水温对竖缝式鱼道中齐口裂腹鱼上溯行为影响试验研究

收稿日期：2019-10-08；网络首发时间：2021-03-03
网络首发地址：https:///kcms/detail/.20210303.1208.002.html
基金项目：国家重点研发计划（2016YFC0401708）；国家自然科学基金（51709278，51679261）；流域水循环模拟与调控国家重点
实验室自主研究课题（SKL2018ZY08，SKL2020TS04）；中国水科院青年研究专项（HY0145B162019）
作者简介：郭子琪（1996-），硕士生，主要从事鱼道水力学研究。

E-mail ：
通讯作者：孙双科（1966-)，教授级高级工程师，主要从事水力学研究。

E-mail ：文章编号：1672-3031（2021）02-0255-07
中国水利水电科学研究院学报
第19卷第2期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1，2，李广宁2，郄志红1，孙双科2，柳海涛2，郑铁刚2，王岑2，3
（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）摘要：水温是影响鱼类上溯行为不可忽视的因素之一，本研究在竖缝式鱼道水工模型中进行了齐口裂腹鱼幼鱼的过鱼试验，研究的水温变化范围为13~21℃，通过提取通过率与通过时间参数对齐口裂腹鱼的上溯行为进行了定量分析，并采用统计分析软件SPSS 进行了检验。

研究发现在开展试验的水温范围内，水温对齐口裂腹鱼上溯行有显著影响（P =0.032）：过鱼通过率随水温升高呈递减趋势（R 2=0.82），13~16℃水温条件下，试验鱼的通过率较高；通过时间随水温上升大体呈递增趋势，且具有统计学意义。

关键词：水温；齐口裂腹鱼；竖缝式鱼道；SPSS ；Jonckheere-Terpstra 检验中图分类号：X524文献标识码：A doi ：10.13244/ki.jiwhr.201901751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0.5~1kg ，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 Riv⁃er 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。

255
2.2水流流态使用P-EMS 电磁流速仪，测量P =0.15m 、B =0.6m 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5cm 。

竖缝处流速约为0.4m/s ，主流区流速值介于0.25~0.4m/s ，回流区流速值介于0~0.2m/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。

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±1.5cm 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：
U crit =7.87BL
（1）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。

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 =0.75m ，宽B =0.6m ，导板长度P =0.15m ，竖缝宽度b =0.075m ，导向角角度θ=45°，坡度J =1%，水深H =0.3m ，试验布置如图2所示。

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。

图1试验布置图
图2鱼道池室尺寸（单位：cm ）消能栅
摄像头电磁流量计阀门水泵拦鱼格栅下游尾门回水池
水流
75
7.57.5
3.2
60J=1%
J=1%
256
式中：U crit 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0.59m/s 与0.83m/s ，大于竖缝处流速0.4m/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1m 3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6mg/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0.3m ，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 >6mg/L ，pH 值介于7.5于8之间，氨氮<0.2mg/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15min ），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20min 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。

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（R 2=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Q 1，上边界值为Q 3。

Q 1、Q 3分别称为前四分位数和后四分位数，前四分位数Q 1表示有25%的数据小于等于Q 1，后四分位数Q 3表示有75%的数据小于Q 3。

1.5IQR （Inter-Quartile Range ）定义为小于Q 3+1.5（Q 3-Q 1）且大于Q 1-1.5（Q 3-Q 1）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100~300s 间，中位数介于50~300s 间。

13~14℃、14~15℃及15~16℃的通过时间中位数分别为80s 、65s 及145s ，平均值分别为123s 、173s 及108s ，均小于其余组。

3.3Jonckheere-Terpstra 检验使用软件SPSS22.0，应用Jonckheere-Terpstra 检验分析各试验水
温
图3
常规池室流场结构
表1不同试验水温下齐口裂腹鱼通过数量257
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（X 1、X 2、…X i 、X j …X k ）来自k 个具有相同分布总体，则原假设为H 0：F （X 1）=F （X 2）=…=F （X k ），备选假设为H 1：F （X 1）≤F （X 2）≤…≤F （X k ）。

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：
J =åi k -1åi +1k U ()i =1，2，…，k （2）
式中U 为样本X k -1中小于样本X k 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：
Z =
（3）式中n i 为第i 个独立样本的个体数，N =åi =1
k n i 。

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，研究对象为齐口裂图4通过时间-水温箱线图
258
腹鱼幼鱼，体长范围9±1.5cm，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300s，相比于试验所取的单组试验最长时间20min，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。

参考文献：
［1］谢佳燕.我国齐口裂腹鱼的研究现状［J］.安徽农业科学，2010，38（25）：13721-13722，13726.
［2］丁瑞.四川鱼类志［M］.成都：四川科学技术出版社，1994.
［3］傅菁菁，李嘉，安瑞冬，等.基于齐口裂腹鱼游泳能力的竖缝式鱼道流态塑造研究［J］.四川大学学报（工程科学版），2013，45（3）：12-17.
［4］许家炜，陈静，林晨宇，等.齐口裂腹鱼在低照度下的趋光行为［J］.生态学杂志，2018，37（8）：2394-2402.
［5］谭江涛，陈江红，盛三化，等.基于外部性理论的鱼道长效运行管理机制研究［J］.中国水利水电科学研究院学报，2019，17（2）：145-151.
［6］李广宁，孙双科，郭子琪，等.仿自然鱼道水力及过鱼性能物理模型试验［J］.农业工程学报，2019，35
259
（9）：147-154.
［7］张超，孙双科，李广宁.竖缝式鱼道细部结构改进研究［J］.中国水利水电科学研究院学报，2017，15（5）：389-396.
［8］谭均军，高柱，戴会超，等.竖缝式鱼道水力特性与鱼类运动特性相关性分析［J］.水利学报，2017，48（8）：924-932，944.
［9］曹娜，钟治国，曹晓红，等.我国鱼道建设现状及典型案例分析［J］.水资源保护，2016（6）：156-162.［10］徐体兵，孙双科.竖缝式鱼道水流结构的数值模拟［J］.水利学报，2009，40（11）：1386-1391.
［11］孙双科，邓明玉，李英勇.北京市上庄新闸竖缝式鱼道的水力设计研究［C］.水电2006国际研讨会论文集，2006.
［12］阮天鹏，王晓罡.长洲鱼道挡板结构优化研究［J］.小水电，2019（3）：37-40.
［13］JUSTIN O'Connor，ANDREW Pickworth，BEN Fanson，et al.Assessment of a vertical slot fishway in south-east⁃ern Australia designed to pass numerous species and size classes of fish［J］.Ecological Management&Restora⁃tion，2019，20（2）：151-155.
［14］ANA García-Vega，FRANCISCO Javier Sanz-Ronda，JUAN Francisco Fuentes-Pérez.Seasonal and daily up⁃stream movements of brown trout Salmo trutta in an Iberian regulated river［J］.Knowledge and Management of Aquatic Ecosystems，2017，418（9）：1484-1493.
［15］KEVIN R B，BRENT M，JAY M B，et al.Swimming performance and fishway model passage success of Rio Grande Silvery Minnow［J］.Transactions of the American Fisheries Society，2010，139（2）：433-448.
［16］PEREIRA E，CARDOSO G R，QUINTELLA B R，et al.Proposals for optimizing sea lamprey passage through a vertical-slot fishway［J］.Ecohydrology，2019，12（4）：e2087.
［17］吴寿昌，吴开武，汪祖莲，等.黄颡鱼游泳能力探究［J］.黑龙江畜牧兽医，2017（1）：222-226.
［18］于晓明，崔闻达，陈雷，等.水温、盐度和溶氧对红鳍东方鲀幼鱼游泳能力的影响［J］.中国水产科学，2017，24（3）：543-549.
［19］LU Cai，LIU Guoyong，RACHEL Taupier，et al.Effect of temperature on swimming performance of juvenile Schizothorax prenanti［J］.Fish Physiology and Biochemistry，2014，40（2）：491-498
［20］李会峰.鲤科鱼游泳能力及其在鱼道设计中的应用［D］.南宁：广西大学，2016.
［21］房敏.几种鲤科鱼游泳能力研究及竖缝式鱼道模拟与评价［D］.宜昌：三峡大学，2014.
［22］CAUDILL C C，KEEFER M L，CLABOUGH T S，et al.Indirect effects of impoundment on migrating fish：tem⁃perature gradients in fish ladders slow dam passage by adult chinook salmon and steelhead［J］.PLoS ONE，2013，8（12）：e85586.
［23］廖磊，安瑞冬，李嘉，等.齐口裂腹鱼趋流行为的水力学特性研究［J］.水电能源科学，2019，37（5）：69-72.
［24］金志军，陈小龙，王从锋，等.应用于鱼道设计的马口鱼（Opsariichthys bidens）游泳能力［J］.生态学杂志，2017，36（9）：2678-2684.
［25］罗凯强，康昭君，夏威，等.鱼道进口不同补水形式对齐口裂腹鱼上溯行为的影响［J］.生态学杂志，2019，38（4）：1182-1191.
［26］WANG R W，DAVID L，LARINIER M.Contribution of experimental fluid mechanics to the design of vertical slot fish passes［J］.Knowledge and Management of Aquatic Ecosystems，2010（396）:78-83.
［27］LI G N，SUN S K，ZHANG C，et al.Evaluation of flow patterns in vertical slot fishways with different slot posi⁃tions based on a comparison passage experiment for juvenile grass carp［J］.Ecological Engineering，2019，133，148-159.
［28］蔡露，刘国勇，RACHEL Taupier，等.齐口裂腹鱼幼鱼疲劳后游泳特性恢复状况研究［J］.水生生物学报，2013，37（6）：993-998.
［29］刘顺忠，荣丽敏，景丽芳.非参数统计和SPSS软件应用［M］.武汉：武汉大学出版社，2008.
260
Study on effect of water temperature on migration of schizothorax prenanti
in vertical slot fishway
GUO Ziqi1，2，LI Guangning2，QIE Zhihong1，
SUN Shuangke2，LIU Haitao2，ZHENG Tiegang2，WANG Cen2，3
（1.Agricultural University of Hebei，Baoding071001，China；
2.State Key Laboratory of Simulation of Water Cycle in River Basin，
China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing100038，China；
3.Three Gorges University，Yichang443002，China）
Abstract:Water temperature is one of the key factors affecting fish migration.In this study，fish passing tests about schizothorax prenanti were carried out in the hydraulic model of vertical slot fishway.In the wa⁃ter temperature range from13to21℃，the effects of passage rate and passage time on migratory behavior of schizothorax prenanti were quantitatively analyzed and tested by statistical analysis software SPSS.It has been found that in the range of water temperature from13to21℃，the water temperature has a significant effect on the schizothorax prenanti migration（P=0.032）.The passing rate of the fish decreases with the in⁃crease of water temperature（R2=0.82）.The passing rate of the tested fish is higher under the water temper⁃ature from13to16℃.Passing time increases with the increase of water temperature，which has statistical significance.
Keywords:water temperature；schizothorax prenanti；vertical slot fishway；SPSS；Jonckheere-terpstra test
（责任编辑：祁伟）（上接第254页）
Analysis of influencing factors and mechanism of microbial clay reinforcement
ZHANG Yinfeng1，WAN Xiaohong2，LI Na2，ZHAO Weiquan2，CHEN Jun3
（1.College of Resources and Environmental Engineering，Guizhou University，Guiyang550025，China；
2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing100038，China；
3.Guizhou Institute of Technology，Guiyang550003，China）
Abstract：In order to better promote the application of microbial induced calcium carbonate precipitation re⁃inforcement technology in geotechnical and environmental engineering，this paper carried out experimental re⁃search on microbial solidified clay，analyzed the main influencing factors of the microbial solidified clay test，and studied its reinforcement mechanism by means of macroscopic test combined with microscopic anal⁃ysis.The results showed that the suitable culture medium，inoculation ratio and culture environment（tem⁃perature，pH value）were beneficial to the growth and reproduction of microorganisms.Under certain urease activity，the curing temperature，curing time，the concentration and proportion of the cementing solution all had significant influence on the microbial induced calcium carbonate production.The amount of calcium car⁃bonate directly affects the reinforcement effect of the clay reinforced by microorganisms.The unconfined com⁃pressive strength of the clay is positively correlated with the amount of calcium carbonate.The unconfined compressive strength of the clay after curing for7days can be increased by more than50%，and the dam⁃age strain can be reduced by70%.A large number of crystals form on the surface of clay reinforced by microorganisms，which realizes the cementation between soil particles，fills the pores between the particles，increases the cohesion and internal friction Angle，and thus improves the strength of soil.
Keywords：microbe induced calcium carbonate precipitation；microbial solidified clay；cementing fluid con⁃centration；influence factor
（责任编辑：王学凤）
261。