一群野生的褐鳟被放入水流平缓的入口区域。它们顺着水流游向水道深处，但前方等待它们的是逐步攀升的流速。当水流速度超过鱼类理论冲刺速度时，它们会作何反应？这项研究关乎如何保护穿越水力发电站水轮机和水泵站的鱼类，降低它们在“致命通道”中的死亡率。
过去的研究表明，空间速度梯度（SVG）会影响下游迁移鱼类的行为。尽管鱼类似乎会不可避免地向下游漂流，但它们在水轮机和水泵入口处的行为尚不清楚。当鱼类漂流入水流速度超过其最大冲刺游泳速度的区域时，会如何反应？
材料与方法
研究团队设计并建造一个特殊的水道实验室，能模拟出水轮机进水口那种“温和诱导、陡然加速、持续高速”的典型水力条件。
整个水道被设计成包含四个水力特征区域：
临近区： 流速低于测试鱼的冲刺速度，SVG低于行为反应阈值（<0.2（m/s）/m）。这是鱼类初始放置和适应区域。
SVG区：流速仍低于冲刺速度，但SVG已超过行为反应阈值（>0.2（m/s）/m）。水流开始明显加速。
混合区：流速和SVG双双超过阈值。这是最严苛的区域，鱼类同时面临高速和强加速的双重挑战。
高速区：流速高于冲刺速度，但SVG再次低于阈值。鱼类需在持续高速流中维持或调整状态。
建设完成的水道全长30米，最大宽处2米。核心的观测区域是一段封闭的隧道，高度固定为0.4米，宽度从2米逐渐收窄至0.45米（见图1）。透明墙壁和红外背光照明系统，是实现非侵入式三维视频追踪的关键。为了在黑暗条件下也能清晰记录鱼类行为，研究团队部署了一套精密的追踪系统。观测区域安装了八台摄像机，四台在上方，四台在侧面。记录软件使用诺达思的多视频录制软件(Media Recorder)，追踪分析则使用动物运动轨迹跟踪系统(EthoVision XT)。最终，研究者从日光实验的107条鱼和黑暗实验的54条鱼中，获得了有效位置数据。
每次实验仅放入一条鱼。它会从一个低流速的入口点（如图1区域2）自主进入观测水道。实验要么在鱼类向下游穿过第3段和第4段进入第5段结束，要么在下游通道不完整的情况下经过45分钟后终止。
结果
通过分析鱼类的运动速度，识别出五种不同的运动模式，包括向下游主动运动、被动漂流、主动漂流、静止、向上游主动运动（如表1），其特征主要根据趋流性（RN =负趋流性；RP =正趋流性）、流速（uflow）、相对速度（urel）和观察到的速度（uabs）的组合。
实验管道的设计为褐鳟在不同水力区域的表现提供了详细的数据。图2展示了一个日光实验中鱼类通道的示例，其中显示了水力参数和游泳速度，以及从平面图显示的相应运动模式。在整个游泳路径中，鱼类都呈现出正趋流性。在短暂的静止模式后，它开始主动向下游漂移，并在某个时刻保持静止，然后开始向上游移动，这表明一种逃逸反应。此后，它再次开始向下游漂移，中间又穿插了一次短暂的静止。
实验中所有褐鳟的数据表明，所有五种运动模式都发生在实验水道中（图3）。每种模式的比例在四个水力区域之间有所不同，其中主动漂流模式占主导地位。主动向下游和被动漂流模式很少见。此外，只有少数动物建立了暂时性的高游泳速度，足以保持静止或主动向上游游泳。后者主要发生在接近区和SVG区，但在高速区未观察到。在该区域，流速超过了鱼的理论冲刺速度。
这符合理论预期：当水流速度超过鱼类的冲刺速度时，逆流而上在物理上已变得不可能。这突显了水轮机进水口一旦超过某个流速阈值，对鱼类而言就成为了“单向死亡陷阱”。
总结
本文的研究提供了对水力条件下鱼类行为的深入观察和了解，这些水力条件类似于在水轮机和水泵入口的发现，为评估下游通道中鱼类的行为提供了新的方法。未来，可以将水力学研究中纳入更广泛的鱼类物种，并最终实施一种能够追踪鱼类反应的水轮机或水泵装置。
参考文献
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.
更多精彩内容
欢迎关注公众号
