长江不同鳔室鱼类声学散射特性及其声学探测方法研究

摘要

长江流域内淡水鱼类多样性在世界淡水鱼领域占有一席之位，目前由于受到人为活动影响，包括水利水电工程、酷渔滥捕、航道及码头等工程的作用，流域内鱼类生境呈现破碎化、片段化状态，鱼类生物多样性不断下降，受威胁鱼类在近十年间不断增加，需密切关注并保护。此外近年来一些鱼类资源调查结果表明，长江鱼类不断呈现小型化、低龄化，渔业资源亦有衰退趋势，鱼类种类分布也有改变。因此，对长江流域内鱼类种类、大小及行为等生存现状进行调查十分必要。采用传统捕捞方法能够获得鱼类样本的生物学信息，对鱼类行为规律的研究则需借助仪器进行长时间观测。渔业水声学技术在天然水域固定点观测中较有优势，对观测对象干扰小、观测范围广，且受环境影响较光学及其他设备较小。但此法在内陆水体应用的过程中，对不同目标的信号进行识别，以及准确测量不同目标信号的目标强度(Target Strength，简称TS)是精确转化为资源量的关键因素，也是目前需解决的热点及难点。受限于较苛刻的实验条件，国内对长江内的主要经济鱼类TS测量较少，无法满足渔业声学调查的需求。为能够对我国淡水渔业资源声学评估进行工作经验方面的积累，也为其他淡水鱼类声学研究提供示范，本研究将使用实验室测量法及理论模型计算法，对长江内不同鳔室结构的鱼类进行目标强度的测量，分析目标强度受鱼种类、体型、鱼体内部结构(鳔室数量及大小)、声波入射角度、声波入射频率因素的影响，获取鱼类生物学参数体长、体重与目标强度的相关关系。之后使用声学方法在天然水域内进行定点监测，获取不同区域内不同时间周期的鱼类数量、分布等信息，并使用所测的目标强度与生物学参数相关关系进行声信号与鱼类体长的换算。结果如下：
　　1.本研究首先对长江内淡水鱼类 TS进行了非现场实验法测量。2015年6-10月，在小型水槽内使用BioSonics DT-X(199 kHz)科学探鱼仪发射水平声波，测量了8种共48尾不同鳔室结构的淡水养殖鱼类的目标强度，包括单室鳔鱼类：瓦氏黄颡鱼(Pelteobagrus vachelli)、鳜(Siniperca chuatsi)、大口鲇(Silurus meridionalis)；两室鳔鱼类：鲫(Carassius auratus)、草鱼(Ctenopharyngodon idellus)；三室鳔鱼类：团头鲂(Megalobrama amblycephala)、翘嘴鲌(Erythroculter ilishaeformis)；特殊鳔形：乌鳢(Channa argus)。所测方向包括鱼体体侧向及背腹向(180°范围)，并拍摄X光影像更详细的了解鱼体鳔室结构及特征。结果显示，单体鱼目标强度与声波入射角度具有cos函数关系，体侧向与背腹向上最大目标强度均出现于鱼体主轴垂直于入射声波时，最小目标强度出现于头尾方向朝向声波时，与最大目标强度相差10dB。平均目标强度体侧向大于背腹向0.5–5dB。单室鳔鱼类目标强度比相近体长的两室鳔鱼类小。选出实测时较为准确的4种鱼类进行目标强度与鱼体生物学指标的线性回归，获得不同角度下的线性回归式。体侧向全角度下的平均TS与体长的线性回归式分别为 TS_瓦氏黄颡鱼=20.4log(SL)–69.1(R2=0.90)， TS_鳜=35.9log(SL)–87.9(R2=0.71)，TS_鲫=22.8log(SL)–66.6(R2=0.82)，TS_草鱼=20.9log(SL)–67.3(R2=0.88)。背腹向完全侧向下的平均 TS与体长的线性回归式分别为 TS_瓦氏黄颡鱼=26.7log(SL)–76.8(R2=0.95)，TS_鳜=27.2log(SL)–75.8(R2=0.83)，TS_鲫=20.7log(SL)–65.7(R2=0.74)， TS_草鱼=12.6log(SL)–54.8(R2=0.69)。此外还有其他角度下的回归式，于文中列出。因实验室测量所受限制因素较多，尝试补充实验室实测未能满足的频率、体长等条件下的鱼类TS测量结果，也为更为详尽的模拟鱼类TS变化情况，将继续开展理论模型计算工作。
　　2.鱼类的声学模型用来描述实际鱼体的TS情况，以数值的形式用这些声学模型对鱼类的TS进行评估。将实验后的样品鱼进行麻醉并拍摄鱼体体侧向及背腹向X光影像，对鱼类X光影像所示的鱼体内部构造进行测量，测量鱼鳔长、鳔高、鳔宽用以建立扁长回转椭圆体模型(The prolate-spheroid modal-series model，简称PSMS)。选取水槽测量过体侧及背腹向TS的4种鱼中的23尾进行计算，所获体周最大TS平均值-36.8±5.5dB，与水槽内体侧向结果相差2.9±3.9 dB，背腹向结果相差1.0±3.8 dB。模型所计算的平均TS的均值为-50.1±2.6dB，与水槽内结果体侧向相差11.0±3.6dB，背腹向相差10.4±3.5dB。PSMS模型对单室鳔小体长鱼类的TS模拟较好，超出可算范围会出现极值。之后通过对X影像进行分段，鱼头部建立坐标系，测量每部分鱼体、鱼鳔上坐标点值，使用基尔霍夫近似模型(Kirchhoff-ray approximation model，简称KRM)，获得单体鱼在38、70、200kHz下的，鱼体姿态倾角为-100~270°(入射波射向鱼头为0°)下的变化情况，详细反映不同鳔室鱼类对声波散射的特性。可知如下结论：(1)对同一尾鱼，瓦氏黄颡鱼体侧向的TS小于背腹向，而其他鱼体侧向的TS均大于背腹向，此结论与水槽实测结果相符，表明目标强度受鱼鳔在不同方向上的投影面积影响。(2)不同体长鱼在同频率下，鱼鳔体积较大的鱼体TS较大。(3)TS随角度变化，38kHz时主波峰明显，背腹向最大值出现角度与鱼鳔-鱼体主轴夹角相近。两室鳔鱼类表现出双波峰特性。声频增高， TS最大值的角度特性不明显，对倾角变化敏感，呈现多波峰特征。(4)TS的最大值及平均值随频率增高而增大。选取水槽实测结果与模型结果对比，体侧向实测值与模型值相差-2.50±2.35dB，背腹向实测值与模型值相差-5.02±3.00dB，两组结果具有显著差异。将两组数据结果进行线性回归，得到实测体侧向平均TS与体长线性回归式：TST=22.05log(SL)-67.96(r2=0.73)，背腹向平均TS与体长线性回归式：TST=18.63log(SL)-63.97(r2=0.73)；模型计算体侧向平均TS与体长线性回归式：TSM=25.58log(SL)-70.30(r2=0.82)，背腹向平均 TS与体长线性回归式TSM=32.21log(SL)-77.04(r2=0.93)。之后将使用实测与模型计算公式进行定点监测中鱼类信号长度的换算。
　　3.渔业水声学技术在天然水域定点监测中较有优势，不同频率的科学探鱼仪不仅能够获得调查水域内鱼类资源量、空间分布及活动规律等信息，还可以对鱼类的个体大小、种类等进行辅助鉴别，另外还能够对水域的底质类型、深度等环境信息进行测定。尝试于2011年4月19日00:00至20日00:00在长江上游珍稀鱼类聚集江段，珍稀、特有鱼类国家级自然保护区核心区与缓冲区交界，泸州至合江江段设立监测点，使用科学探鱼仪EY60(工作频率200kHz)、高分辨率成像声纳DIDSON(长距，工作频率0.7、1.2MHz)进行水平方向的定点监测，同时于泸州-合江段开展了捕捞作业，将声学探测结果与监测点江段的网捕数据进行对比分析。一昼夜监测数据显示，DIDSON一昼夜获得鱼类个体信号192个，换算为鱼类平均长度为18.7±5.6 cm，平均速度为0.19±0.13m/s，使用EY60科学探鱼仪同时期的监测结果显示，共计监测到信号个数157个，平均TS值为-43.8?4.4 dB，使用在水槽内测量的瓦氏黄颡鱼的体长公式 TS=20.4log(SL)-69.1进行换算，换算体长20.2±14.8cm(8.7–118.9cm)，平均鱼类游泳速度为0.11±0.06 m/s，对DIDSON一个昼夜间所检测到的信号每6小时速度进行分析，06:00-12:00信号速度较低，但组间进行单因素方差分析，四组数据均无显著差异。渔获物数据显示，泸州-合江的74.7km内共捕捞鱼类167尾共11种，以瓦氏黄颡鱼、圆口铜鱼、长鳍吻鮈为主，渔获物数量百分比分别为32.2％，30.5%，26.3%，平均全长22.9±4.4 cm(10.5–36.0 cm)，平均体长19.1±3.9 cm(8.5–31.5 cm)，平均体重136.9±64.5 g(13.0–464.0 g)。使用水槽实测的瓦氏黄颡鱼公式换算已较其它鱼类共式提高了换算的准确度，但换算范围较大，对比表明DIDSON换算结果较为准确。
　　4.河床质是河流生物栖息地重要物理组成部分，对于底层产卵鱼类，河床质是其自然繁殖的承载体。为了更好的了解葛洲坝下江段鱼类活动的特点，先针对葛洲坝下中华鲟产卵场区域河床质的底质类型进行监测，于2015年11月使用Biosonics DT-X(210kHz)科学探鱼仪及Conan G16相机进行葛洲坝至猇亭江段底质类型的调查分析。每300米设定一个监测断面，每断面据江宽设定左中右三个探测点。通过分析回声系统采集的河床质第一次、第二次回波来获得其粗糙度(Roughness)、硬度(Hardness)指标；通过水下视频数据观察河床质组成和布局状态，获得河床表观充塞度(Embeddedness)数据，分析河床质分布情况。充塞度与硬度具有二次方关系，关系式E=0.15H2+2.04H+5.48，R2=0.719，粗糙度与粒径大小关系D=0.03R2+2.21R+52.9，R2=0.574。了解河床质类型后，使用科学探鱼仪与高分辨率成像声呐同步观测手段进行鱼类行为的定点监测。于2015年11月至2016年1月在宜昌渔政码头处，使用Biosonics DT-X(210kHz)科学探鱼仪及高分辨率成像声纳DIDSON(长距，工作频率0.7、1.2MHz)进行水平方向的定点监测，同时于葛洲坝-夷陵长江大桥段开展了捕捞作业，网具均为三层流刺网，将声学探测结果与监测点江段的网捕数据进行对比分析。结合每日天气、水温、水文因素，分析生态环境、河床质类型与鱼类活动及分布的关系。DIDSON监测数据显示，鱼类信号大多出现在18:00?06:00之间，偶尔有13:00?16:00出现，08:00?12:00信号数量较少。顺流鱼类信号共计508尾，平均长度29.1±5.4cm(14.3?37.1cm)间，平均游泳速度0.16±0.05m/s，距仪器平均距离11.2±0.76m；逆流鱼类信号共计286个，平均长度30.5±6.9cm(13.9?39cm)，平均游泳速度0.18±0.07m/s，距仪器平均距离11.7±1.0m。DT-X监测数据显示，鱼类信号基本出现在18:00后，平均TS=-36dB，平均游泳速度1.01m/s。结合前文实测与模型分别获得的TS-L换算公式， TST=22.05log(SL)-67.96，TSM=25.58log(SL)-70.3，换算可知-36dB的鱼体换算长度分别为28cm、22cm，与实际捕捞渔获物平均体长接近。因11月中水温、水位、流量变化较大，选取2015年11月11日至12月9日的DIDSON计数数据、渔获物数据进行具体分析，选取主要数量组成的铜鱼、鳜、瓦氏黄颡鱼、圆筒吻鮈的每日数量进行统计，可知顺逆流鱼类数量与水位、流量呈负相关，相关系数分别为-0.40，-0.39(顺流)；-0.46，-0.47(逆流)，两类鱼类数量未受水温影响。铜鱼数量与水位、流量呈负相关，相关系数均为-0.31；鳜数量与三要素呈正相关，相关系数分别为0.56，0.77，0.80(水温、水位、流量)；瓦氏黄颡鱼数量基本不受水文要素影响，圆筒吻鮈数量与三要素呈负相关，相关系数分别为-0.51，-0.46，-0.47(水温、水位、流量)。结合环境因素及鱼类生活习性分析可实现DIDSON对铜鱼的识别，换算长度与网捕数据相近。
　　通过分析不同鳔室形态的鱼种的回波特征差异，辅助判别不同种类鱼类信号，使声学方法可有针对性的获得不同水域内鱼类个体大小及行为规律以及空间分布信息。本研究首次通过使用实验法与模型法对长江内鱼类进行水平方向上的TS进行测量及估算，并首次将成像声呐及科学探鱼仪同步使用，进行长江内不同区域的水平定点监测。将所获鱼类 TS-L关系式应用到天然水域水平监测所获得鱼类TS及数量、活动行为的数据结果中，结合环境因素等尝试分析水平探测到鱼类信号的种类及长度，实现识别种类的目的，为长江内使用声学方法进行渔业资源评估及监测工作积累了有效的基础数据，为将来在长江内大力开展声学调查工作起到示范作用。

目录

声明

1 文献综述

1.1 长江流域渔业资源现状

1.2 渔业水声学方法简介

1.3 鱼体的目标强度

2 绪论

2.1研究的内容、目的意义

2.2 研究对象

2.3定点监测区域

2.4 技术路线

3 小型水槽内单体鱼目标强度测定研究

3.1 材料与方法

3.2 结果

3.3 讨论

4 基于理论模型法的鱼类目标强度研究

4.1 理论模型原理简介

4.2 模型计算

4.3 结果

4.4 讨论

5 长江上游弥陀江段鱼类大小及行为的探索性研究

5.1 前言

5.2 材料与方法

5.3 结果

5.4 讨论

6 长江中游渔业水声学方法实践应用

6.1 材料与方法

6.2 结果

6.3 讨论

6.4 结论

7总结及展望

7.1 误差讨论

7.2 总结及展望

参考文献

附录

致谢

在学期间发表文章及参与项目