Mathematical modeling of fish-behavior in water bodies

Γιαννούλης-Νικολάτος, Σάββας; Giannoulis-Nikolatos, Savvas

dc.contributor.author	Γιαννούλης-Νικολάτος, Σάββας	el
dc.contributor.author	Giannoulis-Nikolatos, Savvas	en
dc.date.accessioned	2017-03-06T10:49:33Z
dc.date.available	2017-03-06T10:49:33Z
dc.date.issued	2017-03-06
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/44513
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.5984
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υδατικών Πόρων”	el
dc.rights	Default License
dc.subject	Υδάτινα σώματα	el
dc.subject	Μοντέλα συμπεριφοράς ιχθύων	el
dc.subject	Μαθηματικά μοντέλα	el
dc.subject	Fish behavior modelling	en
dc.subject	Fish Passes	en
dc.subject	Ecological modelling	en
dc.subject	River continuity
dc.title	Mathematical modeling of fish-behavior in water bodies	en
dc.title	Μαθηματικά μοντέλα συμπεριφοράς ιχθύων σε υδάτινα σώματα
heal.type	masterThesis
heal.classification	Μαθηματικά μοντέλα συμπεριφοράς	el
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-10-26
heal.abstract	In the present work, a background research review on available fish behavior models in the literature was conducted to identify a mathematical model that is able to model fish behavior in Fish Passes; based on this review, it was found that ELAM is probably the most appropriate model. This model was decoded, analyzed, and evaluated regarding its suitability for Fish- Passes by performing a series of calculations and a sensitivity analysis. The evaluation of the model included a series of calculations in a simplified rectangular calculation domain of a water body. Initially, the model was applied to determine fish trajectory and verify qualitatively fish’s ability to react to a large variety of stimuli that is exposed to; it was verified that the fish can choose among 4 possible behaviors: B{1}, to swim along with the flow; this consists of a Biased Correlated Random Walk in the direction of the flow, B{2}, to swim towards regions of faster flows thus achieving reduction of force exchange, facilitating downstream migration through obstacle avoidance and limiting exposure to turbulence, B{3}, to swim against flow vector, which is an escape response, where fish abandons downstream migration to swim upstream, and B{4}, to swim vertically toward acclimatized depth; this orients swimming to acclimatized depth if not already accomplished by other behaviors. Behaviors B{2} and B{3} are associated with changes in acceleration, while behavior B{4} with changes in pressure. Then, the model was applied to investigate the effect of flow characteristics, i.e. flow velocity and acceleration, and seed. Calculations depicted that it is solely the acceleration that triggers behaviors B{2} and B{3}, while significant values of acceleration magnitude are essential to activate those behaviors; however, more important is the role of acceleration gradient in perception of changes. Flow velocity provides no stimuli to the fish, but it can influence its trajectory; high velocities mitigate trajectory fluctuations and facilitate downstream migration. Finally, the seed number may have an important effect on fish trajectory; thus, it is advisable to perform the same calculations for various seed numbers. Sensitivity analysis calculations revealed that the most important coefficients of the model are: the utility of behavior B{1}, the memory coefficient for behavior B{3} and the subjective intrinsic value of behavior B{4}	en
heal.abstract	Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας πραγματοποιήθηκε μια βιβλιογραφική διερεύνηση για τα διαθέσιμα μαθηματικά μοντέλα συμπεριφοράς ιχθύων με στόχο να αναγνωριστεί το καταλληλότερο για διόδους ιχθύων. Με βάση αυτή τη διερεύνηση διαπιστώθηκε ότι το ELAM είναι, κατά πάσα πιθανότητα, το πιο κατάλληλο. Το μοντέλο αυτό αποκωδικοποιήθηκε, αναλύθηκε και αξιολογήθηκε αναφορικά με την καταλληλόλητα του για εφαρμογή σε δίοδούς ιχθύων, με την πραγματοποίηση μιας σειράς υπολογισμών και μίας ανάλυσης ευαισθησίας. Η αξιολόγηση του μοντέλου περιελάβανε υπολογισμούς σε μια απλοποιημένη ορθογωνική γεωμετρία υπολογισμού ενός τμήματος υδάτινου σώματος. Αρχικά το μοντέλο εφαρμόστηκε για προσδιορίσει την τροχιά ενός ψαριού και για να επιβεβαιώσει ποιοτικά την ικανότητα του να αντιδρά σε μία ευρεία γκάμα ερεθισμάτων στην οποία εκτίθεται. Επιβεβαιώθηκε ότι το ψάρι μπορεί να επιλέξει μεταξύ τεσσάρων πιθανών συμπεριφορών: B{1}, κολύμβηση προς την κατεύθυνση της ροής. Αποτελείται από την κολύμβηση στην κατεύθυνση της ροής σε συνδυασμό με έναν παράγοντα τυχαιότητας (Biased Correlated Random Walk, BCRW), B{2}, κολύμβηση προς τις υψηλότερες ταχύτητες ροής, εξασφαλίζοντας μείωση των εναλλαγών στις δυνάμεις που το ασκούνται, διευκόλυνση της κατάντη μετανάστευσης μέσω της αποφυγής εμποδίων και τον περιορισμό έκθεσης σε τύρβη, B{3}, κολύμβηση αντίθετα στην κατεύθυνση της ροής, όπου συνιστά μια αντίδραση διαφυγής κατά την οποία το ψάρι εγκαταλείπει προσωρινά την κατάντη μετανάστευση και στρέφεται προς τα ανάντη, και B{4}, κολύμβηση προς το βάθος που έχει εγκλιματιστεί. Κατευθύνει το ψάρι προς το βάθος στο οποίο έχει προγενέστερα εγκλιματιστεί, εάν δεν έχει ήδη επιτευχθεί από τις άλλες συμπεριφορές. Οι συμπεριφορές B{2} και Β{3} σχετίζονται με αλλαγές στις επιταχύνσεις, ενώ η συμπεριφορά B{4} με αλλαγές στην πίεση. Το μοντέλο εφαρμόστηκε για την διερεύνηση της επίδρασης των υδραυλικών χαρακτηριστικών, όπως οι ταχύτητες ροής και οι επιταχύνσεις, και του τυχαίου αριθμού που συμμετέχει στους υπολογισμούς. Από τους υπολογισμούς διαπιστώθηκε πως μόνο οι επιταχύνσεις είναι ικανές να ενεργοποιήσουν τις συμπεριφορές B{2} και B{3}, ενώ σημαντικές τιμές επιτάχυνσης είναι απαραίτητες για να ενεργοποιήσουν αυτές τις συμπεριφορές. Όμως περισσότερο σημαντικός είναι ο ρόλος των κλίσεων επιτάχυνσης στην αντίληψη αυτών των ερεθισμάτων. Η ταχύτητα ροής δεν προκαλεί ερεθίσματα στο ψάρι, αλλά μπορεί να επηρεάσει την πορεία του. Υψηλές τιμές ταχυτήτων περιορίζουν τις διακυμάνσεις στις τροχιές των ψαριών και διευκολύνουν την κατάντη μετανάστευση. Τέλος ο τυχαίος αριθμός που συμμετέχει στους υπολογισμούς μπορεί να έχει μια σημαντική επίδραση στην τροχιά του ψαριού, κατά συνέπεια συνιστάται να πραγματοποιούνται οι ίδιοι υπολογισμοί για διάφορους τυχαίους αριθμούς. Η ανάλυση ευαισθησίας έδειξε ότι οι πιο σημαντικοί συντελεστές είναι: η χρησιμότητα της συμπεριφοράς B{1}, ο συντελεστής μνήμης για την συμπεριφορά B{3} και η εσωτερική αξία χρησιμότητας της συμπεριφοράς B{4}. (el)	el
heal.advisorName	Στάμου, Αναστάσιος	el
heal.committeeMemberName	Μακρόπουλος, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	121 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true