郝玉鑫，萬 榮, ，周 成, ，葉旭昌, ，管青龍，張孝先

1. 上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306

2. 國家遠洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心/大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)省部共建教育部重點實驗室，上海 201306

3. 中國海洋大學(xué)，山東 青島 266100

4. 山東好運通網(wǎng)具科技股份有限公司，山東 榮成 264200

阿根廷滑柔魚 (Illex argentines) 屬槍形目、柔魚科、滑柔魚屬，為大洋性淺海種，生命周期短，基本為單一世代[1]。種群廣泛分布在西南大西洋22°S—54°S，棲息于水深 70～280 m、溫度為 4～15 ℃的大陸架及大陸坡海域。高產(chǎn)區(qū)位于42°S—49°S的西南大西洋公海漁場[2]，最高年產(chǎn)量可超過106t，但產(chǎn)量年際間波動較大[3]。阿根廷滑柔魚作為西南大西洋公海漁場重要的頭足類資源，提高其漁獲量對提升經(jīng)濟效益具有重要意義[4]。捕撈阿根廷滑柔魚主要有魷釣和底拖網(wǎng)兩種方式，相較于魷釣作業(yè)，底拖網(wǎng)作業(yè)受漁場風(fēng)浪、流速流向復(fù)雜多變的環(huán)境條件影響較小，根據(jù)魚探儀圖像推測魚群中心位置，能進行瞄準(zhǔn)捕撈[2]。目前我國在西南大西洋公海漁場捕撈阿根廷滑柔魚使用的韓國小網(wǎng)目底拖網(wǎng)，存在船網(wǎng)匹配差、拖網(wǎng)阻力較大等問題，導(dǎo)致作業(yè)能耗增加、漁獲產(chǎn)量下降，因此有必要通過改進網(wǎng)具作業(yè)參數(shù)，從而改善漁具性能，以提升船網(wǎng)匹配性，提高捕撈效率[2]。

底拖網(wǎng)的漁具性能主要包括快速性、擴張性、經(jīng)濟性、水動力性能等[5]，影響底拖網(wǎng)漁具性能的因素較多，主要包括拖速、水平擴張比 (袖端間距與下綱長度的比值，L/S)、浮沉比、配綱長度[6]等作業(yè)參數(shù)，以及網(wǎng)目尺寸與結(jié)構(gòu)[7]、網(wǎng)袖結(jié)構(gòu)[8]、側(cè)網(wǎng)寬度[9]、網(wǎng)身長度[10]、網(wǎng)囊剪裁斜率[11]等網(wǎng)具結(jié)構(gòu)參數(shù)。諸多研究已經(jīng)應(yīng)用模型試驗的方法探究了拖網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和作業(yè)參數(shù)的調(diào)整，如網(wǎng)袖結(jié)構(gòu)對拖網(wǎng)性能的影響[12]、浮沉比配備對網(wǎng)口高度的影響[13]以及作業(yè)參數(shù)對拖網(wǎng)水動力性能的影響[14]等。隨著計算機技術(shù)發(fā)展，基于數(shù)值模擬的方法在解析拖網(wǎng)水動力性能[15]等方面也獲得了較為廣泛的應(yīng)用。除此之外，海上試驗是最為直接的觀測方法，諸多學(xué)者應(yīng)用海上實測方法探究了作業(yè)參數(shù)對捕撈效率的影響[16]和拖網(wǎng)作業(yè)中網(wǎng)位控制[6]等。與此同時，因可操作性、可視化強的特點，模型試驗在底拖網(wǎng)研究中也被廣泛應(yīng)用。

作為近年來新引進的阿根廷滑柔魚底拖網(wǎng)，目前尚缺乏網(wǎng)具水動力性能方面的相關(guān)研究，因此，本文以連海漁業(yè)公司使用的主尺度為200 m×113.8 m(84.6 m) 六片式小網(wǎng)目底拖網(wǎng)為母型網(wǎng)，采用模型試驗方法，通過改變拖速、浮沉比配備、L/S3個工況，探究網(wǎng)口高度、網(wǎng)具阻力、能耗系數(shù)和功率消耗的變化規(guī)律，探討提升網(wǎng)口高度和船網(wǎng)匹配性、降低網(wǎng)具阻力和能耗系數(shù)的方法，以期為高效節(jié)能型頭足類拖網(wǎng)設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 實物網(wǎng)與模型網(wǎng)

連海漁業(yè)公司在西南大西洋公海漁場捕撈阿根廷滑柔魚，作業(yè)方式為單船底拖網(wǎng)，作業(yè)船長58 m，主機功率2 350 kW，總噸位819 t，使用網(wǎng)具為韓國引進的六片式小網(wǎng)目底拖網(wǎng) (圖1)，該網(wǎng)具網(wǎng)身長度為113.8 m，網(wǎng)口周徑為200 m，網(wǎng)目形狀為菱形，網(wǎng)口網(wǎng)目尺寸 (2a) 為250 mm，網(wǎng)衣材料為聚乙烯 (PE)，網(wǎng)具主要參數(shù)為網(wǎng)具總長113.8 m，網(wǎng)口周徑200 m，網(wǎng)身長度與網(wǎng)口周徑比值0.569，上綱長度84.6 m，下綱長度100.3 m，浮力6.47 kN，沉力10.78 kN。

圖1 阿根廷滑柔魚底拖網(wǎng)網(wǎng)圖Fig. 1 Net drawing of I. argentines bottom trawl

本研究依據(jù)田內(nèi)準(zhǔn)則以及《拖網(wǎng)模型制作方法》(SC/T 4011—1997) 設(shè)計制作模型網(wǎng)，參考動水槽試驗段尺寸選取大尺度比 (λ) 為30，小尺度比(λ') 為5，模型速度比 (λν) 為，模型網(wǎng)網(wǎng)圖見圖2，模型網(wǎng)網(wǎng)身長度為3.79 m，網(wǎng)口周徑為6.67 m，網(wǎng)口網(wǎng)目尺寸 (2a) 為50 mm，模型網(wǎng)制作材料選擇與實物網(wǎng)一致的聚乙烯 (PE) 網(wǎng)線。

圖2 阿根廷滑柔魚模型網(wǎng)網(wǎng)圖Fig. 2 Net drawing of I. argentines model trawl

1.2 模型試驗設(shè)備與方法

模型試驗在上海海洋大學(xué)立式循環(huán)動水槽中進行，試驗水槽測試段主尺度為長15 m×寬3.5 m×深2.3 m，試驗水深為2.0 m。水槽設(shè)側(cè)面 (長15 m、寬2 m) 和底部 (長6 m、寬3.3 m) 玻璃觀測窗，方便觀察試驗現(xiàn)象和測試數(shù)據(jù)。水槽上設(shè)移動小車兩部，可拖曳升降裝置和控制器來實現(xiàn)試驗前布設(shè)與試驗中網(wǎng)位、水平擴張等調(diào)節(jié)。試驗中由控制系統(tǒng)調(diào)整軸流泵轉(zhuǎn)數(shù)實現(xiàn)水流速度連續(xù)調(diào)節(jié)，流速可調(diào)范圍為0～1.5 m·s-1，水速控制精度為1%；使用LC-FW-200型傳感器測量網(wǎng)具阻力，量程為0～20 N，靈敏度為 1.3517 mv·v-1。

根據(jù)SC/T 4011—1995《拖網(wǎng)模型水池試驗方法》進行模型試驗，試驗中模型網(wǎng)的任何部分與池壁的距離不小于0.15 m，與水面距離不小于0.3 m。單船底拖網(wǎng)水平擴張由網(wǎng)板實現(xiàn)，但受水槽尺寸限制，本試驗?zāi)M至空綱末端部分，原網(wǎng)上下空綱等長為45 m，對應(yīng)模型網(wǎng)上下空綱長度為1.5 m，水槽試驗布設(shè)見圖3，試驗中將測力傳感器布設(shè)于牽引桿上，通過改變兩牽引桿間距實現(xiàn)水平擴張調(diào)整。網(wǎng)口高度通過側(cè)面觀測窗觀察，利用帶有刻度的豎桿通過小型望遠鏡分別記錄浮子綱中點深度和沉子綱中點深度，兩者差值即為網(wǎng)口高度。

圖3 模型試驗水槽示意圖Fig. 3 Schematic diagram of water tank in model experiment

實際生產(chǎn)拖速范圍為3～5 kn，以0.5 kn為間隔，設(shè)置5組拖速，根據(jù)田內(nèi)準(zhǔn)則，模型試驗水流速度梯度為1.34、1.57、1.79、2.01和2.24 kn；L/S設(shè)置3個水平，分別為0.46、0.50和0.54；通過固定沉力，改變浮力方式，設(shè)置浮沉比為2個水平，分別為0.6和0.7，對應(yīng)浮力為1.51和1.76 N。

1.3 網(wǎng)具性能評價指標(biāo)

1.3.1 網(wǎng)口高度

網(wǎng)口高度是評價拖網(wǎng)擴張性能的重要指標(biāo)，適當(dāng)增大網(wǎng)口高度有利于擴大掃海面積，提高捕撈效率。實物網(wǎng)網(wǎng)口高度換算、袖端間距、掃海面積[17]計算方法如下：

式中：H為實物網(wǎng)的網(wǎng)口高度 (m)；H'為模型網(wǎng)的網(wǎng)口高度 (m)；λ為大尺度比。

式中：L為實物網(wǎng)的袖端間距 (m)；L'為模型網(wǎng)的袖端間距 (m)；λ為大尺度比。

式中：S為拖網(wǎng)網(wǎng)口的掃海面積 (m2)；f為實物網(wǎng)網(wǎng)口的形狀系數(shù) (這里取0.8)；H為實物網(wǎng)在該拖速下的網(wǎng)口高度 (m)；L為實物網(wǎng)的袖端間距 (m)。

1.3.2 網(wǎng)具阻力

網(wǎng)具阻力是評價拖網(wǎng)水動力性能的重要指標(biāo)之一。根據(jù)減少漁具模型試驗誤差的方法[18]，引入阻力修正系數(shù) (Kf)，其值等于理論計算模型的線面積與實際制作模型線面積之比。實物網(wǎng)阻力 (F) 與模型網(wǎng)阻力 (F') 的力學(xué)比例關(guān)系為：

式中：F為實物網(wǎng)在某拖速下的計算阻力 (kN)；F'為模型網(wǎng)在某拖速下的測定阻力 (kN)；λ為模型大尺度比；λν為模型速度比；Kf為阻力修正系數(shù)，本試驗中為 0.9513。

1.3.3 能耗系數(shù)

能耗系數(shù) (網(wǎng)具濾過一定單位體積的水體所消耗的能量) 能較好地反映拖網(wǎng)的水動力性能，也是評價拖網(wǎng)經(jīng)濟性能的重要指標(biāo)，能耗系數(shù)越低則說明網(wǎng)具的經(jīng)濟性能越好。能耗系數(shù)[17]的計算公式為：

式中：Ce為實物網(wǎng)在某設(shè)定拖速下的能耗系數(shù)(10-4kW·h·m-3)；F為實物網(wǎng)在該拖速下的計算阻力 (kN)；H為實物網(wǎng)在該拖速下的網(wǎng)口高度 (m)；L為實物網(wǎng)的袖端間距 (m)。

1.3.4 功率消耗

功率消耗影響船網(wǎng)匹配效果的好壞，是評價船網(wǎng)匹配性的重要指標(biāo)。實物網(wǎng)功率消耗計算公式為：

式中：P為實物網(wǎng)在某設(shè)定拖速下的功率消耗(kW)；F為實物網(wǎng)在該拖速下的計算阻力(kN)；V為拖速 (m·s-1)。

2 結(jié)果

2.1 網(wǎng)口高度

網(wǎng)口高度在不同拖速下的變化見圖4，網(wǎng)口高度隨浮沉比的增大而增大，隨拖速和L/S的增大而減小。在同一L/S下，網(wǎng)口高度隨浮沉比的增大而增大，浮沉比為0.6和0.7試驗組網(wǎng)口高度差隨拖速的增大而減小。拖速小于4 kn時，浮沉比為0.7試驗組網(wǎng)口高度明顯優(yōu)于浮沉比0.6試驗組，當(dāng)拖速等于4 kn，L/S為0.46、0.50和0.54對應(yīng)的兩組浮沉比網(wǎng)口高度差分別為0.99、1.23和1.71 m；拖速增大至4.5 kn時，浮沉比0.6和0.7試驗組間網(wǎng)口高度差較小。在同一浮沉比下，L/S為0.46、0.50和0.54的3組試驗間網(wǎng)口高度差在拖速小于4 kn時較大，而拖速大于4 kn時則較小。浮沉比為0.7、拖速為3 kn時，L/S為0.46、0.50和0.54對應(yīng)原網(wǎng)具網(wǎng)口高度分別為15.51、14.61和14.1 m；而拖速為5 kn時，L/S為0.46、0.50和0.54對應(yīng)原網(wǎng)具網(wǎng)口高度分別為3.99、3.93和3.78 m。

圖4 原網(wǎng)網(wǎng)口高度和拖速的關(guān)系圖Fig. 4 Relationship between height of real net opening and towing speed

2.2 網(wǎng)具阻力

網(wǎng)具阻力在不同拖速下的變化情況見圖5，網(wǎng)具被模擬部分阻力隨著拖速、L/S和浮沉比的增大而增大。在同一L/S下，當(dāng)拖速小于4 kn時，浮沉比0.6和0.7試驗組網(wǎng)具阻力差隨拖速的增大而減小，兩試驗組阻力的最大差約13 kN；而當(dāng)拖速增大時，浮沉比0.6和0.7試驗組間阻力差變化不明顯。在浮沉比為0.6時，不同L/S試驗組間阻力差隨拖速增大呈現(xiàn)先減小后增大的波動變化趨勢，當(dāng)拖速為4.5 kn時，L/S為0.46、0.50和0.54對應(yīng)的原網(wǎng)阻力分別為110.57、114.99和118.53 kN；而浮沉比增大至0.7時，不同L/S試驗組間阻力差變化為在拖速小于4 kn時較小，在拖速大于4 kn時較大，當(dāng)拖速為4.5 kn時，L/S為0.46、0.50和0.54對應(yīng)的原網(wǎng)阻力分別為109.64、116.65和124.63 kN。

圖5 原網(wǎng)阻力和拖速的關(guān)系圖Fig. 5 Relationship between resistance of real net and towing speed

2.3 能耗系數(shù)

能耗系數(shù)在不同拖速下變化見圖6。能耗系數(shù)隨拖速的增大而增大，隨浮沉比的增大而減小。同一L/S下，拖速小于4 kn時浮沉比0.7試驗組的Ce低于0.6試驗組，當(dāng)拖速為4 kn時，L/S為0.46、0.50和0.54對應(yīng)的兩組浮沉比能耗系數(shù)差分別為0.122、0.181和 0.249 10-4kW·h·m-3；拖速大于 4 kn時浮沉比0.6和0.7試驗組對應(yīng)的Ce則較接近，而當(dāng)拖速等于5 kn時，浮沉比0.7試驗組的Ce高于浮沉比0.6試驗組，但差值較小。同一浮沉比下，能耗系數(shù)受L/S改變影響并不明顯。以原網(wǎng)浮沉比0.6為例，能耗系數(shù)隨掃海面積的增大而減小(圖7)。在相同掃海面積下，L/S越大，能耗系數(shù)則越高，且隨著掃海面積的增大，能耗系數(shù)組間差變小。

圖6 能耗系數(shù)與拖速關(guān)系圖Fig. 6 Relationship between coefficient of energy consumption and towing speed

圖7 能耗系數(shù)與掃海面積關(guān)系圖Fig. 7 Relationship between coefficient of energy consumption and sweeping area

2.4 功率消耗

底拖網(wǎng)作業(yè)的功率消耗來源于網(wǎng)具本身及其屬具部分。本試驗中模擬至網(wǎng)具空綱末端，試驗結(jié)果代表被模擬部分功率消耗。網(wǎng)具功率消耗隨著拖速、L/S和浮沉比的增大而增大 (圖8)。同一L/S下，浮沉比0.6和0.7試驗組間的功率消耗差隨拖速的增大而減小。在同一浮沉比下，L/S為0.46、0.50和0.54的3組試驗功率消耗差隨拖速和L/S的增大而增大。浮沉比為0.7、拖速為5 kn時，L/S為0.46、0.50和0.54對應(yīng)的功率消耗分別為308.07、327.73和356.06 kW。

圖8 功率與拖速關(guān)系圖Fig. 8 Relationship between power consumption and towing speed

3 討論

3.1 網(wǎng)口高度優(yōu)化

阿根廷滑柔魚具有晝夜垂直移動的特點，白天多棲息于近底層，夜晚上浮至表層附近[19]。西南大西洋公海漁場阿根廷滑柔魚魚群分布特征呈“片狀堆”[20]，以晝夜垂直移動或集群魚類為捕撈對象時，網(wǎng)口高度對于捕撈效果起決定作用，應(yīng)盡量不損失網(wǎng)具的垂直擴張[21-22]。根據(jù)以往研究，增加上綱浮力是常用的網(wǎng)口高度提升方法之一[21-22]。拖速為3 kn時，六片式底拖網(wǎng)垂直擴張系數(shù) (網(wǎng)口高度與網(wǎng)口周徑的比值，Ch) 大于9%，說明拖網(wǎng)具有較好的垂直擴張性能[23]，本試驗中除拖速為5 kn的試驗組外，其余試驗組Ch均大于9%，說明本網(wǎng)具垂直擴張性能較優(yōu)。目前國內(nèi)關(guān)于改變網(wǎng)具浮沉比從而優(yōu)化網(wǎng)口高度的研究相對較少，一般情況下，網(wǎng)口高度隨浮沉比增大而增大[24]，本研究中當(dāng)浮沉比增大至0.7時，發(fā)現(xiàn)在拖速小于4 kn時不同L/S試驗組間網(wǎng)口高度差較大，而拖速大于4 kn時高度差則較小，可能是由于在拖速小于4 kn時浮力對網(wǎng)口高度提升影響較大，而拖速大于4 kn時拖速對網(wǎng)口高度影響較大。在同一浮沉比下，拖速大于4 kn時不同L/S試驗組間網(wǎng)口高度接近，表明不同的L/S不會對網(wǎng)口高度產(chǎn)生明顯影響。此外，通過增加浮子綱長度、調(diào)小網(wǎng)板沖角的方法也可以提升網(wǎng)具的垂直擴張[25]，但其影響程度的量化分析有待進一步探究。

3.2 阻力與能耗系數(shù)

本試驗?zāi)M部分在生產(chǎn)作業(yè)中的阻力包括水阻力和摩擦阻力兩部分，本文僅探討水阻力部分。水阻力主要與迎流面積呈正相關(guān)，拖速小于4 kn時，增大浮沉比后網(wǎng)口提升明顯，網(wǎng)具迎流面積增大，網(wǎng)具阻力增量較大，拖速為3.5 kn、L/S為0.46時網(wǎng)具阻力最大增量為13.11 kN時，網(wǎng)口高度增量為4.41 m；而拖速大于4 kn時網(wǎng)口高度變化不明顯，網(wǎng)具阻力增量較小。同一浮沉比下，在拖速小于4 kn時不同L/S試驗組間網(wǎng)具阻力變化差不明顯，而拖速大于4 kn時，變化差隨拖速增大而增大，表明阻力在拖速大于4 kn時受L/S影響較大。因此，在拖速大于4 kn作業(yè)情況下，應(yīng)選擇合適的水平擴張比，在保持網(wǎng)口高度的同時減小網(wǎng)具阻力，降低能耗。此外，可以適當(dāng)增大網(wǎng)目尺寸，減少網(wǎng)具阻力以降低能耗，提升船網(wǎng)匹配性。阿根廷滑柔魚個體較小 (一般體長為15～34 cm，體質(zhì)量為400 g，最大1 000 g) 且有垂直游動、受外部刺激反應(yīng)大的特點[26]，因此綜合捕撈對象生物學(xué)特征和移動速度快的特點，建議網(wǎng)口網(wǎng)目尺寸可適當(dāng)放大，但不宜過大。

底拖網(wǎng)屬于過濾性漁具，通過濾水留下捕撈對象而消耗一定能量，因此能耗系數(shù)可以用來評價拖網(wǎng)經(jīng)濟性能[27]。通過水槽試驗發(fā)現(xiàn)能耗系數(shù)受浮沉比的影響不明顯，其主要受掃海面積影響，即網(wǎng)口垂直擴張與水平擴張的影響。本研究表明隨著掃海面積的增大能耗系數(shù)會明顯減小，因此擴大掃海面積對降低阻力、提高捕撈效率有較大幫助。由圖7中能耗系數(shù)的變化趨勢可見能耗系數(shù)在掃海面積小于200 m2時下降較快，且不同L/S試驗組間差異較大，因此可認(rèn)為在掃海面積較小時，水平擴張對能耗系數(shù)的影響更大，反之在掃海面積大于200 m2，不同L/S試驗組能耗系數(shù)變化較小，則說明網(wǎng)口高度會對能耗系數(shù)產(chǎn)生更大的影響，因此，通過調(diào)整網(wǎng)口高度對降低能耗更有意義。

3.3 船網(wǎng)匹配

漁具與漁船的匹配是漁船分配給漁具功率的匹配，崔建章[28]對中型單拖網(wǎng)漁船拖力與漁具系統(tǒng)匹配的研究表明，漁船拖速范圍內(nèi)18%～25%的額定功率可以轉(zhuǎn)換為拖力 (包括8%的儲備拖力)，即在生產(chǎn)過程中僅有10%左右的額定功率可以用于網(wǎng)具部分。對于目前連海漁業(yè)公司作業(yè)的單拖網(wǎng)漁船而言，可用于拖網(wǎng)部分的額定功率僅為235 kW，考慮船舶老化等因素則可能更小。本研究中僅能測定被模擬部位的水阻力數(shù)據(jù)，而實物網(wǎng)貼底運動時的受力情況通常更為復(fù)雜，除水阻力外還包含摩擦阻力等，為簡化計算近似考慮其僅受摩擦阻力，因此水阻力與摩擦阻力之和即為模擬部分所受總阻力。原網(wǎng)具生產(chǎn)作業(yè)海域底質(zhì)為鐵板沙底，因此，本研究中摩擦系數(shù)取0.7[29]。在拖速為4 kn時，網(wǎng)具被模擬部分受摩擦阻力產(chǎn)生的消耗功率為17.32 kW，網(wǎng)具總功率消耗則超過主機功率的10%，又由于作業(yè)區(qū)域海況復(fù)雜，所以不能在該海域進行拖速大于4 kn的底拖網(wǎng)作業(yè)。根據(jù)蘇聯(lián)學(xué)者水下攝像資料以及相關(guān)研究，底拖網(wǎng)在作業(yè)時魚類被下綱驅(qū)趕進入網(wǎng)口后，很難從下綱和網(wǎng)腹逃走[30]，因此建議將網(wǎng)腹前段網(wǎng)目放大到網(wǎng)背網(wǎng)目的1.5～2倍，形成網(wǎng)腹疏目的形式以過濾泥沙等臟物[31]，減輕拖網(wǎng)阻力，進而降低作業(yè)能耗，提升船網(wǎng)匹配性。此外，由于本研究中缺少網(wǎng)板性能探究，關(guān)于船與拖網(wǎng)系統(tǒng)的匹配性分析有待進一步研究。

致謝：山東好運通網(wǎng)具科技有限公司提供母型網(wǎng)，上海海洋大學(xué)的曹道梅老師、林軍、郭紹健，中國海洋大學(xué)的龍翔宇、宋鵬波在模型試驗中提供了幫助，謹(jǐn)此致謝！