福建省閩江流域鱸魚游泳能力試驗研究

黃 智 剛

(福州水務平潭引水開發有限公司，福州 350011)

游泳能力是魚類等水生生物能夠在大自然中生存的關鍵能力，多數魚類需要通過游泳來躲避天敵和自然災害、獲取食物、尋找合適的繁殖地點等[1]。魚類的游泳能力與其自身的生活習性有著密不可分的聯系，在不同的流域中存在不同的表征特性。魚類的游泳能力可應用于當地流域中魚道工程的設計和建設。目前，國內外關于魚類游泳能力已有一定的研究成果。《水利水電工程魚道設計導則》中給出了一系列常見的魚類的游泳能力數據；Plaut[2]和Hammer[3]對魚類游泳能力的各種概念作了分類論述，并就其可能的生物學和生態學意義做出探討。喬云貴等[4]在循環水槽中測量了鯽魚、鱸魚、羅非魚的臨界流速和爆發流速。王萍等[5]采用續航游泳時間評測指標作為評測魚類游泳能力的方法，結果表明，美國紅魚耐流能力最強，其次為鱸魚和斜帶髭鯛。美國紅魚、鱸魚、斜帶髭鯛3種魚的續航時間(或續航能力)與水流流速呈乘冪遞減關系。水溫對美國紅魚的游泳能力有顯著的影響，即美國紅魚在水溫20 ℃、流速0.84 m/s下的續航時間最長，從而得出其最適游泳水溫范圍。Mcclea[6]發現歐洲鰻以3.6～7.2倍體長每秒的速度游泳，且運動持續時間隨著速度的增快而縮短。歐洲鰻可在靜水中以高速游動10～45 m不等，游動距離取決于游泳速度。歐洲鰻在流速大于0.5 m/s時將很難向上游移動。Bae和Lee[7]對銀魚的游泳能力進行試驗，發現其尾鰭的擺動頻率在不同的游泳速度下存在規律。井愛國等[8]采用最大巡航游泳速度作為魚類游泳能力的評判指標，對花鱸(Lateolabrax maculatus)、許氏平鲉(Sebastes schlegeli)的游泳能力進行了測定，結果表明花鱸和許氏平鲉的臨界流速與體長成正比關系。張碩等[9]對黑幼魚的驅流性(包括臨界流速和爆發流速)進行了研究，在垂直循環回流水槽中對黑幼魚個體驅流性的統計結果表明，臨界流速和爆發流速與體長的相關關系是極顯著的。

然而，不同流域中的同種魚類游泳能力存在差異。對于閩江流域魚道工程建設而言，當地魚類游泳能力資料尚不完善，仍有待進一步研究。根據魚類洄游習性、區域特點、經濟價值等相關影響因素選取閩江流域典型的降海洄游魚種——鱸魚的幼魚為研究對象，通過明渠水槽開展試驗，測試其3種特征流速(感應流速、臨界流速以及爆發流速)，并總結體長對游泳能力的影響，旨在為魚道設計和養殖技術提供參考依據。

1 試驗設置

1.1 魚苗選取

試驗魚采用閩江流域的鱸魚幼魚。獲取試驗魚苗后，將魚苗暫養于試驗水槽下方的儲水池(儲水池長約3.6 m，寬約0.6 m，深約 0.6 m)中一周以適應試驗室周圍環境，并定期投喂專用飼料(投放比約為總質量的2%)。

由于魚苗對水質、水溫和光源較為敏感，故需加以控制。儲水池內的光照采用晝夜自然光周期。儲水池中的水采用曝氣5天后的自來水與池水混合，配比為1∶2，從而模擬自然界河道中的水體情況，便于魚類在接近自然的環境中存活游動。試驗水溫為22±0.5 ℃，魚飼養水溫和試驗水溫由溫度記錄儀定時測得(精確到 0.1 ℃)。

1.2 試驗裝置

試驗所用裝置為自循環明渠變坡水槽，主要由水槽、水泵、水箱等組成。水槽主要由亞克力板和鋼架結構制成，長約4.2 m，寬約0.3 m，高約0.3 m。水槽底坡可調節，最大坡度范圍為±2.6%。儲水池水體通過水泵抽送到水槽端頭，經由槽身進入水槽尾部，并最終通過泄水口回到儲水池中，實現自循環(如圖1)。水槽尾端設有雙開孔閘式尾門，用于控制槽內明渠水深，間接微調水流流速。

自循環變坡水槽中通過調節水泵電機功率實現對水流流速的控制。水泵最大功率為900 W，最大流量為45 m3/s。在試驗前利用流速儀測得循環水槽觀察區中心水流速度與水泵開度的關系，保證在試驗中準確調節流速。在魚類游泳能力試驗中，水槽區域分為4個部分，自前到后分別為穩定區、觀察區、適應區與泄水區，區域間采用攔魚網進行分隔。攔魚網長約0.3 m，寬約0.3 m，在形成各區域隔斷的同時防止幼魚逃走。穩定區用于穩定水泵抽上來的水流流態，保證進入觀察區的水流擾動較低。觀察區長1.8 m，是對魚類游泳能力進行測試的區域。適應區用于提供適應空間，使魚類在試驗前可充分適應周圍環境。泄水區通過調節尾門將水體流回儲水池。

1.3 感應流速測定

感應流速又稱起點流速，是指魚類剛剛能夠產生逆向游動反應的流速值。感應流速決定了魚類是否能夠感知水流流動方向從而判斷上游方向。對于感應流速的測量，本研究采用遞增流速法。在試驗魚苗中隨機選取10尾健康個體逐一進行測試，避免產生魚類之間互相學習的情況[10]。首先將魚苗放置在試驗水槽適應區，使之在0.01 m/s的水流條件下適應2 h。進而，將水流流速調至0，抬高觀察區與適應區攔魚網，使魚苗進入觀察區，并使魚頭部朝觀察區后端(即朝著適應區前攔魚網方向)，使之在該狀態下穩定5 s。此后，將水泵調至第一刻度(即此時觀察區內初始速度約為0.02 m/s)，每隔5 s以0.01 m/s為流速遞增量調整水槽內水流速度。當魚苗頭部調轉方向開始向上游游動時，記錄此時水泵的刻度位置及水流速度。如此，該水流速度與前一刻度所處水流速度區間即為該魚絕對感應流速的大致區間。選定魚感應流速的區間后，通過改變水槽的坡度與尾門前擋水板的高度細微調節水流流速條件。當魚在某一水流流速下開始調轉方向逆流游動時，此刻流速即為該種魚類幼魚的感應流速。試驗后測量該魚的體長與質量，得到魚相對感應流速。相對感應流速表達如下：

(1)

1.4 臨界流速測定

臨界流速是魚類最大的有氧游速，是常用來評價魚類游泳能力的重要指標之一，可為魚道內池室主流流速設計閾值提供參考。

在臨界流速的測試過程中，隨機選取10尾健康個體逐一進行測試。首先將魚苗放置在試驗水槽的魚苗適應區中，使其在0.01 m/s的水流條件下適應2 h。隨后將水流流速狀態調至0.1 m/s進行試驗，打開攔魚網，使魚在水槽測試區自由向上游動。若魚能夠在該狀態下持續向上游動20 min，則將水流流速升高0.1 m/s繼續觀察，如此反復。當魚出現疲勞狀態，即停止游動并觸及后方攔魚網時，記錄該狀態下水槽觀察區水流流速值以及在該流速下開始上溯到出現疲勞狀態的試驗歷時。試驗后將魚苗移出水槽，測量魚的體長與質量。計算臨界流速表達式如下[11]：

(2)

式中：Uc為臨界流速，m/s；Up為試驗魚能夠持續游泳20 min的最高流速，m/s；Ut為流速增幅 ，0.1 m/s；tf為在最后流速段內持續游泳時間，min；ti為調整流速的時間間隔，min。

(3)

1.5 爆發流速測定

爆發流速是魚類最快的游速，是指魚類在捕食、逃避敵害、受到驚嚇以及在強水流中游泳時所產生的極限游速，它所持續時間一般少于20 s。在進行過魚設施設計時，過魚設施內部的水流流速應當盡量小于爆發流速，增加魚類上溯的成功率。

在爆發流速的測量階段，同樣在魚苗總量中隨機選取10尾健康個體逐一進行測試。首先將其放置在試驗水槽魚苗適應區中，使其在0.01 m/s的水流條件下適應2 h。而后采用針刺背部或敲擊試驗水槽墻壁等方法，測量試驗魚在受刺激情況下逆流快速前進的游速，直至試驗魚疲勞停止游動。試驗后將魚苗移出水槽，測量魚的體長與質量。計算爆發流速公式如下[12]：

Ub=Uw+S/t

(4)

式中：Ub為爆發流速，m/s；Uw為水流速度，m/s；S為試驗魚所游的距離，m；t為試驗魚游段距離時所需要的時間，s。

(5)

2 試驗結果

2.1 特征流速試驗結果

將測試過程中選取的10尾魚苗按試驗順序進行先后標號(1～10號)，試驗后記錄其感應流速、臨界流速和爆發流速，結果繪于圖2中。由結果可知，對于試驗中所測試的魚苗，其每條個體感應流速、臨界流速和爆發流速均呈現遞增的關系。魚苗個體之間的特征流速差異也較為明顯，變幅較大。試驗中，鱸魚的感應流速變化范圍為0.042～0.092 m/s，平均值為0.071 m/s，中位數為0.071 m/s; 臨界流速變化范圍為0.112～0.249 m/s，平均值為0.186 m/s，中位數為0.185 m/s；爆發流速變化范圍為0.130～0.294 m/s，平均值為0.216 m/s，中位數為0.214 m/s。

2.2 相對特征流速結果

試驗中所采用的10尾鱸魚苗具有不同的體長參數，故擬合魚類感應流速、臨界流速、爆發流速與體長之間的關系，如圖3所示。魚類感應流速、臨界流速、爆發流速均與體長呈線性正相關關系。由此，為消除個體體長參數所帶來的影響，通過公式(1)、(3)、(5)分別計算出每條魚苗個體的相對感應流速值、相對臨界流速值、相對爆發流速值。計算后的3個相對特征流速在有限范圍內變化，即：①鱸魚相對感應流速范圍為0.85 ～0.90 BL/s，平均值為0.88 BL/s；②鱸魚相對臨界流速范圍為2.23～2.34 BL/s，平均值為2.29 BL/s；③鱸魚相對爆發流速范圍為2.57～2.71 BL/s，平均值為2.65 BL/s。

利用上述結果，可對鱸魚的3個特征流速進行相互之間的快速的估算。鱸魚的相對臨界流速約為相對感應流速的2.5～2.7倍，平均為2.6倍。鱸魚的相對爆發流速約為相對感應流速的2.9～3.2倍，平均為3.0倍。

3 討 論

3.1 不同流域鱸魚特征流速對比

試驗結果表明，鱸魚的游泳能力隨著體長的增長而增加。雖然本試驗中鱸魚的相對臨界流速與相對爆發流速均穩定在一定范圍之內，然而不同流域下生活的鱸魚具有些許差異。圖4為本試驗結果(閩江流域鱸魚)與喬云貴等[4](長江流域鱸魚)試驗結果對比，具體包含了鱸魚的相對臨界流速與相對爆發流速。由對比可知，閩江流域鱸魚的平均相對臨界流速(平均值2.29 BL/s)略高于長江流域的鱸魚(平均值2.17 BL/s)，相差0.12 BL/s；閩江流域鱸魚的相對爆發流速(平均值2.65 BL/s)顯著高于長江流域的鱸魚(平均值2.37 BL/s)，相差0.28 BL/s。

由此可見，各地在修建魚道工程時應充分考慮當地流域的過魚對象的特殊性，建議通過開展試驗獲取適合當地魚類的特征流速，有助于補充《水利水電工程魚道設計導則》中適合各流域的魚類資料。

3.2 基礎感應流速探討

為了描述不同魚苗個體之間的相對感應流速，通常采用公式(1)進行計算。公式(1)可轉換為：

(6)

當公式(6)中的L接近于0(即魚苗體長足夠小)，此時感應流速Ui不可能無限接近于0，此時存在魚類的基礎感應流速。因此，本文基于試驗數據，對感應流速計算公式[公式(1)]進行改進，即總感應流速應為基礎感應流速加上魚苗體長線性增長部分的感應流速，表示為：

(7)

由個體間感應流速值的擬合(圖5)可知，本試驗中的鱸魚感應流速為：

Ui=0.002 3+0.842 1L

(8)

即通過試驗數據擬合線的延長線，當魚苗體長為0時，本試驗中鱸魚的基礎感應流速為0.002 3 m/s。需要注意的是，本試驗中鱸魚的基礎感應流速是試驗數據初步推得，對于實際工程中所存在的體長0.3～0.4 m的鱸魚，有待于今后更系統的試驗進行補充和修正。

4 結 論

本文利用自循環變坡水槽對閩江流域鱸魚的游泳能力開展了試驗，采用流速遞增法對魚類感應流速、臨界流速、爆發流速進行測試。結果表明，本試驗中的閩江流域鱸魚感應流速、臨界流速、爆發流速的平均值分別為0.071，0.186, 0.216 m/s; 相對感應流速、相對臨界流速、相對爆發流速的平均值分別為 0.88、2.29、2.65 BL/s。不同流域鱸魚有不同的游泳能力，閩江流域鱸魚相比于長江流域鱸魚，其相對臨界流速略高、相對爆發流速明顯較高，因此建議在魚道工程設計前應對當地流域魚類過魚對象進行游泳能力測試。本試驗中提出鱸魚的總感應流速可由基礎部分和體長增長部分組成，通過數據擬合推求出閩江鱸魚基礎感應流速為0.002 3 m/s，對于實際工程中體長為0.3～0.4 m的鱸魚，有待于今后更系統的試驗對其修正和補充。

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