson, Blue Hill Hydraulics）
60年前，美国缅因州山漠岛（Mount Desert Island） 为大鳍鳠鱼建造了一条鱼梯，以协助鱼群能够迁徙到其淡水产卵栖息地。由于年久失修，该鱼梯逐渐失去其功用。这可能会造成鱼群的数量受到影响。因此，当地政府决定对该鱼梯进行维修。

在维修之前，研究人员决定先对毁坏的鱼梯堰体进行仿真测试，以确认该鱼梯之功能性。
损毁的鱼梯堰体位于 Somesville，会让大鳍鳠鱼的春天产卵行程受到延误，为了解决这个问题， 桑姆斯-梅内尔野生动植物保护区（the Somes-Meynell Wildlife Sanctuary）联络了Woodlot Alternatives （一家位于 Topsham,缅因州，提供环境服务的公司）。希望该公司能够重新评估鱼梯的功能，并且决定鱼群迁徙的路线，希望修复后的鱼梯能够达到足够的功能。
在迈克尔海尔明斯基（Woodlot 公司的生态恢复主任）的领导下，该公司对于鱼梯现有的堰体进行了研究测试，由于这个研究必须考虑在不同的水流流量下鱼梯对于水流的影响，因此测试的状况十分复杂。而要设计大鳍鳠鱼的迁徙路线又必须考虑到水流的流场资讯，因此这个研究非常的困难。
考虑到这些研究上的限制，Woodlot 与 Blue Hill Hydraulics 联络，希望能够完成一套三维的自由液面流体模型，以确认鱼梯的功能能够在各种水流状况下达到要求。工程师利用Flow Science 提供的 FLOW-3D软件进行整个水文的流场模拟，分析的结果验证了最后的改造计画，该计画补助金的款项申请则是由美国鱼类和野生生物服务缅因湾沿岸计画中提供。

洄游鱼类

大鳍鳠鱼的生命周期，会在海洋与淡水两种生态系统中度过。大鳍鳠鱼是缅因州最常见的鱼种之一，因此被视为一个重要的商业以及生态资源。

图一: 损毁的鱼梯，左图为仿真结果，右图则是实际的照片。

每年春天，大鳍鳠鱼会从海洋迁徙至淡水，通过河流与溪涧，回到淡水湖泊或是池塘产卵。在卵孵化后，刚出生的大鳍鳠鱼停留在产卵地达贰到六个月，然后再返回大海。大鳍鳠鱼在淡水、河口，以及海洋生态系都是个重要的生态指标。不论是成鱼或者是幼鱼，都是条纹鲈，棕色鳟鱼，鳗鱼，鲑鱼，鱼鹰，鸬鹚，和其它吃鱼的哺乳动物的重要食物来源。
自 1970年代初期起，美国联邦政府、州政府，私营以及公营企业共花费超过了一千两百万美金于鱼梯的建立，让大西洋大鳍鳠鱼以及其它的回流产卵鱼类能够顺利的返回其产卵区。鱼梯设计通常位于人工制造的障碍物（例如水坝）附近。鱼梯让鱼群在逆流而上的过程中，能够利用鱼梯中鱼池的设计以降低逆流而上的难度。鱼梯必须有一定的高度，冲刷下来的河水速度才能够吸引鱼群往上跳跃。但是鱼梯又不能太高，太高的鱼梯会让鱼群耗尽体力，无法返回产卵地。

一维流场分析

一维流场采用HEC-RAS 软件进行计算。HEC-RAS 用来假设在流场条件下，水流通过鱼梯以及溢流道的状况。 was used to analyze 1D flow over the fish ladder under the assumption

图二: 左图为原有的鱼梯设计，右图则为经过模拟后的修设设计。

一维水利分析假设水流通过鱼梯的速度是固定的，然而，水流在通过鱼梯的过程中，横向速度有很大的差别。速度差有助于让鱼群爬上鱼梯。举例而言，大鳍鳠鱼的游速大约是 3英尺/秒，并且可以察觉水流速度的差异值。因此，一个成功的鱼梯设计，必须考虑到鱼梯中连续通路的部份其水流流速不能够超过鱼群的游速。
Woodlot Alternatives 请 Blue Hill Hydraulics 以三维计算流体力学软件模拟水流通过鱼梯的流动状况。希望结果能够提供准确的水面高度预测值，以及水流通过鱼梯时的速度变化，工程师希望从这些数据中得到设计的依据，并且重新评估现有鱼梯的设计。
Blue Hill Hydraulics 选择使用FLOW-3D 作为仿真工具，原因在于 FLOW-3D 能够提供精确的自由液面模型以及结果。FLOW-3D? 采用了the volume of fluid (VOF) 方法以模拟自由液面的流动模式，其强大的计算能力能够精确的描述气体与水面的接触表面，这个功能在水流流动的动态仿真是非常重要的项目。

三维计算流体力学模拟及仿真

Blue Hill Hydraulics 的工程师从 CAD 建模开始，制作整个鱼梯流场的仿真模型设定。CAD 模型是根据现场实际量测绘制而成，输出为 STL 格式并且转入FLOW-3D 中。网格数量为 84,000，在鱼梯上游设定压力为其边界条件，鱼梯下游则是设定 outflow 为其边界条件。FLOW-3D? 的模拟结果与鱼梯实际观察的水流流动状况非常一致。图一中，水流在通过已破坏的鱼梯时的流动状况与现场观察几乎完全一致。不仅如此，结果中的速度场信息还提供了工程人员对于鱼梯外型的设计与修改，以提高大鳍鳠鱼的迁徙成功率。

鱼梯的设计与翻修

图三：修复完成的鱼梯，左图为仿真结果，右图则为现场的照片。

在完成了仿真计算后，下一个步骤就是修改现有鱼梯设计。Woodlot Alternatives 订定了一系列的水流流动标准，并且以 HEC-RAS 以及 FLOW-3D 确认了相关的结果。虽然没有鱼梯的原始设计图，工程师仍然透过量测建立出类似的模型，并且以仿真的结果确认鱼梯的修改设计，希望能够让鱼群更容易通过鱼梯。这些修改设计包括了改变缺口的位置以及形状（非对称设计），Blue Hill Hydraulics 重新修改了 CFD 模型，重新评估修改后的鱼梯效能。
仿真的结果清楚的显示缺口的位置与形状设计会影响水流通过鱼梯的速度。设计人员花了更多的时间修改设计图面，并且以不同的水量进行仿真测试，以确保即使水流的状况不一，鱼梯设计仍然能够确保鱼群顺利往上迁徙。
不仅如此，修改后的鱼梯设计还考虑到鱼群游速是否能够达到往上迁徙的影响。这点相当重要。因为迁徙活动发生在成鱼 / 幼鱼的过度期间，鱼梯的设计必须考虑到鱼群体力即使有所下降，也不会阻止鱼群通过鱼梯。图三所示为新的鱼梯设计，设计后的量测流量与FLOW-3D 提供的仿真结果十分吻合。