CN109287532A - 一种测量流速作用下鱼类回避溶解气体过饱和水体能力的实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测量流速作用下鱼类回避溶解气体过饱和水体能力的实验方法，步骤如下；a、选取实验样品；b、制作实验模型；c、选取实验设备；d、调节溶解气体过饱和水通量和回水使过饱和区域内产生稳定的溶解气体过饱和浓度；e、用流速仪将清水区域调到不同流速；f、在水槽末端设置摄像头，监控各工况下鱼类回避行为的变化过程。该测量流速作用下鱼类回避溶解气体过饱和水体能力的实验方法通过简单的实验装置，和专业的仪器设备，得到了较为准确的测量结果，这样有助于躲避空间营造工程设计提供基础参数，丰富溶解气体过饱和(TDG)不利影响减缓措施的研究内容，不会导致其下游TDG饱和度水平较高，也不会造成下游河道鱼类的生存环境发生改变和对流域内的鱼类资源及水生生态系统造成破坏。
Description
技术领域
本发明涉及水利工程溶解气体过饱和技术领域，具体为一种测量流速作用下鱼类回避溶解气体过饱和水体能力的实验方法。
背景技术
高坝水电工程在泄流过程中，高速紊动水流强烈的掺气作用，使得下游水体出现总溶解气体过饱和(Total Dissolved Gas Supersaturation，简称TDGS)现象，且在河道一定范围内，TDG难以得到释放。随着水电项目的开发，总溶解气体过饱和现象导致高坝下游河道生态环境问题已日益突出，鱼类患上气泡病(Gas Bubble Trauma，简称GBT)甚至出现死亡的报道也屡见不鲜。我国西南山区水力资源丰富，近年来，已有众多高坝或超高坝逐渐建成运行，导致其下游TDG饱和度水平较高，造成下游河道鱼类的生存环境发生改变，势必将会对流域内的鱼类资源及水生生态系统造成破坏。
在高坝泄洪期间，有些鱼则不具备对溶解气体过饱和水体的感知能力往往受到无法逆转的损伤，很多鱼类则对溶解气体过饱和水体有不同程度的感知回避能力，可以感知到溶解气体过饱和水体胁迫从而在河道中寻找溶解气体过饱和浓度较低的地方进行回避躲避。如果河道有合适的躲避空间，可以减缓溶解气体过饱和的伤害。人工营造低饱和浓度的水流区域作为回避空间可以大大提高下游鱼类在泄洪期间的存活率。为了吸引鱼类进入躲避空间，甚至集群进入躲避空间，需要研究鱼类的趋流特性。
鱼类的趋流特性(rheotaxis)是指鱼类通过对水流流速和方向的感知，进而调整自身游向和游速的能力。鱼类主要依靠侧线神经系统和视觉运动反应感知流速刺激，使其保持顶流游泳状态或停留在某一特定的位置。鱼类的侧线系统是一个复杂的神经感觉系统，其主要的感觉单位是神经丘，侧线神经丘主要分为两种类型：浅表神经丘(SuperficialNeuromast)位于鱼体表面的表皮内；管状神经丘(Canal Neuromast)埋在鱼类真皮的管道内，通过侧线孔与外界相通。鱼类通过邻近的侧线管神经丘感受流速梯度带来的压力差，进而判断周围环境的水流流速强度和方向。鱼类视觉运动反应可以理解为：鱼类通过视觉感受辨别外界环境中各种物体距离、方位等情况，从而调整自身的游动行为。鱼类对流速的响应是侧线神经系统和视觉反应系统共同作用下的一种行为反应，对鱼类适应外界水流，改变和调整自身游动形态有着重要作用
同时我们需要考虑到溶解气体过饱和水体会损坏鱼类的游泳能力和一定程度上影响鱼类的趋流特性。因此，为了探究在溶解气体过饱和水体中躲避空间流速和鱼类吸引效果之间的定量关系，本方案提出了一种测量躲避空间最佳吸引流速的实验方法。选择模型试验的方法，以齐口裂腹鱼为例得到了最佳流速区间。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种测量流速作用下鱼类回避溶解气体过饱和水体能力的实验方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种测量流速作用下鱼类回避溶解气体过饱和水体能力的实验方法，步骤如下；a、选取实验样品；b、制作实验模型；c、选取实验设备；d、调节溶解气体过饱和水通量和回水使过饱和区域内产生稳定的溶解气体过饱和浓度；e、用流速仪将清水区域调到不同流速；f、在水槽末端设置摄像头，监控各工况下鱼类回避行为的变化过程。
优选的，所述步骤a中的实验样品为齐口裂腹鱼实验开始前将所有样本鱼暂养2天，暂养期期间不进行人工投喂。实验时挑选40尾健康无外伤的实验鱼进行回避实验。
优选的，所述步骤b中的实验模型为躲避空间水槽全长8m，宽1m，在水槽0～4m处设置隔板，用于分隔TDGS水体和清水，清水入水口尺寸为15×30cm，溶解气体过饱和水(TDG)管直径为15cm，分别在入水口加一稳流装置，以控制分区流速，在尾水槽处设置一跌坎，以控制实验水槽水深，使实验过程中水深维持在30cm，实验水槽共分为8个区，其中清水(B区)和TDGS水体区(A区)各分为4个区，掺混区分4个区。
优选的，所述的步骤c中选取的实验设备为，NKY02-1C型旋桨测速仪、ADV声学多普勒流速仪、TGP测定仪(Total Dissolved Gas Pressure简称TGP)是用以测量表征水体溶解气体过饱和水(TDG)浓度的值。
优选的，所述NKY02-1C旋桨测速仪(流速测量量程为1.00～300.00cm/s，精度为0.01cm/s)、声学多普勒流速仪(Acoustic-Doppler Velocimeter，简称ADV)对水槽流速进行测定为了更好地测量溶解气体过饱和水(TDG)，所述TGP测定仪和流速仪应置于实验水箱内液面以下0.15米深处。
优选的，所述槽末端用DVD摄像仪对实验过程中实验鱼的游动行为进行拍摄记录。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该测量流速作用下鱼类回避溶解气体过饱和水体能力的实验方法；通过简单的实验装置，和专业的仪器设备，得到了较为准确的测量结果，这样有助于躲避空间营造工程设计提供基础参数，丰富溶解气体过饱和水(TDG)不利影响减缓措施的研究内容，不会导致其下游TDG饱和度水平较高，也不会造成下游河道鱼类的生存环境发生改变和对流域内的鱼类资源及水生生态系统造成破坏。
附图说明
图1为本发明一种测量流速作用下鱼类回避溶解气体过饱和水体能力的实验方法的实验工况表示意图；
图2为本发明一种测量流速作用下鱼类回避溶解气体过饱和水体能力的实验方法的各鱼类躲避空间模型示意图；
图3为本发明一种测量流速作用下鱼类回避溶解气体过饱和水体能力的实验方法的各流速条件下实验鱼进入躲避空间各区域的比率示意图；
图4为本发明一种测量流速作用下鱼类回避溶解气体过饱和水体能力的实验方法的各流速条件下实验鱼躲避TDGS水体过程示意图；
图5为本发明一种测量流速作用下鱼类回避溶解气体过饱和水体能力的实验方法的实验鱼在躲避空间各区内的回避率示意图。
图中：图4中(A)流速为0.01m/s时，实验鱼躲避过程；(B)流速为0.06m/s时，实验鱼躲避过程；(C)流速为0.09m/s时，实验鱼躲避过程；(D)流速为0.12m/s，实验鱼的躲避过程
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种测量流速作用下鱼类回避过饱和水体能力的实验方法，步骤如下；a、选取实验样品；b、制作实验模型；c、选取实验设备；d、调节溶解气体过饱和水通量和回水使过饱和区域内产生稳定的溶解气体过饱和浓度；e、用流速仪将清水区域调到不同流速；f、在水槽末端设置摄像头，监控各工况下鱼类回避行为的变化过程。
进一步的，所述步骤a中的实验样品为齐口裂腹鱼，实验开始前将所有样本鱼暂养2天，暂养期间期间不进行人工投喂，实验时挑选40尾健康无外伤的实验鱼进行回避实验。
具体的，(1)实验正式测试前，将40尾健康且有活力的实验鱼放入水槽末端的暂养区域，以适应水槽水温。
(2)调整溶解气体过饱和水流和回水使得过饱和区域的TDG饱和度稳定在145％。
(3)调整清水区进口流速至图1中表中各个工况指定流速。
(4)观察和对比在各流速工况下，实验鱼对TDGS水体的回避行为，并记录其在TDGS水体中的回避率情况。
(5)每工况实验结束后，调低清水水箱流速，关闭TDGS水体阀门，将实验鱼集中在水槽的第8区进行恢复后再进行下一组实验。
(6)实验分析，实验分别观察了不同流速下，齐口裂腹鱼在水平回避模型中的游动情况，对比分析了在通入和未通入145％TDG饱和水体条件下，实验鱼在模型中各区域内的分布情况。实验观察发现，在未通入TDGS水体情况下，齐口裂腹鱼在各流速工况下往复游动频繁，并均匀分布在A、B两个区域。当通入TDG饱和度为145％的水体后，在清水区流速为0.01m/s条件下，实验鱼多聚集在清水区域内，10min以后，少部分实验鱼游至TDGS水体区域，且在各区域内有较均匀的分布，20min后，实验鱼在模型各区域分布均匀，未表现出对TDGS水体较强的回避能力。在清水回避区进口吸引水流流速为0.06m/s条件下，实验鱼出现明显的集群现象，随着时间的延长，实验鱼群体逐渐由实验水槽末端游至清水区，群体回避效应较明显。当进口流速为0.09m/s时，齐口裂腹鱼多集群出现在TDGS区域和清水隔离区尾部(C区)和水槽尾水区域(E区)，随着时间的延长，齐口裂腹鱼群体多选择集中在清水区域末端(B4区)进行回避。当进口流速为0.12m/s时，实验鱼出现较快的上溯回避现象，能依次快速地游至清水B区，但没有出现集群和群体回避现象，多为个体的回避反应，且游动较为频繁，实验鱼表现出较无规律的回避效应。
进一步的，所述步骤b中的实验模型为躲避空间水槽全长8m，宽1m，在水槽0～4m处设置隔板，用于分隔TDGS水体和清水，清水入水口尺寸为15×30cm，溶解气体过饱和水(TDG)水管直径为15cm，分别在入水口加一稳流装置，以控制分区流速，在尾水槽处设置一跌坎，以控制实验水槽水深，使实验过程中水深维持在30cm，实验水槽共分为8个区，其中清水(B区)和TDGS水体区(A区)各分为4个区，掺混区分4个区。
进一步的，所述的步骤c中选取的实验设备为，NKY02-1C型旋桨测速仪、ADV声学多普勒流速仪、TGP测定仪(Total Dissolved Gas Pressure简称TGP)是用以测量表征水体溶解气体过饱和水(TDG)浓度的值。
进一步的，所述NKY02-1C旋桨测速仪(流速测量量程为1.00～300.00cm/s，精度为0.01cm/s)、声学多普勒流速仪(Acoustic-Doppler Velocimeter，简称ADV)对水槽流速进行测定为了更好地测量溶解气体过饱和水(TDG)浓度，所述TGP测定仪和流速仪应置于实验水箱内液面以下0.15米深处。
进一步的，所述槽末端用DVD摄像仪对实验过程中实验鱼的游动行为进行拍摄记录。
进一步的，利用如图2所示支槽回避空间实验装置，开展不同感应流速下齐口裂腹鱼对TDGS水体的水平回避实验。实验正式测试前，将40尾健康且有活力的实验鱼放入水槽末端第F区，以适应水槽水温。为研究在TDG饱和度为145％条件下，不同清水区进口流速是否会影响齐口裂腹鱼对TDGS水体的回避效应，特设置图1实验工况，观察和对比在各流速工况下，实验鱼对TDGS水体的回避行为，并记录其在TDGS水体中的回避率情况。每工况实验结束后，调低清水水箱流速，关闭TDGS水体阀门，将实验鱼集中在水槽的第8区进行恢复后再进行下一组实验。为控制实验过程中，人为活动对鱼类回避选择过程的干扰，特在水槽末端设置摄像头，监控各工况下鱼类回避行为的变化过程。实验过程中，通过调节清水入流阀门开度，控制清水流量以获得不同流速条件，保持实验水槽水深为30cm左右，并控制实验水温变化范围在16～17℃。
通过实验过程中观察并记录的各工况条件下清水区和TDGS水体区实验鱼的数量，依据(式1-1)计算出实验鱼在水槽各区域内的出现率。通过计算各工况条件下齐口裂腹鱼在躲避空间模型内的回避率(式1-2)，来评价各流速工况下，实验鱼感知和回避TDGS水体的能力。
其中，Pi为实验鱼在回避空间各区域内的出现率；ni为水槽中各区域实验鱼的尾数；N为实验鱼总数；Pa为实验鱼的回避率；Ei为清水区域内实验鱼尾数；A为TDGS区域内实验鱼尾数；Na为回避空间内实验鱼总数，即Na＝∑Ei+A。
分析各流速条件下实验鱼回避率差异的显著性利用单因素方差分析方法(One-way ANOVA)，显著水平为p<0.05，极显著水平为p<0.001。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种测量流速作用下鱼类回避溶解气体过饱和水体能力的实验方法，其特征在于：步骤如下；a、选取实验样品；b、制作实验模型；c、选取实验设备；d、调节溶解气体过饱和水通量和回水使过饱和区域内产生稳定的溶解气体过饱和浓度；e、用流速仪将清水区域调到不同流速；f、在水槽末端设置摄像头，监控各工况下鱼类回避行为的变化过程。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤a中的实验样品为齐口裂腹鱼，实验开始前将所有样本鱼暂养2天，暂养期间不进行人工投喂。实验时挑选40尾健康无外伤的实验鱼进行回避实验。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤b中的实验模型为躲避空间水槽全长8m，宽1m，在水槽0～4m处设置隔板，用于分隔TDGS水体和清水，清水入水口尺寸为15×30cm，溶解气体过饱和水(TDG)管直径为15cm，分别在入水口加一稳流装置，以控制分区流速，在尾水槽处设置一跌坎，以控制实验水槽水深，使实验过程中水深维持在30cm，实验水槽共分为8个区，其中清水(B区)和TDGS水体区(A区)各分为4个区，掺混区分4个区。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤c中选取的实验设备为，NKY02-1C型旋桨测速仪、ADV声学多普勒流速仪、TGP测定仪(Total Dissolved Gas Pressure简称TGP)是用以测量表征水体溶解气体过饱和水(TDG)浓度度的值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述NKY02-1C旋桨测速仪(流速测量量程为1.00～300.00cm/s，精度为0.01cm/s)、声学多普勒流速仪(Acoustic-DopplerVelocimeter，简称ADV)对水槽流速进行测定为了更好地测量溶解气体过饱和水(TDG)浓度，所述TGP测定仪和流速仪应置于实验水箱内液面以下0.15米深处。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述槽末端用DVD摄像仪对实验过程中实验鱼的游动行为进行拍摄记录。
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