一种测试鱼类最大游泳能力的方法与流程

1.本发明涉及生态与鱼类保护技术领域，尤其涉及一种测试鱼类最大游泳能力的方法。


背景技术：

2.鱼类的游泳能力的测试方法有许多种，目前广泛采用的方法是在封闭方形水槽中使用固定/递增流速法进行测试，该方法是由brett(1964)开发的，该方法是评估封闭水槽中鱼类的运动。对封闭水槽中鱼类游动能力的估计一般分为感应流速、临界(ucrit)和突进(usprint)三种模式，这有助于鱼道水力学的设计准则。
3.然而，最近有大部分研究者对此测试方法及测试装置提出质疑，其认为封闭水槽内的均匀水流条件与自然河流中的复杂流态条件相差较大，并且封闭水槽内的鱼类是被动的游泳，封闭水槽的测试空间相对狭小，无法满足较大体长的鱼类测试需求，故限制鱼类的自由游泳行为，并且忽略限制了鱼类在中低流速下游泳过程中的减少耗能的游泳行为，比如，爆发—滑行行为、贴底或贴壁行为等。因此，对部分研究成果造成一定的误差，导致鱼道流速设计过于保守，可能阻碍有效通过，故在封闭水槽测试无法真实反映出鱼类的游泳能力及其行为。
4.近年来，研究者认识到开放水槽能创造出更接近自然流态的水力条件，从而能准确分析，故开始使用开放明渠对鱼类行为及游泳能力进行探索。在开放水槽中，鱼可以表现出自主无干扰上溯，也可以表现出比在封闭水槽中更丰富的游泳行为，如游泳姿态的转变、爆发—滑行行为、贴底或贴壁行为、鱼的游泳速度和水力偏好等行为特征，这些行为特征可以为鱼道设计提供有用的信息，识别出鱼类行为和鱼道内水力条件相互融合的有利情形。在开放水槽中，鱼类游泳性能和游泳行为可以通过各种指标来量化，利用这些指标也更能反映出鱼类的实际上溯通过情况，比如，鱼在开放水槽中的最大游泳速度、鱼的上溯行为及比较封闭水槽和开放水槽的游泳能力差异性等。但目前研究中多聚焦于封闭水槽下的鱼类游泳行为测试或营造比封闭水槽较大的测试环境。了解游泳能力的行为数据对于确定鱼类通过过鱼设施流速值，定义鱼道关键部位的尺寸设计，如休息池、竖缝处及进出口，均具有重要的科学意义。较以往研究结论，开放式水槽下的鱼类游泳能力测试结果均大于封闭水槽下的测试结果，在较长开放水槽测试鱼类的突进游泳能力，鱼类可增加使用爆发—滑行行为的频率，从而表现出比在封闭池室更大的突进游泳能力。另结合其他研究成果，得出封闭水槽适合鱼类的持续—耐力测试，开放水槽内的微扰动流场更适合量化鱼类游泳能力这一特点。
5.现有技术中，如公告号为cn106577377a的专利申请公开了一种基于鱼类游泳能力的过鱼设施水流速度的设计方法，具体包括选择目标用鱼，利用自制的水槽装置，测试鱼类游泳能力，但测试环境仍是在封闭狭小空间内，会对鱼类的游泳行为产生束缚。
6.又如，公告号cn111642449a的专利申请公开了一种变坡式鱼类游泳能力测试水槽，其包括开敞式的水槽槽体，该槽体一端连通消能池，另一端出口安装可翻转开闭的尾
门，槽体中部底面、槽体两端和槽体底部均由t型换向支座支撑。该装置可测试大个体鱼类，能在接近于天然无压流状态进行游泳能力测试。但该发明仅提供了比封闭水槽稍大的游泳空间，但是未在不同流速、水温和盐碱性等多种水体环境下对鱼类游泳行为进行评估。
7.综上所述，在测试鱼类游泳行为的研究中，未有封闭水槽与开放水槽下的分别测试出的游泳能力结果差异性的相关的研究技术方案。


技术实现要素：

8.本发明的主要目的是提出一种测试鱼类最大游泳能力的方法，测试装置是在开放条件下，可更好地评估鱼类在近自然状态下的最大游泳速度，并明晰开放水槽测试最大游泳能力较封闭环境条件下的增幅，以解决现有技术存在的问题。
9.为实现上述目的，本发明提出一种测试鱼类最大游泳能力的方法，包括以下步骤：
10.step.1：利用开放式水槽装置进行放鱼实验；
11.step.2：获取不同因素条件下鱼类的游泳行为及对应的时间；
12.step.3：确定在开放水槽下的不同因素条件下的鱼类游泳速度；
13.step.4：建立在开放水槽下的不同因素条件下的鱼类最大游泳速度模型和鱼类最大上溯距离成功率预测模型；
14.所述因素包括开放式水槽装置中的工况流量、水温、以及鱼的体长。
15.优选的，所述开放式水槽装置包括测试水槽、水泵、监控装置以及输水管；所述测试水槽的上游端设置有进水口，下游端设置有水槽尾门，在所述水槽尾门处设置有蓄水池；所述输水管的一端设置在所述蓄水池内，另一端与所述进水口连接；所述水泵安装在所述输水管上；在所述测试水槽内设置有试验区；所述监控装置设置在靠近试验区位置处，用于监控所述试验区内部的鱼类行为。
16.优选的，在所述输水管上设置有流量控制器。
17.优选的，在所述测试水槽的底部设置有坡度调节装置。
18.优选的，在所述测试水槽中试验区的其中一侧壁内表面上设置有控制板，所述控制板用于调节试验区的横向宽度w
试验区
，所述控制板上游端设置有导流斜面。
19.优选的，所述试验区的横向宽度w
试验区
为试验鱼类摆尾幅度的1.5～3.0倍；所述试验区的水深≥30cm，试验区的长度l
试验区
≥6.0m。
20.优选的，所述水槽尾门为折叠门；在靠近所述水槽尾门位置处设置有下游拦网和适应拦网，所述下游拦网与适应拦网间隔设置形成鱼类适应区，在放鱼实验时，先将试验鱼在所述鱼类适应区内进行适应，适应时间t
适应
＝30～60min。
21.优选的，在所述测试水槽的上游端设置有整流栅。
22.优选的，在step.3中，鱼类游泳速度通过以下公式进行计算：
23.d
max
＝(u
max-us)*e，
24.其中，d
max
：试验鱼相对地面的上溯距离，m；
25.u
max
：开放水槽下试验鱼的上溯最大游泳速度，m/s；
26.us：试验区内的平均水流速度，m/s；
27.e：试验鱼在试验区内的上溯时间，s。
28.优选的，在step.4中，所述鱼类最大游泳速度模型为：
29.u
max
＝β1q+β2t+β3fl+ε，
30.其中，q：试验区的工况流量，l/s；t：试验区的水温，℃；fl：试验鱼的体长，cm；βi：权重系数，i＝1，2，3；ε：误差系数；u
max
：开放水槽下试验鱼的上溯最大游泳速度，m/s；
31.所述鱼类最大上溯距离成功率预测模型为：
32.y＝(a
1-a2)/[1+(d
max
/x0)^p)]+a2，
[0033]
其中，a1：表示起始值，接近于1；a2：表示最终值，为函数拟合接近平稳时的系数值；x0：表示函数拟合的中心值；p：指数，即函数的次数；y：上溯成功率；d
max
：试验鱼相对地面的上溯距离，m。
[0034]
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果如下：
[0035]
(1)相比传统的鱼类游泳能力测试方法，通过采用开放式水槽装置，采用不同的水力条件，在开放水槽中研究目标鱼类的自主游泳能力及行为。可以通过统计最大上溯距离、游泳速度、通过率和通过时间等指标，分析在不同水力条件下的水流速度-游泳距离和水流速度-游泳速度的关系，及分析在不同水力条件下的测试鱼的尝试率、上溯成功率、尝试时间和成功上溯时间的差异性，并通过多元线性回归拟合得出鱼类在近自然开放流态下的游泳速度与流量、水温和体长的关系，为开放水槽下的不同种属鱼类的游泳能力数据库或游泳能力预测模型作基础。
[0036]
(2)本发明中的开放式水槽装置，可更好地评估鱼类在近自然状态最大游泳速度，即评估鱼类在不同温度、不同体长和不同工况流量的水流环境下的最大游泳速度，并明晰开放水槽测试最大游泳能力较封闭环境条件下的增幅。
[0037]
(3)依托该模型为鱼道的关键部位的流速设计提供建议，关键部位——进口流速建议、鱼道竖缝流速建议和鱼道池室长度等建议。对有过鱼要求的挡水建筑物而修建过鱼设施时，比如鱼道，当该挡水建筑确定过鱼对象后，选取相关参数(q-流量、t-温度和fl-体长)带入最大游泳速度(u
max
)预测模型及上溯距离(d
max
)-成功率(y)的预测模型，将相关因素的取值带入模型，可预测目标鱼的最大游泳速度和游泳距离，为以该目标鱼为过鱼对象的鱼道提供设计参考。
附图说明
[0038]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0039]
图1为本发明所提供的测试鱼类最大游泳能力的方法步骤流程图；
[0040]
图2为本发明中开放式水槽装置的示意图；
[0041]
图3为本发明中开放式水槽装置的平面布置图；
[0042]
图4为鱼类的行为图解，箭头的长度代表鱼体疲劳f或上溯动机m的大小；
[0043]
图5为鱼类摆尾幅度图解；
[0044]
图6为不同流量下的草鱼上溯距离—成功率关系预测模型图；
[0045]
图7为不同流量下的马口鱼上溯距离—成功率关系预测模型图；
[0046]
图8为不同流量下的鲢鱼上溯距离—成功率关系预测模型图；
[0047]
图9为不同流量下草鱼的三种行为事件频率；
[0048]
图10为不同流量下鲢鱼的三种行为事件频率；
[0049]
图11为不同流量下马口鱼的三种行为事件频率；
[0050]
图12为现有技术中封闭环境下的游泳能力测试水槽的示意图。
[0051]
附图标号说明：1、水泵；2、流量控制器；3、坡度调节装置；4、进水口；5、测试水槽；6、水槽尾门；7、试验区；8、蓄水池；9、整流栅；10、控制板；11、下游拦网；12、适应拦网；13、输水管；14、监控装置；1401、第一摄像机；1402、第二摄像机；15、试验鱼进口；16、鱼类适应区；17、水流进口。
具体实施方式
[0052]
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的一部分实施例，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作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。
[0053]
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0054]
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0055]
实施例
[0056]
结合图1所示，一种测试鱼类最大游泳能力的方法，包括以下步骤：
[0057]
step.1：利用开放式水槽装置进行放鱼实验；
[0058]
step.2：获取不同因素条件下鱼类的游泳行为及对应的时间；
[0059]
step.3：确定在开放水槽下的不同因素条件下的鱼类游泳速度；
[0060]
step.4：建立在开放水槽下的不同因素条件下的鱼类最大游泳速度模型和鱼类最大上溯距离成功率预测模型；
[0061]
所述因素包括开放式水槽装置中的工况流量、水温、以及鱼的体长。
[0062]
结合图2、图3所示，所述开放式水槽装置包括测试水槽5、水泵1、监控装置14以及输水管13；所述测试水槽5的上游端设置有进水口4，下游端设置有水槽尾门6，在所述水槽尾门6处设置有蓄水池8；所述输水管13的一端设置在所述蓄水池8内，另一端与所述进水口4连接；所述水泵1安装在所述输水管13上；在所述测试水槽5内设置有试验区7；所述监控装置14设置在靠近试验区7位置处，用于监控所述试验区7内部的鱼类行为。通过利用水泵1和输水管13，使得整个测试水槽5形成循环供水结构。
[0063]
结合图2所示，在本实施例中，另为控制水泵1引入测试水槽5内部的水流量，在所述输水管13上设置有流量控制器2，流量控制器2可以通过pc端远程控制其内部闸门开度进
而达到控制流量的目的。在本发明中，流量控制器2为电磁流量阀。进一步地，在本实施例中，在所述测试水槽5的底部设置有坡度调节装置3。用于调整测试水槽5的坡度。整个开放式水槽装置置于露天条件下，且流量和水温可控，光照为环境光照，因此整个开放式水槽装置的环境因素接近自然状态。
[0064]
结合图3所示，在所述测试水槽5中试验区7的其中一侧壁内表面上设置有控制板10，所述控制板10用于调节试验区7的横向宽度w
试验区
，所述控制板10上游端设置有导流斜面。进一步地，所述试验区7的横向宽度w
试验区
为试验鱼类摆尾幅度的1.5～3.0倍；不同鱼类在鱼运动时会表现出不同的摆尾幅度s
摆尾幅度
；结合图5所示为摆尾幅度的图解，鱼类在运动向前时，会受尾部的推力，a1位置到a2位置，之后再由a2位置还原至游泳一定距离l后的b1位置(b1位置为游泳距离l前的a1位置)，即此时即为鱼类完成游泳距离l的一整个摆尾周期。
[0065]
所述试验区7的进水端为水流进口17，出水端为试验鱼进口15。水流进口17与试验鱼进口15之间的试验区7的宽度可由控制板10在垂直水流方向调节，通过调节横向宽度w
试验区
，进而可以间接控制试验区7内的水流速度v
水
。
[0066]
为保证试验鱼在足够的水深下选择不同的水层上溯，且为了模拟在自然和人为的速度屏障下发现的条件，所述试验区7的水深≥30cm，试验区7的长度l
试验区
≥6.0m。鱼类在突进游泳模式下(u
sprint
)的游泳距离是最长的，有研究标明，鲤科鱼类在封闭水槽测试出的突进游泳速度介于1.5m/s～2.0m/s，即l
测试min
＝3～4m，由此本发明为更好便于鱼类有足够的游泳空间展示游泳行为，试验区7的长度设置为l
试验区
≥6.0m。
[0067]
结合图3所示，在本实施例中，所述水槽尾门6为折叠门，通过控制尾水折叠门的开度以调节测试水槽5内的水深；在靠近所述水槽尾门6位置处设置有下游拦网11和适应拦网12，所述下游拦网11与适应拦网12间隔设置形成鱼类适应区16，在放鱼实验时，先将试验鱼在所述鱼类适应区16内进行适应，适应时间t
适应
＝30～60min。进一步地，在所述测试水槽5的上游端设置有整流栅9，其目的在于使得进水口4的水流平稳地进入到试验区7中。
[0068]
结合图3所示，为了为更好辨别试验鱼的上溯距离d
max
和行为，所述监控装置14采用多台摄像机进行监控，分别为第一摄像机1401和第二摄像机1402。第一摄像机1401用于监控试验区7的上游段，第二摄像机1402用于监控试验区7的下游段，图3中的字母b表示摄像机的监控范围。
[0069]
通过利用监控装置14，在开放式水槽装置中观察试验区7中试验鱼的相对地面的上溯距离、以及上溯时间e得出其在不同流量下的游泳速度：
[0070]dmax
＝(u
max-us)*e
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0071]
其中，d
max
：试验鱼相对地面的上溯距离，m；
[0072]umax
：开放水槽下试验鱼的上溯最大游泳速度，m/s；
[0073]us
：试验区7内的平均水流速度，m/s；
[0074]
e：试验鱼在试验区7内的上溯时间，s。
[0075]
鱼类的游泳能力受生理因素如体长、性别和种类等和环境因素如水温和流量等的影响，本实施例结合多元因素方差分析，识别不同因素对鱼类游泳能力的影响，构建不同环境因素影响下的鱼类最大游泳速度模型为：
[0076]umax
＝β1q+β2t+β3fl+ε
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0077]
其中，q：试验区7的工况流量，l/s；t：试验区7的水温，℃；fl：试验鱼的体长，cm；
βi：权重系数，i＝1，2，3；ε：误差系数；u
max
：开放水槽下试验鱼的上溯最大游泳速度，m/s。
[0078]
结合上述公式(1)和公式(2)，可建立不同鱼类的最大上溯距离模型和最大游泳速度模型，以此搭建开放水槽下的鱼类最大游泳速度数据库、不同因素影响下的最大上溯距离数据库平台，指导并诊断过鱼设施如鱼道池室的设计。
[0079]
在本实施例中，所述鱼类最大上溯距离成功率预测模型为：
[0080]
y＝(a
1-a2)/[1+(d
max
/x0)^p)]+a2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0081]
其中，a1：表示起始值，接近于1；
[0082]
a2：表示最终值，为函数拟合接近平稳时的系数值；
[0083]
x0：表示函数拟合的中心值；
[0084]
p：指数，即函数的次数；
[0085]
y：上溯成功率；
[0086]dmax
：试验鱼相对地面的上溯距离，m。
[0087]
在通过上述公式(1)至(3)求解鱼类在开放水槽下的最大游泳能力的同时，明晰鱼类的游泳行为也对过鱼设施流速设计起到同样重要的作用，故为量化鱼类在单一障碍物下的上溯行为，需要对表征鱼类上溯行为的指标进行获取，如尝试时间、尝试率、成功上溯时间和上溯成功率等，但该类行为可对鱼道内部的水力和结构优化及现有鱼道池室的诊断具有重要的参考价值，可达到提升现实鱼道工程鱼类的通过率。
[0088]
在本实施例中，尝试定义为鱼在鱼类适应区16适应结束后，成功通过试验区7下游段的试验鱼进口15，即认为该鱼完成了尝试动机，表示试验鱼进口15处的水流条件适宜试验鱼的上溯。用来描述试验鱼的上溯尝试时间被定义为从鱼类适应区16结束至第一次进入试验鱼进口15的时间间隔t1(s)。
[0089]
成功上溯时间被定义为从尝试开始到成功上溯的时间间隔t2(s)。尝试率被定义为某流量工况下，鱼进入试验鱼进口15的数量n
进口
与该流量下测试鱼总数n
总
的比值(％)，以此表征鱼道进口诱鱼进入鱼道内的数量，即进入鱼道进口的尝试率。
[0090]
上溯成功率被定义为某流量工况下，鱼完全通过试验区7的数量与该工况下完成尝试的鱼数量之比(％)。
[0091]
通过测试视频的回放，从中提取以下行为的时间和次数。
[0092]“完成上游段”定义为：鱼从第二摄像机1402的视野上游至第一摄像机1041的视野，并离开第一摄像机1041的视野，行为连贯到达穿过试验区7，以此表征试验鱼成功通过鱼道的通过率。
[0093]“未完成上游段”定义为：鱼从下游进入第一摄像机1401的视野，但未完全通过整个试验区7。相反，该鱼在下游方向离开了视线范围，冲至下游，并未到达上游，以此表征试验鱼进成功通过鱼道进口但未上溯至鱼道出口。
[0094]“完成下游段”定义为：鱼从下游进入第二摄像机1042的视野后，但并未到达第一摄像机1401的视野，其进入第二摄像机1042的监控画面后随即发生折返行为，被水流冲至下游至到及试验鱼进口15，以此表征统计试验鱼进入鱼道进鱼口后发生的折返行为。
[0095]“未完成下游段”定义为：鱼从试验鱼进口15进入第一摄像机1401的视野后，穿过试验区7，但并未到达下游。相反，该鱼在上游方向离开了视线范围或者解释为该鱼在试验区7的中间停留超过20s，即穿过试验区7并未到达下游，整个测试中并没有上溯动机，即在
末端滞留。
[0096]
实验例
[0097]
在利用开放式水槽装置进行放鱼实验时，放鱼前需检查开放式水槽装置的流量系统是否正常，即将开放式水槽装置流量调至指定的流量后，测试水槽5持续放水5min，待水深平稳后开始进行放鱼测试。正式测试开始前，将单尾健康、活性良好的目标测试鱼放入下游拦网11与适应拦网12之间的鱼类适应区16适应60min，待适应结束后，提升鱼类适应区16前的适应拦网12的同时开启监控装置14，开始记录测试鱼在试验区7内的自主上溯行为。如果测试鱼完全通过整个试验区7，记为该测试鱼上溯成功，即该条鱼的测试结束；若测试鱼在测试时间1h内仍未上溯成功，则记该鱼上溯失败，换下一条测试鱼。
[0098]
在测试开始前、测试开始后30min及测试结束这三个时间段，分别记录水温，并取其平均值，若测试鱼上溯失败，则记测试的开始和结束两个时间点。在测试结束后，测量测试鱼的体长(cm)、叉长(cm)、全长(cm)、体宽(cm)、体高(cm)和体重(g)。为避免外界对测试过程的干扰，在测试装置的外围布置塑料布。
[0099]
以不同栖息水层的鱼类为例，现提供马口鱼、草鱼和鲢鱼三种测试鱼的计算示例以具体说明本发明所涉及的计算方法和过程，马口鱼为中上层鱼，草鱼为下层鱼，鲢鱼为上层鱼。具体确定过程如下：
[0100]
1)通过现场实测获取三种测试鱼在不同测试条件下游泳行为，测试条件包括水温、体长和流量，并确定测试鱼的最大游泳速度(u
max
)，三种测试鱼的在开放水槽下的游泳速度如表1至表3所示，工况1～工况5的水流速度分别为0.42m/s，0.65m/s，0.85m/s，1.02m/s，1.24m/s。
[0101]
表1开放水槽下草鱼的最大游泳能力
[0102][0103]
表2开放水槽下鲢鱼的突进游泳能力
[0104][0105]
表3开放水槽下鲢鱼的突进游泳能力
[0106][0107]
结合图12所示为现有技术中封闭环境下的游泳能力测试水槽的示意图，图中a表示电机，b表示转速变频器，c表示螺旋桨，d表示稳流器，e表示测试区，f表示拦网。该封闭水槽随携带便捷，通过转速变频器b间接控制螺旋桨c的转速，控制测试区f的水流速度，满足封闭水槽测试下的流速要求，进而测试出封闭水槽下的鱼类突进游泳速度(即最大游泳速度)。一般封闭水槽的测试区长度多居于40cm～50cm，提供给鱼类的游泳空间较小。
[0108]
在本发明中，试验区7的长度l
试验区
≥6.0m，且在空间上呈现不同梯度流速，更适合观察不同栖息水层的鱼类游泳行为及鱼类最大游泳能力的测试。考虑到两种不同的测试水槽结构有所不同，但为比较两种水槽下的鱼类最大游泳速度测试结果，本发明基于与封闭水槽下相同的测试条件因素，比较开放水槽下的草鱼、鲢鱼和马口鱼的最大游泳速度。测试条件因素包括鱼类体长、测试水温和水体酸碱性等。如表1至表3所示，通过实验研究，发现三种试验鱼的开放水槽下游泳速度均大于封闭水槽测试下的游泳速度，其中草鱼在开放水槽下的最大游泳速度比封闭水槽大60％、鲢鱼在开放水槽下的最大游泳速度比封闭水槽大64％、马口鱼在开放水槽下的最大游泳速度比封闭水槽大74％左右。
[0109]
2)通过现场实验，监控装置14分析鱼类在试验区7的鱼类行为，并记录不同行为对应的行为频率，如图9至图11所示。通过统计不同行为的行为频率，并结合表4中的评价指标对应的不同范围下的上溯标准统计率，得出该鱼道运行效果，对其作出鱼道问题作出评价。
[0110]
表4各类行为的评价指标赋分表及鱼道判别诊断位置
[0111]
[0112][0113]
3)通过多因素方差分析，分析三种试验鱼在不同流量、不同体长和不同水温下对鱼类最大游泳速度的显著性差异，剔除对鱼类最大游泳速度不相关的因素。
[0114]
4)构建以开放水槽下的鱼类最大游泳速度为因变量，流量、体长和水温为自变量的游泳能力预测模型。
[0115]
通过多因素方差分析，分析三种实验鱼在不同流量、不同体长和不同水温下对鱼类最大游泳速度的显著性差异(p＜0.05)。由于马口鱼的体长和实验环境较为相似，相差不大，并且与各个影响因素相关性较低(p＞0.05)，无法构成线性回归的基本条件，故排除非相关因素，仅分析草鱼和鲢鱼与温度t、体长fl及工况流量q的关系。
[0116]
草鱼的最大游泳速度与流量工况、体长及水温的函数关系式为：
[0117]umax
＝0.004q-0.02t-2.255fl+2.147(r2＝0.98)
[0118]
鲢鱼的最大游泳速度与流量工况、体长及水温的函数关系式为:
[0119]umax
＝0.001q+18.965t-0.049fl-0.597(r2＝0.66)
[0120]
通过引用logistic非线性回归得出试验鱼在各自流量工况下的最大上溯距离d
max
预测模型及其上溯距离-成功率的预测模型，如表5所示，本步骤中得出的最大上溯距离d
max
其代表的是行为疲劳，而不是明显的生理疲劳，如图6至图8所示。该预测模型较以往研究的成果更具体、可信度更高，可利用该模型预测在类似水力障碍下的成功上溯比例，并进一步对过鱼设施的修复设计提供参考。
[0121]
表5上溯距离(d
max
)——成功率(y)预测模型的各项权重系数
[0122][0123]
[0124]
上表中，a1：表示起始值，接近于1；a2：表示最终值，为函数拟合接近平稳时的系数值；x0：表示函数拟合的中心值；p：指数，即函数的次数；y：上溯成功率；d
max
：试验鱼相对地面的上溯距离，m。
[0125]
reduced chi-sqr：为了明确解释变量和随机误差各产生的效应是多少，统计学上把数据点与它在回归直线上相应位置的差异称残差，把每个残差的平方后加起来的结果，即表示随机误差的效应，越接近0表示拟合效果越好。
[0126]
r2，也叫做“决定系数”，是用来评估线性回归模型的拟合效果的“度量方式”。r2系数为1时，表示模型所有数据点都完全落在回归曲线上。r2系数越接近于1，表示拟合效果越好，反应模型的拟合程度越高。
[0127]
5)利用上述开放水槽测试下最大游泳速度u
max
和鱼类最大上溯距离d
max
—成功率y预测模型为鱼道布置路线、长度和坡度的取值提供参考。例如，如图6所示，当水温在11.1～12.5℃范围内，流量为22l/s(v＝0.42m/s)和35l/s(v＝0.65m/s)，草鱼的之间的上溯距离相差较小(p＞0.05)，最大上溯预测距离接近平行，成功率均在80％以上，故当鱼道竖缝处的流速接近于该两种工况时，不会对其产生上溯障碍。在流量为83l/s(v＝1.24m/s)下，上溯距离为3.8m时，上溯成功率为50％，故为保证50％的鱼类进入鱼道并成功通过竖缝并到达鱼道出口，进口和竖缝处的流速应小于1.24m/s，鱼道池室长度建议小于3.8m。当温度为11.1～12.5℃，流量为83l/s时，对其50％的草鱼造成了上溯障碍。
[0128]
本发明是考虑到鱼类在封闭狭小的空间内无法完全表现出近自然状态，尤其是鱼类在通过不同湍动能水流的交汇处、上溯/跳跃的低堰和贯穿高流速区域时表现出的最大游泳能力行为是无法观测到的，该类行为需在近自然状态下、近自然流条件下才能较好的显现。据此，本发明提供了近自然开放流态下的鱼类最大游泳能力测试方法及装置，并将其与在封闭水槽测试条件下的最大游泳速度进行对比。
[0129]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种测试鱼类最大游泳能力的方法，其特征在于，包括以下步骤：step.1：利用开放式水槽装置进行放鱼实验；step.2：获取不同因素条件下鱼类的游泳行为及对应的时间；step.3：确定在开放水槽下的不同因素条件下的鱼类游泳速度；step.4：建立在开放水槽下的不同因素条件下的鱼类最大游泳速度模型和鱼类最大上溯距离成功率预测模型；所述因素包括开放式水槽装置中的工况流量、水温、以及鱼的体长。2.如权利要求1所述的一种测试鱼类最大游泳能力的方法，其特征在于：所述开放式水槽装置包括测试水槽(5)、水泵(1)、监控装置(14)以及输水管(13)；所述测试水槽(5)的上游端设置有进水口(4)，下游端设置有水槽尾门(6)，在所述水槽尾门(6)处设置有蓄水池(8)；所述输水管(13)的一端设置在所述蓄水池(8)内，另一端与所述进水口(4)连接；所述水泵(1)安装在所述输水管(13)上；在所述测试水槽(5)内设置有试验区(7)；所述监控装置(14)设置在靠近试验区(7)位置处，用于监控所述试验区(7)内部的鱼类行为。3.如权利要求2所述的一种测试鱼类最大游泳能力的方法，其特征在于：在所述输水管(13)上设置有流量控制器(2)。4.如权利要求2所述的一种测试鱼类最大游泳能力的方法，其特征在于：在所述测试水槽(5)的底部设置有坡度调节装置(3)。5.如权利要求2所述的一种测试鱼类最大游泳能力的方法，其特征在于：在所述测试水槽(5)中试验区(7)的其中一侧壁内表面上设置有控制板(10)，所述控制板(10)用于调节试验区(7)的横向宽度w
试验区
，所述控制板(10)上游端设置有导流斜面。6.如权利要求5所述的一种测试鱼类最大游泳能力的方法，其特征在于：所述试验区(7)的横向宽度w
试验区
为试验鱼类摆尾幅度的1.5～3.0倍；所述试验区(7)的水深≥30cm，试验区(7)的长度l
试验区
≥6.0m。7.如权利要求2所述的一种测试鱼类最大游泳能力的方法，其特征在于：所述水槽尾门(6)为折叠门；在靠近所述水槽尾门(6)位置处设置有下游拦网(11)和适应拦网(12)，所述下游拦网(11)与适应拦网(12)间隔设置形成鱼类适应区(16)，在放鱼实验时，先将试验鱼在所述鱼类适应区(16)内进行适应，适应时间t
适应
＝30～60min。8.如权利要求2所述的一种测试鱼类最大游泳能力的方法，其特征在于：在所述测试水槽(5)的上游端设置有整流栅(9)。9.如权利要求2所述的一种测试鱼类最大游泳能力的方法，其特征在于：在step.3中，鱼类游泳速度通过以下公式进行计算：d
max
＝(u
max-u
s
)*e，其中，d
max
：试验鱼相对地面的上溯距离，m；u
max
：开放水槽下试验鱼的上溯最大游泳速度，m/s；u
s
：试验区(7)内的平均水流速度，m/s；e：试验鱼在试验区(7)内的上溯时间，s。10.如权利要求9所述的一种测试鱼类最大游泳能力的方法，其特征在于：在step.4中，所述鱼类最大游泳速度模型为：u
max
＝β1q+β2t+β3fl+ε，
其中，q：试验区(7)的工况流量，l/s；t：试验区(7)的水温，℃；fl：试验鱼的体长，cm；β
i
：权重系数，i＝1，2，3；ε：误差系数；u
max
：开放水槽下试验鱼的上溯最大游泳速度，m/s；所述鱼类最大上溯距离成功率预测模型为：y＝(a
1-a2)/[1+(d
max
/x0)^p)]+a2，其中，a1：表示起始值，接近于1；a2：表示最终值，为函数拟合接近平稳时的系数值；x0：表示函数拟合的中心值；p：指数，即函数的次数；y：上溯成功率；d
max
：试验鱼相对地面的上溯距离，m。

技术总结
一种测试鱼类最大游泳能力的方法，包括以下步骤：Step.1：利用开放式水槽装置进行放鱼实验；Step.2：获取不同因素条件下鱼类的游泳行为及对应的时间；Step.3：确定在开放水槽下的不同因素条件下的鱼类游泳速度；Step.4：建立在开放水槽下的不同因素条件下的鱼类最大游泳速度模型和鱼类最大上溯距离成功率预测模型；所述因素包括开放式水槽装置中的工况流量、水温、以及鱼的体长。开放式水槽装置是在开放条件下，可更好地评估鱼类在近自然状态，即不同温度、不同体长和不同流量等水流环境下的最大游泳速度，并明晰开放水槽测试最大游泳能力较封闭环境条件下的增幅。力较封闭环境条件下的增幅。力较封闭环境条件下的增幅。


技术研发人员：王永猛 潘星霖 金志军 周云 王猛 陶宇 常理 陈飞 董庆煊 杨延东 赵再兴
受保护的技术使用者：中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/10/5