深遠海養殖裝備系統方案研究

黃溫赟，鮑旭騰，蔡計強，江 濤

(1 中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海 200092;2 農業部遠洋漁船與裝備重點實驗室，上海 200092;3 青島海洋科學與技術國家實驗室深藍漁業工程裝備技術聯合實驗室，山東 青島 266237)

隨著經濟社會的發展，海產品的需求量逐年提升。在世界海洋漁業捕撈產量增長不大甚至萎縮的情況下，海產品的供應將主要依賴水產養殖業的發展[1]。中國水產養殖生產方式粗放，受內陸和沿海近岸水域環境惡化和水質劣化的影響，養殖產品的安全問題日益突出，養殖空間也受到擠壓。人民日益增長的美好生活需要和水產品生產供應不平衡不充分的矛盾逐漸顯露。另外一方面，我國廣袤的深遠海國土面積基本未被用于水產養殖；利用這片海域為實現新時期我國水產養殖業的可持續發展、推進漁業供給側改革、滿足人們美好生活的需要，實施深遠海養殖戰略成為我國水產養殖業的重要發展方向[2]。

深遠海養殖將海水養殖區域從現今的水深20 m以下[3]水域拓展到更深、更廣的外海區域，借助更好的水質環境、更強的水體自凈能力，養殖病害將會減少，單位水體養殖量會提升，養殖產品的質量亦可提高。隨著養殖區的外移，近岸區的養殖密度將可得以有效控制，甚至可以實施局部區域禁養等強有力的保護環境措施，有利于淺海生態環境的恢復和沿海生態旅游業的發展[4]；還可開創深海旅游。

1 深遠海養殖工程裝備發展現況

實現深遠海養殖的主要途徑是構建大型養殖網箱和浮式養殖平臺。前者是在離岸養殖網箱的基礎上，在設施與配套裝備技術的支撐下，不斷向深水、深海水域推進；后者以專業化養殖工船為代表，在發展理念與技術方案上不斷成熟，開始被列入到未來的發展計劃。

1.1 網箱養殖工程裝備

深水網箱養殖最為普遍的是HDPE框架重力式網箱，新型的HDPE C60深水網箱載魚量高達60 t，與國外同類型相比，制造成本僅為后者的1/5[5]。目前養殖網箱設施向大型化、集約化發展[6]，并不斷地向更深水域、開放性海域推進。經過技術的不斷深入，網箱抗風浪、抗流能力不斷增強，出現了蝶形網箱、球形網箱等新形式。瑞典Fannocean公司養魚平臺，網箱容積2 500、3 500、4 500、6 000 m3等4種規格，可抗大于10 m的波浪，養殖產量達到150 t；日本北海道以一個養魚平臺控制5個6 000 m3養殖網箱，經受了6級地震及隨后的海嘯襲擊，每年飼養大馬哈魚80 t，鱒魚160 t[7]。西班牙彼斯巴卡公司設計的養魚平臺，可管理7只2 000 m3的深水網箱，能經受9 m海浪，年產魚250～400 t[8]。

網箱養殖還配備了許多高效設備，包括具有自動化遠程管理的投喂系統、定量投送裝備、數字化監控系統等，飼料投送、輔助作業等的養殖工作船，在網箱起魚過程中能降低勞動強度，提高工效的吸魚泵與分級裝備[9]。此外，還有魚苗計數器、疫苗注射機、海水過濾循環裝置等先進、實用的各類設施[10]。

1.2 深遠海養殖工船

1980年代提出的養殖工船，包括浮體平臺、船載養殖車間、船艙養殖以及半潛式網箱工船等多種形式[1]。挪威國際漁業集團Sal-Mar公司投建由挪威Global Maritime公司設計、青島武船承建的全新三文魚海上漁業養殖平臺[11]。該平臺總高69 m、直徑110 m，空船重7 700 t，箱體總容量20多萬m3，在100 m至300 m水深區域進行三文魚養殖，設計養魚量150萬條，設計死亡率低于2%，設備配員9人[12]。該平臺具備深遠海魚類養殖與輸送、飼料儲藏和投放、智能化管理與運營等功能。

挪威NSK船舶設計公司的大型深海養殖工船，全長430 m、寬度54 m；單艘養殖工船可以容納1萬t三文魚成魚或超過200萬尾幼魚，還可以降到海平面10 m以下。養殖工船為鋼架結構，可以安裝6個50 m×50 m的養殖網箱，網箱深度可達60 m[13]。

養殖工船(魯嵐漁養61699)[14]，由中國海洋大學與中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所聯合設計。該船總長86 m，型寬18 m，型深5.2 m；設計養魚艙14個，配備飼料艙、加工間、魚苗孵化室、魚苗實驗室等配套齊全的艙室及設備。該船將在日照離岸100海里的黃海作業，作業時養殖工船將取水管底端深入冷水團內，抽取低溫海水循環進行冷水魚類養殖，原理見圖1[15]。

“十二五”期間，中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所開展了大型養殖工船系統研究，在10萬噸級阿芙拉型油船船體平臺上，設計養殖水體7.5萬m3，可以形成年產4 000 t以上石斑魚養殖能力及50～100艘南海漁船漁獲物初加工與物資補給能力的養殖工船[16]。

圖1 冷水團養殖工船

2 深遠海養殖工船功能設計

現階段，世界貿易低迷，全球運輸需求不振，船舶供應又過剩，全球航運業持續蕭條[17]。全球航運業風向標—波羅的海干散貨指數(BDI)長期萎靡不振，航運業低迷，船價也大幅縮水。將空置的大型貨船改造成深遠海養殖工船，不僅解決了資產閑置的難題，而且可以產生一定的經濟利益，還是國家供給側改革的需要。

將一條30萬t級的礦砂船，縮小舷側壓載艙，將貨艙改建成養魚艙，改建成一艘養殖工船。并增加繁育車間、加工車間、冷藏冷凍艙、飼料儲藏艙，加大淡水艙、燃料艙，增設深層測溫取水裝置、自動化投飼裝置、排污換水裝置、機械化起魚裝置等，方案見圖2[18]。

圖2 30萬t大型養殖工船改造方案

針對養殖工船的布置及配備，其有如下特點：

(1)適宜的養殖環境。優良的水質是開展健康養殖、提高產品品質的必要條件；環境水溫的變化范圍與養殖品種最佳生長溫度的對應程度越高，生長周期越短，養殖系統的產能就越高。在深海海域，盡管氣候條件隨季節變化，但通過深層取水，在特定水域和特定水深下，可以獲得水溫、鹽度合適的水源。

(2)優質健康魚類產品。相比近海沿海海域，深遠海的水質環境更好，水體面積更廣，水體自凈能力強；外加適宜養殖魚類生長的水溫和鹽度以及足夠的換水次數，細菌及微生物得到了抑制，從根本上解決了病害問題，避免了養殖過程中的藥物和抗生素的使用，魚產品可達到準野生的優質水平。

(3)高效的養殖生產模式。大型深遠海養殖工船集成了繁育、養殖、加工、冷凍冷藏等魚貨物供給的一條龍功能，提供了階段性分艙養殖、自動化投喂、自動換水排污、機械化起捕、魚貨物加工等一系列先進的養殖生產加工方式，最大程度減少海上作業人員數量，減輕養殖工人勞動負荷。

(4)利于近岸生態保護。養殖工船的實施及養殖區域的外移，勢必減少近岸區的養殖密度，保護近海水域生態環境；還可調整現階段以遠洋捕撈和近海養殖為主的海鮮產品供應方式，促進漁民轉產轉業，引領全球漁業養殖產業發展。

(5)自主游弋。由礦砂船改裝而成的養殖工船，保留了原有的動力系統，可以根據需求追逐適溫海流、駛入特定漁場、躲避臺風侵襲等；其與捕撈漁船相結合，可以構建馳騁遠海大洋、持續開展漁業生產的航母船隊；建立漁業維權海上移動工作站，對深遠海作業漁船和漁業執法船進行物流補給，且可機動布局于邊遠海疆，維護國家海洋權益[19]。

(6)系統齊備。為了養殖利潤的最大化，養殖工船上配備了：深層測溫取水系統、階段性分艙養殖系統、自動化投喂系統、自動換水排污系統、機械化起捕系統，鮮活飼料加工系統等。還可增配海洋環境檢測、資源調查等的實驗室。

(7)可期的經濟性。雖然養殖工船系統復雜，改建費、運行維護費高，但通過深層測溫取水，常年獲取適宜溫度鹽度的深層海水，養殖魚類一直處于快速生長階段，配合科學養殖方案和投飼方案，養殖產量和效益可顯著提升；同時綠色海鮮產品價格逐年上漲，國人消費量節節高攀，經濟性可期。

3 結構改建

礦砂船中間是單個礦砂艙，兩側設置有巨大的壓載艙(圖3)。

圖3 礦砂船橫剖面圖

肋骨骨材均位于壓載艙內，結構部件復雜，突出部分易造成魚類受傷，不適合養殖，且不利于飼料均勻投飼、魚貨物起捕作業等；要使得船舶達到設計吃水，僅靠中間大艙內的養殖水體不足以達到，兩側壓載艙還需保持一定水量，造成水體及能源的浪費；中間大艙自由液面大，對船舶穩性有著不利影響。該結構養殖水體少，養殖量小，無法發揮其大噸位的優勢。

因此，為了最大化養殖水體和船舶安全，需對貨艙分艙布局進行改動：將貨艙壁外移；船中增設槽型艙壁；加寬底部空艙至新縱艙壁；為利用水面至主甲板的空間，在養殖艙兩舷增設艙室等，詳見圖7。

根據自由液面對船舶穩性的影響公式[20]：

(1)

式中：GM—船舶重心與穩心之間的垂直距離；ix—自由液面的面積傾斜的橫向慣性矩；w1—自由液面物質的重量；Δ—船舶總排水量。

4 系統方案構建

本船主要在中國外海海域(黃海、東海和南海)進行養殖、繁育及魚貨物加工作業，并兼做漁船油料淡水食品補給站、漁業維權海上移動工作站、資源調查觀測站、教學實驗活動基地以及休閑旅游場所。養殖是本船主要功能及經濟收入來源。

流程2：在使用映射服務器的基礎上，入口隧道路由器ITR能夠迅速查找出EID2所對應的位置標識RLOC2，之后在RLOC1為源地址和RLOC2為目的地址的數據包內將步驟1的數據包進行封裝，最后再將封裝后的數據包發送至IP承載網；

4.1 魚群調撥系統

合理的養殖密度可以保證在養殖期間內，飼養出達到預期的魚種規格[21]。養殖工船中由于每個養殖艙艙容是一定的，而魚群每天都在成長，養殖密度就不斷增長。為了保持本艙內的最佳養殖密度，每隔一定時期需將魚群的部分轉移至另外的艙內，保持魚類最佳生長速度，也最大化地利用養殖水體[22]。本船擬采用這種階段性分艙養殖方案。

將養殖工船14個養殖艙平分為左右2組，根據月初投放的目標魚規格、養殖魚種在最佳養殖密度下每月的成長量，對每個艙推算月末艙內養殖魚類總量；月末重新調度每艙內魚群數量，以保證下個月最佳養殖密度和魚類最佳生長速度。通過一定的規劃，確保每個月每個養殖艙內都有足夠的養殖魚群，養殖水體得到充分利用。

根據養殖工船養殖艙布置特性，月末的魚群重新分配調撥有3種方式：左側養殖艙之間調撥，右側養殖艙之間調撥，第7養殖艙左右兩艙之間調撥。在船兩舷側的壓載艙/空艙中設置魚群輸送管，并設置閥門，通過閥門開閉、養殖水艙之間的液位調節及艙底網架升降，借助安裝在輸送管上的精密魚群檢測儀器，實現同側養殖艙之間的魚群精準調撥；第7養殖艙左右兩艙之間的槽型壁上增開流通口，并設閘，開閘即可實現魚群的調撥。

4.2 深層測溫取水系統

深層測溫取水是本船最重要的系統之一。通過該系統，養殖艙可以源源不斷地獲得所需溫度的深層海水；利用這些富含礦物質、適宜水溫及鹽度的海水，養殖魚類可以長時間處于快速生長過程中。

本系統包括深層取水裝置[24](以下簡稱取水管)、帶補償裝置的液壓吊機、循環水泵、溫控閥、聲吶探測裝置等(圖4)。

圖4 深層測溫取水系統方案圖

取水管長度約120 m，養殖工況時用吊機將取水管緩慢放入海水中，由取水管底端的溫度傳感器測得符合養殖水產品的溫度時發出信號，將取水管固定在該水深處，啟動循環水泵對養殖水艙供水；循環水泵亦可以根據養殖艙內的液位傳感器自動啟停。取水管放下之前需先打開聲吶探測系統，對水下障礙物持續進行探測，保證取水管及船舶的安全。當船舶由于波浪的作用顛簸或者取水管在洋流的作用下產生搖擺時，吊機上的補償裝置可以隨著船顛簸和取水管的搖擺進行補償，從而消除對船舶穩性產生的威脅。

4.3 投飼系統

養殖魚類的投飼分為顆粒飼料投飼(圖5)和鮮活魚飼料投飼(圖6)[25-26]，其中顆粒飼料投飼設計了4種不同規格的飼料。顆粒飼料倉一分為四，儲存4種不同規格的飼料。

圖5 顆粒飼料投飼方案圖圖

圖6 鮮活魚飼料投飼方案圖

在料倉底部設置配料秤系統，通過配料輸送機將每次需要投飼的飼料量經配料秤秤重后，提升至兩邊的刮板輸送機，分別向艏艉方向送料。

通過控制刮板輸送機下方的氣動閘門及三通，確定投飼的養魚艙。根據養殖魚類的數量，可計算出料倉所需容積。在主甲板加工車間下方設有冰凍雜魚板冷庫。投飼時，通過小吊機，將儲藏室內的冰凍雜魚塊起吊至甲板。操作人員將魚板放置皮帶輸送機上，提升至魚板破碎機。破碎后進入刮板輸送機，分別向艏艉方向送料。通過控制刮板輸送機下方的氣動閘門及三通，確定投飼的養魚艙。投飼量以冰凍雜魚板的數量計。

4.4 換水排污系統

本船采用循環換水系統(圖7左側)，通過深層測溫取水系統將深層水泵至養殖水艙中，養殖水艙內的水位高于外部水位，自動換水。通過傳感器檢測艙內水溫，自動開啟閥門進行溢流排水，而艙內水位排至一定時觸發循環水泵泵入新的深層水。強制換水即排污，養殖艙底設置為斜底結構，便于艙內污物(魚類排泄物及殘余餌料等)的收集和排出。斜底結構上方安置非水密格柵，防止養殖魚群進入斜底區域攪動污物。斜底區域設置兩個推流器[27]。在排污期間造就旋流，便于污物轉移至艙底中心部位的排污口。在每天適當的時候開啟排污模式，啟動推流器，打開排污泵進行排污，艙內水位排至一定時觸發循環水泵泵入新的深層水。為了養殖水體的水質，每天需保證足夠的換水次數[28]。

圖7 養殖工船橫剖面圖

4.5 起魚系統

艙內結構的特殊性(繁育車間/顆粒飼料艙嵌在養殖艙內)，需專門裝置才可將魚從養殖艙內捕撈起來。在艙內安置一個網架，通過四周的鋼纜及滑輪與主甲板上的絞綱機相連[29]；養殖過程中，網架沉入艙底，上方水體部分進行養殖作業，污物通過網孔沉入斜底；網架上做相應的設計，可以讓死魚沉入斜底中，通過換水排污系統排出船外；起魚作業時，通過絞綱機將網架逐漸提升，同時開啟排污泵降低艙內水位，網架到一定高度、魚群集中后，通過主甲板上的吊機將吸魚泵吸口吊入艙內，將魚吸走；艙內四周設置平臺，方便在過程中人員查看。

5 亟待解決的問題

深遠海養殖是一個綜合體系。適養物種、養殖技術和養殖平臺是深遠海養殖的主體；實時水文監測、養殖人員、物資和養成品的海上運輸和陸地物流等，是深遠海養殖體系周邊配套支撐網絡。同時還必須考慮海流(暖流)、風暴潮等對養殖活動的影響以及一定的減災防災策略等。在我國深遠海養殖己有的基礎下對面臨的問題分析如下：

(1)我國深遠海養殖技術還缺乏實際經驗。雖然近海養殖技術已經成熟，但因我國海域橫跨緯度大，水溫水文特性差異大，養殖品種適應性、養殖飼料適宜性還未確認，養成品的保活保鮮及加工還未得到驗證，各個外海海域均未有成熟的養殖經驗。

(2)配套深遠海養殖的設備有待驗證。我國漁業設備一向以簡單實用為原則，自動化程度偏低，而深遠海養殖平臺需要高可靠性、機械化、自動化的裝備；近海養殖設施是否適應深遠海海域有待驗證；為深遠海養殖新設計養殖設施也有待驗證。

(3)對深遠海水文規律[30]的撐握以及宜養水域的選擇等技術應用仍需加強，包括對適溫洋流、海底冷水團的撐握以及深層海水的獲取等。

(4)深遠海養殖人員及岸基配套欠缺。不同于近海個體養殖，深遠海養殖需要更先進的管理模式、管理系統，而現今國內基本無深遠海岸基配套設施，雖然有國外經驗可參考，但舶來品是否適合國內狀況還需時間驗證。

(5)政策法規的缺失及政府的支持力度不明。養殖工船適用的建造及檢驗規范未明確；養殖工船裝備要求高，整體投入大，政府對于這新興的、民生的生產方式還未有明確的、詳細的扶持措施，著手投入的企業少。

6 展望

漁業走向深藍海域已是大勢所趨。深遠海養殖裝備是開拓水產養殖新空間、構建戰略新興產業的前提和保障。“深藍漁業”隨之而出。深藍漁業不僅可為廣大民眾提供健康綠色的水產品，轉變漁業生產方式、減輕漁民勞動負荷、提高漁民收入水平，加快近海沿岸水環境修復等；還可開展深遠海科學觀測、島礁及海域國土綜合管理，形成漁業航母船隊，屯漁戍邊，守衛海疆。深藍漁業是我國海洋強國戰略發展的需要，是漁業供給側改革的需要，更是企業轉型、提升競爭力的需要。

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