ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЫБОЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к устройствам для управления поведением рыб физическими полями и, в частности, для защиты рыб от попадания в водозаборы.
Известно много устройств, использующих комбинации световых, акустических, электромагнитных, гидравлических и тепловых полей для управления поведением (движением) рыб [Михеев П.А. 2000. Рыбозащитные сооружения и устройства. М., «Рома», 405 с].
Наиболее известны рыбозащитные устройства (РЗУ), основанные на воздействии на рыб гидравлическим полем (жалюзийные РЗУ, рыбоотводящие запани, рыбозащитные барабаны БЛР, ARS). Из них наибольшее распространение получили жалюзийные РЗУ.
Рыбозащитное действие жалюзийных РЗУ основано на воздействии на рыб вихревых потоков, образующихся на косо расположенных к входному потоку жалюзийных пластинах, которые воспринимаются органами чувств рыб и заставляют их отходить от водозаборного окна. Рыбозащитная эффективность жалюзийного РЗУ зависит от входной скорости воды, расстояния между пластинами, угла их установки и размерно-видового состава защищаемой молоди. По данным Эрслера [Эрслер А.Л. 1999. Инженерно-биологическое обоснование и разработка эффективных конструкций рыбозащитных устройств на водозаборах малой производительностью. Автореферат дисс. к.т.н. Новочеркасск, 36 с] рыбозащитная эффективность жалюзийного РЗУ для личинок лососевых рыб составляла 25-30%, а для ранней молоди - 65-75%. К Rugyes, P. Ryan [Rugyles К, Ryan P. 1964. An investigation of louvers as a method of guiding juvenile salmon. Canada Fish. Culturist, №33 p.68] приводят величины 85-95% для молоди лососевых рыб длиной тела более 25 мм. При этом расстояние между пластинами они рекомендуют принимать от 25 до 76 мм. При увеличении расстояния между пластинами до 100 мм эффективность преграды снижается до 60% [Павлов Д.С., Пахоруков A.M. 1983 Биологические основы защиты рыб от попадания в водозаборные сооружения. М.: Лег. и пищ. пром-сть, 264 с]. Отмечено, что при низких входных скоростях молодь лосося вблизи жалюзи ориентирована головой против течения, ведет себя свободно, но может проходить между пластинами. Однако повышение входной скорости вызывает травмирование рыб о пластины. Пропускная способность жалюзийного РЗУ (по воде) возрастает с увеличением расстояния между пластинами и входной скорости, но при этом снижается рыбозащитная эффективность устройства и повышается риск травмирования молоди.
Известны также электрические рыбозаградители (ЭРЗ), использующие «градиентную» ориентацию рыб в неоднородном электрическом поле определенных энергетических и временных характеристик [Мишелович Г.М. 1975 Устройство для направленного перемещения рыб. Авт. свидетельство на изобретение №535930; Страхов В.А. 1965. Электрический рыбозаградитель типа ЭРЗУ-1, его устройство, выбор и расчет параметров. Тр. координационных совещаний по гидротехнике. «Энергия», вып. XXIV, с.67-80; Stewart Р.А. 1990. Electric Screen and Guides. Fishing with Electricity, London. Fish. News Books, p.140-156]. Недостатком этих устройств является снижение эффективности при защите ранней молоди рыб.
Существуют, так называемые, комбинированные РЗУ, использующие два или более факторов воздействия на рыб.
В качестве прототипа настоящей полезной модели принимаем комбинированное электрогидравлическое РЗУ американских ученых [Monan G.E. at al. 1967. Efficiency of a combined electrode and louver array in guiding juvenile steelhead trout. Transaction and. Fishsoc. vol.96 №4 pp 422-423], состоящее из жалюзийного рыбозаградителя, на изолированные пластины которого подано импульсное напряжение. При этом все четные жалюзийные пластины были подключены к плюсу импульсного генератора, а все нечетные - к минусу генератора. Однако в опытах на стальноголовом лососе не было получено увеличения рыбозащитной эффективности жалюзийного РЗУ при подаче на его пластины импульсного напряжения, что связанно, по нашему мнению, с неудовлетворительной структурой используемого электрического поля.
Задачей настоящей полезной модели является повышение рыбозащитной эффективности и снижение вероятности травмирования молоди рыб.
Указанная цель достигается тем, что в электрогидравлическом рыбозащитном устройстве, состоящем из гидравлического рыбозаградителя в виде изолированных металлических жалюзийных пластин, закрепленных на изоляционных верхнем и нижнем основаниях, установленных на входе в водозабор и подключенных к импульсному генератору, согласно предлагаемому техническому решению, жалюзийные пластины разделены на 10 и более секций, включающих в себя от 2 до 10 жалюзи, и подключены к импульсному генератору через коммутатор импульсов, имеющий схему управления.
Таким образом, предлагаемое устройство отличается от прототипа разделением жалюзийных пластин на 10 и более секций, каждая из которых состоит из 2-10 жалюзийных пластин, а также тем, что жалюзийные пластины подключены к импульсному генератору через коммутатор импульсов, что позволяет создавать эффективное электрическое поле, переключаемое вдоль системы электродов.
Принцип действия электрогидравлического РЗУ иллюстрируется фиг.1, на которой показаны векторные диаграммы скоростей течения и напряженности электрического поля, поясняющие механизм действия электрогидравлического заградителя.
тр
вх
вх
тр
1. Положение тела рыбы относительно плоскости жалюзей определяется соотношением транзитной V и входной V скоростей, чем ближе к плоскости жалюзей, тем больше отношение V/V и тем меньше угол θ(θ→0).
х
р
х
2. Проекция вектора напряженности поля E на длину тела рыбы тем больше, чем больше угол φ и чем меньше угол θ, определяющий положение тела рыбы относительно фронта заграждения. При θ=0 тело рыбы расположено перпендикулярно к плоскости системы электродов и проекция E=E cosθ - максимальна.
х
х
р
р
3. Напряженность поля E падает с удалением от электродов. На фиг.1 показаны составляющие вектора напряженности E=f(x) для сечения y=0 (посередине системы электродов), и величины E действующие на рыбу при ориентации ее тела по вектору V.
Электрическое поле «переключается» вдоль системы электродов. Эффективная отпугивающая зона такого поля превышает зону действия гидравлического поля жалюзийного заградителя, что способствует увеличению рыбозащитной эффективности электрогидравлических РЗУ. Кроме того комбинированное электрогидравлическое РЗУ позволяет увеличить расстояние между электродами без ухудшения эффективности РЗУ и снизить вероятность травмирования рыб.
При отсутствии электрического поля рыбы подходят к пластинам жалюзи на близкое расстояние и, как показали наблюдения, могут проходить между пластинами при большем расстоянии между ними.
При наличии электрического поля рыбы отвечают на его действие оборонительной реакцией, стремясь выйти из зоны действия поля, не достигая пластин, тем самым избегая с ними контакта.
За эффективную зону поля принимают максимальное расстояние от системы электродов, на котором рыбы отвечают на действие поля оборонительной реакцией. Это расстояние зависит от напряженности поля и длины тела рыб.
Из фиг.1 видно, что электрическое поле обеспечивает дополнительное к гидравлическому полю информационное и силовое отпугивающее воздействие на покатную рыбу, которое проявляется на значительно большем расстоянии, чем реакция рыб на изменение гидродинамического режима жалюзийного заградителя, воспринимаемое рыбами в непосредственной близости от входа в водозаборный оголовок. Рыбозащитный эффект предлагаемого электрогидравлического рыбозащитного устройства улучшается по сравнению с прототипом благодаря более благоприятной для ориентации рыб структуре электрического поля. Кроме того, снижается вероятность травмирования рыб из-за контакта их с жалюзи, т.к. электрическое поле предупреждает подход рыб непосредственно к пластинам.
Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемой полезной модели, является повышение рыбозащитной эффективности и снижение вероятности травмирования молоди рыб о металлические пластины жалюзи.
Рыбозащитный эффект предлагаемого электрогидравлического РЗУ улучшается также по сравнению с отдельно взятыми жалюзийными электрогидравлическим рыбозаградителями. Кроме того, повышается пропускная способность электрогидравлического РЗУ за счет возможности увеличения расстояния между жалюзи.
Дополнительным положительным эффектом предполагаемого устройства по сравнению с жалюзийным РЗУ является уменьшение обрастания металлических пластин дрейссеной за счет наличия на них электрического потенциала. [Водозаборные сооружения для водоснабжения из поверхностных источников. 1976. М. Стройиздат. 368 с].
На фиг.1 представлены векторные диаграммы скоростей течения и напряженностей электрического поля, действующие на рыбу в зоне действия электрогидравлического РЗУ.
На фиг.2 представлена функциональная схема электрогидравлического РЗУ.
Предлагаемое электрогидравлическое РЗУ (фиг.2) состоит из жалюзийного заградителя (1), металлические жалюзи которого (2) закреплены на электроизоляционных верхнем и нижнем основаниях (3), разделены на m-секций, состоящих из двух и более пластин-электродов, причем m≥10, секции подключены к генератору импульсов (5) через коммутатор (7), имеющий схему управления (6) и регулируемый источник постоянного тока (4).
Работа устройства происходит следующим образом. Отрицательные униполярные импульсы, формируемые импульсным генератором (5) подаются поочередно на секции электродов-жалюзи (3) через коммутатор (7) таким образом, что в момент, когда отрицательный импульс подан на одну из секций на остальные секции, включаемые параллельно, подаются положительные импульсы. После окончания импульса следующий отрицательный импульс подается на следующую секцию, а остальные секции в это время становятся анодами. Длительность и частота следования импульсов задаются схемой управления (6). После прохождения импульса через последнюю m-секцию цикл повторяется.
Экспериментальная проверка электрогидравлического РЗУ была проведена на модели, состоявшей из 20 жалюзи, длиной 0,9 м и шириной 0,08 м, закрепленных на электроизоляционных пластинах под углом 45° к потоку на расстоянии 8 см друг от друга. Жалюзи были сгруппированы в 10 секций по два электрода в каждой, на секции подавались импульсы с регулярной амплитудой 10-50 В при частоте 5 Гц и длительности 0,25 мс.
Опыты ставились в воде с удельной проводимостью 34 мСм/м при температуре 28°C. Сопротивление растекания катодной секции из двух электродов при температуре 21,5°C составило 14,5 Ом.
В модели электрогидравлического РЗУ напряженность поля плавно возрастала по мере приближения к жалюзям (таблица 4).
Таблица
Зависимость напряженности электрического поля E<sub>х</sub> от расстояния до жадюзи х, рассчитанная для напряжения U=50 В, количество секций m=10, количество электродов в секции n=2.
х, см
3
4
5
6
7
8
10
12
14
16
18
20
E, В/см
1,821
1,896
1,845
1,748
1,630
1,512
1,301
1,129
0,991
0,879
0,788
0,712
l
p
За протяженность эффективной зоны принималось расстояние от жалюзи, на котором напряжение тела U, приходящееся на длину тела рыбы l составляло 2 В. [Мишелович Г.М. 1974 г. Расчет картины поля и электрических параметров электрорыбозаградителя с униполярным питанием. Изв. ГосНИОРХ т.92. с.188-201.], вызывая ответную оборонительную реакцию.
Так как ,
р
Для l=1,3 см . Такая напряженность имела место (согласно таблице) на расстоянии x=7,5 см или 5,7 длины рыб.
р
Для l=7,5 см  и x=30 см или 4 длины рыб.
Таким образом, расчетная эффективная зона располагалась на расстоянии 4-5,7 длин рыбы от входа в жалюзи.
р
р
Проверка размера эффективной зоны проводилась путем наблюдения за реакцией 15-20 личинок уклеи длиной тела l=13 мм и мальков l=70-80 мм, помещенных в делевый садок. При приближении садка к системе электродов-жалюзей фиксировалась максимальная дистанция, на которой наблюдалось вздрагивание рыб (1 реакция). Это расстояние соответствовало границе эффективной зоны поля.
Для личинок эффективная зона располагалась на расстоянии 10-15 см по нормали к жалюзи, а для мальков - на расстоянии 50-60 см по нормали и на расстоянии 30-40 см по диагонали к жалюзи.