CC BY
45
УДК 639.2.081.117 ББК 47.225.2-042-01
А. А. Грачёв
ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВЕРОЯТНОСТИ ЗАДЕРЖАНИЯ И НАПРАВЛЕНИЯ РЫБ КРЫЛОМ ЛОВУШКИ
A. A. Grachev
ESTIMATION OF INDICATORS OF PROBABILITY OF RETENTION AND DIRECTION OF FISHES WITH THE TRAP WING
Рассмотрены основные показатели поведения рыб на этапе задержания и направления рыб крылом ловушки. Приведены экспериментальные данные, подтверждающие гипотезу М. Гуревича о косом набегании рыб на сетную перегородку. Даны оценки параметров вихревых полей сетных элементов крыла. Дополнены и, в ряде случаев, оптимизированы некоторые показатели и вид зависимостей, описывающих математическую модель процесса направления рыб крылом в ловушку.
Ключевые слова: поведение рыб, крыло ловушки, математическая модель, вихревое поле, вероятностная оценка поведения.
The main indicators of fish behavior during retention and direction of fish with the trap wing are considered. The experimental data supporting M. Gurevich’s hypothesis on the oblique crowding of fish on the net wall are given. The parameters of the vortex fields of net elements of the wing are assessed. In some cases, some characteristics and a number of dependencies, describing the mathematical model of the direction of fish using the wing into the trap, are completed and optimized.
Key words: fish behavior, a trap wing, mathematical model, a vortex field, probabilistic assessment of behavior.
Введение
Основы теории лова ловушками заложил Ф. И. Баранов [1]. Он рассмотрел принцип действия ловушек, теорию крыла, основы теории входных отверстий, дал качественное обоснование некоторых показателей элементов этих орудий лова и т. д.
Ловушки устанавливаются на фиксированных местах в ожидании рыбы с целью перехватить её на миграционных путях. Предварительные знания и предсказуемые схемы миграции с точки зрения маршрутов следования и сроков перемещения являются чрезвычайно важными для успешной операции по добыче рыбы. Маршрут перемещения, который избирается стаями рыб, иногда называют «fish route» - рыбный маршрут [2, с. 170]. Успешность операции по лову рыбы ловушкой зависит от позиции и угла установки крыла по отношению к рыбному маршруту. Важны и факторы, которые определяют формирование рыбного маршрута. Они включают: характеристики прибрежной топографии и изобаты, наличие и расположение природных рифов, скорость течения на акватории и состояние дна и др. Эти факторы учитывают при прогнозировании типов, видов рыб, размеров косяка и сезонных изменений, которые происходят с той или иной рыбой при прохождении маршрута. Координаты установки ловушки часто называют «место». Хорошие места определяются многими поколениями рыбаков, промышляющими в этом районе. Большинство рыб стараются искать более глубокие акватории, когда сталкиваются с опасностью - рыбы обычно направляются в сторону увеличивающейся глубины, поэтому ловушку необходимо устанавливать у глубокого конца крыла.
В настоящее время при анализе и обосновании показателей лова ловушками часто используют математические модели для оценки производительности лова через обловленный объем и вероятности ухода рыбы из зоны облова различными путями [3-8].
Поведение рыб у крыла
В [9] приведены результаты экспериментальных наблюдений за поведением рыб у крыла японского ставного невода, полученные с помощью сонара. Из схемы на рис. 1 видно, что крыло
эффективно задерживает до 76 % подходящих к нему рыб, из которых 52 % перемещается от берега в сторону ловушки, установленной со стороны моря, до 17 % рыб уходит от крыла и 8 % проходит через ячею сетного полотна.
Соотношение между количеством рыбы, которая направляется в сторону ловушки и в противоположном направлении, при лове вдали от берега зависит в основном от направления установки крыла по отношению к направлению хода рыбы.
Развивая теорию крыла ловушки, М. И. Гуревич [10] предложил гипотезу об аналогии движения косяка рыбы с движением набегающей на косую стенку струи жидкости при отсутствии трения и давления на её поверхности. В соответствии с ней вероятность направления рыбы крылом в сторону ловушки представляется зависимостью вида
р'(а) = (1 + ео8 а)/2,
а в обратную сторону - зависимостью
р"(а) = (1 - со8 а)/2,
(1)
(2)
где а - угол установки крыла к «рыбному маршруту».
Результаты полевых наблюдений за морским судаком и ставридой в макете прибрежной ловушки [11], а также наблюдения за поведением рыб у крыльев установки для лова осетровых в р. Урал [12, 13], осуществленные с использованием ультразвуковой биотелеметрии [14], подтвердили работоспособность данного предположения для некоторых видов рыб и условий лова. При установке крыла от берега рыбы обычно перемещаются в сторону, противоположную от берега, с большей вероятностью, и наоборот.
Єеі пе!
6 %
11 %
35 %
8 %
2 %
17 %
9 %
А. Рапе^айоп 8 %
В. І_еас)іпд 12 % 76 %
С. І_ІпсіеПпе(і 16 %
Рис. 1. Доли рыб и направления их перемещения в зоне крыла ставного невода
Результаты данных наблюдений за поведением рыб и расчеты по формуле (1) приведены на рис. 2.
Сравнивая показатели поведения изучаемых рыб у крыла ловушки, полученные для различных условий и орудий лова с использованием разных методов (см. рис. 1, 2), можно отметить их удовлетворительную сходимость и в значительной мере соответствие гипотезе М. Гуревича. Это позволяет использовать предложенные зависимости для математического моделирования процесса задержания и направления рыб крылом ловушки.
0,8
0,6
Яа)
0,4
0,2
\ 2
\ \ > X 1
ч 3 >
5
15
30
45
а
60
75
90
Рис. 2. Зависимость вероятности направления рыб крылом к входу в ловушку от угла его установки к «рыбному маршруту»: 1 - по формуле из [10]; 2 и 3 - по данным [14] для севрюги в р. Урал (2 - береговое, 3 - стрежневое); 4 и 5 - по данным [11], для морского судака и ставриды
1
0
0
При перемещении рыбы вдоль крыла большое значение имеет длительность перемещения, расстояние от рыбы до крыла при таком перемещении и, в некоторой степени, скорость перемещения.
Длительность перемещения вдоль крыла зависит прежде всего от дальности и степени видимости крыла, миграционной активности рыбы и направления установки крыла по отношению к направлению хода рыбы.
Расстояние от рыбы до крыла при её перемещении зависит от дальности и степени видимости, а в условиях отсутствия видимости определяется границей воздействия вихревого поля, образующегося при обтекании потоком сетных элементов крыла.
Наиболее вероятен проход рыбы через ячеи крыла с крупноячейным сетным полотном, особенно если рабочая форма ячеи в наибольшей степени соответствует форме поперечного сечения тела рыбы. Уход рыбы через крыло тем выше, чем меньше дальность и степень видимости крыла и увеличивается в ночное время при отсутствии течения [8].
Дальность реакции рыбы на элементы ловушки условно принимают равной дальности видимости элементов при дневном и сумеречном световом режимах или размерам зоны действия гидродинамических полей скоростей и давлений элементов ловушек (при ночном световом режиме или низкой прозрачности воды).
Математическое моделирование вихревого поля
При наличии течения рыбы реагируют на вихревые поля, создаваемые при обтекании подбор, оснастки, а также сетного полотна потоком воды. Размеры вихревого поля ограничиваются длиной и шириной вихревого следа (дорожки Кармана). Как отмечено в [15], расстояние, на котором наблюдались вихри в турбулентном следе за цилиндром, диаметром й достигало
х/й = 460 при Яе = 3,3 • 103, причем пределы по расстоянию не были достигнуты.
Ширину вихревого следа Ь можно определить по известной зависимости [16]:
Ь = 0,565 (хса й )0,5
а частоту вихревого поля по формуле
/ = stnV х 8т а/ й,
где х - расстояние от точки измерения до оси цилиндра; са - коэффициент сопротивления; п = 1, 2, 3, ... ; 81 - число Струхаля (равное 0,16-0,21); V - скорость потока; а - угол набегания потока на элементы крыла; й - характерный линейный размер.
Согласно Д. И. Блохинцеву [17], интенсивность звука J для случая обтекания длинных тонких цилиндров на расстоянии х от плоскости цилиндра определяется по формуле
4
/ = Л2^рОО820рК6ЫI 1 - W
Т 2 3 2 х с ,
где q - численный коэффициент д < 1; в - коэффициент удлинения Ь = ; 0 - направление оси
излучения; р - плотность среды; I - длина цилиндра; w - скорость движения вихревой дорожки; с - скорость звука в воде.
В условиях паводка в р. Урал при скорости течения от 0,8 до 1,5 м/с, крылья, выполненные из набора горизонтально натянутых стальных канатов диаметром 3 мм, создавали вихревые инфразвуковые поля, эффективно задерживающие и направляющие мигрирующую в реке севрюгу к входу в ловушку [18]. При этом полностью отсутствовала зрительная ориентация из-за низкой прозрачности воды в период паводка. Спектральные характеристики поля в зависимости от угла установки крыльев находились в диапазоне 30-80 Гц, а интенсивность превышала более чем на 25 дБ уровень естественного шума реки в данном диапазоне частот, вихревые поля фиксировались на расстоянии до 1,5 м от канатов.
Математическая модель процесса направления рыб крылом
Первый этап лова рыбы ловушкой соответствует поведению рыбы у крыла. Для этого этапа характерно, с одной стороны, задержание и направление рыбы крылом к входу в ловушку, с другой - частичный уход рыбы из зоны облова различными путями. При установке ловушки на одном конце крыла возможно перемещение рыбы вдоль крыла в сторону ловушки и в обратном направлении, уход рыбы от крыла, проход рыбы через сетное полотно крыла, порывы в нем, под нижнюю или над верхней подборой.
Общую математическую модель поведения рыб у крыла ставного невода получают из условия материального баланса. Общие математические модели производительности лова ставными неводами и мелкими ловушками наиболее полно приведены в [7, 8].
Рассмотрим случай, когда необходимо определить вероятности перемещения рыб крылом в сторону двух ловушек, установленных по концам крыла. Вероятности перемещения рыб в сторону одной ловушки - Р1 ' и в сторону другой ловушки (обратную сторону) - Р1 '' определим в соответствии с формулами (1) и (2). Доля рыб, дошедших до ловушек, зависит, при прочих равных условиях, от расстояния, пройденного рыбой вдоль крыла от места подхода её к крылу до входа в ловушку.
При математическом моделировании процессов лова на некоторых этапах связь между влияющими факторами и вероятностью события в большинстве случаев имеет экспоненциальный характер [5]. С учетом рассмотренных предпосылок получим
где = к^' - коэффициенты, учитывающие, что вдоль крыла перемещается часть рыбы из по-
дошедшей к крылу; кь - коэффициент, учитывающий долю рыб, идущих вдоль крыла, которая дойдет до входа в ловушку; Ь = Ь + Ь".
Представляет интерес оптимизация выбора угла установки крыла с одной ловушкой на конце к «рыбному маршруту» на удалении от берегов в акватории с равными глубинами. Для простоты расчетов вероятностью ухода рыбы через сетное полотно и от крыла можно пренебречь. В этом случае относительная доля рыб, направляемая крылом к входу в ловушку Q от угла его установки а к направлению «рыбного маршрута» и длины крыла равна:
На рис. 3 приведены результаты расчетов зависимости относительной доли рыбы, задерживаемой и направляемой крылом к входу в ловушку, от угла его установки а к направлению «рыбного маршрута» и длины крыла по формуле (3).
Р1' = ^'(1 + СО8а)/2 ехр(-^і) ; р1'' = к1 ''(1 - со8 а)/2 ехр (-кІі!) ,
(3)
0,8 0,64
ес* 5)
2(0, 50)
0,48 2(а, 100) ’
2(0, 500)
2(а, 1000)
0,32 2(а, 1500)
0,16 0
0 30 60 90 120 150 180
а
Рис. 3. График зависимости относительной доли рыбы, задерживаемой и направляемой крылом к входу в ловушку 2, от угла его установки а к направлению «рыбного маршрута» и длины крыла при L = 5 - 1 500 м; kL = 0,001; k1 = 1
Анализ данной зависимости показывает, что при высокой миграционной активности наибольшая доля рыб (~65 %) может быть задержана и направлена крылом к входу в ловушку при угле установки его к направлению перемещения рыбы 60° и уменьшается с увеличением его длины. Необходимы экспериментальные исследования для оценки настроечных коэффициентов, входящих в формулу (3).
Выводы
Приведенные экспериментальные данные отечественных и зарубежных исследователей, изучавших поведение рыб в зоне крыльев ловушек, подтверждают работоспособность гипотезы М. Гуревича об аналогии движения косяка рыбы с движением набегающей на косую стенку струи жидкости при отсутствии трения и давления на её поверхности для некоторых условий лова и объектов промысла.
Предложены зависимости для определения основных показателей вихревого поля, создаваемого элементами конструкции крыла, позволяющие оценить, в том числе, расстояние, с которого рыба может на него реагировать.
Дополнены и, в ряде случаев, оптимизированы некоторые показатели и вид зависимостей, описывающих математическую модель процесса задержания и направления рыб крылом ловушки.
Выполненные исследования позволяют на современном уровне оценивать показатели, определяющие вероятность задержания и направления рыб крылом ловушки, для различных условий лова, что позволяет повысить промысловую эффективность ловушек при добыче биоресурсов прибрежных морей и внутренних водоемов.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Баранов Ф. И. Избранные труды. Т. 1. Техника промышленного рыболовства. - М.: Пищ. пром-сть, 1969. - 719 с.
2. Pingguo He. Behavior of marine fishes: Capture Process and Conservation Challenges’. - Wiley-Blackwell. Singapore, 2010. - P. 404.
3. Мельников В. Н. Биотехническое обоснование показателей орудий и способов промышленного рыболовства. - М.: Пищ. пром-сть, 1979. - 375 с.
4. Мельников В. Н. Ханипур А. А. Математическая модель лова ставными неводами // Тр. Междунар. конф., посвященной памяти проф. В. Н. Войниканис-Мирского. - Астрахань: АГТУ, 2000. - С. 63-64.
5. Грачёв А. А., Мельников В. Н. Разработка и применение математических моделей для повышения эффективности лова рыбы // Обзор. информация ВНИЭРХ. Сер.: Промышленное рыболовство. - 2002. -Вып. 1. - 50 с.
6. Грачёв А. А., Мельников В. Н. Промыслово-экологические проблемы повышения эффективности использования запасов промысловых рыб. - Астрахань: Изд. дом «Астраханский университет», 2006. - 207 с.
7. Мельников В. Н. Общие математические модели производительности лова ставными неводами и мелкими ловушками // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Рыбное хозяйство. - 2010. - № 2. - С. 25-33.
8. Мельников А. В., Грачёв А. А. Обоснование показателей сетного полотна ставных неводов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Рыбное хозяйство. - 2010. - № 2. - С. 34-46.
9. Inoue Y., Arimoto T. Scanning sonar surveyon the capturing process of trapnets // Proc. WorldSump. Fish. Gear and Fish. Vessel Design, 1989. - P. 417-421. St. John’s, Newfoundland: Marine Institute .
10. Гуревич М. И. О косом набегании рыбы на сетную перегородку // Рыбное хозяйство. - 1963. - № 9. - С. 47.
11. Suzuki M. A fundamental study on fish movement in response to set nets and the function of the fishing gear // J. Tokyo Univ. Fish. - 1971. - 57 (2-2). - P. 95-171.
12. Никоноров И. В., Духовской В. В. Грачёв А. А. О возможности лова осетровых стационарными установками // Рыбное хозяйство. - 1982. - № 11. - С. 61-62.
13. Грачёв А. А. О целесообразности замены речного закидного невода ловушкой // Рыбное хозяйство. -1990. - № 12. - С. 75-76.
14. Грачёв А. А., Саранчев В. А. Использование ультразвуковой биотелеметрии на промысле осетровых в реке Урал // Рыбное хозяйство. - 1983. - № 2. - С. 70-71.
15. Papailion D. D., Zykoudis P. S. Turbulent vortex streets and the entrainment mechanism of the turbulent-wake // J. Fluid Mech. - 1974. - N 62. - P. 11-31.
16. ШлихтингГ. Теория пограничного слоя. - М.: Наука, 1956. - 711 с.
17. БлохинцевД. И. Акустика неоднородной движущейся среды. - М.: Наука, 1981. - 206 с.
18. Воловова Л. А., Грачёв А. А. Аномалии низкочастотного поля направляющих крыльев рыбоуловителя Н30-ИЛА.К // Тр. ВНИРО. Вопросы промысловой гидроакустики. - М.: Изд-во ВНИРО, 1983. - С. 79-84.
Статья поступила в редакцию 14.09.2011
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Грачёв Александр Александрович — Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; зав. кафедрой «Промышленное рыболовство»; agrach30@mail.ru.
Grachev Alexander Aleksandrovich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Science, Assistant Professor; Head of the Department "Industrial Fishery"; agrach30@mail.ru.
