Swimming performance of Rio Grande silvery minnow

Authors: Compton, Robert I.1, Seal, Sean1

Year: 2005 (xxxvii)

Abstract

Disruption of rivers by dams often has negative impacts on biota that require relatively long and contiguous stream reaches to complete life histories. The middle Rio Grande (R ío Bravo), New Mexico, supporting the only remaining population of the endangered Rio Grande silvery minnow, Hybognathus amarus, is interrupted by numerous low-head diversion dams that prevent upstream movement of the fish. Adults need to re-populate upstream reaches because their semi-buoyant eggs and larvae drift downstream. To assist in determining optimal upstream passage designs, we assessed aspects of swimming performance and behavior of the species in a variety of laboratory experimental settings. Wild fish were capable swimmers, achieving speeds up to 118 cm/sec for short periods in a swimming chamber at water temperatures of 15, 19, and 23°C. Swimming endurance increased as water velocity declined; a threshold for an exponential increase in swimming performance was observed at water velocities less than 45-60 cm/sec. The threshold may represent a transition from anaerobic sprint-swimming to more sustainable aerobic-swimming. Water temperature and fish length were positively correlated with swimming endurance. Fish routinely swam the equivalent of 50 km or more (up to 125 km) in a swim-chamber in 72 hr or less. Fish tested in a flume completed trials where they swam over sand to cobble-sized substrates in a range of flow velo cities, and used velocity-breaks near the boundary layer and behind cobbles to proceed upstream in an energetically efficient manner. Passage experiments showed that Rio Grande silvery minnow did not ascend Denil and single-vertical-slot fishways, presumably because of high water velocities and complex, turbulent flow fields. Up to 50% passage was observed in a lower turbulence dual-vertical-slot fishway at a relatively low 70 cm/s ec; passage was only 8% at a higher 100-cm/sec water velocity. About 75% of wild and hatchery fish successf ully ascended a large-scale model of a rock-channel fishway with a 1% hydraulic gradient during both low and high-velocity flows. Underwater cameras showed that individuals used the lower-velocity boundary layer and breaks adjacent to high velocity zones to swim upstream. The mosaic of water velocities present in the rock-channel fishway was likely the reason for relatively high passage success. We integrated time-to-fatigue relationships with hypothetical passage attributes, including fishway length and flow velocity, water temperature, and fish length, which should assist in the design of structures appropriate for successful upstream passage of Rio Grande silvery minnow.

Resumen

Desempeño de nado de la carpa chamizal La disrupción de ríos por la construcción de presas, a menudo ejerce un impacto negativo sobre la biota que requiere corrientes relativamente largas y contiguas para completar su ciclo de vida. La parte media del Río Bravo (Rio Grande), en Nuevo México, que alberga la única población remanente de la especie en peligro de carpa chamizal, Hybognathus amarus, es interrumpida por numerosas presas de bajo perfil que impiden el movimiento de la especie río arriba. Los adultos necesitan repoblar las corrientes río arriba porque sus huevos y larvas semiflotantes se mueven a la deriva río abajo. Para poder determinar los diseños óptimos de pasajes para peces río arriba, se evaluaron aspectos de desempeño del nado y conducta de esta especie en una variedad de escenarios experimentales de laboratorio. Los peces silv estres nadaron con alta capacidad, alcanzando velocidades por encima de 118 cm/s en cortos períodos de tiempo en una cámara de nado con temperaturas de agua de 15, 19, y 23°C. La resistencia de nado se incrementó al disminuir la velocidad del agua; se observó un umbral para un incremento exponencial en el desempeño del nado a velocidades del agua menores a 45-60 cm/s. El umbral puede representar una transición de un nado rápido anaeróbico a un nado aeróbico más sostenible. La temperatura del agua y la longitud de los peces es tuvieron positivamente correlacionados con la resistencia al nado. Los peces nadaron rutinariamente el equivalente a 50 km o más (más de 125 km), en 72 horas o menos, dentro de una cámara de nado. Los peces que se colocaron en una acequia completaron pruebas donde nadaron sobre substratos de arena hasta canto rodado en un variado rango de velocidades de flujo, y usaron los cambios de velocidad cerca de la capa limítrofe y detrás del canto para continuar corriente arriba de una manera energéticamente eficaz. Los experi mentos con pasajes mostraron que la carpa chamizal no ascendió los pasajes de peces tipo Denil ni los pasa jes de hendiduras vertical es individuales, debido presumiblemente a velocidades altas del agua y campos de flujo turbulentos y complejos. Se observó un pase de hasta 50% en un pasaje para peces de hendiduras dobles ve rticales con turbulencia menor a una velocidad relativamente baja de 70 cm/s; el pase fue de sólo 8% a una velocidad de agua mayor de 100 cm/s. Cerca del 75% de los peces silvestres o cultivados ascendieron exitosamente un modelo a gran escala de un pasaje para peces simulando un canal de roca, con un gradiente hidráulico de 1%, durante flujos de velocidad bajos y altos. Cámaras bajo el agua mostraron que los organismos usaron la capa limítrofe de la velocidad más baja y los quiebres adyacentes a zonas de alta velocidad para nadar corriente arriba. Es posible que la causa para el éxito de un pase de peces relativamente alto en el pasaje de canal de roca sea el mosaico de velocidades de agua ahí presentes. En este trabajo, integramos las relaciones de tiempo-fatiga con atributos hipotéticos del pasaje, incluyendo la longitud y velocidad de flujo del pasaje para peces, temperatura del agua, y la longitud de los peces, lo cual debería contribuir en el diseño de estructuras apropiadas para un pase exitoso de peces corriente arriba de la carpa chamizal.