水温对竖缝式鱼道中齐口裂腹鱼上溯行为影响试验研究

郭子琪，李广宁，郄志红，孙双科，柳海涛，郑铁刚，王 岑，3

（1.河北农业大学，河北 保定 071001；2.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；3.三峡大学，湖北 宜昌 443002）

1 研究背景

齐口裂腹鱼（Schizothorax Prenanti），别名齐口、雅鱼等，属裂腹鱼亚科，裂腹鱼属，属冷水鱼，其适宜生存环境水温宜为5～27℃［1］，具有短距离生殖洄游习性，生殖季节为3—4月，生长比较缓慢，体重0.5～1 kg，是长江上游的重要经济鱼类［2-3］。近年来，由于水电工程的兴建等原因，河流的连续性遭到破坏，齐口裂腹鱼通往觅食场、生殖场的路径被阻隔，生存环境的突变导致了齐口裂腹鱼数量的严重衰减，齐口裂腹鱼亟需保护［4-5］。

鱼道是目前国内保护鱼类资源、维持河流连续性的常用措施之一。近年来有关竖缝式鱼道及仿自然鱼道的研究成果较多，其中多数研究成果关于两者的水力特性及体型优化，李广宁等［6］提出了一种芦苇块构成的仿自然鱼道，并对其水力特性进行了研究；张超［7］研究了竖缝式鱼道的水力特性，并提出了鱼道体型改进措施；谭均军［8］结合鱼类运动特性对竖缝式鱼道水力特性进行了研究。在工程应用中，竖缝式鱼道应用最为广泛［9-10］，如国内的上庄新闸鱼道［11］、长洲鱼道［12］，澳大利亚Barwon River的潮汐拦河坝鱼道［13］皆采用竖缝式鱼道。

水温是影响鱼类上溯行为不可忽视的因素之一。水温变化会对鱼类的上溯时机选择、上溯效率及运动能力等产生影响［14-16］。鱼类游泳能力与水温息息相关，众多学者研究了不同鱼类在不同温度下的游泳能力，发现在一定的温度区间内，鱼类游泳能力与水温呈正比［17-21］。鱼道中的水温分布对鱼类上溯存在影响，有研究发现鱼道中存在的水温梯度会阻碍中华三文鱼与钢头鱼的上溯［22］。

近年关于齐口裂腹鱼与鱼道相关的行为研究主要关注水力因子［23］、游泳能力［24］和水流诱鱼［25］，对水温等环境因素对其上溯行为直接影响的研究较少。本文在竖缝式鱼道中进行过鱼试验，开展了齐口裂腹鱼在竖缝式鱼道中的上溯行为与水温的相关关系的研究。

2 试验设计

2.1 试验布置 试验装置包括试验段、回水池、供水系统和录像系统等，如图1所示。试验鱼道采用钢骨架支撑，侧壁材料为有机玻璃板，底板采用水泥砂浆浇筑，导板及隔板由灰塑料板制成。

图1 试验布置图

鱼道模型以某水电站鱼道工程为原型，按重力相似准则设计，模型比尺1∶4。鱼道采用竖缝式布置方式，试验段设11级池室，鱼道水池长L=0.75 m，宽B=0.6 m，导板长度P=0.15 m，竖缝宽度b=0.075 m，导向角角度θ=45°，坡度J=1%，水深H=0.3 m，试验布置如图2所示。

图2 鱼道池室尺寸（单位：cm）

试验模型用水采用自循环闭合系统，模型下游设回水池，试验时采用供水水泵抽取回水池中的水抽入模型上游进水池，进水池中布置消能栅消除水流的紊动，水流流经各级池室，经过出水池末端的尾门排入回水池。模型试验段下游设置放鱼段，其上下游各安装一道拦鱼栅，上游侧拦鱼栅可防止试验鱼提前进入试验段，下游侧拦鱼栅可防止试验鱼跌入回水池。

2.2 水流流态 使用P-EMS电磁流速仪，测量P=0.15 m、B=0.6 m的鱼道池室中H/2水深的水流流速分布，测点布置如图3（a）所示，测量所得流场如图3（b）所示，测点横纵向间隔均为5 cm。竖缝处流速约为0.4 m/s，主流区流速值介于0.25～0.4 m/s，回流区流速值介于0～0.2 m/s。该体型鱼道中，水流通过竖缝，以一定角度向左偏转射入池室，随着水流向下游推进在池室中扩散，与池室中形成主流区与回流区。主流于池室中呈S型分布，其以射流形式经池室上游竖缝处射入，于池室中先扩散再收缩，并通过下游竖缝射出，主流区流速较高，为吸引鱼类上溯的主要区域。回流区分布于主流两侧，尺度相近，左侧回流区呈逆时针旋转，右侧回流区呈顺时针旋转，流速由边界向中心递减，流速与主流区相比较低，可作为上溯鱼类的休憩场所。

图3 常规池室流场结构

2.3 试验用鱼 文献检索表明，试验中幼鱼与成鱼的上溯行为相近［26-27］，考虑到本研究中试验用鱼体长与模型尺寸的匹配性，故选用体长范围9±1.5 cm的齐口裂腹鱼幼鱼作为试验用鱼。学者研究表明，齐口裂腹鱼幼鱼临界游泳能力与体长呈正比关系［28］，其计算公式为：

式中：Ucrit为临界泳速，cm/s；BL为试验鱼体长，cm。

由式（1）计算，并换算得到试验鱼临界游泳能力介于0.59 m/s与0.83 m/s，大于竖缝处流速0.4 m/s，满足在鱼道中的上溯要求。

试验所用齐口裂腹鱼试验前暂养于1 m3的方形水池中。采用深井水24小时循环供水，并进行曝气处理，溶解氧浓度保持在6 mg/L以上，水温17℃左右，光照为室内自然光，试验前两日停止喂食。

2.4 试验方法 正式试验时，首先启用供水水泵系统，将鱼道运行水深调整至0.3 m，测量并记录试验鱼道中的水温、含氧量、pH值等相关参数，确保试验中循环水含氧量DO＞6 mg/L，pH值介于7.5于8之间，氨氮＜0.2 mg/L。待流态稳定后，将试验用鱼放入鱼道试验段下游的放鱼段，此时拦鱼栅关闭，试验用鱼不能上溯。待试验鱼适应后（至少15 min），撤去拦鱼栅，等待试验鱼上溯。当试验鱼通过最下游第一级竖缝时开始计时，待其通过全部11个池室，进入最上游一级池室时停止计时。若试验鱼自开始计时超过20 min未到达最上游一级池室，则视为上溯失败。

3 试验结果

3.1 通过率 通过率定义为成功通过尾数与总尾数的比值。试验中齐口裂腹鱼通过尾数与通过率如表1所示。试验用鱼总数353条，通过235条，总通过率为67%。13～14℃、14～15℃及15～16℃温度区间齐口裂腹鱼的通过率分别为81%、73%及69%，明显高于其余组。

表1 不同试验水温下齐口裂腹鱼通过数量

对通过率与水温进行线性拟合，发现通过成功率随水温升高呈下降趋势（R2=0.83）。可见齐口裂腹鱼更倾向在较低水温条件下（13～16℃）进行上溯洄游。

3.2 通过时间 各水温条件下通过时间-水温箱线图，如图4所示。图中各绿色箱体的下边界值为Q1，上边界值为Q3。Q1、Q3分别称为前四分位数和后四分位数，前四分位数Q1表示有25%的数据小于等于Q1，后四分位数Q3表示有75%的数据小于Q3。1.5IQR（Inter-Quartile Range）定义为小于Q3+1.5（Q3-Q1）且大于Q1-1.5（Q3-Q1）的数据值，箱线图中超出1.5IQR范围外的值称为异常值。图中中位线表示各水温组中位数，计算均值时不考虑异常值。

从图4中可以看出，各水温区间的平均值介于100～300 s间，中位数介于50～300 s间。13～14℃、14～15℃及15～16℃的通过时间中位数分别为80 s、65 s及145 s，平均值分别为123 s、173 s及108 s，均小于其余组。

图4 通过时间-水温箱线图

3.3 Jonckheere-Terpstra检验 使用软件SPSS22.0，应用Jonckheere-Terpstra检验分析各试验水温组成功上溯的试验鱼上溯时间分布是否存在差异，判断水温对试验鱼上溯影响是否显著。

Jonckheere-Terpstra检验，也称趋势检验，适用于k个待检验组的检验量随某参数呈递增或递减趋势的情况［29］。本文中按温度区间分为8个待检验组，如表1所示。

认为k个独立样本（X1、X2、…Xi、Xj…Xk）来自k个具有相同分布总体，则原假设为H0：F（X1）=F（X2）=…=F（Xk），备选假设为H1：F（X1）≤F（X2）≤…≤F（Xk）。SPSS中给出的检验结果为统计量相应概率的P值，若P值小于给定的显著性水平α，则拒绝原假设，认为各总体分布差异显著，反之，则认为各总体差异不显著。

进行Jonckheere-Terpstra检验需先构建统计量J如下式所示：

式中U为样本Xk-1中小于样本Xk的个体数。

可根据给定的显著性水平查阅J的临界值，若临界值大于所求的统计量J，则P＜α，拒绝原假设，认为各总体分布差异显著。大样本情况下，使用Z统计量进行检验，Z统计量服从正态分布，转换式如下：

根据Z统计量计算相应P值并对结果进行判定。检验样本个体总数235，统计量Z=2.12，P=0.034＜0.05。检验结果表明水温对齐口裂腹鱼上溯行为有显著影响。

4 试验结果分析

本研究在竖缝式鱼道模型中进行了不同水温条件下的齐口裂腹鱼过鱼试验，研究对象为齐口裂腹鱼幼鱼，体长范围9±1.5 cm，试验前给予试验鱼足够的时间适应试验环境，在试验前测量溶解氧、pH值等参数，以确保齐口裂腹鱼在试验时的上溯行为不受水温以外的非控制因素影响。齐口裂腹鱼的适宜生存水温介于5～27℃［1］，试验过程中供水水库的水温变化区间为13～21℃，在上述适宜水温范围之内。

试验时记录了温度、通过尾数及通过时间等数据，通过对比分析可以发现，在13～21℃水温范围内，试验所使用的竖缝式鱼道满足齐口裂腹鱼的上溯需求，其整体通过率高于50%。通过线性回归分析发现通过率随水温增高呈递减趋势（R2=0.83），且15～16℃的通过率比16～17℃的通过率高10%，变幅较明显。综合分析认为13～16℃水温范围内齐口裂腹鱼通过率高于17～21℃。

观察图4可发现，齐口裂腹鱼在不同温度下的通过时间中位数与均值大体小于300 s，相比于试验所取的单组试验最长时间20 min，可以看出在试验所在水温范围内，试验鱼具有较强的活力，且13～16℃范围内试验鱼的通过时间中位数及均值均低于17～21℃范围，13～16℃范围内通过所需的时间较短，效率较高，故可认为13～16℃范围内齐口裂腹鱼的通过表现较好。

Jonckheere-Terpstra检验适用于单调变化数据的分析，从表1数据可以看出通过成功率明显呈单调递减关系，对图4进行观察，发现通过时间大体呈递增趋势，故利用Jonckheere-Terpstra检验对水温与通过时间的关系进行了分析，发现水温对齐口裂腹鱼上溯行为有显著影响（P=0.034），与上述分析结果一致。

综上分析，可认为水温与齐口裂腹鱼在鱼道中的上溯行为存在关系，且在13～16℃范围内，齐口裂腹鱼在鱼道中的上溯表现优于17～21℃范围。

5 结论

在竖缝式鱼道模型中进行了齐口裂腹鱼幼鱼的过鱼试验，重点研究了不同水温条件对裂腹鱼上溯行为的影响，得到如下主要结论：

（1）竖缝式鱼道试验模型中齐口裂腹鱼总通过率67%，表明该体型鱼道满足试验鱼的上溯需求。

（2）齐口裂腹鱼在竖缝式鱼道中的通过率随水温的升高呈下降趋势，13～16℃下试验鱼通过率最高，且13～16℃下通过时间的中位数与平均数明显低于16～21℃，13～16℃下试验鱼在竖缝式鱼道中的通过效果最佳。

（3）对裂腹鱼上溯时间进行了Jonckheere-Terpstra检验，P=0.034＜0.05，表明在本试验所在的13～21℃水温范围内，水温对齐口裂腹鱼上溯行为有显著影响，本次试验结果具有统计学意义。