ИССЛЕДОВАНИЯ НЕРЕСТОВЫХ МИГРАЦИЙ ЦЕННЫХ ВИДОВ РЫБ С ПОМОЩЬЮ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Д.С. Павлов¹, Э.С. Борисенко¹, А.Д. Мочек¹, А.И. Дегтев^{2 1}Учреждение Российской академии наук Институт проблем экологии и эволюции им А.Н.

В последние десятилетия в северной Атлантике наблюдается устойчивая тенденция снижения

численности лососевых и сиговых рыб. По данным ICES (International Council for the Exploration of the Sea) состояние запасов атлантического лосося (Salmo salar, L.) во всех частях ареала его обита­ния, за редким исключением, оценивается как критическое (ICES, 2003). Это снижение вызвано многими факторами, среди которых выделяют возросшую смертность рыб в районах нагула, чрез­мерный пресс промысла, неконтролируемый лов (браконьерство), гидростроительство в нерестовых реках, загрязнение и разрушение пресноводной среды обитания, воздействие культивируемых рыб на генофонд «диких» популяций, распространение болезней и паразитов в результате развития ак­вакультуры. Некоторые из этих причин привели к значительному сокращению численности рыб во многих реках Карелии, Архангельской и Мурманской областях (Прусов С.В., 2004).

Под воздействием комплекса факторов различного происхождения ежегодные колебания чис­ленности атлантического лосося могут быть очень значительными, что приводить к ситуациям, ко­гда использование ресурса может быть весьма рискованным для устойчивой эксплуатации и удов­летворительного состояния популяции (NASCO, 2000). В современных условиях, когда запасы ат­лантического лосося требуют эксплуатации с учетом осторожного подхода (NASCO, 1999), назрела необходимость мониторинга состояния его численности. Результаты исследований позволят не только максимально снизить вероятность подрыва численности атлантического лосося, но и дадут возможность использовать его запас с наибольшей социально-экономической выгодой на долго­срочной основе.

После завершения коммерческого лова с использованием РУЗ на многих реках, возникла пробле­ма оценки численности лосося и сбора данных по качественным параметрам популяции, необходимых для рациональной эксплуатации запаса. Решение проблемы оценки численности требует внедрения но­вых, не традиционных, методов оценки ресурса. В настоящее время наиболее эффективными принято считать гидроакустические методы, позволяющие оценивать численность мигрирующих рыб проходя­щих контролируемое сечение реки в течении длительного времени. Для этих целей разработана методи­ка и создан гидроакустический комплекс «NetCor» по учету проходящих на нерест рыб с сетью авто­номных станций управляемых по радиоканалу (Дегтев и др.,2007). Этот комплекс использовался в экс­периментальных исследованиях на реках разного типа - Северная Двина и Онега (Архангельская об­ласть), Поной (Кольский полуостров) и протока Варпак (р. Нижний Иртыш).

Аппаратура и методика

Основное назначение комплекса - количественная оценка рыб проходящих через сканируе­мое сечение реки, определение их размерного состава и направления движения в градациях вверх - вниз по течению.

Комплекс состоит из сети плавучих гидроакустических высокочастотных многолучевых стан­ций связанных по радиоканалу пакетной передачи данных с береговой компьютеризированной кон­трольно-измерительной системой. Радиопередача ведется в не лицензируемом диапазоне радиочас­тот ISM 2.4 ГГц с использованием трансиверов «NanoNET» (стандарт IEEE 802.15.4a). Акустиче­ское зондирование осуществляется в горизонтальной плоскости под любым заданным углом к по­верхности воды или дна.

Основные технические характеристики: рабочая частота - 455 КГц; длительность зондируе­мых импульсов - от 0.1 до 1.0 мс; электрическая мощность на антенне 40 - 80 Вт; частота следова­ния посылок - до 12 Гц; ширина характеристики направленности одного луча на уровне - 6 дБ 10^о, ширина многолучевого сектора обзора до 80^о в плоскости веера лучей каждой антенны; в горизон­тальном режиме обеспечивается регистрация рыб при глубине места от 0.5 м; в горизонтальном ре­жиме максимальная дальность регистрации одиночной рыбы с силой цели - 50 дБ - 20 м; дистан­ция устойчивой радиосвязи - до 200 м, дистанция предельной радиосвязи - до 600 м (в зависимости от используемых радиоантенн); число плавучих гидроакустических станций в сети - до 16 шт; элек­трическое питание - +/- 12 В; математическое обеспечение системы состоит из программы управ­ления комплексом и сбора данных с сети плавучих гидроакустических станций в реальном времени и программы камеральной обработки полученной информации в отложенном времени на компью­терах платформы х86 под управлением ОС «Windows».

На плавучих платформах расположены сканирующая многолучевая акустическая антенна, цифровой, программно-управляемый генератор-приемник, радиопередающее устройство для прие­ма и передачи акустической информации и аккумуляторная батарея.

Рис. 1. Сеть из 3-х плавучих станций комплекса, установленная на реке Северная Двина для подсчета ценных видов рыб идущих на нерест

Программа управления работой комплекса позволяет с компьютера-ноутбука устанавливать режимы работы комплекса, осуществлять ввод и хранение данных цифрового представления эхо­сигнала. Визуализация подводной обстановки осуществляется в виде движущейся эхограммы - ин­тегральной и по каналам. Режимы встроенного осциллографа и секторного обзора позволяют выде­лять отдельные цели и проводить контрольные измерения силы цели рыб. Вся информация и мас­сив получаемых гидроакустических данных непрерывно записываются в память компьютера. При обработке информации осуществляется фильтрация помех и кластерный анализ для выделения по­лезного сигнала от рыбы на фоне реверберации акустического сигнала от поверхности воды, дна и неоднородностей водной среды. В результате обработки формируются таблицы обработанных дан­ных, в которых фиксируется вся информация от каждой рыбы, прошедшей через зону регистрации акустического поля многолучевой антенны: порядковый номер рыбы, направление ее перемещения, акустическая сила цели, длина рыбы и время регистрации.

Количество плавучих платформ и расстояние между ними устанавливаются в пределах даль­ности действия гидролокаторов, зависящей от глубины и ширины реки в месте установки антенны. При проведении экспериментальных регистраций рыб в перечисленных реках использовали до 3 плавучих платформ (рис.1.)

Наблюдения в стационарных условиях с использованием комплекса «NetCor» позволяют по­лучить оценку численности рыб в режиме ежесуточного накопления данных в течение длительного периода.

Результаты и обсуждение

Протока Варпак. Целью экспериментальных работ с использованием комплекса «NetCor» на

р. Варпак - выявление суточной миграции туводных рыб, в том числе миграции ранней молоди, че­рез устье реки. Работы проводились в устье протоки Варпак в период высокой воды с 10.00 29 июня

по 10.00 07 июля 2008 г.

Береговое, программно-управляемое устройство комплекса размещалось в лабораторном кор­пусе научно-исследовательского стационара «Миссия» на расстоянии более 100 м от плавучей платформы. Ширина реки в месте установки 12-15 м, максимальная глубина места 1,5 м, уровень воды за время наблюдения упал до 1 м. Место и направление установки антенны определяет приве­денные ниже термины направления движения зарегистрированных рыб: слева направо - вверх про­тив течения, справа налево - вниз по течению.

Наблюдения за перемещением рыб с помощью комплекса «NetCor» проводилось круглосу­точно. Зондирование сечения реки осуществлялось в сторону правого берега реки в горизонтальной плоскости. Глубина погружения антенны - 0.5 м, наклон диаграммы направленности изменяли в пределах - 1-3 градуса в сторону поверхности воды, в зависимости от уровня. Мертвая зона гидро­локатора составляла от 0.5 м до 1 м. Перекрытие сечение реки по вертикали составило более 75 %. Сектор сканирования многолучевой антенны - 70^о, позволял устойчиво регистрировать направле­ние перемещения рыб в градациях вверх/вниз по течению. Высокая чувствительность антенны гид­ролокатора по приему и достаточный динамический диапазон позволял регистрировать раннюю мо­лодь рыб с размерами около 1 см на расстояниях более 15 м. Фрагмент отображения прохождения мелкой рыбой протоки Варпак по шести каналам многолучевой антенны гидролокатора и результат кластерной обработки фрагмента наблюдений приведены на рис.2 и 3.

Рис. 2. Фрагмент отображения прохождения мелкой рыбой протоки Варпак по шести каналам многолучевой антенны гидролокатора

Рис. 3. Результат кластерной обработки фрагмента наблюдений в протоке Варпак (3 рыбы прошли вверх по течению и 1 вниз)

Вся информация и массив получаемых гидроакустических данных непрерывно записыва­лись в память компьютера. При обработке информации осуществлялась фильтрация помех и кластерный анализ для выделения полезного сигнала от рыбы на фоне реверберации акустиче­ского сигнала от поверхности воды, дна и неоднородностей водной среды. В результате наблю­дений определена суточная динамика перемещения рыб вниз и вверх по течению протоки Вар- пак (рис.4.) Размерный состав молоди рыб и рыб длиной более 6 см, прошедших через устье протоки Варпак в течение 8 суток, приведен на рис.5.и 6. По результатам сетных обловов, рыб­ное население протоки Варпак состояло в основном из 6 видов, Размерный состав рыб в том числе и ранней молоди выловленной мальковым тралом в хорошо согласовывался с данными гидроакустических измерений.

Рис. 4. Суточная динамика перемещения рыб вверх и вниз

по течению протоки Варпак за время наблюдений с 29.06. по 07.07.2008 г.

I ΠΠί·ΖιΈ1Ξ ■ IO -|Л.с|

Дл ина рыб, см

Рис. 5. Размерный состав ранней молоди рыб, прошедшей через сечение протоки Варпак вверх и вниз по течению

Рис. 6. Размерный состав рыб длиной более 6 см прошедшей через сечение протоки Варпак вверх и вниз по течению

Таким образом, в результате проведенных экспериментальных наблюдений за перемещением рыб в устье протоки Варпак с помощью многолучевого гидроакустического комплекса выявлено, что научно-исследовательский гидроакустический комплекс «NetCor» с многолучевой высокочас­тотной акустической системой обеспечивает регистрацию перемещений рыб разного размера, включая раннюю молодь с размерами около 1 см.

Река Поной характеризуется наличием мощных турбулентных потоков с высоким содержа­нием пузырьков воздуха. Плавучую платформу комплекса «NetCor», для выполнения работ в ста­ционарном режиме, устанавливали вблизи берега в районе базового лагеря. Использовали одну пла­вучую платформу, период наблюдений составил около 1.5 суток (Павлов и др.2008 г.). В процессе экспериментов переключали диапазоны дальности - 10 и 20 м, а также мощность излучаемых сиг­налов - 10 и 25 Вт, длительности импульсов от 0.1 до 0.8 мс. Акустическую антенну устанавливали на разных горизонтах от 10 до 70 см от поверхности и ориентировали под разными углами к по­верхности воды. Сектор сканирования по горизонтали - 70^о, зондирование пространства по верти­кали на расстоянии 10 м составляет 2.2 м, 20 м - более 4 м, таким образом, осуществляется полное перекрытие водного потока по глубине в зоне действия прибора. На эхограмме (рис.7.) четко про­слеживается направление перемещение рыбы вверх по течению, о чем свидетельствует время нача­ла первой регистрации рыбы крайним правым лучом антенны (канал 6) направленным в сторону устья реки. Реверберационные помехи от дна, поверхности воды и турбулентных потоков при каме-

ральной обработке отфильтровываются.______________

Рис. 7. Прохождение рыбы зондируемого сектора обзора акватории вверх по течению р. Поной

Из приведенной эхограммы видно, что направление перемещение рыбы хорошо прослежива­ется, однако для расчета ее размера необходимо учитывать избыточные потери акустической энер­гии, обусловленные наличием воздушных пузырьков и различного рода неоднородностей в водной среде. Поэтому, исходя из того, что скорость водотока в реке превышала 200 см/с, для расчета ко­эффициента избыточных потерь использовали эмпирические зависимости полученные для учета из­быточного затухания звука взволнованной водной средой при силе ветра от 2 до 4 м/с (приповерх­ностные течения от 150 до 300 см/с), скорости звука 1450 м, на глубине 1 м ( Borisenko, 1987). Пе­ресчет полученных значений силы цели рыб (TS) в ее размеры использовали уравнения регрессии при ее боковом облучении, полученные для атлантической семги (Salmo salar, L) и кумжы (Salmo trutta,L) (Lilja et all,2000).

За все время стационарных наблюдений за прохождением рыбы через сечение реки в районе расположения базового лагеря (около 37 часов), с использованием комплекса NetCor, зарегистриро­вано 55 рыб. В том числе вверх по течению переместились 40 и скатилось 16 экз. Следует выделить 2 цикла максимальных суточных перемещений с 9:00 до 12:00 наблюдали 20 рыб, из которых 13 рыб поднялись вверх и 7 вниз скатились вниз по течению реки, а с 22:18 по 24:00 зарегистрировано 19 рыб - 16 вверх по течению и 3 вниз. С 00:28 по 02:00 обнаружено 10 рыб, из которых 7 экз. про­шли вверх по течению. В районе 17:30 обнаружили 4 рыбы, из которых 1 рыба сначала поднима­лась и затем скатилась вниз по течению.

В размерном составе зарегистрированных рыб преобладали рыбы длиной менее 40 см. Отме­чено всего 10 экз с размерами более 50 см. Максимальная по размеру рыба, длиной около 90 см, прошла вверх по течению реки в 10:45:18. Вторая, наоборот скатилась вниз в 22:47 и была пример­но того же размера - около 90 см. Распределение силы цели рыб, зарегистрированных комплексом NetCor за весь период наблюдений с 14:00 09.08.08 по 03:30 11.08.08., приведены на рис.8.

Рис. 8. Распределение силы цели зарегистрированных рыб

Таким образом, результаты проведенных экспериментальных наблюдений с использованием комплекса NetCor показали широкие возможности его применения для оценки численности проход­ных рыб, определения их размеров и направление перемещений в мелководных водотоках с быст­рым течением воды, насыщенной воздушными пузырьками и различного рода неоднородностями среды

Река Онега (Архангельская обл .). Экспериментальные исследования проводились в период с 23 по 30 октября 2008 года в районе деревни Медведевская. Целью работ была экспериментальная количественная оценка числа проходящих на нерест половозрелых особей семги с использованием комплекса «NetCor».

Приемное устройство комплекса устанавливали в жилом доме на берегу реки, а в качестве плавучей платформы использовали маломерную лодку, которую последовательно переставляли по обследуемому сечению реки. На рис.9. представлена временная диаграмма регистрации рыб в од­ной из точек постановке комплекса на реке, на рис.10. - гистограмма размерного состава всех заре­гистрированных рыб общей численностью 46 особей. В других точка постановки плавучего ком­плекса были отмечены только единичные регистрации мелкоразмерной рыбы. Таким образом, в ре­зультате экспериментальных работ на р. Онега выявлено, что для достоверной количественной оценки проходящей через сечение реки семги и соответственно направление ее перемещения, необ­ходимо установка на реке большого количества плавучих платформ - не менее 20 шт., зондирую­щих на максимальном диапазоне дальности.

1 ■ против ТЕЧEH ИЯ, ОСТЭЛЫЫ E- ПО ТЕЧЕНИЮ

Рис. 11. Характерная эхограмма массового прохода разноразмерных рыб через зону регистрации комплекса «NetCor» на акватории Северной Двины,

28 сентября 2008 года, 20:04 - 20:15

Река Северная Двина. Экспедиционные работы на реке Северная Двина проводились в период с 27 по 30.09.2008 г в районе острова Молодежный на р. Северная Двина. Береговая контрольно- измерительная станция устанавливалась на дебаркадере, а плавучие платформы последовательно переставлялись по обследуемому сечению реки (см. рис.1.) с разным заглуб­лением антенны (от 0,5 до 1,5 м), параллельно выставленным орудиям лова на расстоянии от них до 100 метров ниже по течению реки. На рис.11. представлена характерная эхограмма гидроакустической регистрации проходящих рыб комплексом «NetCor» на акватории Север­ной Двины. Результаты регистраций рыб прошедших через сечение реки за время наблюдения и гистограммы их размерного распределения представлены на рис.12. и 13. Таким образом, комплекс «NetCor» обеспечивает регистрацию проходящих рыб при глубине места от 0,5 до 5 метров с возможностью автоматизированного подсчета числа прошедших рыб, определение их размера и направления перемещения в двух градациях - вверх или вниз по течению.

Рис. 12. Диаграмма накопленного за время наблюдения числа рыб прошедших зону

регистрации на акватории Северной Двины

■ Rdtcmcmhhj ■ Прэтте тпчаыия

PaifrtHphijH рзевредеяй+ме

Рис. 13. Гистограмма размерного состава зарегистрированных рыб

Выводы

Результаты выполненных работ на реках различного типа показали, что комплекс «NetCor» позволяет эффективно осуществлять наблюдения за перемещением рыб разного размера в течение длительного времени. Комплекс обеспечивает гидроакустическую регистрацию рыб разного раз­мера, в том числе раннюю молодь рыб размерами около 1 см, пересекающих стационарную зону зондирования в условиях мелководья, повышенной турбуленции, наличии большого количества воздушных пузырьков и неоднородностей водной среды.

Литература

Дегтев А.И., Мощевикин А.П.. Борисенко Э.С., Мочек А.Д., Смирнов Ю.В. ,2007. Количественная оценка проходных рыб гидроакустическим методом на мелководных водоемах//Журн. «Рыбное хозяйство», № 6, с.102­103. Павлов Д.С., Борисенко Э.С., Дегтев А.И., 2008. Результаты экспериментальных исследований по гидроаку­стической регистрации рыб р.Поной.//Материалы докл. Всероссийской конф. «Гидроакустические исследования на внутренних водоемах», 2-4 декабря 2008 г. Изд. ООО «Принтхаус» 2008. 78 с., с.59-69.

Прусов С.В. Атлантический лосось (Salmosalar,L) реки Поной экология, воспроизводство, эксплуата­ция): Автореферат дисс. канд.биол.наук., Петрозаводск, 2004, 1.4 п.л.

Borisenko Е// The results of experimental research into excess sound attenuation in the Sea.// Rap. Et Proc.Intern. Symposium. Developments in Fisheries Acoustics: June 22-26, 1987, Seattle, Wash., 1987, 37 p.

Juha Liljaa*, Timo J. Marjomakia, Raimo Riikonenb, Juha Jurvelius// Side-aspect target strength of Atlantic salmon (Salmo salar), brown trout (Salmo trutta), whitefish (Coregonus lavaretus), and pike (Esox lucius)//. All rights reserved. Aquat. Living Resour. 13 (2000) 355-360.