李树航，韩 雷，王正君，王 璐，苏国青，狄高健

(1.黑龙江大学 水利电力学院,黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江省水利科学研究院,黑龙江 哈尔滨 150080)

为了调节水资源分布不均，水利工作者在河流中修建了许多大坝和堤堰来控制水流。但大坝建成后，鱼类无法从下游通过大坝回到上游，鱼类也无法进行觅食、产卵，最后可能导致某些具有洄游习性的鱼类的消失，造成河流生态系统的失衡，破坏河流生态环境。为保护鱼类和恢复河流生态系统，许多国家在建成的水工建筑物上修建可以过鱼的通道。鱼道作为一种生物补偿工程[1]，可以为鱼类洄游提供人工通道，有利于河流生态系统的恢复。

我国在过鱼建筑物的建设和研究方面起步较晚，传统鱼道更多是从水工建筑物的水力特性开展研究，基本没有考虑到洄游鱼类是否能够顺利地通过鱼道。但实践证明，由于鱼类对水流天然的趋避性，如果没有对洄游鱼类的游泳能力进行研究直接设计鱼道，鱼道的过鱼效果难以达到理想的目标[2-4]。因此要研究和建设鱼道，必须要考虑到目标鱼类的游泳能力。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用鲫鱼选取于哈尔滨某鱼场，采集时间为2020年6月上旬。试验鱼体长度为19～27 cm。将试验鱼放在矩形水池中暂养两周后开始试验，期间每隔3天换一次水，水温变化范围在 24 ℃±1 ℃。对试验鱼进行感应流速的试验时，由于不产生疲劳效应，可以进行其他试验。在测定试验鱼的临界游泳速度和突进游泳速度时，不可以连续测量，需在暂养池中恢复24 h后才可继续试验。试验过程中，将试验鱼从养鱼池和试验装置之间来回转移时应注意对试验鱼的保护，通过使用细网和水盆等对鱼损伤较小的转移工具，来减少转运过程中对试验鱼的影响。

1.2 试验装置

试验装置是一个循环水槽，除试验区外其他地方都密封，如图1所示。水槽截面为56 cm×100 cm。试验观察区长度100 cm，左右两侧都配有铁丝网，防止试验鱼游出观察区。试验装置的右上方配有一台电机，启动电机，电机再带动螺旋桨产生循环水流，通过变频器来控制电机的转速，进而调节水流的流速。水流通过试验观察区前端的管簇稳流装置后，可在试验观察区内获得均匀、稳定的流场，便于观察记录数据。试验前用流速仪在试验区对水流流速进行标定，得到变频电机的频率与水流流速的关系曲线，如图2所示。

图1 鱼类游泳能力试验装置

图2 频率～流速关系图

1.3 感应流速测定

用10尾鱼进行感应流速试验。试验开始前，将养在水池中2周后的鲫鱼转移到试验装置中的试验区内，在静水中适应1 h来消除转移对鱼类所造成的影响。在鱼类适应新环境后正式开始试验，以微调的方式，每隔5 s逐步增大频率来调节水流速度，同时观察试验鱼的游动方向，当试验鱼开始从不规则的四处游动开始逆着水流游动时，记录此时的流速，作为试验鱼的感应流速，同时记录此时试验鱼的体长与体重。

1.4 临界游泳速度测定

临界游泳速度也称为最大可持续游泳速度，是鱼类最大的有氧游速，通常用来评价鱼类有氧运动能力指标[5]。

试验水温为24 ℃±1 ℃，试验鱼共22尾，其中2尾用做预试验，正式试验20尾。

本试验测临界游泳速度采用“流速递增法”测定，该方法高效、准确率高，应用最为广泛。雷青松[6],王永猛[7],李志敏[8],李会锋[9]等，都是通过“流速递增法”来测定临界游泳速度。首先进行2次预试验，对试验鱼的临界游泳速度进行预估，每次只取1尾鱼进行试验。试验前将试验鱼在1 BL/s(BL为试验鱼体长)的水流流速下适应1 h，之后每隔2 min使水流速度增加0.4 BL/s，直至试验鱼疲劳为止(疲劳标准：当试验鱼游不动被水流冲至钢丝网上无法游动的时间超出20 s[10])。两次试验结束后得到的水流速度取平均值来作为预估临界游泳速度。

正式试验时，每隔5 min增加0.5 BL/s的水流速度，直至达到60%的预估临界游泳速度之后，将间隔时间延长到20 min增加一次水流速度，每次增加15%的预估临界游泳速度，直至试验鱼疲劳为止。

临界游泳速度计算公式如式(1)[10]：

(1)

式中：Ucrit为临界游泳速度，cm/s；U为试验鱼疲劳时对应的最大水流速度，cm/s；ΔU为流速增量(增速为15%的临界游泳速度粗略值)，cm/s；t为该时段鱼疲劳时所用的时间，min；Δt为时间间隔,取20 min。

相对临界游泳速度指鱼类个体的临界游泳速度，用鱼类体长来表征,其计算公式如式(2)[10]:

(2)

1.5 突进游泳速度测定

该部分操作方法与临界游泳速度的测定方法基本相同，进行2次预试验，每20 s使水流速度增加0.4 BL/s，直至试验鱼疲劳为止。正式试验时，使水流速度快速调到预估突进游泳速度的60%，之后每隔20 s使水流速度增加15%的预估突进游泳速度，直至试验鱼疲劳为止。

突进游泳速度计算公式如式(3)[11]：

(3)

式中：Uburst为突进游泳速度，cm/s；Δt为时间间隔，取20 s。

相对突进游泳速度计算公式如式(4)[11]：

(4)

2 结果与分析

2.1 感应流速

本试验测得鲫鱼体长19～27 cm的感应流速为0.066 m/s±0.020 m/s。在设计鱼道时，要确保主流区流速大于感应流速，以便能使鱼类感应到水流来确定洄游方向。

2.2 临界游泳速度

如图3所示,正在进行鲫鱼临界游泳速度试验。测得4种体长范围的鲫鱼临界游泳速度为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。对应的相对临界游泳速度为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。

由图4可知，随着试验鱼体长的增加，临界游泳速度也线性增加。分析可得到试验鱼体长与临界游泳速度的关系式如式(5):

Ucrit=2.9606BL+59.474

(5)

图3 鲫鱼临界游泳速度试验

表1 鲫鱼的临界游泳速度

图4 临界游泳速度与体长的关系

相对临界游泳速度随着试验鱼体长的增加而逐渐减小，如图5所示。得到试验鱼体长与相对临界游泳速度的关系式如式(6):

(6)

图5 相对临界游泳速度与试验鱼体长的关系

2.3 突进游泳速度

图6为鲫鱼突进游泳速度试验。测得4种体长范围的鲫鱼的绝对突进游泳速度为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。对应相对突进游泳速度为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。通过试验数据分析可知，鲫鱼的突进游泳速度随着试验鱼体长的增加而线性增加，如图7所示。得到试验鱼体长与突进游泳速度的关系式如式(7)：

Uburst=2.2012BL+98.719

(7)

如图8所示，相对突进游泳速度随着试验鱼体长的增加而逐渐减小，得到试验鱼体长与相对突进游泳速度的关系式如式(8)：

(8)

图6 鲫鱼突进游泳速度试验

表2 鲫鱼的突进游泳速度

图7 突进游泳速度与体长的关系

图8 相对突进游泳速度与体长的关系

3 结 论

鱼的游泳能力与鱼道的设计密切相关，将直接影响目标鱼类是否能够顺利洄游，从而判断此鱼道的设计能否可行。因此，在设计鱼道时鱼道结构型式的选择、鱼道内各种参数的确定、休息池设置方式，以及设计流速的确定等，都需要参考过鱼对象的游泳能力，在此基础上才能进行设计。本试验在水温24 ℃±1 ℃条件下，利用鱼类游泳试验装置，开展了体长为19～27 cm的松花江鲫鱼的感应流速、临界游泳速度、突进游泳速度的试验研究，得到松花江鲫鱼的游泳能力，为鱼道设计提供了重要的参考依据，对保护鱼类以及生态环境具有重要的意义。

(1) 感应流速试验

测得体长为19～27 cm的试验鱼，感应流速为0.066 m/s±0.020 m/s。

(2)临界游泳速度试验

(3)突进游泳速度试验