Hydrodynamic abilities of riverine fish: a functional link between morphology and velocity use

Aptitudes hydrodynamiques des poissons dulçaquicoles : un lien fonctionnel entre morphologie et utilisation des vitesses de courant

UMR CNRS 5023, Ecologie des Hydrosystèmes Fluviaux, Université Lyon 1, 69622 Villeurbanne, France Université de Lyon, 69003 Lyon, France

Corresponding author: sagnes@biomserv.univ-lyon1.fr

Received: 4 July 2008
Accepted: 8 January 2009

Abstract

To better understand the effects of perturbations (e.g. global change) or habitat restorations on fish population dynamics, it is crucial to improve the knowledge about strategies of habitat use (especially in terms of velocity use) by fish. Many recent studies accurately describe kinematics or energetic budgets of swimming activities, which are often species-specific and hardly transferable to other species. The main goal of the present study was to revive more general ecomorphological relationships between body shape and strategies of velocity use by highlighting a functional aspect of fish morphology: the hydrodynamic potential. For this purpose, potential relationships between minimum drag coefficients (C_dmin, constant at high Reynolds numbers), velocity use, fish morphology and drag in given flow conditions were investigated. To assess these relationships, dead drag values (i.e. drag values measured on dead, straight individuals) of 27 riverine species (108 individuals in total) common in France were experimentally measured under various flow conditions. These values served to estimate the C_dmin of fish. For pelagic species, C_dmin values were related to both preferred and near-maximum flow velocity used by the fish in nature. Explaining 61% of its variability, C_dmin was described using six morphological variables, which demonstrates the functional link between fish morphology and velocity use. For all studied species, a model explained 94% of drag variability using the Reynolds number of fish and three morphological variables. The link between morphology and drag force at given velocity conditions provides simple elements for modelling fish energetics in the context of physical habitat use. Moreover, the relationships between fish velocity use and their C_dmin open many applied perspectives, such as assessing the species abilities to withstand discharge modulations.

Résumé

Améliorer la connaissance des stratégies d'utilisation de l'habitat physique (notamment des vitesses de courant) par les poissons est cruciale pour mieux comprendre et/ou estimer les effets de perturbations (e.g. changement global) ou de restaurations sur la dynamique des populations piscicoles. Des études récentes décrivent précisément des cinématiques ou des bilans énergétiques de nage, souvent spécifiques et difficilement transposables à d'autres espèces. Le but de cette étude est de revenir à des relations écomorphologiques générales entre forme du corps et utilisation des vitesses de courant, en s'intéressant à un aspect fonctionnel de la morphologie des poissons: leur potentialité hydrodynamique. Pour cela, les relations entre le coefficient de traînée minimum (C_dmin, constant aux forts nombres de Reynolds), l'utilisation des vitesses de courant, la morphologie des poissons et la force de traînée s'exerçant sur eux dans des conditions d'écoulement données sont étudiées ici. Afin de préciser ces relations, des valeurs de traînée passive (mesurées dans différentes conditions d'écoulement sur des individus morts) ont été prises sur 27 espèces (108 individus au total) dulçaquicoles, communes en France. Ces valeurs de traînée ont permis de déterminer le C_dmin des poissons. Pour les espèces de pleine eau, ce C_dmin a pu être mis en relation avec les vitesses de courant préférées et les vitesses maxima fréquentées en milieu naturel. Le C_dmin a pu être estimé (variabilité expliquée à 61 %) grâce à six variables morphologiques, ce qui a permis d'établir un lien fonctionnel entre la morphologie des poissons et leur utilisation des vitesses de courant. La traînée en pleine eau de toutes les espèces étudiées a pu être modélisée (variabilité expliquée à 94 %) grâce au nombre de Reynolds des poissons et trois variables morphologiques. Le lien entre morphologie et force de traînée dans des conditions d'écoulement données apporte des éléments simples pour estimer la dépense énergétique des poissons en milieu naturel. De plus, les relations entre l'utilisation des vitesses de courant par les poissons et leur C_dmin ouvrent de nombreuses perspectives appliquées, notamment en ce qui concerne l'estimation des capacités de résistance des espèces face à des modulations de débit.