湍流诱导挡板配置对Brook Trout、White Sucker和Sea Lamprey最大上溯距离的影响：对选择性鱼道设计与入侵种控制的启示

《Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences》：Effects of turbulence-inducing baffles on passage performance of Brook Trout, White Sucker, and Sea Lamprey: implications for conservation and control

　　

针对五大湖入侵性Sea Lamprey（Petromyzon marinus）的控制工作仍在持续。安装被动选择性通道结构可降低成本，但仍需在真实水力条件下评估此类方法，以为设计提供依据。本研究在铺有抑制吸附基底的35 m水槽中，评估了Brook Trout（Salvelinus fontinalis）、White Sucker（Catostomus commersonii）和Sea Lamprey在受控流态与挡板配置下的游泳性能。研究人员利用加速失败时间模型（AFT，accelerated failure time models），考察了两个坡度（1%和3%）及0.25至3.0 m·s^?1流速下的上溯距离（D_max）。响应因物种而异：White Sucker具有最大D_max，尤其在1%坡度；而Sea Lamprey尽管缺乏成对鳍/鳍条，在3%坡度、小型spoiler挡板与裸基底条件下偶尔超过White Sucker。与常见认知相反，本研究中唯一鲑科鱼类Brook Trout的表现不及另外两个物种。跨物种而言，较高流速损害通过表现，其下降与能量耗散因子（EDF，energy dissipation factor）相关。研究结果揭示水力结构如何塑造物种特异性通过表现。

研究背景与问题：河系连通性对水生生态系统、鱼类抵达产卵和育幼栖息地及维持生物多样性至关重要，但连通性也促进入侵种扩散。Sea Lamprey（Petromyzon marinus）原产于北美和欧洲大西洋沿岸，在五大湖通过捕食本地鱼造成显著生态和经济损害。现行控制主要依赖阻止其进入产卵栖息地的屏障，但成本高且干扰非目标种；洪水输送、老化基础设施改造和溪流连通性提升还可能加速其扩散。利用Sea Lamprey与原生辐鳍鱼类的生物差异开发选择性控制成为可能：辐鳍鱼具成对柔性鳍，可能增强推进、机动和湍流中稳定性；Sea Lamprey缺成对鳍，但口盘可吸附休息，吸附依赖光滑表面，故抑制吸附基底可限制其利用。最大上溯距离（D_max，个体在疲劳或主动停止前能够上溯的最远距离）是生态相关通道指标；历史游泳测试多限制直线运动，需在真实流态下评估。湍流和挡板可改变能量成本与通道。该研究评估Brook Trout、White Sucker和Sea Lamprey在受控流速与挡板配置下的D_max，并检验温度、昼夜时段和体长影响；假设Sea Lamprey在髙能湍流且吸附机会减少时受限，另两物种受影响较小，为选择性通道设计提供依据。

关键技术方法：研究人员在35 m ABiKiS水槽铺设蜂窝状（HC，honeycomb）ABS基底破坏Sea Lamprey吸附，用20个天线组成的被动集成应答器（PIT，passive integrated transponder）系统追踪自愿进入个体，测试14种挡板配置、1%和3%坡度及0.25–3.0 m·s^?1流速，以Weibull加速失败时间模型（AFT，accelerated failure time model）分析D_max。样本来源：2022—2023年秋从Fourmile Brook、Briggs Brook、Dry Brook、Pauchog Brook采集177尾Brook Trout；2023—2024年春从Westfield River鱼陷阱及Ashuelot River采集136尾White Sucker；同期从Holyoke Dam升鱼机获得120尾溯河Sea Lamprey。

研究结果：
3.1 概览：2年多个5天试验完成316个subtrials（108尾Brook Trout、101尾White Sucker、107尾Sea Lamprey），数据集含903、1563和12195次尝试，删失分别为398、748和438次；温度均值分别为12.1、12.7和18.7°C；U_f为0.25–3.0 m·s^?1。三种鱼D_max均随U_f升高而下降；低流速下Brook Trout和White Sucker出现探索性次最大行为并按阈值删失。ADV（声学多普勒流速仪，acoustic Doppler velocimeter）湍流测量因信号质量受影响未纳入分析；最佳AIC模型复杂。基于AFT预测和生存曲线得出物种特异性通道格局。
3.2 Brook Trout：给定条件下D_max短于另两物种，且对流速×坡度敏感：低流速时1%坡度距离明显大于3%，高流速差异可忽略；0.03 m spoiler挡板与裸HC相近，0.06 m spoiler略增，U_f<1.5 m·s^?1时weir挡板进展更大；总体通过表现最弱。
3.3 White Sucker：D_max最高但变异最大；1%坡度除HC外优于其他物种，perforated挡板尤其weir最高；3%坡度D_max大幅降低，HC和3SSP下有时低于Sea Lamprey；深水降低表现，暖温小幅提高，夜间通常降低上溯。
3.4 Sea Lamprey：上溯动机更强、尝试更多且次优努力少；表现居中，通常超过Brook Trout低于White Sucker，对结构和水分条件较不敏感；例外为3%坡度0.06 m solid weir（0.60和1.20 m间距）各U_f下D_max显著降低但仍多略高于同条件Brook Trout；接触weir crest上缘时呈头下尾上姿态，可能限制前进。

讨论总结：讨论认为D_max随U_f下降，与阻力及挡板湍流有关；相同U_f下3%坡度通常较1%短，陡坡增加近床剪切并削弱低流速庇护。流速×坡度交互与能量耗散因子（EDF，energy dissipation factor）成比例，但EDF不能识别湍流结构且不足以单独预测通过。Brook Trout下降最陡，坡度单独少阻断，陡坡与高流速并存时受限；遮蔽未解释低D_max，结果挑战鲑科天然强游泳者假设。White Sucker多数条件有效通过，可能依赖近床庇护和burst-recovery，而非异常高绝对游泳能力；weir挡板提供低动量尾流，裸HC缺乏庇护，solid 0.03 m spoiler近床高流速和剪切可能使其失稳。Sea Lamprey多数处理下较预期少受影响，solid weir可能形成roller型回流降低稳定性；抑制吸附基底限制口吸，使其更依赖自由游动路线。水深效应呈物种差异，温度影响较小；Brook Trout白天和黄昏成功较高，White Sucker无一致昼夜格局，Sea Lamprey白天表现更好；体长效应不一致，Sea Lamprey较大个体D_max更大。工程上挡板增加流阻、壅水、局部流速和碎屑风险；HC阻力低，6SW60粗糙和堵塞风险高，3SW120较平衡但野外影响未量化，需CFD（计算流体动力学，computational fluid dynamics）、PIV（粒子图像测速，particle image velocimetry）和IPOS（Intensity, Periodicity, Orientation, Scale）框架。

研究结论部分翻译：选择性通道最可能通过perforated weir挡板（如3PW60和3PW120）实现，其促进White Sucker通过并在较高流速下限制Sea Lamprey。中位预测上溯距离显示White Sucker始终优于Brook Trout和Sea Lamprey，尤其1%坡度；3%坡度下Sea Lamprey在HC和3SSP超过White Sucker。该结果可直接用于设计兼顾物种需求并维持水力功能的通道。Brook Trout表现最差，挑战鲑科鱼类天然强游泳者假设；通过取决于水力情境、体长和结构配置，而非仅分类预期。研究未直接测量湍流，EDF为实用代理但不能捕捉全貌，支持坡度—流速交互和结构效应解释，未来需详细流场制图。D_max有助量化通过潜力但机制未解决；分析视频可判断重新定位、短期停留或其他运动策略，后续可聚焦尝试率、行为轨迹和休息模式，以强化水力条件与生态功能联系并指导选择性通道优化及保护与入侵种管理。