松花江鯽魚游泳能力的研究

李樹航，韓 雷，王正君，王 璐，蘇國青，狄高健

(1.黑龍江大學 水利電力學院,黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省水利科學研究院,黑龍江 哈爾濱 150080)

為了調節水資源分布不均，水利工作者在河流中修建了許多大壩和堤堰來控制水流。但大壩建成后，魚類無法從下游通過大壩回到上游，魚類也無法進行覓食、產卵，最后可能導致某些具有洄游習性的魚類的消失，造成河流生態系統的失衡，破壞河流生態環境。為保護魚類和恢復河流生態系統，許多國家在建成的水工建筑物上修建可以過魚的通道。魚道作為一種生物補償工程[1]，可以為魚類洄游提供人工通道，有利于河流生態系統的恢復。

我國在過魚建筑物的建設和研究方面起步較晚，傳統魚道更多是從水工建筑物的水力特性開展研究，基本沒有考慮到洄游魚類是否能夠順利地通過魚道。但實踐證明，由于魚類對水流天然的趨避性，如果沒有對洄游魚類的游泳能力進行研究直接設計魚道，魚道的過魚效果難以達到理想的目標[2-4]。因此要研究和建設魚道，必須要考慮到目標魚類的游泳能力。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用鯽魚選取于哈爾濱某魚場，采集時間為2020年6月上旬。試驗魚體長度為19～27 cm。將試驗魚放在矩形水池中暫養兩周后開始試驗，期間每隔3天換一次水，水溫變化范圍在 24 ℃±1 ℃。對試驗魚進行感應流速的試驗時，由于不產生疲勞效應，可以進行其他試驗。在測定試驗魚的臨界游泳速度和突進游泳速度時，不可以連續測量，需在暫養池中恢復24 h后才可繼續試驗。試驗過程中，將試驗魚從養魚池和試驗裝置之間來回轉移時應注意對試驗魚的保護，通過使用細網和水盆等對魚損傷較小的轉移工具，來減少轉運過程中對試驗魚的影響。

1.2 試驗裝置

試驗裝置是一個循環水槽，除試驗區外其他地方都密封，如圖1所示。水槽截面為56 cm×100 cm。試驗觀察區長度100 cm，左右兩側都配有鐵絲網，防止試驗魚游出觀察區。試驗裝置的右上方配有一臺電機，啟動電機，電機再帶動螺旋槳產生循環水流，通過變頻器來控制電機的轉速，進而調節水流的流速。水流通過試驗觀察區前端的管簇穩流裝置后，可在試驗觀察區內獲得均勻、穩定的流場，便于觀察記錄數據。試驗前用流速儀在試驗區對水流流速進行標定，得到變頻電機的頻率與水流流速的關系曲線，如圖2所示。

圖1 魚類游泳能力試驗裝置

圖2 頻率～流速關系圖

1.3 感應流速測定

用10尾魚進行感應流速試驗。試驗開始前，將養在水池中2周后的鯽魚轉移到試驗裝置中的試驗區內，在靜水中適應1 h來消除轉移對魚類所造成的影響。在魚類適應新環境后正式開始試驗，以微調的方式，每隔5 s逐步增大頻率來調節水流速度，同時觀察試驗魚的游動方向，當試驗魚開始從不規則的四處游動開始逆著水流游動時，記錄此時的流速，作為試驗魚的感應流速，同時記錄此時試驗魚的體長與體重。

1.4 臨界游泳速度測定

臨界游泳速度也稱為最大可持續游泳速度，是魚類最大的有氧游速，通常用來評價魚類有氧運動能力指標[5]。

試驗水溫為24 ℃±1 ℃，試驗魚共22尾，其中2尾用做預試驗，正式試驗20尾。

本試驗測臨界游泳速度采用“流速遞增法”測定，該方法高效、準確率高，應用最為廣泛。雷青松[6],王永猛[7],李志敏[8],李會鋒[9]等，都是通過“流速遞增法”來測定臨界游泳速度。首先進行2次預試驗，對試驗魚的臨界游泳速度進行預估，每次只取1尾魚進行試驗。試驗前將試驗魚在1 BL/s(BL為試驗魚體長)的水流流速下適應1 h，之后每隔2 min使水流速度增加0.4 BL/s，直至試驗魚疲勞為止(疲勞標準：當試驗魚游不動被水流沖至鋼絲網上無法游動的時間超出20 s[10])。兩次試驗結束后得到的水流速度取平均值來作為預估臨界游泳速度。

正式試驗時，每隔5 min增加0.5 BL/s的水流速度，直至達到60%的預估臨界游泳速度之后，將間隔時間延長到20 min增加一次水流速度，每次增加15%的預估臨界游泳速度，直至試驗魚疲勞為止。

臨界游泳速度計算公式如式(1)[10]：

(1)

式中：Ucrit為臨界游泳速度，cm/s；U為試驗魚疲勞時對應的最大水流速度，cm/s；ΔU為流速增量(增速為15%的臨界游泳速度粗略值)，cm/s；t為該時段魚疲勞時所用的時間，min；Δt為時間間隔,取20 min。

相對臨界游泳速度指魚類個體的臨界游泳速度，用魚類體長來表征,其計算公式如式(2)[10]:

(2)

1.5 突進游泳速度測定

該部分操作方法與臨界游泳速度的測定方法基本相同，進行2次預試驗，每20 s使水流速度增加0.4 BL/s，直至試驗魚疲勞為止。正式試驗時，使水流速度快速調到預估突進游泳速度的60%，之后每隔20 s使水流速度增加15%的預估突進游泳速度，直至試驗魚疲勞為止。

突進游泳速度計算公式如式(3)[11]：

(3)

式中：Uburst為突進游泳速度，cm/s；Δt為時間間隔，取20 s。

相對突進游泳速度計算公式如式(4)[11]：

(4)

2 結果與分析

2.1 感應流速

本試驗測得鯽魚體長19～27 cm的感應流速為0.066 m/s±0.020 m/s。在設計魚道時，要確保主流區流速大于感應流速，以便能使魚類感應到水流來確定洄游方向。

2.2 臨界游泳速度

如圖3所示,正在進行鯽魚臨界游泳速度試驗。測得4種體長范圍的鯽魚臨界游泳速度為118.69 cm/s±2.36 cm/s、124.61 cm/s±1.48 cm/s、130.53 cm/s±2.96 cm/s、137.34 cm/s±2.07 cm/s。對應的相對臨界游泳速度為5.91 BL/s±0.09 BL/s、5.69 BL/s±0.06 BL/s、5.47 BL/s±0.11 BL/s、5.22 BL/s±0.08 BL/s,如表1所示。

由圖4可知，隨著試驗魚體長的增加，臨界游泳速度也線性增加。分析可得到試驗魚體長與臨界游泳速度的關系式如式(5):

Ucrit=2.9606BL+59.474

(5)

圖3 鯽魚臨界游泳速度試驗

表1 鯽魚的臨界游泳速度

圖4 臨界游泳速度與體長的關系

相對臨界游泳速度隨著試驗魚體長的增加而逐漸減小，如圖5所示。得到試驗魚體長與相對臨界游泳速度的關系式如式(6):

(6)

圖5 相對臨界游泳速度與試驗魚體長的關系

2.3 突進游泳速度

圖6為鯽魚突進游泳速度試驗。測得4種體長范圍的鯽魚的絕對突進游泳速度為142.74 cm/s±1.76 cm/s、147.15 cm/s±1.10 cm/s、151.55 cm/s±2.20 cm/s、156.61 cm/s±1.54 cm/s。對應相對突進游泳速度為7.15 BL/s±0.16 BL/s、6.75 BL/s±0.10 BL/s、6.34 BL/s±0.20 BL/s、5.87 BL/s±0.14 BL/s，如表2所示。通過試驗數據分析可知，鯽魚的突進游泳速度隨著試驗魚體長的增加而線性增加，如圖7所示。得到試驗魚體長與突進游泳速度的關系式如式(7)：

Uburst=2.2012BL+98.719

(7)

如圖8所示，相對突進游泳速度隨著試驗魚體長的增加而逐漸減小，得到試驗魚體長與相對突進游泳速度的關系式如式(8)：

(8)

圖6 鯽魚突進游泳速度試驗

表2 鯽魚的突進游泳速度

圖7 突進游泳速度與體長的關系

圖8 相對突進游泳速度與體長的關系

3 結 論

魚的游泳能力與魚道的設計密切相關，將直接影響目標魚類是否能夠順利洄游，從而判斷此魚道的設計能否可行。因此，在設計魚道時魚道結構型式的選擇、魚道內各種參數的確定、休息池設置方式，以及設計流速的確定等，都需要參考過魚對象的游泳能力，在此基礎上才能進行設計。本試驗在水溫24 ℃±1 ℃條件下，利用魚類游泳試驗裝置，開展了體長為19～27 cm的松花江鯽魚的感應流速、臨界游泳速度、突進游泳速度的試驗研究，得到松花江鯽魚的游泳能力，為魚道設計提供了重要的參考依據，對保護魚類以及生態環境具有重要的意義。

(1) 感應流速試驗

測得體長為19～27 cm的試驗魚，感應流速為0.066 m/s±0.020 m/s。

(2)臨界游泳速度試驗

(3)突進游泳速度試驗