流速与边界效应对鱼类群体运动协调机制的影响研究——以意大利溪流雅罗鱼为例

本研究针对淡水洄游鱼类在破碎化河流中的群体运动机制，通过实验探究流速(UB=2-7 BL/s)和边界条件对意大利溪流雅罗鱼(Telestes muticellus)配对协调行为的影响。发现流速改变鱼类排列方式（侧向→线性），边界区域显著影响运动耦合，为鱼类通道设计和群体运动建模提供实证依据。

　　

在日益加剧的河流破碎化背景下，淡水洄游鱼类的种群数量正面临全球性衰退。人工屏障如大坝和堰体不仅阻断了鱼类迁徙路线，更破坏了其依赖集体运动完成的生态行为。然而，关于固体边界和流体动力条件如何影响鱼类群体协调机制的基础研究仍存在显著空白。意大利理工学院Gloria Mozzi团队在《Scientific Reports》发表的研究，首次系统揭示了流速与空间约束对鱼类社会性运动的调控规律。

研究采用"简化论"方法，以意大利溪流雅罗鱼(Telestes muticellus)配对为最小群体单元，在开放渠道中设置三个流速梯度(2/4/7 BL/s)和四个游泳区域(Front/Centre/Side/Back)。通过卷积神经网络(YOLOv4)和卡尔曼滤波算法追踪鱼体轨迹，结合交叉相关函数分析速度耦合特征。实验样本来自意大利Noce溪流的20尾野生幼鱼(体长5.14±0.34 cm)，在可控水温(14±0.3°C)和深度(15 cm)条件下完成测试。

流速不改变集群时间但重塑空间构型

数据分析显示，无论采用1-8 BL的何种距离阈值，鱼类集群时间在三种流速下均无统计学差异(79-85%)。但流速显著改变空间排列：2-4 BL/s时偏好侧向并列，7 BL/s时转为线性队列。这种转变在边界区域尤为明显，

交互距离与方向特异性响应

速度相关性分析揭示6 BL为去相关距离(D_d)。纵向速度耦合(C_u)在线性排列(θ=90°)时最强(>0.25)，而横向耦合(C_v)在侧向排列(θ=0°)达峰值(0.3)。边界效应显示：中心区域促进横向协调，侧壁区域增强纵向耦合。

双向运动协调的流体力学机制

纵向响应时间(t_r,u≈0.5s)呈双向对称性，表明前后个体存在力学反馈；而横向响应(t_r,v)随流速加快从0.73s(2 BL/s)缩短至0.28s(7 BL/s)，反映尾部个体对流动威胁的警觉性提升。

该研究颠覆了"侧向排列始终最优"的传统认知，证明高流速下线性队列的能量节省优势。建立的流速-边界-协调响应关系为鱼类通道设计提供了关键参数：1) 通道侧壁应保留0.5 BL缓冲带；2) 最优流速区间建议4 BL/s；3) 需区分纵向/横向运动耦合机制。这些发现不仅推动了对群体智能流体力学基础的理解，更为基于Agent的鱼类迁徙模型(ABMs)提供了实证规则集。未来研究可拓展至更多物种和湍流条件，进一步解析集体运动的多模态传感机制。