生死時(shí)速：看魚類如何在不同流速區(qū)中求生？

更新時(shí)間：2026-01-14

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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)水流速度超過魚類理論沖刺速度時(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(huì)影響下游遷移魚類的行為。盡管魚類似乎會(huì)不可避免地向下游漂流，但它們在水輪機(jī)和水泵入口處的行為尚不清楚。當(dāng)魚類漂流入水流速度超過其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)： 流速低于測試魚的沖刺速度，SVG低于行為反應(yīng)閾值（<0.2（m/s）/m）。這是魚類初始放置和適應(yīng)區(qū)域。

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

混合區(qū)：流速和SVG雙雙超過閾值。這是最嚴(yán)苛的區(qū)域，魚類同時(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30米，ZD寬處2米。核心的觀測區(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類行為，研究團(tuán)隊(duì)部署了一套精密的追蹤系統(tǒng)。觀測區(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條魚和黑暗實(shí)驗(yàn)的54條魚中，獲得了有效位置數(shù)據(jù)。

每次實(shí)驗(yàn)僅放入一條魚。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)入觀測水道。實(shí)驗(yàn)要么在魚類向下游穿過第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45分鐘后終止。

結(jié)果

通過分析魚類的運(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。

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，魚類都呈現(xiàn)出正趨流性。在短暫的靜止模式后，它開始主動(dòng)向下游漂移，并在某個(gè)時(shí)刻保持靜止，然后開始向上游移動(dòng)，這表明一種逃逸反應(yīng)。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(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。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，流速超過了魚的理論沖刺速度。

這符合理論預(yù)期：當(dāng)水流速度超過魚類的沖刺速度時(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)水口一旦超過某個(gè)流速閾值，對(duì)魚類而言就成為了“單向死亡陷阱"。

總結(jié)

本文的研究提供了對(duì)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(jī)和水泵入口的發(fā)現(xiàn)，為評(píng)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(xué)研究中納入更廣泛的魚類物種，并最終實(shí)施一種能夠追蹤魚類反應(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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總結(jié)

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