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生死時(shí)速:看魚(yú)類如何在不同流速區(qū)中求生?

更新時(shí)間:2026-01-14點(diǎn)擊次數(shù):214

一群野生的褐鱒被放入水流平緩的入口區(qū)域。它們順著水流游向水道深處,但前方等待它們的是逐步攀升的流速。當(dāng)水流速度超過(guò)魚(yú)類理論沖刺速度時(shí),它們會(huì)作何反應(yīng)?這項(xiàng)研究關(guān)乎如何保護(hù)穿越水力發(fā)電站水輪機(jī)和水泵站的魚(yú)類,降低它們?cè)凇爸旅ǖ?中的死亡率。

 

過(guò)去的研究表明,空間速度梯度(SVG)會(huì)影響下游遷移魚(yú)類的行為。盡管魚(yú)類似乎會(huì)不可避免地向下游漂流,但它們?cè)谒啓C(jī)和水泵入口處的行為尚不清楚。當(dāng)魚(yú)類漂流入水流速度超過(guò)其ZD沖刺游泳速度的區(qū)域時(shí),會(huì)如何反應(yīng)?

 

材料與方法

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并建造一個(gè)特殊的水道實(shí)驗(yàn)室,能模擬出水輪機(jī)進(jìn)水口那種“溫和誘導(dǎo)、陡然加速、持續(xù)高速"的典型水力條件。

 

整個(gè)水道被設(shè)計(jì)成包含四個(gè)水力特征區(qū)域:

臨近區(qū): 流速低于測(cè)試魚(yú)的沖刺速度,SVG低于行為反應(yīng)閾值(<0.2(m/s)/m)。這是魚(yú)類初始放置和適應(yīng)區(qū)域。

SVG區(qū):流速仍低于沖刺速度,但SVG已超過(guò)行為反應(yīng)閾值(>0.2(m/s)/m)。水流開(kāi)始明顯加速。

混合區(qū):流速和SVG雙雙超過(guò)閾值。這是最嚴(yán)苛的區(qū)域,魚(yú)類同時(shí)面臨高速和強(qiáng)加速的雙重挑戰(zhàn)。

高速區(qū):流速高于沖刺速度,但SVG再次低于閾值。魚(yú)類需在持續(xù)高速流中維持或調(diào)整狀態(tài)。

建設(shè)完成的水道全長(zhǎng)30米,ZD寬處2米。核心的觀測(cè)區(qū)域是一段封閉的隧道,高度固定為0.4米,寬度從2米逐漸收窄至0.45米(見(jiàn)圖1)。透明墻壁和紅外背光照明系統(tǒng),是實(shí)現(xiàn)非侵入式三維視頻追蹤的關(guān)鍵。為了在黑暗條件下也能清晰記錄魚(yú)類行為,研究團(tuán)隊(duì)部署了一套精密的追蹤系統(tǒng)。觀測(cè)區(qū)域安裝了八臺(tái)攝像機(jī),四臺(tái)在上方,四臺(tái)在側(cè)面。記錄軟件使用諾達(dá)思的多視頻錄制軟件(Media Recorder),追蹤分析則使用動(dòng)物運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤系統(tǒng)(EthoVision XT)。最終,研究者從日光實(shí)驗(yàn)的107條魚(yú)和黑暗實(shí)驗(yàn)的54條魚(yú)中,獲得了有效位置數(shù)據(jù)。

每次實(shí)驗(yàn)僅放入一條魚(yú)。它會(huì)從一個(gè)低流速的入口點(diǎn)(如圖1區(qū)域2)自主進(jìn)入觀測(cè)水道。實(shí)驗(yàn)要么在魚(yú)類向下游穿過(guò)第3段和第4段進(jìn)入第5段結(jié)束,要么在下游通道不完整的情況下經(jīng)過(guò)45分鐘后終止。

圖1. RETERO管道的等距視圖,顯示了其空間劃分和截面
 

結(jié)果

通過(guò)分析魚(yú)類的運(yùn)動(dòng)速度,識(shí)別出五種不同的運(yùn)動(dòng)模式,包括向下游主動(dòng)運(yùn)動(dòng)、被動(dòng)漂流主動(dòng)漂流、靜止、向上游主動(dòng)運(yùn)動(dòng)(如表1),其特征主要根據(jù)趨流性(RN =負(fù)趨流性;RP =正趨流性)、流速(uflow)、相對(duì)速度(urel)和觀察到的速度(uabs)的組合。

表1. 實(shí)驗(yàn)中魚(yú)類的五種運(yùn)動(dòng)模式特征

實(shí)驗(yàn)管道的設(shè)計(jì)為褐鱒在不同水力區(qū)域的表現(xiàn)提供了詳細(xì)的數(shù)據(jù)。圖2展示了一個(gè)日光實(shí)驗(yàn)中魚(yú)類通道的示例,其中顯示了水力參數(shù)和游泳速度,以及從平面圖顯示的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)模式。在整個(gè)游泳路徑中,魚(yú)類都呈現(xiàn)出正趨流性。在短暫的靜止模式后,它開(kāi)始主動(dòng)向下游漂移,并在某個(gè)時(shí)刻保持靜止,然后開(kāi)始向上游移動(dòng),這表明一種逃逸反應(yīng)。此后,它再次開(kāi)始向下游漂移,中間又穿插了一次短暫的靜止。

 

實(shí)驗(yàn)中所有褐鱒的數(shù)據(jù)表明,所有五種運(yùn)動(dòng)模式都發(fā)生在實(shí)驗(yàn)水道中(圖3)。每種模式的比例在四個(gè)水力區(qū)域之間有所不同,其中主動(dòng)漂流模式占主導(dǎo)地位。主動(dòng)向下游和被動(dòng)漂流模式很少見(jiàn)。此外,只有少數(shù)動(dòng)物建立了暫時(shí)性的高游泳速度,足以保持靜止或主動(dòng)向上游游泳。后者主要發(fā)生在接近區(qū)和SVG區(qū),但在高速區(qū)未觀察到。在該區(qū)域,流速超過(guò)了魚(yú)的理論沖刺速度。

 

這符合理論預(yù)期:當(dāng)水流速度超過(guò)魚(yú)類的沖刺速度時(shí),逆流而上在物理上已變得不可能。這突顯了水輪機(jī)進(jìn)水口一旦超過(guò)某個(gè)流速閾值,對(duì)魚(yú)類而言就成為了“單向死亡陷阱"。

圖2. 一條魚(yú)在白天的游動(dòng)過(guò)程。頂部:魚(yú)的2D游泳路徑上的運(yùn)動(dòng)模式,以彩色線條和水道的 SVGx(俯視圖)表示;底部:流速uflow(紫色),SVG(綠色)和通過(guò)urel獲得的游泳模式
圖3. 在實(shí)驗(yàn)水道的四個(gè)區(qū)域中,所有魚(yú)類在白天的五種運(yùn)動(dòng)模式分布
 

總結(jié)

本文的研究提供了對(duì)水力條件下魚(yú)類行為的深入觀察和了解,這些水力條件類似于在水輪機(jī)和水泵入口的發(fā)現(xiàn),為評(píng)估下游通道中魚(yú)類的行為提供了新的方法。未來(lái),可以將水力學(xué)研究中納入更廣泛的魚(yú)類物種,并最終實(shí)施一種能夠追蹤魚(yú)類反應(yīng)的水輪機(jī)或水泵裝置。

 

參考文獻(xiàn)

Roth, Márcio S., et al. “An experimental approach for the quantitative assessment of downstream swimming fish behavior." River Research and Applications 41.2 (2025): 499-514.

 

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