《Journal of Ecohydraulics》：Novel ‘dancing rods’ behavioural guidance for out-migrating Atlantic salmon smolts
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有效的河流恢复以促进下游迁移需要引导鱼类远离涡轮进水口，可采用物理屏障或成本较低但通常效果较差的行为屏障，后者依赖于鱼类对各种刺激的自愿反应。研究人员在一个大型水槽中，以无屏障对照为参照，对一种新型“舞动杆”行为屏障进行了测试，实验对象为大西洋鲑（Salmo
有效的河流恢复以促进下游迁移需要引导鱼类远离涡轮进水口，可采用物理屏障或成本较低但通常效果较差的行为屏障，后者依赖于鱼类对各种刺激的自愿反应。研究人员在一个大型水槽中，以无屏障对照为参照，对一种新型“舞动杆”行为屏障进行了测试，实验对象为大西洋鲑（Salmo salar）幼鱼。该屏障由一系列聚乙烯杆组成，这些杆垂直漂浮并随水流摆动。通过被动集成应答器遥测（PIT-telemetry）和视频分析评估了屏障性能。舞动杆的鱼类引导效率（FGE）为68.9%，显著高于对照组的24.4%。舞动杆的通过率是对照组的2.8倍，而舞动杆屏障的平均通过时间（29分钟）比对照组（49分钟）缩短了41%。行为观察结果证实了遥测结果，因为在舞动杆处理组中，观察到幼鱼沿屏障游动并以更大数量进入旁路。舞动杆实现了97.8%的高鱼类保护效率（FPE），仅观察到2次下游屏障穿越事件。这些结果鼓励在不同条件下进行进一步测试，以确定舞动杆屏障的全部潜力和局限性。
**论文解读**
**研究背景与问题**
水力发电是全球可再生能源的重要来源，约占全球总发电量的16%，但其对河流生态系统造成严重环境影响。自由流动河流的缺乏是淡水洄游鱼类种群急剧下降的主要驱动因素之一，全球自1970年代以来下降了76%，欧洲更是下降了93%。水电站大坝通过改变河流自然水流、破坏繁殖栖息地和阻断洄游路线，影响鱼类种群。此外，水力发电改变洄游信号并延迟鱼类洄游期，增加捕食风险和能量消耗，从而降低成功洄游和繁殖成功率。这些影响预计随着气候变化加速和水电进一步扩张而恶化。因此，恢复纵向河流连通性并提供上下游安全通道至关重要。历史上，上游连通性改善受到高度重视，但为下游迁移寻找有效解决方案仍是一大挑战，因为下行迁移的鱼类倾向于跟随主流，即使有旁路，除非有足够水量被引导至旁路，否则鱼类往往无法找到它。因此，需要引导系统将鱼类引导至安全通道并保护其免受涡轮伤害。
现有引导系统可分为物理屏障、行为屏障和混合屏障。物理屏障在小到中型水电站通常有效，但难以在大型水坝上扩展。行为屏障更容易建造、扩展和维护，但存在物种和场地特异性，且效率随流速增加而下降。行为屏障的主要批评是其在河流条件下的引导和保护效率较低，因此被视为实验性方案。如果能够提高其在水电站的引导性能，这些解决方案可在恢复下游连通性方面发挥关键作用。
**研究内容与结论**
研究人员在大型实验水槽（流量和流速与某些欧洲河流相似）中测试了一种新型行为引导屏障——“舞动杆”（dancing rods）屏障，以确定其引导下行迁移大西洋鲑（Salmo salar）幼鱼的潜力。该屏障由Vattenfall研发实验室开发，遵循与行为悬挂链幕类似但关键不同的原理：悬挂链幕由金属链从水面悬挂至底部，而舞动杆则锚定在底部并垂直向上延伸至水面。评估指标包括鱼类引导效率（FGE，即到达旁路的鱼类百分比）、通过时间（鱼类到达旁路的平均时间）和通过率（随时间到达旁路的鱼类百分比），并与无屏障对照通过遥测进行比较。此外，通过摄像记录鱼类行为，量化鱼类保护效率（FPE，即保护鱼类不通过屏障向下游穿越的比例）。
研究得出以下结论：舞动杆处理组的平均鱼类引导效率（FGE）为68.9%，比对照组的24.4%高2.8倍，差异显著（t检验：t
16 = 4.7, p < 0.001）。舞动杆屏障的中位通过时间为29分钟，显著短于对照组的49分钟（Mann-Whitney U = 405, p = 0.006）。Cox回归分析显示，舞动杆屏障的通过率是对照组的2.82倍（Wald = 38.4, SE = 0.25, p = 0.001）。行为观察结果验证了遥测结果：舞动杆处理组中屏障下游穿越极为罕见，仅发生2次，鱼类保护效率（FPE）达97.8%；而对照组中下游和上游穿越频繁。沿屏障朝向旁路和远离旁路的引导行为在舞动杆处理组中显著更高，旁路进入次数也显著更多。静止游泳（鱼类在屏障前保持位置）在舞动杆处理组中更常见，但差异未达到显著水平（p = 0.056）。结构完整性方面，杆在流动中未弯曲，但略微向下游倾斜，由于杆长（2.4 m）超过水槽深度（2 m），未在表面形成间隙。
论文发表在《Journal of Ecohydraulics》。该研究的意义在于：舞动杆屏障作为一种新型行为引导系统，在大型水槽中实现了与某些现有行为屏障相当的引导效率，且具有成本优势（初步估计约为同尺寸15 mm垂直间距常规栅栏的1/10，50 mm栅栏的1/5），为大型水电站中难以实施物理屏障的场景提供了有前景的替代方案。
**主要关键技术方法**
研究采用大型实验水槽（Laxeleratorn，位于瑞典?lvkarleby的Vattenfall研发中心），水槽尺寸为20 m长、4 m宽、2 m深，配备旁路系统和收集箱。舞动杆屏障由43根聚乙烯泡沫杆组成，间距15 cm，锚定在水槽底部，总长6.8 m，杆高2.4 m，以30°角放置。实验鱼为180尾一年龄大西洋鲑幼鱼（平均全长159.4 ± 10.5 mm，体重44 ± 9.5 g），来自SLU Aqua Fisheries Research Station孵化场（距实验室1.7 km），于2021年4月23日获得，在实验前用23 mm被动集成应答器（PIT tags, Oregon RFID HDX）标记。实验在2021年5月7日至13日连续7个傍晚进行，共18次试验（舞动杆处理9次，无屏障对照9次），每次试验使用10尾标记幼鱼，试验时长1.5小时，水槽平均流速0.4 m/s，旁路流量0.09 m3/s（约占总流量3.2 m3/s的3%）。通过PIT标签天线记录鱼类离开起始箱和进入收集箱的时间，并使用16台摄像机（包括2台水下摄像机）记录行为，重点分析6个视角。数据通过BORIS v.7.13.9软件进行行为量化，采用Cox回归分析通过率，t检验和Mann-Whitney U检验比较FGE和通过时间，行为数据用非参数检验。
**研究结果**
**3.1 鱼类引导效率、通过时间和通过率**
通过PIT遥测数据，舞动杆处理组的平均鱼类引导效率（FGE）为68.9%（n = 62尾鱼通过），是对照组（FGE = 24.4%，n = 22尾鱼通过）的2.8倍，差异显著（t检验：t
16 = 4.7, p < 0.001）。舞动杆屏障的中位通过时间为29分钟（Q1 = 25 min, Q3 = 34 min），显著短于对照组的49分钟（Q1 = 43 min, Q3 = 60 min；Mann Whitney U = 405, p = 0.006）。Cox回归分析显示，包含屏障处理和组号（对应试验编号）的模型拟合最佳（AIC = 781.84，ΔAIC from null = ?43.90），舞动杆屏障的通过率是对照组的2.82倍（Wald = 38.4, SE = 0.25, p = 0.001）。
**3.2 行为观察**
行为观察结果验证了遥测结果：舞动杆屏障的穿越极为罕见，仅在两次不同的舞动杆试验中各出现1次，且未观察到任何上游穿越；而对照组中下游和上游穿越频繁（Mann-Whitney U分别为1.0和0.0，p均< 0.001）。在参与试验的90尾鱼中，仅2尾被记录穿过舞动杆屏障，鱼类保护效率（FPE）为97.8%。沿屏障朝向旁路和远离旁路的引导行为在舞动杆处理组中均显著高于对照组（U = 81, p < 0.001）。舞动杆处理组中鱼类进入旁路的次数也显著更多（U = 81.0, p < 0.001）。静止游泳（鱼类在屏障前保持位置）在舞动杆处理组中更常见，但差异未达到显著水平（U = 62.5, p = 0.056）。此外，鱼类通常以尾先朝向屏障的方式游动，并在旁路中保持正趋流性。
**3.3 结构完整性**
在舞动杆试验期间，各杆未随水流弯曲，但杆从锚定点略微向下游倾斜，形成比无水流时更倾斜的角度。尽管存在倾斜，由于杆长（2.4 m）超过水槽深度（2 m），杆尖仍延伸至水面以上，因此表面未形成间隙。
**讨论与结论**
讨论部分指出，找到有效的下游引导方法对于保护水电站鱼类至关重要。舞动杆屏障在引导大西洋鲑幼鱼进入旁路方面有效，与无屏障对照相比，FGE提高至69%，中位通过时间缩短至29分钟。物理屏障（如鱼筛）通常达到更高的引导效率（90-93%），但细筛（10-25 mm）在大型水电站中难以实施。行为屏障则具有可扩展性和低水头损失的优势，但效率较低且不稳定。舞动杆屏障与悬挂链幕最相似，但悬挂链幕在野外效果较差，且随着流速增加在底部形成间隙，而舞动杆锚定在底部且杆长超过水深，避免了间隙形成。行为屏障效果的差异受多种因素影响，包括环境条件、实验室与野外的差异、测试协议以及鱼类的来源（孵化场与野生）。舞动杆屏障的独特之处在于其持续运动的物理元素与水流相互作用，提供视觉和水动力线索，鱼类必须主动导航绕过结构，而非仅依赖感官刺激（如光、声、气泡）。观察表明，鱼类沿屏障被持续引导，而非穿过屏障。旁路流量（约占总流量的3%）低于通常认为有效吸引的5%阈值，可能限制了FGE达到更高值，但通过无屏障对照，可以分离出舞动杆本身的引导贡献（FGE和通过率均为对照的2.8倍）。舞动杆屏障在成本方面具有优势（初步估计约为同尺寸细栅栏的1/10），但需要进一步测试不同流速、光照条件（如夜间或浑浊水）下的效果，以及进行水力特征化以量化涡旋动力学，并考虑材料优化（如天然软木）。
结论部分翻译如下：
舞动杆屏障代表了行为引导领域和鱼类通道工具箱的一种新颖且有前景的方法。初步结果令人鼓舞，值得进一步测试，特别是考虑到这种屏障在物理屏障不实用的大尺度上部署的潜力。在进一步优化设计和材料后，应在一系列流速和水电站进水口附近的野外条件下进行测试。舞动杆屏障是否有可能为水电站下游连通性的恢复做出有意义的贡献，仍是未来研究的一个引人关注的问题。
