光诱鱿钓渔船集鱼灯的水中照度分布及合理配置研究

钱卫国，王伟杰，叶超，卢克祥

(1.上海海洋大学 海洋科学学院，上海 201306；2.上海海洋大学 国家远洋渔业工程技术研究中心，上海 201306；3.上海海洋大学 大洋渔业资源可持续开发省部共建教育部重点实验室，上海 201306；4.远洋渔业协同创新中心，上海 201306)



光诱鱿钓渔船集鱼灯的水中照度分布及合理配置研究

钱卫国1、2、3、4，王伟杰1、2，叶超1，卢克祥1

(1.上海海洋大学 海洋科学学院，上海 201306；2.上海海洋大学 国家远洋渔业工程技术研究中心，上海 201306；3.上海海洋大学 大洋渔业资源可持续开发省部共建教育部重点实验室，上海 201306；4.远洋渔业协同创新中心，上海 201306)

摘要:集鱼灯的合理配置是光诱渔业研究的重要内容，本研究中根据“岱远渔807”光诱渔船的集鱼灯布置参数，对该船的水中照度分布进行了理论计算。结果表明：渔船集鱼灯总功率为130 kW时，10 lx的等照度曲线水平方向最远为55 m，水深方向不超过25 m，0.1 lx的等照度曲线水平方向最远为190 m，最深可至40 m水深；当总功率减为65 kW时，等照度曲线所在水层仅减少5 m左右；以0.01 lx为诱集鱿鱼的最低照度，增加一倍的集鱼灯功率，照度在水平方向上约能增加18.6%的有效诱集距离。研究表明，从集鱼灯的配置情况来看，“岱远渔807”渔船目前的配置还是比较合适的，但如能将灯高增大0.5 m，照度则可增加4.1%的有效水体体积，茎柔鱼较为活跃的照度范围为0.2~1.0 lx。

关键词:集鱼灯；水中照度；合理配置；鱿钓渔船

目前，中国的鱿钓渔场主要为北太平洋柔鱼渔场、西南大西洋阿根廷滑柔鱼渔场和东南太平洋的茎柔鱼渔场[1]。其中，在西南大西洋阿根廷滑柔鱼渔场作业的渔船，基本全部为大型的专业鱿钓渔船，在其他两个海域的渔船则主要为中小型渔船。大型专业鱿钓船通常配备2 kW型、3 kW型、4 kW型的集鱼灯；而中小型渔船则配备1 kW型和2 kW型的集鱼灯，其中配备1 kW型的渔船数占60%~70%；此外，有部分渔船也正在尝试使用新型的LED集鱼灯[2-4]。集鱼灯是一种重要的诱鱼和集鱼装置，国内外有关学者对此也进行了大量的研究[5-12]，但从所研究的集鱼灯种类来看，主要为2 kW型金属卤化物灯[4-7]，而对1 kW型金属卤化物灯的研究则相对较少[11-12]。本研究中，根据2011—2013年度农业部公海茎柔鱼Dosidicusgigas资源探捕船“岱远渔807”的集鱼灯配置数据，结合其所用的1 kW型金属卤化物灯(下称1 kW型集鱼灯)的光强分布配光曲线，对渔船的水中照度分布及其合理配置进行了理论计算和研究。

1材料与方法

1.1材料

“岱远渔807”的集鱼灯布置参数：渔船总长为54.3 m，型宽为8.2 m，总吨(ITC)为430 t，定员为31人，钓机台数为20台；船上1 kW型集鱼灯共130盏，集鱼灯离甲板的平均高度为2.1 m，灯距离水面的平均高度为5.7 m，集鱼灯与船舷的水平距离为1.0 m，相邻两个集鱼灯的平均间距为0.6 m，两列灯之间的水平距离为6.2 m，相关数据如图1所示。

1.2方法

集鱼灯水中照度的计算方法参见文献[5]，即采用叠加法照度计算模式计算集鱼灯在水中的照度分布。根据鱿钓渔船集鱼灯布置的相关数据，使用钱卫国等[12]研发的“水上集鱼灯水下光场计算系统V1.0”[13](国家软件登记号：2010SR042147)进行理论计算。

对于1 kW型集鱼灯，其配光曲线极坐标函数计算公式[12]为

(1)

其中：I为发光强度(坎德拉，cd)；θ为方位角(弧度)。根据式(1)计算获得总功率分别为130 kW和65 kW时：① 船舷右侧中部0~200 m范围不同深度的照度(计算步长为5 m，下同)；② 船舷右侧表层0.1 m水深处0~200 m水平范围的照度；③ 船舷右侧水平距离20 m处断面不同深度的照度；④ 近表层3 m水深处0~200 m范围的照度。使用Surfer 8.0 软件绘制等值曲线图。

图1　“岱远渔807”集鱼灯布置图Fig.1　Platform of fish aggregation lamps on a squid jigging vessel, Daiyuanyu No.807

在进行合理配置时，以渔船一侧0.01 lx和10 lx等照度曲面所围水体体积大小来评价[5]。将V0.01定义为在渔船一侧自船首到船尾范围内0.01 lx 水中照度曲面到海面所围的水体体积，同理，将V10定义为在渔船一侧自船首到船尾范围内10 lx 水中照度曲面到海面所围的水体体积。具体计算中，搜索船侧不同位置0.01 lx 或10 lx对应的水层位置H，建立以0.1 m×0.1 m为底面积、以H为高度的水柱，并对所有的水柱进行累加获得。V0.01和V10同样以上述软件的相关计算功能来实现。

2水中照度分布

2.1不同总功率时的水中照度

在海水光学衰减系数为0.21时(根据中东太平洋鱿钓渔场透明度为8 m计算获得)，计算获得集鱼灯总功率分别为130 kW和65 kW时水中照度的断面分布(图2)。由图2可知，两种不同总功率时的水中照度相差不大，等照度曲线所在水层基本上相差5 m左右。离船20 m以内的照度值较高，多为100 lx以上，特别是离船10 m以内近表层的水中照度可达1000 lx以上。10 lx照度最深可至25 m水深，水平方向最远为55 m；0.1 lx照度最深可至40 m水深，水平方向最远为190 m。

图2　不同集鱼灯功率时的水中等照度曲线分布Fig.2　Equiluminous contours of underwater irradiance at different out power of a fish aggregation lamp

2.2不同总功率时的海面表层照度

图3为集鱼灯总功率分别为130 kW和65 kW时，海水表面0.01 m处的照度分布情况。由图3可知，当集鱼灯功率为130 kW时，水平距离为20 m以内的照度均大于100 lx，水平距离为50 m处的照度在20 lx左右，1 lx等照度线距离船约105 m左右，0.1 lx等照度线距离船约为195 m左右。

图3　不同集鱼灯功率时的等照度曲线分布(海水表面)Fig.3　Equiluminous contours of irradiance at different out power (sea surface) of a fish aggregation lamp

而当集鱼灯功率为65 kW时，不同水平距离处的照度值与130 kW时相比，约减少1/2左右。例如，65 kW时水平距离为105 m处的照度为0.5 lx，为130 kW时同一水平距离处照度(1 lx)的1/2；水平距离为160 m处的照度为0.1 lx，为130 kW时同一水平距离处照度(0.2 lx)的1/2。

假设0.01 lx为诱集鱿鱼的最低照度，当总功率为130 kW和65 kW时，0.01 lx照度在水平方向上的最远距离分别为700 m和590 m，有效距离相差约110 m。可见，增加一倍的集鱼灯功率，其光照的有效距离约能增加18.6%。

2.3不同总功率时水深30 m处的照度

图4为集鱼灯总功率分别为130、65 kW时，水深30 m处的照度分布情况。由图4可知，在集鱼灯功率为130 kW时，水平距离为40 m以内的照度均大于0.1 lx，水平距离为50 m处的照度在0.02 lx左右，0.001 lx等照度线距离船约为85 m。

当集鱼灯功率为65 kW时，不同水平距离处的照度值与130 kW时相比，同样也减少1/2左右。例如，65 kW时水平距离为50 m处的照度为0.01 lx，为130 kW时同一水平距离处照度(0.02 lx)的1/2；水平距离115 m处的照度为0.000 1 lx，为130 kW时同一水平距离处照度(0.000 2 lx)的1/2。

图4　不同集鱼灯功率时的等照度曲线分布(水深30 m)Fig.4　Equiluminous contours of irradiance at different out power(depth of 30 meters) of a fish aggregation lamp

由图4还可以看出，由于集鱼灯的照度在水中衰减得很快，水深30 m处的照度在数值上来看很小。当总功率为130 kW时，与船最相近的水域(离船约20 m，光线可达区域)，其照度也仅为2 lx左右；离船20~30 m处的照度为0.2~1.0 lx。另外，根据鱿钓夜间手钓作业经验，离船20~30 m处、水深30 m的水层为鱿鱼上钩较为频繁的水域，可以推测照度0.2~1.0 lx为茎柔鱼较为活跃的照度范围。

2.4不同总功率时与船水平距离20 m处不同深度的照度

图5为集鱼灯总功率分别为130、65 kW时，与船水平距离20 m处的照度分布情况。由图5可知，在集鱼灯功率为130 kW时，50 lx等照度曲线最深可达4 m；1 lx等照度曲线最深可至30 m；0.1 lx等照度曲线最深可至35 m。

当集鱼灯功率为65 kW时，不同深度处的照度值与130 kW时相比，同样也减少1/2左右。65 kW时的10 lx、5 lx等照度曲线与130 kW时的20 lx、10 lx等照度曲线，几乎完全重合。从等照度曲线所在的水层来看，随着深度的加大，两者的距离差不断缩小，并逐渐相近。例如，在32~33 m水深处，65 kW时的0.1 lx等照度曲线与130 kW时相差仅1~2 m。

图5　不同集鱼灯功率时的等照度曲线分布(水平距离20 m)Fig.5　Equiluminous contours of irradiance at different out power of a fish aggregation lamp(Horizontal distance of 20 meters from the boat)

3集鱼灯配置

当集鱼灯灯高分别为5.2、5.7、6.2 m，灯距分别为0.45、0.50、0.55、0.60、0.65、0.70 m时，渔船一侧0.01 lx 和10 lx等照度曲面所包含的水体体积V0.01和V10见表1。

由表1可知：当灯高为5.2 m时，V10为8000~9000 m3，V0.01为110 000~130 000 m3，V0.01-10为100 000~120 000 m3；当灯高为5.7 m时，V10为12 000~13 000 m3，V0.01为130 000~150 000 m3，V0.01-10为120 000~140 000 m3；当灯高为6.2 m时，V10为22 000~24 000 m3，V0.01为160 000~170 000 m3，V0.01-10为130 000~140 000 m3。可见，随着灯高的增大，各照度的水体体积均呈增加趋势。但在相同的灯高情况下，增大集鱼灯间距，并不一定就能增大各照度的水体体积。

考虑到0.01~10 lx 为鱿鱼较为适宜的照度范围，在此将V0.01-10的水体体积作为评判集鱼灯配置的一个重要指标。从表1中的数值来看，V0.01-10最大值(146 563.40 m3)所对应的灯距为0.6 m、灯高为6.2 m；其次为145 140.95 m3，对应的灯距为0.55 m、灯高为6.2 m。“岱远渔807”当前的灯高为5.7 m、灯距为0.6 m，对应的V0.01-10值为140 727.44 m3，与V0.01-10最大值相差约5800 m3。因此，增加灯高0.5 m，可以增大4.1%的有效水体体积。

表1不同灯高灯距时的水中照度V0.01、V10、V0.01-10

Tab.1Values ofV0.01，V10，andV0.01-10with different height and space between fishing lamps

灯高h/m灯距d/mV10/m3V0.01/m3V0.01-10/m35.20.458626.88116818.40108191.525.20.508382.42133661.22125278.805.20.558517.13135698.05127180.925.20.607889.29127546.99119657.705.20.658963.60127151.12118187.525.20.709023.23126244.16117220.935.70.4511960.66135465.80123505.145.70.5013311.27135436.36122125.105.70.5513140.89150844.23137703.355.70.6013448.95154176.39140727.445.70.6513210.59148064.19134853.605.70.7013171.99140216.29127044.306.20.4522962.56157482.60134520.046.20.5022311.60157530.60135219.016.20.5524803.33169944.28145140.956.20.6023936.53170499.93146563.406.20.6523748.84164201.76140452.926.20.7023165.06163183.58140018.51

4结论与分析

(1) 目前使用的1 kW型集鱼灯，从外形上看近似椭球型，从光源性质来说，是一种各向异性的光源，因此，在使用中要考虑合适配置该灯在渔船上的安装高度，以获取尽可能大的有效光诱范围。从渔业实践来看，灯离水面高不应低于5 m，也不宜太高，太高会造成风阻太大，从而影响渔船稳性，对于鱿钓渔船来说，一般可控制在5.5~6.5 m(大型专业鱿钓船除外)。从“岱远渔807”渔船集鱼灯的配置情况来看，目前的配置(灯高5.7 m、灯距0.6 m)还是比较合适的，但如能增加灯高0.5 m，则可增大4.1%的有效水体体积。

(2) 从集鱼灯功率变化来看，“岱远渔807”渔船在集鱼灯总功率分别为130、65 kW时的水中照度相差不大，等照度曲线所在水层相差约为3 m左右。可见，增加集鱼灯个数(功率)并不能有效地增加其在水中的光照强度。但在增加水平方向尤其是表层的有效光诱范围方面则起到一定的作用，如以0.01 lx作为诱集鱿鱼的最低照度，则在水平方向上，当集鱼灯总功率从65 kW增加到130 kW时，船舷一侧的有效诱集距离约能增大110 m。因此，增加一倍的集鱼灯功率，光照的有效距离约能增加18.6%。

(3) 当总功率为130 kW时，水深30 m、离船水平距离20~30 m处的照度为0.2~1.0 lx。而根据该渔船在秘鲁外海鱿钓作业中的夜间手钓作业经验，离船20~30 m处、水深30 m水层是鱿鱼上钩较为频繁的水域，故可推测照度0.2~1.0 lx为秘鲁外海茎柔鱼较为活跃的照度范围，这个照度范围介于头足类的适宜照度(0.01~10 lx)[14-17]范围内，但可看出，秘鲁外海茎柔鱼是略偏强光的。

(4) 集鱼灯的优化配置研究是光诱渔业的一个综合性研究课题，主要包括：捕捞对象的趋光特性，海水的光学特性，集鱼灯及其光源的开发和研制，背景光的影响，渔船的水中照度分布，渔船集鱼灯总功率的配置，集鱼灯的合理布置，以及鱿钓渔船之间的合理作业间距等。本研究是基于理想的海面状态下进行计算和分析的，实际海况条件十分复杂，集鱼灯光线的传输要受到波浪、海水透明度、水雾等诸多因素的影响，因此，其实际的光能量在传输过程中会大大减弱。如何更好地对理论计算数据进行修正或对计算方法进行优化，在今后的研究中需作进一步地探索。

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Underwater irradiance and optimal allocation of fish

aggregation lamps in a squid jigging ship

QIAN Wei-guo1,2,3,4， WANG Wei-jie1,2， YE Chao1， LU Ke-xiang1

(1.College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 2.National Engineering Research Center for Oceanic Fisheries, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 3.Key Laboratory of Sustainable Exploitation of Oceanic Fisheries Resources, Ministry of Education, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China；4.Collaborative Innovation Center for Distant-water Fisheries, Shanghai 201306, China)

Abstract：Since the optimal allocation of fish aggregation lamps is a crucial factor in lighting fisheries, the illumination distribution underwater was estimated in terms of the arrangement parameters of fish aggregation lamps on a small squid jigging ship. The results showed that the iso-illuminance curve contours of 10 lx were in the depth of 25 m and in horizontal direction of 55 m at most under the ship with the total output of 130 kW. The curve contours of 0.1 lx were in 40 m vertically and 190 m horizontally at most under the ship with the total output of 130 kW. However, the curve contours was reduced by 5 m roughly in the depth at the total metal halide lamp power of 65 kW. The horizontal effective attracting distance was increased by 18.6% at the double output from the minimal squid attracting illumination of 0.01 lx. The findings indicate that the “Daiyuanyu No.807” as a conventional squid jigging ship has appropriate in configuration of fishing lamp, but if the lamps are elevated by 0.5 m, the effective water volume will be increased by 4.1% within the illumination between 0.2 to 1.0 lx at which squid Dosidicus gigas show more activity.

Key words：fish aggregation lamp; underwater irradiance; reasonable allocation; squid jigging ship

作者简介：钱卫国(1977—)， 男， 博士， 副教授。E-mail:wgqian@shou.edu.cn

基金项目：国家高技术研究发展计划(SS2012AA091803)；上海市科委项目(2013ZY-87)

收稿日期：2014-06-16

中图分类号：S973.4

文献标志码：A

文章编号：2095-1388(2015)02-0226-05

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-1388.2015.02.022