CN108990866A - 定量评估竖缝式鱼道过鱼效率的监测系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种定量评估竖缝式鱼道过鱼效率的监测系统及其方法，涉及鱼道过鱼效率的监测技术。本系统是：在过道竖缝处安置天线线圈，天线线圈、电容、阅读器、主机、变压器和220V电源依次连接；调谐指示器、喇叭和笔记本电脑分别和主机相连。本方法是：①安装PIT监测系统；②对标记鱼2进行处理：③试验过程；④数据采集；⑤过鱼效率评估。本发明具有以下优点和积极效果：①追踪鱼类个体，定量评估鱼道的过鱼效率；②分析鱼类通过鱼道的行为表现；③实现鱼道监测中结果精确化、细致化以及可追溯影响过鱼效果因素的目标；④对研究对象生理伤害度小，监测精度高，适用于尺寸范围广、监测成本低、操作简便。
Description
技术领域
本发明涉及鱼道过鱼效率的监测技术，尤其涉及一种定量评估竖缝式鱼道过鱼效率的监测系统及其方法。
背景技术
水利水电工程是各国经济发展的重要组成部分，但与此同时对生态环境带来巨大的负面影响：阻碍了河流的连通性，破坏了鱼类的洄游路线、生殖场所和索饵场所，对鱼类的活动产生重要影响，甚至导致某些溯河洄游鱼类种群灭绝。鱼道作为一种重要的生态补偿措施，在一定程度上，能够维持河流的连通性，为鱼类提供洄游通道。近年来，尽管水电工程过鱼设施的设计、建设工作迅猛发展，但是并未达到预期运行效果。因此，需要通过监测过鱼效率来提高过鱼设施的设计、修建和运行。目前的监测方法主要有视频监测法、网具回捕法和声学监测法，但上述方法存在以下缺点：
1、网捕法影响鱼道的运行；
2、视频监测法在水质浑浊情况下无法发挥其作用；
3、声学技术不成熟，受环境因素的影响；
4、无法评估特定种类的通过效率和特定个体通过鱼道时的行为表现。
以上缺点使得过鱼效果监测的准确度低，无法分析特定种类的通过效率，无法分析影响鱼类通过效率的生物因素，无法分析鱼类通过鱼道时的行为表现，然而这些结果对于建立全面的鱼道监测评估体系，优化鱼道结构有着重要的作用。因此需要一种能精确评估鱼道过鱼效率，甚至可以针对每一种类评估其特定通过效率，可以分析影响过鱼效率因素和鱼道对通过鱼类影响的评估方法。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供了一种定量评估竖缝式鱼道过鱼效率的监测系统及其方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明采用无线射频识别技术：1、可追踪鱼类个体，精准的评估不同种类个体的过鱼效率，包括鱼道入口吸引效率、进入效率和通过效率；2、分析鱼类的行为表现，包括迁移时间和迁移速度；3、研究影响过鱼效率的生物因子(鱼类个体体长、体重等基础生物学参数)和非生物因子(水深、温度等环境因子)。
本发明可以精确评估鱼道整体过鱼效率、针对每个物种可分别分析其通过效率、针对每个个体可分析其通过行为且能够分析影响每个个体通过生物因素和非生物因素的评估方法。
本发明定量、深入和细致的评估了鱼道的过鱼效率，为鱼道结构的设计、优化和运行提供有效的数据支撑，对于恢复河流连通性、保护生物多样有着重大的意义。
具体地说：
一、定量评估竖缝式鱼道过鱼效率的监测系统(简称系统)
本系统包括鱼道、天线线圈、标记鱼、电容、阅读器、主机、变压器、220V电源、调谐指示器、喇叭和笔记本电脑；
其位置和连接关系是：
在过道竖缝处安置天线线圈，天线线圈、电容、阅读器、主机、变压器和220V电源依次连接；调谐指示器、喇叭和笔记本电脑分别和主机相连。
二、定量评估竖缝式鱼道过鱼效率的监测方法(简称方法)
本方法包括以下步骤：
①安装PIT(Passive Integrated Transponder，PIT，射频识别)监测系统：
A、根据鱼道的实际环境，确定系统的安装位置(应避开金属箔或其它金属性物体、电机或引擎的运转和无线设备等，这些条件将影响系统的性能)；
B、测试系统灵敏度：在阅读器4上安装喇叭9，将标签绑在竹竿一段，前后靠近天线线圈1，如果喇叭9及时发出声音则说明系统灵敏；若不灵敏，则需根据水流环境调整天线线圈1的安装位置；
②对标记鱼进行处理：
a、获取健康的目标鱼类个体；
b、用适量的MS-222(丁香酚)处理鱼类个体后测量其体长(SL)、全长(TL)和体重(BW)的生物学指标；
体长(SL)是从鱼头到最后一节尾椎骨的长度；
全长(TL)是从鱼头到鱼尾的长度；
c、用手持式阅读器扫描每个标记对应的编码，将编码与个体的生物学指标对应记录下来，然后将标签与体长方向平行植入此个体的腹腔内，整个过程在1分钟之内完成，以减少对标记鱼的损害；
d、标记完成后将标记鱼个体立即释放在流水、充氧的暂养池中恢复24小时至正常游泳状态；
③试验过程
将标记好的标记鱼个体放入鱼道的入口附近河流中，由于水流的吸引作用和鱼类的顶流习性，标记鱼个体将会溯河而上进入鱼道，标记鱼个体每通过天线线圈一次，阅读器将会记录下通过标记鱼个体的编码和通过时间；
④数据采集
用数据线将电脑和主机连接起来，采集监测到的数据，获得的数据主要包括监测点位置、通过标记鱼个体的编码和通过时间；
⑤过鱼效率评估
ⅰ、根据监测点的位置、初始标记鱼2个体数量和监测到标记鱼2个体数量得到鱼道0的入口吸引率、入口效率和入口通过率；
入口吸引率：
入口效率：
入口通过率：
A为总个体数，B为抵达鱼道入口附近的个体数，
C为进入鱼道入口的个体数，D为抵达鱼道出口的个体数；
ⅱ、根据监测点的位置和监测到标记鱼2个体时间得到标记鱼2个体的迁移时间和迁移速度；
迁移时间：ΔT＝t2-t1
t2为在鱼道出口探测到该个体的时刻，t1在鱼道入口探测到该个体的时刻；
迁移速度：
ΔT为在鱼道中的迁移时间，S为鱼道的长度；
ⅲ、根据监测个体标记鱼2编号对应的生物学参数、试验时的环境因子条件可以研究影响过鱼效果的生物因子和非生物因子
生物因子：全长、体长和体重等；
非生物因子：水温、水位、水流速、水流量和溶解氧等；
通过分析鱼类的通过数量和通过率与生物因子和非生物因子之间的相关性来研究其影响效果。
本发明具有以下优点和积极效果：
①追踪鱼类个体，定量评估鱼道的过鱼效率，包括鱼道入口吸引效率、进入效率和通过效率；
②分析鱼类通过鱼道的行为表现，包括迁移时间和迁移速度；研究影响过鱼效率的生物因子(鱼类个体体长和体重的基础生物学参数)和非生物因子(水深和温度的环境因子)；
③实现鱼道监测中结果精确化、细致化以及可追溯影响过鱼效果因素的目标；
④对研究对象生理伤害度小，监测精度高，适用于尺寸范围广、监测成本低、操作简便。
附图说明
图1是本系统的结构示意图；
图2是笔记本电脑10的工作流程图。
其中：
0—过道；
1—天线线圈；
2—标记鱼；
3—电容；
4—阅读器；
5—主机；
6—变压器；
7—220V电源；
8—调谐指示器；
9—喇叭；
10—笔记本电脑。
具体实施方式
一、系统
1、总体
如图1，本系统包括鱼道0、天线线圈1、标记鱼2、电容3、阅读器4、主机5、变压器6、220V电源7、调谐指示器8、喇叭9和笔记本电脑10；
其位置和连接关系是：
在过道0竖缝处安置天线线圈1，天线线圈1、电容3、阅读器4、主机5、变压器6和220V电源依次连接；调谐指示器8、喇叭9和笔记本电脑10分别和主机5相连。
2、功能部件
0)鱼道0
鱼道0是一种生态补偿工程，为鱼类的洄游提供通道，维持河流的纵向连通性。
1)天线线圈1
天线线圈1用于在标签和阅读器4之间建立数据通信的通道。
2)标记鱼2
标记鱼2为实验个体，主要包括鱼类个体和标签。
鱼类个体是用来评估鱼道效率的实验对象；
每个标签储存有唯一的编码，用来识别每个鱼类个体的身份。
3)电容器3
是一种通用的元器件，电容器3在电极上储存电荷储存电能，通常与电感器共同使用形成LC振荡电路。
4)阅读器4
是一种通用的元器件，阅读器4的天线将与标签里的天线发生耦合，读取实验过程中产生的数据，而且与主机5通信，实现标签与主机5之间的数据传递。
5)主机5
是一种通用的元器件，系统的硬件组成部分，接收由标签发出，经过阅读器4处理过滤后的标准化的数据。
6)变压器6
是一种通用的元器件，实验系统所使用电压为直流电压7V-20V,变压器6将220V电源转换成系统可使用的电压。
7)220V电源7
是一种通用的元器件，用于提供实验过程中所使用的电源。
8)调谐指示器8
是一种通用的元器件，指示各波段的协调状况。
9)喇叭9
是一种通用的元器件，实验前用于检测设备的灵敏度，安装上喇叭，当有个体通过时，喇叭将会发出声音，实验时则去掉喇叭，以防声音对鱼类产生干扰。
10)笔记本电脑10
是一种通用的元器件，在笔记本电脑10上安装hyper-terminal软件，将笔记本电脑10与主机5用数据线连接起来，通过便携式电脑可以拷取阅读器4里面储存的数据。
本发明借助hyper-terminal终端软件进行数据获取，其工作流程包括：
A、hyper-terminal终端软件-201；
B、创建新的终端连接-202；
C、实现远程调试源代码-203；
D、建立软件和主机连接-204；
E、在终端软件输入信息-205；
F、实现通信、获得数据206。
3、工作原理
携带有标签的标记鱼2个体进入天线线圈1后，标签里面的线圈与阅读器4的线圈发生耦合，阅读器4通过线圈识别标签内储存的唯一编码和实验过程中产生的数据，然后经过标准化处理后传递给主机5，由主机5储存所有的数据；安装有系统软件的笔记本电脑10通过串口与主机5相连获取主机5储存的数据。
二、方法
S1、安装PIT监测系统包括以下步骤：
S1.1、根据鱼道的实际环境，确定系统的安装位置。
S1.2、测试设备灵敏度：在阅读器上安装警报装置，将标签绑在竹竿一段，前后靠近感应线圈，如果警报装置及时发出声音则说明设备灵敏；若不灵敏，则需根据水流环境调整安装位置。
S2、标记鱼类个体包括以下步骤：
S2.1、获取健康的目标鱼类个体。
S2.2、用适量的MS-222处理鱼类个体后测量其体长(SL)、全长(TL)、体重(BW)等生物学指标。
S2.3、用手持式读码仪扫描每个标记对应的编码，将编码与个体的生物学指标对应记录下来如表1，然后将标签与体长方向平行植入此个体的腹腔内，整个过程在1分钟之内完成，以减少对鱼类的损害。
表1标记个体的基础生物学参数和标记编码
S2.4、标记完成后将鱼类个体立即释放在流水、充氧的暂养池中恢24小时至正常游泳状态。
S3、试验过程：将标记好的个体放入鱼道入口附近河流中，由于水流的吸引作用和鱼类的顶流习性，个体将会溯河而上进入鱼道，个体每通过线圈一次，阅读器将会记录下通过个体的编码和通过时间。
S4、数据采集：在便携式电脑上安装hyper-terminal软件，用数据线将电脑和阅读器连接起来，采集监测到的数据，获得的数据主要包括监测点位置、通过个体的编码和通过时间。
S5、过鱼效率评估：1、根据监测点的位置、初始标记个体数量和监测到标记个体数量得到鱼道的入口吸引率、入口率和通过率；2、根据监测点的位置和监测到标记个体时间得到鱼类个体的迁移时间和迁移速度；3、根据监测个体编号对应的生物学参数、试验时的环境因子条件可以研究影响过鱼效果的生物因子和非生物因子。
进一步地，所述步骤S1中PIT监测系统包括：感应线圈、阅读器、电容、主机、220V电源、变压器、笔记本、喇叭、调谐指示器等。
进一步地，所述步骤S5中鱼道入口的吸引效率(Attraction efficiency，Ae)计算公式：
式中：Ae为鱼道入口的吸引效率；A为标记鱼类的总个体数；B为抵达鱼道入口附近的个体数。
进一步地，所述步骤S5中鱼道的入口效率(Entrance efficiency，Ee)计算公式：
式中：Ee为鱼道的入口效率；B为抵达鱼道入口附近的个体数；C为进入鱼道入口的个体数量。
进一步地，所述步骤S5中鱼道的通过效率(Passage efficiency，Pe)(表2)计算公式：
式中：Pe为鱼道的通过效率；C为进入鱼道入口的个体数量；D为抵达鱼道出口的个体数。
表2鱼道内四个监测点(出入口和中间两个位置)的通过数量和通过率
进一步地，所述步骤S5中鱼道的迁移时间(ΔT)计算公式：
ΔT＝t2-t1
式中：ΔT为在鱼道中的迁移时间；t2为在鱼道出口探测到该个体的时刻；t1在鱼道入口探测到该个体的时刻。
进一步地，所述步骤S5中鱼道的迁移速度(V)(表3)计算公式：
式中：V为在鱼道中的迁移速度；ΔT为在鱼道中的迁移时间；S为鱼道的长度。
试验鱼道的总长度为1228.3m，表3通过鱼道的标记个体编号、迁移时间和迁移速度
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例，在本发明的精神要求和权利保护范围内，对本发明作出的任何逻辑推理和分析，皆在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (3)
1.一种定量评估竖缝式鱼道过鱼效率的监测系统，其特征在于：
包括鱼道（0）、天线线圈（1）、标记鱼（2）、电容（3）、阅读器（4）、主机（5）、变压器（6）、220V电源（7）、调谐指示器（8）、喇叭（9）和笔记本电脑（10）；
其位置和连接关系是：
在过道（0）竖缝处安置天线线圈（1），天线线圈（1）、电容（3）、阅读器（4、）主机（5）、变压器（6）和220V电源（7）依次连接；调谐指示器（8）、喇叭（9）和笔记本电脑（10）分别和主机（5）相连。
2.按权利要求1所述的监测系统，其特征在于：
所述的笔记本电脑（10）是借助hyper-terminal终端软件进行数据获取，其工作流程包括：
A、hyper-terminal终端软件（201）；
B、创建新的终端连接（202）；
C、实现远程调试源代码（203）；
D、建立软件和主机连接（204）；
E、在终端软件输入信息（205）；
F、实现通信、获得数据（206）。
3.基于权利要求1-2所述系统的定量评估竖缝式鱼道过鱼效率的监测方法，其特征在于包括下列步骤：
①安装监测系统：
A、根据鱼道的实际环境，确定系统的安装位置；
B、测试系统灵敏度：在阅读器（4）上安装喇叭（9），将标签绑在竹竿一段，前后靠近天线线圈（1），如果喇叭（9）及时发出声音则说明系统灵敏；若不灵敏，则需根据水流环境调整天线线圈（1）的安装位置；
②对标记鱼（2）进行处理：
a、获取健康的目标鱼类个体；
b、用适量的MS-222处理鱼类个体后测量其体长SL、全长TL和体重BW的生物学指标；
c、用手持式阅读器（4）扫描每个标记对应的编码，将编码与个体的生物学指标对应记录下来，然后将标签与体长方向平行植入此个体的腹腔内，整个过程在1分钟之内完成，以减少对标记鱼（2）的损害；
d、标记完成后将标记鱼（2）个体立即释放在流水、充氧的暂养池中恢复24小时至正常游泳状态；
③试验过程
将标记好的标记鱼（2）个体放入鱼道（0）的入口附近河流中，由于水流的吸引作用和鱼类的顶流习性，标记鱼（2）个体将会溯河而上进入鱼道（0），标记鱼（2）个体每通过天线线圈（1）一次，阅读器（4）将会记录下通过标记鱼（2）个体的编码和通过时间；
④数据采集
用数据线将电脑和主机连接起来，采集监测到的数据，获得的数据主要包括监测点位置、通过标记鱼（2）个体的编码和通过时间；
⑤过鱼效率评估
ⅰ、根据监测点的位置、初始标记鱼（2）个体数量和监测到标记鱼（2）个体数量得到鱼道（0）的入口吸引率、入口效率和入口通过率；
入口吸引率：Ae´100%
入口效率：Ee´100%
入口通过率：Pe´100%
A为总个体数，B为抵达鱼道入口附近的个体数，
C为进入鱼道入口的个体数，D为抵达鱼道出口的个体数；
ⅱ、根据监测点的位置和监测到标记鱼（2）个体时间得到标记鱼（2）个体的迁移时间和迁移速度；
迁移时间：DTt2 -t1
t2为在鱼道出口探测到该个体的时刻，t1在鱼道入口探测到该个体的时刻；
迁移速度：V
DT为在鱼道中的迁移时间，S为鱼道的长度；
ⅲ、根据监测个体标记鱼（2）编号对应的生物学参数、试验时的环境因子条件研究影响过鱼效果的生物因子和非生物因子；
生物因子：全长、体长和体重；
非生物因子：水温、水位、水流速、水流量和溶解氧；
通过分析鱼类的通过数量和通过率与生物因子和非生物因子之间的相关性来研究其影响效果。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Application publication date: 20181214 |
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |