автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.17, диссертация на тему:Совершенствование технологии промысла тихоокеанского кальмара

На правах рукописи

БАРИНОВ ВАСИЛИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОМЫСЛА ТИХООКЕАНСКОГО КАЛЬМАРА

Специальность 05.18.17 - Промышленное рыболовство

( \

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток — 2015

005570169

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет» (ФГБОУ ВПО «Дальрыбвтуз»)

Научный руководитель: кандидат технических наук,

заведующий лабораторией промысловой гидроакустики ФГБНУ «ТИНРО-Центр», г. Владивосток Кузнецов Михаил Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

главный научный сотрудник лаборатории промысловой гидроакустики ФГБНУ «ВНИРО», г. Москва

Кудрявцев Валерий Иванович

кандидат технических наук, заместитель начальника научно-технической лаборатории ТОФ, г. Владивосток

Пичугин Константин Александрович

Ведущая организация: ФГАОУ ВПО «Дальневосточный

федеральный университет» (ДВФУ), Инженерная школа, г. Владивосток

Защита состоится «22» апреля 2015 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 307.006.01 в Дальневосточном государственном техническом рыбохозяйственном университете по адресу: 690087, г. Владивосток, ул. Луговая, 52 Б.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дальневосточного государственного технического рыбохозяйственного университета, e-mail: oev@mail.ru Факс: 8(423) 244-03-09.

Автореферат разослан « Л?» 03 20 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

i.B. Осипов

Актуальность исследований. Одним из ценных и недоиспользуемых объектов промышленного рыболовства зоны Японского моря является тихоокеанский кальмар (Тойаго(1е$ раарсш), ежегодный вылов которого отечественными промысловыми судами может достигать более 100 тыс. тонн1, а флотом Японии и Республики Корея добывается в последние годы порядка 400 тыс. тонн в год2. С 2012 года тихоокеанский кальмар в России не квотируется, несмотря на это, его добыча отечественными судами в 2013 г. составила всего 49 тонн. По данным спутникового мониторинга, в Японском море, только на границе экономической зоны России с КНДР ежегодно ведут промысел тихоокеанского кальмара свыше 600 промысловых судов с максимальной концентрацией до 6 единиц на одну квадратную милю3. Интерес к освоению тихоокеанского кальмара особенно вырос в связи с распоряжением Президента РФ по созданию в Приморском крае рыбоперерабатывающего кластера, в бизнес-проекте которого поставкам кальмара в живом, охлажденном и глубоко обработанном виде на аукцион во Владивостоке уделено особое внимание. В этой связи возобновление промысла тихоокеанского кальмара рыбодобывающими компаниями Приморского края может стать точкой роста рыбоперерабатывающего кластера и собственного социально-экономического развития.

Причиной недоиспользования тихоокеанского кальмара является ограниченная область его концентрации с использованием световых источников и для эффективного промысла необходимо осуществлять добычу группой судов. Опыт японских рыбаков показывает, что для эффективности промысла минимальная группа таких судов должна составляет 8-10 ед. Коллективная работа отечественного флота в подобной организационной структуре сегодня затруднена в связи с отсутствием достаточного количества специализированных судов и соответствующих государственно-частных инициатив рыбаков.

1 ТИНРО-Центр. Основные результаты научно-производственной деятельности за 2012 г. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.tinro-center.ru/tinro-centr/osnovnye-rezultaty-naucno-proizvodstvennoj-deatelnosti.

2 FAO yearbook. Fishery and Aquaculture Statistics, 2010 [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.fao.org'docrep/015/ba0058t/ba0058t00.htm

3 Дубина В.А., Плотников В. В. Спутниковый радиолокационный мониторинг положения судов. Научно-практические вопросы регулирования рыболовства: материалы II Междунар. науч.-практ. конф. -Владивосток : Дальрыбвтуз, 2013. - С. 68- 72.

В решении проблемы промысла тихоокеанского кальмара применен гидробионический подход, предложенный Кузнецовым Ю.А.4 к моделированию биофизических и биотехнических процессов и принцип системной организации функций формирования поведения гидробионтов.

Объект исследования - поведение тихоокеанского кальмара под воздействием комплекса физических полей «Свет-Звук».

Предмет исследования - механизм взаимодействия гидробионтов с внешними возмущениями, обоснование метода и параметров средств искусственной концентрации тихоокеанского кальмара в зоне облова, повышения его пищевой активности для создания новых технологий лова.

Цель работы заключается в научном обосновании структуры физического стимула и технических решений для эффективного воздействия на поведение тихоокеанского кальмара и интенсификации его промысла.

Задачи исследования:

- исследовать существующую методическую базу промысловой биоакустики, релевантность ее действующих положений, биофизическую сущность предмета исследования, спланировать НИР и выбрать адекватные приемы экспериментальной интерпретации процесса взаимодействия кальмаров с промысловыми физическими полями;

- исследовать биоакустическую основу пищевого рефлекса, обосновать физическую модель средств эффективного воздействия на поведение кальмаров и разработать конструкцию излучателя пневмоакустической системы (ПАС);

- провести промысловые испытания ПАС, экспериментально доказать перспективность ее использования в новых технологиях промысла.

Научная новизна работы состоит в том, что усовершенствована методика исследования акустических полей пневмоакустической системы (ПАС) и поведения гидробионтов в зоне действия ПАС, разработана модель поведения кальмаров в акустическом поле ПАС, разработана и научно обоснована технология промысла кальмаров с использованием ПАС, позволяющая достигнуть более высокой плотности концентрации объекта

4 Кузнецов Ю.А. Обоснование и разработка методов и средств промысловой гидроакустики // Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.18.17 - Промышленное рыболовство, 05.11.06 - Акустические приборы и системы. - Владивосток: Дальрыбвтуз, 2004. - 408 с.

промысла в зоне добывающего судна и повышения его трофической активности, что увеличивает производительность промысла.

Достоверность результатов исследования и разработки подтверждается высокой сходимостью параметров природных акустических аналогов с разработанными биоакустическими и биотехническими моделями, сходством ожидаемых показателей поведения гидробионтов с поведением в условиях опытных и промысловых испытаний. Чувствительность этих моделей к изменчивым условиям лова выверена и подтверждена измерениями и практическими результатами их использования.

Практическая значимость работы. Выполненные исследования и разработки показывают, что применение общих методов промысловой биоакустики, биофизического и биотехнического моделирования на бионическом принципе построения звукоизлучающих систем, позволяет увеличить эффективность джиггерного лова тихоокеанского кальмара. Установлено, что производительность лова кальмара вертикальными ярусами при использовании ПАС увеличилась на 56 %, а при удебном - на 47,5 %. Обобщенные оценки плотности скопления методом эхоинтеграции показали увеличение ее в 1.47 при вертикальном и 2,59 раза при горизонтальном сканировании, что подтверждено актами промысловых испытаний.

Личный вклад автора состоит в получении исходных данных научных исследований, участии в разработке методологии и выборе методов исследований, проведении экспериментов и обработке их результатов, разработке технологии помысла тихоокеанского кальмара, личном участии в апробации пневмоакустической системы на промысловых испытаниях, участии в подготовке всех публикаций по теме исследований.

Апробация работы. Основные результаты работы были изложены в докладах на международных научных конференциях: «Научная конференция, посвященная 100-летию со дня рождения И. В. Кизеветтера» (Владивосток, 2008), расширенном коллоквиуме лаборатории промышленного рыболовства ФГУП «ТИНРО-Центр» (Владивосток, 2009), «Международная научно-практическая конференция, посвященная 85-летию со дня рождения заслуженного деятеля науки и техники Российской Федерации Фридмана A. JI. и 95-летия со дня основания кафедры промышленного рыболовства КГТУ» (Калининград 2010), «Международная научно-

техническая конференция «Актуальные проблемы освоения биологических ресурсов Мирового океана» (Владивосток 2010), 56-я Всероссийская научная конференция «Фундаментальные и прикладные вопросы естествознания» (Владивосток, 2013), III Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы освоения биологических ресурсов Мирового океана» (Владивосток, 2014).

Научные положения, выносимые на защиту:

- результаты экспериментальных исследований закономерностей формирования поведения тихоокеанского кальмара в зоне акустических полей воздействия, выбор биофизических параметров средств поддержания устойчивости лова;

- методы и разработанные технические средства интенсификации джиггерного и других видов лова тихоокеанского кальмара с целью повышения их рентабельности.

Публикации. Результаты диссертационной работы изложены в 11 публикациях, из них 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Работа изложена на 157 страницах машинописного текста, содержит 24 рисунка, 8 таблиц, 5 приложений. Библиографический список включает 153 наименования, из них 43 иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении показана актуальность научного поиска методов и средств интенсификации промысла тихоокеанского кальмара {Todarodes pacificus). Поставлены проблемные вопросы научного обоснования технологических параметров устойчивого лова кальмаров. Сформулированы цель и задачи исследования, положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе «Известные методы и средства морской биоакустики» выполнен анализ состояния научно-технических исследований и разработок в области промысловой биоакустики и известных технических достижений по созданию устройств управления поведением гидробионтов. Определены основные направления исследования, современный этап развития рыболовства характеризуется активным поиском способов более ра-

цнонального использования существующей сырьевой базы и обеспечения добычи рыбы с минимальными затратами (интенсификации промысла);

Во второй главе «Исследования слуховых способностей головоногих моллюсков и разработка конструкции излучателя для пневмоаку-стнческой системы» показано, что применение только светового поля для концентрации кальмара в зоне облова вертикальными ярусами имеет ограниченные возможности и увеличение мощности световой гирлянды не приводит к соответствующему увеличению глубины и площади привлечения кальмара и сопоставимого с ростом затрат вылова5.

Известны и другие методы привлечения кальмаров в зону облова. Так первые эксперименты по интенсификации крючкового лова кальмаров с помощью звуковых сигналов были начаты в Японии в 1969 г.6 В результате этих и последовавших в 1970-1973 гг. экспериментах была обнаружена эффективность целого набора звуковых сигналов, применяемых в отдельности и в различных комбинациях: звук, возникающий при включении заднего хода судна, серии импульсов частотой 600 Гц длительностью 5с и интервалом 5с, аналогичные импульсы с меняющейся частотой заполнения, звуки питания лакедры-желтохвоста, звуки ударов дождевых капель по поверхности моря.

Отечественные работы по интенсификации промысла кальмара с использованием акустических полей были проведены в 80-е годы прошлого столетия.7 Проведенные исследования промыслового эффекта акустического стимулирования на ярусном лове кальмаров показало, что среднесуточный вылов повысился на 16%. Применение звуков питания в качестве стимула требует точной регулировки по уровню и длительности сигнала по времени, его воздействие также зависит от физиологического состояния объекта. Авторы подтвердили японскую версию, что шум винтов судна при включении заднего хода является более эффективным стимулом для повы-

5 Кручинин О Н., Мизюркин М.А., Богатков В.Г. Возможные способы повышения эффективности джиггерного лова тихоокеанского кальмара // Изв. ТИНРО. - 2006. - Т. 146. - С. 310325.

® Воловова Л.А. Применение в Японии акустических устройств для направления рыб в зону облова // Промышленное рыболовство. - М.: ЦНИИТЭИРХ, 1977. - Вып. 5. - 27 с.

п

Шабалин В.Н., Беднарский А Д. Влияние акустических стимулов на производительность ярусного лова кальмаров // Вопросы промысловой гидроакустики. - М: ВНИРО. 1989. - С. 115-124.

шения уловистости (на 20 %), чем биосигналы, в т.ч. сигналы питания кальмаров и сделали вывод, что акустическое стимулирование активизирует у рыб мобилизационно-панические и ориентировочно-исследовательские реакции, дестабилизирующие структуру и динамику их стай, что в свою очередь воздействует на пищевую и двигательную активность кальмаров, приводя к учащению их перемещений и нападений на рыбу и джиггеры.

Биофизическая интерпретация процессов лова осуществлена ими на методической основе наблюдений и статистики уловов. Отмечается, что уровень фундаментальной неопределенности очень высок. Это заставляет искать пути экспериментальной интерпретации сложных процессов поведения кальмаров во время промысла. Как показал опыт, стохастический подход к выбору способов и технических систем управления не эффективен в подобных научных и конструкторских разработках.

Функционально-детерминированные связи наилучшим образом могут характеризовать процесс взаимодействия кальмаров с физическими возмущениями на промысле. Поэтому в данной работе были определены основные направления исследований по методике Ю.А. Кузнецова8 для обоснования технологий управляемого лова тихоокеанского кальмара с применением бионической схемы: «Проба-Операция-Проба-Результат», представленной на рисунке 1.

Таким образом, анализ экологии поведения и перспектив освоения промысла тихоокеанского кальмара является исходной для научного поиска эффективных рычагов интенсификации лова кальмаров. Цель использования сведений о трофических особенностях кальмаров в летний период промысла в подзоне «Приморье» для структурирования всей экспериментальной части работы в первой пробе по рис. 1 вполне достижима.

Основу рациона питания тихоокеанского кальмара составляют кальмары, включая собственную молодь, рыбы и ракообразные (гиперииды и эвфаузиды). Для тихоокеанского кальмара период его нагульных миграций в подзону «Приморье» ежегодно совпадает с массовым подходом в при-

8 Кузнецов Ю.А. Обоснование и разработка методов и средств промысловой гидроакустики // Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.18.17 - Промышленное рыболовство, 05.11.06 - Акустические приборы и системы. - Владивосток: Дальрыбвтуз, 2004. - 408 с.

брежные воды Японского моря японского анчоуса. Суточные вертикальные миграции этих объектов тоже совпадают по времени. В период вертикальных миграций сельдевые, к которым относится анчоус, активны в части газообмена, который сопровождается акустическими сигналами, выдающими присутствие их для морских хищников.

Описание цели достижения устойчивого

СОСТОЯНИЯ

процесса

Команда приступить к достижению следующей цели (Разностный сигнал между целью н текущим состоянием равен нулю или превзошёл ожидания)

,, ... Предписан "Ч

не для

воздействи

я на

процесс J

ОПЕРАЦИЯ

Описание

текущего

состояния

процесса

Рисунок 1 - Решение бионических задач согласования параметров устойчивости процесса лова по схеме «Проба - Операция - Проба - Результат»

Пищевой рефлекс как стереотипная реакция на физические возмущения формирует устойчивое двигательное поведение живых организмов, обладающих нервной системой. При этом феномен поведения формируется, как правило, под действием множества

внутренних и внешних факторов. Их учет и использование в комплексе (суммация рефлексов) раскрывает непредвиденно важные свойства цельной модели поведения. Но для этого в ней необходим конгломерат физических переменных внешней среды и соответствующих сенсорных реакций. По схеме гидробионических исследований и разработок это вторая проба (рисунок 1), обеспечивающая выбор направления поиска биофизической модели стимула. Она предписывает необходимость изучения слуховых способностей хищника и акустической активности анчоусов.

Анализ слуховых способностей головоногих моллюсков был выполнен на основании зарубежных исследований (R. Williason, 1987; B.-U Budelmann and Н. Bleckmann, 1988; B.-U Budelmann, 1989, 1992; S. Komak et al, 2005; M.Y. Hu et al, 2009; T.A. Mooney et al, 2010), которые доказывают, что головоногие способны воспринимать акустические колебания в широком диапазоне частот от 3.5 Гц до 1500 Гц, причем на низких частотах колебания воспринимаются с помощью поляризованных эпидермальных волосковых клеток (аналога невромастов боковой линии рыб), а на более

высоких частотах органом, ответственным за восприятие акустических колебаний является статоцист.

Среди объектов питания кальмаров наибольшей акустической активностью обладают мелкие пелагические открытопузырные рыбы (анчоус, сельдь, корюшка и др.). В качестве «жертвы» для реализации имитационной модели акустических средств воздействия для привлечения кальмаров в зону облова судна выбран японский анчоус Engraitlis japonicus, являющийся традиционным объектом охоты и питания тихоокеанского кальмара. Японский анчоус типичный представитель стайных пелагических рыб, имеющих плавательный пузырь, воздушные протоки и упругие сфинктерные образования для сообщения его с кишечником {ductus pneiimaticus) и непосредственно с внешней средой {ostium genitale). С помощью этих органов, помимо газорегуляции, открытопузырные рыбы генерируют акустические сигналы достаточно высокой амплитуды и определенного спектра. Данные сигналы служат для ориентации и поддержания стайного и межстайного контакта рыб, который усиливается в сумеречное и темное время суток и одновременно служат приманкой для хищников, если находятся в области их слухового (частотного и динамического) диапазона.

Исследования по регистрации звуков анчоуса проводили в садке ставного невода размером 20,0 х 8,0 х 7,0 м, установленного в зал. Петра Великого в районе мыса Ахлестышева о. Русского при глубине моря 7 м. Для определения обобщенных параметров было отобрано 20 наиболее часто встречающихся звуков анчоуса с высоким соотношением сигнал/шум. На рисунке 2 приведены спектрально-временные характеристики одиночного сигнала анчоуса, измеренного в садке невода. К сожалению, для условий регистрации физических возмущений, исходящих от анчоусов, одним из методических ограничений работы следует считать отсутствие приборного оснащения для регистрации инфразвуков и волн смещений. Именно с этими обстоятельствами связан выбор автором пневмоакустического способа генерации колебаний в инфразвуковом и низкочастотном звуковом диапазоне, как аналог живого излучателя открытопузырных рыб. Ниже в таблице 1 приведены основные параметры акустических сигналов, которые, как предполагалось, могут

А - осциллограмма; Б - сонограмма;

В - усредненный спектр Рисунок 2 - Характеристики акустического сигнала японского анчоуса

служить для привлечения и повышения трофической активности тихоокеанского кальмара в процессе промысла. При этом за низкочастотный максимум, несущий информационную нагрузку,

ответственен плавательный пузырь рыб. Для расчета резонансных частот плавательного пузыря (ПП) анчоуса произвели обмер плавательного пузыря (ПП) 50 особей, изъятых из опытного садка.

Резонансная частота плавательного пузыря рыб определяется по формуле:

3 уРп +

где у — отношение удельных теплоем-костей газа, заполняющего ПП (для воздуха у=1,4); Рп — эффективное давление внутри ПП ( Рп = (1 + 0,1#) • 105 Па, где Н - глубина, м); р - плотность среды; Яз - радиус эквивалентной сферы, м; ? - толщина ткани ПП (0,2 Л,); /к — действительная часть комплексного модуля сдвига оболочки ПП. Таблица 1 - Параметры акустических сигналов для дистанционного воздействия на кальмаров

Длитель- Диапазон Интервалы Частотная Ампли- Уровень

ность сиг- частот, Гц частот спек- модуляция тудная звукового

нала, с трального (девиация модуля- давления,

максимума, Гц частоты), Гц ция, Гц дБ/мкПа

4 ±0,5 200-3000 550-700 150 50-60 120 ±6

1800-2400 600

Радиус эквивалентной сферы рассчитывается по формуле:

3 УЛ

где V - объем ПП ( V = 4Пав , где а и в - полуоси эллипсоида).

э э з

Зависимость резонансной частоты от длины анчоуса представлена на рисунке 3. Расчеты показывают, что резонансная частота ПП анчоуса составляет 620 ± 50 Гц. Данные расчета резонансных частот ПП хорошо согласуются с результатами экспериментальных исследований сигналов анчоуса. Вычисленные значения собственных колебаний ПП соответствуют первому частотному диапазону с максимальной энергией спектра. Отсюда следует вывод, что согласно бионической схеме (рисунок 1) выполнен первый этап программы-методики и получена достаточно высокая сходимость теоретической модели с реальной биофизической, принятой за рабочую для конструирования, (вторая проба).

При разработке

конструкции имитатора звуков японского анчо- , уса предложено исполь- | зовать бионический ...

Чц^

Рисунок 3 - Зависимость резонансной частоты Г1П от длины анчоуса

принцип заимствования структуры и функций обеспечения жизнедеятельности органов, ответственных за генерацию характерных биосигналов анчоусов. Механизм звукообразования открытопузырных рыб представляет собой не что иное, как автогенератор звука, в котором роль источника энергии выполняет модулированный поток сжатого воздуха, а колебательной системы — плавательный пузырь (ПП), представляющий собой резонатор. Положительную обратную связь, необходимую для генерации незатухающих колебаний столь высокого уровня, осуществляют окружающие мышечные и костные ткани рыбы, которые механически связывают между собой колебательную систему и источник энергии. Посредством обратных связей колебательная система сама (автоматически) управляет поступлением энергии от источ-

ника. В результате во время излучения в системе при малых затратах биоэнергии и расходе сжатого газа устанавливаются незатухающие колебания.

В качестве прототипа для разработки конструкции пневмоизлучателя - имитатора сигналов анчоуса было использовано изобретение «Имитатор звуков рыб» (Пат. РФ №2376758). Так как объем плавательного пузыря анчоуса существенно меньше лососевых и сельди такая конструкция сложна для технической реализации. Поэтому механизм порционирования воздуха предлагается заменить на реле времени, устанавливаемому на выходе источника сжатого воздуха (компрессора), которое будет обеспечивать импульсный режим работы, что позволяет упростить конструкцию имитатора. В данном случае нас интересует механизм генерации акустических сигналов, который заключается в стравливании воздуха из плавательного пузыря. Конструкция такого излучателя-аналога представлена на рисунке 4. Плавательный пузырь анчоуса в упрощенной форме можно представить в виде эластичной цилиндрической резиновой оболочки. Один ее конец закреплен с помощью уплотнительного кольца 2, второй свободно опирается на резиновое кольцо 6 и имитирует сфинктер сообщения с внешней средой (iostium genilalé). Калиброванное отверстие 3 является аналогом сфинктера сообщения с кишечником (ductus pneumaticus).

. * Данная конструкция поз-

i * ^f""'—

/ w воляет линейно соединять с

-г .,. помощью шланга необходимое

количество излучателей для i \ i имитации скопления анчоуса.

1-металлический корпус; 2-уплотнигельн^е У последнего излучателя ВОЗ-кольцо; 3 - калиброванное отверстие; 4 - эластич- ДУШНЫЙ канал 5 заглушается, а ная оболочка; 5 - воздушный канал: 6 - опорное другой конец линейки ИЗлуча-резиновое кольцо

телеи с помощью магистраль-

Рисунок 4 - Конструкция излучателя - имитатора

звуков мелких открытогтузырных рыб (японский ного шланга подключается к анчоус) компрессору. Применение в

качестве источника сжатого воздуха компрессора позволяет обеспечить постоянство давления на входе воздушного канала излучателя и исключить ресивер. Подача воздуха осуществляется в импульсном режиме, длитель-

ность импульса соответствует длительности сигнала анчоуса и составляет 4 ± 0,5 с.

При подаче сжатого воздуха, после заполнения воздушного канала, воздух через калиброванное отверстие 3 начинает поступать в цилиндрическую оболочку 4, вызывая ее расширение. При достижении оболочкой объема эквивалентного объему плавательного пузыря анчоуса начинается его стравливание через незакрепленный конец. Такая конструкция излучателя — имитатора сигналов анчоуса обеспечивает излучения в двух поддиапазонах (интервалах) частот, первый в момент выхода воздуха из эластичной оболочки, а второй в момент максимальной интенсивности выхода воздуха, поступающего по воздушному каналу через калиброванное отверстие до момента закрытия эластичной оболочки. Подбор параметров эластичной оболочки и калиброванного отверстия проводился экспериментально путем постепенного приближения спектрально-энергетических характеристик искусственного сигнала к природному (живому аналогу), что обеспечило сходство рабочих параметров и устойчивость работы имитатора.

В третьей главе «Промысловые испытания пневмоакустической системы ПАС и обоснование технологии использования ее на промысле» приведены методики и результаты промысловых испытаний ПАС.

Исследования по определению характеристик акустического поля, генерируемого пневмоакустическими излучателями (ПИ), оценкой работоспособности в промысловом режиме и определению промысловой эффективности макета ПАС проводились с 12 июля по 01 сентября 2006 г. на рыбопромысловом участке ОАО «Приморсклеспром» в районе мыса Ахле-стышева о. Русский и включали два этапа: - проведение исследований по регистрации звуков японского анчоуса, для определения параметров акустических стимулов для дистанционного воздействия на поведение тихоокеанского кальмара; - проведение испытаний макета ПАС имитационной модели на малом ставном неводном лове анчоуса (длина крыла 150 м, размер ловушки 6 х 15 м). Район установки ставного невода с размерами ловушки 20,0 х 8,0 х 7,0 м и длиной крыла 100 м показан на рисунке 5. На испытания представлен макетный образец ПАС, состоящей из 10 пневматических излучателей (ПИ) - имитаторов акустических сигналов анчоуса, соединенных между собой последовательно шлангом на расстоянии 1 м друг

от друга. Гирлянда излучателей с одной стороны магистральным трубопроводом подключается к компрессору, расположенному на берегу.

С противоположной стороны ставиться заглушка. Магистральный трубопровод крепился к крылу ставного невода, гирлянда из 10 ПИ устанавливалась перед входом в ловушку ниже уровня моря на глубине 2 м. Давление в магистральном трубопроводе и соответственно воздействующее на оболочку, имитирующую плавательный пузырь анчоуса, должно соответствовать 106 Па (1 атм.). Избыточное давление для глубины 2 м для компенсации гидростатического давления составляет 0,2» 105 Па (0,2 атм.). Таким образом давление, подаваемое компрессором на ПАС должно соответствовать 1,2«106 Па (1,2 атм.).

На первом этапе промысловых испытаний были исследованы характеристики акустического поля пневмоакустической системы из 10 ПИ. Измерения проводились на расстоянии Юм от крыла ставного невода в районе установки ПАС по центру устройства с помощью калиброванного гидрофона ГИ-6, запись велась на цифровой регистратор УУ-Н350. Полученные характеристики акустического поля ПАС, представлены на рисунке 6. Анализ этих данных подтверждает идентичность предъявляемых акустических стимулов сигналам мелких открытопузырных рыб (анчоус, корюшка), четко видны два поддиапазона (интервала) частот: 500 — 700 Гц (пик) и 1800 -2400 (пик) Гц, характерный максимум спектральной плотности в первом диапазоне 500 - 700 Гц накладывается на первый диапазон сигнала анчоуса 620 ± 50 Гц. Максимальный уровень звукового давления, создаваемый ПАС, в районе первого частотного диапазона приведенный к 1 м - Рс=146 дБ/1 мкПа/1 м. Второй максимум спектральной плотности будет играть меньшее значение в формировании поведения кальмаров, так как находится за пределами частотного диапазона их слуховых способностей.

О. Ц|№ММ11

и ДеЦКШНКМ

И:

Рисунок 5 - Район расположения ставного невода

Достигнута достаточно высокая сходимость искусственных сигналов ПАС с природными сигналами анчоусов (третья проба по бионической схеме рисунок 1). Объектом лова являлись корюшка и анчоус, так как в невод был установлен в мелководном месте, и кальмар мог попадаться только в прилове.

Методика испытаний заключалась в следующем: начиная с 20.00 вечера начиналось периодическое включение, и выключение пневмоакустиче-ской системы с паузами 15 минут и продолжалось до 8.00 утра, после чего производилась переборка невода и взвешивание улова. В вечерние часы при отсутствии волнения и включении ПАС в районе крыла невода, как правило, отмечалось появление ряби на поверхности воды от скоплений анчоуса. В следующую ночь включение устройства не производилось, в 8.00 делалась переборка невода и взвешивание улова. Динамика изменения соотношения уловов при применении акустического стимула и без него показана на рисунке 7. Всего было выполнено 42 реализации (21 без стимула и 21 с применением ПАС). Суммарный улов в фоновом режиме составил 607 кг, суммарный улов с применением ПАС составил 1505 кг. Увеличение суммарного улова за счет применения ПАС составило 147,94 %. При выходе на переборку после применения ПАС наблюдалось сильное объячеива-ние крыла ставного невода анчоусом. Данные результаты наблюдений говорят о высокой степени реакции мелких открытопузырных рыб (анчоуса) на сигнал ПАС. Для статистической оценки полученных данных проведена оценка значимости различия между средними значениями двух выборочных совокупностей (улов в фоновом режиме и улов с применением ПАС) с помощью 1 - критерия Стьюдента. Расчеты показали, что различие между средними признается значимым с коэффициентом надежности у=0,99, и это

ШМЯМЁНН ¿Л 1 ; ' . ЦЦ 14 щ Ц "V' | Ян

- V Ш з ..} Щё 1

Рисунок 6 - Характеристики акустического поля ПАС

различие означает, что увеличение улова следует рассматривать как результат воздействия акустического поля ПАС. М-^йшмншяашмй^^ Испытания макета

ПАС на промысле вертикальными ярусами с кальмароловного судна проводились в период с 06 сентября по 17 сентября 2006 г. и с 20 августа по 26 августа 2007 г. Для исследования работоспособности ПАС в промысло-

Рисунок 7 - Соотношение уловов ставного невода при применении ПАС и без нее

вом режиме и определения промысловой эффективности использовано судно «Россинантэ» ТИНРО-Центра на джиггерном лове тихоокеанского кальмара в заливе Петра Великого. Судно было оборудовано 4 кальмаро-ловными лебедками и световой гирляндой мощностью 7,7 кВт. Структурная схема ПАС и ее размещение на кальмароловном судне показаны на рисунке 8. Система включает набор последовательно соединенных ПИ - имитаторов звуков рыб, соединенных магистральным шлангом с компрессором, запуск и отключение которого в наших экспериментах проводилось вручную. Глубина опускания гирлянды излучателей составляла 4 м, давление в магистральном шланге с учетом компенсации гидростатического 5 давления составляла

Рм=1,4'106 Па. Методика "'"А , испытаний предусматри-

вала сравнение уловов джиггеров в течение 1 часа при действии устройства и без него. Время включения ПАС и фоновых реализаций на следующих станциях поочередно менялось, при этом световое оборудование в течение испытаний работало непрерывно.

1 — магистральный шланг, 2 — компрессор, 3 — световая гирлянда, 4 - кальмароловные лебедки, 5 - плавучий

якорь, б - джиггеры, 7 - груз, 8 - ПИ Рисунок 8 - Схема экспериментальной установки на судне «Россинантэ» (ТИНРО-Центр)

Подсчет улова велся поштучно, суммарный улов составил 4460 шт. в режиме «ПАС» и 2865 шт. в режиме «Фон». Сравнение средних уловов за все время проведения промысловых испытаний в режиме «ПАС» и «Фон» показывает увеличение эффективности лова на 56 % при применении акустического стимула (имитация присутствия небольшого скопления японского анчоуса) (рисунок 9). Анализ полученных результатов статистической обработки данных уловов с применением ПАС и без нее показывает, что различие дисперсий и различие средних уловов существенно с доверительной вероятностью выше 0,95 и является следствием дополнительного стимулирования для усиления пищевого рефлекса кальмара с помощью сигналов генерируемых ПАС в то время суток, когда он не голоден.

Рисунок 9 - Сравнение уловов джиггеров в течение 1 часа с применением ПАС и без

Продолжением этих работ стал эксперимент с применением комплекса гидроакустических средств с 5 по 18 августа 2009 г. на акватории залива Петра Великого (рисунок 10) с судна РБ-036, оснащенного осветительной гирляндой мощностью 3 кВт, научным эхолотом ЕУ-60 и пневмоакустиче-ской системой (ПАС) (рисунок 11).

Методика измерений предусматривала сравнение плотности скоплений под судном и в зоне действия ПАС, определяемой по величине средней силы обратного поверхностного рассеяния на интервале интегрирования Ба (м2/миля2) одновременно от обеих антенн эхолота ЕУ-60 с частотами 70 и 120 кГц при включении ПАС «Кальмар» и без нее. Длительность действия акустических стимулов и фоновых реализаций варьировала на различных станциях от 10 до 30 мин, но поддерживалась примерно постоянной в пределах одной станции.

Сравнение уловов

I

г

Рисунок 10 - Схема станций в заливе Петра Великого

V

/

1 — гидроакустическая антенна научного эхолота ЕУ-60; 2 — поворотно-выдвижное устройство с гидроакустической антенной горизонтального сканирования 120 кГц; 3-2 ноутбука с программным обеспечением 8пжас1 и блоками вРТ (приемо-передатчикамн) 70 и 120 кГц; 4 - световая гирлянда; 5 — компрессор с ресивером; б - магистральный шланг; 7 - груз; 8 — пневмоакустические излучатели (ПИ);

9 - кухтыль

Рисунок 11 — Структурная схема расположения комплекса ГАС и светового оборудования на судне РБ-036

В процессе вторичной обработки эхограм-мы предварительно разделялись на участки (страты), в пределах которых выполнялись включения и выключения ПАС. Затем осуществлялось интегрирование эхосигналов в каждой страте. Изменения плотности скоплений определялись как изменения акустической плотности (эхоинтенсив-ности) 8а на каждом таком участке (страте). Затем рассчитывались коэффициенты, количественно определяющие соотношение акустической плотности при фоновых условиях и при действии световых и акустических источников. Время включения ПАС и фоновых реализаций на следующих станциях поочередно менялось.

Для количественной оценки трофической активности кальмара и определения количественных показателей эффективности действия акустических полей проводился удебный лов с помощью трех ручных удочек, оснащенных 3 кальмароловными джиггерами каждая. Методика эксперимента предусматривала сравнение уловов удочками в течение равных вре-

менных интервалов при включении ПАС и без нее. Всего было выполнено 55 фоновых реализаций и 52 реализаций при действии стимула (включении ПАС «Кальмар»), Вид гистограмм говорит о заметном превосходстве значений плотности, полученных при предъявлении сигналов ПАС по сравнению с фоновым режимом, как показано на рисунке 12.

[Ж ппп

• 0 1 ' п г 1 ¡У М 11ш:гиГП];у

«ш к* »я и* т&.

Рисунок 12 - Сравнительные оценки плотности Рисунок 13 - Оценки плотности скопле-

скоплений (Ба) и уловов кальмара удебной сна- ний (Ба) на частоте 70 (А), 120 кГц (Б) и стью при фоновых условиях и включении ПАС на уловов джиггеров (В) при включении

станциях съемки в августе 2009 г. (выключении) акустического поля ПАС

Эксперименты показали, что соотношения плотностей сильно варьируют от станции к станции (от 1,1 до 3,43), но во всех случаях предъявления сигналов ПАС плотность скоплений была выше, чем при фоновых реализациях. Суммирование уловов судна за все время испытаний при работающих и выключенных ПИ показывает, что производительность удебного лова кальмара с использованием пневмоакустического устройства увеличилась на 47 %. Также плотности скоплений в районе судна (рисунок 13) резко снижаются на краях диапазона измерений (в утренние и вечерние ча-

20

сы), при этом повышение концентрации кальмара и других объектов приповерхностного слоя не приводит к увеличению уловов на джнггерную снасть. Это связанно с тем, что кальмару необходимо подныривать в теневую зону судна для облова джиггерами, поэтому объем улова ограничивается объемом этой зоны даже с применением ПАС, также анализ акустических изображений показывает, что наиболее плотные скопления кальмара находятся на расстоянии от судна и соответственно вне зоны максимальной освещенности световой гирлянды в районе расположения ПАС. Таким образом, несмотря на то, что работа ПАС в предложенном режиме приводит к усилению пищевой активности кальмара и соответственно увеличению вылова по сравнению с использованием только светового поля, выявленные временные интервалы отсутствия пищевой активности кальмара, при повышенной его концентрации позволяют сделать вывод о том, что применение для облова отцеживающих орудий рыболовства, не использующих принцип «хищник-жертва» повысит эффективность промысла.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

На основании анализа существующей методической базы промысловой биоакустики и применения бионического принципа создания технических систем научно обоснованы характеристики и разработаны акустические средства воздействия на поведение тихоокеанского кальмара ПАС, позволяющие совершенствовать его промысел.

Решены следующие задачи исследования:

- Проведены исследования существующей методической базы промысловой биоакустики и технических решений применения акустических полей для управляемого воздействия на поведение гпдробионтов. Определено, что целесообразно применить принцип бионического моделирования, как наиболее адекватный живому аналогу при конструировании систем управления поведением гидробионтов.

- Пищевой рефлекс как стереотипная реакция на физические возмущения формирует устойчивое двигательное поведение живых организмов, обладающих нервной системой и соответствующей системой рецепторов. Выяснено, что одним из основных объектов питания тихоокеанского кальмара является японский анчоус, жизнедеятельность которого сопровождается генерированием характерных акустических сигналов, частота которых

21

находятся в слуховом диапазоне кальмаров. На основании бионической схемы: «Проба-Операция-Проба-Результат» определен принцип создания акустических полей с использованием модели «хищник-жертва» и определены объекты «жертвы» (анчоус) в качестве источника сигналов для привлечения тихоокеанского кальмара,

- На основе экспериментов разработана конструкция излучателя пневмакустической системы (ПАС), проведены ее промысловые испытания по исследованию поведения анчоуса (жертвы) при воздействии акустических сигналов. Получено увеличение суммарного улова анчоуса за счет применения ПАС на 147 %, что говорит об идентичности сигналов, генерируемых ПАС аналогу.

- Проведены промысловые испытания ПАС на джиггерном промысле кальмара. Сравнение средних уловов за все время проведения промысловых испытаний в режиме «ПАС» и «Фон» показывает увеличение эффективности лова на 56 % при применении акустического стимула, что экспериментально подтверждает эффективность использования ПАС на промысле.

- Промысловые испытания с применением гидроакустического комплекса для оценки плотности скоплений кальмара показали заметное превосходство значений плотности, полученных при предъявлении сигналов ПАС по сравнению с фоновым режимом. Уловы капьмароловными удочками за все время испытаний при работающих и выключенных ПИ показывают, что производительность удебного лова кальмара с использованием пневмоакустического устройства увеличилась на 47 %. В процессе этих испытаний выяснилось, что динамика плотности скопления под судном и вблизи судна в течение ночи не адекватна уловам кальмара на джиггеры. Таким образом, интенсивность лова кальмара вертикальными джиггерными ярусами не является показателем, характеризующим величину плотности скопления кальмара в зоне облова. Поэтому выявленные временные интервалы отсутствия пищевой активности кальмара при повышенной его концентрации под килем судна позволяют судить о возможности ведения более успешного лова отцеживающими орудиями промысла.

Разработанная технология управления ловом позволяет максимизировать участие зрительной, слуховой и механорецепции кальмара в формиро-

вании его пищевого поведения. Устойчивость создания искусственных концентраций в ограниченной зоне облова достигается за счет того, что использован природный механизм самоорганизации гидробионтов. Открываются широкие возможности выбора необходимого принципа облова кальмаров, типов и размеров орудий лова, промысловых судов (технологий лова в целом) в целевом аспекте повышения производительности лова, в т.ч. без необходимости объединения судов в большие группы. Это позволит вовлечь в экономически эффективный промысел кальмара компании, имеющих одно или несколько судов комбинированного лова.

Возможность искусственного формирования скоплений кальмаров необходимой плотности, размеров и формы с помощью ПАС позволит отказаться от затратных технологий светолова и создать технологии тралового, кошелькового и других видов рентабельного лова. Выполненный научно-технический задел может послужить основой для дальнейших исследований и разработок в этом направлении под требования конкретных пользователей данного ресурса.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Кузнецов М.Ю., Шевцов В.И., Баринов В.В. Эксперименты по использованию звуковых полей на джиггерном промысле тихоокеанского кальмара в заливе Петра Великого. // Исследования Мирового океана: Матер. Междунар. науч. конф. Владивосток: Дальрыбвтуз, 2008. С. 176-179.

2. Кузнецов М.Ю., Баринов В.В. Использование звуковых полей для интенсификации джнггерного лова тихоокеанского кальмара // «Рыбпром» №3/2009 стр. 68-73.

3. Баринов В.В., Кузнецов М.Ю. Оценка возможностей применения комбинированного комплекса, включающего гидроакустические средства и световое поле, для решения задач интенсификации промысла тихоокеанского кальмара // Актуальные проблемы освоения биологических ресурсов Мирового океана: матер. Междунар. науч.-техн. конф.: в 2 ч.- Владивосток: Дальрыбвтуз, 2010. Ч. 1-С. 198-202.

4. Баринов В.В. Биофизические мотивы формирования поведения тихоокеанских кальмаров на промысле // Международная научно-практическая конференция, посвященная 85-летию со дня рождения заслуженного деятеля науки и техники Российской Федерации Фридмана Александра Львовича и 95-летию со дня основания кафедры Промышленного

рыболовства: Материалы. - Калининград: ФГОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет», 2010, С. 146 — 153.

5. Кузнецов М.Ю., Вологдин В.Н., Бармнов В.В. Исследование возможности повышения плотности скоплений тихоокеанского кальмара (Todarodes Pacificus) с помощью биошумовых полей в целях рыболовства // Научные труды Дальрыбвтуза: в 2 ч. — Владивосток: Дальрыбвтуз, 2010. Вып. 22. Ч. 1,-С. 145-150.

6. Кузнецов М.Ю., Вологдин В.Н., Бармнов В.В. Исследование влияния акустических стимулов на плотность скопления гидробионтов вблизи кальмароловного судна // Владивосток: Изв. ТИНРО. - 2010 - Т.162, - С. 371-388.

7. Баринов В.В. Роль биоакустики в освоении промысла недоиспользуемых биоресурсов на примере тихоокеанского кальмара // Рыбная промышленность, № 2,2011. - С. 24-28.

8. Баринов В.В., Брик Л.И. Оценка возможности эффективного промысла тихоокеанского кальмара в подзоне Приморья //. Материалы 56-й Всероссийской научной конференции. Том III. Фундаментальные и прикладные вопросы естествознания. — Владивосток: Филиал ВУНЦ ВМФ «BMA им. Н.Г. Кузнецова», 2013. - С. 25-27.

9. Брик Л.И., Баринов В.В. Обоснование технологии промысла тихоокеанского кальмара кошельковым неводом // Сборник научных статей «Научные труды Дальрыбвтуза». - Владивосток: Дальрыбвтуз, 2013. Т. 30 -С. 64-70.

10. Брик Л.И., Баринов В.В. Сравнительный анализ эффективности различных способов промысла тихоокеанского кальмара // Актуальные проблемы освоения биологических ресурсов Мирового океана : материалы 111 Междунар. науч.-техн. конф. в 2 ч. - Владивосток : Дальрыбвтуз, 2014. -С. 62 - 64.

11. Баринов В.В. Совершенствование промысла тихоокеанского кальмара (Todarodes pacificus) И Рыбное хозяйство № 6, 2014. - С. 69- 71.

Баринов Василий Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОМЫСЛА ТИХООКЕАНСКОГО КАЛЬМАРА

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 12.03.2015. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,00. Уч.-изд. л. 1,39. Заказ 2037. Тираж 100 экз.

Отпечатано: Издательско-полиграфический комплекс Дальневосточного государственного технического рыбохозяйственного университета 690091, г. Владивосток, ул. Светланская, 25