Содержание к диссертации
Введение
1. Медуза Rhopilema esculentum как объект лова 8
1.1. История промысла медузы 8
1.2. Биология медузы 13
1.3. Ареал обитания и пути миграции 20
2. Проектирование рыболовных систем для промысла медузы 24
2.1. Исследования физико—механических характеристик тела медузы Rhopilema esculentum 26
2.2. Исследование поведения Rhopilema esculentum 31
2.3. Анализ элементов рыболовных систем для промысла медузы 35
2.4. Математические модели рыболовных систем для лова медуз 44
2.4.1. Математическая модель устройства для лова медуз 44
2.4.2. Математическая модель специализированного подхвата для лова медуз 61
2.4.3. Математическая модель ставной сети для лова медуз 61
2.4.4. Математическая модель ставного невода для лова медуз 67
2.5. Экспериментальные исследования адекватности разработанной математической модели устройства для лова медуз 70
3. Моделирование промысла медузы. 76
3.1. Модель динамики популяции Rhopilema esculentum в заливе Петра Великого 76
3.2. Модель выбора оптимального района лова 80
3.3. Экономико-математическое моделирование промысла медузы. 83
Выводы 92
Литература
- Биология медузы
- Ареал обитания и пути миграции
- Анализ элементов рыболовных систем для промысла медузы
- Модель выбора оптимального района лова
Введение к работе
В связи с уменьшением запасов основных промысловых объектов в традиционных районах промысла, интенсификация мирового рыболовства становится возможной при переориентации на нетрадиционные объекты промысла, к которым относится медуза.
Медузы в России до последнего времени не добывали и не исследовали как потенциальный продукт питания. В странах АТР она с древних времен входит в рацион питания населения. И это не удивительно, так как она: содержит много белка и биологически активных веществ. Ткани медузы обладают так же лечебными свойствами и могут использоваться как медицинский и профилактический препарат. Торговый оборот этого:продукта внушителен. В настоящее время Япония импортирует, полусухую медузу в количестве 5,4 - 10 ;тыс. тонн на сумму около 25,5 млн. долларов США ежегодно. В мире с 1988 по 1999 гг. каждый год вылавливается около 321 тыс. тонн свежих медуз (Omori, Nakano, 2001).
Медуза роттпема (Rhopilema esculentum) является самой добываемой деликатесной и дорогой среди 12 съедобных видов медуз мира. Традиционно лов медузы ведут ставными сетями и сачками, иногда применяются бамбуковые запруды,, кошки, закидные, кошельковые и ставные невода. Промысловый период: август - сентябрь, промысловые районы: прогретые бухты вблизи устий рек..
Поведение и физико-механические свойства тела медузы очень специфичны, что требует, изучения, анализа и выполнения экспериментальных работ, а так же разработки новых подходов к проектированию орудий лова. При проектировании орудий рыболовства (ОР) используют два способа. В первом способе новая конструкция орудия лова создается на основе прототипа. Этот подход долгие годы развивал Фридман А. Л. (1981),.
Другое направление было предложено Журавлевым JLB. (2002). В ос нове него лежит исследование и анализ множества прототипов конструкций орудий лова.
Но эти методики не могут быть применимы для создания орудия лова, позволяющего эффективно работать на всех этапах хода медузы. Причина заключается в том, что эти методы изначально направлены на проектирование новых конструкций орудий лова только одного типа, а задача подразумевает создание различных типов орудий лова. Для решения задач такого рода необходимо рассматривать создаваемое орудие лова как сложную техническую систему (СТС). Применительно для рыболовства такой подход изложен в работах Габрюка В.И. (1995).
В последние годы при создании СТС применяется объектно-ориентированный подход (ООП).
Исходя из требований ООП (Осипов, 1996), необходимо проанализировать функции всех элементов орудий лова и рассмотреть модели взаимодействий медуз с применяемыми рыболовными системами (PC).
Изложенные математические модели кошельков, ставных сетей и неводов в работах Андреева Н.Н. (1970, 1988), Калиновского B.C. (1995), Габрюка В.И., Кулагина В.Д. (2000), Габрюка В.И., Тимошока А.Е. (2001) не учитывают особенностей работы ячеи квадратной формы, поэтому для. орудий лова с квадратной ячеей необходимо получить соответствующие математические модели.
Исследованиями формы и сопротивления ваеров и кабелей занимались следующие авторы: Александров М.Н: (I960), Алексеев Н.И. (1963,1964,1966,1970), Альтшуль Б.А. (1977), Баранов Ф.И. (1947,1948,1960,1971), Белов В.А. и др. (1977,1978), Блинов В.В. (1976), Гуревич М.И. и др. (1975), Меркин Д.Р. (1980), Минаков А.П. (1941), Стрекалова В.Н. (1963). Их методики имеют ограничения и не позволяют моделировать элементы рыболовных систем состоящих из нитей и канатов, поэтому в работе используются модели, изложенные в работе Габрюка В.И. и др. (2004)
В работах Андреева М.Н., Студенецкого С.А. (1975); Бочарова Л.Н. (1990); Михлина Л.П. (1984); Покровского Б.И., Киданова В.В. (1981); Лысенко С.В; (2001), Журавлева Л.В. (2001) описаны методы управления флотом, которые в основном ориентированны на экспедиционный траловый лов, а вопросы связанные с переориентацией в ходе промысла на использование разных орудий лова и маломерного флота.
Работы Розенштейна М.М. (1964), Мельникова В.Н: (1962, 1973, 1979), Короткова В.К. (1973, 1977, 1978, 1998), Габрюк В.И. (1982,. 1984), Гюльбадамов С. Б. (1958), Протасов В.Р. (1978), Никоноров И.В. (1973) и др. посвящены взаимодействию орудий лова с рыбными объектами. Как показали исследования, поведение медузы отличается от поведения рыб, поэтому описание этого поведения и обоснование параметров орудий лова являются частью диссертационного исследования.
Цель работы: Разработка методики моделирования рыболовных систем для промысла медузы Rhopilema esculentum.
Задачи исследований. Для реализации поставленной цели необходимо:
- исследовать поведение и распределение медузы Rh. esculentum в водах зал. Петра Великого;
- выполнить анализ конструкций орудий лова для промысла ропилемы
- исследовать физико-механические свойства тела ропилемы;
- разработать методику проектирования рыболовных систем для промысла ропилемы;
- разработать математические модели и программы моделирования рыболовных систем для лова ропилемы;
- экспериментально подтвердить адекватность разработанных математических моделей рыболовных систем.
Общая методика исследования. В диссертации использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Основной материал диссертации получен в результате анализа информации по биологии меду--зы Rh. esculentum, её распределению в толще воды, изучения поведения ее в зоне действия орудия лова, исследования физико-механических свойств тела медузы.
Научная новизна:
- исследовано поведение медузы Rh. esculentum при взаимодействии с орудиями лова;
- исследованы физико-механические свойства ропилемы и получена модель процесса разрушения ее зонтика сетным полотном;
- разработана методика модульного проектирования,рыболовных систем для лова ропилемы;
- разработаны математические модели; и программы расчета специализированного подхвата, ставной сети, ставного невода и устройства для лова ропилемы;
- выполнены натурные экспериментальные исследования для подтверждения разработанных математических моделей и программ.
Практическая ценность. В результате исследований разработаны элементы орудий рыболовства; позволяющие оперативно собирать разные орудия лова, которые эффективно работают на каждом этапе хода медузы. Разработана и официально зарегистрирована программа "Trawl Resistance & Weight" (свидетельство № 2001611163, 2001), позволяющая выполнять расчет основных технических характеристик устройства для лова медузы. На устройство получено свидетельство на полезную модель № 26368 от 2002т.
Личный вклад автора. Автору принадлежит разработка математических моделей и программ моделирования специализированного подхвата, ставной сети, ставного невода и устройства для лова ропилемы, методики экспериментальных исследований, проектирование и создание экспериментального образца устройства для лова медуз, получение основных результатов, их обработка и интерпретация. В работах, выполненных в соавторстве, автор принимал равноценное участие в постановке задач, в анализе и интерпретации результатов измерений и моделирования.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались автором на следующих научных и научно-практических конференциях: 4-й международная научно-практическая конференция «НАУКА— ТЕХНИКА—ТЕХНОЛОГИИ» (Находка, 2002); научно-практическая конференция «ПРИМОРЬЕ - КРАЙ РЫБАЦКИЙ» (Владивосток, 2002); 2-я международная научная конференция "Рыбохозяйственные исследования Мирового океана" (Владивосток, 2002); International conference "Marine environment: Nature, Communication and Business" (Korea maritime University, 2003).
Внедрение результатов. Разработанное математическое и программное обеспечение рыболовных систем для промысла медуз широко используется в учебном процессе на кафедре "Промышленное рыболовство" ДВГТРУ при проведении лекционных и практических занятий по дисциплинам: «механика орудий рыболовства» и «проектирование орудий рыболовства», оно также используется в Р/К «Приморец», «Новый Мир» и РПК «Посейдон» при организации промысла медуз.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ. Структура и объем работы. Работа выполнена на 119 страницах, состоит из введения, 3 глав, библиографического списка из 90 наименований, 1 приложения, 69 рисунков и 5 таблиц.
Биология медузы
Rh. esculentum (ропилема) впервые описана К. Кишиноу в 1891, относится к роду Rhopilema, семейству Rhizostomatidae, отряду Rhizostomidae, классу Scyphoza типа кишечнополостных (рис. 1.8).
Диаметр зонтика достигает 1 м. и более, во время промысла отбираются особи с диаметром зонтика более 40 см. В зал. Петра Великого средний диаметр зонтика составляет около 53 см. Цвет медузы сильно варьирует: встречаются особи темнокоричневого цвета, фиолетового, темно-синего, молочно-белого. Различают два подвида ропилемы: одна - с несколькими длинными коричневыми хлыстоподобными выростами, выступающими за конец ротовых лопастей (такие особи обычно имеют голубую окраску), а другая - преимущественно красновато-бурого цвета, без подобных выростов. В заливе Петра Великого в основном встречаются особи, имеющие голубую окраску, а медузы красновато-бурого цвета представлены в единичных экземплярах.
Несмотря на большие размеры, рот медузы представляет собой систему многочисленных отверстий диаметром менее 1 мм. Пищей служат мельчайшие представители фито— и зоопланктона. Rh. esculentum построена радиально-симметрично, причем преобладает четырехлучевая симметрия, так как число многих органов (ротовых лопастей, септ, карманов желудка и др.) кратно четырем. Тело медузы Rh. esculentum имеет форму зонтика (полусферическая) с выпуклой верхней стороной - эксу мбреллой и вогнутой нижней стороной - субумбреллой.
Снаружи эксумбрелла покрыта однослойным эктодерм ал ьным эпителием, под ним располагается толстый слой мезоглеи, который составляет наибольшую часть массы тела медузы. В виде более или менее толстого слоя мезоглея располагается между эктодермой и энтодермой всех частей тела сцифомедуз, но наиболее развита в верхней части зонтика. Мезоглея Rh. esculentum представляет собой студенистый, богатый водой, промежуточный слой, при этом структура мезоглеи волокнистая, в ее состав входит также небольшое количество клеточных элементов, участвующих в образовании студенистого вещества (рис. 1.9).
Мезоглея зонтика сцифомедуз исполняет роль опорного скелета, на нижней стороне и по краям которого располагаются все главные органы медузы. Субумбреллярная сторона зонтика вогнута, в ее центре располагается ротовое отверстие, окруженное четырьмя ротовым лопастями (Наумов, 1961).
Основную массу тела ропилемы составляет зонтик, имеющий 16 секторов, крайняя внутренняя часть которых имеет мышечные ткани, в местах соединения мышечных тканей имеются уплотнения, рис. 1.10.
Каждый симметричный сектор представляет собой равнобокую трапецию, высота которой равна половине радиуса зонтика медузы. Мышечная ткань образованная эпителиально-мускульными клетками расположена по окружности зонтика, и с увеличением размера медузы, прочность и диаметр ее мышечных волокон увеличивается.
Размножение и развитие. Rh. esculentum является раздельнополой. Оплодотворение чаще всего происходит в окружающей среде, куда созревшие половые клетки выводятся через рот медузы. Яйцеклетки Rh. esculentum сферической формы размером всего 95-120 микрон (Ding, Chen, 1981). После нереста медузы постепенно "дряхлеют" и погибают, что связано с прекращением питания.
На основе данных Ding G., Chen J. (1981) (рис. 1.11) жизненный цикл медузы Rh. esculentum можно представить состоящим из следующих этапов: 1. Оплодотворение яйцеклетки. 2. Образование зародыша (бластулы) в ходе полного и равномерного дробления яйца.
Ареал обитания и пути миграции
При проектировании рыболовных систем для промысла медузы, помимо известных подходов к проектированию, необходимо определить дополнительные критерии, которые характеризуются особенностями данного вида промысла.
Основным критерием в настоящее время, предъявляемым к таким рыболовным системам, а также к процессу их эксплуатации является обеспечение качества сырья, которое характеризуется целостностью зонтика медузы и существенно влияет на его стоимость. Для этого необходимо исследовать физико-механические характеристики тела медузы Rh. esculentum.
В главе 1 поэтапно описан ход медузы в бухты зал. Петра Великого, при этом в зависимости от плотности скоплений на каждом этапе целесообразно применять различные рыболовные системы: на первом и третьем — тралы и трехстенные сети; на втором - закидные невода,. подхваты, одно-стенные сети и сачки. Безусловно, рыбакам иметь такое количество разных типов рыболовных систем экономически невыгодно, поэтому в каждом районе используется одно или два типа рыболовных систем, что значительно снижает эффективность промысла. Поэтому задачей, проектирования является создание рыболовной системы и технологии промысла, позволяющей эффективно работать на всех этапах хода медузы.
В теории проектирования орудий рыболовства существуют несколько подходов и направлений. Одним из них является создание новой конструкции орудия лова на основе прототипа. Данный подход долгие годы развивал А.Л. Фридман (1981). Безусловно, в таком виде задача создания нового орудия лова может быть решена очень просторно при этом перед разработчиком возникает вопрос, насколько новое орудие лова должно отли чатся от прототипа. Этот вопрос до сих пор не разрешен и вероятно разрешен не будет никогда, так как основной тезис этого направления подразумевает значительное влияние прототипа на новое, орудие лова, следовательно, чем дальше от прототипа, тем меньше использование данной теории в создании новой конструкции орудия лова.
Другое направление было предложено Л.В. Журавлевым (2002). В основе него лежит анализ множества прототипов (конструкций орудий лова). Такой подход позволяет анализировать множество конструкций орудий лова, при этом, зная особенности их эксплуатации создать на. основе их новую конструкцию.
Но эти методики не могут быть применимы для создания орудия лова, позволяющего эффективно работать на всех этапах хода медузы. Причина заключается в том, что эти методы изначально направлены на проектирование новых конструкций орудий лова только одного типа, а задача подразумевает анализ различных типов орудий лова. Для решения задач такого рода необходимо рассматривать создаваемое орудие лова как сложную техническую систему. Применительно для рыболовства такой подход изложен в работе В.И. Габрюка (1995). Поэтому мы будем использовать термин "рыболовная система", а не принятый "орудие лова", так как он позволяет шире рассматривать область решений.
В последние годы при создании сложных технических систем применяется объектно-ориентированный подход (ООП) (Буч, 1992; 1999; Советов, Яковлев, 2001). В промышленном рыболовстве он так же показал хорошие результаты, которые изложены в работах (Осипов, 1996;Габрюк, Осипов, 1998; Габрюк, Кулагин, 2000).
Исходя из требований ООП, необходимо проанализировать функции всех элементов орудий лова и рассмотреть модели взаимодействия медуз с применяемыми рыболовными системами.
Для обеспечения качества сырья из медузы в 2001 году (залив Петра Великого) были проведены исследования по изучению прочностных характеристик зонтика медузы и зависимости толщины зонтика от диаметра, рис. 2.1. На основе этих данных получено уравнение (с достоверностью аппроксимации R2 = 0,98), позволяющее находить толщину зонтика h — = h=c\n(al/D + d)-b, (2.1) где D - диаметр зонтика; / - расстояние от края медузы к ее центру по образующей (/ D/2);a = 100, = 0,03, с = 0,019, d = 5 - коэффициенты. Ui/D ллґ --D=52 cm .-D=83 cm +-D 99 cm --0,05 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 l/D Рис. 2.1. Зависимость толщины медузы от ее диаметра
Для проведения экспериментов по выявлению физико-механических характеристик тела медузы была изготовлена установка, рис. 2.2, представляющая собой полый усеченный конус с углом между осью и образующей а = 2,5. На нижнем конце крепился съемный обруч, с помощью которого фиксировались образцы сетных полотен. Внутрь конуса, на образец сетного полотна помещалась медуза.
Анализ элементов рыболовных систем для промысла медузы
Это позволяет рационально собирать различные конструкции рыболовных систем. Например, в районе р. Шкотово и б. Нарва основная глубина района лова составляет 2 - 6 м., а в б. Северная и б. Суходол 4 - 10 м. Для обеспечения легкости компоновки рыболовных систем для промысла медузы определим длину РК 10 или 20 м.
Исходя из выбранных размеров РК, конструктивный шаг ячеи сетной части должен быть 20, 40, 50 или 100 мм. При большем шаге ячеи мелкие медузы могут пройти через ячею. Для тралирующих рыболовных систем важным является обеспечение сохранности медузы при тралении. Давление Ps, действующее на медузу при тралении определяется по следующим зависимостям: R = Cm Sm;Ps=RSma/d, (2.12) где Ст - коэффициент сопротивления медузы; Sm - площадь части медузы, соприкасающаяся с сетным полотном; d - диаметр нитки; а - конструктивный шаг ячеи. Поскольку максимальная, соприкасающаяся с сетным полотном, часть медузы имеет форму круга, то Ст = 0.5, a Sm = 7ir2.
Например, при использовании капроновой дели с конструктивным шагом ячеи а = 100 мм и диаметром нитки d = 3 мм; для облова медузы с радиусом зонтика г = 0,5 м максимальное время траления найдем по формулам (2.12, 2.11), табл. 2.1.
Устройство для лова медуз состоит из следующих элементов: ваеров, кабелей, сетной части с остропкой и оснасткой (крыльев, мотни и мешка) (рис. 2.22, 2.23). Математическая модель этой системы состоит из математических моделей всех ее элементов.
Математическая модель ваеров. Характеристики ваера описываются следующими дифференциальными уравнениями (Габрюк, Габрюк, Осипов, 2003; 2004): Т = qz smacos(p-Rxv coscc + Rxv sin or, a = (q, cos a cos p + Rxv sin a + R cos a) IT, p = -(qzsin(p + Ryv)/Tsma, (2.13) x = cosa ,y = sin or sin # ,z = -sin a cos p, Rx =Tcosa0cosa0; pV2 Сxv = (C\\sul2 a + Ci2 sin4 a + C13 cos2 a); C = ±(C21sinarcosGr + C22sin3arcos z); Czv = -(C3, sinor cosa + C32 sin3 acosa), где T- натяжение ваера в текущей точке; а - угол атаки ваера в текущей точке; Ф - угол крена плоскости потока ваера в текущей точке (угол между осями zv и z); ху — декартовы координаты текущей точки ваера в земной системе координат Oxyz с началом в нижней точке ваера О; d , = символ производной по дуговой координате /, отсчитываемой от dl нижней точки ваера О; 11 ,11 ,11 - проекции гидродинамической силы, действующей на 1 м. ваера, на оси поточной системы координат, (рис. 2.24); СХ}1,С ,С„ -гидродинамические коэффициенты. Знак (+) в формуле для С берется для канатов с правой свивкой наружных прядей, знак (-) - в противном случае.
Система (2.13) является математической моделью ваєра в потоке воды. Это система нелинейных дифференциальных уравнений, записанных в нормальной форме Коши, когда слева стоят первые производные от неизвестных функций: (T,a, p,x,y,z), а правые части уравнений не содержат производных. Такая запись наиболее удобна для численного решения системы на ПК. Так как система (2.13) нелинейная, то она не может быть решена аналитически. Она решалась численно на ЭВМ. Причем решалась задача Коши, т.е. искалось решение системы (2.13), удовлетворяющее начальным данным. Начальными данными являются значения неизвестных функций в начальной точке, за которую в работе бралась точка О крепления ваера к кабелям:
Модель выбора оптимального района лова
Самая первая известная модель популяции - знаменитый ряд Фибоначчи, который использовал Леонардо из Пизы в XIII веке для описания численности кроликов. Следующая известная модель популяции предложена Мальтусом (1798), описывающая размножение популяции со скоростью, пропорционально ее численности в отсутствии какого-либо лимитирования х = кх, (3.1) где к — коэффициент скорости роста популяции, отражающий ее генетический потенциал.
Модель (3.1), как хорошо известно, ведет к экспоненциальному росту численности популяции. Эта "жесткая" модель применима только на начальном этапе развития популяции. Естественно, при слишком больших х конкуренция за пищу и т.д. приводит к уменьшению к.
Впервые системный фактор, ограничивающий рост популяции, описал Ферхюльст (1838) в виде логистической модели (Ризниченко, 2002) dx . (. х — = кх dt \ .--, (3.2) где К - предел роста популяции или емкость экологической ниши популяции. Аналитическое решение уравнения (3.2) имеет вид х Kekt x(t)= _ Ag kt (3.3) В 1950 г. Мораном была предложена дискретная логистическая модель в экспоненциальной форме, позже в 1952 г. для популяций рыб Рике-ром ґ X (3.4) xt+l = х, ехр К,
В моделях (3.2 - 3.4) емкость экологической ниши представляет системный фактор, который определяет ограниченность роста популяции в данном ареале обитания. Этот вывод имеет основополагающее значение для построения модели популяции Rh. esculentum, поскольку она мигрирует в залив Петра Великого, где нерестится. Но температура здесь в зимний период времени ниже допустимых значений, в результате чего полипы медузы погибают. Поэтому применение логистической модели (3.2 - 3.4) в таком виде затруднительно из-за сложности определения емкости экологической ниши популяции К. Для решения этой проблемы заменим "жесткую" модель (3.1) на "мягкую": х = к{х)х. (3.5) Здесь к(х) зависит от численности популяции, в качестве убывающей функции выберем к(х) = а-Ьх, что приведет к логистической модели (Арнольд, 1984, 2002): х = ах-Ьх2, (3.6) где а - коэффициент скорости роста популяции, а Ъ — коэффициент внутривидовой конкуренции.
Выбором системы единиц х и ґ(годьі) можно принять коэффициенты а, Ъ равные 1, тогда уравнение (3.6) примет вид (рис. 3.1): х = х — х2, (3.7)
Первоначально уравнение (3.7) при расчете численности популяции медузы показала близкое совпадение с данными статистики (Бородин, Осипов, Яковлев, 2003). После уточнения статистических данных в 2003 году, результаты мо делирования немного разошлись со статистикой численностью популяции. Анализ биологического цикла Rh. esculentum показал, что при расчете чис ленности популяции не в полной мере было учтено наличие у медузы, как полового, так и бесполого размножения. Как отмечалось в первой главе, после стробиляции часть стробил превращается в полипы хп, которые зи муют, а затем опять становятся способными к стробиляции, в результате -, чего численность медузы не зависит прямо от численности предыдущего поколения. Что бы учесть этот фактор, используем уравнение Гм=Лх„ (3.8) где Я — коэффициент равный 0,03, учитывающий ту часть стробил, которые превратились в полип и учувствовали в процессе размножения на следующий год. Поскольку медуза не способна размножатся у берегов Приморья, вы Ш) берем изменения вектора на участке В - убывание численности (см. рис. 3.1), результаты моделирования численности медузы показаны на рис. 3.2.
