攔魚電柵設計中的幾個電學問題

孟繁琛

摘 要：攔魚電柵作為目前漁場中普遍使用的設備，其正常運行離不開電。本文將從魚自身的行為生活習性和攔魚電柵電場特性兩方面分析電柵在設計中需要考慮的主要問題，分析在攔魚電柵設計中的幾個電學問題對于電柵攔魚效果的影響。

關鍵詞：攔魚電柵；電場強度；攔魚效果；電位

一、電柵攔魚的原理

攔魚電柵由電極、導線和脈沖電發(fā)生器組成，通過脈沖電流在水中形成一個無形的電網，同時利用了魚類的回游、逃避及集群等生活特性，魚群靠近電極，最遠3m處便可感覺到微弱電流的存在，越靠近電極，電流感越強。由于受到強大的電流刺激，魚群不自覺地便會向著電流較弱的方向回游，從而達到攔魚的目的。

二、電柵攔魚，不是電網攔魚

電柵攔魚的本質還是通過定點的電極通電形成的無形電網來對魚群進行驅逐而形成的攔魚效果，與有“形”的網有著本質的區(qū)別。

攔魚電柵的電場有著最基本的四點要求：①電場強度要足夠魚群能夠感受到并能辨別后迅速逃離電場所在區(qū)域；②電柵電網形成的電場強度需要達到魚群的感電闕值，水流速小于魚群的克流速并大于魚的感應速度；③電柵形成的電網需要全面，不能形成平面電網，避免形成“漏網之魚”；④根據(jù)魚群的生活習性，在電場作用范圍外沿需要有較大的緩沖緩流區(qū)域來讓魚群進行徘徊休息。攔魚電柵只有同時滿足電場設計的基本要求和魚群的生活習性，才能取得較好的攔魚捕魚效果。

三、攔魚電柵相關電學參量的理論計算方法

我們重點考慮電柵設計中的相關電學問題，攔魚電場性能是決定電柵攔魚成功與否的關鍵所在。電柵攔魚對于電場的要求我們可以用電場強度矢量和電位來表示。流經電流Ii的N根電極在電場水域中任何一點P（x，y）的電位φ和電場強度[E]可分別表示為：

為了方便我們來求電柵形成電場中任意一點的φ和[E]，要先求得流經水中電極i的電流Ii，然后把各個電位φ代入公式（1）中便可以得到下面：

1.等效電路法

最早采用等效電路發(fā)來求三段分壓式電柵電量的是許國時先生，他假設：①當電柵的電極半組數(shù)n（N=4n）是奇數(shù)或偶數(shù)的時候，第（n+1）/2或是（n/2+1）個半組的電極的電位與和它相連的輸電線S1，S2，S3，S4的電位是相等的，也就是說，V0/2、V2/2、-V2/2、-V0/2的電位在流經電極時產生的電流分別是I1、I2、-I2、-I0；②不計電極自身電阻的情況下，流經電極始末端的電流大小始終相等。那么我們就可以由（3）式得到：

關于計算電場的等效電路法，是一種綜合應用電路和電磁場理論的電場分析計算方法，該方法簡單、使用、精準度高、通用性強，除電極數(shù)較多時會有誤差之外，可以用于任何形式的電柵中。

2.電磁場理論法

國內外有關電磁場理論法的研究中，陳新生和Chimielewski.A對比進行了表述。首先是利用電磁場的方法來計算電柵所形成的電流分壓，前提條件：①電極電位的大小與其相連的輸電線S1、S2、S3、S4的電位相等，并除去路損；②電場所形成的電流流經電極始末端的大小始終不變且相等，這其中不計算電極本身的電阻。

四、攔魚電柵的電場

攔魚電柵之所以能達到攔魚的效果，與魚群在電場中應激回流的習性是分不開的，魚群感受到電場的強弱，因此做出反應，其中電場刺激作用于魚的身體，所形成的電壓大小為：

其中：L為魚體長度，[E]是魚所處位置的電場強度，[θ]為魚體方向與電場強度矢量方向之間的夾角。式子（6）是只有在魚體較短或是電場強度變化緩慢微弱的情況下才成立的。我們來看（6）式，魚體長度和電場強度之間的關系，與大小和方向都有關。在E和L確定的情況下，魚體所感受到的電壓會隨著[θ]的變化而在0～EL之間隨機變化。我們要研究電柵攔魚的有效性，要將魚體方向的電場強度矢量作為主要的研究對象。下面將從兩個方面對此進行分別闡述。

1.水流方向的電場強度

頂流性較強的魚，魚體所處方向的電場強度我們可以用水流方向的電場強度來表示。用于攔魚的電柵，主要是阻攔順水魚，電場強度E可表示為：

其中[α]是水流方向和y軸方向之間的銳夾角。我們可以看出，當電柵電場的有效作用距離在上水流方向的強度Ew大于魚的感電闕值時，電場的效能最好，反之則會引起魚群逃離。

2.等電位面的電場強度

所謂的等電位面，實際上在魚群游動的時候，都會不自覺地向著等電位面游動，這也就表示，如果電柵電場的封閉性好，等電位面全部閉合，魚群就不會輕易穿過電柵，攔魚效果好。通過多次實驗發(fā)現(xiàn)，魚群一般在魚體方向電場強度小于感電闕值的方向游動，魚群在接近電柵時穿過電柵，游離于電場作用區(qū)域，電場強度雖大，卻不一定能攔住魚。在流水中，魚群表現(xiàn)出頂水性，電柵電場只要不存在平行于水流方向的等電位面，出現(xiàn)垂直等電位面，也是可以達到攔魚效果的。

綜上所述，電柵攔魚電場的封閉性是由平行或近似于平行水流方向穿過電柵電極平面的等電位面數(shù)量多少來決定的，當然這一特性的強弱并不完全代表攔魚效果的好壞。

五、結語

攔魚電柵在設計中所需要考慮的電學問題與傳統(tǒng)器具在攔魚上有本質的區(qū)別，電柵攔魚電廠特性的優(yōu)劣不能單純的從水流方向攔魚電廠的封閉性和有效性好壞來進行說明，很多溢洪道口或是涵洞口水流有可能呈發(fā)射狀，電柵攔魚還是要具體情況具體分析。

參考文獻

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