一种依托循环水的鱼类光趋性行为集成化实验装置及方法

本发明属于水生态研究，特别涉及一种依托循环水的鱼类光趋性行为集成化实验装置及方法。

背景技术：

1、随着社会的进步发展，生态安全问题和能源安全问题已经引起了人们极大的重视。水电能源作为一种可再生、无污染的清洁能源，在我国的能源发展中地位显得尤为重要。然而，水利水电工程的建设在为我们带来巨大经济效益的同时也产生了一些生态方面的不利影响。如堤坝、水闸和堰等挡水建筑物的修建改变了河流形态，使得河流原有的水文水动力特性发生了极大的改变。对鱼类而言，尤其是对具有洄游性或半洄游性的鱼类来说，水工建筑物的修建会使其生境破碎化，栖息地环境条件以及个体正常的觅食、繁殖及越冬等生活习性受到影响，从而对其生存带来挑战。利用鱼类趋光特性，可对过鱼设施、生态调度、栖息地修复和增殖放流等水电鱼类保护措施进行优化。例如，过鱼设施可通过营造合适的光环境来诱导鱼类进入过鱼通道，以帮助鱼类实现上下游间的正常迁移与基因交流，保证不同鱼类可以进行正常的繁衍活动。此外，光环境也是生境的重要环境组分，其对鱼类的索饵、育肥、躲避敌害等均起到重要作用，因此可依据鱼类的光趋性，改变河道光环境，达到重塑适宜生境的目的。

2、目前，关于光照对鱼类生理生态学方面的研究已有了一些进展与报道，但主要是研究光照对鱼类视觉系统、摄食生长和生理生化指标等方面的影响，而对于光趋性，特别是对流水环境中“光照-水流”叠加作用下的鱼类综合趋性研究较少，大量相关基础实验研究的开展势在必行。以往研究多采用带隔板的矩形或圆形装置进行实验，导致实验存在光源稳定性不佳、方法间兼容性欠缺以及实验结果解读难度较大等显著问题。具体而言，多数实验装置均存在以下问题：

3、（1）光源选取与布置不合理。以往的室内实验所选取的光源多为普通的灯管或金属卤化物灯，其光强分布不规律，照度范围小且不可调控，可设置实验工况受限，无法产生实验所需的精确光波长与光照度范围。同时，光源布置仅有两种形式，一种是直接将光源布置于水下；另一种是将其固定于顶端。两种布置方式均不能形成按一定规律衰减的光场，导致实验光照条件无法有效反应天然水域中的光环境特征。

4、（2）视频拍摄效果不佳。通常关于光照的实验会在全黑暗环境中进行，并利用水上红外光源补充照明。由于动水工况水面存在剧烈波动，红外光线在实验区水表面产生大量不规则反射，导致实验鱼观察模糊不清，存在盲区。当实验光源开启时，实验区域各位置不同的光照水平容易在摄像系统中产生过曝和欠曝效应，形成视觉干扰区域，导致无法对实验鱼位置进行准确追踪。

5、（3）易引起实验鱼应激反应。以往研究在开始实验时会瞬间打开光源，忽略了鱼眼对光照的适应过程，这种光环境的突然变化会对鱼产生惊吓应激反应，从而影响实验结果的准确性。

6、（4）流速受限且流态紊乱。现有大部分装置采用定频泵抽水的形式实现实验水流自循环，这样不仅难以根据实验工况需求对流速进行精准控制，且容易导致在装置进水口的位置产生较大的跌流与旋涡，严重影响实验区的水流形态。

7、（5）环境因素测量不便。现有的装置在调换不同的工况时都需重新架设测量设备，对水位、流速、光照、温度等环境因素进行重新测量。反复的测量不仅费时费力，对实验区域产生扰动，还容易因人为或设备因素造成测量误差。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种依托循环水的鱼类光趋性行为集成化实验装置及方法，本发明克服了上述以往实验装置中存在的诸多问题，通过对实验水槽各部分的改进与优化，实现了实验装置的精细设计和实验环境的精准营造。

2、本发明的的第一方面，提供一种依托循环水的鱼类光趋性行为集成化实验装置，包括实验区主体和循环水系统，所述循环水系统包括上游水箱、变频水泵、引水管路和下游水箱，所述变频水泵设置在所述下游水箱内，所述引水管路一端连接在变频水泵上，另一端连通到上游水箱内；

3、实验区主体包括支撑架、玻璃罩和实验水槽，所述玻璃罩设置在所述支撑架顶部，所述实验水槽设置在所述玻璃罩顶部，所述支撑架两侧还设有千斤顶，所述千斤顶的顶升端与所述实验水槽顶底部连接，灯架、尾门、led水上投光灯和led适应灯，所述实验水槽设置在上游水箱和下游水箱之间，所述支撑架设置在实验水槽内，所述实验水槽的上部，沿水流的方向，依次设置有整流栅、压波板和拦网；

4、所述玻璃罩内设有光源和反光膜，所述反光膜用于将光源的照射光反射到实验水槽内。

5、优选的，所述压波板和拦网之间还设有灯架，所述灯架上设置led水上投光灯。

6、优选的，所述光源包括红外补光灯和led投光灯，所述红外补光灯和led投光灯设置在所述玻璃罩的侧壁上，所述反光膜设置在所述玻璃罩底部。

7、优选的，所述玻璃罩顶部还设有滤光纸。

8、优选的，还包括摄像头支架和连接在所述括摄像头支架上的摄像头，所述摄像头布置在所述实验水槽正上方。

9、优选的，所述实验水槽采用钢化玻璃制作。

10、优选的，所述灯架包括不锈钢滑槽横梁、不锈钢速放式喉箍、调节螺栓；黑色尼龙编织绳和手摇式把手，不锈钢滑槽横梁内设有一丝杆，所述手摇式把手连接在丝杆的端部。

11、优选的，所述玻璃罩底部还设置有激光发射器和半圆柱透镜，所述半圆柱透镜位于所述激光发射器的正上方，实验水槽侧边还设置有一个高速摄像机。

12、本发明的第二方面，提供一种依托循环水的鱼类光趋性行为集成化实验方法，采用上述任一项所述的一种依托循环水的鱼类光趋性行为集成化实验装置，具体包括如下步骤：

13、s1将待观察鱼类在实验水槽内喂养不少于5日；

14、s2在观察不同光照波长对鱼类活动的影响实验时，更换不同颜色的滤光纸，开启led投光灯，以反射到实验水槽内的光照波长范围，同时观察不同光照波长对鱼类活动的影响；

15、s3在测定实验区域局部流场时，将反光膜拆除，并启动激光发射器和半圆柱透镜，通过半圆柱透镜将激光发射器发射的激光散射至部分实验区域，利用实验水槽侧边设置的高速摄像机，利用激光追踪示踪粒子在短时间内的位移，根据粒子图像测速法获得激光照射区域内的流场数据。

16、相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

17、（1）光源效果佳。根据实验水槽的宽度，在实验区前方安置一个可调节灯架，配备两台高性能led投光灯，该灯具有大功率、高亮度、高光效、低光衰及长寿命的特点，旨在构建具有特定规律的光场环境。同时，这些led灯还可根据实验需求灵活调节布设角度和照度。灯体选用了优质的加厚铝合金材质，具有防水防锈等优点；灯罩部分应用了光学透镜设计，可通过覆盖滤光纸控制光源波长范围；其背面布置有双排散热孔与多片式螺旋散热板，可更有效保障光源使用寿命。除在灯架位置配备光源之外，实验装置还设置了一个多功能底板，该底板可布设led灯管，能够从实验区底部提供必要的实验光源，从而使光源布局更为充足且便捷。

18、（2）视频效果好。本实验装置采取底部补光的方式，将补光设备安置于实验区下方，避免了红外光在水上造成的反光情况。同时，在摄像头镜头前安置红外滤光片，使其消除或减弱视频中的外界环境反光与可见实验光，得到最佳的视频效果。

19、（3）明适应光源。在适应区的尾部拦网顶端安装一个可调照度的led灯管，根据每个光照工况适应区尾部的光照度，在实验正式开始前，先缓慢打开尾部的可调led灯管至指定照度，再开启实验光源，减少光环境突变对鱼类行为产生影响。

20、（4）流速可调且流态稳定。在装置下方放置千斤顶进行支撑，在装置尾部安装百叶窗式的调节尾门，通过改变千斤顶的高度来改变装置的坡度，并结合进水阀门开度与尾门开度调节达到改变流量、水深及流速的目的。实验装置采用了变频泵供给实验用水，以便精确控制水流环境。同时通过在进水端配置双重整流栅，能有效减弱湍流，确保水流平稳。随后还设置了由高抗弯强度蜂窝芯材制成的压波板，旨在消除水表面波动，使实验区水流更加平顺。此外，用钢结构框架搭配透明聚乙烯细网目渔网，制成既不影响水流流态又不造成鱼类损伤的新型拦网。

21、（5）环境变量实时监测。每隔半米在装置侧壁黏贴防水刻度尺贴纸，以方便实时监测水位变化。同时，为装置安装了可移动调节的多功能支架，该支架可用于安置水下照度计以监测光照强度的动态变化，也可承载温度记录仪，并将其与电脑相连，实现水温实时监控。此外，该支架还可支持多普勒流速仪adv设备的安装，用以即时观测流速的变动情况。