生死時速：看魚類如何在不同流速區(qū)中求生？

更新時間：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(fā)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(qū)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(xù)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(qū)域：

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

SVG區(qū)：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(qū)：流速和SVG雙雙超過閾值。這是最嚴苛的區(qū)域，魚類同時面臨高速和強加速的雙重挑戰(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)高速流中維持或調整狀態(tài)。

建設完成的水道全長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)，是實現(xiàn)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(tǒng)。觀測區(qū)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(tǒng)(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(shù)據(jù)。

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(qū)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(jīng)過45分鐘后終止。

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(jù)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。

實驗管道的設計為褐鱒在不同水力區(qū)域的表現(xiàn)提供了詳細的數(shù)據(jù)。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(shù)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(xiàn)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(shù)據(jù)表明，所有五種運動模式都發(fā)生在實驗水道中（圖3）。每種模式的比例在四個水力區(qū)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(shù)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(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"。

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(fā)現(xiàn)，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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材料與方法

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參考文獻

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