鱼游泳能力对体长的响应及其在鱼道设计中的应用

为了探讨鱼类体长对游泳能力的影响并为鱼道水流的设计提供参考,该研究在封闭水槽中使用"递增流速法"测试了海南省某水利枢纽鱼道目标对象的游泳能力,并用Origin软件进行了数据统计分析,得到了试验鱼感应流速、临界游泳速度和爆发游泳速度的直线回归方程和Kaplan-Meier曲线。结果表明:1)随着试验鱼体长增大,相对感应流速、临界游泳速度和爆发游泳速度(体长/s)均减小,体长和鱼类速度的相关关系可用直线方程表示,且数据经过对数变换后的直线方程拟合效果比未经过对数变换的拟合效果更好,其中R2由0.664～0.725提高至0.907～0.933。2)根据鱼道设计规范、导则及文献,结合本工程目标过鱼对象的感应流速、临界游泳速度和爆发游泳速度(m/s),建议本工程鱼道进口诱鱼流速控制在0.35～0.47 m/s,池室流速控制在0.21～0.59 m/s,竖缝流速控制在0.57～0.74 m/s,出口断面至下一个池室之间的流速控制在0.21～0.50 m/s。鱼类体长对相对游泳速度(体长/s)产生了负面影响,鱼类游泳速度及其变化规律可对鱼道水流设计值提供参考。     

基于鱼类行为学与水力学的水电站鱼道进口位置选择

鱼道进口位置选择属于鱼类行为学与水力学交叉研究范畴,设置的合适与否直接影响鱼道工程的过鱼效果。根据过鱼对象的游泳能力和生活习性,提出了将下游河道内区域划分为鱼道进口优选区域、鱼道进口备选区域及鱼道进口禁布区域的方法和思路。以某大型水电工程为例,在鱼类行为学基础上,通过对水电站下游流速和流场等水力特性进行分析,结果表明:左岸存在低流速带,鱼类可顺利上溯至尾水渠附近,为鱼道进口主要布置区域;综合生物学指标和水力学指标,利用回流屏障建议将鱼道进口布置于桩号0+200~0+210 m范围内;考虑到部分上溯性较强的鱼类,建议在电站发电机组上方布置备用进口。该研究可为水电工程鱼道进口位置选择提供参考。     

齐口裂腹鱼集群行为对流态的响应

为研究齐口裂腹鱼集群行为对流速和紊动能的响应关系,该研究通过可变流场的试验水槽,结合鱼群轨迹分析及集群几何特征,定量研究了适宜齐口裂腹鱼集群的水流流速和紊动能区间。在试验中每组选择10尾平均鱼龄为3龄的齐口裂腹鱼,共两组,每组进行6次重复试验,每次试验让鱼群在3 m×14 m具有横向流速梯度的矩形水槽中游动10 min,之后提取和分析鱼群游泳轨迹,获取鱼群在不同水流流速、紊动能下的最近邻距离（Nearest Neighbor Distance,NND）,集群面积,游泳分离指数（Separation Swimming Index,SSI）。结果表明,齐口裂腹鱼在特定水力条件下具有明显集群行为,上溯过程中以队列模式的队形为主,当水流流速为0.27～0.70 m/s,紊动能为0.004～0.018 m2/s2时,齐口裂腹鱼群的NND为0～0.80 m,集群面积为0～5.00 m2,SSI为0～1.20,此时集群得最为紧凑,在凝聚力、排斥力上都变现的更好。因此,为使齐口裂腹鱼能够集群上溯,推荐鱼道等工程措施营造流速为0.27～0.70 m/s,紊动能为0.004～0.018 m2/s2的水力学条件,从而对过鱼设施水流流态和水利调度进行优化。     

基于鱼类上溯行为的导鱼堰设计与效果评估

河道内鱼类上溯路径不唯一,聚集位置更是难以预测,对鱼类上溯行为进行有效引导有助于提升过鱼设施进口的效率。为此,该研究提出了一种导鱼堰的概念和设计方法,结合姚家坪水电站的过鱼设施,利用流场三维数值模拟、鱼类洄游（active fish migration,AFM）模型和实鱼试验对导鱼堰的效果进行评估。结果表明：姚家平水利枢纽工程的导鱼堰上下游水面落差为0.36～0.40 m,过堰水流流速可达1.5～2.8 m/s,形成阻鱼的屏障,并在导鱼堰下游侧形成了诱导鱼类向集鱼渠进鱼口游动的唯一低流速上溯通道,鱼类聚集点趋于唯一,验证了导鱼堰方案的合理性。利用鱼类洄游模型对导鱼堰的导鱼效果进行预测,结果表明,下游高水位和低水位2种工况下,90%以上的鱼类游动路径均表现出相似的规律,鱼类沿河道右岸和导鱼堰下游侧的低流速通道上溯,并最终聚集在集鱼渠的进鱼口处。放鱼试验中试验个体全部进入集鱼渠,结果进一步证实导鱼堰可以有效引导鱼类游动路线,并在集鱼渠进鱼口处形成唯一的聚集区。本文提出的导鱼堰丰富了生态水工建筑物的形式,可为过鱼设施进口的水力设计及下游河道的局部整治提供参考。     

旋流式鱼道的构建与水力特性分析

为增强过鱼设施的蜿蜒性和自然性,该文提出了一种采用曲线型边壁和导流坎的旋流式鱼道结构。首先通过模型试验得到了鱼道在不同工况下鱼道内两侧边壁水流的沿壁沿程水深以及水流流态,观察了过鱼效果,验证了数值计算的准确性,通过数值计算进一步分析了旋流式鱼道的表面流速、近底流速及关键横断面流速分布。结果表明:鱼道内形成的旋流蜿蜒曲折,流态丰富。过鱼通道内主流区流速均不大于0.84 m/s,满足过鱼要求,过鱼对象可以在该鱼道内顺利上溯,主流两侧的缓流或回流区可为鱼类休息之用,说明了鱼道体型的合理性。该文提出的鱼道丰富了鱼道的形式,对今后类似鱼道的设计和建设具有一定的指导意义。     

竖缝式鱼道内齐口裂腹鱼洄游行为模拟

鱼道是帮助洄游鱼类跨越河道内物理障碍的主要过鱼设施之一。针对鱼道结构优化试验耗时长、成本高的问题。该研究在物理试验基础上建立模拟鱼类运动的数值模型,基于竖缝式鱼道内齐口裂腹鱼的行为数据,结合机器学习和欧拉-拉格朗日智能体方法(Eulerian-Lagrangian-agent method,ELAM)建立了鱼类洄游路线预测模型。首先,将齐口裂腹鱼的游泳行为数据划分为3个数据集(顺流而下、侧向运动和逆流而上);然后,根据不同机器学习算法(XGBoost、K-近邻、梯度提升决策树、随机森林)分别构建游泳行为分类模型和游泳速度回归模型,并通过试验结果对比,筛选出最优模型;最后,结合ELAM的框架,构建鱼类洄游数学模型,模拟了齐口裂腹鱼在3种体型的竖缝式鱼道中的洄游路线。结果表明：基于随机森林建立的游泳行为分类模型和游泳速度回归模型预测效果最佳,游泳行为分类精度为0.804,召回率为0.794,F1得分为0.798,3个数据集的游泳速度回归的R²均大于0.75。研究所建立的鱼类洄游数学模型能够较好的预测齐口裂腹鱼的洄游路线,可为相关鱼类保护措施的设计和优化提供参考。     

仿自然鱼道水力及过鱼性能物理模型试验

仿自然鱼道是具有一定自然特征的过鱼设施,适用于中低水头工程,是目前鱼道形式研究热点之一。为了获得一种具有综合生态功能的鱼道,该文提出了一种利用芦苇模块构建的植物型鱼道,并通过物理模型试验对其水力特性和过鱼性能进行了研究。结果表明:选取芦苇为基本单元构建植物型鱼道是合适的。植物模块交错布置的植物鱼道内可形成蜿蜒的水流,流态丰富,过鱼通道内流速均小于1.1 m/s,满足过鱼要求。过鱼试验表明,过鱼对象可以在该鱼道内顺利上溯,植物模块下游侧可形成低流速的鱼类休息区,验证了鱼道体型的合理性。该文提出的植物型鱼道丰富了鱼道的形式,具有一定创新性,对今后类似鱼道的设计和建设具有一定的指导意义。     

坡面薄层水流流速研究

准确测量坡面薄层水流流速是分析和计算水动力学参数的前提,也是建立土壤侵蚀模型的基础。设置5个坡度(5°,10°,15°,20°,25°)和4个放水流量(2,4,8,16L/min),采用长12m、宽0.1m、高0.3m的水槽对坡面薄层水流流速进行了测量。通过记录水流前锋(前沿)流过水槽的时间计算水流的前沿流速,并采用染色剂示踪法和电解质脉冲法测量水流的平均表层流速和平均流速,与前沿流速进行对比。结果表明:试验的前沿流速为0.237~1.290m/s,且随着坡度和流量的增大呈增大趋势,流量对前沿流速的影响大于坡度的影响,前沿流速可以用坡度和流量的幂函数形式进行预测;将前沿流速与染色剂示踪法测得的平均表层流速和电解质脉冲法测得的平均流速进行对比,发现前沿流速与平均表层流速和平均流速均具有良好的一致性,但平均表层流速的数值远大于前沿流速,其相对误差为-15.018%^-27.825%,2种流速之间可以用系数0.758进行转换;前沿流速与平均流速的数值非常接近,且相对误差随着流量和坡度的增大逐渐减小,2种流速之间的转换系数为0.946。前沿流速与其他2种流速的经验系数主要受雷诺数的影响,所建立的等式可以较好地模拟2种经验系数。研究结果可为坡面薄层水流流速的研究提供参考。     

黄土坡面细沟径流流速的试验研究

采用室内放水冲刷试验法在12m长土槽上进行细沟径流流速试验,研究在5个坡度(5°,10°,15°,20°,25°)和3个流量(2,4,8L/min)条件下黄土细沟径流流速沿坡长变化的规律。结果表明:细沟径流流速与坡度、流量呈幂函数关系,流量指数b变化范围为0.267 7~0.425 1,流速随坡度和流量增加而增加;细沟径流流速沿坡长先迅速增加,然后增加速度减缓,在8~12m处流速趋于稳定,达到临界值;细沟径流流速与坡长之间存在幂函数关系,坡长指数d从0.074 7到0.326 5,与已有研究相比,不完全处于流速与流量的幂函数方程中流量指数的变化范围0.263 6~0.667 0之内,因此本试验设计内的细沟水流流速变化是由流量和坡长的共同作用影响的。     

太极式鱼道水力特性试验研究及数值模拟

针对传统鱼道一经建成,其固体边界条件已经固定,池室内水流流速分布变化不大而难以适应多种鱼类通过的缺点,该文研究一种通过太极圆盘和八卦爻条消减水流能量,形成多态流速场以适应多种鱼类洄游的太极式新型鱼道,并对其进行了水力模型试验和数值分析。首先通过模型试验得到了鱼道在不同工况下的流态和沿程水深变化,然后通过数值计算得到了与模型试验相近的结果,并进一步分析了太极式鱼道的表面流速、近底流速及关键横断面流速分布。结果表明:太极式新型鱼道具有显著的消能减速效果,最浅处水深达到无太极圆盘时相应最浅水深的2倍左右,断面平均最大流速为0.95 m/s,相对于无太极圆盘的情况降低50%左右,池室内水流呈现多态化,另外随太极圆盘方位不同流速场亦有明显变化,该种鱼道可为鱼类提供更多适宜的洄游条件。     

自然水体中超声波标记鱼游动轨迹精密确定算法

针对鱼类关键生境位置确定的应用需求,该文提出了一套适用于自然水体的超声波标记鱼定位算法,解决了标记鱼定位以及存在粗差观测值,即水听器记录的超声波信号接收时间存在错误情况下算法的抗干扰性。宜昌黄柏河的实测结果表明,基于现有1 ms级精度的水听器,可在自然水体中获得2.15 m精度的信号标记鱼三维游动轨迹。如因气泡、遮挡等因素对水听器观测数据引入粗差,当粗差量级在10 m以上,该方法可接近100%探测出是否存在粗差。当粗差观测值在3个以内时,该方法的探测成功率可达84.3%以上,3个以上时粗差探测成功率明显下降,5个及以上,即粗差观测值个数占观测值总数的比例大于31.25%时,基本只能探测出观测数据中存在粗差而无法有效确定粗差。该研究可为渔业增殖、鱼类栖息地保护、鱼类洄游通道等研究提供参考。     

基于深度学习的鱼类养殖监测研究进展

鱼类养殖是通过人工方式在水中养殖各种鱼类的经济活动。鱼类养殖可以在淡水、海水或者盐碱水环境中进行,通过各种监测技术和设备来培育和管理鱼的生长和繁殖。传统的鱼类养殖监测方法存在效率低和准确性差等问题。近年来,基于深度学习的视觉技术的发展为鱼类养殖监测提供了新的解决方案。该文阐述了基于深度学习的视觉技术在鱼类养殖监测中的应用,并从鱼体测量、鱼类计数、鱼类摄食、鱼类游泳行为和鱼病诊断5个方面分别对研究进展进行梳理。在此基础上总结了鱼类养殖监测在数据采集与传输、建立鱼类养殖监测数据集、超规模参数模型、终端监测设备边缘计算、数字孪生、智能监测业务化应用不足等问题和展望,旨在为深度学习在鱼类养殖监测中的推广应用提供科学参考。     

高速摄影技术分析射流式鱼泵流量对鱼运动规律影响

采用高速摄影技术初步研究了草鱼、团头鲂和鲫鱼等3种鱼类在射流式鱼泵内的运动规律,分析了鱼类逆流游动率、逆流游动过泵时间、姿态变化率及鱼类与泵壁面碰撞所受力与工作流体流量之间的关系。试验研究表明:在5种工作流体流量工况下,随着工作流体流量的增加,鱼类逆流游动率逐渐降低,过泵时间逐渐减少,姿态变化率逐渐升高,所受碰撞力逐渐升高;在工作流体流量较低时,鱼类逆流游动率超过85%,过泵时间均超过300 ms,姿态变化率均小于6%,所受碰撞力在1～3 N的范围内;在工作流体流量较高时,鱼类逆流游动率在50%～85%之间,过泵时间在125～175 ms之间,大多数情况下姿态变化率9%～18%之间,所受碰撞力在5～7N的范围内;在试验所用3种试验鱼中,草鱼的过泵时间最长,姿态变化率最高,并在大部分工况中所受碰撞力最大。     

基于光流法的鱼群摄食状态细粒度分类算法

对鱼群摄食状态的细粒度分类有利于更精细地描述鱼群的摄食行为。该研究基于工厂化的循环养殖池环境提出了一种利用光流法进行特征提取的鱼群摄食状态细粒度分类算法。算法对鱼群的巡游视频进行摄食状态分类,首先通过光流法提取视频内鱼群的帧间运动特征,其次构建了一个帧间运动特征分类网络对该特征进行细粒度分类,最后基于投票策略确定视频的最终类别。试验结果表明,该研究算法在投票阈值设置为50%的情况下,视频准确率达98.7%;在投票阈值设置为80%的情况下,视频准确率为91.4%。在不同的投票阈值设置下,该算法的视频准确率始终保持在90%以上,说明其分类鲁棒性较强。相较于实验室养殖环境,基于工厂化养殖环境对鱼群的摄食状态所展开的算法研究实际应用性更强,可为精细描述鱼群摄食行为,实现精准投饵自动控制提供参考。     

基于鱼类保护目标的椒江环境流量研究

以鱼类为保护目标, 通过建立概念模型将鱼类保护目标与流量之间的关系相联系, 识别了与椒江鱼类保护目标相关的环境流量组成要素。采用FLOWS 方法, 计算了椒江2 个断面的环境流量, 柏枝岙断面的低流量为6.8~17.3 m³·s^-1、高流量为22.2 m³·s^-1, 低流量脉冲为74 m³·s^-1, 高流量脉冲为110 m³·s^-1, 齐岸流量为948 m³·s^-1; 灵海断面的低流量为16.0~31.8 m³·s^-1, 高流量为46.0 m³·s^-1, 齐岸流量为2 488~3 184 m³·s^-1。并得出每组环境流量出现时间、持续时间和出现频率等的推荐结果。与Tennant 方法的计算结果比较, 采用FLOWS 计算方法能够反映环境流量的季节性变化特点, 同时体现了环境流量与自然流量过程的一致性。此研究结果可为椒江的水资源合理利用与河流生态系统保护提供理论依据。     

基于光流法与特征统计的鱼群异常行为检测

鱼类群体行为的异常检测能够为鱼类健康监控与预警提供重要的方法和手段,对研究鱼类行为的机理,提升水产养殖过程中的信息化水平具有非常重要的意义。该文通过计算机视觉和图像处理技术,基于鱼群运动特征统计方法,对鱼群异常行为检测进行研究。利用Lucas-Kanade光流法得到目标鱼群的运动矢量,并对目标运动的行为特征进行统计,得到速度与转角这2个行为特征的联合直方图与联合概率分布。最后,在联合概率分布的基础上,基于标准互信息(normalized mutual information-NMI)和局部距离异常因子(local distance-based outlier factor-LDOF)2种方法对鱼群行为进行异常检测。试验结果表明,2种异常检测方法均达到99.5%以上的准确率。     

基于鱼体特征点检测的淡水鱼种类识别

针对传统机器视觉技术对淡水鱼种类进行检测时特征提取过程复杂的问题,该研究提出了基于特征点检测的淡水鱼种类识别方法。以鳊、鳙、草鱼、鲢、鲤5种大宗淡水鱼为对象,构建了淡水鱼特征点检测数据集;以AlexNet模型为基础,通过减小卷积核尺寸、去除局部响应归一化、引入批量归一化、更换损失函数,构建了改进AlexNet模型用于特征点检测;并以特征点为依据提取特征值、构造特征向量,使用Fisher判别分析方法实现了淡水鱼的种类识别。试验结果表明：改进AlexNet模型在测试集上的归一化平均误差的均值为0.0099,阈值δ为0.02和0.03时的失败率F_0.02、F_0.03分别为2.50%和0.83%,具有较好的精准度和误差分布情况;基于该模型和Fisher判别分析的淡水鱼种类识别方法对5种淡水鱼的识别准确率为98.0%,单幅图像的平均识别时间为0.368 s,保证了时效性。由此可知,提出的改进AlexNet模型能实现淡水鱼的特征点检测并具有较高的精度,可为淡水鱼种类识别、尺寸检测、鱼体分割等提供条件,该方法可为淡水鱼自动化分类装置的研发奠定基础。     

金鲳鱼肉和罗非鱼皮明胶改善罗非鱼碎肉鱼糜品质

为了改善罗非鱼碎肉鱼糜制品的品质,研究添加金鲳鱼肉和罗非鱼皮明胶对罗非鱼碎肉鱼糜制品品质的影响。将少量金鲳鱼肉与罗非鱼碎肉混合,制作成鱼糜(金鲳鱼肉质量分别占复合鱼糜总质量的0%、5%、10%、15%、20%),研究鱼糜制品品质的变化规律。通过检测样品的质构、凝胶强度、出水率及颜色发现,随着复合鱼糜中金鲳鱼肉含量的上升,复合鱼糜制品的硬度、胶着性、咀嚼性、弹性、内聚性、凝胶强度、白度均呈现上升趋势,但出水率无显著变化。进一步研究,将罗非鱼鱼肉和金鲳鱼鱼肉以一定比例混合,制作成复合鱼糜,然后加入不同量的明胶,研究复合鱼糜制品品质的变化规律发现,将明胶添加到复合鱼糜制品中会使鱼糜制品的硬度、胶着性、咀嚼性、凝胶强度、白度均上升,出水率下降,但鱼糜的弹性、内聚性、破断距离等差异不显著。试验结果表明,金鲳鱼肉和罗非鱼皮明胶可以用于罗非鱼碎肉鱼糜制品品质的改良。研究结果为改善罗非鱼碎肉鱼糜制品的品质提供了参考。