水溫對(duì)豎縫式魚道中齊口裂腹魚上溯行為影響試驗(yàn)研究

郭子琪，李廣寧，郄志紅，孫雙科，柳海濤，鄭鐵剛，王 岑，3

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071001；2.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；3.三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443002）

1 研究背景

齊口裂腹魚（Schizothorax Prenanti），別名齊口、雅魚等，屬裂腹魚亞科，裂腹魚屬，屬冷水魚，其適宜生存環(huán)境水溫宜為5～27℃［1］，具有短距離生殖洄游習(xí)性，生殖季節(jié)為3—4月，生長比較緩慢，體重0.5～1 kg，是長江上游的重要經(jīng)濟(jì)魚類［2-3］。近年來，由于水電工程的興建等原因，河流的連續(xù)性遭到破壞，齊口裂腹魚通往覓食場(chǎng)、生殖場(chǎng)的路徑被阻隔，生存環(huán)境的突變導(dǎo)致了齊口裂腹魚數(shù)量的嚴(yán)重衰減，齊口裂腹魚亟需保護(hù)［4-5］。

魚道是目前國內(nèi)保護(hù)魚類資源、維持河流連續(xù)性的常用措施之一。近年來有關(guān)豎縫式魚道及仿自然魚道的研究成果較多，其中多數(shù)研究成果關(guān)于兩者的水力特性及體型優(yōu)化，李廣寧等［6］提出了一種蘆葦塊構(gòu)成的仿自然魚道，并對(duì)其水力特性進(jìn)行了研究；張超［7］研究了豎縫式魚道的水力特性，并提出了魚道體型改進(jìn)措施；譚均軍［8］結(jié)合魚類運(yùn)動(dòng)特性對(duì)豎縫式魚道水力特性進(jìn)行了研究。在工程應(yīng)用中，豎縫式魚道應(yīng)用最為廣泛［9-10］，如國內(nèi)的上莊新閘魚道［11］、長洲魚道［12］，澳大利亞Barwon River的潮汐攔河壩魚道［13］皆采用豎縫式魚道。

水溫是影響魚類上溯行為不可忽視的因素之一。水溫變化會(huì)對(duì)魚類的上溯時(shí)機(jī)選擇、上溯效率及運(yùn)動(dòng)能力等產(chǎn)生影響［14-16］。魚類游泳能力與水溫息息相關(guān)，眾多學(xué)者研究了不同魚類在不同溫度下的游泳能力，發(fā)現(xiàn)在一定的溫度區(qū)間內(nèi)，魚類游泳能力與水溫呈正比［17-21］。魚道中的水溫分布對(duì)魚類上溯存在影響，有研究發(fā)現(xiàn)魚道中存在的水溫梯度會(huì)阻礙中華三文魚與鋼頭魚的上溯［22］。

近年關(guān)于齊口裂腹魚與魚道相關(guān)的行為研究主要關(guān)注水力因子［23］、游泳能力［24］和水流誘魚［25］，對(duì)水溫等環(huán)境因素對(duì)其上溯行為直接影響的研究較少。本文在豎縫式魚道中進(jìn)行過魚試驗(yàn)，開展了齊口裂腹魚在豎縫式魚道中的上溯行為與水溫的相關(guān)關(guān)系的研究。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)布置 試驗(yàn)裝置包括試驗(yàn)段、回水池、供水系統(tǒng)和錄像系統(tǒng)等，如圖1所示。試驗(yàn)魚道采用鋼骨架支撐，側(cè)壁材料為有機(jī)玻璃板，底板采用水泥砂漿澆筑，導(dǎo)板及隔板由灰塑料板制成。

圖1 試驗(yàn)布置圖

魚道模型以某水電站魚道工程為原型，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，模型比尺1∶4。魚道采用豎縫式布置方式，試驗(yàn)段設(shè)11級(jí)池室，魚道水池長L=0.75 m，寬B=0.6 m，導(dǎo)板長度P=0.15 m，豎縫寬度b=0.075 m，導(dǎo)向角角度θ=45°，坡度J=1%，水深H=0.3 m，試驗(yàn)布置如圖2所示。

圖2 魚道池室尺寸（單位：cm）

試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀盟捎米匝h(huán)閉合系統(tǒng)，模型下游設(shè)回水池，試驗(yàn)時(shí)采用供水水泵抽取回水池中的水抽入模型上游進(jìn)水池，進(jìn)水池中布置消能柵消除水流的紊動(dòng)，水流流經(jīng)各級(jí)池室，經(jīng)過出水池末端的尾門排入回水池。模型試驗(yàn)段下游設(shè)置放魚段，其上下游各安裝一道攔魚柵，上游側(cè)攔魚柵可防止試驗(yàn)魚提前進(jìn)入試驗(yàn)段，下游側(cè)攔魚柵可防止試驗(yàn)魚跌入回水池。

2.2 水流流態(tài) 使用P-EMS電磁流速儀，測(cè)量P=0.15 m、B=0.6 m的魚道池室中H/2水深的水流流速分布，測(cè)點(diǎn)布置如圖3（a）所示，測(cè)量所得流場(chǎng)如圖3（b）所示，測(cè)點(diǎn)橫縱向間隔均為5 cm。豎縫處流速約為0.4 m/s，主流區(qū)流速值介于0.25～0.4 m/s，回流區(qū)流速值介于0～0.2 m/s。該體型魚道中，水流通過豎縫，以一定角度向左偏轉(zhuǎn)射入池室，隨著水流向下游推進(jìn)在池室中擴(kuò)散，與池室中形成主流區(qū)與回流區(qū)。主流于池室中呈S型分布，其以射流形式經(jīng)池室上游豎縫處射入，于池室中先擴(kuò)散再收縮，并通過下游豎縫射出，主流區(qū)流速較高，為吸引魚類上溯的主要區(qū)域?；亓鲄^(qū)分布于主流兩側(cè)，尺度相近，左側(cè)回流區(qū)呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，右側(cè)回流區(qū)呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，流速由邊界向中心遞減，流速與主流區(qū)相比較低，可作為上溯魚類的休憩場(chǎng)所。

圖3 常規(guī)池室流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

2.3 試驗(yàn)用魚 文獻(xiàn)檢索表明，試驗(yàn)中幼魚與成魚的上溯行為相近［26-27］，考慮到本研究中試驗(yàn)用魚體長與模型尺寸的匹配性，故選用體長范圍9±1.5 cm的齊口裂腹魚幼魚作為試驗(yàn)用魚。學(xué)者研究表明，齊口裂腹魚幼魚臨界游泳能力與體長呈正比關(guān)系［28］，其計(jì)算公式為：

式中：Ucrit為臨界泳速，cm/s；BL為試驗(yàn)魚體長，cm。

由式（1）計(jì)算，并換算得到試驗(yàn)魚臨界游泳能力介于0.59 m/s與0.83 m/s，大于豎縫處流速0.4 m/s，滿足在魚道中的上溯要求。

試驗(yàn)所用齊口裂腹魚試驗(yàn)前暫養(yǎng)于1 m3的方形水池中。采用深井水24小時(shí)循環(huán)供水，并進(jìn)行曝氣處理，溶解氧濃度保持在6 mg/L以上，水溫17℃左右，光照為室內(nèi)自然光，試驗(yàn)前兩日停止喂食。

2.4 試驗(yàn)方法 正式試驗(yàn)時(shí)，首先啟用供水水泵系統(tǒng)，將魚道運(yùn)行水深調(diào)整至0.3 m，測(cè)量并記錄試驗(yàn)魚道中的水溫、含氧量、pH值等相關(guān)參數(shù)，確保試驗(yàn)中循環(huán)水含氧量DO＞6 mg/L，pH值介于7.5于8之間，氨氮＜0.2 mg/L。待流態(tài)穩(wěn)定后，將試驗(yàn)用魚放入魚道試驗(yàn)段下游的放魚段，此時(shí)攔魚柵關(guān)閉，試驗(yàn)用魚不能上溯。待試驗(yàn)魚適應(yīng)后（至少15 min），撤去攔魚柵，等待試驗(yàn)魚上溯。當(dāng)試驗(yàn)魚通過最下游第一級(jí)豎縫時(shí)開始計(jì)時(shí)，待其通過全部11個(gè)池室，進(jìn)入最上游一級(jí)池室時(shí)停止計(jì)時(shí)。若試驗(yàn)魚自開始計(jì)時(shí)超過20 min未到達(dá)最上游一級(jí)池室，則視為上溯失敗。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 通過率 通過率定義為成功通過尾數(shù)與總尾數(shù)的比值。試驗(yàn)中齊口裂腹魚通過尾數(shù)與通過率如表1所示。試驗(yàn)用魚總數(shù)353條，通過235條，總通過率為67%。13～14℃、14～15℃及15～16℃溫度區(qū)間齊口裂腹魚的通過率分別為81%、73%及69%，明顯高于其余組。

表1 不同試驗(yàn)水溫下齊口裂腹魚通過數(shù)量

對(duì)通過率與水溫進(jìn)行線性擬合，發(fā)現(xiàn)通過成功率隨水溫升高呈下降趨勢(shì)（R2=0.83）?？梢婟R口裂腹魚更傾向在較低水溫條件下（13～16℃）進(jìn)行上溯洄游。

3.2 通過時(shí)間 各水溫條件下通過時(shí)間-水溫箱線圖，如圖4所示。圖中各綠色箱體的下邊界值為Q1，上邊界值為Q3。Q1、Q3分別稱為前四分位數(shù)和后四分位數(shù)，前四分位數(shù)Q1表示有25%的數(shù)據(jù)小于等于Q1，后四分位數(shù)Q3表示有75%的數(shù)據(jù)小于Q3。1.5IQR（Inter-Quartile Range）定義為小于Q3+1.5（Q3-Q1）且大于Q1-1.5（Q3-Q1）的數(shù)據(jù)值，箱線圖中超出1.5IQR范圍外的值稱為異常值。圖中中位線表示各水溫組中位數(shù)，計(jì)算均值時(shí)不考慮異常值。

從圖4中可以看出，各水溫區(qū)間的平均值介于100～300 s間，中位數(shù)介于50～300 s間。13～14℃、14～15℃及15～16℃的通過時(shí)間中位數(shù)分別為80 s、65 s及145 s，平均值分別為123 s、173 s及108 s，均小于其余組。

圖4 通過時(shí)間-水溫箱線圖

3.3 Jonckheere-Terpstra檢驗(yàn) 使用軟件SPSS22.0，應(yīng)用Jonckheere-Terpstra檢驗(yàn)分析各試驗(yàn)水溫組成功上溯的試驗(yàn)魚上溯時(shí)間分布是否存在差異，判斷水溫對(duì)試驗(yàn)魚上溯影響是否顯著。

Jonckheere-Terpstra檢驗(yàn)，也稱趨勢(shì)檢驗(yàn)，適用于k個(gè)待檢驗(yàn)組的檢驗(yàn)量隨某參數(shù)呈遞增或遞減趨勢(shì)的情況［29］。本文中按溫度區(qū)間分為8個(gè)待檢驗(yàn)組，如表1所示。

認(rèn)為k個(gè)獨(dú)立樣本（X1、X2、…Xi、Xj…Xk）來自k個(gè)具有相同分布總體，則原假設(shè)為H0：F（X1）=F（X2）=…=F（Xk），備選假設(shè)為H1：F（X1）≤F（X2）≤…≤F（Xk）。SPSS中給出的檢驗(yàn)結(jié)果為統(tǒng)計(jì)量相應(yīng)概率的P值，若P值小于給定的顯著性水平α，則拒絕原假設(shè)，認(rèn)為各總體分布差異顯著，反之，則認(rèn)為各總體差異不顯著。

進(jìn)行Jonckheere-Terpstra檢驗(yàn)需先構(gòu)建統(tǒng)計(jì)量J如下式所示：

式中U為樣本Xk-1中小于樣本Xk的個(gè)體數(shù)。

可根據(jù)給定的顯著性水平查閱J的臨界值，若臨界值大于所求的統(tǒng)計(jì)量J，則P＜α，拒絕原假設(shè)，認(rèn)為各總體分布差異顯著。大樣本情況下，使用Z統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，Z統(tǒng)計(jì)量服從正態(tài)分布，轉(zhuǎn)換式如下：

根據(jù)Z統(tǒng)計(jì)量計(jì)算相應(yīng)P值并對(duì)結(jié)果進(jìn)行判定。檢驗(yàn)樣本個(gè)體總數(shù)235，統(tǒng)計(jì)量Z=2.12，P=0.034＜0.05。檢驗(yàn)結(jié)果表明水溫對(duì)齊口裂腹魚上溯行為有顯著影響。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

本研究在豎縫式魚道模型中進(jìn)行了不同水溫條件下的齊口裂腹魚過魚試驗(yàn)，研究對(duì)象為齊口裂腹魚幼魚，體長范圍9±1.5 cm，試驗(yàn)前給予試驗(yàn)魚足夠的時(shí)間適應(yīng)試驗(yàn)環(huán)境，在試驗(yàn)前測(cè)量溶解氧、pH值等參數(shù)，以確保齊口裂腹魚在試驗(yàn)時(shí)的上溯行為不受水溫以外的非控制因素影響。齊口裂腹魚的適宜生存水溫介于5～27℃［1］，試驗(yàn)過程中供水水庫的水溫變化區(qū)間為13～21℃，在上述適宜水溫范圍之內(nèi)。

試驗(yàn)時(shí)記錄了溫度、通過尾數(shù)及通過時(shí)間等數(shù)據(jù)，通過對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，在13～21℃水溫范圍內(nèi)，試驗(yàn)所使用的豎縫式魚道滿足齊口裂腹魚的上溯需求，其整體通過率高于50%。通過線性回歸分析發(fā)現(xiàn)通過率隨水溫增高呈遞減趨勢(shì)（R2=0.83），且15～16℃的通過率比16～17℃的通過率高10%，變幅較明顯。綜合分析認(rèn)為13～16℃水溫范圍內(nèi)齊口裂腹魚通過率高于17～21℃。

觀察圖4可發(fā)現(xiàn)，齊口裂腹魚在不同溫度下的通過時(shí)間中位數(shù)與均值大體小于300 s，相比于試驗(yàn)所取的單組試驗(yàn)最長時(shí)間20 min，可以看出在試驗(yàn)所在水溫范圍內(nèi)，試驗(yàn)魚具有較強(qiáng)的活力，且13～16℃范圍內(nèi)試驗(yàn)魚的通過時(shí)間中位數(shù)及均值均低于17～21℃范圍，13～16℃范圍內(nèi)通過所需的時(shí)間較短，效率較高，故可認(rèn)為13～16℃范圍內(nèi)齊口裂腹魚的通過表現(xiàn)較好。

Jonckheere-Terpstra檢驗(yàn)適用于單調(diào)變化數(shù)據(jù)的分析，從表1數(shù)據(jù)可以看出通過成功率明顯呈單調(diào)遞減關(guān)系，對(duì)圖4進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)通過時(shí)間大體呈遞增趨勢(shì)，故利用Jonckheere-Terpstra檢驗(yàn)對(duì)水溫與通過時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)水溫對(duì)齊口裂腹魚上溯行為有顯著影響（P=0.034），與上述分析結(jié)果一致。

綜上分析，可認(rèn)為水溫與齊口裂腹魚在魚道中的上溯行為存在關(guān)系，且在13～16℃范圍內(nèi)，齊口裂腹魚在魚道中的上溯表現(xiàn)優(yōu)于17～21℃范圍。

5 結(jié)論

在豎縫式魚道模型中進(jìn)行了齊口裂腹魚幼魚的過魚試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了不同水溫條件對(duì)裂腹魚上溯行為的影響，得到如下主要結(jié)論：

（1）豎縫式魚道試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭旋R口裂腹魚總通過率67%，表明該體型魚道滿足試驗(yàn)魚的上溯需求。

（2）齊口裂腹魚在豎縫式魚道中的通過率隨水溫的升高呈下降趨勢(shì)，13～16℃下試驗(yàn)魚通過率最高，且13～16℃下通過時(shí)間的中位數(shù)與平均數(shù)明顯低于16～21℃，13～16℃下試驗(yàn)魚在豎縫式魚道中的通過效果最佳。

（3）對(duì)裂腹魚上溯時(shí)間進(jìn)行了Jonckheere-Terpstra檢驗(yàn)，P=0.034＜0.05，表明在本試驗(yàn)所在的13～21℃水溫范圍內(nèi)，水溫對(duì)齊口裂腹魚上溯行為有顯著影響，本次試驗(yàn)結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。