面向魚(yú)道設(shè)計(jì)的模型魚(yú)洄游特征流速試驗(yàn)研究

歐昌雪 ，張 羽，王二平，張石磊，劉英博，王銀海

(華北水利水電大學(xué)，鄭州 450045)

0 引 言

水利工程在實(shí)現(xiàn)水資源開(kāi)發(fā)和防洪抗旱方面發(fā)揮了巨大作用，但不可否認(rèn)的是，其對(duì)河流生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響同時(shí)存在。河流的縱向連通性自水利工程建設(shè)后就被阻隔了，對(duì)魚(yú)類(lèi)洄游的影響較大，尤其是具有溯河洄游特性的魚(yú)類(lèi)，對(duì)此，國(guó)內(nèi)外都有相關(guān)研究[1]。例如，我國(guó)葛洲壩水利樞紐修建完成后，中華鱘的天然繁殖活動(dòng)區(qū)域被壓縮于壩下至萬(wàn)壽橋約4 km的江段內(nèi)，產(chǎn)卵場(chǎng)范圍大幅度縮小，分布在江段的長(zhǎng)度不足在建壩前的1%[2]，即使上游中華鱘數(shù)量可保持相對(duì)穩(wěn)定，但是由于魚(yú)苗和幼魚(yú)不可漂流過(guò)壩，葛洲壩下游種群數(shù)量也將逐漸減少。

當(dāng)前魚(yú)類(lèi)生態(tài)環(huán)境遭受破壞，漁業(yè)資源日益減少，為了緩解水利工程建設(shè)所致的不利影響，修筑魚(yú)道等過(guò)魚(yú)設(shè)施已成為重要舉措。魚(yú)道作為一種生態(tài)工程措施，可以保持河流的縱向連續(xù)性，滿(mǎn)足魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)繁衍的洄游需要[3]。縱觀世界各國(guó)，早期的魚(yú)道建設(shè)往往因?yàn)槿狈?duì)魚(yú)類(lèi)的了解而成為擺設(shè)。而不同時(shí)期、不同種類(lèi)的魚(yú)類(lèi)游泳能力及行為關(guān)系著魚(yú)道設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，一定程度上決定著魚(yú)道是否可以發(fā)揮實(shí)際效用。我國(guó)的魚(yú)道建設(shè)起步晚，且缺乏對(duì)過(guò)魚(yú)對(duì)象的科學(xué)研究，導(dǎo)致其再度興起面臨著缺乏可靠的生物學(xué)信息的不利處境。在魚(yú)道的水力設(shè)計(jì)中最重要的參數(shù)是流速，通過(guò)試驗(yàn)找到一種魚(yú)類(lèi)游泳能力與設(shè)計(jì)流速的擬合關(guān)系，對(duì)于上溯魚(yú)類(lèi)能否成功通過(guò)魚(yú)道至關(guān)重要。

國(guó)外較國(guó)內(nèi)而言，關(guān)于過(guò)魚(yú)對(duì)象的研究起步較早，國(guó)內(nèi)研究也大多借用國(guó)外的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，但國(guó)外研究多以鮭魚(yú)為研究對(duì)象，而國(guó)內(nèi)大部分是鯉科魚(yú)(四大家魚(yú)等)，因此這些經(jīng)驗(yàn)不具有普遍意義。

1 魚(yú)類(lèi)洄游行為研究現(xiàn)狀

有關(guān)魚(yú)類(lèi)的各種研究，例如魚(yú)類(lèi)的繁殖、洄游行為和學(xué)習(xí)行為，已于十九世紀(jì)末開(kāi)始。二十世紀(jì)中旬開(kāi)始有大量的相關(guān)研究，研究人員發(fā)現(xiàn)魚(yú)的游動(dòng)速度與擺尾頻率呈線(xiàn)性關(guān)系。到二十一世紀(jì)，對(duì)游泳行為的研究不斷細(xì)化，如Plaut等提出延長(zhǎng)性游泳速度的概念，其結(jié)論是通過(guò)延長(zhǎng)性游泳速度，可以評(píng)價(jià)魚(yú)類(lèi)的游泳能力[4]。

我國(guó)魚(yú)類(lèi)游泳行為學(xué)的研究開(kāi)始于20世紀(jì)80年代，存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備不完善、實(shí)驗(yàn)方法以參照為主、研究成果不系統(tǒng)、研究資料相對(duì)零散等問(wèn)題。何大仁等較早在國(guó)內(nèi)開(kāi)始魚(yú)類(lèi)運(yùn)動(dòng)行為的研究，他們率先進(jìn)行了魚(yú)類(lèi)視覺(jué)反應(yīng)的研究[4]；其后，上海水產(chǎn)大學(xué)的張碩研究了黑鮶幼魚(yú)的游泳運(yùn)動(dòng)和趨流行為[4]；何平國(guó)等在實(shí)驗(yàn)測(cè)定多游泳的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上研究了三種海洋魚(yú)類(lèi)游泳的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性[4]；劉曉春等對(duì)真鯛早期發(fā)育階段的行為生態(tài)進(jìn)行了初步觀察，并對(duì)其游泳、探索的行為進(jìn)行了分析研究[5]。

近些年，水利行業(yè)結(jié)合魚(yú)道設(shè)計(jì)要求，對(duì)魚(yú)類(lèi)游泳能力及行為開(kāi)展了深化研究。龔麗等人采用流速遞增法對(duì)模型魚(yú)幼魚(yú)游泳能力及游泳行為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)臨界流速隨魚(yú)體長(zhǎng)度的增加呈線(xiàn)性增加，同時(shí)在流速改變時(shí)，魚(yú)會(huì)不斷調(diào)整它們的游泳行為以適應(yīng)環(huán)境。李想等研究了流速對(duì)紅鰭銀鯽幼魚(yú)游泳狀態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著流速增大，幼魚(yú)相對(duì)靜止時(shí)間增多，逆流前進(jìn)狀態(tài)減少；在低速水流刺激下，幼魚(yú)出現(xiàn)了比在高速水流刺激下更大比例的逆流后退。史航等人對(duì)許昌平鲉、大瀧六線(xiàn)魚(yú)臨界流速和爆發(fā)流速及其生理指標(biāo)進(jìn)行研究，定義臨界流速是魚(yú)類(lèi)耐久流速和持續(xù)流速的分界，持續(xù)流速是魚(yú)類(lèi)可以持續(xù)游泳20 s到200 min最后疲勞的流速，耐久流速是魚(yú)類(lèi)可以持續(xù)游泳200 min不會(huì)疲勞的流速[6,7]。

2 魚(yú)類(lèi)特征流速定義

鑒于魚(yú)類(lèi)的溯流游速與水流流速密切相關(guān)，魚(yú)道的入口流速和流態(tài)關(guān)系到魚(yú)類(lèi)是否進(jìn)入魚(yú)道的關(guān)鍵因素。為此，本文根據(jù)相關(guān)魚(yú)類(lèi)游泳能力的研究，將魚(yú)類(lèi)不同游泳行為的特征水流流速細(xì)分為四種特征流速，即：響應(yīng)流速、臨界流速、持續(xù)流速和突進(jìn)流速，具體定義見(jiàn)表1。

響應(yīng)流速是魚(yú)類(lèi)剛剛產(chǎn)生頂流運(yùn)動(dòng)趨向的流速指標(biāo)，可使魚(yú)類(lèi)在魚(yú)道池室段內(nèi)感受到主流方向；臨界流速是考察魚(yú)類(lèi)產(chǎn)生持續(xù)趨流性的流速指標(biāo)，隨著各種魚(yú)類(lèi)游泳能力不同，臨界流速差別較大；持續(xù)流速是使幼魚(yú)在較大的流速范圍內(nèi)，溯流前進(jìn)且具有一定時(shí)間和距離的流速指標(biāo)；突進(jìn)流速魚(yú)類(lèi)穿越高速水流時(shí)表現(xiàn)出爆發(fā)式游泳行為的流速指標(biāo)，在魚(yú)道池室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，進(jìn)出口水流流速設(shè)計(jì)應(yīng)絕對(duì)小于魚(yú)類(lèi)的突進(jìn)流速。

表1 魚(yú)類(lèi)不同游泳行為的特征流速定義

3 鯉科幼魚(yú)洄流特征的試驗(yàn)測(cè)試

3.1 研究目的與內(nèi)容

魚(yú)道進(jìn)流區(qū)流速過(guò)大是已建魚(yú)道實(shí)際運(yùn)行效果較差的關(guān)鍵問(wèn)題[8]。本試驗(yàn)以草魚(yú)幼魚(yú)和鯉魚(yú)幼魚(yú)為研究對(duì)象，通過(guò)模型試驗(yàn)確定模型魚(yú)體長(zhǎng)與其特征流速的關(guān)系，為仿生態(tài)魚(yú)道入口流速的確定提供依據(jù)。

本試驗(yàn)將模型魚(yú)放置在可以容納廣泛試驗(yàn)魚(yú)類(lèi)和條件的環(huán)形開(kāi)放式水槽中進(jìn)行[9]，通過(guò)模型試驗(yàn)的方法，測(cè)量、記錄模型魚(yú)在不同游泳行為下的特征水流流速。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，找到一種模型魚(yú)體長(zhǎng)與特征流速的相關(guān)式。

3.2 模型魚(yú)的選擇

本文以長(zhǎng)江中最常見(jiàn)的鯉科魚(yú)為對(duì)象，在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，購(gòu)置了草魚(yú)、鯉魚(yú)和鰱魚(yú)各50尾，體長(zhǎng)7.1±3.8 cm，生長(zhǎng)環(huán)境為家養(yǎng)，生長(zhǎng)周期為5～7 周。模型魚(yú)的選擇，一般應(yīng)考察其生物特性、趨光性、逐聲性和對(duì)化學(xué)物質(zhì)的敏感程度，以便誘導(dǎo)其順利進(jìn)入試驗(yàn)觀測(cè)段。

在對(duì)化學(xué)物質(zhì)的敏感程度方面，氨基酸、核甘酸、脂肪酸、糖類(lèi)、激素類(lèi)、無(wú)機(jī)鹽、維生素等對(duì)三種模型魚(yú)均有促攝效果；在逐聲性方面，200 Hz左右三種模型魚(yú)側(cè)線(xiàn)均有最好的低頻感度，500 Hz左右內(nèi)耳均有最好的高頻感度。然而，這三種模型魚(yú)在生物特性和趨光性方面的差異比較明顯。水槽試驗(yàn)表明，草魚(yú)具有負(fù)趨光性，鯉魚(yú)具有正趨光性，而鰱魚(yú)無(wú)明顯趨光性。本試驗(yàn)擬采用光學(xué)誘導(dǎo)的方法，故選擇草魚(yú)和鯉魚(yú)作為本次試驗(yàn)研究的模型魚(yú)，選擇對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)的三種模型魚(yú)比選

將模型魚(yú)以不同規(guī)格的體長(zhǎng)(第1組3～6 cm，第2組7～11 cm)分為2組，每組10尾。在試驗(yàn)前模型魚(yú)停止攝食并將馴養(yǎng)水槽放置室內(nèi)安靜、陰涼處，24 h后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.3 魚(yú)類(lèi)生物力學(xué)特性的測(cè)試裝置

本試驗(yàn)利用了華北水利水電大學(xué)水力學(xué)及河流研究所自行研發(fā)的魚(yú)類(lèi)生物力學(xué)特性試驗(yàn)裝置，采用外置變頻泵為水槽供水的試驗(yàn)裝置，環(huán)形水道整體為開(kāi)放式，給魚(yú)類(lèi)提供了游泳空間，可使魚(yú)類(lèi)更自然地進(jìn)入觀測(cè)段，減輕人為干擾，如圖1所示。

同時(shí)根據(jù)不同魚(yú)類(lèi)的生物特性，增加了光學(xué)誘魚(yú)設(shè)施以引導(dǎo)魚(yú)類(lèi)更快地進(jìn)入試驗(yàn)觀測(cè)段。水槽中部設(shè)有魚(yú)類(lèi)休息室，既可在試驗(yàn)前使魚(yú)類(lèi)充分適應(yīng)周?chē)h(huán)境，又可在試驗(yàn)過(guò)程中為魚(yú)類(lèi)提供臨時(shí)休息場(chǎng)所；增加生態(tài)環(huán)境輔助設(shè)施，模擬魚(yú)類(lèi)自然生存環(huán)境，減輕外界環(huán)境對(duì)其游泳行為的干擾；根據(jù)水流在環(huán)形流場(chǎng)中的流動(dòng)特性，設(shè)計(jì)兩種穩(wěn)流板以控制試驗(yàn)段流態(tài)穩(wěn)定，避免紊流干擾。為了證明穩(wěn)流板對(duì)穩(wěn)定流態(tài)的實(shí)際效果，在進(jìn)行試驗(yàn)前利用ADV流速測(cè)量?jī)x測(cè)得調(diào)頻泵頻率在15%至100%范圍的三個(gè)斷面流速值，擬合出調(diào)頻泵頻率與試驗(yàn)段流速的線(xiàn)性關(guān)系如圖2。

圖1 魚(yú)類(lèi)生物力學(xué)特性測(cè)試裝置示意圖

圖2 調(diào)頻泵頻率與水槽流速關(guān)系圖

在試驗(yàn)中，試驗(yàn)裝置水溫控制在(24±1)℃，持續(xù)充氧24h。試驗(yàn)裝置加設(shè)遮光板避免外界光線(xiàn)的干擾，并在試驗(yàn)時(shí)禁止水槽四周的活動(dòng)，避免聲音干擾。

利用在流場(chǎng)上部和側(cè)面設(shè)置的紅外影像儀，記錄水流流速及魚(yú)類(lèi)游泳行為(如圖3)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像采集和后期數(shù)據(jù)處理。

圖3 借助紅外影像儀的魚(yú)類(lèi)洄游觀測(cè)

3.4 響應(yīng)流速測(cè)量

試驗(yàn)時(shí)每次隨機(jī)選擇2尾模型魚(yú)放入U(xiǎn)型循環(huán)試驗(yàn)水槽測(cè)試區(qū)內(nèi)，適應(yīng) 5 min 至模型魚(yú)無(wú)突然的變向游泳行為。然后啟動(dòng)電機(jī)，逐漸增加頻率，調(diào)節(jié)水箱的流速。當(dāng)模型魚(yú)調(diào)整身體方向開(kāi)始出現(xiàn)頂流運(yùn)動(dòng)趨向時(shí)，此時(shí)流速被視為模型魚(yú)的誘導(dǎo)速度即響應(yīng)流速。

3.5 臨界流速測(cè)量

臨界流速的測(cè)量采用的是“遞增流速法”，使魚(yú)類(lèi)被迫在流速逐漸遞增的環(huán)形水槽中運(yùn)動(dòng)，直至其疲勞，基本測(cè)試步驟如下：

(1)首先進(jìn)行3次預(yù)試驗(yàn)，每次選取1尾魚(yú)放入試驗(yàn)段進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，試驗(yàn)前使模型魚(yú)在20%的調(diào)頻泵頻率(流速為2.7 cm/s)下適應(yīng)30 min，此后每2 min增加10%的頻率，直至魚(yú)類(lèi)失去溯游動(dòng)力并記錄此時(shí)所處位置及相應(yīng)流速，并將3次預(yù)試驗(yàn)所得到的流速平均值作為臨界流速的預(yù)估值，供正式試驗(yàn)參考。模型魚(yú)疲勞判斷標(biāo)準(zhǔn)為：模型魚(yú)被水流沖至下游無(wú)法游動(dòng)時(shí)間超出20 s。

(2)正式試驗(yàn)時(shí)，將單尾模型魚(yú)放入試驗(yàn)段中，使其在20%的流速下適應(yīng)30 min以消除轉(zhuǎn)移過(guò)程對(duì)魚(yú)體的脅迫。測(cè)試開(kāi)始后，每隔 5 min增加5%的水流速度至預(yù)估臨界流速，而后每隔20 min增加預(yù)估流速的10%，同時(shí)觀察記錄魚(yú)的游泳行為，直至試魚(yú)疲勞無(wú)法繼續(xù)游動(dòng)，此時(shí)試驗(yàn)結(jié)束，記錄該時(shí)刻水流速度和總計(jì)游泳時(shí)間。

(3)測(cè)試完成后，校核預(yù)估臨界流速并記錄模型魚(yú)的體長(zhǎng)和體重。

3.6 持續(xù)流速測(cè)量

測(cè)出魚(yú)類(lèi)的臨界流速后，就可根據(jù)該速度的一定倍數(shù)或分?jǐn)?shù)，設(shè)定不同的檢測(cè)速度，而后采用固定流速法，即保持設(shè)定的流速不變，測(cè)量模型魚(yú)所能維持的時(shí)間。本研究定義持續(xù)流速取決于模型魚(yú)在設(shè)定的水槽流速下連續(xù)游泳超過(guò)80 min的流速值。

3.7 突進(jìn)流速測(cè)量

由于魚(yú)類(lèi)在高速游動(dòng)時(shí)采用的是“爆發(fā)-滑動(dòng)”的游泳模式，突進(jìn)速度所維持的時(shí)間極短，所以目前通過(guò)對(duì)影像的分析，用模型魚(yú)穿越高速水流時(shí)有擺尾頻率迅速增加但維持時(shí)間較短的現(xiàn)象界定突進(jìn)流速。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在試驗(yàn)設(shè)定的水溫、水槽斷面和調(diào)頻泵頻率等參數(shù)下，分別測(cè)試了魚(yú)體長(zhǎng)度與響應(yīng)流速、臨界流速和突進(jìn)流速的相關(guān)關(guān)系。由于草魚(yú)幼魚(yú)與鯉魚(yú)幼魚(yú)均屬于鯉科魚(yú)，兩者游泳能力和行為相似，故取兩者試驗(yàn)數(shù)據(jù)均值作為評(píng)價(jià)游泳能力的參考值。

4.1 特征流速的測(cè)量結(jié)果擬合

4.1.1 響應(yīng)流速擬合

利用最小二乘原理，擬合得到響應(yīng)流速與模型魚(yú)體長(zhǎng)的關(guān)系，并示于圖4。

Vre=0.31L+5.14

(1)

式中：Vre為響應(yīng)流速，cm/s；L為模型魚(yú)的體長(zhǎng)，cm。

圖4 模型魚(yú)體長(zhǎng)與響應(yīng)流速關(guān)系圖

4.1.2 臨界流速擬合

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，模型魚(yú)的臨界流速與模型魚(yú)體長(zhǎng)之間呈現(xiàn)非線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)二次式擬合，得到下列關(guān)系，并示于圖5：

Vcr=-0.36L2+9.42L-16.51

(2)

式中：Vcr為臨界流速，cm/s；L為模型魚(yú)的體長(zhǎng)，cm。

圖5 模型魚(yú)體長(zhǎng)與臨界流速關(guān)系圖

4.1.3 突進(jìn)流速擬合

根據(jù)突進(jìn)流速與模型魚(yú)體長(zhǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)最小二乘原理，計(jì)算得到下列關(guān)系，并示于圖6：

Von=6.27L-10.71

(3)

式中：Von為突進(jìn)流速，cm/s；L為模型魚(yú)的體長(zhǎng)，cm。

圖6 模型魚(yú)體長(zhǎng)與突進(jìn)流速關(guān)系圖

4.1.4 持續(xù)流速

在不同的穩(wěn)定流速下，觀察模型魚(yú)的游泳持續(xù)時(shí)間，將連續(xù)游泳超過(guò)80 min的水流流速值作為持續(xù)流速。由于模型魚(yú)的個(gè)體離散型較大，觀測(cè)得模型魚(yú)的持續(xù)流速約為28.1±7.2 cm/s。

4.2 特征流速的分析

如圖7表達(dá)了三種特征流速與模型魚(yú)體長(zhǎng)的關(guān)系，由圖可見(jiàn)，模型魚(yú)的響應(yīng)流速與體長(zhǎng)弱線(xiàn)性相關(guān)，而突進(jìn)流速與模型魚(yú)體長(zhǎng)的線(xiàn)性相關(guān)度較大，持續(xù)流速與體長(zhǎng)大致呈二次項(xiàng)遞增關(guān)系。在試驗(yàn)魚(yú)的體長(zhǎng)范圍內(nèi)，響應(yīng)流速的變化約為6.5～8.5 cm/s，可見(jiàn)響應(yīng)流速較為穩(wěn)定。當(dāng)模型魚(yú)體長(zhǎng)在7 cm以下時(shí)，突進(jìn)流速與持續(xù)流速數(shù)值基本一致；在7 cm以上時(shí)，突進(jìn)流速開(kāi)始明顯高于持續(xù)流速。

圖7 模型魚(yú)體長(zhǎng)與三種特征流速關(guān)系圖

5 研究結(jié)論

本文利用自制仿魚(yú)道生態(tài)裝置，開(kāi)展了流速對(duì)魚(yú)類(lèi)洄游行為影響的模型試驗(yàn)研究，主要研究結(jié)論如下：

(1)針對(duì)我國(guó)各流域中常見(jiàn)的鯉科幼魚(yú)，考察其生物特性、趨光性、逐聲性和對(duì)化學(xué)物質(zhì)的敏感程度，以趨光性為特征選擇了草魚(yú)幼魚(yú)和鯉魚(yú)幼魚(yú)為模型魚(yú)；

(2)為尋找模型魚(yú)的誘導(dǎo)水流流速，定義了魚(yú)類(lèi)活動(dòng)的四種特征流速(響應(yīng)流速、臨界流速、持續(xù)流速與突進(jìn)流速)為試驗(yàn)觀察指標(biāo)；

(3)通過(guò)應(yīng)用自行研發(fā)的仿生態(tài)魚(yú)類(lèi)生物力學(xué)特性測(cè)試裝置，模擬河道水流環(huán)境，測(cè)試了鯉科幼魚(yú)體長(zhǎng)與四種特征流速的相關(guān)性。試驗(yàn)中由于草魚(yú)幼魚(yú)與鯉魚(yú)幼魚(yú)均屬于鯉科魚(yú)，兩者游泳能力和行為相似，故取兩者試驗(yàn)數(shù)據(jù)均值作為評(píng)價(jià)游泳能力的參考值；

(4)通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，得到了響應(yīng)流速、臨界流速、突進(jìn)流速與魚(yú)體長(zhǎng)度之間的計(jì)算公式；通過(guò)采用固定流速法，將模型魚(yú)連續(xù)游泳超過(guò)80 min的流速值作為持續(xù)流速，觀測(cè)得模型魚(yú)持續(xù)流速為28.1±7.2 cm/s。

必須注意的是，本次試驗(yàn)的模型魚(yú)是具有特定體長(zhǎng)和生長(zhǎng)周期的鯉科幼魚(yú)，雖然研究結(jié)論有其適用范圍，但本文試驗(yàn)方法可為同類(lèi)研究提供參考。

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