程 軍，宋偉華，李靈智，楊嘉樑，饒 欣，李 帥，黃洪亮

(1 浙江海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，浙江 舟山 316022；2 浙江海洋大學(xué)國家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，浙江 舟山 316022；3 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遠洋與極地漁業(yè)創(chuàng)新重點實驗室，上海 200090 )

南極磷蝦(Euphausiasuperba)是生活在南大洋的一種甲殼類浮游動物[1]，其豐富的資源與價值潛力，吸引著眾多海洋強國競相開發(fā)和探索[2-6]。中國自2010年發(fā)展南極磷蝦漁業(yè)以來，國內(nèi)已形成完整產(chǎn)業(yè)，但產(chǎn)量和捕撈效率依然遠不及磷蝦漁業(yè)最發(fā)達的國家。捕撈方式落后是主要原因之一，目前，磷蝦漁業(yè)的作業(yè)方式主要有單船網(wǎng)板拖網(wǎng)和桁桿連續(xù)泵吸拖網(wǎng)兩種方式[7-8]。 截至2021漁季，中國南極磷蝦捕撈漁船皆以變水層單船網(wǎng)板拖網(wǎng)方式作業(yè)[9-13]，與挪威為代表的連續(xù)泵吸拖網(wǎng)捕撈相比，捕撈效率低且蝦體易破損，產(chǎn)品品質(zhì)難以保證[14-15]。隨著中國南極磷蝦漁業(yè)的持續(xù)發(fā)展，使用以桁桿泵吸拖網(wǎng)為主的高效捕撈方式是中國南極磷蝦漁業(yè)發(fā)展的必然趨勢。桁桿拖網(wǎng)作為桁桿泵吸拖網(wǎng)整個捕撈作業(yè)系統(tǒng)中重要一環(huán)，其性能的優(yōu)劣是決定捕撈效率與產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵因素。

目前，國內(nèi)鮮有關(guān)于南極磷蝦桁桿拖網(wǎng)結(jié)構(gòu)性能與重要部件對網(wǎng)具作業(yè)性能影響的公開研究成果報道。近年來，國內(nèi)學(xué)者對南極磷蝦拖網(wǎng)的研究集中在應(yīng)用于變水層網(wǎng)板拖網(wǎng)的小網(wǎng)目磷蝦拖網(wǎng)的應(yīng)用與設(shè)計。孟濤[16]、徐鵬翔等[17]基于模型試驗，對小網(wǎng)目磷蝦拖網(wǎng)的擴張性能進行了研究，認為增加浮沉比，縮短手綱長度、增加空綱長度可以提升網(wǎng)具性能。馮春雷等[18]對國內(nèi)外6頂南極磷蝦拖網(wǎng)進行了水槽模型試驗，比較不同網(wǎng)身結(jié)構(gòu)的網(wǎng)具在水動力性能上的表現(xiàn)并設(shè)計了改進方案。陳明鑫[19]、蘇志鵬[20]基于海上生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析捕撈操作對磷蝦拖網(wǎng)網(wǎng)位和網(wǎng)型的影響，指出調(diào)整曳綱長度是改變拖網(wǎng)網(wǎng)位最有效的方法，拖速對對網(wǎng)具阻力的影響相較于水平擴張比更為明顯。雖然國內(nèi)學(xué)者對小網(wǎng)目磷蝦拖網(wǎng)的研究已經(jīng)較為全面與深入，而桁桿拖網(wǎng)結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵屬具對其水動力性能的影響尚不明晰。

本研究通過對3種網(wǎng)口結(jié)構(gòu)不同的桁桿拖網(wǎng)進行模型試驗分析，以探究網(wǎng)口結(jié)構(gòu)與桁桿拖網(wǎng)水動力性能之間的關(guān)系，探究桁桿拖網(wǎng)最適的網(wǎng)口結(jié)構(gòu)，以期為中國南極磷蝦漁具優(yōu)化與設(shè)計提供參考。

1 材料與方法

1.1 實物網(wǎng)與模型網(wǎng)

母型網(wǎng)網(wǎng)具主尺度為20 m×124 m(上綱長×網(wǎng)具全長)，模型網(wǎng)設(shè)計采用田內(nèi)準則[21-22]，依據(jù)試驗水池規(guī)格條件，計算大尺度比λ為20(實物網(wǎng)與模型網(wǎng)主尺度的比值)；小尺度比λ′為10(實物網(wǎng)與模型網(wǎng)網(wǎng)線直徑和網(wǎng)目尺寸的比值)。根據(jù)《拖網(wǎng)模型制作方法》[23]標準中漁具模型實驗準則 I進行換算設(shè)計制作3頂模型網(wǎng)，三頂模型網(wǎng)主尺度與網(wǎng)衣材料相同，通過設(shè)計不同下綱長度來改變網(wǎng)口結(jié)構(gòu)與形狀。為探究網(wǎng)口結(jié)構(gòu)對南極磷蝦桁桿拖網(wǎng)水動力性能的影響，在確保網(wǎng)具主尺度不變的前提下，調(diào)整下綱長度，分別在不同拖速與沉力條件下進行水槽試驗。實物網(wǎng)與模型網(wǎng)規(guī)格參數(shù)見表1。

1.2 試驗方法和環(huán)境

模型試驗在上海海洋大學(xué)國家遠洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心動水池中進行，水池主尺度：9 m (長)×3.5 m (寬)×2 m (深)；測力傳感器：型號為LC-FW-100；量程為100 N；非線性誤差為0.5 % F.S.C；應(yīng)用高清攝像機拍攝網(wǎng)具水中形態(tài)，通過圖片修正獲取網(wǎng)口高度數(shù)據(jù)。

模型試驗網(wǎng)具安裝如圖1所示。左右手綱平行，前端連接測力傳感器，后端分別與桁桿兩端抓手連接。配備重錘2個，分別安裝于下綱兩端，下綱中間不配重。

圖1 模型試驗網(wǎng)具安裝

南極磷蝦漁業(yè)作業(yè)常規(guī)拖速為：0.5～1.5 m/s，根據(jù)田內(nèi)相似準則設(shè)計5個試驗流速：0.264 m/s，0.352 m/s，0.440 m/s，0.528 m/s和0.616 m/s，速度比采用3.162，計算實物拖速為0.83 m/s、1.11 m/s、1.39 m/s、1.67 m/s、1.95 m/s。

《刑法》第217條“復(fù)制發(fā)行”概念的解釋與適用............................................................................................張 鵬 04.58

沉力配備如表2中所示，3頂模型網(wǎng)分別在3種沉力配置下進行9組(平行組)試驗，共得到45組試驗結(jié)果。

表2 沉力配備

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)SC/T 4011—1995《拖網(wǎng)模型水池試驗方法》[24]標準進行數(shù)據(jù)處理，換算為實物網(wǎng)的水動阻力及網(wǎng)口高度。實物網(wǎng)與模型網(wǎng)的阻力關(guān)系為：

F1=F2λ2λ′

(1)

式中：F1為實物受力(N)，F(xiàn)2為模型網(wǎng)受力(N)，λ為模型的大尺度比，λ′為小尺度比。

實物網(wǎng)與模型網(wǎng)的網(wǎng)口高度的關(guān)系為：

H1=H2·λ

(2)

式中：H1為實物網(wǎng)的網(wǎng)口高度(m)，H2為模型網(wǎng)的網(wǎng)口高度(m)，λ為大尺度比。

實物網(wǎng)的掃海面積計算式為：

(1)

實物網(wǎng)的能耗系數(shù)計算式為：

(4)

式中：Ce為實物在設(shè)定拖速下的能耗系數(shù)，[kW·h/104m3];F1為實物網(wǎng)在該設(shè)定流速下的計算阻力(N)。

一般以拖網(wǎng)過濾104m3水體所消耗的電量，即能耗系數(shù)來表示拖網(wǎng)捕撈效率[25]。

基于換算后的阻力、拖速和網(wǎng)口高度等實物網(wǎng)數(shù)據(jù)，使用SPSS 21.0對試驗結(jié)果進行多因素方差分析，檢驗拖速和沉力兩個因子對網(wǎng)口擴張性與網(wǎng)具阻力的影響(顯著水平P=0.05)，分析中只考察主效應(yīng)。

2 結(jié)果

2.1 不同參數(shù)與網(wǎng)具阻力間的關(guān)系

2.1.1 網(wǎng)口結(jié)構(gòu)對網(wǎng)具阻力的影響

圖2為3頂網(wǎng)口結(jié)構(gòu)不同的網(wǎng)具拖速與阻力的關(guān)系。3頂實物網(wǎng)的阻力均隨拖速的增加而增加，除了在單邊沉力配重381 g，拖速為0.83 m/s條件下，1號網(wǎng)阻力小于相同試驗條件下的其他兩頂網(wǎng)具；2號網(wǎng)與3號網(wǎng)阻力值接近，均大于1號網(wǎng)。從回歸曲線關(guān)系式來看，阻力與拖速呈冪函數(shù)關(guān)系，指數(shù)介于0.778 4～0.859 3，相同配重條件下，1號網(wǎng)阻力增長速率小于其他2頂網(wǎng)。

圖2 3種不同網(wǎng)口結(jié)構(gòu)的網(wǎng)具阻力與拖速關(guān)系

2.1.2 沉力和拖速對網(wǎng)具阻力的影響

圖3為沉力與拖速對網(wǎng)具阻力的影響。雙因子方差分析結(jié)果顯示，拖速與沉力均對桁桿拖網(wǎng)的阻力有極顯著影響(P<0.01)。 沉力、拖速與網(wǎng)具阻力呈正相關(guān)，且關(guān)系曲線隨著拖速增大呈分散的趨勢，因此，隨著拖速增加，不同配重下網(wǎng)具阻力差異增大。圖中柱狀圖表示相同拖速條件下，沉力變化時阻力值的變化。由圖3可見，整體上，沉力從248 g增大到318 g時的阻力增加明顯高于沉力從318 g增大到381 g，尤其是2號網(wǎng)和3號網(wǎng)的試驗結(jié)果。

圖3 不同配重下網(wǎng)具阻力與拖速的關(guān)系

2.2 不同參數(shù)與網(wǎng)口高度間的關(guān)系

2.2.1 網(wǎng)口結(jié)構(gòu)對網(wǎng)口高度的影響

圖4為網(wǎng)口高度與拖速的關(guān)系圖。由圖4可見，在不同配重與拖速下，3號網(wǎng)網(wǎng)口高度始終高于1號網(wǎng)和2號網(wǎng)，而1號網(wǎng)和2號網(wǎng)網(wǎng)口高度接近。單邊配重248 g和318 g時，1號網(wǎng)在低拖速段時的網(wǎng)口高度大于2號網(wǎng)，而當拖速超過1.39 m/s后，2號網(wǎng)網(wǎng)口高于1號網(wǎng)；單邊配重381 g時，在0.83～1.67 m/s拖速段，1號網(wǎng)網(wǎng)口高度略高于2號網(wǎng)，當拖速達到1.95 m/s時，2號網(wǎng)網(wǎng)口高度較高。整體上來看，1號網(wǎng)與2號網(wǎng)網(wǎng)口高度較接近，3號網(wǎng)網(wǎng)口高度明顯高于其他2頂網(wǎng)具。此外，從回歸關(guān)系式可見，隨著拖速增大，2號網(wǎng)與3號網(wǎng)的網(wǎng)口高度下降速率小于1號網(wǎng)。

圖4 3種不同網(wǎng)口結(jié)構(gòu)的網(wǎng)具網(wǎng)口高度與拖速的關(guān)系

2.2.2 沉力與拖速對網(wǎng)口高度的影響

拖速與沉力對南極磷蝦桁桿拖網(wǎng)網(wǎng)口高度的影響見圖5。圖5可見，網(wǎng)口高度與拖速負相關(guān)，與沉力呈正相關(guān)，拖速較低時沉力對網(wǎng)口高度的影響較小。但隨著拖速增大，不同沉力配置下的網(wǎng)口高度下降速率明顯不同。拖速在0.83～1.11 m/s區(qū)間，網(wǎng)口高度下降速率較小，而拖速超過1.11 m/s后，網(wǎng)口高度下降速率會突然增大。

圖6為不同配重下，網(wǎng)口高度變化率與拖速的關(guān)系。由圖6可知，拖速在0.83～1.67 m/s區(qū)間，沉力配備越大，拖網(wǎng)網(wǎng)口高度下降速率越小，拖速超過1.67 m/s后情況相反。圖5中柱狀圖為兩次沉力變化時網(wǎng)具網(wǎng)口高度的變化。整體來看，除1號網(wǎng)在0.83 m/s拖速下的試驗結(jié)果外，沉力從248 g增大到318 g時的網(wǎng)口高度增大明顯高于沉力從318 g增大到381 g時。通過雙因子方差分析檢驗，拖速和沉力對桁桿拖網(wǎng)網(wǎng)口高度均有極顯著影響(P<0.01)。

圖5 不同配重下網(wǎng)口高度與拖速關(guān)系

圖6 拖速區(qū)間與網(wǎng)口高度變化率的關(guān)系

2.3 網(wǎng)口結(jié)構(gòu)與網(wǎng)具掃海面積的關(guān)系

圖7為3頂實物網(wǎng)掃海面積隨拖速變化曲線。圖中可見，2號網(wǎng)的掃海面積在3頂拖網(wǎng)中最小。相同流速下，2號網(wǎng)網(wǎng)口高度雖然與1號網(wǎng)接近，但是水平擴張小于1號網(wǎng)，因此掃海面積較小。1號網(wǎng)在低流速段的掃海面積大于3號網(wǎng)，而 3號網(wǎng)在高流速段的掃海面積大于1號網(wǎng)，且在不同沉力配置下有不同的表現(xiàn)。

圖7 掃海面積與拖速的關(guān)系

2.4 不同參數(shù)與能耗系數(shù)間關(guān)系

2.4.1 網(wǎng)口結(jié)構(gòu)對能耗系數(shù)的影響

3頂網(wǎng)具在不同拖速下的能耗系數(shù)見圖8，能耗系數(shù)隨著拖速增加呈指數(shù)增長。拖速在0.83 m/s時，3頂網(wǎng)的能耗系數(shù)差別不大。隨著拖速的提高，1號網(wǎng)的能耗系數(shù)明顯低于其他兩頂拖網(wǎng)。2號網(wǎng)與3號網(wǎng)的能耗系數(shù)接近，且2號的網(wǎng)能耗系數(shù)略高于3號網(wǎng)。

圖8 不同網(wǎng)口結(jié)構(gòu)的網(wǎng)具能耗系數(shù)與拖速關(guān)系

2.4.2 拖速與沉力對能耗系數(shù)的影響

實物網(wǎng)能耗系數(shù)與拖速和沉力的關(guān)系見圖9。雙因子方差分析結(jié)果顯示，拖速對桁桿拖網(wǎng)能耗系數(shù)影響極顯著(P<0.01)，沉力對能耗系數(shù)的影響不顯著。但拖速較大時，適當增加沉力可以略微降低網(wǎng)具能耗系數(shù)。

圖9 不同沉力條件下網(wǎng)具能耗系數(shù)與拖速關(guān)系

3 討論

3.1 網(wǎng)口結(jié)構(gòu)變化對網(wǎng)具性能的影響

試驗結(jié)果表明，網(wǎng)口結(jié)構(gòu)的變化對網(wǎng)具性能的影響較為復(fù)雜，網(wǎng)具阻力、擴張性以及能耗系數(shù)都有不同程度的變化?？s短下綱長度后網(wǎng)具阻力增大，同時網(wǎng)口高度增大，說明縮短下綱長度有利于網(wǎng)口的垂直擴張。2號網(wǎng)與3號網(wǎng)的網(wǎng)口高度下降速率小于1號網(wǎng)，說明2號和3號網(wǎng)的網(wǎng)口結(jié)構(gòu)在流速變化時，網(wǎng)口高度變化較小，說明縮短下綱長度后網(wǎng)口結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有所提高，因沉力分布在下綱兩端，原因可能與下綱縮短后沉力分布位置改變有關(guān)。

由于網(wǎng)口結(jié)構(gòu)的變化會導(dǎo)致水平擴張減小，網(wǎng)具的掃海面積因此沒有明顯提高。此外，通過圖7中曲線注意到，1號網(wǎng)網(wǎng)口面積在拖速增大的過程中下降較快，2號網(wǎng)與3號網(wǎng)網(wǎng)口面積變化斜率較1號網(wǎng)略小。隨著拖速增大，3頂網(wǎng)具掃海面積逐漸接近，說明相比1號網(wǎng)2號網(wǎng)與3號網(wǎng)網(wǎng)口擴張隨流速變化較小，2號與3號網(wǎng)的網(wǎng)口結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。通常，網(wǎng)口垂直擴張性能提高，同時阻力增大，對于主尺度接近且網(wǎng)衣材料相同的網(wǎng)具，阻力越大意味著網(wǎng)口擴張越充分。但結(jié)合掃海面積和阻力情況來看，本次試驗結(jié)果中阻力增長并不是由于網(wǎng)口擴張面積增大所致。如2號網(wǎng)，其在拖速區(qū)間0.83～1.95 m/s時的掃海面積小于1號網(wǎng)，而阻力大于1號網(wǎng)，說明網(wǎng)口結(jié)構(gòu)的變化不光影響網(wǎng)具的擴張性能，還可能會導(dǎo)致網(wǎng)具在流場中與水流方向的平均沖角發(fā)生變化，從而導(dǎo)致網(wǎng)具整體受流面積增大。在3頂試驗網(wǎng)具中，3號網(wǎng)下綱長度最短、網(wǎng)口腹部網(wǎng)目數(shù)最少，所以其水平擴張相對較小，因此雖然網(wǎng)口高度明顯高于1號網(wǎng)，但掃海面積卻與1號網(wǎng)接近。相比1號網(wǎng)，3號網(wǎng)在流場中的網(wǎng)口形狀更偏“高瘦”，南極磷蝦垂直分布的特征，這一點更有利于南極磷蝦捕撈作業(yè)。南極磷蝦漁場海況惡劣，網(wǎng)具的穩(wěn)定性尤為重要，試驗結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，相比1號網(wǎng)，2號和3號網(wǎng)的網(wǎng)口結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性均提高了?？梢?，在復(fù)雜潮流環(huán)境中拖網(wǎng)，采用縮短下綱長度的網(wǎng)口結(jié)構(gòu)，能對提高網(wǎng)口擴張的穩(wěn)定性起到一定作用。

3.2 沉力與拖速對網(wǎng)具性能的影響

圖3和圖5中柱狀圖表明隨著沉力增大，阻力和網(wǎng)口高度變化逐漸變小，此后若繼續(xù)增大沉力，阻力與網(wǎng)口高度可能不會有顯著增長。已定型的網(wǎng)具在實際作業(yè)過程中，調(diào)節(jié)沉力與拖速是提高網(wǎng)口高度常用的做法，適當增加沉力可以提升拖網(wǎng)的網(wǎng)口高度，有利于作業(yè)性能提高，而過大的沉力不但對網(wǎng)具的擴張性能提升有限，反而會影響網(wǎng)位控制，并增加操作難度；在海況條件允許的情況下，適當降低拖速也是增加拖網(wǎng)掃海面積的有效方法。對于本研究所測桁桿拖網(wǎng)，拖速在1.11 m/s以內(nèi)時，拖網(wǎng)擴張性能較好且阻力較小。此外，在計算掃海面積與能耗系數(shù)時，上綱與下綱的水平擴張采用網(wǎng)具的上下綱長度，而網(wǎng)具下綱在試驗中可能未完全擴張，因此計算結(jié)果可能存在一定的誤差。桁桿拖網(wǎng)的阻力和網(wǎng)口高度與流速的關(guān)系和有翼拖網(wǎng)類似，不同的是有翼拖網(wǎng)阻力與拖速關(guān)系呈指數(shù)增長[26-29]，而試驗結(jié)果顯示桁桿拖網(wǎng)阻力與拖速呈冪函數(shù)關(guān)系。

根據(jù)馮超等[30]對南極磷蝦桁桿拖網(wǎng)網(wǎng)型研究的結(jié)果，沉力對網(wǎng)口高度的影響較小，與本研究所得出結(jié)論不同，原因可能是其在試驗過程中沒有裝配橫桿、襯網(wǎng)等屬具，此外本研究結(jié)果中阻力值明顯高于馮超所測結(jié)果，原因應(yīng)該仍與屬具的裝配有關(guān)，裝配桁桿與襯網(wǎng)均會導(dǎo)致網(wǎng)具阻力增大。

4 結(jié)論

縮短南極磷蝦桁桿拖網(wǎng)下綱長度有利于南極磷蝦桁桿拖網(wǎng)垂直擴張性能提高、提高網(wǎng)具穩(wěn)定性，有利于增加拖網(wǎng)有效掃海面積，提高漁具綜合捕撈效率。桁桿拖網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化除了會提升網(wǎng)口擴張性能外，還會導(dǎo)致網(wǎng)具平均沖角增大，導(dǎo)致阻力增大，在設(shè)計與優(yōu)化網(wǎng)具過程中，若綜合考慮結(jié)構(gòu)變化對網(wǎng)具的影響，通過調(diào)整網(wǎng)身、網(wǎng)囊沉浮力等方式，減小網(wǎng)具結(jié)構(gòu)變化帶來的負面影響，網(wǎng)具性能或能進一步提升。增加沉力的作用主要是提高網(wǎng)口垂直擴張，對網(wǎng)具能耗沒有顯著影響；拖速在超過1.11 m/s后掃海面積會快速減小，同時能耗系數(shù)快速增長，合理控制拖速既能提高捕撈效率又能降低網(wǎng)具能耗。

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