網口結構變化對南極磷蝦桁桿拖網水動力性能的影響

程 軍，宋偉華，李靈智，楊嘉樑，饒 欣，李 帥，黃洪亮

(1 浙江海洋大學水產學院，浙江 舟山 316022；2 浙江海洋大學國家海洋設施養殖工程技術研究中心，浙江 舟山 316022；3 中國水產科學研究院東海水產研究所，農業農村部遠洋與極地漁業創新重點實驗室，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和探索[2-6]。中國自2010年發展南極磷蝦漁業以來，國內已形成完整產業，但產量和捕撈效率依然遠不及磷蝦漁業最發達的國家。捕撈方式落后是主要原因之一，目前，磷蝦漁業的作業方式主要有單船網板拖網和桁桿連續泵吸拖網兩種方式[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板拖網方式作業[9-13]，與挪威為代表的連續泵吸拖網捕撈相比，捕撈效率低且蝦體易破損，產品品質難以保證[14-15]。隨著中國南極磷蝦漁業的持續發展，使用以桁桿泵吸拖網為主的高效捕撈方式是中國南極磷蝦漁業發展的必然趨勢。桁桿拖網作為桁桿泵吸拖網整個捕撈作業系統中重要一環，其性能的優劣是決定捕撈效率與產品品質的關鍵因素。

目前，國內鮮有關于南極磷蝦桁桿拖網結構性能與重要部件對網具作業性能影響的公開研究成果報道。近年來，國內學者對南極磷蝦拖網的研究集中在應用于變水層網板拖網的小網目磷蝦拖網的應用與設計。孟濤[16]、徐鵬翔等[17]基于模型試驗，對小網目磷蝦拖網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具性能。馮春雷等[18]對國內外6頂南極磷蝦拖網進行了水槽模型試驗，比較不同網身結構的網具在水動力性能上的表現并設計了改進方案。陳明鑫[19]、蘇志鵬[20]基于海上生產數據分析捕撈操作對磷蝦拖網網位和網型的影響，指出調整曳綱長度是改變拖網網位最有效的方法，拖速對對網具阻力的影響相較于水平擴張比更為明顯。雖然國內學者對小網目磷蝦拖網的研究已經較為全面與深入，而桁桿拖網結構與關鍵屬具對其水動力性能的影響尚不明晰。

本研究通過對3種網口結構不同的桁桿拖網進行模型試驗分析，以探究網口結構與桁桿拖網水動力性能之間的關系，探究桁桿拖網最適的網口結構，以期為中國南極磷蝦漁具優化與設計提供參考。

1 材料與方法

1.1 實物網與模型網

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

1.2 試驗方法和環境

模型試驗在上海海洋大學國家遠洋漁業工程技術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；應用高清攝像機拍攝網具水中形態，通過圖片修正獲取網口高度數據。

模型試驗網具安裝如圖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 模型試驗網具安裝

南極磷蝦漁業作業常規拖速為：0.5～1.5 m/s，根據田內相似準則設計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“復制發行”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組試驗結果。

表2 沉力配備

1.3 數據處理

根據SC/T 4011—1995《拖網模型水池試驗方法》[24]標準進行數據處理，換算為實物網的水動阻力及網口高度。實物網與模型網的阻力關系為：

F1=F2λ2λ′

(1)

式中：F1為實物受力(N)，F2為模型網受力(N)，λ為模型的大尺度比，λ′為小尺度比。

實物網與模型網的網口高度的關系為：

H1=H2·λ

(2)

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

實物網的掃海面積計算式為：

(1)

實物網的能耗系數計算式為：

(4)

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

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

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

2 結果

2.1 不同參數與網具阻力間的關系

2.1.1 網口結構對網具阻力的影響

圖2為3頂網口結構不同的網具拖速與阻力的關系。3頂實物網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號網阻力小于相同試驗條件下的其他兩頂網具；2號網與3號網阻力值接近，均大于1號網。從回歸曲線關系式來看，阻力與拖速呈冪函數關系，指數介于0.778 4～0.859 3，相同配重條件下，1號網阻力增長速率小于其他2頂網。

圖2 3種不同網口結構的網具阻力與拖速關系

2.1.2 沉力和拖速對網具阻力的影響

圖3為沉力與拖速對網具阻力的影響。雙因子方差分析結果顯示，拖速與沉力均對桁桿拖網的阻力有極顯著影響(P<0.01)。 沉力、拖速與網具阻力呈正相關，且關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號網和3號網的試驗結果。

圖3 不同配重下網具阻力與拖速的關系

2.2 不同參數與網口高度間的關系

2.2.1 網口結構對網口高度的影響

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

圖4 3種不同網口結構的網具網口高度與拖速的關系

2.2.2 沉力與拖速對網口高度的影響

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

圖6為不同配重下，網口高度變化率與拖速的關系。由圖6可知，拖速在0.83～1.67 m/s區間，沉力配備越大，拖網網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具網口高度的變化。整體來看，除1號網在0.83 m/s拖速下的試驗結果外，沉力從248 g增大到318 g時的網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網口高度均有極顯著影響(P<0.01)。

圖5 不同配重下網口高度與拖速關系

圖6 拖速區間與網口高度變化率的關系

2.3 網口結構與網具掃海面積的關系

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

圖7 掃海面積與拖速的關系

2.4 不同參數與能耗系數間關系

2.4.1 網口結構對能耗系數的影響

3頂網具在不同拖速下的能耗系數見圖8，能耗系數隨著拖速增加呈指數增長。拖速在0.83 m/s時，3頂網的能耗系數差別不大。隨著拖速的提高，1號網的能耗系數明顯低于其他兩頂拖網。2號網與3號網的能耗系數接近，且2號的網能耗系數略高于3號網。

圖8 不同網口結構的網具能耗系數與拖速關系

2.4.2 拖速與沉力對能耗系數的影響

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

圖9 不同沉力條件下網具能耗系數與拖速關系

3 討論

3.1 網口結構變化對網具性能的影響

試驗結果表明，網口結構的變化對網具性能的影響較為復雜，網具阻力、擴張性以及能耗系數都有不同程度的變化。縮短下綱長度后網具阻力增大，同時網口高度增大，說明縮短下綱長度有利于網口的垂直擴張。2號網與3號網的網口高度下降速率小于1號網，說明2號和3號網的網口結構在流速變化時，網口高度變化較小，說明縮短下綱長度后網口結構的穩定性有所提高，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。

由于網口結構的變化會導致水平擴張減小，網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號網網口面積在拖速增大的過程中下降較快，2號網與3號網網口面積變化斜率較1號網略小。隨著拖速增大，3頂網具掃海面積逐漸接近，說明相比1號網2號網與3號網網口擴張隨流速變化較小，2號與3號網的網口結構更穩定。通常，網口垂直擴張性能提高，同時阻力增大，對于主尺度接近且網衣材料相同的網具，阻力越大意味著網口擴張越充分。但結合掃海面積和阻力情況來看，本次試驗結果中阻力增長并不是由于網口擴張面積增大所致。如2號網，其在拖速區間0.83～1.95 m/s時的掃海面積小于1號網，而阻力大于1號網，說明網口結構的變化不光影響網具的擴張性能，還可能會導致網具在流場中與水流方向的平均沖角發生變化，從而導致網具整體受流面積增大。在3頂試驗網具中，3號網下綱長度最短、網口腹部網目數最少，所以其水平擴張相對較小，因此雖然網口高度明顯高于1號網，但掃海面積卻與1號網接近。相比1號網，3號網在流場中的網口形狀更偏“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。南極磷蝦漁場海況惡劣，網具的穩定性尤為重要，試驗結果中發現，相比1號網，2號和3號網的網口結構穩定性均提高了。可見，在復雜潮流環境中拖網，采用縮短下綱長度的網口結構，能對提高網口擴張的穩定性起到一定作用。

3.2 沉力與拖速對網具性能的影響

圖3和圖5中柱狀圖表明隨著沉力增大，阻力和網口高度變化逐漸變小，此后若繼續增大沉力，阻力與網口高度可能不會有顯著增長。已定型的網具在實際作業過程中，調節沉力與拖速是提高網口高度常用的做法，適當增加沉力可以提升拖網的網口高度，有利于作業性能提高，而過大的沉力不但對網具的擴張性能提升有限，反而會影響網位控制，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掃海面積的有效方法。對于本研究所測桁桿拖網，拖速在1.11 m/s以內時，拖網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時，上綱與下綱的水平擴張采用網具的上下綱長度，而網具下綱在試驗中可能未完全擴張，因此計算結果可能存在一定的誤差。桁桿拖網的阻力和網口高度與流速的關系和有翼拖網類似，不同的是有翼拖網阻力與拖速關系呈指數增長[26-29]，而試驗結果顯示桁桿拖網阻力與拖速呈冪函數關系。

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

4 結論

縮短南極磷蝦桁桿拖網下綱長度有利于南極磷蝦桁桿拖網垂直擴張性能提高、提高網具穩定性，有利于增加拖網有效掃海面積，提高漁具綜合捕撈效率。桁桿拖網結構的變化除了會提升網口擴張性能外，還會導致網具平均沖角增大，導致阻力增大，在設計與優化網具過程中，若綜合考慮結構變化對網具的影響，通過調整網身、網囊沉浮力等方式，減小網具結構變化帶來的負面影響，網具性能或能進一步提升。增加沉力的作用主要是提高網口垂直擴張，對網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，同時能耗系數快速增長，合理控制拖速既能提高捕撈效率又能降低網具能耗。

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