王永猛，柯森繁，林晨宇，張 奔，楊國(guó)黨，雷青松，鄧曉川，石小濤

(1:三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，宜昌 443002)(2:湖北省魚類過壩技術(shù)國(guó)際科技合作基地，宜昌 443002)(3:河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098)(4:廣州市天河區(qū)水務(wù)設(shè)施建設(shè)中心，廣州 510655)(5:山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，濟(jì)南 250000)

近年來，為大力開發(fā)水能資源，我國(guó)的水利工程建設(shè)數(shù)量逐年遞增. 尤其在西南流域已建和規(guī)劃了多個(gè)梯級(jí)電站，如金沙江流域已建或規(guī)劃的梯級(jí)電站達(dá)20余座[1]. 梯級(jí)電站的修建在促進(jìn)國(guó)計(jì)民生發(fā)展的同時(shí)，對(duì)河流的生境也產(chǎn)生了不利影響，其中因河流連通性被阻斷引發(fā)的魚類過壩困難的問題備受關(guān)注[2]. 為幫助魚類洄游過壩，過魚設(shè)施(魚道、集運(yùn)魚船、升魚機(jī)等)近年來被大量修建，據(jù)統(tǒng)計(jì)從1958-2017年，我國(guó)水利水電工程建設(shè)項(xiàng)目的已建和建設(shè)中的過魚設(shè)施從10座增加至150余座[3-5].

過魚設(shè)施的過魚效果是直接反映恢復(fù)上下游物種交流及生態(tài)修復(fù)的重要依據(jù)[6]. 影響過魚設(shè)施過魚效果的因素有很多，主要有生物因素和非生物因素，生物因素包括魚的體長(zhǎng)、種類和體型等，非生物因素包括流速、光和溫度等[7]. 影響魚類游泳能力與行為的因素多為非生物因素，非生物因素中的流場(chǎng)為關(guān)鍵因素，具體有速度、矢量方向(水流方向)、渦旋和紊動(dòng)等，其中流速是魚類游泳能力可量化的關(guān)鍵指標(biāo)[8-10]. 目前過魚設(shè)施的流速設(shè)計(jì)主要參考過魚對(duì)象的游泳能力閾值. 魚類游泳能力通常包括感應(yīng)流速、臨界游泳速度和突進(jìn)游泳速度[11]. 在過魚設(shè)施設(shè)計(jì)中，感應(yīng)流速主要作為過魚設(shè)施進(jìn)口的最小設(shè)計(jì)流速(吸引目標(biāo)魚的水流速度)參考值[12]；突進(jìn)游泳速度是魚類可達(dá)到的最大游泳速度，主要用于過魚設(shè)施高流速區(qū)(豎縫)的流速設(shè)計(jì)[13]；臨界游泳速度是魚類最大可持續(xù)有氧運(yùn)動(dòng)能力指標(biāo)[13-14]，主要用于過魚設(shè)施內(nèi)部低流速區(qū)域的流速設(shè)計(jì). 目前與魚道設(shè)計(jì)相關(guān)的魚類游泳能力研究大多聚集于單目標(biāo)魚種[14-15]，針對(duì)多目標(biāo)魚種的過魚設(shè)施設(shè)計(jì)參數(shù)選取的研究甚少. 本研究在過魚設(shè)施設(shè)計(jì)參數(shù)選取過程中，通過對(duì)游泳能力累積疲勞率與流速的關(guān)系分析，克服以往過魚設(shè)施參數(shù)選取研究中的多目標(biāo)和多參數(shù)的交互難度.

在進(jìn)行過魚設(shè)施流速設(shè)計(jì)時(shí)，所參考的過魚對(duì)象往往不止一種，不同種的過魚對(duì)象由于形態(tài)、生活習(xí)性、棲息環(huán)境等不同，游泳能力會(huì)有明顯差異(比如上溯距離)，同一科不同種屬的過魚對(duì)象游泳能力也會(huì)有差別. 比如，同為鰍科的擬鰻副鰍(Paracobitsanguillioides)和長(zhǎng)薄鰍(Leptobotiaelongata)突進(jìn)游泳速度有顯著差異，分別為(10.23±1.77)和(6.10～18.50) BL/s[16]；同為裂腹魚亞科的灰裂腹魚(Schizothoraxgriseus)和光唇裂腹魚(Schizothoraxlissolabiatus)突進(jìn)游泳速度分別為(6.36±1.12)和(9.59±2.36) BL/s[17]. 基于不同過魚對(duì)象的游泳能力差異性，魚道進(jìn)行流速設(shè)計(jì)時(shí)，通常需要考慮弱游泳能力過魚對(duì)象的過障需求. 因此，針對(duì)不同大小和不同種類的過魚對(duì)象開展現(xiàn)場(chǎng)游泳能力測(cè)試十分必要. 目前，我國(guó)部分過魚設(shè)施的流速設(shè)計(jì)，并沒有對(duì)過魚目標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)游泳能力測(cè)試，尤其針對(duì)具有過壩需求的珍稀保護(hù)性洄游魚類，往往通過同科不同種或者人工繁殖的相同魚種的游泳能力進(jìn)行替代. 然而，用此方法所獲取的游泳能力數(shù)據(jù)并不能真實(shí)反映過魚對(duì)象的速度過障能力，如Rouleau等發(fā)現(xiàn)同一種類的野生美洲紅點(diǎn)鮭比人工養(yǎng)殖的美洲紅點(diǎn)鮭游泳能力更強(qiáng)，并有顯著的差異性[18].

馬堵山水電站壩址位于西南地區(qū)紅河(元江)干流紅河哈尼族彝族自治州的個(gè)舊市和金平縣境內(nèi)，是《云南省紅河(元江)干流綜梯級(jí)合規(guī)劃報(bào)告》的第10級(jí)開發(fā)電站，也是開發(fā)方案中經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相對(duì)較好，列為先期開發(fā)建設(shè)的梯級(jí)之一. 馬堵山水電站控制流域面積31356 km2，多年平均流量299 m3/s，規(guī)劃正常蓄水位217 m，裝機(jī)容量300 MW，裝機(jī)年利用時(shí)間為4600 h，年發(fā)電量12.34億kW·h. 紅河(元江)干流梯級(jí)電站的逐步開發(fā)對(duì)紅河(元江)流域的破碎化、土著魚種洄游帶來嚴(yán)重影響[19]，并且有關(guān)元江馬堵山水電站至南沙水電站的上下游魚類游泳能力研究成果較少. 因此，本研究響應(yīng)第41號(hào)環(huán)境評(píng)估報(bào)告要求(中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部，2013年)，依據(jù)馬堵山水電站上下游的魚類洄游習(xí)性，棲息地的適應(yīng)性，歷史地位等主要因素，確定了暗色唇鯪、華南鯉和紅魾三種為主要過魚對(duì)象，并在野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了感應(yīng)流速、臨界游泳速度和突進(jìn)游泳速度，為該流域的過魚設(shè)施流速設(shè)計(jì)提供重要的數(shù)據(jù)參考. 此研究對(duì)紅河(元江)流域土著魚類和珍稀魚類保護(hù)、棲息地修復(fù)和過魚設(shè)施具有重要作用.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與對(duì)象

通過漁民走訪調(diào)查和云南大學(xué)所承擔(dān)的《云南省紅河馬堵山水電站工程施工期魚類資源及陸生植被監(jiān)測(cè)報(bào)告》、珠江水資源保護(hù)科學(xué)研究所承擔(dān)的《云南省紅河馬堵山水電站工程環(huán)境影響報(bào)告書》，統(tǒng)計(jì)出馬堵山水電站上下游水域出現(xiàn)魚類24種. 過魚對(duì)象主要依靠5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)(每種標(biāo)準(zhǔn)的等級(jí)是0、1、2)，分別為洄游習(xí)性、棲息地適應(yīng)性、保護(hù)等級(jí)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值、歷史地位，每個(gè)等級(jí)具體評(píng)分見表1. 如果每種魚類的總等級(jí)大于(等于)7，那么此物種就被評(píng)為主要過魚對(duì)象[17]，如表2所示.

表1 過魚對(duì)象選擇標(biāo)準(zhǔn)[20]Tab.1 Criteria for target fish selection[20]

表2 過魚對(duì)象的確定Tab.2 Determination of target fish based on criteria

結(jié)合環(huán)評(píng)報(bào)告要求，過魚對(duì)象的選擇要優(yōu)先考慮本流域所特有的地方魚類，即應(yīng)優(yōu)先國(guó)家級(jí)、省級(jí)保護(hù)魚類及瀕危珍稀物種. 根據(jù)要求，暗色唇鯪(Semilabeoobscurus)、華南鯉(Cyprinuscarpiorubrofuscus)和紅魾(Bagariusrutilus)被確定為主要過魚對(duì)象，并開展了游泳能力測(cè)試(本研究中收集到的袋唇魚(Paraspinibarbushekouensis)、斑鳠(Mystusguttatus)、越鳠(Mystuspluriradiatus)和翹嘴鲌(Culteralburnus)數(shù)量較少，無法滿足實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析要求)，每尾魚不重復(fù)測(cè)試使用.

3種測(cè)試魚于2019年8-9月分多次在云南省個(gè)舊市馬堵山水電站的紅河(元江流域)干流與支流鮮水河交匯處捕獲，總共捕獲110尾，其中暗色唇鯪35尾，體長(zhǎng)范圍4.19～7.50 cm，華南鯉40尾，體長(zhǎng)范圍18.88～25.06 cm，紅魾35尾，體長(zhǎng)范圍33.95～38.02 cm，捕獲地點(diǎn)如圖1所示. 新捕獲的實(shí)驗(yàn)魚在業(yè)主營(yíng)地的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的便攜式水池中暫養(yǎng)5天，溶解氧不少于6.0 mg/L，實(shí)驗(yàn)前一天停止喂食，暫養(yǎng)水取自紅河(元江流域)，每天早晚各換水一次，每次換水約50%，使用恒溫機(jī)維持暫養(yǎng)池中的水溫為23～25℃.

圖1 研究區(qū)域示意圖Fig.1 Sketch of the study area

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

感應(yīng)流速、臨界游泳速度、突進(jìn)游泳速度測(cè)試均在游泳能力呼吸測(cè)試水槽(Loligo System SW10150)中進(jìn)行(圖2). 變頻器控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而產(chǎn)生不同水流速度. 測(cè)試區(qū)上游的蜂窩狀穩(wěn)流裝置可保證測(cè)試區(qū)域流場(chǎng)均勻穩(wěn)定.

圖2 游泳能力測(cè)試水槽[15,17] (A: 變頻器; B: 電動(dòng)機(jī); C: 恒溫器; D: 整流器; E: 游泳槽; F: 攔網(wǎng))Fig.2 Swimming ability test flume[15，17]

1.3 游泳能力測(cè)試

1.3.1 感應(yīng)流速 感應(yīng)游泳速度(Uind)的測(cè)定采用“遞增流速法”，將1尾實(shí)驗(yàn)魚放置于游泳能力測(cè)試水槽中，靜水下適應(yīng)1 h后，先將螺旋槳反轉(zhuǎn)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)魚將頭擺向攔魚網(wǎng)一側(cè)均勻擺尾后，調(diào)整使螺旋槳正轉(zhuǎn)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)魚隨著水流速度緩慢增加，出現(xiàn)游泳姿態(tài)擺正至頭部朝向上游來水方的行為即認(rèn)定該流速為實(shí)驗(yàn)魚的感應(yīng)流速[14-15].

1.3.2 臨界游泳速度 按照“遞增流速法”進(jìn)行臨界游泳速度(Ucrit)的測(cè)定. 為了消除實(shí)驗(yàn)魚的轉(zhuǎn)移過程中產(chǎn)生的影響，在1.0 BL/s(BL為體長(zhǎng))的水流速度下適應(yīng)1 h，然后每20 min速度增加1.0 BL/s，當(dāng)魚體不能抵抗水流速度繼續(xù)游泳，其尾部貼在下游篩網(wǎng)且輕拍水面20 s魚體沒有行動(dòng)反應(yīng)，則視其達(dá)到力竭狀態(tài)，Ucrit測(cè)試結(jié)束[21].

絕對(duì)臨界游泳速度(Ucrit，cm/s)的計(jì)算[14,22]：

(1)

式中,Umax為實(shí)驗(yàn)魚實(shí)際完成持續(xù)游泳時(shí)間的游泳速度最大值(m/s)；Δt為改變水流速度時(shí)間的間隔(本研究取20 min)；t為在最高水流速度下的實(shí)驗(yàn)魚游泳時(shí)間(min)；ΔU為水流速度的改變量(1.0 BL/s).

相對(duì)臨界游泳速度(U′crit，BL/s):

(2)

式中,BL為實(shí)驗(yàn)魚的體長(zhǎng)(cm).

當(dāng)實(shí)驗(yàn)魚的橫截面積大于實(shí)驗(yàn)測(cè)試區(qū)橫截面積20.0%時(shí)，會(huì)引堵塞效應(yīng)，需要對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行糾正，本實(shí)驗(yàn)所用實(shí)驗(yàn)魚的橫截面積均小于測(cè)試實(shí)驗(yàn)區(qū)橫截面積的10.0%，故不需要糾正[23].

1.3.3 突進(jìn)游泳速度 突進(jìn)游泳速度(Uburst)與臨界游泳速度的測(cè)試方法和計(jì)算公式基本一致，按照“遞增流速法”進(jìn)行Uburst的測(cè)定. 只是將流速遞增時(shí)間間隔改為20 s，流速遞增間隔仍為1.0 BL/s，此時(shí)魚類力竭時(shí)對(duì)應(yīng)的流速為突進(jìn)游泳速度[14].

1.3.4 最大突進(jìn)上溯距離 為了分析魚類在高流速障礙下可游多遠(yuǎn)[24]，本文提出了過魚設(shè)施內(nèi)的最大突進(jìn)上溯距離指標(biāo)Dmax(m)，計(jì)算公式如下：

Dmax=(V1-V2)×20

(3)

式中,V1為魚在20 s內(nèi)的最大突進(jìn)游泳速度(m/s)；V2為過魚設(shè)施內(nèi)部的水流速度(m/s)[25].

3種游泳能力指標(biāo)測(cè)試結(jié)束后，分別統(tǒng)計(jì)每條實(shí)驗(yàn)魚的濕重(g)、體長(zhǎng)(cm)、叉長(zhǎng)(cm)、全長(zhǎng)(cm)、體高(cm)、體寬(cm)等形態(tài)學(xué)參數(shù)，如表3所示.

表3 游泳能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)Tab.3 Relavant parameters of swimming ability test

1.3.5 趨流率 趨流率(percentage of rheotaxis，Pre)指，在特定流速(V)下，通過視頻觀察分析，統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)魚感受水流后作出逆向反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)魚的數(shù)量(N)占進(jìn)行測(cè)試的所有實(shí)驗(yàn)魚總數(shù)量(Nt)的百分比[26-27]. 計(jì)算公式如下：

Pre=(N/Nt)×100%

(4)

式中,N為在特定流速條件下感受水流后作出逆向反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)魚的數(shù)量，Nt為進(jìn)行測(cè)試的所有實(shí)驗(yàn)魚的總數(shù)量.

1.4 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行處理，并用Origin 2018進(jìn)行繪圖. 實(shí)驗(yàn)魚的感應(yīng)流速、臨界游泳速度和突進(jìn)游泳速度與體長(zhǎng)的關(guān)系用Pearson相關(guān)性檢驗(yàn). 實(shí)驗(yàn)魚的趨流率與水流速度的關(guān)系通過非線性回歸進(jìn)行擬合. 不同體長(zhǎng)對(duì)影響感應(yīng)流速的誘導(dǎo)率與臨界、突進(jìn)游泳速度的累積疲勞率用“生存分析曲線”表示[28-29]. 統(tǒng)計(jì)顯著水平為P<0.05，結(jié)果均用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean±SD)表示.

2 結(jié)果

2.1 游泳能力測(cè)試結(jié)果

2.1.1 感應(yīng)流速 暗色唇鯪的感應(yīng)流速范圍為0.06～0.07 m/s，平均感應(yīng)流速為(0.07±0.01) m/s；相對(duì)感應(yīng)流速范圍為0.96～1.51 BL/s，平均值為(1.17±0.14)BL/s. 華南鯉的感應(yīng)流速范圍為0.07～0.08 m/s，平均感應(yīng)流速為(0.08±0.01)m/s；相對(duì)感應(yīng)流速范圍為0.30～0.43 BL/s，平均值為(0.35±0.04) BL/s. 紅魾的感應(yīng)流速為0.09～0.10 m/s，平均感應(yīng)流速為(0.10±0.01) m/s；相對(duì)感應(yīng)流速范圍為0.22～0.30 BL/s，平均值為(0.24±0.02) BL/s. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，暗色唇鯪絕對(duì)感應(yīng)流速與體長(zhǎng)有顯著性關(guān)系，隨體長(zhǎng)增加而增加，擬合關(guān)系式為Uind=0.003BL+0.052(R2=0.69，P<0.05)，紅魾和華南鯉的絕對(duì)感應(yīng)流速與體長(zhǎng)無顯著性關(guān)系(P>0.05)，但其相對(duì)感應(yīng)流速與體長(zhǎng)有顯著性關(guān)系(P<0.05)，隨體長(zhǎng)增加均減小(圖3)，暗色唇鯪、華南鯉、紅魾的相對(duì)感應(yīng)流速與體長(zhǎng)關(guān)系可分別擬合為U′ind=-0.173BL+2.206(R2=0.95，P<0.05)、U′ind=-0.019BL+0.775(R2=0.95，P<0.05)和U′ind=-0.007BL+0.525(R2=0.91，P<0.05)，3種過魚對(duì)象的感應(yīng)流速大小為：暗色唇鯪<華南鯉<紅魾.

圖3 3種實(shí)驗(yàn)魚的感應(yīng)流速與體長(zhǎng)的關(guān)系Fig.3 Relationships between absolute/relative induction speed and body length of three fish species

本研究將3種實(shí)驗(yàn)魚的趨流率(Pre)與水流速度(V)進(jìn)行線性擬合(圖4)，擬合公式為Pre=19.80V-1.13(R2=0.96，P<0.05). 結(jié)果表明，3種實(shí)驗(yàn)魚的趨流率隨著水流速度增加而增加，當(dāng)水流速度較小或者無流速時(shí)，趨流率較低，當(dāng)水流速度為0.08 m/s時(shí)，趨流率為50%，當(dāng)水流速度達(dá)到0.11 m/s時(shí)，趨流率高達(dá)95%.

圖4 趨流率與水流速度的關(guān)系Fig.4 Relationship between percentage of rheotaxis and flow speed

2.1.2 突進(jìn)游泳速度 暗色唇鯪的絕對(duì)突進(jìn)游泳速度范圍為0.77～1.11 m/s，平均值為(1.01±0.10) m/s；相對(duì)突進(jìn)游泳速度范圍為10.67～20.60 BL/s，平均值為(16.79±3.10) BL/s. 華南鯉的絕對(duì)突進(jìn)游泳速度范圍為1.20～1.81 m/s，平均值為(1.49±0.18) m/s；相對(duì)突進(jìn)游泳速度范圍為4.80～8.78 BL/s，平均值為(6.62±1.31)BL/s. 紅魾的絕對(duì)突進(jìn)游泳速度范圍為0.70～1.04 m/s，平均值為(0.86±0.10)m/s；相對(duì)突進(jìn)游泳速度范圍為1.86～2.88 BL/s，平均值為(2.32±0.30)BL/s.

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，暗色唇鯪和紅魾的絕對(duì)突進(jìn)游泳速度與體長(zhǎng)的關(guān)系不顯著(P>0.05)，華南鯉的絕對(duì)突進(jìn)游泳速度與體長(zhǎng)關(guān)系顯著，隨著體長(zhǎng)增加而減小，擬合公式為Uburst=-0.079BL+3.27 (R2=0.55，P<0.05)；暗色唇鯪、華南鯉和紅魾的相對(duì)突進(jìn)游泳速度均隨體長(zhǎng)增加而減少，擬合公式分別為U′burst=-3.875BL+40.587 (R2=0.88,P<0.05)、U′burst=-0.65BL+21.386 (R2=0.83,P<0.05)和U′burst=-0.27BL+12.288 (R2=0.49，P<0.05)，3種過魚對(duì)象的突進(jìn)游泳速度大小為：紅魾<暗色唇鯪<華南鯉(圖5).

圖5 3種實(shí)驗(yàn)魚的突進(jìn)游泳速度與體長(zhǎng)的關(guān)系Fig.5 Relationship between absolute/relative burst speed and body length of three fish species

3種實(shí)驗(yàn)魚的最小突進(jìn)游泳速度為0.83 m/s，平均突進(jìn)游泳速度為1.11 m/s，最大突進(jìn)游泳速度為1.47 m/s. 根據(jù)公式(3)可得到魚在突進(jìn)游泳速度下的最大上溯距離與水流速度之間的關(guān)系(圖6).

圖6 最大上溯距離與水流速度之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between maximum distance of ascent and the flow speed

2.1.3 臨界游泳速度 暗色唇鯪的絕對(duì)臨界游泳速度范圍為0.57～0.59 m/s，平均值為(0.58±0.01) m/s；相對(duì)臨界游泳速度范圍為0.67～0.64 BL/s，平均值為(9.44±0.80) BL/s. 華南鯉的絕對(duì)臨界游泳速度范圍為0.66～0.67 m/s，平均值為(0.66±0.01) m/s；相對(duì)臨界游泳速度范圍為2.63～3.47 BL/s，平均值為(2.92±0.22) BL/s. 紅魾的絕對(duì)臨界游泳速度范圍為0.59～0.62 m/s，平均值為(0.61±0.01) m/s；相對(duì)臨界游泳速度范圍為1.59～1.72 BL/s，平均值為(1.65±0.04) BL/s.

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，暗色唇鯪、紅魾和華南鯉的絕對(duì)臨界游速與體長(zhǎng)無顯著性關(guān)系(P>0.05)；但其相對(duì)感應(yīng)流速與體長(zhǎng)有顯著性關(guān)系(P<0.05)，隨著體長(zhǎng)增加而減小(圖7)，暗色唇鯪、華南鯉、紅魾的相對(duì)臨界游速與體長(zhǎng)關(guān)系可分別擬合為U′crit=20.308-1.782BL(R2=0.79，P<0.05)、U′crit=5.887-0.131BL(R2=0.95，P<0.05)和U′crit=3.424-0.131BL(R2=0.71，P<0.05)，3種過魚對(duì)象的臨界游泳速度大小為：暗色唇鯪<紅魾<華南鯉.

圖7 3種實(shí)驗(yàn)魚的臨界游泳速度與體長(zhǎng)的關(guān)系Fig.7 Relationship between absolute/relative critical swimming speed and body length of three fish species

2.2 游泳能力累積疲勞率與流速關(guān)系

通過“生存分析”方法，得出3種實(shí)驗(yàn)魚在水流中感知水流方向的累積百分比(感應(yīng)流速)或累積疲勞(臨界游泳速度和突進(jìn)游泳速度)百分比曲線，結(jié)果表明，在感知水流方向的累積百分比曲線中，水流速度為0.11 m/s時(shí)，95%的魚能感知水流方向；在臨界游泳速度和突進(jìn)游泳速度的累積疲勞曲線中，95%的魚非疲勞臨界、突進(jìn)游泳速度分別為0.58和1.01 m/s，如圖8所示.

圖8 感應(yīng)流速、臨界游泳速度和突進(jìn)游泳速度的累積疲勞率與水流流速的關(guān)系Fig.8 Relationship between cumulative percentages and velocity in induced flow velocity test, critical swimming speed test and burst swimming speed test

3 討論

過魚設(shè)施的結(jié)構(gòu)和流速設(shè)計(jì)通常需要參考過魚對(duì)象的游泳能力數(shù)據(jù)[14,27]. 目前在元江流域有關(guān)過壩需求的魚類游泳能力數(shù)據(jù)處于空白，本研究補(bǔ)充了元江流域3種典型洄游性魚類的游泳能力，分析了體長(zhǎng)對(duì)游泳能力的影響，比較了3種魚類游泳能力之間的差異，提出了過魚設(shè)施中不同部位的流速設(shè)計(jì)建議值，旨在為元江流域的過魚設(shè)施設(shè)計(jì)提供重要參考.

3.1 體長(zhǎng)對(duì)游泳能力的影響

通過構(gòu)建3種實(shí)驗(yàn)魚的體長(zhǎng)與游泳能力的函數(shù)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)3種實(shí)驗(yàn)魚的相對(duì)游泳能力與體長(zhǎng)相關(guān)性更高，均隨著體長(zhǎng)增加而減小，這與Hou等研究結(jié)果相吻合[30]. 魚類游泳能力受多種因素的影響，但體長(zhǎng)是影響魚類游泳能力的主要因素[31-32]. 3種實(shí)驗(yàn)魚的相對(duì)游泳能力隨體長(zhǎng)增大而減小的主要原因可能是魚的有氧運(yùn)動(dòng)能力，其隨著魚體長(zhǎng)的變化而異向變化，這意味著較小的魚可能會(huì)比較大的魚表現(xiàn)出更高的相對(duì)游泳能力[33]，本研究的3種魚類均表現(xiàn)出相同的異向變化趨勢(shì).

3.2 游泳能力之間的比較

不同魚種的游泳能力存在差異，可能與魚的棲息生境、游泳行為和體型等因素相關(guān). 本研究紅魾的感應(yīng)流速相比其他兩種魚類較大，可能原因是紅魾常棲息于水流底層，底層的水流速度較小，對(duì)水流的敏感度較低，從而表現(xiàn)出較大的感應(yīng)流速. 白艷勤等也發(fā)現(xiàn)[34]，黃顙魚相比草魚和鰱魚表現(xiàn)出相對(duì)較低的感應(yīng)流速，與黃顙魚定居底棲的生活習(xí)性有關(guān). 本研究中華南鯉相比其他兩種魚表現(xiàn)出較強(qiáng)的突進(jìn)游泳速度. 在進(jìn)行突進(jìn)游泳速度測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)華南鯉在面對(duì)高流速時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間貼壁游泳，可能借助邊壁的低流速區(qū)，降低運(yùn)動(dòng)的能量消耗，從而產(chǎn)生了相對(duì)較大的突進(jìn)游泳速度，然而其他兩種魚并未發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象. 此外，相比于其他兩種魚，華南鯉也表現(xiàn)出較強(qiáng)的臨界游泳能力. 臨界游泳能力與魚的體型有關(guān)[35]，付翔等發(fā)現(xiàn)，中華倒刺鲃比異育銀鯽的臨界游泳能力高，主要是由于中華倒刺鲃的體型更符合流線型. 本研究中通過比較3種實(shí)驗(yàn)魚的肥滿度，同為鯉科魚類的華南鯉的肥滿度為暗色唇鯪的73%，即前者的體型更符合流線型，從而表現(xiàn)出較高的臨界游泳能力，這也與付翔等研究相吻合[35].

3.3 魚類游泳能力指標(biāo)在過魚設(shè)施設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

魚類游泳能力主要與體長(zhǎng)、水溫和魚種等多參數(shù)相關(guān)[35-37]，過魚設(shè)施在流速設(shè)計(jì)中通常需考慮多目標(biāo)魚種的游泳能力. 本研究考慮了過魚設(shè)施選取過程中多魚種和多參數(shù)的影響，通過累計(jì)疲勞曲線與流速的關(guān)系，提出95%魚類在非疲勞狀態(tài)下的感應(yīng)流速、臨界游泳速度和突進(jìn)游泳速度. Cai等也通過此方法[29]，對(duì)陜西省旬陽(yáng)水電站開展了過魚設(shè)施的流速設(shè)計(jì)，研究分析出該大壩以翹嘴鲌(Culteralburnus)、蒙古鲌(Cultermongolicus)、多鱗白甲魚(Onychostomamacrolepis)和大眼鱖(Sinipercakneri)等7種魚類為過魚對(duì)象的95%魚類在非疲勞狀態(tài)下的感應(yīng)流速、臨界游泳速度和突進(jìn)游泳速度分別為0.17、0.59和0.94 m/s. 本研究結(jié)果與Cai等研究結(jié)果相似，說明過魚對(duì)象雖然不同，但在選取過魚設(shè)施局部位置流速時(shí)具有一定的共性需求. 本研究通過累積疲勞率曲線和魚類游泳能力分析了元江流域過魚設(shè)施的局部流速設(shè)計(jì)，參考值如下.

3.3.1 過魚設(shè)施入口流速 過魚設(shè)施(升魚機(jī)、魚道、魚閘或集魚船)進(jìn)口進(jìn)行流速設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)利用較大的水流吸引并幫助魚類找到過魚設(shè)施入口，若入口流速過大會(huì)妨礙魚類進(jìn)入，若流速太小，則對(duì)魚類的吸引力不足，過魚設(shè)施入口設(shè)計(jì)流速應(yīng)大于臨界游泳速度且小于突進(jìn)游泳速度[14,38]. 基于本研究的累積疲勞百分比曲線(圖7)，為保證95%的魚類能感知并找到過魚設(shè)施入口，建議入口流速范圍為0.6～1.0 m/s.

3.3.2 過魚整體平均流速 魚類成功通過入口后到達(dá)過魚設(shè)施通道內(nèi)部，通道內(nèi)部的流速設(shè)計(jì)過小，魚類將失去趨流性，建議過魚設(shè)施的內(nèi)部流速應(yīng)大于感應(yīng)流速且小于臨界游泳速度[17]. 當(dāng)過魚對(duì)象為暗色唇鯪、華南鯉和紅魾時(shí)，為保證95%的魚類在過魚設(shè)施內(nèi)有趨流反應(yīng)，建議過魚設(shè)施內(nèi)部整體平均流速設(shè)計(jì)范圍為0.1～0.6 m/s.

3.3.3 過魚設(shè)施休息區(qū)流速 在過魚設(shè)施設(shè)計(jì)中，為保證魚類有足夠的體能通過較長(zhǎng)的過魚設(shè)施，過魚設(shè)施的流速設(shè)計(jì)有必要考慮魚是否產(chǎn)生疲勞. 根據(jù)相關(guān)研究，疲勞會(huì)影響魚類的健康和生存，如果魚類經(jīng)?；虺掷m(xù)高速游泳，體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的乳酸，魚類死亡率達(dá)到40%以上[39]. 故在過魚設(shè)施內(nèi)部提供魚類低流速區(qū)的休息場(chǎng)所，待魚類基本恢復(fù)或完全恢復(fù)體能后繼續(xù)上溯. 魚類在流速過高的休息區(qū)停留會(huì)導(dǎo)致疲勞，但流速過小則會(huì)導(dǎo)致魚類失去方向感并長(zhǎng)時(shí)間停留，為使魚類在休息區(qū)恢復(fù)體能的同時(shí)不迷失其方向感，過魚設(shè)施休息區(qū)域的流速建議介于過魚對(duì)象的感應(yīng)流速和臨界游泳速度之間[38-40]. 結(jié)合本研究結(jié)果，當(dāng)過魚對(duì)象為暗色唇鯪、華南鯉和紅魾時(shí)，建議休息區(qū)的水流速度范圍為0.1～0.6 m/s.

3.3.4 過魚設(shè)施出口流速 過魚設(shè)施出口流量應(yīng)比較平穩(wěn)，以便于魚類游出過魚設(shè)施后不影響其在上游的正常洄游行為，故過魚設(shè)施的出口位置應(yīng)布置在流速相對(duì)穩(wěn)定的水域，保證魚類感應(yīng)到水流，不會(huì)迷失方向[41]. 因此，過魚通道的出口流速宜大于魚的感應(yīng)流速，本研究建議過魚設(shè)施出口設(shè)置在流速不小于0.1 m/s的水域.

3.3.5 過魚設(shè)施孔口流速 過魚設(shè)施內(nèi)部的高流速區(qū)域一般是在孔口或豎縫處等. 魚類通過過魚設(shè)施孔口時(shí)，基本都是以突進(jìn)游泳速度在短時(shí)間內(nèi)通過[42]. 根據(jù)圖5，若魚以最大游泳速度通過魚道內(nèi)長(zhǎng)度為30 cm的豎縫，為保證弱游泳能力的魚類順利通過，魚道豎縫處的流速應(yīng)不超過0.8 m/s. 本研究以游泳能力相對(duì)較弱的紅魾的突進(jìn)游泳速度為孔口或者豎縫處的最大設(shè)計(jì)流速，建議孔口或者豎縫處的流速不宜超過0.8 m/s. 此外，有研究表明，由于在靠近分界面時(shí)流速分布較低，適當(dāng)增加過魚設(shè)施孔口邊壁或底部的粗糙度，可供中下層游泳能力較弱的魚類通過[34]，此時(shí)過魚設(shè)施孔口的設(shè)計(jì)流速可適當(dāng)增加至0.8～1.0 m/s.

魚道內(nèi)流態(tài)復(fù)雜，除了流速，影響魚類上溯行為可能與湍動(dòng)能、雷諾剪應(yīng)力和渦等水力因子相關(guān)[8,10]. 本研究是在室內(nèi)封閉水槽內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，流場(chǎng)比較單一，無法真實(shí)地反映出自然流態(tài)，具有一定的局限性[38,43]. 未來的工研究工作需在實(shí)際魚道模型中進(jìn)行[10,44-45]，可有助于理解魚類在復(fù)雜流態(tài)下上溯洄游行為及對(duì)水力因子的響應(yīng)，從而有利于優(yōu)化過魚設(shè)施設(shè)計(jì)，提升魚道過魚效果.