基于过鱼设施设计的鱼类游泳能力研究综述

基于过鱼设施设计的鱼类游泳能力研究综述

雷青松

广州市天河区水务设施建设中心  广东 广州  510655

摘要：过鱼设施是恢复河湖纵向连通性的重要工程措施，鱼类游泳能力作为过鱼设施设计中必须考虑的关键因子，本文通过对国内外鱼类游泳能力研究进行介绍，总结了目前鱼类游泳能力测试的一些方法，以期为鱼类游泳能力研究提供方法和理论依据，为过鱼设施研究提供参考。

关键词：过鱼设施；鱼类游泳能力测试；水利工程

水利工程建设在促进社会经济发展的同时，也阻断了河流的天然连通性，造成鱼类洄游通道阻隔。为缓解水利工程建设对生态环境的影响，需修建过鱼设施（如鱼道等）来保护河流生态环境，恢复河流纵向连通性[1]。而在过鱼设施设计中，需要考虑过鱼对象游泳能力。鱼类游泳能力是过鱼设施设计中的关键因子，鱼道进出口位置、鱼道休息池设计等都需根据过鱼对象的游泳能力来决定。本文介绍了国内外鱼类游泳能力研究进展和鱼类游泳能力一些方法，以期为鱼类游泳能力测试研究和过鱼设施设计提供理论依据。

一、鱼类游泳能力研究进展

国外鱼类游泳能力研究时间较早，1893年由Regnard等人首次提出，随后科研工作者采用各种方法开展大量研究工作，在20世纪初期至20世纪中叶，有关鱼类游泳能力研究比较少，直到20世纪60年代，由于捕捞产业兴起，大量生物学家、物理学家加入后得到发展，研究者开始考虑鱼类游泳速度、环境条件等因素对鱼类游泳能力影响。1948年Fry和Hart等人对鱼类游泳运动做了定性描述。1964年Brett首次提出临界游泳速度这一指标来评价鱼类最大有氧可持续游泳速度，并得到了广泛应用。1978年Beamish首次提出将游泳能力分成持续游泳速度、耐久游泳速度、爆发游泳速度这三种主要形式来描述。2002年Sabaton C将水动力方程引入基于鱼类游泳信息后优化设计的鱼道，并取得很好的效果。近年来Katopodis等人将生态水力学原理引入，将鱼类游泳速度和水力学相结合进行归纳分析。

鱼类游泳类型依据生物代谢模式和不同流速下持续时间的不同，可以分为持续式游泳、耐久式游泳和爆发式游泳。对应速度为持续游泳速度、耐久游泳速度、爆发游泳速度。根据Beamish观点，持续游泳速度是指鱼类游泳时间大于240min以上不会产生疲劳，而Brett认为该鱼类持续游泳时间大于200min即可，目前国内外研究学者就鱼类持续游泳时间普遍已达成共识，认为持续游泳运动时间为200min。持续游泳速度是鱼类在洄游期间和日常活动最常用速度。耐久式游泳是运动至疲劳的游泳类型，处于爆发游泳速度和持续游泳速度之间，鱼类游泳时间小于200min大于20s。爆发游泳速度一般持续时间短于20s，爆发游泳速度大约为10BL/s，最高可达到20BL/s。除按照游泳时间来划分游泳速度，桂福坤等提出另一种区分鱼类游泳速度的方法，根据鱼的游泳状态来区分鱼的游泳速度，并提出了一种新的游泳速度概念，即最大探顶游泳速度，根据新的分类方法，鱼类游泳速度主要分为5大类：最优巡航速度、最大续航速度、临界游泳速度、最大探顶游泳速度、爆发游泳速度[2]。

除了上述的爆发游速速度、持续游泳速度、耐久游泳速度外，在鱼道设计中临界游泳速度和感应流速也是两个重要的流速指标。临界游泳速度是鱼类最大可持续有氧运动能力指标，自Brett提出这种速度，由于所需样本量少、测试时间短这两个优点被广大研究者接受并广泛使用。感应流速又称起点流速，是鱼能够刚好产生趋流反应的流速值，在鱼道设计时，水流速度应大于鱼类感应流速，否则鱼类会在鱼道内迷失方向。

二、鱼类游泳能力测试方法

（一）封闭水槽测试方法

为探究鱼类游泳能力，研究者提出许多测试鱼类游泳能力的方法。在19世纪末，Regnard开发了第一个测量鱼类游泳能力的装置—鱼轮，尽管现在很少使用鱼轮，但鱼轮仍具有开创意义。为解决鱼轮水流产生的问题，游泳室被创造，游泳室被设计成一个封闭的均匀实验区，通过马达控制水的流速，并驱动水流通过矩形或圆柱形的测试段。通过挡板和整流栅创造均匀流条件，尽可能使水流接近均匀流，鱼类游泳速度可以假设等于水流速度。在20世纪60年代，封闭水槽引入两种测试方法，即固定流速法和递增流速法，固定流速法是保持水流的速度是恒定不变的，测试鱼类在恒定水流速下疲劳所需的时间。持续游泳速度和耐久游泳速度是在封闭水槽中通过固定流速法测得，通过设置不同的流速梯度，测试实验鱼在设定流速下的游泳时间。递增流速法是在规定的时间间隔内逐渐增加水的流速来测量鱼的游泳速度，直到鱼疲劳为止[3]。如鱼类的感应流速、爆发游泳速度、临界游泳速度通常都是采用递增流速法进行测量。这两种方法已经被广泛接受和应用。

（二）开放水槽自主游泳能力测试方法

与封闭水槽测试方法相比，开槽水槽可以创造更接近自然情况的水力条件，通过在水槽中放入不同长度的阻流体和各种类型的障碍物，制造不同的复杂流态和特征流场，更好的模拟鱼道水流条件。在

20世纪50年代末，Weaver等人首先使用开放水槽进行了一系列关于洄游鲑鱼的实验，他在4.1~4.8m/s水流速度下测试鲑鱼可以上溯的最大距离。随着封闭水槽测试方法的兴起，开放水槽测试研究逐渐被遗忘，直到最近几年才引起重视。Castro-Santos等人在开放水槽中研究了6种鱼类在1.5~4.5m/s流速条件下自主上溯游泳能力，预测了鱼类上溯时通过最大上溯距离的概率模型。随着技术的进步，促进了一些自动化方法的发展，如在开放水槽中使用激光束、PIT标签技术等技术来评估游泳速度和移动距离。

（三）其它测试方法

除封闭水槽和开放水槽测试外，室内测试鱼类游泳方法还有环形水槽旋转黑白条纹测试法。此外，鱼类游泳能力测试方法还有野外实地测试的方法，如船舶跟踪法、卫星跟踪法、鱼类遥测法。目前广泛应用的是鱼类遥测法，鱼类遥测技术是1956年首次报道的，从此被广泛应用。如EMG遥测方法、PIT标记系统测试法。如Makiguchi等人利用EMG遥测方法研究在日本北海道丰平川三文鱼上游迁移。PIT是目前一种比较先进的研究鱼类游泳能力的方法，通过在鱼道中放入线圈，运用PIT技术可以实时监测鱼道过鱼对象的位置、速度等实际情况，如Calles等人使用PIT标签发现鱼类以180～190m/h的平均速度通过鱼道。相比室内测试，野外测试能真实反应鱼类自然状态，数据获取比较可靠，但测试成本高，一些变量无法控制，数据采集周期比较长。

三、结语

鱼类游泳能力测试为过鱼设施设计提供关键因子，是确保过鱼设施发挥正常功能的必备条件之一。我国由于游泳能力研究起步较晚，鱼类游泳能力资料相对匮乏，有必要结合不同实验条件、实验对象选取合适的测试方法，继续开展鱼类游泳能力研究，为鱼类游泳能力测试研究和过鱼设施设计提供理论依据。

参考文献

[1]陈凯麒, 常仲农, 曹晓红, et al. 我国鱼道的建设现状与展望[J]. 水利学报, 2012, 43(2):182-188.

[2]王萍, 桂福坤, 吴常文. 鱼类游泳速度分类方法的探讨[J]. 中国水产科学, 2010, 17(5):10.

[3]涂志英, 袁喜, 韩京成,等. 鱼类游泳能力研究进展[J]. 长江流域资源与环境, 2011(S1):7.