岷江犍為航電樞紐工程魚類游泳能力試驗研究

摘要：魚類游泳能力包括趨流特性和克流能力，是決定魚類能否成功洄游的關(guān)鍵指標(biāo)，對仿生態(tài)魚道設(shè)計和優(yōu)化具有重要意義。以岷江犍為航電樞紐工程為研究對象，通過物理模型試驗和魚類生態(tài)學(xué)試驗，測定主要過魚種類（長鰭吻鮈、長薄鰍、鰱魚、草魚、南方大口鯰、巖原鯉、中華倒刺鲃、瓦氏黃顙、圓口銅魚）的感應(yīng)流速、臨界游速、持續(xù)游泳時間和突進(jìn)游速等指標(biāo)；基于試驗結(jié)果，提出過魚孔流速、過魚孔尺寸、休息池、進(jìn)口流速等設(shè)計參數(shù)的建議值。研究結(jié)果表明：①過魚種類的感應(yīng)流速為0.01～0.26 m/s，各魚種對水流敏感。②過魚種類的臨界游速為0.43～1.04 m/s，鰱魚、草魚、中華倒刺鲃、長鰭吻鮈、長薄鰍、圓口銅魚、巖原鯉、瓦氏黃顙和南方大口鯰的臨界游速呈遞減趨勢。③過魚種類的持續(xù)游泳時間為1 320～4 920 s，巖原鯉、中華倒刺鲃、鰱魚的持續(xù)游泳時間較長，而長鰭吻鮈和瓦氏黃顙的持續(xù)游泳時間較短。④過魚種類的突進(jìn)游速為0.84～1.50 m/s，長薄鰍的突進(jìn)游速最大，南方大口鯰的突進(jìn)游速最小。⑤基于試驗結(jié)果提出如下過魚設(shè)施設(shè)計參數(shù)：過魚孔最大流速為1.20 m/s；豎縫寬度和高度均應(yīng)不小于0.60 m；魚道平均流速定為0.60 m/s，至少600 m范圍內(nèi)設(shè)置1個休息池；魚道進(jìn)口流速范圍為0.60～0.85 m/s，在進(jìn)口通過可調(diào)節(jié)裝置以及相應(yīng)的補水系統(tǒng)對進(jìn)口流速進(jìn)行調(diào)節(jié)，或設(shè)置不同進(jìn)口流速，即高流速進(jìn)口0.80～1.10 m/s，低流速進(jìn)口0.60～0.80 m/s。

關(guān) 鍵 詞：魚類游泳能力；感應(yīng)流速；臨界游速；持續(xù)游泳時間；突進(jìn)游速；過魚設(shè)施；犍為航電樞紐工程；岷江

中圖法分類號：TV61；S956.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.040

0 引言

岷江犍為航電樞紐工程為岷江下游河段（樂山—宜賓）規(guī)劃的第3個梯級，壩址位于犍為大橋上游約1.45 km處，距上游大渡河與岷江匯合河口約50 km。其上、下游分別與東風(fēng)巖梯級和龍溪口梯級銜接，工程規(guī)模為Ⅱ等大（2）型，總庫容約2.270 6億m³，正常蓄水水位335.00 m，死水位334.00 m，調(diào)節(jié)庫容（日調(diào)節(jié)）0.157 5億m³，電站總裝機容量為500 MW^［1］。隨著航電樞紐工程的蓬勃發(fā)展，魚類原有的洄游通道將被物理阻隔，威脅魚類的自然繁殖和生態(tài)平衡^［2］。為滿足魚類洄游繁殖的需求，航電樞紐工程需設(shè)置過魚設(shè)施，以緩解工程建設(shè)對魚類縱向連通洄游的阻斷效應(yīng)^［3-4］。魚類游泳能力直接影響過魚設(shè)施的設(shè)計參數(shù)，決定過魚設(shè)施是否可以發(fā)揮實際效用^［5］。

前人關(guān)于魚類游泳能力與過魚設(shè)施設(shè)計參數(shù)的關(guān)系研究較少。周小波等^［6］以藏木水電站魚道設(shè)計為例，研究了過魚對象生態(tài)習(xí)性對魚道類型、魚道進(jìn)口及補水、魚道底坡與池室、休息池、魚道出口等設(shè)計參數(shù)的影響；李志敏等^［7］以厚唇裂腹魚為試驗對象，測定其臨界游泳速度、感應(yīng)流速和爆發(fā)游泳速度，建議魚道水流流速大于0.3 m/s，入口及豎縫流速大于1.2 m/s，休息池主流流速大于0.3 m/s；丁少波等^［8］以大渡河6種典型魚類為研究對象，發(fā)現(xiàn)魚道進(jìn)口誘魚水流流速應(yīng)處于突進(jìn)游泳速度和臨界游泳速度之間，以便魚類順利進(jìn)入過魚設(shè)施；劉瀚文等^［9］研究了玉曲河流域裂腹魚類的游泳能力，建議魚道入口及豎縫處流速為1.05～1.40 m/s，過魚設(shè)施內(nèi)部整體平均流速設(shè)計為0.24～1.05 m/s，休息池主流流速為0.18～1.05 m/s。已有的研究大部分針對單一魚種游泳能力對過魚設(shè)施設(shè)計的影響，關(guān)于全種類洄游繁殖魚種與過魚設(shè)施設(shè)計參數(shù)的選取研究較少。因此，本文測定主要過魚種類（長鰭吻鮈、長薄鰍、鰱魚、草魚、南方大口鯰、巖原鯉、中華倒刺鲃、瓦氏黃顙、圓口銅魚）的感應(yīng)流速、臨界游速、持續(xù)游泳時間和突進(jìn)游速等指標(biāo)，總結(jié)過魚種類游泳能力對過魚設(shè)施設(shè)計的影響規(guī)律。研究成果可為岷江流域航電樞紐工程的過魚設(shè)施設(shè)計提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗魚來源

對犍為航電樞紐工程流域范圍內(nèi)的魚類進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，采集到魚類108種，分屬5目16科73屬。其中鯉形目56屬80種，占種數(shù)的74.1%；鲇形目9屬18種，占種數(shù)的16.7%；鱸形目6屬8種，占種數(shù)的7.4%；其余鳉形目、合鰓魚目各為1屬1種。科一級水平上，列前3位的依次是：鯉科43屬60種，占55.6%；鰍科8屬14種，占13.0%；鲿科4屬9種占8.3%。該項目流域范圍內(nèi)魚類構(gòu)成詳見表1。

根據(jù)《岷江犍為航電工程水生態(tài)環(huán)境影響評價報告》，該項目的主要過魚種類為長鰭吻鮈、長薄鰍、鰱魚、草魚、南方大口鯰、巖原鯉、中華倒刺鲃、瓦氏黃顙、圓口銅魚，過魚季節(jié)集中在3～9月^［10］。該項目試驗的魚種來自于犍為縣城岷江上、下游江段沿江漁民的捕撈漁獲物，試驗魚數(shù)量考慮一定的損耗率。試驗魚先裝袋充氧，然后運輸至實驗室。

1.2 試驗魚運輸和存放

試驗魚通過專用魚類運輸車輛轉(zhuǎn)運至實驗室的養(yǎng)魚池中，使用魚缸氧泵持續(xù)加氧，確保試驗魚的成活率。為降低試驗魚應(yīng)激反應(yīng)對試驗數(shù)據(jù)的影響，試驗應(yīng)在試驗魚暫養(yǎng)24 h后方可開展。試驗過程中需要對試驗魚進(jìn)行轉(zhuǎn)運時，使用對魚損傷較小的細(xì)網(wǎng)和帶水的水盆進(jìn)行魚類轉(zhuǎn)運，以減少對試驗魚的影響。試驗魚的形態(tài)學(xué)特征詳見表2。

1.3 試驗裝置

試驗裝置為丹麥Loligo System公司生產(chǎn)的SW10200型環(huán)形封閉式試驗水槽，見圖1。試驗前的流速測定采用旋槳流速儀和ADV標(biāo)定，水溫讀取使用曙光玻璃水溫計，測試期間的溶氧采用HACH 30D溶解氧儀測定。

1.4 魚類游泳能力測試和方法

測試的指標(biāo)包括感應(yīng)流速、臨界游速、持續(xù)游泳時間和突進(jìn)游速。

（1）感應(yīng)流速。采用“遞增流速法”測定感應(yīng)流速。將暫養(yǎng)24 h后的試驗魚，按照頭部指向測試水槽順流方向放置于游泳能力測試水槽中，適應(yīng)1 h后逐步調(diào)大測試段中的流速，每隔5 s，流速升高2 cm/s。同時觀察試驗魚的游泳行為，直至試驗魚掉轉(zhuǎn)方向逆流游動，此時的流速作為試驗魚的感應(yīng)流速^［11］。

（2）臨界游速。臨界游速采用“遞增流速法”測定。試驗前，將單尾試驗魚放入測試段中，在低流速（0.1 cm/s左右）下適應(yīng)1 h，以消除轉(zhuǎn)移過程對魚體的脅迫效應(yīng)。測試開始后，先將流速調(diào)至60%的預(yù)估臨界游泳速度，之后逐步調(diào)大測試段中的流速，時間間隔為15 min，流速步長為15%的預(yù)估臨界游泳速度。同時觀察試驗魚的游泳行為，直至試驗魚疲勞無法繼續(xù)游動，結(jié)束試驗，記錄游泳時間。測試完成后，記錄試驗魚的體長、全長、體重、損傷狀況、水槽水溫和溶氧等數(shù)值^［12］。

臨界游速計算公式為^［13］

U_crit=V_p+t_f/t_i×V_i

式中：U_crit為臨界游速，cm/s；V_i為單位時間內(nèi)流速增加量大小，cm/s；V_p為魚極限疲勞的前一個水流速度，cm/s；t_f為上次增速到達(dá)極限疲勞的時間，min；t_i為兩次增速的時間間隔，min。

（3）持續(xù)游泳時間。持續(xù)游泳時間采用“固定流速法”測定。首先，將暫養(yǎng)24 h后的試驗魚放置于游泳能力測試水槽中，在小于0.1 m/s的流速中適應(yīng)1 h，然后每10 s增加0.1 U_crit逐漸調(diào)大測試段中的流速，達(dá)到預(yù)先設(shè)定的流速值（U_crit），觀察魚的游泳行為，直至試驗魚疲勞無法繼續(xù)游動或持續(xù)游動時間達(dá)到200 min，結(jié)束試驗，記錄游泳時間^［14］。

（4）突進(jìn)游速。突進(jìn)游速采用“遞增流速法”測定。類似于臨界游速的測試方法；不同之處在于將流速提升時間間隔Δt更改為20 s，魚體疲勞時的速度即為突進(jìn)游泳速度，其計算公式與臨界游速一致^［15］。

1.5 試驗環(huán)境

試驗用水為無污染的山泉水，試驗過程中持續(xù)曝氣，試驗用水的溶氧量達(dá)到飽和溶氧量（85%～100%）；試驗期間的溫度范圍為19～32℃，與實驗期間岷江水溫一致；試驗時間為2024年5月6日至7月30日。為避免日照溫差對試驗產(chǎn)生的影響，試驗地點選擇在重慶市南方大口鯰原種場。

1.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Office Excel 2013軟件，方差分析采用IBM SPSS Statistics 19.0軟件，繪圖采用Microsoft Office Excel 2013軟件；文中試驗數(shù)據(jù)均為重復(fù)處理組的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 感應(yīng)流速

本次試驗測定的感應(yīng)流速結(jié)果見表3。由表3可知，各種魚類的感應(yīng)流速處于0.01～0.26 m/s，中值感應(yīng)流速分布在0.02～0.21 m/s之間；該項目涉及的9類魚的感應(yīng)流速大小為：長鰭吻鮈gt;長薄鰍gt;鰱魚gt;草魚gt;圓口銅魚gt;南方大口鯰gt;瓦氏黃顙gt;中華倒刺鲃gt;巖原鯉。以95％置信水平評估各種魚類平均感應(yīng)流速的置信區(qū)間，詳見圖2。由圖2可知，各魚種對水流均敏感。

2.2 臨界游速

臨界游速主要用于魚類持續(xù)游泳時間測試的流速值選取，也用于觀測魚類穩(wěn)定式游動和加速-滑行式游動的速度范圍^［16-17］。本次試驗測定的臨界游速結(jié)果見表4。由表4可知，鰱魚的臨界游泳速度最大，中值為1.04 m/s；其余8類試驗魚的臨界游速大小為草魚、中華倒刺鲃＞長鰭吻鮈＞長薄鰍＞圓口銅魚＞巖原鯉＞瓦氏黃顙＞南方大口鯰。魚類的臨界游速與體型和生活習(xí)性存在緊密關(guān)聯(lián)。

2.3 持續(xù)游泳時間

本次試驗測定的持續(xù)游泳時間結(jié)果見表5。由表5可知，各種魚類的持續(xù)游泳時間為1 320～4 920 s，巖原鯉、中華倒刺鲃、鰱魚的持續(xù)游泳時間較長，而長鰭吻鮈和瓦氏黃顙的持續(xù)游泳時間較短。9種試驗魚類的持續(xù)游泳時間長短為：中華倒刺鲃gt;鰱魚gt;巖原鯉gt;圓口銅魚gt;草魚gt;南方大口鯰gt;長薄鰍gt;長鰭吻鮈gt;瓦氏黃顙。

2.4 突進(jìn)游速

本次試驗測定的突進(jìn)游速結(jié)果見表6。由表6可知，各種魚類的突進(jìn)游速為0.84～1.50 m/s，長薄鰍的突進(jìn)游速最大，南方大口鯰的突進(jìn)游速最小；長薄鰍、長鰭吻鮈、中華倒刺鲃、草魚、巖原鯉、鰱魚、瓦氏黃顙、圓口銅魚和南方大口鯰的突進(jìn)游速呈遞減趨勢。由圖3可知，長薄鰍魚和長鰭吻鮈的突進(jìn)游泳速度顯著大于其余7種試驗魚，草魚和鰱魚的突進(jìn)泳速基本無差別。

2.5 魚類游泳能力指標(biāo)在過魚設(shè)施設(shè)計中的應(yīng)用

（1）過魚孔流速。在魚道中，魚類一般高速通過過魚孔口或豎縫，通過時間一般為5～20 s；魚類通過后在緩流區(qū)或回水區(qū)休息。為保證不同過魚對象的過壩需求，運用半數(shù)忍耐度（TLm）統(tǒng)計方法（即如果有50%的測試魚類能夠克服突進(jìn)速度的流速值，并在特定的時間內(nèi)能夠成活，則稱為半數(shù)忍耐度）和盡量兼顧游泳能力較弱的魚類原則，建議該項目的魚道過魚孔最大流速為1.20 m/s。

（2）過魚孔尺寸。根據(jù)魚道主要過魚對象的形態(tài)學(xué)特征，該項目魚道通過魚類最大體長約1.2 m。根據(jù)魚道設(shè)計要求，過魚孔口的高度和寬度不應(yīng)小于過魚最大體長的1/2。因此，該項目魚道的豎縫寬度和高度均應(yīng)不小于0.60 m。

（3）休息池。該項目的過魚種類中，通過魚道過魚孔的能力無顯著差異，但持續(xù)游泳能力差異較大。由于魚道長度較長，為確保魚類順利通過魚道且不疲勞，魚道平均流速建議定為0.60 m/s，至少600 m范圍內(nèi)設(shè)置1個休息池，供魚類恢復(fù)體力。

（4）進(jìn)口流速設(shè)計。由圖2可知，該項目的全部過魚種類半數(shù)以上可感知到大于0.12 m/s的流速。通過高流速誘導(dǎo)魚類到魚道進(jìn)口處，誘導(dǎo)流速應(yīng)遠(yuǎn)小于突進(jìn)游速。建議進(jìn)口流速在魚類耐受范圍內(nèi)可盡量提高，以增加影響水域范圍，使得魚類易于發(fā)現(xiàn)。因此，建議魚道進(jìn)口流速范圍為0.60～0.85 m/s；考慮游泳能力較弱的魚類，進(jìn)口通過可調(diào)節(jié)裝置以及相應(yīng)的補水系統(tǒng)，對進(jìn)口流速進(jìn)行調(diào)節(jié)，或設(shè)置不同進(jìn)口流速，高流速進(jìn)口流速0.80～1.10 m/s，低流速進(jìn)口0.60～0.80 m/s，以在最大程度上吸引不同種類的魚類進(jìn)入。

3 結(jié)論

本文以岷江犍為航電樞紐工程的長鰭吻鮈、長薄鰍、鰱魚、草魚、南方大口鯰、巖原鯉、中華倒刺鲃、瓦氏黃顙、圓口銅魚9類主要過魚種類為研究對象，采用物理模型試驗和魚類生態(tài)學(xué)試驗，分別測定各魚種的感應(yīng)流速、臨界游速、持續(xù)游泳時間和突進(jìn)游速，探明各魚種的差異，為該項目魚道的過魚孔流速、過魚孔尺寸、休息池、進(jìn)口流速等設(shè)計參數(shù)提出以下建議值：過魚孔最大流速為1.20 m/s；豎縫寬度和高度均應(yīng)不小于0.60 m；魚道平均流速定為0.60 m/s，至少600 m范圍內(nèi)設(shè)置1個休息池；魚道進(jìn)口流速范圍為0.60～0.85 m/s，進(jìn)口通過可調(diào)節(jié)裝置以及相應(yīng)的補水系統(tǒng)，對進(jìn)口流速進(jìn)行調(diào)節(jié)，或設(shè)置不同進(jìn)口流速，即高流速進(jìn)口流速0.80～1.10 m/s，低流速進(jìn)口0.60～0.80 m/s。本文的研究成果基于室內(nèi)模擬試驗，試驗條件和魚類的生存狀態(tài)與自然環(huán)境存在一定的差異，且試驗魚類的樣本數(shù)量有限，今后應(yīng)加強室外河道的模擬試驗和魚道建成后的過魚效果監(jiān)控。

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（編輯：黃文晉）