Применение подводного видеонаблюдения для контроля рыбозащитного устройства на водозаборном сооружении тепловой электростанции

Введение. Оборудование тепловых электростанций требует охлаждения. Для этого используют воду, которую гидротехнические сооружения (водозаборы) берут из природных и искусственных водоемов [1]. Два обязательных условия работы такого объекта — бесперебойная подача воды и рыбозащитное устройство (РЗУ), препятствующее попаданию рыб в оборудование [2].

Минимальная нормативная эффективность РЗУ — 70 % [3]. Этому требованию соответствуют современные конструкции РЗУ¹.

Система водоснабжения Заинской государственной районной электростанции (ГРЭС) — оборотная. Сбросная вода охлаждается в Заинском водохранилище. Циркуляционно-техническую воду подают три береговые насосные станции (БНС). Заинское водохранилище — рыбохозяйственный водоем. С учетом этого обстоятельства и природных факторов на всех трех БНС с 2015 по 2018 гг. установили РЗУ типа ВВЗ (водовоздушная завеса). Она должна защищать молодь рыб от водозабора, а водозабор — от плавающего и притопленного мусора. Такими же РЗУ оснащали промышленные и энергетические водозаборы на Ириклинской, Калининградской и Рефтинской ГРЭС. Устройства показали высокую рыбозащитную эффективность [4].

Восходящая водовоздушная завеса формируется потоком воды, которая подается насосами на систему придонных модулей РЗУ. Туда же по параллельному трубопроводу поступает воздух. Проходя через аэрирующие сопла, он направляется в перфорированный трубопровод, смешивается с водой, поднимается на поверхность и таким образом образует препятствие для рыб и мусора (рис. 1).

Для РЗУ типа ВВЗ по дну перед зоной водозабора прокладывают перфорированный трубопровод. Из его отверстий постоянно подается водовоздушная смесь. Рыбы зрительно воспринимают «стену» из пузырьков воздуха как физическую преграду. Кроме того, их отпугивает гидроакустический шум воздушных потоков. При этом рыбы не травмируются. РЗУ типа ВВЗ состоит из однотипных взаимозаменяемых модулей, поэтому обслуживать его проще, чем другие защитные устройства. В зимнее время водовоздушная завеса образует полынью. Из-за постоянного перемешивания воды она не замерзает, и водозабор не забивается льдом.

Использование РЗУ типа ВВЗ для защиты молоди рыб базируется, в частности, на испуге. Именно так рыбы реагируют на стену из движущихся вверх пузырьков воздуха — и отплывают от нее. Высокая эффективность метода объясняется комплексным воздействием на молодь. Во-первых, для зрительных рецепторов рыбы водовоздушная завеса — это внешний раздражитель. Во-вторых, она воспринимается как механическая преграда (стена). В-третьих, завеса издает шум. Пузырьки воздуха поднимаются из отверстий перфорированных труб. При всплытии они расширяются и схлопываются с гидрокавитационным эффектом. Происходит микровзрыв, который отпугивает рыб.

В сравнении с воздушно-пузырьковой завесой энергетика водовоздушной завесы намного выше, так как ее формирует не только воздух, но и гораздо более плотный водной поток. В водовоздушной завесе рыба эффективнее поднимается в верхние слои и выносится оттоком от водозабора [5]. Как правило, водовоздушная завеса применяется на крупных водозаборах энергетического назначения.

Материалы и методы. Для оценки эффективности РЗУ водозаборных сооружений Заинской ГРЭС проводились ихтиологические исследования². Анализировались количественный и качественный состав рыб, которые попали в сети в подводящем канале. Для вычисления коэффициента выживаемости выполнили специальные исследования. Контрольную группу рыб отлавливали перед РЗУ, а опытную — в подводящем канале после контакта с элементами РЗУ. В обеих группах подсчитывали число погибших и живых особей. Выживших наблюдали в течение суток [6]. Затем число погибших и выживших снова подсчитывали и таким образом получали коэффициент выживаемости.

Коэффициент эффективности РЗУ выражается в процентах. Это отношение количества рыб, задержанных РЗУ, к числу рыб, попадающих в водозаборное сооружение при отсутствии РЗУ. Учет вели круглосуточно в течение года.

На БНС № 3, оснащенной РЗУ, организовали наблюдательный пункт для отбора ихтиологических проб по стандартным методикам [7]. Вид рыб определяли по таксономическим ревизиям и сводкам [8].

Отмечена сезонная динамика попадания рыб в водозаборные сооружения БНС № 3 Заинской ГРЭС. До и после РЗУ самое большое количество рыбы попадается летом, наименьшее — осенью, зимой и ранней весной (таблица  1). Это объясняется тем, что холодная вода снижает активность рыб.

По данным круглосуточных наблюдений на БНС № 3, наибольшее число рыб попадает в сети и оборудование в сумерки и ночью (в 21:00, 1:00, 5:00 и 9:00). В это время рыбы хуже видят преграды, и их захватывает течение у РЗУ. В первую очередь это касается молоди. Ей сложнее сопротивляться потоку.

Двигательная активность карповых рыб уменьшается с 20:00 до 6:00. Это выявил спектральный анализ, который занял 34 часа.

Одновременно с ихтиологическими исследованиями организовали подводное видеонаблюдение. Перед РЗУ и после РЗУ устанавливали камеру «Практик Мурена» [9]. Она вела фото- и видеосъемку. Это оборудование выводит информацию на надводный монитор и сохраняет данные. Разрешение 1280´720 пикселей обеспечивает четкое изображение даже в условиях слабого освещения. Кроме того, можно включить светодиодную или инфракрасную подсветку. Они дистанционно регулируются, и это важно при работе в мутной воде или в плохую погоду. Специальные датчики измеряют глубину и температуру воды. Опциональная функция компаса отображает направление камеры, то есть показывает, в какую сторону она повернута.

Благодаря мощному встроенному литийионному аккумулятору (10 000 мА·ч) камера может работать 6 часов даже в холодную погоду, при этом индикатор аккумулятора отображает время его работы.

На рис. 2 представлен надводный блок. Это портативный пятидюймовый цветной TFT-монитор (от англ. thin-film transistor — тонкопленочные транзисторы).

Высокое разрешение 720 HD (1280´720 пикселей) дает ясную и четкую картинку даже на глубине 10–15 м в условиях средней прозрачности воды. Специальный козырек защищает экран от солнечного света. Можно установить карту памяти microSD объемом до 128 Гб. Широкий угол обзора — 130 градусов. Мощная подсветка — 2 LED белых и 4 инфракрасных светодиода позволяют изучать подводный мир днем и ночью даже в условиях слабой прозрачности воды. Класс защиты видеокамеры (объектива): IP 68. Влагозащищенный и износостойкий видеокабель длиной 15 м выдерживает нагрузку до 15 кг. Температурный режим эксплуатации от –20 °C до +60 °С.

Комплекс объединяет элементы с тремя основными функциями: видеокамеру, источник питания и накопитель информации. Потребовалось лишь два дополнения. Во-первых, для переноски, хранения и защиты от осадков купили алюминиевый бокс (рис. 3). Его утеплили, чтобы аккумулятор дольше работал в холодное время года. Во-вторых, дополнительно установили внешний жесткий диск объемом 2 терабайта, чтобы сохранять весь отснятый материал.

Для установки и фиксации камеры под водой разработали специальный кондуктор (рис. 4).

Кондуктор изготовлен из стального круглого прутка диаметром 14 мм длиной 7300 мм. В верхней части — поперечная перекладина диаметром 14 мм длиной 600 мм, приваренная к основной части. Перекладина выполняет роль рукояти при погружении нижнего конца кондуктора в донный грунт и при повороте для ориентации видеокамеры в нужном направлении. На расстоянии 600 мм от нижнего конца кондуктора сварным соединением закреплен круглый металлический лист толщиной 4 мм. Он ограничивает проникновение кондуктора в грунт и фиксирует его в вертикальном положении. Для крепления подводной камеры через каждые 90° по окружности металлического листа приварены металлические кольца. Расстояние между ними — 1 000 мм. Общая масса конструкции кондуктора не превышает 19 кг, поэтому с ней может работать даже один исследователь.

Результаты исследования. Съемка перед и после РЗУ на БНС № 3 Заинской ГРЭС выявила стабильность видового состава рыб. Он не зависит от сезона и в целом соответствует данным ихтиологических исследований. В ходе работ удалось зафиксировать 1654 особей. У 256 экземпляров (15,48 % от общего числа) не удалось установить вид [10]. Поэтому для объективности на рис. 5 представлен количественный состав, а в таблицу 2 внесли все полученные данные [11].

Общее количество рыб, зафиксированных в районе РЗУ двумя методами, представлено в таблице 3. Согласно этим данным, рыба особенно активна осенью. Сравнительно высокая активность отмечается летом, низкая — зимой и весной.

В сравнении с ихтиологическим наблюдением подводное зафиксировало в 2,25 раза больше особей. Чем больше размер выборки, тем выше вероятность обнаружить статистически значимый эффект. К тому же больший объем данных увеличивает точность оценки параметров генеральной совокупности и уменьшает случайную ошибку. Это преимущество альтернативного метода исследования.

Согласно итогам круглосуточных наблюдений, вне зависимости от сезона подводные камеры чаще фиксируют рыб в светлое время суток (таблица  4).

Подводное видеонаблюдение выявило наименьшее количество рыбы в сумерки и ночью, с 22:00 до 4:00. Это объясняется биоритмикой большинства рыб. Их двигательная активность снижается с 20:00 до 6:00 [11]. С 0:00 до 4:00 камера подводного видеонаблюдения зафиксировала лишь 23 экземпляра из 1654, или 1,39 %. Этот показатель остается низким (от 0,98 % до 1,65 %) независимо от сезона.

С 20:00 до 0:00 видеоисследование обнаружило 138 экземпляров из 1654, или 8,34 %. Особенно низкие показатели фиксировались летом (6,59 %) и осенью (8,09 %).

С 12:00 до 16:00 удалось заснять 194 экземпляра из 1654, или 11,37 %. Минимумы отмечены весной (9,80 %) и осенью (9,56 %).

Для ихтиологических исследований коэффициент эффективности (Кэф) РЗУ рассчитали по формуле:

где С — концентрация рыб после РЗУ; С₀ — концентрация рыб перед РЗУ; В — коэффициент выживаемости рыб после контакта с элементами конструкции РЗУ.

K_эф (в %) РЗУ по результатам ихтиологических исследований в 2023 году:

• зима — 97,2;
• весна — 83,7;
• лето — 83,4;
• осень — 83,3.

В 2023 году средний коэффициент рыбозащитной эффективности РЗУ на БНС № 3 составил 86,9 % (по нормам — не менее 70 %).

Одновременно с ихтиологическими исследованиями на БНС № 3 шли опыты по фиксации рыб с помощью подводной камеры. Их также отслеживали до и после РЗУ. Кэф РЗУ по результатам видеонаблюдения в 2023 году:

• зима — 89,6 %;
• весна — 91,5 %;
• лето — 84,7 %;
• осень — 83,4 %.

Средний Кэф РЗУ в этом случае — 87,3 %.

В таблице 5 сопоставляются показатели рыбозащитной эффективности РЗУ, полученные разными методами.

Как видим, пиковая разница в эффективности — менее 10 %, минимальная — 0,1 %, средняя — 0,46 %.

Обсуждение и заключение. Подводное видеонаблюдение на РЗУ типа ВВЗ в условиях БНС № 3 Заинской ГРЭС подтвердило данные традиционных ихтиологических исследований. По результатам эти два метода расходятся незначительно. Средняя разница менее 1 % (точнее, 0,46 %) говорит о корректности результата. Это подтверждает гипотезу об информативности и перспективности метода подводного видеонаблюдения.

Уточним, что экспериментальный метод все еще не признан законодательно. В связи с этим его нельзя использовать как самостоятельный и достаточный подход. Однако он будет полезен, во-первых, чтобы выяснить, нужны ли ихтиологические изыскания. Во-вторых, между традиционными исследованиями можно задействовать подводное видеонаблюдение для получения дополнительной информации об эффективности РЗУ.

Таким образом, предложенный метод дает эксплуатанту водозабора возможность оперативно отслеживать эффективность работы РЗУ. Такой мониторинг можно проводить значительно чаще, чем профессиональный ихтиологический (гидроакустический).

Подводное видеонаблюдение хорошо подходит также для дистанционного определения таких параметров рыб, как длина. При этом особи не извлекаются из воды и не травмируются [12].

Еще одно преимущество нового метода перед традиционным — бо́льшая выборка. В рамках представленной научной работы отмечено различие в 2,25 раза в пользу подводного видеонаблюдения. Увеличение выборки позволяет повысить точность оценки и сократить вероятность ошибок при расчетах.