松花江鯽魚游泳能力的研究

李樹航，韓 雷，王正君，王 璐，蘇國青，狄高健

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省水利科學(xué)研究院,黑龍江 哈爾濱 150080)

為了調(diào)節(jié)水資源分布不均，水利工作者在河流中修建了許多大壩和堤堰來控制水流。但大壩建成后，魚類無法從下游通過大壩回到上游，魚類也無法進(jìn)行覓食、產(chǎn)卵，最后可能導(dǎo)致某些具有洄游習(xí)性的魚類的消失，造成河流生態(tài)系統(tǒng)的失衡，破壞河流生態(tài)環(huán)境。為保護(hù)魚類和恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)，許多國家在建成的水工建筑物上修建可以過魚的通道。魚道作為一種生物補(bǔ)償工程[1]，可以為魚類洄游提供人工通道，有利于河流生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。

我國在過魚建筑物的建設(shè)和研究方面起步較晚，傳統(tǒng)魚道更多是從水工建筑物的水力特性開展研究，基本沒有考慮到洄游魚類是否能夠順利地通過魚道。但實(shí)踐證明，由于魚類對水流天然的趨避性，如果沒有對洄游魚類的游泳能力進(jìn)行研究直接設(shè)計魚道，魚道的過魚效果難以達(dá)到理想的目標(biāo)[2-4]。因此要研究和建設(shè)魚道，必須要考慮到目標(biāo)魚類的游泳能力。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用鯽魚選取于哈爾濱某魚場，采集時間為2020年6月上旬。試驗魚體長度為19～27 cm。將試驗魚放在矩形水池中暫養(yǎng)兩周后開始試驗，期間每隔3天換一次水，水溫變化范圍在 24 ℃±1 ℃。對試驗魚進(jìn)行感應(yīng)流速的試驗時，由于不產(chǎn)生疲勞效應(yīng)，可以進(jìn)行其他試驗。在測定試驗魚的臨界游泳速度和突進(jìn)游泳速度時，不可以連續(xù)測量，需在暫養(yǎng)池中恢復(fù)24 h后才可繼續(xù)試驗。試驗過程中，將試驗魚從養(yǎng)魚池和試驗裝置之間來回轉(zhuǎn)移時應(yīng)注意對試驗魚的保護(hù)，通過使用細(xì)網(wǎng)和水盆等對魚損傷較小的轉(zhuǎn)移工具，來減少轉(zhuǎn)運(yùn)過程中對試驗魚的影響。

1.2 試驗裝置

試驗裝置是一個循環(huán)水槽，除試驗區(qū)外其他地方都密封，如圖1所示。水槽截面為56 cm×100 cm。試驗觀察區(qū)長度100 cm，左右兩側(cè)都配有鐵絲網(wǎng)，防止試驗魚游出觀察區(qū)。試驗裝置的右上方配有一臺電機(jī)，啟動電機(jī)，電機(jī)再帶動螺旋槳產(chǎn)生循環(huán)水流，通過變頻器來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)水流的流速。水流通過試驗觀察區(qū)前端的管簇穩(wěn)流裝置后，可在試驗觀察區(qū)內(nèi)獲得均勻、穩(wěn)定的流場，便于觀察記錄數(shù)據(jù)。試驗前用流速儀在試驗區(qū)對水流流速進(jìn)行標(biāo)定，得到變頻電機(jī)的頻率與水流流速的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖1 魚類游泳能力試驗裝置

圖2 頻率～流速關(guān)系圖

1.3 感應(yīng)流速測定

用10尾魚進(jìn)行感應(yīng)流速試驗。試驗開始前，將養(yǎng)在水池中2周后的鯽魚轉(zhuǎn)移到試驗裝置中的試驗區(qū)內(nèi)，在靜水中適應(yīng)1 h來消除轉(zhuǎn)移對魚類所造成的影響。在魚類適應(yīng)新環(huán)境后正式開始試驗，以微調(diào)的方式，每隔5 s逐步增大頻率來調(diào)節(jié)水流速度，同時觀察試驗魚的游動方向，當(dāng)試驗魚開始從不規(guī)則的四處游動開始逆著水流游動時，記錄此時的流速，作為試驗魚的感應(yīng)流速，同時記錄此時試驗魚的體長與體重。

1.4 臨界游泳速度測定

臨界游泳速度也稱為最大可持續(xù)游泳速度，是魚類最大的有氧游速，通常用來評價魚類有氧運(yùn)動能力指標(biāo)[5]。

試驗水溫為24 ℃±1 ℃，試驗魚共22尾，其中2尾用做預(yù)試驗，正式試驗20尾。

本試驗測臨界游泳速度采用“流速遞增法”測定，該方法高效、準(zhǔn)確率高，應(yīng)用最為廣泛。雷青松[6],王永猛[7],李志敏[8],李會鋒[9]等，都是通過“流速遞增法”來測定臨界游泳速度。首先進(jìn)行2次預(yù)試驗，對試驗魚的臨界游泳速度進(jìn)行預(yù)估，每次只取1尾魚進(jìn)行試驗。試驗前將試驗魚在1 BL/s(BL為試驗魚體長)的水流流速下適應(yīng)1 h，之后每隔2 min使水流速度增加0.4 BL/s，直至試驗魚疲勞為止(疲勞標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)試驗魚游不動被水流沖至鋼絲網(wǎng)上無法游動的時間超出20 s[10])。兩次試驗結(jié)束后得到的水流速度取平均值來作為預(yù)估臨界游泳速度。

正式試驗時，每隔5 min增加0.5 BL/s的水流速度，直至達(dá)到60%的預(yù)估臨界游泳速度之后，將間隔時間延長到20 min增加一次水流速度，每次增加15%的預(yù)估臨界游泳速度，直至試驗魚疲勞為止。

臨界游泳速度計算公式如式(1)[10]：

(1)

式中：Ucrit為臨界游泳速度，cm/s；U為試驗魚疲勞時對應(yīng)的最大水流速度，cm/s；ΔU為流速增量(增速為15%的臨界游泳速度粗略值)，cm/s；t為該時段魚疲勞時所用的時間，min；Δt為時間間隔,取20 min。

相對臨界游泳速度指魚類個體的臨界游泳速度，用魚類體長來表征,其計算公式如式(2)[10]:

(2)

1.5 突進(jìn)游泳速度測定

該部分操作方法與臨界游泳速度的測定方法基本相同，進(jìn)行2次預(yù)試驗，每20 s使水流速度增加0.4 BL/s，直至試驗魚疲勞為止。正式試驗時，使水流速度快速調(diào)到預(yù)估突進(jìn)游泳速度的60%，之后每隔20 s使水流速度增加15%的預(yù)估突進(jìn)游泳速度，直至試驗魚疲勞為止。

突進(jìn)游泳速度計算公式如式(3)[11]：

(3)

式中：Uburst為突進(jìn)游泳速度，cm/s；Δt為時間間隔，取20 s。

相對突進(jìn)游泳速度計算公式如式(4)[11]：

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 感應(yīng)流速

本試驗測得鯽魚體長19～27 cm的感應(yīng)流速為0.066 m/s±0.020 m/s。在設(shè)計魚道時，要確保主流區(qū)流速大于感應(yīng)流速，以便能使魚類感應(yīng)到水流來確定洄游方向。

2.2 臨界游泳速度

如圖3所示,正在進(jìn)行鯽魚臨界游泳速度試驗。測得4種體長范圍的鯽魚臨界游泳速度為118.69 cm/s±2.36 cm/s、124.61 cm/s±1.48 cm/s、130.53 cm/s±2.96 cm/s、137.34 cm/s±2.07 cm/s。對應(yīng)的相對臨界游泳速度為5.91 BL/s±0.09 BL/s、5.69 BL/s±0.06 BL/s、5.47 BL/s±0.11 BL/s、5.22 BL/s±0.08 BL/s,如表1所示。

由圖4可知，隨著試驗魚體長的增加，臨界游泳速度也線性增加。分析可得到試驗魚體長與臨界游泳速度的關(guān)系式如式(5):

Ucrit=2.9606BL+59.474

(5)

圖3 鯽魚臨界游泳速度試驗

表1 鯽魚的臨界游泳速度

圖4 臨界游泳速度與體長的關(guān)系

相對臨界游泳速度隨著試驗魚體長的增加而逐漸減小，如圖5所示。得到試驗魚體長與相對臨界游泳速度的關(guān)系式如式(6):

(6)

圖5 相對臨界游泳速度與試驗魚體長的關(guān)系

2.3 突進(jìn)游泳速度

圖6為鯽魚突進(jìn)游泳速度試驗。測得4種體長范圍的鯽魚的絕對突進(jìn)游泳速度為142.74 cm/s±1.76 cm/s、147.15 cm/s±1.10 cm/s、151.55 cm/s±2.20 cm/s、156.61 cm/s±1.54 cm/s。對應(yīng)相對突進(jìn)游泳速度為7.15 BL/s±0.16 BL/s、6.75 BL/s±0.10 BL/s、6.34 BL/s±0.20 BL/s、5.87 BL/s±0.14 BL/s，如表2所示。通過試驗數(shù)據(jù)分析可知，鯽魚的突進(jìn)游泳速度隨著試驗魚體長的增加而線性增加，如圖7所示。得到試驗魚體長與突進(jìn)游泳速度的關(guān)系式如式(7)：

Uburst=2.2012BL+98.719

(7)

如圖8所示，相對突進(jìn)游泳速度隨著試驗魚體長的增加而逐漸減小，得到試驗魚體長與相對突進(jìn)游泳速度的關(guān)系式如式(8)：

(8)

圖6 鯽魚突進(jìn)游泳速度試驗

表2 鯽魚的突進(jìn)游泳速度

圖7 突進(jìn)游泳速度與體長的關(guān)系

圖8 相對突進(jìn)游泳速度與體長的關(guān)系

3 結(jié) 論

魚的游泳能力與魚道的設(shè)計密切相關(guān)，將直接影響目標(biāo)魚類是否能夠順利洄游，從而判斷此魚道的設(shè)計能否可行。因此，在設(shè)計魚道時魚道結(jié)構(gòu)型式的選擇、魚道內(nèi)各種參數(shù)的確定、休息池設(shè)置方式，以及設(shè)計流速的確定等，都需要參考過魚對象的游泳能力，在此基礎(chǔ)上才能進(jìn)行設(shè)計。本試驗在水溫24 ℃±1 ℃條件下，利用魚類游泳試驗裝置，開展了體長為19～27 cm的松花江鯽魚的感應(yīng)流速、臨界游泳速度、突進(jìn)游泳速度的試驗研究，得到松花江鯽魚的游泳能力，為魚道設(shè)計提供了重要的參考依據(jù)，對保護(hù)魚類以及生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。

(1) 感應(yīng)流速試驗

測得體長為19～27 cm的試驗魚，感應(yīng)流速為0.066 m/s±0.020 m/s。

(2)臨界游泳速度試驗

(3)突進(jìn)游泳速度試驗