CN107646752B - 研究亲鱼产卵与流速刺激定量关系的实验装置及实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种研究亲鱼产卵与流速刺激定量关系的实验装置及实验方法，该实验装置具体为环形水槽，由第一弧形水槽、第一异形水槽、第二弧形水槽和第二异形水槽依次首尾相接而成，外周长为70m‑110m，其中，第一异形水槽和第二异形水槽的内壁均为平面，且外壁与内壁之间的宽度均从两端向中间逐渐加宽，第一异形水槽和第二异形水槽中分别放置有能够使实验装置内最大水流流速达到预设值的水流推动设备。本发明所述的实验方法根据实验装置设置不同流速刺激亲鱼产卵，并得出流速与亲鱼产卵的定量关系。本发明的实验装置具备复杂流场，首次成功实现亲鱼产卵行为模型实验。

Description

研究亲鱼产卵与流速刺激定量关系的实验装置及实验方法
技术领域
本发明涉及生态学技术领域，尤其涉及一种研究亲鱼产卵行为与流速刺激之间定量关系的实验装置及方法。
背景技术
中国重要经济鱼类四大家鱼(草鱼、青鱼、鲢鱼、鳙鱼)的主要繁殖地位于长江，产量约占全国总产量的70％，繁殖时间主要在每年的5～7月。从20世纪80年代起，四大家鱼资源出现严重的衰减现象。2003年以后受三峡工程运行调节的影响，中下游河道的水力学条件发生了改变，四大家鱼产卵场发生了规模缩小、合并、位置迁移等变化，四大家鱼资源量显著下降。据调查统计，三峡下游监利断面的鱼苗径流量由60年代的1150亿尾，下降到三峡水库蓄水前2000～2002年的28.5亿尾、19亿尾、19亿尾；三峡水库运行后，又进一步下降，2007～2010年分别为0.9亿尾、1.8亿尾、0.4亿尾、4.2亿尾。2011年以来，为促进家鱼繁殖，三峡水库每年开展生态调度，四大家鱼卵苗径流量有所增加，但目前调度的理论依据主要还是基于对历史水文资料的分析总结，尚不清楚水流因子对鱼类产卵行为的驱动机理。
为进一步提高鱼类的繁殖效益，揭示鱼类产卵的适宜水流条件，国内外学者对不同鱼类产卵场水流特征进行了大量研究。Moir H J等研究苏格兰大西洋鲑产卵场时，选取局部水深、流速、弗劳德数作为描述产卵场水力特征的变量，Peggy Z等对挪威西部大西洋鲑鱼和褐鳟鱼的产卵场进行了数值模拟，研究了流速、水深、流量和底质的影响。陈永柏等对四大家鱼产卵场的水动力特征进行了分析，发现家鱼产卵位置多位于地形变化较大的江段。陈明千等将鱼类产卵场特性分为几何形态特性、水体运动学特征及水体动力学特征三个层面。王远坤等对鱼类产卵场的紊动能进行了计算分析，发现鱼类产卵场形成的重要原因之一是水流能量损失。这些研究大多数针对产卵场水文情势进行分析，缺乏对鱼类行为的深入研究。
为探索水动力学条件对鱼类的影响，刘稳等(2009)修建了流速渐变环形生态水槽，并在水槽内选取鲤科鱼类鲫鱼为代表进行模型试验研究，选用流速、流速梯度、动能梯度3个水动力学特征量，量化鱼类生长对水动力学条件的需求。专利方面，“一种测定鱼类对水流应激反应的实验装置(CN201220732987.2)”公开了一种测定鱼类对水流应激反应的实验装置，包括实验水池和感应监测装置；所述实验水池设置有表层和底层的平流、环流产生装置，产生侧向流动的环流和水平方向的平流；所述感应监测装置设置在所述实验水池上方，用于监测实验鱼的应激行为，该实用新型能够模拟各种不同的水流条件，记录和研究在不同水流条件下鱼类的行为特征，以及体内生化成分的适应性鱼类对水流应激反应。然而，该类型专利或文献中相似研究仅关注鱼类游泳行为，缺乏对鱼类产卵行为触发机理的揭示。
经研究发现，流速是诱发四大家鱼产卵的关键驱动因子；然而，目前尚未见利用大型水槽实验，研究流速刺激亲鱼产卵的实验方法与实验装置。究其原因，主要是由于产卵亲鱼体长较大(四大家鱼亲鱼体长0.6～1米)，且四大家鱼产卵适宜流速范围为1.0～1.65m/s；在大型水槽中，如何构造适宜流速和多样性流态环境刺激亲鱼产卵，是本发明的研究重点。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种研究亲鱼产卵行为与流速刺激之间定量关系的实验装置和方法，本发明的实验装置适用于较大体型的亲鱼产卵研究，能在实验区域为亲鱼提供多种流态的复杂流场，更接近天然河道，适宜亲鱼产卵研究。
技术方案：本发明所述的研究亲鱼产卵与流速刺激定量关系的实验装置为环形水槽，外周长为70m-110m，由第一弧形水槽、第一异形水槽、第二弧形水槽和第二异形水槽依次首尾相接而成，其中，所述第一异形水槽和所述第二异形水槽内壁均为平面，且外壁与内壁之间的宽度均从两端向中间逐渐加宽，所述第一异形水槽中和所述第二异形水槽中分别放置有能够使水槽内最大水流流速达到预设值的水流推动设备。本发明将异形水槽和弧形水槽结合，可以在不同实验区域形成不同流态，具体为：在异形水槽和弧形水槽的接壤处由于角度的转变，会产生一些回流，流速较小，可作为鱼类休息区，而在弧形水槽中，流速达到最大，可以作为产卵流速刺激区。例如最大流速1.2m/s的工况下，可以在环形水槽内形成0.35m/s、0.5m/s、1.0m/s、1.2m/s等多种流态复杂流场，流速0.35m/s供鱼疲劳时休息，流速1.2m/s用于刺激鱼产卵。
其中，为了适应体长0.6～1米的亲鱼生存，本发明将实验装置设为大型水槽，具体为：所述第一弧形水槽和第二弧形水槽的外壁半径为7m-12m，宽度为0.5m-1.2m，深度为1m-2m；所述第一异形水槽和所述第二异形水槽内壁的长度为11m-20m，宽度为1m-2.5m，深度为1-3m。
进一步的，为了得到更适宜鱼类产卵实验的复杂流场，本发明设置的异形水槽的形状具体为：所述第一异形水槽的外壁由第一斜壁、第一直壁和第二斜壁依次相接构成，所述第一直壁与第一异形水槽的内壁平行，所述第一斜壁与所述第一弧形水槽的外壁相接，所述第二斜壁与所述第二弧形水槽的外壁相接；所述第二异形水槽的外壁由第三斜壁、第二直壁和第四斜壁依次相接构成，所述第二直壁与第二异形水槽的内壁平行，所述第三斜壁与所述第一弧形水槽的外壁相接，所述第四斜壁与所述第二弧形水槽的外壁相接。异形水槽的斜壁设置的角度具体为：所述第一异形水槽的第一斜壁与其内壁的夹角θ1满足：5°≤θ1≤30°；所述第一异形水槽的第二斜壁与其内壁的夹角θ2满足：5°≤θ2≤30°；所述第二异形水槽的第一斜壁与其内壁的夹角θ3满足：5°≤θ3≤30°；所述第二异形水槽的第二斜壁与其内壁的夹角θ4满足：5°≤θ4≤30°。异形水槽的外壁设计一方面可以使得在异形水槽内有位置放置水流推动设备，另一方面还能够复杂流场，另外，外壁的角度如果太大，会使水槽的占用面积过大，且会对水流流速造成过大阻碍，使得弧形水槽中最大流速达不到要求，因此5°～30°的角度最为合理。
进一步的，所述第一异形水槽中沿长度方向设置有第一挡板，所述第一挡板的两端分别采用挡鱼网连接至所述第一异形水槽的外壁上；所述第二异形水槽中沿长度方向设置有第二挡板，所述第二挡板的两端分别采用挡鱼网连接至所述第二异形水槽的外壁上。所述第一挡板、所述第一异形水槽的外壁和挡鱼网所围成的区域中放置有第一推流器，所述第二挡板、所述第二异形水槽的外壁和挡鱼网所围成的区域中放置有第二推流器。若推流器动力不足，还可以在所述第一异形水槽与所述第一弧形水槽的相接处设置第一潜水泵，所述第二异形水槽与所述第一弧形水槽的相接处设置第二潜水泵，所述第一异形水槽与所述第二弧形水槽的相接处设置第三潜水泵，所述第一异形水槽与所述第一弧形水槽的相接处设置第四潜水泵。推流器和潜水泵是能够使实验装置内最大水流流速达到预设值的水流推动设备，在实验时，按需开启各水流推动设备。挡板的作用一方面是隔开推流器和鱼，另一方面还可以在异形水槽产生更复杂的流场。
本发明所述的研究亲鱼产卵与流速刺激定量关系的实验方法，是采用上述实验装置进行研究，具体包括：
(1)向所述环形水槽内注入水，使得槽内水位达到实验要求，并去除水中杂质和有害物质；
(2)将亲鱼样本转移至环形水槽内，并适应6小时以上；
(3)在亲鱼适宜生存的流速范围内间隔选择多个速度分别作为各个工况的最大流速；
(4)按照设定工况，开启水流推动设备使得水流的最大流速达到预设值，每组工况执行2小时-2天，分别记录每个工况中亲鱼产卵情况，中间实时监测水质和亲鱼状态，水质低于预设值时及时清理或更换水质，亲鱼力竭时水流推动设备，中止实验，待恢复体力后继续实验；
(5)整理得到各个工况的最大流速刺激下，亲鱼产卵的状况。
其中，所述工况共有四种，每种的最大流速和达到最大流速所需开启的水流推动设备组合具体如下表所示：
Figure GDA0002295744200000041
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：
1、本发明设计的实验装置，是一种大型水槽，相比较传统小型水槽，本发明更适宜体长0.6～1米的亲鱼产卵行为研究；
2、传统的圆形或方形水槽，其流速各个区域几乎一致，不适宜亲鱼产卵研究，本发明设计的实验装置将异形水槽和弧形水槽相结合，可以提供不同区域不同流态刺激亲鱼产卵(例如最大流速1.2m/s的工况下，同时提供0.35m/s、0.5m/s、1.0m/s、1.2m/s等多种流态复杂流场)，高速区域用于刺激亲鱼产卵，低速用于亲鱼休息，也与自然河流更相似；
3、本发明的实验方法根据亲鱼产卵流速需求，设计不同流速及流速变率工况，研究出了流速与亲鱼产卵的关系，可以为三峡水库的精细化生态调度提供科学参考。
附图说明
图1是本发明实验装置的俯视结构示意图；
图2是图1中a-a剖视图和b-b剖视图；
图3是本发明实验装置的流场分区示意图；
图4是本发明实验装置的实际结构图；
图5是亲鱼示意图；
图6是第一组实验结果示意图；
图7是第二组实验结果示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明的实验装置的一个实施例，其具体为一环形水槽，由第一弧形水槽100、第一异形水槽200、第二弧形水槽300和第二异形水槽400依次首尾相接而成，第一弧形水槽100和第二弧形水槽300的外壁半径R为7m-12m，宽度为0.5m-1.2m，深度为1m-2m；第一异形水槽200和第二异形水槽400内壁的长度L为11m-20m，宽度为1m-2.5m，深度为1-3m，环形水槽的外周长为70m-110m。环形水槽可以对称设计，也可以不对称设计，即第一弧形水槽和100第二弧形水槽300的周长不一致，或第一异形水槽200和第二异形水槽400的周长不一致，都可以实现复杂流场，不过对称设计效果更优，更好控制和实验研究，下面以对称设计为例介绍。
如图1所示，第一异形水槽200和第二异形水槽400内壁均为平面，且外壁与内壁之间的宽度均从两端向中间逐渐加宽，使得第一异形水槽200和第二异形水槽400的外壁成大致等腰梯形，具体，第一异形水槽200的外壁由第一斜壁201、第一直壁202和第二斜壁203依次相接构成，第一直壁202与第一异形水槽200的内壁平行，第一斜壁201与第一弧形水槽100的外壁相接，第二斜壁203与第二弧形水槽300的外壁相接，相切连接为最优方式。第二异形水槽400与第一异形水槽200对称设计。可以理解的，第一异形水槽200和第二异形水槽400的外壁也可以呈等腰三角形，即没有第一直壁和第二直臂。
第一异形水槽200和第二异形水槽400中还放置有能够使水流流速最大值达到预设值的水流推动设备，具体可以是推流器和潜水泵的组合。如图1所示，第一异形水槽200中沿长度方向设置有第一挡板204，第一挡板204的两端分别采用挡鱼网205连接至第一异形水槽200的外壁上，所围成的区域中放置有第一推流器501；第二异形水槽400中沿长度方向设置有第二挡板404，第二挡板404的两端分别采用挡鱼网405连接至第二异形水槽400的外壁上，所围成的区域中放置有第二推流器502，推流器底部相对挡板外的深度加深1m左右，具体如图2所示。其中，第一挡板204和第二挡板404可以是水泥墙，也可以是成品板放置，推流器具有桨叶，旋转时可能会伤害到鱼，因此，采用挡鱼网和挡板隔开，第一挡板长度l满足：l＝k*L，L表示第一异形水槽的内壁长度，k＝0.6～0.9；所述第二挡板长度与第一挡板长度相等，且通过仿真分析和实验验证，此长度的挡板可以提供更为适宜产卵研究的复杂流场。另外，若推流器达不到预设最大流速，还可以加设潜水泵，具体为：在第一异形水槽200与第一弧形水槽100的相接处设置第一潜水泵601，第一异形水槽200与第二弧形水槽300的相接处设置第二潜水泵602，第二异形水槽400与第一弧形水槽100的相接处设置第三潜水泵603，第二异形水槽400与第一弧形水槽100的相接处设置第四潜水泵604。潜水泵没有桨叶因此不会伤害到鱼。需要注意的是，若异形水槽中放置的是不伤害鱼的水流推动设备，那么可以去除挡板和挡鱼网。
第一异形水槽200的第一斜壁201与其内壁的夹角θ1满足：5°≤θ1≤30°；第一异形水槽200的第二斜壁203与其内壁的夹角θ2满足：5°≤θ2≤30°；第二异形水槽400对称设计。异形水槽斜壁与内壁夹角的设计可以减少用水面积，同时还可造成多种流速区域。
本装置产生复杂流场的原理具体为：如图3所示，将水槽划分为8个区，左右各4个区两两对称，其中A、A’为回流区；B、B’为实验区；C、C’、D、D’为缓流区。其中A、A’区域因为异形水槽和弧形水槽的接壤，会在此处产生一些回流，流速较小，可作为鱼类休息区，C、C’为推流器进口区域，面积较大，流速也相对较小，也可作为鱼类休息区，B、B’为弧形水槽中，没有阻碍，流速达到最大，D、D’因为分流，流速也相对B、B’较缓慢。
下面基于环形水槽进行亲鱼产卵实验：
1、将环形水槽的参数设置为：弧形水槽外径为18m，异形水槽的内壁长15m，水槽外周长87.33m，内周长81.90m，宽度0.74m，深度1.70m。实际如图4所示。
2、实验用鱼准备：实验用鱼为发育成熟的草鱼亲本，如图5所示，分两批次购买，现场验收期间经专业人员鉴定，所购亲鱼性腺发育期均达到IV期以上，具备产卵条件。第1批次共计购买23条亲鱼(15雌、8雄)，其中有4条雌鱼在暂养期间脱网逃逸，实际实验用鱼为19条(11雌鱼、8雄)；第2批次共计购买20条亲鱼(10雌、10雄)。为了消除运送过程对鱼的影响，实验开始之前，将实验用鱼驯养于人工湖，湖内水质优良，溶氧充足，能够保证鱼类的基本生存环境。
3、实验实施步骤
(1)打开水泵，向环形水槽内注入自来水，待槽内水位达到实验要求以后，关闭水泵，停止注水。将水槽中的自来水静置3天，以除去水中的有害物质-氯，静置期间每隔3个小时记录水温和溶解氧浓度，并打捞落入水槽中的杂物。
(2)实验用水静置3天后，将亲鱼样本转移至环形水槽，为消除转移过程对鱼体的影响，鱼放入水槽1天后开始实验。
(3)每组实验从工况1设定的流速开始进行，持续1天后，加速至工况2，以此类推直至工况4，实验期间每隔2小时记录一次水质数据，实验过程中鱼类出现运动力竭的情况，则尽快关闭水流推动设备，待鱼类恢复体力后继续实验。实验期间每隔6小时采卵一次，采卵持续时间10分钟，记录每次采集的鱼卵数量，环形水槽内平均分布有30个流速仪，用于测定各工况的流速。设定的工况的具体情况为：
表1
Figure GDA0002295744200000061
(4)实验后期受到温度条件制约及鱼类疲劳状态影响，针对工况3、4加做实验，实验时间调整为夜间进行，每组工况时间为3小时，工况间隔时间3小时。
(5)整理得到各个工况的最大流速刺激下，亲鱼产卵的状况
4、实验结果
流速测试结果：实测的流速经过计算后，各区分布如表2所示
表2
Figure GDA0002295744200000071
两组实验进行过程中，观察到亲鱼在工况1.4m/s、1.6m/s流速条件下，有产卵行为发生，都采集到鱼卵及卵膜，但产卵数量及规模有所差异。第一组实验在1.4m/s卵膜数量6，1.60m/s卵膜数量183颗，推测产卵亲鱼条数至少为1条，产于1.60m/s，占全部雌性亲鱼样本量的9％；其他流速刺激下均未发现产卵行为。第二组实验在1.4m/s、1.6m/s流速刺激下均观察到不同程度的产卵现象，其中1.4m/s流速持续刺激2小时后发现产卵现象，共采集到50颗卵膜，经现场检查发现至少有一条雌性亲鱼发生产卵行为，占全部雌鱼样本的10％；在1.6m/s流速刺激下，出现大规模产卵现象，10分钟内收集到600颗鱼卵，推测产卵亲鱼为5条，占全部雌鱼样本的40％，在不同流速刺激下，产卵亲鱼所占比例如图6和图7所示。第一组实验水温和亲鱼成熟条件与第二组不同，造成数据结果差异，但是仍然可以根据结果得出亲鱼产卵与流速有很大关系，亲鱼只有在特定水流刺激下才会产卵。

Claims (8)

1.一种研究亲鱼产卵与流速刺激定量关系的实验装置，其特征在于：该实验装置具体为环形水槽，由第一弧形水槽、第一异形水槽、第二弧形水槽和第二异形水槽依次首尾相接而成，外周长为70m-110m，其中，第一异形水槽和第二异形水槽的内壁均为平面，且外壁与内壁之间的宽度均从两端向中间逐渐加宽，第一异形水槽和第二异形水槽中分别放置有能够使水槽内最大水流流速达到预设值的水流推动设备；所述第一异形水槽的外壁由第一斜壁、第一直壁和第二斜壁依次相接构成，第一直壁与第一异形水槽的内壁平行，第一斜壁与第一弧形水槽的外壁相接，第二斜壁与第二弧形水槽的外壁相接；所述第二异形水槽的外壁由第三斜壁、第二直壁和第四斜壁依次相接构成，所述第二直壁与第二异形水槽的内壁平行，所述第三斜壁与所述第一弧形水槽的外壁相接，所述第四斜壁与所述第二弧形水槽的外壁相接。
2.根据权利要求1所述的研究亲鱼产卵与流速刺激定量关系的实验装置，其特征在于：所述第一弧形水槽和第二弧形水槽的外壁半径均为7m-12m，宽度均为0.5m-1.2m，深度均为1m-2m；所述第一异形水槽和第二异形水槽内壁的长度均为11m-20m，宽度为1m-2.5m，深度为1m-3m。
3.根据权利要求2所述的研究亲鱼产卵与流速刺激定量关系的实验装置，其特征在于：所述第一异形水槽的第一斜壁与其内壁的夹角θ1满足：5°≤θ1≤30°；所述第一异形水槽的第二斜壁与其内壁的夹角θ2满足：5°≤θ2≤30°；所述第二异形水槽的第三斜壁与其内壁的夹角θ3满足：5°≤θ3≤30°；所述第二异形水槽的第四斜壁与其内壁的夹角θ4满足：5°≤θ4≤30°。
4.根据权利要求1所述的研究亲鱼产卵与流速刺激定量关系的实验装置，其特征在于：所述第一异形水槽中沿长度方向设置有第一挡板，第一挡板的两端分别采用挡鱼网连接至第一异形水槽的外壁上；所述第二异形水槽中沿长度方向设置有第二挡板，第二挡板的两端分别采用挡鱼网连接至第二异形水槽的外壁上。
5.根据权利要求4所述的研究亲鱼产卵与流速刺激定量关系的实验装置，其特征在于：所述第一挡板、第一异形水槽的外壁以及挡鱼网所围成的区域中放置有第一推流器，所述第二挡板、第二异形水槽的外壁以及挡鱼网所围成的区域中放置有第二推流器。
6.根据权利要求5所述的研究亲鱼产卵与流速刺激定量关系的实验装置，其特征在于：所述第一异形水槽与第一弧形水槽的相接处设置有第一潜水泵，所述第一异形水槽与第二弧形水槽的相接处设置有第二潜水泵，所述第二异形水槽与第二弧形水槽的相接处设置有第三潜水泵，所述第二异形水槽与第一弧形水槽的相接处设置有第四潜水泵，潜水泵和推流器为所述水流推动设备。
7.一种研究亲鱼产卵与流速刺激定量关系的实验方法，其特征在于，该方法采用权利要求1所述实验装置进行研究，具体包括：
(1)向所述实验装置内注入水，使得槽内水位达到实验要求，并去除水中杂质和有害物质；
(2)将亲鱼样本转移至实验装置内，并适应6小时以上；
(3)在亲鱼适宜生存的流速范围内间隔选择多个速度分别作为各个工况的最大流速；
(4)按照设定工况，开启水流推动设备使得水流的最大流速达到预设值，每组工况执行2小时-2天，分别记录每个工况中亲鱼产卵情况，期间实时监测水质和亲鱼行为，水质低于预设值时及时清理或更换水质，亲鱼力竭时关闭水流推动设备，中止实验，待恢复体力后继续实验；
(5)整理得到各个工况的最大流速刺激下，亲鱼产卵的状况。
8.根据权7所述的研究亲鱼产卵与流速刺激定量关系的实验方法，其特征在：所述工况共有四种，每种的最大流速和达到最大流速所需开启的水流推动设备组合具体如下表所示：
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