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探究码头声波驱鱼技术的应用价值

2020-06-11 1413 上传者：管理员

摘要：为保证水电站水下设施的安全,解决人类与水下物种间的相互干扰等问题,保护生态并可持续发展,开发一套带宽为20Hz～10kHz,声压级最大可达180dB的水下发生器系统,并在码头进行了声波驱鱼的试验,通过试验数据,表明声波驱鱼效率良好,大鱼的驱离率达70%,鱼群的驱离率达50%。试验结果表明声波驱鱼技术具有一定的市场应用前景和推广价值。

关键词：
声波驱鱼
应用前景
水下发生器
水产保护
水电站
驱离率
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引言

大多数水电站使用最大可用水量进行发电，通常只允许2%～5%的基流绕过涡轮机进行环境补偿。因此，绝大多数在水电站附近的鱼都可能通过涡轮机。据估计，当鱼通过涡轮机时，由于转轮叶片的直接冲击和高压变化，高达10%进入涡轮机的鱼将被杀死，同时转轮叶片受到鱼冲击，会受到不同程度的损伤，为电厂生产带来安全隐患。部分火力发电厂输煤带附近常有渔民在支撑柱间穿梭进行捕鱼作业，由于空间有限加上渔民的安全防护措施不全面、自身安全意识不强、海上天气多变及船况简陋等多个方面的原因，给电厂带来安全隐患，电厂对码头和输煤带这片区域的所有安全事务负有管理责任，但电厂无法保证此片区域的安全又无法阻止渔民进行捕鱼作业。因此，通过合理的驱诱鱼方式，让大多数此片区域活动的鱼选择到其他地方栖息，让渔民自动放弃此处捕鱼点，杜绝发生由渔民捕鱼引发的安全事故，为保证水下设施的安全，保护生态及可持续发展，需开发一套可靠的驱鱼设备。

1、国内外发展状况

目前国内外采用的驱鱼方法很多，如拦鱼栅，电驱鱼，光驱鱼，气泡幕驱鱼，热驱鱼，药剂驱鱼，声波驱鱼等[1,2,3]，但由于光、电信号在水中衰减严重，采用光、电、流场进行大范围控制在工程应用上很难实现。声信号在水中有着衰减小、传播速度快、影响范围广的特点，为驱鱼技术提供了新的研究方向。

20世纪90年代开始，就有国外学者对声波驱鱼进行了研究，如1991年Loeffelman等人利用声波对取水口附近的鱼类进行驱赶并加以保护[4]。2002年，Jamie&Gibson在安纳波利斯潮汐发电站证明了高频声波驱鱼系统的有效性[5]。2007年，日本科学家对黑鲷、日本鱙仔、川纹笛鲷等鱼类进行了100Hz～2400Hz声波试验，发现有声波作用时，鱼群数量明显减少[6]。

美国OVIVO公司提出了一种鱼类保护系统———生物声学鱼栅栏BAFF(Bio-AcousticFishFence)，使鱼类依靠自身反应远离声源，这种设计既满足环保要求又不影响正常的生态环境。

在国外学者对声波驱鱼技术进行研究时，国内也有部分学者开展了声波驱鱼技术研究。乔云贵等人在2011年提出了一种鱼类行为控制学技术，即利用鱼类对声、光、电及水流等物理刺激的反应规律来控制鱼类行为的技术[7]。2014年，张立仁等人研究发明了灵活高效的复合式驱鱼系统[8]。2017年中国船舶重工基团公司第七二六研究所开发了一款等脉冲放电发声系统[9]，用以暂时驱离人类活动区域内的鱼类，在消除海上施工作业安全隐患的同时，保护鱼类免受伤害，但其能耗大，信号不可控，且由于是高压作业具有一定的局限性。

2、研究目的和方法

如果出现以下情况，鱼类可能会在水下声信号作用下产生排斥反应:

(1)具有在鱼类听觉频率范围内的任何类型的声信号以非常高的强度水平发射;

(2)声信号的特征对鱼类有特殊的生物学意义(例如模仿捕食者的接近);

(3)声信号是通过试验设计的，以引起鱼类特别强烈的回避。

生物学方法(2)可以为个体物种提供良好的应用场景，但经验方法(3)可以产生许多对各种物种有效的信号类型。

在所有应用中证明最有效的信号类型基于人工生成的波形，其幅度和频率可以快速循环，从而减少习惯。

综上所述，声波驱鱼的关键是研制1套音频信号可调，工作时间可调，增益可调，水下作业深度可调的高声强水下发生器系统。对于种类繁多的海洋鱼类，水下发生器系统需具备宽频带、高声强等特点。因为不同种类的鱼其敏感频率差异较大，水下发生器系统频率覆盖范围越宽，有效驱赶的鱼种类范围越广，而声强越高，声波的有效作用范围就越大。我们研制了1套带宽20Hz～10kHz，声压级最大可达180dB的水下发生器系统，根据声波理想条件下在水中的衰减定律，距离声源200m处，声压级最高可达134dB，此数值依旧高于大部分鱼类的听力阈值，可以有效驱鱼。

水下发生器系统是由控制系统、信号发生器、功率放大器及水下扬声器构成，控制系统的作用主要是调节工作参数及信号参数，控制并监视水下发生器各设备的工作状态。信号发生器将电信号发送至功率放大器放大，最后由水下扬声器将放大的电信号转换成声信号辐射到海水中。水下发生器系统的基本组成如图1所示。

图1水下发生器系统构成

码头声波驱鱼试验利用探鱼器采集数据，将探鱼器固定在特定区域，监测该区域鱼数量的变化，最终通过统计各个时间段有/无声波作用时，鱼及与群的数量，判断声波驱鱼的效率，码头声波驱鱼试验系统构成示意图如图2所示。

图2码头声波驱鱼试验系统

3、试验过程与结果

码头声波驱鱼试验设备布放方式水下扬声器吊放在水下约9m的位置，水下扬声器的发声端朝向电厂与码头之间的海域。探鱼器的探头放置在距离水下扬声器水平距离约为d1，在试验过程中对探鱼器探头的水平位置进行过调整，在距离水下扬声器水平距离约为d2处，深度不变。

试验过程中将探鱼器采集到的数据保存，并利用SonarViewer软件进行数据回放，统计各个时段鱼及鱼群出现的数量。

码头声波驱鱼试验，采集了15d的无声波作用数据，采集了20d的有声波作用数据，试验变量有信号扫频范围、信号幅值、工作时间、休息时间、探鱼器作用距离等。采用多次测量，固定单一变量(外界不可控因素除外)，将有/无声波作用下鱼、鱼群取平均值的方法进行分析，试验结果如图3和图4所示。

图3有无声波时各个时段鱼的数量平均值

图4有无声波时各个时段鱼群的数量平均值

4、研究结论

通过对比试验中相同的时间段有无声波时鱼的数量，有以下几点结论: