李沁芝 鄧月曦 唐錫良 嚴(yán)忠鑾 王小明 盧晶瑩 李 嘉 安瑞冬

(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610065;2.中國三峽建工(集團(tuán))有限公司,成都 610041;3.中國長江三峽集團(tuán)有限公司,武漢 430010)

大壩等攔河建筑物在帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí),也破壞了河流的連通性,阻斷了魚類的洄游通道,導(dǎo)致魚類資源大幅度減少。修建魚道是緩解水利工程開發(fā)不利影響和水資源保護(hù)的有效措施,有效的過魚設(shè)施設(shè)計(jì)需要結(jié)合魚類行為學(xué)。魚類的運(yùn)動(dòng)行為具有多樣性,包括游泳和滑行等[1]。其中魚的游泳是一種復(fù)雜的、綜合的運(yùn)動(dòng),具有對各種環(huán)境變化做出可塑性響應(yīng)的能力[2]。隨著機(jī)電一體化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、流體力學(xué)和仿生學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展,研究人員研制出了多種仿生機(jī)器魚,其游動(dòng)機(jī)理將是未來仿生機(jī)器魚研究的關(guān)鍵[3]。不同的魚表現(xiàn)出來的游泳行為也不盡相同,但除了在魚道進(jìn)出口等高流速區(qū)采用沖刺游泳行為外,一般情況下都采用“沖刺-滑行”游泳行為[4]?！皼_刺-滑行”游泳行為反映了魚類在極短時(shí)間內(nèi)逃避敵害和越過水流障礙的能力,是魚類生活史中重要的游泳行為之一[5]。量化魚類在復(fù)雜流場中的游泳行為顯得尤為重要[6]。沖刺階段魚通過擺尾來獲取前進(jìn)的動(dòng)力,滑行階段魚的身體接近直線狀態(tài)[7]。表征該行為的指標(biāo)很多,比如游泳動(dòng)力學(xué)、游泳能力和游泳模式[8]。通過分析魚類游泳動(dòng)力學(xué)指標(biāo),例如擺尾角度與擺尾頻率等重要的基礎(chǔ)參數(shù),有助于理解目標(biāo)魚類的游泳姿態(tài)轉(zhuǎn)換過程及運(yùn)動(dòng)的能量消耗[9]。Tudorache等[10]在較長的水槽中測定鯉(Cyprinus carpio)的臨界游泳能力,發(fā)現(xiàn)其可以通過“沖刺-滑行”游泳獲得更高的臨界游泳速度。Li等[11]發(fā)現(xiàn)魚通過調(diào)節(jié)內(nèi)在循環(huán)以維持所需的速度,通過改變沖刺與滑行的時(shí)間比,保持“沖刺-滑行”周期的穩(wěn)定。Zhao等[12]提出了一種基于魚的關(guān)鍵特征點(diǎn)識別的擺尾頻率計(jì)算模型,用于實(shí)時(shí)檢測魚的擺尾頻率。Goettel等[13]通過在一個(gè)寬淺的水槽中增減壁面處障礙物的厚度,來改變水槽中的水流流態(tài),將不同的流場與視頻錄像中的魚類軌跡疊加,討論了魚類對不同流場的響應(yīng)。

齊口裂腹魚(Schizothorax prenanti)隸屬鯉科(Cyprinidae)裂腹魚亞科(Schizoth Pracinae)裂腹魚屬(Schizothorax),主要分布于我國長江上游的金沙江、岷江、大渡河、青衣江及烏江下游等水域,是我國西南山區(qū)河流中較具代表性的優(yōu)勢魚種,是我國特有的重要經(jīng)濟(jì)魚類[14]。水流速度障礙在自然界中廣泛存在,它能夠刺激魚類感覺器官產(chǎn)生相應(yīng)行為反應(yīng),對其攝食、代謝及生長繁殖造成影響[15]。魚類“沖刺-滑行”游泳行為主要在魚類捕食、逃逸敵害、受到刺激后的應(yīng)激和越過水流障礙過程中應(yīng)用[16]。針對擺尾頻率和擺尾幅度的計(jì)算目前主要采用的方法包括視頻軟件分析,跟蹤定位及人工計(jì)數(shù)等方法[17]。目前的研究對游泳動(dòng)力學(xué)指標(biāo)中擺尾角度的自動(dòng)識別與計(jì)算方法較少,且研究側(cè)重于魚尾鰭缺失對魚游泳能力的影響,如Cai等[18]通過測量了3組魚(完整尾鰭、部分尾鰭和無尾鰭)的游泳速度和擺尾頻率,發(fā)現(xiàn)擺尾頻率降低會(huì)明顯影響其游泳能力。通過解譯其游泳行為模式,對模擬洄游性魚類通過自然水流障礙或水工建筑物提供了理論支撐[19]。因此本研究運(yùn)用具有流速梯度的水槽創(chuàng)造非均勻流場條件,得到齊口裂腹魚在室內(nèi)試驗(yàn)水槽內(nèi)進(jìn)行上溯的視頻圖像。對其游泳姿態(tài)進(jìn)行圖像識別,計(jì)算其上溯全過程的游泳動(dòng)力學(xué)指標(biāo)擺尾角度與擺尾頻率。構(gòu)建了新的指標(biāo)體系,引入滑行流速系數(shù)、擺尾模式等。在此基礎(chǔ)上做了新的量化分析,實(shí)現(xiàn)生態(tài)學(xué)與水動(dòng)力學(xué)的耦合研究,進(jìn)而得到其上溯過程中“沖刺-滑行”行為對水動(dòng)力學(xué)條件的響應(yīng)規(guī)律,對魚類行為學(xué)研究中齊口裂腹魚的行為學(xué)研究進(jìn)行補(bǔ)充。

1 材料與方法

1.1 生態(tài)行為學(xué)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置本研究采用的試驗(yàn)裝置為寬4.0 m×深1.0 m×長20.5 m的無坡度的鋼化玻璃-鋼鐵框架結(jié)構(gòu)的大型明渠水槽(圖 1)。試驗(yàn)裝置頂部放置4個(gè)攝像頭(WIM SkyStar,30 fps),共同記錄試驗(yàn)魚的游泳行為,為后續(xù)運(yùn)用行為學(xué)軟件logger pro得到完整上溯過程的運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)創(chuàng)造條件。為了減小流動(dòng)摩擦以及降低邊界層效應(yīng),水槽兩側(cè)和底板接近光滑。通過固定電機(jī)頻率使水流穩(wěn)定。進(jìn)口處格柵密度最高的流態(tài)I的流速略高于封閉游泳室中試驗(yàn)魚種齊口裂腹魚的感應(yīng)游泳能力(0.01—0.13 m/s)。格柵較少的流態(tài)Ⅱ的流速接近齊口裂腹魚臨界游泳速度(0.65—1.09 m/s),對于流態(tài)Ⅲ的無格柵通道,流速設(shè)計(jì)在暴發(fā)游動(dòng)能力范圍(0.85—1.53 m/s)內(nèi)。

圖1 試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Testing device

試驗(yàn)對象試驗(yàn)齊口裂腹魚體長(26.91±2.35) cm,叉長(29.57±2.49) cm,總長度(32.32±2.73) cm,體重(304.21±77.15) g。試驗(yàn)前將所有試驗(yàn)魚在室內(nèi)暫養(yǎng)7d,暫養(yǎng)期間24h持續(xù)充氧,每2天更換暫養(yǎng)水的10%,每天投食餌料并吸糞便和殘?jiān)?次。試驗(yàn)條件:水溫(15.83±0.24)℃,pH (7.6±0.4),溶解氧飽和度保持在95%左右,自然光照。

試驗(yàn)過程在試驗(yàn)裝置適應(yīng)區(qū)域放入一尾健康的試驗(yàn)魚,經(jīng)過0.5h的適應(yīng),試驗(yàn)魚已基本適應(yīng)當(dāng)前溫度和流速條件。移除活性屏障,讓試驗(yàn)魚在試驗(yàn)裝置的游泳測試區(qū)自由游泳。同時(shí)利用安裝在水面上方4 m的4臺攝像機(jī)連續(xù)記錄試驗(yàn)魚的游動(dòng)行為。當(dāng)試驗(yàn)魚經(jīng)過整個(gè)游泳測試區(qū)域,最終進(jìn)入上游3個(gè)入口之一時(shí),認(rèn)為該試驗(yàn)魚成功完成上溯,結(jié)束試驗(yàn)。當(dāng)試驗(yàn)魚無上升動(dòng)機(jī)且在試驗(yàn)裝置適應(yīng)區(qū)域停留超過1h時(shí),同樣結(jié)束試驗(yàn)。采用高分辨率聲學(xué)多普勒測速儀,對游泳測試區(qū)域(圖 1中的矩形)沿縱向、橫向和垂直方向測量其瞬時(shí)流場分量,頻率為50 Hz,持續(xù)60s?？v向和橫向測量距離間隔分別為0.25和0.1 m,共記錄了1421個(gè)測量位置。

1.2 游動(dòng)姿態(tài)的圖像識別與魚體幾何模型構(gòu)建

本研究選取了上溯時(shí)間較短,視頻亮度較高,游動(dòng)狀態(tài)較為清晰的10尾魚(圖 2)。為保證魚體擺尾狀態(tài)的連續(xù)性,視頻幀率選擇為30fps。在魚類快速啟動(dòng)游泳的過程中,魚體首次肌肉收縮后的形態(tài)特征不盡相同,有些魚類呈“C”型(早期也被稱為“L”型),而有的魚類形態(tài)呈“S”型[20]。魚的體軸主要包括主軸、矢軸與橫軸,主軸亦稱中心軸,是由頭部到尾部縱貫體中央的一個(gè)軸,矢軸是從魚體最高處作一垂線,橫軸橫貫魚體中心[21]。通過分析大量試驗(yàn)圖片,認(rèn)為齊口裂腹魚在沖刺階段魚體大都呈“C”型。保留魚體基本特征,構(gòu)建了魚體俯視的二維幾何模型(圖 3),其中各特征點(diǎn)含義如表 1所示。直線AE為魚體主軸所在位置。本研究定義了一個(gè)鉸點(diǎn)E,認(rèn)為魚體在擺尾時(shí)身體可分為剛體段與柔體段,鉸點(diǎn)所在位置即為兩部分的分界點(diǎn)。θ即為魚體擺尾角度。由某一試驗(yàn)魚的圖像識別結(jié)果所構(gòu)建的魚體俯視二維幾何模型(圖 4)。

圖4 圖像識別與模型構(gòu)建Fig.4 Image recognition and model building

表1 魚體俯視簡化二維幾何模型中各特征點(diǎn)含義Tab.1 The meaning of each feature point in the simplified 2D geometric model of the fish body in top view

圖2 上溯過程視頻分幀解析圖Fig.2 Upstream process video frame splitting analysis

圖3 魚體俯視簡化二維幾何模型Fig.3 Simplified 2D geometric model of the fish body in top view

1.3 游動(dòng)行為的描述

擺尾角度計(jì)算在對組成魚體輪廓的點(diǎn)的直角坐標(biāo)進(jìn)行提取的基礎(chǔ)上,運(yùn)用式(1)逐個(gè)計(jì)算魚體主軸兩側(cè)輪廓線上,相鄰兩點(diǎn)連線的斜率k,結(jié)果存在1、0和?1三種值。進(jìn)一步根據(jù)該斜率計(jì)算結(jié)果的變化情況,可以分別提取魚體主軸兩側(cè)的第一處斜率突變點(diǎn)M(XM,YM)、N(XN,YN),及魚體擺尾時(shí)凹側(cè)的第2處斜率突變點(diǎn)D(XD,YD)。運(yùn)用式(2)得到線段MN的中點(diǎn)C坐標(biāo)(XC,YC)。根據(jù)模型中各線段的幾何位置關(guān)系,運(yùn)用式(3)計(jì)算擺尾角度。式(3)中的兩個(gè)參數(shù)均為距離值,其中d值為F點(diǎn)到直線AE的距離,r值為F點(diǎn)到E點(diǎn)的距離,關(guān)鍵在于鉸點(diǎn)E坐標(biāo)的計(jì)算。先假設(shè)出鉸點(diǎn)E坐標(biāo),結(jié)合魚體俯視二維幾何模型中的點(diǎn)線關(guān)系,聯(lián)立求解二元一次方程組,進(jìn)而求得關(guān)鍵點(diǎn)E的坐標(biāo)。

擺尾頻率計(jì)算擺尾頻率指的是1s內(nèi)魚擺尾的次數(shù),從魚尾擺到最高點(diǎn)開始到下一次擺到最高點(diǎn)計(jì)為1次。通過對10尾魚上溯視頻進(jìn)行逐幀分析,計(jì)算得到10尾魚上溯過程中的擺尾頻率。

2 結(jié)果

2.1 沖刺擺尾的水力因子偏好

擺尾位置沖刺階段魚體姿態(tài)的改變往往體現(xiàn)在較大幅度的擺尾。繪制10尾魚擺尾位置熱點(diǎn)圖(圖 5)。結(jié)合圖 6的流場圖分析得到,擺尾行為多發(fā)生在不同流速區(qū)域交界處,即存在明顯的流速梯度處,如y=1 m與y=2 m附近區(qū)域。這說明齊口裂腹魚在上溯過程中往往會(huì)選擇在具有流速梯度的區(qū)域進(jìn)行沖刺,從而適應(yīng)非均勻流場。

圖5 擺尾位置熱點(diǎn)圖Fig.5 Hot spot diagram of tail-beat position

圖6 流場插值分布圖Fig.6 Flow field interpolation distribution

偏好流速范圍“沖刺-滑行”游泳由一個(gè)或多個(gè)連續(xù)的沖刺游泳和緊隨的滑行游泳組成,沖刺游泳階段包括從穩(wěn)態(tài)迅速增加到高游速的快速啟動(dòng)階段和尾鰭等幅擺動(dòng)維持高游速的勻速階段,滑行游泳階段包括從高游速逐漸降到相對水流靜止的減速階段和停止游泳被水流往后沖的階段[15]。分別繪制10尾魚擺尾角度與擺尾頻率分布圖(圖 7和圖 8),統(tǒng)計(jì)得到其沖刺階段喜好擺尾角度為25°—35°,喜好擺尾頻率為2.5—3.5次/s。進(jìn)一步提取其做出喜好游泳動(dòng)力學(xué)指標(biāo)范圍內(nèi)的擺尾行為,所對應(yīng)的擺尾位置的水流速度。疊加繪制“所有擺尾”情形與“喜好擺尾”情形的頻率分布圖,后者頻率高于前者頻率片段所對應(yīng)的流速,為本試驗(yàn)條件下齊口裂腹魚的偏好流速(圖 9)。在本試驗(yàn)條件下,其沖刺階段偏好流速為0.20—0.40 m/s。

圖7 擺尾角度分布圖Fig.7 Tail-beat angle distribution and box line diagram

圖8 擺尾頻率分布圖Fig.8 Tail-beat frequency distribution and box line diagram

圖9 擺尾位置流速分布圖Fig.9 Water velocity distribution of tail-beat position

2.2 擺尾行為與流場耦合的動(dòng)態(tài)規(guī)律

擺尾角度變化過程為進(jìn)一步探索齊口裂腹魚上溯過程中沖刺階段擺尾角度的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,分別計(jì)算10尾魚上溯過程中擺尾角度波峰值的均值、波谷值的均值。提取擺尾角度波峰值、波谷值出現(xiàn)處的水流速度,并計(jì)算其均值。最終得到齊口裂腹魚在上溯過程中,擺尾角度波峰值平均值與波谷值平均值隨著流場改變的變化規(guī)律趨勢圖(圖 10)。隨著流速的增大,擺尾角度的波峰值與波谷值都呈現(xiàn)遞減趨勢,即擺尾角度數(shù)值與流速大小的耦合關(guān)系呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),但擺尾角度數(shù)值隨流場變化的范圍有限。在本試驗(yàn)條件下,波峰值最小值趨近于40°,波谷值最小值趨近于8°。

圖10 擺尾角度隨流場變化趨勢圖Fig.10 Trend of tail-beat angle with water flow field

擺尾模式為進(jìn)一步分析擺尾行為與流速變化是否具有同步性,對上溯過程中擺尾角度與流速的強(qiáng)弱變化規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì),其中數(shù)值增大視為強(qiáng)度增強(qiáng),賦值為“1”;數(shù)值減小視為強(qiáng)度減弱,賦值為“0”。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)得到擺尾角度與流速強(qiáng)弱變化同步率(表 2),數(shù)據(jù)顯示,10尾魚中有7尾魚的同步率未超過50%,由此可見齊口裂腹魚上溯過程中擺尾行為與流速變化的同步性較弱,即齊口裂腹魚偏好在流速由大變小的區(qū)域擺尾沖刺加速。

表2 擺尾角度與流速增減同步率Tab.2 Synchronization rate of tail-beat angle and water flow rate increase/decrease

采用排列組合的方式,將連續(xù)無間隔的3次強(qiáng)弱變化視為一組,各組之間無重復(fù),統(tǒng)計(jì)得到10尾魚中出現(xiàn)概率最高的擺尾模式(表 3)。綜合分析表中數(shù)據(jù),齊口裂腹魚在上溯過程中喜好擺尾模式為“010”,即擺尾角度強(qiáng)度變化“弱強(qiáng)弱”的擺尾模式。

表3 十尾魚最顯著擺尾模式統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of the most significant tail-beat patterns of 10 fish

2.3 滑行距離與滑行方向

滑行流速系數(shù)為了進(jìn)一步分析滑行階段擺尾角度(θ)、滑行距離(L)和流速(v)三者之間的耦合規(guī)律,首先引入擺尾推進(jìn)效率(η),它表示單位擺尾角度內(nèi)魚體前進(jìn)的絕對距離,計(jì)算公式如式(4)所示。為進(jìn)一步加入流速這個(gè)水動(dòng)力學(xué)參數(shù),最終引入滑行流速系數(shù)(α),它表示單位流速下擺尾推進(jìn)效率的標(biāo)準(zhǔn)化值,計(jì)算公式如式(5)所示。匯總統(tǒng)計(jì)10尾魚的滑行流速系數(shù)(α),結(jié)果表明（圖11）,當(dāng)其數(shù)值為1.0—3.0時(shí)具有一定的代表性,從而定量得到了滑行階段擺尾角度(θ)、滑行距離(L)和流速(v)三者之間的耦合關(guān)系。

圖11 滑行流速系數(shù)分布圖Fig.11 Slide velocity coefficient distribution and box line diagram

滑行方向與水流負(fù)方向夾角的偏好范圍滑行階段,魚體保持近似直線的狀態(tài)進(jìn)行減速運(yùn)動(dòng),直到再次沖刺擺尾加速。通過計(jì)算其滑行過程中滑行的絕對距離以及在流速負(fù)方向上的位移,可以計(jì)算“沖刺-滑行”行為行進(jìn)的路程對水流負(fù)方向位移的貢獻(xiàn)率,進(jìn)而得到其每一次滑行的方向與水流負(fù)方向的夾角(表 4)。繪制10尾魚滑行方向與水流負(fù)方向夾角的概率分布圖(圖 12),得到齊口裂腹魚上溯過程中滑行方向與水流負(fù)方向夾角的偏好為40°—60°。

圖12 滑行方向與水流負(fù)方向夾角分布圖Fig.12 The angle between sliding direction and water flow negative direction distribution and box line diagram

表4 貢獻(xiàn)率均值及其對應(yīng)滑行方向與水流負(fù)方向夾角Tab.4 The mean value of contribution rate and its corresponding angle between the glide direction and the negative direction of water flow

3 討論

大壩已成為洄游魚類游動(dòng)的障礙,研究洄游魚類的上溯行為有助于魚道的設(shè)計(jì)[22]。魚類能否通過魚道是由游泳耐力、行為和動(dòng)機(jī)綜合決定的[23]。太平洋七鰓鰻(Lampetra japonicum),已被證明其耐力是其能否成功上溯的一個(gè)重要影響因素[24]。本研究對齊口裂腹魚在上溯過程中的“沖刺-滑行”行為對水動(dòng)力學(xué)條件的響應(yīng)進(jìn)行分析,為魚道的設(shè)計(jì)提供支持。太平洋七鰓鰻已被證明上溯時(shí)優(yōu)先選擇低速通道[25];鱒通過涵洞時(shí),低流速區(qū)的設(shè)計(jì)成為其能否成功通過涵洞的一個(gè)關(guān)鍵因素[26],本研究中成功上溯的試驗(yàn)工況里,較少出現(xiàn)選擇在高流速區(qū)域進(jìn)行上溯的情況,而多偏向于對于中低速流場的選擇。因此魚道設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮低流速區(qū)的塑造。在自然界中,大多數(shù)魚類是通過尾鰭擺動(dòng)對周圍流體產(chǎn)生推力,從而獲得流體的反作用力前進(jìn)。魚通過持續(xù)的擺尾,來保持身體的平衡,也能通過擺尾產(chǎn)生向前進(jìn)的推力,提供動(dòng)力來源?！皼_刺-滑行”游泳需要通過大的擺幅,才能獲得更多的能量,產(chǎn)生大的推力,使魚能順利地向前游[27]。研究其沖刺階段的擺尾行為,對研究其上溯過程中的耗能情況具有重要意義。本研究表明,齊口裂腹魚上溯過程中擺尾位置多為具有明顯流速梯度的地方,這應(yīng)該與其需要通過擺尾來獲得更大的動(dòng)力來越過流速障礙有關(guān)。

夏丹等[28]提出隨著魚擺尾頻率和擺尾角度的增大,其游動(dòng)速度、功率和效率均有所提高,但速度功率的比值有所降低。選擇較小的擺尾頻率和擺尾角度有利于減小功率,提高速度功率比,游動(dòng)同樣的距離,能量消耗也會(huì)明顯降低[28]。該結(jié)論從一定程度上解釋了本研究得到的隨著流速增大,齊口裂腹魚選擇減小擺尾角度這一結(jié)果。Thandiackal等[29]提出魚體總機(jī)械能的10%—20%是由水體對魚體做的負(fù)功,且主要集中在魚體前、中部區(qū)域,而不是尾部。由此推測水體對魚體尾部做功應(yīng)多為具有促進(jìn)作用的正功。本研究得到齊口裂腹魚在前進(jìn)過程中偏好擺尾角度“弱強(qiáng)弱”的變化模式,可能是在水體做正功為主,負(fù)功為輔的情況下,通過盡可能地減小擺尾角度來更好地運(yùn)用與節(jié)省能量。

建立魚類游泳運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系有助于建立魚類生物學(xué)仿真模型,為傳統(tǒng)過魚設(shè)施設(shè)計(jì)提供依據(jù)[30]。本研究引入的滑行流速系數(shù),可類比于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。若已知流速,則可以反推出對應(yīng)的擺尾推進(jìn)效率的范圍。若進(jìn)一步得知擺尾角度,則可以推得該次擺尾后滑動(dòng)距離的范圍。在此基礎(chǔ)上,可結(jié)合本研究中得出的另一個(gè)結(jié)果,即齊口裂腹魚上溯過程中滑行方向與水流負(fù)方向夾角的偏好范圍綜合分析,即在已知擺尾角度和流場條件的情況下,可以為齊口裂腹魚上溯軌跡的預(yù)測提供一定的研究思路與理論依據(jù)。

4 結(jié)論

本研究運(yùn)用具有流速梯度的水槽創(chuàng)造非均勻流場條件,運(yùn)用圖像識別技術(shù),量化計(jì)算其上溯全過程的游泳動(dòng)力學(xué)指標(biāo)。構(gòu)建了新的指標(biāo)體系,引入滑行流速系數(shù)、擺尾模式等。在此基礎(chǔ)上做了新的量化分析,實(shí)現(xiàn)生態(tài)學(xué)與水動(dòng)力學(xué)的耦合,進(jìn)而得到“沖刺-滑行”行為對水動(dòng)力學(xué)條件的響應(yīng)規(guī)律。本研究表明,齊口裂腹魚上溯過程中喜好在具有流速梯度處通過改變擺尾角度、擺尾頻率等來適應(yīng)非均勻流場。在本試驗(yàn)條件下,其喜好擺尾角度為25°—35°,喜好擺尾頻率為2.5—3.5次/s,偏好流速為0.20—0.40 m/s。隨著水流速度的增大,擺尾角度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢,且齊口裂腹魚偏好在流速由大變小的區(qū)域,進(jìn)行擺尾沖刺加速,更趨向于擺尾角度變化為“弱強(qiáng)弱”的擺尾模式?；须A段引入滑行流速系數(shù),量化表示擺尾角度、滑行距離和流速三者間的耦合關(guān)系,通過計(jì)算滑行距離對水流負(fù)方向上位移的貢獻(xiàn)率,得到滑行方向與水流負(fù)方向夾角。研究表明,滑行流速系數(shù)的數(shù)值為1.0—3.0時(shí)具有代表性,齊口裂腹魚對滑行方向與水流負(fù)方向夾角的偏好為40°—60°。本文利用多指標(biāo)量化評價(jià)的方法,以復(fù)雜流場為背景條件,進(jìn)一步滿足過魚設(shè)施建設(shè)需求。

在今后的研究中,在控制魚體本身的特性、環(huán)境因子和能量代謝等因素基本一致的情況下,可進(jìn)一步細(xì)化分析其上溯過程。運(yùn)用滑行流速系數(shù)的概念,結(jié)合滑行方向與水流負(fù)方向夾角偏好等理論依據(jù),建立魚類上溯軌跡預(yù)測模型,并利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。本研究僅選擇了上溯過程中的游泳動(dòng)力學(xué)指標(biāo)作為切入點(diǎn),之后的研究還可以結(jié)合游動(dòng)擺尾時(shí)速度和游泳加速度等,對其上溯過程的游泳策略進(jìn)行更加詳細(xì)的補(bǔ)充。