異齒裂腹魚(yú)通過(guò)魚(yú)道內(nèi)流速障礙能力及行為

金志軍，馬衛(wèi)忠，張?jiān)瑢?，陳明曦，譚均軍，石小濤

（1.三峽大學(xué) 三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002；2.中國(guó)電建集團(tuán) 貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081；3.中國(guó)電建集團(tuán) 成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

1 研究背景

魚(yú)道等工程措施有效運(yùn)行是保持河流縱向連通性的重要技術(shù)手段之一［1］，魚(yú)類游泳能力科學(xué)定量是魚(yú)道設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題［2-3］。魚(yú)道設(shè)計(jì)流速根據(jù)魚(yú)類游泳能力而定，設(shè)計(jì)流速過(guò)小，建設(shè)成本增加，魚(yú)道吸引流不夠；設(shè)計(jì)流速過(guò)大，魚(yú)類無(wú)法通過(guò)魚(yú)道流速障礙。魚(yú)道長(zhǎng)度、坡度，休息室大小、擋板、過(guò)魚(yú)口等都應(yīng)基于水流流態(tài)以及魚(yú)類上溯能力進(jìn)行設(shè)計(jì)［4］。因此魚(yú)類通過(guò)流速障礙能力是魚(yú)道設(shè)計(jì)中具有指導(dǎo)意義的主要生態(tài)指標(biāo)［5-6］。

魚(yú)類通過(guò)流速障礙能力及行為研究有助于理解魚(yú)類能否通過(guò)以及如何通過(guò)魚(yú)道內(nèi)部流速障礙。目前，評(píng)價(jià)魚(yú)類通過(guò)流速障礙能力多定量分析封閉水體（如Loligo Systems游泳能力測(cè)試水槽）中均勻流場(chǎng)下魚(yú)類被迫游泳（Forced swimming）時(shí)的游泳能力、行為和耗氧［7-8］。對(duì)于魚(yú)類游泳能力如何應(yīng)用于過(guò)魚(yú)設(shè)施設(shè)計(jì)，也主要集中于游泳能力測(cè)試水槽獲得的魚(yú)類各種游泳速度指標(biāo)值。如涂志英［9］對(duì)細(xì)麟裂腹魚(yú)（體長(zhǎng)BL：9.50～13.20cm）和巨須裂腹魚(yú)（BL：19.50～28.00 cm）進(jìn)行爆發(fā)游泳速度測(cè)試，得到在25℃條件下細(xì)麟裂腹魚(yú)平均爆發(fā)游泳速度為110cm/s，6℃條件下巨須裂腹魚(yú)平均爆發(fā)游泳速度為125cm/s；葉超等［10］對(duì)異齒裂腹魚(yú)進(jìn)行臨界游泳速度和突進(jìn)游泳速度測(cè)試，得到在16℃時(shí)異齒裂腹魚(yú)臨界游泳速度為79.70～144.00cm/s（BL：26.60±11.00 cm），突進(jìn)游泳速度和體長(zhǎng)回歸擬合關(guān)系式為：y=112.106+3.156x（BL：23.60±9.60 cm）。傅菁菁等［11］對(duì)齊口裂腹魚(yú)（BL：29.00±0.10 cm）進(jìn)行突進(jìn)游泳速度測(cè)試，得到在17.2～21.6℃條件下，齊口裂腹魚(yú)突進(jìn)游泳速度為85～153 cm/s，平均值為122 cm/s。張沙龍等［12］對(duì)短須裂腹魚(yú)（BL：23.83±2.47 cm）進(jìn)行臨界游泳速度測(cè)試，得到在12.1～16.1℃條件下，短須裂腹魚(yú)臨界游泳速度為75.04±7.60 cm/s。

眾多學(xué)者指出，管道均勻流中魚(yú)類被迫游泳測(cè)定方法不僅在生理上缺乏依據(jù)，而且缺乏實(shí)踐意義，不能有效地應(yīng)用于魚(yú)類生態(tài)學(xué)定量，如其測(cè)試環(huán)境為自然界幾乎不存在的管道均勻流，魚(yú)類無(wú)法采用各種自主游泳行為，不能反映魚(yú)類在特征流場(chǎng)（如射流和渦流）下通過(guò)流速障礙的能力［13-14］。而在自然界中，魚(yú)類游泳行為是一種較不穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，階段性的持續(xù)式游泳運(yùn)動(dòng)、靜止及偶發(fā)的爆發(fā)游泳運(yùn)動(dòng)常常相互穿插發(fā)生。以生殖洄游為例，爆發(fā)游泳為魚(yú)類越過(guò)流速障礙到達(dá)產(chǎn)卵場(chǎng)提供保障，持續(xù)式和耐久式游泳狀態(tài)則在魚(yú)類長(zhǎng)距離洄游中發(fā)揮重要作用［15］。少量學(xué)者嘗試了接近自然流態(tài)水體中的魚(yú)類通過(guò)流速障礙能力測(cè)試，但未形成受到普遍認(rèn)可的定量評(píng)價(jià)方法［16］。在應(yīng)用領(lǐng)域，人們對(duì)魚(yú)類上溯通過(guò)流速障礙能力的認(rèn)識(shí)局限，已影響到生境流場(chǎng)設(shè)計(jì)，如魚(yú)道流速設(shè)計(jì)和棲息地修復(fù)等工程實(shí)踐［17-18］。盡管在封閉游泳能力測(cè)試水槽進(jìn)行魚(yú)類各種游泳速度指標(biāo)的研究遭質(zhì)疑，但其因具備操作簡(jiǎn)單和技術(shù)成熟的優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用。封閉游泳水槽條件下測(cè)得的游泳能力在何種程度上能夠真實(shí)反映魚(yú)類通過(guò)復(fù)雜流場(chǎng)下流速障礙能力以及如何用更加精準(zhǔn)的指標(biāo)反映自然界中魚(yú)類游泳能力一直是學(xué)者們探討的問(wèn)題。

基于游泳能力的單因子（封閉水體中均勻流場(chǎng)下流速值）魚(yú)道設(shè)計(jì)趨勢(shì)導(dǎo)致了我們一直缺乏考慮魚(yú)類對(duì)水力條件的行為反應(yīng)，這可能降低過(guò)魚(yú)設(shè)施過(guò)魚(yú)效果。在影響魚(yú)類行為的各種環(huán)境因子中，水力因子被普遍認(rèn)為是影響魚(yú)類游泳行為的主要因素［19-20］。針對(duì)水力因子對(duì)魚(yú)類游泳能力及行為影響的研究已有較多報(bào)道，主要從流速和水流紊動(dòng)等方面來(lái)探討。在不同流速下，各種魚(yú)表現(xiàn)出來(lái)的游泳行為不盡相同，如魚(yú)類在不同流速下通過(guò)改變擺尾頻率與幅度或者采用爆發(fā)-滑行游泳方式來(lái)應(yīng)對(duì)流度障礙［21-22］。而紊動(dòng)水流對(duì)魚(yú)類游泳能力和行為影響主要在于研究紊動(dòng)強(qiáng)度、紊動(dòng)能、雷諾剪切力、渦徑等，如譚均軍等［23］通過(guò)將魚(yú)在魚(yú)道中的上溯軌跡與各水力因子進(jìn)行疊加，研究了鳙魚(yú)和草魚(yú)上溯過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)特性、水力偏好以及魚(yú)類運(yùn)動(dòng)軌跡與特定水力因子的相關(guān)程度。

目前還未形成被廣泛認(rèn)可用于定量評(píng)價(jià)魚(yú)類通過(guò)流速障礙能力的指標(biāo)和方法。結(jié)合魚(yú)類游泳速度指標(biāo)來(lái)探索魚(yú)類自主游泳能力和有關(guān)魚(yú)類游泳行為和水力學(xué)的交叉研究提供了部分研究思路［21］。魚(yú)類通過(guò)魚(yú)道流速障礙能力測(cè)試應(yīng)基于魚(yú)類自主游泳，允許魚(yú)類使用各種游泳行為上溯或休息；其次，魚(yú)類在非均勻流場(chǎng)中如何利用流場(chǎng)將是影響魚(yú)類上溯的核心要素。為此，本文以野生異齒裂腹魚(yú)為研究對(duì)象，首先在游泳能力測(cè)試水槽中測(cè)得試驗(yàn)魚(yú)臨界游泳速度和突進(jìn)游泳速度；再以臨界游泳速度和藏木水電站魚(yú)道豎縫設(shè)計(jì)流速為參考，通過(guò)統(tǒng)計(jì)不同流態(tài)下試驗(yàn)魚(yú)通過(guò)流速障礙成功率、相對(duì)成功率、通過(guò)效率和持續(xù)爆發(fā)游泳時(shí)間，來(lái)定量試驗(yàn)魚(yú)通過(guò)流速障礙能力；同時(shí)通過(guò)將試驗(yàn)魚(yú)上溯軌跡與速度場(chǎng)進(jìn)行疊加，來(lái)探討分析試驗(yàn)魚(yú)如何利用流場(chǎng)達(dá)到上溯的目的。本文研究方法及研究結(jié)論可為魚(yú)道設(shè)計(jì)、改造、評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)水槽

2.1.1 游泳能力測(cè)試水槽 異齒裂腹魚(yú)臨界游泳速度、突進(jìn)游泳速度均在封閉游泳能力測(cè)試水槽（游泳水槽SW10150，Loligo System；丹麥）中完成［10］。

2.1.2 魚(yú)類自主游泳能力及行為測(cè)試水槽 魚(yú)類自主游泳能力及行為測(cè)試在長(zhǎng)900 cm、寬40 cm、深30 cm的上端開(kāi)敞式可變坡水槽（圖1（a））中進(jìn)行，該水槽主體由上下回水池、中間實(shí)驗(yàn)水槽、水循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)組成。試驗(yàn)用水由1臺(tái)流量為100 m3/h潛水泵供給，水流經(jīng)消能整流后進(jìn)入槽體實(shí)驗(yàn)段，最后經(jīng)由尾門(mén)排入下游水池循環(huán)。選取水槽水流流態(tài)平順的中間段作為試驗(yàn)測(cè)試段，水槽末端放有百葉柵式尾門(mén)和攔魚(yú)網(wǎng)。試驗(yàn)區(qū)正上方架設(shè)3臺(tái)攝像頭（紅外網(wǎng)絡(luò)攝像頭，焦距8 mm、幀率25 Hz；?？低暎?，攝像頭與試驗(yàn)水槽平行架設(shè)，記錄魚(yú)類整個(gè)上溯過(guò)程。通過(guò)在水槽放置規(guī)則障礙物束窄水槽過(guò)水?dāng)嗝嬷圃旒绷鲄^(qū)和緩流區(qū)，以便研究復(fù)雜流態(tài)下試驗(yàn)魚(yú)通過(guò)流速障礙能力和行為。試驗(yàn)分3種工況，其中工況1水槽坡度為1.10%，工況2和工況3水槽坡度為2.00%。魚(yú)類通過(guò)多級(jí)流速障礙試驗(yàn)（工況1、工況2）中，試驗(yàn)區(qū)固定4個(gè)障礙物（見(jiàn)圖1（b）），其中第1、第2和第3障礙物剖面為上底長(zhǎng)40 cm、下底長(zhǎng)100 cm、高27 cm的等腰梯形，第4個(gè)障礙物（靠近上游回水池）剖面為上底長(zhǎng)40 cm、下底長(zhǎng)125 cm、高27 cm的梯形，形成長(zhǎng)40 cm、寬22 cm的4級(jí)豎縫；魚(yú)類通過(guò)單級(jí)流速障礙試驗(yàn)（工況3）障礙物剖面為上底長(zhǎng)160 cm、下底長(zhǎng)245 cm、高27 cm的梯形，形成了長(zhǎng)160 cm、寬22 cm的單級(jí)豎縫（見(jiàn)圖19（c））。

圖1 試驗(yàn)水槽正視圖以及各試驗(yàn)工況障礙物布置俯視圖（單位：cm）

2.2 試驗(yàn)用魚(yú) 試驗(yàn)魚(yú)為異齒裂腹魚(yú)，電捕于雅魯藏布江藏木水電站壩下河段（29.8oN，92.3oW），捕獲的試驗(yàn)魚(yú)分批在直徑為2.9 m的鋼化玻璃缸中暫養(yǎng)，試驗(yàn)前進(jìn)行饑餓暫養(yǎng)48 h。暫養(yǎng)水取自雅魯藏布江，水溫為14.6±1.1℃，全天不間斷充氧，溶解氧大于6.0 mg/L。從大量漁獲物中挑選出未受傷、體質(zhì)健康的樣本用于試驗(yàn)，共147尾。其中18尾（BL=19.41±2.33 cm、濕重Wg=96.87±39.81 g）用于突進(jìn)游泳速度測(cè)試，21尾（BL=20.96±2.66 cm、Wg=137.96±45.16 g）用于臨界游泳速度測(cè)試，39尾（BL=20.02±1.86 cm，Wg=116.45±32.48 g）用于工況1通過(guò)4級(jí)流速障礙能力和行為試驗(yàn)，39尾（BL=21.38±2.71cm，Wg=139.05±51.17 g）用于工況2通過(guò)4級(jí)流速障礙能力和行為試驗(yàn)，30尾（BL=22.61±2.09 cm，Wg=154.73±43.85 g）用于工況3通過(guò)單級(jí)流速障礙持續(xù)爆發(fā)游泳能力試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 魚(yú)類臨界、突進(jìn)游泳能力測(cè)試 通過(guò)流速遞增法測(cè)試異齒裂腹魚(yú)臨界游泳速度和突進(jìn)游泳速度［10，24］。臨界游泳速度測(cè)試：試驗(yàn)前估計(jì)試驗(yàn)魚(yú)體長(zhǎng)，試驗(yàn)魚(yú)在流速為1 BL/s條件下適應(yīng)60 min，適應(yīng)結(jié)束后流速增加1 BL/s，此后，流速每隔20 min增加1 BL/s，直到試驗(yàn)魚(yú)疲勞貼網(wǎng)超過(guò)10 s后結(jié)束試驗(yàn)。突進(jìn)游泳速度測(cè)試：試驗(yàn)方法類似于臨界游泳速度測(cè)試，區(qū)別在于時(shí)間增量t為20 s［8，10］。臨界游泳速度和突進(jìn)游泳速度由下面公式得到：

式中：Ui為第i尾實(shí)驗(yàn)魚(yú)疲勞時(shí)前一流速，cm/s；▽v為速度增幅，1 BL/s；t為時(shí)間增量，臨界游泳能力測(cè)試為20 min、突進(jìn)游泳能力測(cè)試為20 s；ti為實(shí)驗(yàn)魚(yú)在最高流速下游泳時(shí)間，s；分別表示第i尾實(shí)驗(yàn)魚(yú)臨界游泳速度和突進(jìn)游泳速度。

2.3.2 魚(yú)類自主游泳能力及行為測(cè)試 每次試驗(yàn)將一尾試驗(yàn)魚(yú)放入水槽下游攔網(wǎng)后適應(yīng)10 min，適應(yīng)結(jié)束后開(kāi)始正式試驗(yàn)。試驗(yàn)魚(yú)通過(guò)第4級(jí)豎縫和通過(guò)長(zhǎng)160 cm的單級(jí)豎縫則試驗(yàn)結(jié)束，且每次試驗(yàn)時(shí)間不超過(guò)60 min。試驗(yàn)水槽底部貼有與魚(yú)體色有較大差異的白色反光膜，以便對(duì)魚(yú)類運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行視頻追蹤定位。試驗(yàn)后，截取試驗(yàn)魚(yú)通過(guò)豎縫的游泳視頻，并通過(guò)Logger Pro 3.12軟件提取試驗(yàn)魚(yú)上溯軌跡坐標(biāo)和通過(guò)豎縫所需時(shí)間（精確到0.04 s）。

通過(guò)多級(jí)流速障礙能力及行為試驗(yàn)過(guò)程中記錄試驗(yàn)魚(yú)通過(guò)每級(jí)豎縫的時(shí)間、成功通過(guò)豎縫次數(shù)、嘗試通過(guò)（魚(yú)頭部進(jìn)入豎縫，但未通過(guò)的情況）次數(shù)以及計(jì)算通過(guò)多級(jí)流速障礙成功率（通過(guò)每級(jí)豎縫試驗(yàn)魚(yú)尾數(shù)占總試驗(yàn)魚(yú)尾數(shù)百分比）、相對(duì)成功率（成功通過(guò)每級(jí)豎縫試驗(yàn)魚(yú)尾數(shù)占成功通過(guò)上一級(jí)豎縫試驗(yàn)魚(yú)尾數(shù)百分比）和通過(guò)效率（每尾試驗(yàn)魚(yú)成功通過(guò)豎縫總次數(shù)占嘗試通過(guò)總次數(shù)和成功通過(guò)總次數(shù)之和的百分比）。為對(duì)比研究不同豎縫流速、不同豎縫長(zhǎng)度下魚(yú)類游泳速度，將長(zhǎng)度為160 cm單級(jí)豎縫劃分為4個(gè)等級(jí)，即豎縫長(zhǎng)度為40、80、120、160 cm這4個(gè)等級(jí)，同樣記錄試驗(yàn)魚(yú)成功通過(guò)豎縫和嘗試通過(guò)的時(shí)間。

2.4 水力特性分析 試驗(yàn)水力條件通過(guò)聲學(xué)多普勒點(diǎn)式流速儀（小威龍Vectrino；Nortek）進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)區(qū)水槽水深在14～22 cm之間，測(cè)點(diǎn)斷面距離槽底6 cm，各測(cè)點(diǎn)測(cè)量頻率為30 Hz，測(cè)量時(shí)間在90～120 s之間。通過(guò)多級(jí)流速障礙能力及行為試驗(yàn)中各樣本點(diǎn)相距3～5 cm，共112個(gè)橫向測(cè)量斷面、9個(gè)縱向測(cè)量斷面，765個(gè)樣本點(diǎn)。通過(guò)單級(jí)流速障礙試驗(yàn)中各樣本點(diǎn)相距3～10 cm，共42個(gè)橫向測(cè)量斷面、9個(gè)縱向測(cè)量斷面，242個(gè)樣本點(diǎn)。通過(guò)Win ADV軟件對(duì)測(cè)點(diǎn)的u、v、w三方向流速數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，剔除信噪比小于15、相關(guān)度小于70的數(shù)據(jù)后再進(jìn)行流場(chǎng)分析。

瞬時(shí)速度與時(shí)間平均流速的差值為脈動(dòng)流速（Win ADV），公式表示為：

式中：uk為瞬時(shí)速度，cm/s；為時(shí)間平均速度，cm/s；u′k為脈動(dòng)速度，cm/s。

測(cè)點(diǎn)速度大小表示為：

豎縫平均流速U為豎縫處各測(cè)點(diǎn)流速均值：

試驗(yàn)魚(yú)通過(guò)豎縫游泳速度：

式中：D為豎縫長(zhǎng)度，cm；T為通過(guò)豎縫所需持續(xù)游泳時(shí)間，s。

曹娜等［25］對(duì)國(guó)內(nèi)2000—2014年經(jīng)過(guò)環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評(píng)估中心技術(shù)評(píng)估的35個(gè)水利水電建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)或已建魚(yú)道工程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，表明35座魚(yú)道除老龍口水利樞紐工程魚(yú)道和西牛航運(yùn)樞紐魚(yú)道的設(shè)計(jì)流速大于1.2 m/s外，其余均不大于1.2 m/s；同時(shí)根據(jù)藏木水電站魚(yú)道豎縫設(shè)計(jì)流速（110 cm/s）［26］，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了小、中、大3種不同流態(tài)試驗(yàn)工況（見(jiàn)圖2）。工況1豎縫流速為101.55±14.87 cm/s（58.58～ 128.25 cm/s），工況2豎縫速度為114.63± 24.28 cm/s（52.19～ 156.94 cm/s），工況3豎縫流速為137.45±17.63 cm/s（84.72～159.90 cm/s）。試驗(yàn)工況、試驗(yàn)水溫以及各豎縫平均流速如表1。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 通過(guò)流速障礙能力

3.1.1 臨界、突進(jìn)游泳速度 魚(yú)類有氧運(yùn)動(dòng)能力評(píng)價(jià)指標(biāo)主要由Ucrit來(lái)表示，而在較短時(shí)間內(nèi)的最大游泳速度即Ubrust是評(píng)價(jià)無(wú)氧運(yùn)動(dòng)主要指標(biāo)，這兩個(gè)指標(biāo)是魚(yú)道設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在水溫為14.79±1.72℃下試驗(yàn)魚(yú)臨界游泳速度為101.01±20.86 cm/s（69.00～148.00 cm/s）（見(jiàn)圖3）；在水溫為15.95±0.62℃下突進(jìn)游泳速度為196.94±21.80 cm/s（145.00～237.00 cm/s）（見(jiàn)圖3）。臨界、突進(jìn)游泳速度測(cè)試結(jié)果與葉超等［10］研究結(jié)果相當(dāng)。

圖2 各試驗(yàn)工況流速等值線云圖

表1 試驗(yàn)工況、豎縫平均流速情況

圖3 異齒裂腹魚(yú)臨界、突進(jìn)游泳速度

3.1.2 自主上溯游泳能力 對(duì)于成功通過(guò)四級(jí)豎縫的試驗(yàn)魚(yú)，統(tǒng)計(jì)其通過(guò)每級(jí)豎縫所需持續(xù)游泳時(shí)間。通過(guò)工況1、工況2各級(jí)豎縫持續(xù)游泳時(shí)間如表2。兩種工況下通過(guò)豎縫持續(xù)游泳時(shí)間具有顯著差異（Mann-WhitneyU=285，P＜0.01），其中工況1每尾試驗(yàn)魚(yú)通過(guò)各級(jí)豎縫持續(xù)游泳時(shí)間為0.62±0.28 s，工況2為1.08±0.68 s。試驗(yàn)魚(yú)通過(guò)流速大于其臨界游泳速度（101.01 cm/s）的豎縫所需持續(xù)游泳時(shí)間為0.52±0.34 s。

表2 工況1、工況2試驗(yàn)魚(yú)通過(guò)每級(jí)豎縫持續(xù)游泳時(shí)間

通過(guò)單級(jí)流速障礙能力試驗(yàn)中有28尾試驗(yàn)魚(yú)通過(guò)豎縫，1尾嘗試通過(guò)。通過(guò)不同長(zhǎng)度豎縫，對(duì)應(yīng)持續(xù)游泳時(shí)間、平均游泳速度如表3。試驗(yàn)魚(yú)通過(guò)不同長(zhǎng)度豎縫游泳速度為215.18±18.39 cm/s，且無(wú)顯著性差異（one-way ANOVA，P＞0.05）。通過(guò)不同豎縫長(zhǎng)度與對(duì)應(yīng)可通過(guò)的流速的關(guān)系可擬合為：y=158.30-0.11x（R2=0.59，P＜0.01），通過(guò)不同豎縫長(zhǎng)度與所需持續(xù)爆發(fā)游泳時(shí)間的關(guān)系可擬合為：y=0.06+0.01x（R2=0.61，P＜0.01），見(jiàn)圖4。

表3 通過(guò)不同豎縫長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)可通過(guò)流速以及持續(xù)爆發(fā)游泳能力

圖4 通過(guò)不同障礙長(zhǎng)度所需持續(xù)游泳時(shí)間和可通過(guò)流速

試驗(yàn)魚(yú)通過(guò)流速為106.05～152.81cm/s的豎縫時(shí)，游泳速度無(wú)顯著性差異（one-way ANOVA，P＞0.05）（見(jiàn)圖5），值為214.01±30.64cm/s，且與突進(jìn)游泳速度（196.94cm/s）無(wú)顯著性差異（one-way ANO?VA，P＞0.05）。圖5中不同字母表示通過(guò)不同流速豎縫時(shí)游泳速度具有顯著性差異（P＜0.05）；虛線分別表示豎縫流速為臨界游泳速度和游泳速度為突進(jìn)游泳速度?？梢?jiàn)在本試驗(yàn)條件下，試驗(yàn)魚(yú)通過(guò)流速大于其臨界游泳速度的豎縫時(shí)，以與突進(jìn)游泳速度無(wú)顯著性差異的恒定游泳速度上溯。

圖5 3種工況下試驗(yàn)魚(yú)通過(guò)不同流速豎縫時(shí)游泳速度

目前，我國(guó)絕大多數(shù)垂直豎縫式魚(yú)道過(guò)魚(yú)口流速低于1.2m/s［1，25］。本試驗(yàn)結(jié)果表明，93.33%試驗(yàn)魚(yú)以209.43±21.76 cm/s游泳速度成功通過(guò)長(zhǎng)度為160 cm、流速為137.45±17.63 cm/s的豎縫。綜合3種工況，110 cm/s的魚(yú)道豎縫流速對(duì)異齒裂腹魚(yú)上溯不構(gòu)成流速障礙。

3.2 通過(guò)多級(jí)流速障礙上溯行為

3.2.1 通過(guò)多級(jí)流速障礙成功率和通過(guò)效率 成功率和相對(duì)成功率是魚(yú)道過(guò)魚(yú)效果整體評(píng)價(jià)和問(wèn)題池室監(jiān)測(cè)的主要指標(biāo)。工況1試驗(yàn)魚(yú)通過(guò)豎縫成功率從第1級(jí)的87.18%降到第4級(jí)82.05%，工況2從第1級(jí)92.31%降到第4級(jí)84.62%（見(jiàn)圖6），兩種工況下成功率無(wú)顯著差異性（one-way ANOVA，P＞0.05）。工況1和工況2相對(duì)成功率分別為95.30±5.60%、95.59±3.32%，兩種工況通過(guò)豎縫相對(duì)成功率無(wú)顯著差異性（one-way ANOVA，P＞0.05）。兩種工況通過(guò)第1級(jí)豎縫相對(duì)成功率低于通過(guò)第2級(jí)、第3級(jí)、第4級(jí)豎縫相對(duì)成功率；工況1第3級(jí)豎縫和第4級(jí)豎縫流速大于第1級(jí)和第2級(jí)豎縫流速，通過(guò)第3級(jí)豎縫的試驗(yàn)魚(yú)全通過(guò)第4級(jí)豎縫；工況2第2級(jí)豎縫和第3級(jí)豎縫流速大于第1級(jí)和第4級(jí)豎縫流速，通過(guò)第2級(jí)豎縫的試驗(yàn)魚(yú)全通過(guò)第3級(jí)豎縫（見(jiàn)圖6）。

圖6 工況1、工況2下試驗(yàn)魚(yú)通過(guò)每級(jí)豎縫成功率、相對(duì)成功率

工況1有31尾試驗(yàn)魚(yú)通過(guò)效率為100%，工況2下有21尾試驗(yàn)魚(yú)通過(guò)效率為100%。工況1、工況2通過(guò)效率分別為97.62±8.23%、84.99±21.38%（見(jiàn)圖7）。兩種工況通過(guò)效率（工況2通過(guò)效率小于工況1）具有顯著差異（Mann-WhitneyU=407.5，P＜0.05）的主要原因可能是工況2試驗(yàn)魚(yú)嘗試通過(guò)豎縫次數(shù)高于工況1的嘗試次數(shù)。

對(duì)試驗(yàn)魚(yú)連續(xù)通過(guò)4級(jí)豎縫所需游泳時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。工況1連續(xù)通過(guò)4級(jí)豎縫所需時(shí)間為9.08±4.77 s，工況2為11.73±7.31 s（見(jiàn)圖8）。兩種工況下試驗(yàn)魚(yú)從進(jìn)入第1級(jí)豎縫到通過(guò)第4級(jí)豎縫所需時(shí)間無(wú)顯著性差異（F1，63=2.98；P＞0.05）。第1級(jí)豎縫進(jìn)口到第4級(jí)豎縫出口直線距離為460 cm，工況1通過(guò)所需最短時(shí)間為1.96 s，工況2為4.52s。部分試驗(yàn)魚(yú)以極高速度通過(guò)多級(jí)豎縫，可能與上溯過(guò)程中利用流場(chǎng)加快對(duì)地游泳速度，減少上溯時(shí)間有關(guān)。

圖7 工況1、工況2試驗(yàn)魚(yú)通過(guò)多級(jí)豎縫通過(guò)效率

圖8 工況1、工況2試驗(yàn)魚(yú)通過(guò)豎縫所需游泳時(shí)間

若游泳能力是魚(yú)類是否通過(guò)魚(yú)道流速障礙決定性因素，則在低流速工況下成功率應(yīng)更高，而實(shí)際并非如此［27-28］。魚(yú)類必須還愿意且積極地嘗試通過(guò)，這受包括生理?xiàng)l件、嗅覺(jué)信號(hào)和魚(yú)對(duì)水流反應(yīng)在內(nèi)的多因素影響［29］。工況1和工況2豎縫流速均接近藏木魚(yú)道豎縫設(shè)計(jì)流速，兩種工況通過(guò)豎縫成功率、相對(duì)成功率以及通過(guò)4級(jí)豎縫所需時(shí)間無(wú)顯著性差異。后期研究中，應(yīng)設(shè)置更廣的豎縫流速范圍，以確定魚(yú)類上溯效果最佳的流速工況。

3.2.2 不同運(yùn)動(dòng)路徑對(duì)上溯效率的影響 從工況2下33尾成功通過(guò)4級(jí)豎縫的上溯軌跡中提取31條（剔除非連續(xù)上溯軌跡）從第2級(jí)豎縫出口進(jìn)入第3級(jí)豎縫進(jìn)口的上溯軌跡進(jìn)行分析。將上溯軌跡分為3類：通過(guò)低流速區(qū)（回流區(qū)）進(jìn)入下一級(jí)豎縫，記為第1類軌跡，共13條（見(jiàn)圖9（a））；從主流（高流速區(qū)）進(jìn)入下一級(jí)豎縫，記為第2類軌跡，共10條（見(jiàn)圖9（b））；其他上溯軌跡記為第3類，共8條（見(jiàn)圖9（c））。統(tǒng)計(jì)各類軌跡通過(guò)池室所需時(shí)間以及各軌跡上溯路徑長(zhǎng)度。結(jié)果表明：第1類軌跡上溯所需時(shí)間小于第2、第3類且具有顯著差異性，第1類上溯路徑長(zhǎng)度小于第2類、第3類軌跡且具有顯著性差異，如表4。

表4 不同類型上溯軌跡上溯時(shí)間以及上溯路徑長(zhǎng)度

圖9 工況2下上溯軌跡與第2級(jí)池室水流速度耦合

相比第2類、第3類上溯軌跡，第1類軌跡處于低流速區(qū)且試驗(yàn)魚(yú)運(yùn)動(dòng)方向與水流方向相同（見(jiàn)圖10）。試驗(yàn)魚(yú)借助自身初始速度以及回流區(qū)水流推動(dòng)，無(wú)需擺動(dòng)尾鰭亦可通過(guò)池室，進(jìn)入下一級(jí)豎縫。選擇第1類軌跡上溯的試驗(yàn)魚(yú)不僅上溯效率高于其他上溯路徑，游泳耗能也會(huì)降低。

4 結(jié)論

圖10 工況2下第1類上溯軌跡與第2級(jí)池室速度矢量耦合

本文以臨界游泳速度（101.01 cm/s）和藏木水電站魚(yú)道豎縫流速（設(shè)計(jì)值為110.00 cm/s）為參考，通過(guò)在開(kāi)放游泳水槽內(nèi)加不同束窄梯形體，開(kāi)展兩種底坡條件下4級(jí)短豎縫（工況1和工況2豎縫流度為101.55±14.87 cm/s、114.63±24.28 cm/s，豎縫順?biāo)鏖L(zhǎng)度均為40 cm）和單級(jí)長(zhǎng)豎縫（工況3豎縫流速為137.45±17.63 cm/s、豎縫順?biāo)鏖L(zhǎng)度為160 cm）下異齒裂腹魚(yú)通過(guò)流速障礙能力和行為研究。通過(guò)統(tǒng)計(jì)不同流態(tài)下通過(guò)流速障礙成功率、相對(duì)成功率、通過(guò)效率和持續(xù)爆發(fā)游泳時(shí)間，定量了試驗(yàn)魚(yú)通過(guò)流速障礙能力。同時(shí)通過(guò)將試驗(yàn)魚(yú)上溯軌跡與速度場(chǎng)進(jìn)行耦合，分析了試驗(yàn)魚(yú)利用流場(chǎng)達(dá)到上溯目的的行為。具體結(jié)論如下：

（1）工況1異齒裂腹魚(yú)通過(guò)豎縫成功率從第1級(jí)的87.18%降到第4級(jí)的82.05%，工況2成功率從第1級(jí)92.31%降到第4級(jí)的84.62%。兩種工況成功率無(wú)顯著差異性（one-way ANOVA，P＞0.05）。工況1和工況2相對(duì)成功率分別為95.30±5.60%、95.59±3.32%，無(wú)顯著差異性（one-way ANOVA，P＞0.05）。通過(guò)第1級(jí)豎縫相對(duì)成功率低于第2級(jí)、第3級(jí)、第4級(jí)。

（2）工況1和工況2通過(guò)效率分別為97.62±8.23%、84.99±21.38%，具有顯著性差異（Mann-Whit?neyU=407.5，P＜0.01）。工況1試驗(yàn)魚(yú)通過(guò)每級(jí)豎縫時(shí)間為0.62±0.28 s，工況2為1.08±0.68 s，具有顯著差異性（Mann-WhitneyU=285，P＜0.01）。工況1和工況2試驗(yàn)魚(yú)從第1級(jí)豎縫進(jìn)口上溯到第4級(jí)豎縫出口所需游泳時(shí)間分別為9.08±4.77 s、11.73±7.31s，且無(wú)顯著性差異（F1，63=2.98；P＞0.05）；工況1從第1級(jí)豎縫進(jìn)口到第4級(jí)豎縫出口（直線距離為420 cm）所需最短時(shí)間為1.96s，工況2為4.52 s。兩種工況下，試驗(yàn)魚(yú)通過(guò)流速大于其臨界游泳速度（101.01 cm/s）的豎縫所需持續(xù)游泳時(shí)間為0.52±0.34s。

（3）試驗(yàn)魚(yú)通過(guò)平均流速為106.05～152.81 cm/s的豎縫時(shí)，游泳速度無(wú)顯著性差異（one-way ANOVA，P＞0.05），值為214.01± 30.64 cm/s，且與突進(jìn)游泳速度（196.94 cm/s）無(wú)顯著性差異（oneway ANOVA，P＞0.05）。93.33%試驗(yàn)魚(yú)以209.43±21.76 cm/s游泳速度成功通過(guò)長(zhǎng)度為160 cm、流速為137.45±17.63 cm/s的單級(jí)流速障礙。

（4）設(shè)計(jì)流速為110.00 cm/s的藏木水電站魚(yú)道豎縫流速對(duì)異齒裂腹魚(yú)上溯不構(gòu)成流速障礙，但綜合上溯效率和魚(yú)道建設(shè)成本，還須設(shè)置覆蓋面更廣的豎縫流速范圍，進(jìn)一步確定魚(yú)類上溯效率最佳的水力條件。

（5）魚(yú)類游泳軌跡與流場(chǎng)耦合分析表明：不同運(yùn)動(dòng)路徑選擇對(duì)上溯游泳效率具有顯著的影響（one-way ANOVA，P＜0.01）。試驗(yàn)魚(yú)通過(guò)借助同向水流的推動(dòng)，減少上溯所需時(shí)間和上溯路徑長(zhǎng)度，從而增加上溯效率。在復(fù)雜流態(tài)中，除了流速，紊動(dòng)能、紊動(dòng)強(qiáng)度、雷諾剪切力和渦徑等水力因子也可能影響魚(yú)類游泳行為。在未來(lái)研究中應(yīng)著重于分析復(fù)雜流場(chǎng)下魚(yú)類游泳行為和游泳耗能，以及通過(guò)定量魚(yú)類游泳姿態(tài)失穩(wěn)處或能量消耗突增處的紊流閾值來(lái)修訂魚(yú)道水力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值。

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