福建省閩江流域鱸魚游泳能力試驗(yàn)研究

黃 智 剛

(福州水務(wù)平潭引水開發(fā)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(guān)鍵能力，多數(shù)魚類需要通過游泳來躲避天敵和自然災(zāi)害、獲取食物、尋找合適的繁殖地點(diǎn)等[1]。魚類的游泳能力與其自身的生活習(xí)性有著密不可分的聯(lián)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(yīng)用于當(dāng)?shù)亓饔蛑恤~道工程的設(shè)計(jì)和建設(shè)。目前，國內(nèi)外關(guān)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(shè)計(jì)導(dǎo)則》中給出了一系列常見的魚類的游泳能力數(shù)據(jù)；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(xué)和生態(tài)學(xué)意義做出探討。喬云貴等[4]在循環(huán)水槽中測量了鯽魚、鱸魚、羅非魚的臨界流速和爆發(fā)流速。王萍等[5]采用續(xù)航游泳時(shí)間評測指標(biāo)作為評測魚類游泳能力的方法，結(jié)果表明，美國紅魚耐流能力最強(qiáng)，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(xù)航時(shí)間(或續(xù)航能力)與水流流速呈乘冪遞減關(guān)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(xù)航時(shí)間最長，從而得出其最適游泳水溫范圍。Mcclea[6]發(fā)現(xiàn)歐洲鰻以3.6～7.2倍體長每秒的速度游泳，且運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間隨著速度的增快而縮短。歐洲鰻可在靜水中以高速游動(dòng)10～45 m不等，游動(dòng)距離取決于游泳速度。歐洲鰻在流速大于0.5 m/s時(shí)將很難向上游移動(dòng)。Bae和Lee[7]對銀魚的游泳能力進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其尾鰭的擺動(dòng)頻率在不同的游泳速度下存在規(guī)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(biāo)，對花鱸(Lateolabrax maculatus)、許氏平鲉(Sebastes schlegeli)的游泳能力進(jìn)行了測定，結(jié)果表明花鱸和許氏平鲉的臨界流速與體長成正比關(guān)系。張碩等[9]對黑幼魚的驅(qū)流性(包括臨界流速和爆發(fā)流速)進(jìn)行了研究，在垂直循環(huán)回流水槽中對黑幼魚個(gè)體驅(qū)流性的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，臨界流速和爆發(fā)流速與體長的相關(guān)關(guān)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(shè)而言，當(dāng)?shù)佤~類游泳能力資料尚不完善，仍有待進(jìn)一步研究。根據(jù)魚類洄游習(xí)性、區(qū)域特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值等相關(guān)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(yàn)，測試其3種特征流速(感應(yīng)流速、臨界流速以及爆發(fā)流速)，并總結(jié)體長對游泳能力的影響，旨在為魚道設(shè)計(jì)和養(yǎng)殖技術(shù)提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)置

1.1 魚苗選取

試驗(yàn)魚采用閩江流域的鱸魚幼魚。獲取試驗(yàn)魚苗后，將魚苗暫養(yǎng)于試驗(yàn)水槽下方的儲(chǔ)水池(儲(chǔ)水池長約3.6 m，寬約0.6 m，深約 0.6 m)中一周以適應(yīng)試驗(yàn)室周圍環(huán)境，并定期投喂專用飼料(投放比約為總質(zhì)量的2%)。

由于魚苗對水質(zhì)、水溫和光源較為敏感，故需加以控制。儲(chǔ)水池內(nèi)的光照采用晝夜自然光周期。儲(chǔ)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(huán)境中存活游動(dòng)。試驗(yàn)水溫為22±0.5 ℃，魚飼養(yǎng)水溫和試驗(yàn)水溫由溫度記錄儀定時(shí)測得(精確到 0.1 ℃)。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所用裝置為自循環(huán)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(jié)構(gòu)制成，長約4.2 m，寬約0.3 m，高約0.3 m。水槽底坡可調(diào)節(jié)，最大坡度范圍為±2.6%。儲(chǔ)水池水體通過水泵抽送到水槽端頭，經(jīng)由槽身進(jìn)入水槽尾部，并最終通過泄水口回到儲(chǔ)水池中，實(shí)現(xiàn)自循環(huán)(如圖1)。水槽尾端設(shè)有雙開孔閘式尾門，用于控制槽內(nèi)明渠水深，間接微調(diào)水流流速。

自循環(huán)變坡水槽中通過調(diào)節(jié)水泵電機(jī)功率實(shí)現(xiàn)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(yàn)前利用流速儀測得循環(huán)水槽觀察區(qū)中心水流速度與水泵開度的關(guān)系，保證在試驗(yàn)中準(zhǔn)確調(diào)節(jié)流速。在魚類游泳能力試驗(yàn)中，水槽區(qū)域分為4個(gè)部分，自前到后分別為穩(wěn)定區(qū)、觀察區(qū)、適應(yīng)區(qū)與泄水區(qū)，區(qū)域間采用攔魚網(wǎng)進(jìn)行分隔。攔魚網(wǎng)長約0.3 m，寬約0.3 m，在形成各區(qū)域隔斷的同時(shí)防止幼魚逃走。穩(wěn)定區(qū)用于穩(wěn)定水泵抽上來的水流流態(tài)，保證進(jìn)入觀察區(qū)的水流擾動(dòng)較低。觀察區(qū)長1.8 m，是對魚類游泳能力進(jìn)行測試的區(qū)域。適應(yīng)區(qū)用于提供適應(yīng)空間，使魚類在試驗(yàn)前可充分適應(yīng)周圍環(huán)境。泄水區(qū)通過調(diào)節(jié)尾門將水體流回儲(chǔ)水池。

1.3 感應(yīng)流速測定

感應(yīng)流速又稱起點(diǎn)流速，是指魚類剛剛能夠產(chǎn)生逆向游動(dòng)反應(yīng)的流速值。感應(yīng)流速?zèng)Q定了魚類是否能夠感知水流流動(dòng)方向從而判斷上游方向。對于感應(yīng)流速的測量，本研究采用遞增流速法。在試驗(yàn)魚苗中隨機(jī)選取10尾健康個(gè)體逐一進(jìn)行測試，避免產(chǎn)生魚類之間互相學(xué)習(xí)的情況[10]。首先將魚苗放置在試驗(yàn)水槽適應(yīng)區(qū)，使之在0.01 m/s的水流條件下適應(yīng)2 h。進(jìn)而，將水流流速調(diào)至0，抬高觀察區(qū)與適應(yīng)區(qū)攔魚網(wǎng)，使魚苗進(jìn)入觀察區(qū)，并使魚頭部朝觀察區(qū)后端(即朝著適應(yīng)區(qū)前攔魚網(wǎng)方向)，使之在該狀態(tài)下穩(wěn)定5 s。此后，將水泵調(diào)至第一刻度(即此時(shí)觀察區(qū)內(nèi)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(diào)整水槽內(nèi)水流速度。當(dāng)魚苗頭部調(diào)轉(zhuǎn)方向開始向上游游動(dòng)時(shí)，記錄此時(shí)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(qū)間即為該魚絕對感應(yīng)流速的大致區(qū)間。選定魚感應(yīng)流速的區(qū)間后，通過改變水槽的坡度與尾門前擋水板的高度細(xì)微調(diào)節(jié)水流流速條件。當(dāng)魚在某一水流流速下開始調(diào)轉(zhuǎn)方向逆流游動(dòng)時(shí)，此刻流速即為該種魚類幼魚的感應(yīng)流速。試驗(yàn)后測量該魚的體長與質(zhì)量，得到魚相對感應(yīng)流速。相對感應(yīng)流速表達(dá)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(jià)魚類游泳能力的重要指標(biāo)之一，可為魚道內(nèi)池室主流流速設(shè)計(jì)閾值提供參考。

在臨界流速的測試過程中，隨機(jī)選取10尾健康個(gè)體逐一進(jìn)行測試。首先將魚苗放置在試驗(yàn)水槽的魚苗適應(yīng)區(qū)中，使其在0.01 m/s的水流條件下適應(yīng)2 h。隨后將水流流速狀態(tài)調(diào)至0.1 m/s進(jìn)行試驗(yàn)，打開攔魚網(wǎng)，使魚在水槽測試區(qū)自由向上游動(dòng)。若魚能夠在該狀態(tài)下持續(xù)向上游動(dòng)20 min，則將水流流速升高0.1 m/s繼續(xù)觀察，如此反復(fù)。當(dāng)魚出現(xiàn)疲勞狀態(tài)，即停止游動(dòng)并觸及后方攔魚網(wǎng)時(shí)，記錄該狀態(tài)下水槽觀察區(qū)水流流速值以及在該流速下開始上溯到出現(xiàn)疲勞狀態(tài)的試驗(yàn)歷時(shí)。試驗(yàn)后將魚苗移出水槽，測量魚的體長與質(zhì)量。計(jì)算臨界流速表達(dá)式如下[11]：

(2)

式中：Uc為臨界流速，m/s；Up為試驗(yàn)魚能夠持續(xù)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(nèi)持續(xù)游泳時(shí)間，min；ti為調(diào)整流速的時(shí)間間隔，min。

(3)

1.5 爆發(fā)流速測定

爆發(fā)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(qiáng)水流中游泳時(shí)所產(chǎn)生的極限游速，它所持續(xù)時(shí)間一般少于20 s。在進(jìn)行過魚設(shè)施設(shè)計(jì)時(shí)，過魚設(shè)施內(nèi)部的水流流速應(yīng)當(dāng)盡量小于爆發(fā)流速，增加魚類上溯的成功率。

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

Ub=Uw+S/t

(4)

式中：Ub為爆發(fā)流速，m/s；Uw為水流速度，m/s；S為試驗(yàn)魚所游的距離，m；t為試驗(yàn)魚游段距離時(shí)所需要的時(shí)間，s。

(5)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 特征流速試驗(yàn)結(jié)果

將測試過程中選取的10尾魚苗按試驗(yàn)順序進(jìn)行先后標(biāo)號(1～10號)，試驗(yàn)后記錄其感應(yīng)流速、臨界流速和爆發(fā)流速，結(jié)果繪于圖2中。由結(jié)果可知，對于試驗(yàn)中所測試的魚苗，其每條個(gè)體感應(yīng)流速、臨界流速和爆發(fā)流速均呈現(xiàn)遞增的關(guān)系。魚苗個(gè)體之間的特征流速差異也較為明顯，變幅較大。試驗(yàn)中，鱸魚的感應(yīng)流速變化范圍為0.042～0.092 m/s，平均值為0.071 m/s，中位數(shù)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(shù)為0.185 m/s；爆發(fā)流速變化范圍為0.130～0.294 m/s，平均值為0.216 m/s，中位數(shù)為0.214 m/s。

2.2 相對特征流速結(jié)果

試驗(yàn)中所采用的10尾鱸魚苗具有不同的體長參數(shù)，故擬合魚類感應(yīng)流速、臨界流速、爆發(fā)流速與體長之間的關(guān)系，如圖3所示。魚類感應(yīng)流速、臨界流速、爆發(fā)流速均與體長呈線性正相關(guān)關(guān)系。由此，為消除個(gè)體體長參數(shù)所帶來的影響，通過公式(1)、(3)、(5)分別計(jì)算出每條魚苗個(gè)體的相對感應(yīng)流速值、相對臨界流速值、相對爆發(fā)流速值。計(jì)算后的3個(gè)相對特征流速在有限范圍內(nèi)變化，即：①鱸魚相對感應(yīng)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(fā)流速范圍為2.57～2.71 BL/s，平均值為2.65 BL/s。

利用上述結(jié)果，可對鱸魚的3個(gè)特征流速進(jìn)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(yīng)流速的2.5～2.7倍，平均為2.6倍。鱸魚的相對爆發(fā)流速約為相對感應(yīng)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(yàn)結(jié)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(yàn)中鱸魚的相對臨界流速與相對爆發(fā)流速均穩(wěn)定在一定范圍之內(nèi)，然而不同流域下生活的鱸魚具有些許差異。圖4為本試驗(yàn)結(jié)果(閩江流域鱸魚)與喬云貴等[4](長江流域鱸魚)試驗(yàn)結(jié)果對比，具體包含了鱸魚的相對臨界流速與相對爆發(fā)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(fā)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(shí)應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)亓饔虻倪^魚對象的特殊性，建議通過開展試驗(yàn)獲取適合當(dāng)?shù)佤~類的特征流速，有助于補(bǔ)充《水利水電工程魚道設(shè)計(jì)導(dǎo)則》中適合各流域的魚類資料。

3.2 基礎(chǔ)感應(yīng)流速探討

為了描述不同魚苗個(gè)體之間的相對感應(yīng)流速，通常采用公式(1)進(jìn)行計(jì)算。公式(1)可轉(zhuǎn)換為：

(6)

當(dāng)公式(6)中的L接近于0(即魚苗體長足夠小)，此時(shí)感應(yīng)流速Ui不可能無限接近于0，此時(shí)存在魚類的基礎(chǔ)感應(yīng)流速。因此，本文基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對感應(yīng)流速計(jì)算公式[公式(1)]進(jìn)行改進(jìn)，即總感應(yīng)流速應(yīng)為基礎(chǔ)感應(yīng)流速加上魚苗體長線性增長部分的感應(yīng)流速，表示為：

(7)

由個(gè)體間感應(yīng)流速值的擬合(圖5)可知，本試驗(yàn)中的鱸魚感應(yīng)流速為：

Ui=0.002 3+0.842 1L

(8)

即通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合線的延長線，當(dāng)魚苗體長為0時(shí)，本試驗(yàn)中鱸魚的基礎(chǔ)感應(yīng)流速為0.002 3 m/s。需要注意的是，本試驗(yàn)中鱸魚的基礎(chǔ)感應(yīng)流速是試驗(yàn)數(shù)據(jù)初步推得，對于實(shí)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(tǒng)的試驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充和修正。

4 結(jié) 論

本文利用自循環(huán)變坡水槽對閩江流域鱸魚的游泳能力開展了試驗(yàn)，采用流速遞增法對魚類感應(yīng)流速、臨界流速、爆發(fā)流速進(jìn)行測試。結(jié)果表明，本試驗(yàn)中的閩江流域鱸魚感應(yīng)流速、臨界流速、爆發(fā)流速的平均值分別為0.071，0.186, 0.216 m/s; 相對感應(yīng)流速、相對臨界流速、相對爆發(fā)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(fā)流速明顯較高，因此建議在魚道工程設(shè)計(jì)前應(yīng)對當(dāng)?shù)亓饔螋~類過魚對象進(jìn)行游泳能力測試。本試驗(yàn)中提出鱸魚的總感應(yīng)流速可由基礎(chǔ)部分和體長增長部分組成，通過數(shù)據(jù)擬合推求出閩江鱸魚基礎(chǔ)感應(yīng)流速為0.002 3 m/s，對于實(shí)際工程中體長為0.3～0.4 m的鱸魚，有待于今后更系統(tǒng)的試驗(yàn)對其修正和補(bǔ)充。

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