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生死時速:看魚類如何在不同流速區中求生?

更新時間:2026-01-14點擊次數:89

一群野生的褐鱒被放入水流平緩的入口區域。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。當水流速度超過魚類理論沖刺速度時,它們會作何反應?這項研究關乎如何保護穿越水力發電站水輪機和水泵站的魚類,降低它們在“致命通道"中的死亡率。

 

過去的研究表明,空間速度梯度(SVG)會影響下游遷移魚類的行為。盡管魚類似乎會不可避免地向下游漂流,但它們在水輪機和水泵入口處的行為尚不清楚。當魚類漂流入水流速度超過其ZD沖刺游泳速度的區域時,會如何反應?

 

材料與方法

研究團隊設計并建造一個特殊的水道實驗室,能模擬出水輪機進水口那種“溫和誘導、陡然加速、持續高速"的典型水力條件。

 

整個水道被設計成包含四個水力特征區域:

臨近區: 流速低于測試魚的沖刺速度,SVG低于行為反應閾值(<0.2(m/s)/m)。這是魚類初始放置和適應區域。

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

混合區:流速和SVG雙雙超過閾值。這是最嚴苛的區域,魚類同時面臨高速和強加速的雙重挑戰。

高速區:流速高于沖刺速度,但SVG再次低于閾值。魚類需在持續高速流中維持或調整狀態。

建設完成的水道全長30米,ZD寬處2米。核心的觀測區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(見圖1)。透明墻壁和紅外背光照明系統,是實現非侵入式三維視頻追蹤的關鍵。為了在黑暗條件下也能清晰記錄魚類行為,研究團隊部署了一套精密的追蹤系統。觀測區域安裝了八臺攝像機,四臺在上方,四臺在側面。記錄軟件使用諾達思的多視頻錄制軟件(Media Recorder),追蹤分析則使用動物運動軌跡跟蹤系統(EthoVision XT)。最終,研究者從日光實驗的107條魚和黑暗實驗的54條魚中,獲得了有效位置數據。

每次實驗僅放入一條魚。它會從一個低流速的入口點(如圖1區域2)自主進入觀測水道。實驗要么在魚類向下游穿過第3段和第4段進入第5段結束,要么在下游通道不完整的情況下經過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
 

結果

通過分析魚類的運動速度,識別出五種不同的運動模式,包括向下游主動運動、被動漂流主動漂流、靜止、向上游主動運動(如表1),其特征主要根據趨流性(RN =負趨流性;RP =正趨流性)、流速(uflow)、相對速度(urel)和觀察到的速度(uabs)的組合。

表1. 實驗中魚類的五種運動模式特征

實驗管道的設計為褐鱒在不同水力區域的表現提供了詳細的數據。圖2展示了一個日光實驗中魚類通道的示例,其中顯示了水力參數和游泳速度,以及從平面圖顯示的相應運動模式。在整個游泳路徑中,魚類都呈現出正趨流性。在短暫的靜止模式后,它開始主動向下游漂移,并在某個時刻保持靜止,然后開始向上游移動,這表明一種逃逸反應。此后,它再次開始向下游漂移,中間又穿插了一次短暫的靜止。

 

實驗中所有褐鱒的數據表明,所有五種運動模式都發生在實驗水道中(圖3)。每種模式的比例在四個水力區域之間有所不同,其中主動漂流模式占主導地位。主動向下游和被動漂流模式很少見。此外,只有少數動物建立了暫時性的高游泳速度,足以保持靜止或主動向上游游泳。后者主要發生在接近區和SVG區,但在高速區未觀察到。在該區域,流速超過了魚的理論沖刺速度。

 

這符合理論預期:當水流速度超過魚類的沖刺速度時,逆流而上在物理上已變得不可能。這突顯了水輪機進水口一旦超過某個流速閾值,對魚類而言就成為了“單向死亡陷阱"。

圖2. 一條魚在白天的游動過程。頂部:魚的2D游泳路徑上的運動模式,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urel獲得的游泳模式
圖3. 在實驗水道的四個區域中,所有魚類在白天的五種運動模式分布
 

總結

本文的研究提供了對水力條件下魚類行為的深入觀察和了解,這些水力條件類似于在水輪機和水泵入口的發現,為評估下游通道中魚類的行為提供了新的方法。未來,可以將水力學研究中納入更廣泛的魚類物種,并最終實施一種能夠追蹤魚類反應的水輪機或水泵裝置。

 

參考文獻

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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