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基于鲤科鱼游泳能力的鱼道优化设计研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球经济的快速发展，水利工程建设在水资源开发利用、防洪、灌溉、发电等方面发挥着重要作用。然而，这些工程的兴建不可避免地对河流生态系统产生了深远影响，其中对鱼类洄游的阻碍尤为突出。水利工程的大坝、水闸等设施阻断了河流的连续性，破坏了鱼类的自然洄游通道，导致许多洄游性和半洄游性鱼类无法完成其生活史，如繁殖、索饵和越冬等关键行为，进而致使物种数量的减少，甚至会造成部分特定物种的灭绝。例如，长江流域的葛洲坝水利枢纽建成后，中华鲟的洄游路线被截断，其种群数量急剧下降。

鲤科鱼是淡水鱼类中种类繁多、分布广泛的一个科，在河流生态系统中占据重要地位。它们不仅是许多水域生态系统的关键物种，还在渔业经济中具有重要价值。不同种类的鲤科鱼具有各自独特的游泳能力和行为习性，这与它们的生态需求和生存策略密切相关。例如，草鱼幼鱼相对临界游泳速度随着体长增加而减小，绝对临界游泳速度随着体长增加而增大；在20-29℃温度区间内，鳙鱼的相对临界游泳速度随着温度的升高而增大。

鱼道作为一种重要的过鱼设施，被广泛认为是缓解水利工程对鱼类洄游影响的有效手段之一。它为鱼类提供了一条人工通道，帮助它们绕过障碍物，实现上下游的迁移。鱼道的设计是否科学合理，直接关系到其过鱼效果和生态效益。而鱼类的游泳能力是鱼道设计的重要科学依据，准确了解鲤科鱼的游泳能力，对于优化鱼道设计、提高鱼道通过率、保护鱼类资源和维护河流生态平衡具有至关重要的意义。

从工程角度来看，基于鲤科鱼游泳能力设计鱼道，可以确保鱼道内的水流条件（如流速、流态等）与鱼类的运动能力相匹配，使鱼类能够顺利通过鱼道，减少体力消耗和死亡率。从生态角度讲，合理的鱼道设计有助于保护鱼类的多样性和生态功能，促进河流生态系统的健康稳定发展。因此，深入研究鲤科鱼游泳能力及其在鱼道设计中的应用，具有重要的理论意义和实际应用价值，能够为水利工程建设与生态环境保护的协调发展提供科学指导。

1.2国内外研究现状

在鱼类游泳能力研究方面，国外起步相对较早。17世纪末期，欧洲研究者便已开启了对鱼类游泳能力的探索，Bainbridge和Wardle通过相关设施对鱼类的游泳速度展开测定。1893年，Regnaed等测定了鱼类的游泳能力，并首次提出这一概念。20世纪40-50年代，Fry和Black等分别对鱼类游泳做了定性描述，并提出鱼类具有较强的有氧和无氧代谢能力。1964年，Brett首次使用递增流速法测定鱼类最大持续游泳能力，并提出临界游泳速度这一评价指标，极大地推动了鱼类游泳研究的发展。此后，国外许多研究聚焦于鲑鱼等长距离洄游鱼类的游泳能力，在不同环境因素对鱼类游泳能力的影响方面取得了丰富成果，例如深入研究了温度、盐度、溶解氧等因素对鲑鱼游泳速度、耐力等方面的作用机制。

我国对于鱼类游泳能力的研究起步于20世纪80年代，林浩然等对鱼类游泳过程中的生理代谢进行了研究。2010年至今，国内研究发展迅速，学者们着重对我国江河常见的短途洄游淡水鱼类及特有鱼类的游泳能力、游泳行为、代谢与影响鱼类游泳能力的影响因子展开研究。王猛和罗思从亚科层面分析我国鲤科鱼类的游泳能力，发现裂腹鱼亚科、鲃亚科以及部分鮈亚科鱼类游泳能力较强，绝对临界游泳速度可达100cm/s及以上。蔡露等人利用学术论文数据库筛选出115篇中国鲤科鱼类游泳能力相关论文，用Origin软件进行数据统计分析，建立了鱼类游泳速度与鱼体长度的幂函数经验公式，并且依据经验公式和协方差分析得出喜流水型鲤科鱼类的游泳能力大于广适型大于喜静水型的结论。

在鱼道设计研究领域，国外在鱼道的类型、水力参数优化以及与生态环境的融合等方面开展了大量研究。例如，对不同类型鱼道（如池式鱼道、竖缝式鱼道、仿生态鱼道等）的水力特性、过鱼效果进行了深入研究和对比分析，提出了一系列优化设计方案。美国在哥伦比亚河上建设的鱼道，通过对鱼道的结构、水流条件等进行精细设计和调控，有效提高了鲑鱼等鱼类的洄游通过率。欧洲一些国家在鱼道设计中注重与自然景观的融合，采用生态材料和自然式的结构布局，为鱼类提供更加接近自然的洄游通道。

国内学者在生态水工建筑物鱼道的设计原理、结构形式、运行管理等方面进行了深入研究。曹庆磊、杨文俊、陈辉对异侧竖缝式鱼道水力特性展开试验研究，分析了竖缝宽度、水流流速等参数对鱼道内水流结构和过鱼效果的影响。张国强和孙双科研究了竖缝宽度对竖缝式鱼道水流结构的影响，为鱼道的优化设计提供了理论依据。徐体兵和孙双科运用数值模拟方法对竖缝式鱼道水流结构进行研究，为鱼道设计提供了新的技术手段。在实际工程应用中，我国也建设了众多鱼道，如淮河蚌埠闸鱼道、广西落久水利枢纽