過濾性網(wǎng)漁具網(wǎng)囊網(wǎng)目擴張性能研究

臧迎亮，虞聰達

（浙江海洋學(xué)院水產(chǎn)學(xué)院，浙江舟山 316004）

開發(fā)利用海洋資源，發(fā)展海洋經(jīng)濟已成為當(dāng)今世界沿海各國的重要發(fā)展戰(zhàn)略。在人類開發(fā)海洋的深度和廣度不斷拓展的同時，由于過度捕撈、富營養(yǎng)化、外來種入侵等人類活動帶來的問題，致使?jié)O業(yè)資源逐漸衰退、近海生態(tài)環(huán)境不斷惡化，產(chǎn)生了一系列的資源、環(huán)境和生態(tài)問題。由于漁具選擇性在漁業(yè)資源管理[1]、資源評估[2-3]以及漁撈副產(chǎn)品(bycatch)分離[4-5]等方面具有廣泛的應(yīng)用，其研究日益受到重視，一些國家或地區(qū)甚至以法律的形1式要求以具有較高選擇性的漁具進行漁業(yè)生產(chǎn)[6]。過濾性網(wǎng)漁具（拖網(wǎng)，張網(wǎng)等）是世界使用最廣泛的捕撈方法，但同時也是副漁獲物問題最為嚴重的漁具種類。本研究是在已有的研究基礎(chǔ)上，進行漁具水槽對比試驗，通過改變網(wǎng)目尺寸、網(wǎng)目形狀、網(wǎng)囊縮結(jié)系數(shù)以及囊網(wǎng)的裝配等方法，實現(xiàn)網(wǎng)囊網(wǎng)目的有效擴張，提高幼魚逃逸率和成活率，從而真正的實現(xiàn)選擇性捕撈，達到保護漁業(yè)資源的目的，努力促進我國健康、快速地開展生態(tài)漁業(yè)、負責(zé)任漁業(yè)。

1 模型試驗

1.1 試驗設(shè)備

試驗于2009年8月在東京海洋大學(xué)水平循環(huán)式動水槽實驗室完成，試驗水槽測定部長9.0 m，寬2.2 m，高1.95 m；標準水深：1.6 m；流速分布：0.1～2.0 m/s。根據(jù)水槽主尺度，參考拖網(wǎng)模型試驗準則，確定實驗?zāi)Ｐ途W(wǎng)的主尺度為：4.94 m×3.68 m；大尺度比λ1為9，小尺度比λ2為2.94，模型網(wǎng)網(wǎng)目為縱向菱形網(wǎng)目，由高強度聚乙烯網(wǎng)線材料編織而成（圖1）。

1.2 試驗內(nèi)容

由于網(wǎng)囊網(wǎng)目形狀、網(wǎng)囊的縮結(jié)系數(shù)囊網(wǎng)的裝配以及水流流速等因素都會影響到網(wǎng)囊網(wǎng)目的有效擴張，因此共安排了“網(wǎng)目形狀變動系列”，“網(wǎng)囊縱向縮結(jié)系數(shù)變動系列”，“裝配剛性框架系列”等3種對比試驗系列。

（1）縱向縮結(jié)系數(shù)變化系列

縮結(jié)系數(shù)分別為0.96、0.9、0.8、0.707。其中縮結(jié)系數(shù)0.96是實物網(wǎng)的縮結(jié)系數(shù)，用來與其他3種縮結(jié)系數(shù)的網(wǎng)囊做對比。

（2）網(wǎng)目形狀變化系列

該系列分為3種不同形狀網(wǎng)目的網(wǎng)囊，分別是橫向網(wǎng)目網(wǎng)囊、方形網(wǎng)目網(wǎng)囊、上方下菱型網(wǎng)囊，以上3種網(wǎng)囊的網(wǎng)片縮結(jié)系數(shù)同為0.96。

（3）裝配剛性框架系列：根據(jù)裝配框架的不同共分為三類：

①網(wǎng)囊前后兩端各裝配一個半徑為0.09 m的圓形框架。該框架的周長等同網(wǎng)囊網(wǎng)目充分擴張時的網(wǎng)囊周徑。后端框架裝配距離網(wǎng)囊底端1/3處。

②網(wǎng)囊前后兩端各裝配一個圓形框架。前框架的直徑為0.09 m，后框架的直徑為前框架的1/2。裝配位置與第一個網(wǎng)囊相同，也裝配在距離網(wǎng)囊底端1/3處。

③網(wǎng)囊前端裝配一個半徑為0.09 m的圓形框架，后端無框架。

試驗時，根據(jù)模型試驗準則以及該模型網(wǎng)的大比例尺、小比例尺，確定實際試驗流速分別為0.38 m/s、0.5m/s、0.63 m/s、0.75 m/s、0.88 m/s。

測量內(nèi)容：

①網(wǎng)具總阻力；②網(wǎng)囊總形狀：“圓柱體”的長、寬、高,選取若干部位測量網(wǎng)囊的總體形狀（圖2）；③網(wǎng)囊網(wǎng)目形狀：背、腹部及側(cè)邊各選取若干個網(wǎng)目測量網(wǎng)目的形狀：長、寬、目腳張開角度。

圖1 模型網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure chart of model net

圖2 動水槽試驗裝置圖Fig.2 The layout of equipment of dynamic water tank

2 數(shù)據(jù)處理

首先調(diào)整圖像的顏色，亮度，對比度，并確定圖像比例。其次，測量數(shù)據(jù)時，假設(shè)在拖曳過程中，網(wǎng)囊整體為圓柱體結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)囊縱向方向位置相同的一圈網(wǎng)目張開角度一樣，這樣就以側(cè)視圖（圖3-a）的網(wǎng)目形狀代表整個網(wǎng)囊的網(wǎng)目形狀。不同網(wǎng)囊的數(shù)據(jù)整理方法不同，前后都有框架的網(wǎng)囊，分中間（框架之間）、后端（后框架之后）兩部分統(tǒng)計整理。其他網(wǎng)囊按照縱向目數(shù)，平均分為3部分，分別進行測量，并分別統(tǒng)計求出各部分的網(wǎng)目張開角度。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分別對比分析，各網(wǎng)囊不同位置的網(wǎng)目張開角度與整體的網(wǎng)目平均張開角度。

圖3 圖像處理流程圖Fig.3 Flow chart of image processing

3 試驗結(jié)果

3.1 不同網(wǎng)目結(jié)構(gòu)系列

在水流的沖擊下，網(wǎng)囊網(wǎng)目形狀不同，網(wǎng)目目腳夾角不同，網(wǎng)線與水流的夾角也不相同：

（1）隨著水流流速的不斷增大，縱向網(wǎng)目逐漸閉合，網(wǎng)線與水流夾角逐漸減小，模型網(wǎng)的阻力不斷增大，且從圖4中可以看出四種不同網(wǎng)目結(jié)構(gòu)的模型網(wǎng)的阻力增大趨勢十分相似。

（2）在水流沖擊下，方形網(wǎng)目完全展開，由于有兩個目腳與水流垂直，阻力沒有明顯小于其他幾個網(wǎng)目[7-8]（圖5）。

（3）在流速為0.5 m/s時，上方下菱型網(wǎng)囊的水阻力最小（圖6），此時該網(wǎng)囊的菱形網(wǎng)目目腳夾角最大，最大限度的減小了水阻力，阻力曲線和網(wǎng)目目腳夾角變化曲線比較吻合。

（4）橫向網(wǎng)目網(wǎng)衣在水流沖擊時，在縱向上有一定的抵抗力，同樣水流流速情況下，網(wǎng)目縮小的幅度較??；從圖6中可以看出：因為網(wǎng)目形狀相同，兩種菱形網(wǎng)目網(wǎng)囊的網(wǎng)目夾角減小趨勢線基本類似。

（5）上方下菱的工況時：水流流速很?。?.38 m/s）的時候，網(wǎng)囊網(wǎng)目由于本身的結(jié)構(gòu)特點，趨向縱向閉合，隨著水流流速增大，直到0.5 m/s時，網(wǎng)背上的方形網(wǎng)目在縱向上很大程度的張開，對網(wǎng)囊網(wǎng)腹有個橫向的拉力，促使菱形網(wǎng)目張開，并達到最大值45.42°，此后由于兩個方形網(wǎng)目對應(yīng)一個菱形網(wǎng)目，隨著水流流速增大，方形網(wǎng)目在縱向上逐漸完全張開，帶動菱形網(wǎng)目趨向閉合，直至20.03°（0.88 m/s時）。

（6）結(jié)合數(shù)據(jù)，分析圖6-a、圖8得出角度、流速、阻力之間的關(guān)系表（表1）。

圖4 不同網(wǎng)目結(jié)構(gòu)系列阻力示意圖Fig.4 Hydraulic resistance diagrammatic drawing of different Mesh-structure series

圖5 方形網(wǎng)目示意圖Fig.5 Diagrammatic drawing of square-mesh

圖6 角度變化示意圖Fig.6 Diagrammatic drawing of angle change

表1 不同結(jié)構(gòu)系列中角度、流速、阻力之間的關(guān)系Tab.1 The relation between angle,velocity of flow and hydraulic resistance of different Mesh-structure series

3.2 不同部位對比分析

在整個網(wǎng)囊中，不同部位的受力情況不同，網(wǎng)目形狀也會改變，以橫向網(wǎng)目網(wǎng)囊為例，分析圖7得知：

（1）隨著水流流速的增大，不同位置的網(wǎng)目目腳夾角總體趨勢是逐漸趨向閉合的，流速不斷增大時，閉合曲線逐漸平緩。

（2）相同流速時，網(wǎng)囊后端網(wǎng)目的目腳夾角最大，且在流速從0.75 m/s增大到0.88 m/s時，有增大的趨勢。

（3）流速從0.38 m/s到0.75 m/s之間變化時，前端與中間的網(wǎng)目張開角度基本相同或略有減?。?.38 m/s時，從 71.8°減小到 69.9°，減小了 1.9°），而當(dāng)流速達到 0.88 m/s時，網(wǎng)囊網(wǎng)目的張開角度從前到后持續(xù)增大（前端 56.3°、中間 60.0°、后端 65.8°）。

圖7 不同部位網(wǎng)目角度變化示意圖Fig.7 Angle change of different position

3.3 不同縮結(jié)系數(shù)系列

3.3.1 網(wǎng)囊網(wǎng)目張開角度與縮結(jié)系數(shù)的關(guān)系

試驗中采用了4種不同的縮結(jié)系數(shù)進行對比試驗，分別是 0.707、0.8、0.9、0.96 其中，0.707 是理想狀態(tài)時的縮結(jié)系數(shù)，測試網(wǎng)目張開成正方形，0.96是實物網(wǎng)的縮結(jié)系數(shù)。

從圖8中可以得出：（1）隨著水流流速的增大，網(wǎng)囊網(wǎng)目張開角度的總體變化趨勢是逐漸減小，在相同流速情況下，縮結(jié)系數(shù)越大，網(wǎng)目張開角度越小。

圖8 縮結(jié)系數(shù)系列示意圖Fig.8 Angle change of different shrink-coefficient-series

（2）縮結(jié)系數(shù)為 0.707 時，網(wǎng)目張開角度最大，在流速為 0.50 m/s時達到最大值 76.4°，此工況下，網(wǎng)目角度縮小趨勢線也最為平滑，流速從 0.38 m/s增加到 0.88 m/s時，網(wǎng)目張開角度從 75.1°減小到 69.9°，同時觀察到，與力綱距離最近的網(wǎng)目呈方形展開，隨著該距離增多，網(wǎng)目張開角度逐漸減小。

（3）縮結(jié)系數(shù)為0.8時，網(wǎng)目張開角度隨流速增大，減小最快。隨著流速從0.38 m/s增大到0.88 m/s，網(wǎng)目張開角度從 69.7°減小到 53.8°，差值達到 15.9°（其他三種情況分別為 5.2°、9.5°、11.7°），角度減小趨勢線線性系數(shù) R2達到 0.9737（表2）。

（4）縮結(jié)系數(shù)為 0.9 時，網(wǎng)目角度從 59.3°很快減小到50.0°，此后隨著流速的增大，角度變化很小，分別為50.0°、52.3°、51.2°、49.8°，網(wǎng)目張開角度較為穩(wěn)定。

（5）縮結(jié)系數(shù)為0.96的情況下，網(wǎng)目角度隨著流速增大逐漸減小，當(dāng)流速達到一定速度時，角度變化很?。?6.2°、45.5°）。

圖9 不同縮結(jié)系數(shù)系列阻力示意圖Fig.9 Hydraulic resistance diagrammatic drawing ofdifferent shrink-coefficient-series

表2 不同縮結(jié)系數(shù)系列中角度、流速、阻力之間的關(guān)系Tab.2 The relation between angle,velocity of flow and hydraulic resistance of different shrink-coefficient-series

3.3.2 網(wǎng)囊阻力與縮結(jié)系數(shù)的關(guān)系

影響網(wǎng)片阻力的原因很多，包括網(wǎng)片與水流方向的夾角，網(wǎng)衣網(wǎng)線的d/a、和網(wǎng)目相鄰兩目腳夾角φ等，從圖9中可以看出：

（1）相同流速情況下，縮結(jié)系數(shù)為0.96時，網(wǎng)目張開角度小，網(wǎng)囊阻力基本都要大于其他三種情況。其他三種情況下，隨著流速變化，阻力相差不大。

（2）當(dāng)流速為 0.63 m/s時，四種情況的網(wǎng)目目腳的夾角分別為 72.3°、59.5°、52.3°、49.4°，最大角度差22.9°，縮結(jié)系數(shù)為0.707的網(wǎng)囊網(wǎng)目目腳與水流方向的夾角遠大于縮結(jié)系數(shù)為0.96的網(wǎng)囊，網(wǎng)囊水阻力系數(shù)最大，因此縮結(jié)系數(shù)為0.707的網(wǎng)囊阻力最大。

（3）當(dāng)流速達到 0.75 m/s時，縮結(jié)系數(shù)為0.707 的網(wǎng)囊網(wǎng)目張開角度為 72.49°，幾乎與流速為 0.63 m/s（72.3°）時相同；而縮結(jié)系數(shù)為0.96 的網(wǎng)囊網(wǎng)目張開角度則減小到 46.2°，網(wǎng)目形狀改變，致使縮結(jié)系數(shù)為0.96的網(wǎng)囊阻力大于縮結(jié)系數(shù)為0.707的網(wǎng)囊阻力。

3.4 裝配不同框架系列

（1）框架之間的網(wǎng)目形狀變化很大 (圖10)：距離框架最近的兩個網(wǎng)目成方形，隨著與框架的距離增大，網(wǎng)目張開角度逐漸減?。痪嚯x框架6個網(wǎng)目之后，網(wǎng)目形狀基本相同，沒有明顯差異。

（2）前后裝配兩個框架的A、B兩個網(wǎng)囊的總體變化趨勢非常相似 (圖11)，流速達到0.75 m/s之后，兩網(wǎng)囊網(wǎng)目角度基本一致，且遠大于C、D兩網(wǎng)囊，網(wǎng)囊阻力變化同網(wǎng)目角度變化趨勢非常一致。

圖10 框架系列示意圖Fig.10 Diagrammatic drawing of frame-series

圖11 框架系列角度示意圖Fig.11 Angle change of frame-series

（3）C網(wǎng)囊網(wǎng)目張開角度隨流速增大而逐漸減小，總體趨勢與D網(wǎng)囊最為接近，說明后框架對網(wǎng)囊網(wǎng)目張開角度有比較明顯的影響，同時C、D兩個網(wǎng)囊的阻力變化趨勢非常相似，尤其是在流速比較大的時候，說明前框架對整個網(wǎng)囊阻力有所影響，但流速達到0.63 m/s之后，其影響可忽略不計(圖12)。

圖12 框架系列阻力示意圖Fig12 Hydraulic resistance diagrammatic drawing of frame-series

（4）流速為 0.63 m/s時，網(wǎng)囊內(nèi)流態(tài)的變化致使B網(wǎng)囊的網(wǎng)目角度有增大的趨勢；流速從 0.75 m/s增大到 0.88 m/s時，4 個網(wǎng)囊網(wǎng)目角度變化很小。

（5）表3為本系列中角度、流速、阻力之間的關(guān)系統(tǒng)計表。

表3 不同框架系列中角度、流速、阻力之間的關(guān)系Tab.3 The relation between angle,velocity of flow and hydraulic resistance of different frame-series

4 討論

從目前的研究成果來看，影響網(wǎng)囊網(wǎng)目有效擴張的因素有很多，如網(wǎng)目尺寸，水流流速大小，網(wǎng)目形狀，網(wǎng)線直徑、材料以及網(wǎng)囊的裝配、縮結(jié)系數(shù)等，網(wǎng)目形狀是各種因素綜合作用的結(jié)果。網(wǎng)線是柔性體，其形狀隨著受力的改變而改變，網(wǎng)囊前后端不同位置的網(wǎng)目之所以張開角度不同，原因就在于不同位置的網(wǎng)目受力不同引起的。

由于網(wǎng)囊編制工藝問題以及力綱裝配時不可能實現(xiàn)完全平均等客觀因素對試驗數(shù)據(jù)有所影響；通過網(wǎng)囊網(wǎng)目目腳夾角進行定量分析，確定了不同改進措施下，網(wǎng)囊網(wǎng)目張開角度的變化情況和網(wǎng)囊不同位置網(wǎng)目張開角度的差異性，有助于過濾性網(wǎng)漁具網(wǎng)囊結(jié)構(gòu)的進一步改進。

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