调整作业参数对小网目南极磷虾拖网水动力性能的影响

周爱忠，冯春雷，张 勋，王永进

（中国水产科学研究院东海水产研究所，农业部东海与远洋渔业资源开发利用重点实验室，上海 200090）

调整作业参数对小网目南极磷虾拖网水动力性能的影响

周爱忠，冯春雷，张 勋，王永进

（中国水产科学研究院东海水产研究所，农业部东海与远洋渔业资源开发利用重点实验室，上海 200090）

小网目南极磷虾拖网有规格小、操作方便、起放网省时的特点。针对规格为185.4 m×97.5 m（41.8 m）的小网目南极磷虾拖网的水平扩张、浮力、重锤重量、沉力、空纲长度5个作业参数，分别进行3～6次调整试验，测试阻力和网口高度，并比较能耗系数。结果表明：在下纲端部间距分别为16.65、18.75、20.85 m 3种水平扩张下，扩大水平扩张可引起网口高度下降，但阻力上升的幅度不大，能耗系数变化不明显；随着浮力的增加，网具阻力、网口高度均呈上升趋势，低拖速下增加浮力对网口高度的提升效果更明显，浮力增加可使网具的能耗系数下降，但在浮力达到19.6 kN后，再增加浮力能耗系数反而有所升高；增加重锤重量和在下中纲处增加沉力对网具阻力的影响效果相近，均呈上升趋势，增加重锤重量对网口高度的提升表现在低拖速时，随着拖速的上升网口高度的提升作用下降；增加沉力可提升网口高度，但在沉力达到14.36 kN后，再增加沉力对网口高度的提升效果不明显，能耗系数反而上升；空纲长度从66 m增加到84 m可明显提高网口高度，而网具阻力上升不明显，能耗系数呈下降趋势。

小网目；南极磷虾拖网；作业参数；水动力性能

南极磷虾是在南极水域栖息磷虾种类的统称，其中数量最多的种类南极大磷虾（Euphausia superba）是地球上资源量最大的单种生物之一，据估算，其生物量为（6.5～10.0）×108t［1－2］，可捕量是世界现有渔业产量的1倍以上，具有巨大的开发和利用潜力。在世界海洋渔业资源普遍衰退的背景下，南极磷虾资源日益受到世界各国关注［3－5］。

目前，南极磷虾的捕捞主要以单船中层拖网为主，我国的磷虾拖网作业渔船均从捕捞狭鳕或竹箂鱼的大型中层拖网渔船［6］经一定的改造而成，我国使用的磷虾拖网最初也从大网目变水层拖网改进而来，其网口网目尺寸虽有一定的缩小，但仍达到8 m，网口周长可达800 m左右。为了捕捞南极磷虾这种个体很小的捕捞对象，在其网身的中后部设置小网目内网，这种设计由于网具后部的阻力太大，网口规格虽大但不能充分扩张，起放网操作费时，实际作业效果一般。

上世纪八十年代，日本曾经使用小网目（网口网目尺寸为0.1 m左右）中层拖网捕捞南极磷虾取得成功，以后历年的捕捞虽对网具有一定改进，但网具的主要结构变化不大。韩国、智利等国也或引用日本经验或自主开发、设计使用小网目中层拖网捕捞南极磷虾。2013年我国辽宁省大连海洋渔业集团公司使用从日本引进的网口网目尺寸为240 mm拖网捕捞南极磷虾获得成功，引起我国大型中层拖网渔船捕捞南极磷虾企业的重视。国内对大网目磷虾拖网的水动力性能有一定的研究，也对调整作业参数进行过试验［7－8］，但尚无调整作业参数对小网目磷虾拖网的水动力性能的研究报道，生产实践中对此种网具的作业参数如何调整没有依据。本文针对规格为185.4 m×97.5 m（41.8 m）的小网目南极磷虾拖网的水平扩张、浮力、重锤重量、沉力、空纲长度5个作业参数，分别进行3～6次调整试验，测试其阻力和网口高度变化，并以能耗系数比较网具的性能，研究适合我国小网目南极磷虾拖网主要作业参数的范围或最佳值，以期为合理调配各作业参数、提高作业性能、增加捕捞效率提供技术支撑，为此种渔具的自主设计和生产实践提供基础数据和参考。

1 材料与方法

1.1 原型网与模型网

试验选用网具规格为185.4 m×97.5 m（41.8 m）南极磷虾拖网作为原型网，网口网目尺寸为240 mm。

模型网根据SC/T4014—1997《拖网模型水池试验方法》标准中渔具模型试验准则I进行模型网换算［9］。模型网网片的结构与原型网相同，网身为十片式，由6片背、腹网和4片侧网衣组成，模型网衣材料为PA，网线直径0.50 mm，依据试验水池规格条件，取大尺度比λ为15，小尺度比λ′为9。实物材料主要为PE和PA，模型材料全部采用PA，模型材料的比重与实物有所不同，但对试验结果影响相当小［10］，试验结果与分析均忽略此影响。按照SC/T4011—1995《拖网模型制作方法》制作成模型网具［11］，模型网图见图1。另外，在模型网网身的后2段衬有内网，网目尺寸为10 mm，材料为PA无结网衣。

图1 模型网示意图Fig.1 Net draw ing of themodel traw l

1.2 试验设备

拖网模型试验在东海水产研究所渔具模型试验静水池进行，水池规格为：90 m×6 m×3 m，水池北端设置消波器。拖车驱动电机功率为7.5 kW×4，拖速范围0.1～4.0 m·s－1，配有微处理机调速系统，匀速精度P≤1%。光电测速仪精度为±0.01%。测力传感器量程为200 N，非线性误差为量程的0.05%。网高仪为中海达测绘仪器公司HD-27T型网位测深仪，距离分辨率30 mm。

1.3 试验方法

模型试验模拟至空纲，测力拖曳点为空纲末端。每组试验拖速从1.03 m·s－1至2.31 m· s－1共分6档，每档间隔：0.257 m·s－1（0.5 kn）。试验选择水平扩张、浮力、沉力、重锤重量、空纲长度5个作业参数，分别进行3～6次调整试验，各试验组的参数设置见表1。考虑到网具下纲的端部已配置有较重的重锤，本次试验沉力的调整主要集中于网具的下中纲及其相邻的三拼口处，表中沉力为水中的重力。大网目南极磷虾拖网袖端一般设有叉纲，本次试验的小网目南极磷虾拖网没有设置叉纲，以上、下空纲连接单手纲后与网板相连。

1.4 数据处理

实物网受力（F1）与试验网受力（F2）的力学比例关系为：

式（1）中，λ─大尺度比，λ′─小尺度比实物网网口高度由模型网网口高度与大尺度比相乘得到。实物网的能耗系数计算公式为：

式（2）中，Ce─实物在某个设定拖速下的能耗系数（kW·h·10－4·m－3）；Fsj─实物在该拖速下的计算阻力（kN）；Hsj─实物在该拖速下的计算网口高度（m）；Lxs─实物的袖端水平扩张（m）。

2 结果与分析

2.1 水平扩张对试验网性能影响

2.1.1 对阻力和网口高度的影响

下纲端部间距为16.65、18.75、20.85 m 3个水平扩张用L/S（下纲端部的间距/下纲长度）表示分别对应为：0.40、0.45、0.50，不同速度下水平扩张对试验网的阻力和网口高度影响结果见图2。由图2可见，试验网水平扩张的改变对网具的阻力和网口高度均有一定的影响，随着网具水平扩张的增大，网具的网口高度有明显的下降，网具的阻力有一定的上升，但幅度较小。磷虾拖网作业时的平均拖速约为1.54 m·s－1，在此拖速下，L/S＝0.4时网口高度为15.58 m，阻力为143.47 kN；而L/S＝0.5时网口高度为13.23 m，阻力为151.59 kN。即试验网在此拖速下水平扩张扩大4.2 m后，网口高度下降2.35 m，下降幅度为15.08%；网具阻力上升8.12 kN，上升了5.66%。

2.1.2 对能耗系数的影响

不同的拖速下，3种水平扩张的能耗系数见表2。由表2可见，3种水平扩张在同一拖速下的能耗系数均较为接近，水平扩张L/S＝0.45在各拖速下的能耗系数稍高。拖速为1.54 m·s－1，当L/S＝0.45，能耗系数为1.994 kW·h·（104m3）－1，当L/S＝0.50，能耗系数为1.908 kW ·h·（104m3）－1，能耗系数较L/S＝0.45时小4.5%。

表1 各试验系列的参数值Tab.1 Parameters of each test series

图2 3种水平扩张在不同拖速下的阻力和网口高度的变化Fig.2 Changes of resistance and net opening at 3 levels of expansion under different tow ing speeds

表2 3种水平扩张在不同拖速下的能耗系数Tab.2 Energy consum ption coefficient at 3 levels of expansion under different tow ing speeds

2.2 浮力对试验网性能影响

2.2.1 对阻力和网口高度的影响

图3是试验网配置不同浮力在不同拖速下的网具阻力和网口高度，由图3可见，改变浮力可明显影响网口高度和网具的阻力：试验网配置的浮力越大，网具的网口高度相对越高；但小浮力或甚至无浮力，网具受水流和下纲的沉力作用可以扩张，也可有10 m左右的网口高度。低速时浮力的增加对网口高度的提升作用大于高拖速时。相同拖速下，随着浮力的增加，网具的阻力有不同程度的增大，但与网口高度的变化情况不同，阻力的增大幅度在高拖速时大于低拖速时。拖速为1.54 m·s－1时，当浮力为0.83 kN，网口高度为10.56 m，阻力为133.97 kN；当浮力为19.6 kN，网口高度为16.42 m，阻力为183.11 kN。试验中配置最小浮力和最大浮力，网口高度相差5.86 m，阻力相差49.14 kN。

图3 6种浮力在不同拖速下网具阻力和网口高度的变化Fig.3 Changes of resistance and net opening at 6 buoyancy under different tow ing speeds

2.2.2 对能耗系数的影响

表3是试验网不同浮力配置在不同拖速下的能耗系数，由表3可见，随着拖速的上升，试验网的能耗系数呈上升趋势。为方便比较，把表3各浮力在6种试验拖速下的能耗系数值求平均后表示为图4，由图4可见，试验网的能耗系数随着浮力的增加有降低的趋势，在浮力配置较小时，能耗系数较高，随着浮力的增加，能耗系数虽可能由于试验误差的原因有起伏，但总体呈下降趋势，当浮力达到19.6 kN时，试验拖速下能耗系数的平均值最小，如再在此基础上增加浮力，则能耗系数反而有所升高。

图4 不同浮力的平均能耗系数变化Fig.4 Average energy consumption coefficient at different buoyancy

表3 6种浮力在不同拖速下的能耗系数Tab.3 Energy consum ption coefficient at 6 buoyancy under different tow ing speeds

2.3 重锤对试验网性能影响

2.3.1 对阻力和网口高度的影响

不同拖速下，重锤对南极磷虾拖网阻力和网口高度的影响见图5。由图5可见，在试验的3种不同重量下，重锤对试验网网口高度的提升在低拖速段有明显的作用，但在拖速提高后，作用逐渐下降，当拖速达到2.06 m·s－1时，三者的网口高度已相当接近。而阻力的情况则正好相反，在低拖速时，三者的阻力接近，在高拖速时阻力曲线则有分散的趋势。

图5 重锤对网具阻力和网口高度的影响Fig.5 Effect on resistance and net opening at different heavy bob

2.3.2 对能耗系数的影响

不同拖速下，试验网重锤3种不同重量配置的能耗系数见表4。由表4可见，在低拖速时，重锤重量为两边各500 kg的能耗系数较低，而拖速高时则相反。当拖速为1.03 m·s－1时，两边各500 kg重锤的能耗系数为0.729 kW·h·（104m3）－1，而无重锤时为0.803 kW·h·（104m3）－1，两边各安装500 kg重锤的能耗系数较无重锤时可下降9.21%；而在拖速为2.31m· s－1时，两边各500 kg重锤的能耗系数为5.001 kW·h·（104m3）－1，而无重锤时为4.687 kW·h ·（104m3）－1，两边各安装500 kg重锤的能耗系数较无重锤时上升6.70%。

表4 重锤对试验网能耗系数的影响Tab.4 Energy consumption coefficient at different heavy bob

2.4 沉力对试验网性能影响

2.4.1 对阻力和网口高度的影响

图6是不同沉力下试验网的阻力和网口高度，由图6可见，随着沉力的增加，网具的网口高度和阻力都有一定的增加。图6中沉力为14.36、16.53 kN两种浮力配置下网口高度曲线交错在一起，除了可能有一定的读数误差之外，网口高度的变化不明显也是原因之一，说明试验网达到一定的沉力后，再少量增加沉力对网口的提升效果已不明显。

2.4.2 对能耗系数的影响

表5是3种不同沉力配备下，试验网在不同拖速下的能耗系数。由表5可见，适当增加网具的沉力，可使能耗系数下降，但达到一定的值后，能耗系数反而有所上升。拖速为1.54 m·s－1时，当沉力为12.18 kN，试验网的能耗系数为1.973 kW·h·（104m3）－1；当沉力为14.36 kN，能耗系数下降为1.869 kW·h·（104m3）－1，下降5.27%；而当沉力为16.53 kN，能耗系数为1.928 kW·h·（104m3）－1，反而比沉力为14.36 kN时有所上升。

图6 3种沉力对阻力和网口高度的影响Fig.6 Effect on resistance and net opening at 3 sinking forces

表5 3种沉力对能耗系数的影响Tab.5 Energy consum ption coefficient at 3 sinking forces

2.5 空纲长度对试验网性能的影响

2.5.1 对阻力和网口高度的影响

空纲的长度对试验网的阻力与网口高度的影响见图7。由图7可见，试验网采用不同长度的空纲后，在最低拖速时，网口高度接近，而随着拖速的提高，网口高度虽均呈下降趋势，但网口高度的差异逐渐明显，空纲长度对网口高度的影响在拖速高时较明显。而空纲长度对网具阻力的变化则不明显，在低拖速与高拖速下，随着空纲长度的增加，网具阻力虽有一定程度的增加，但变化均不大。拖速为1.54 m·s－1时，当空纲长度为66 m，网口高度为16.54 m，阻力为173.53 kN；当空纲长度为84 m，网口高度为17.99 m，阻力为174.71 kN，即空纲长度增加18 m，网口高度可提高8.77%，而网具阻力仅增加了0.68%。

图7 4种空纲长度对网具阻力和网口高度的影响Fig.7 Effect on resistance and net opening at 4 bridle lengthes

2.5.2 对能耗系数的影响

表6是不同拖速下4种空纲长度试验网的能耗系数，由表6可见，在相同的拖速下，随着空纲长度的增加，试验网的能耗系数有不同程度的下降。拖速为1.54 m·s－1时，当空纲长度为66 m，试验网的能耗系数为1.943 kW·h·（104m3）－1；当空纲长度为84 m，能耗系数下降为1.798 kW·h·（104m3）－1，下降7.46%。

表6 4种空纲长度下试验网的能耗系数Tab.6 Energy consumption coefficient at 4 bridle lengthes

3 讨论

本试验表明，改变网具的水平扩张对网具的阻力、网口高度和能耗系数均有一定的影响，在相同的拖速下，由于增大水平扩张会使网具的网口高度下降，阻力上升，因此，改变水平扩张对网具能耗系数的影响较为复杂，同时可能由于试验中的误差，试验参数水平下改变水平扩张对能耗系数的影响较小，变化趋势不明显，本次试验未能得出趋势性结论。事实上，国外对南极磷虾行为的研究认为，南极磷虾对网具的网袖反应不敏感，网袖对捕捞对象的聚集效果可能不太明显。因此，假设小网目南极磷虾拖网网口部位的截面为椭圆，则较大的水平扩张时椭圆代表水平扩张的长轴增大，而代表网口高度的短轴则缩短，网口部位的截面面积增加不明显。从试验结果来看，试验网具在达到一定的水平扩张后（如本试验L/S＝0.40），继续扩大网具的水平扩张对网具性能的提升不明显。南极磷虾拖网作业时拖速较低，为使网具有一定的水平扩张，网板的面积和规格已很大，如自主设计磷虾拖网时，可适当缩小网具的设计水平扩张，不必追求L/S参数达到0.40以上。

浮力的配备对网口高度的影响明显，有研究认为，在不影响操作的条件下，浮、沉力配备越大，越有利于提高网具性能［12］。试验时观察模型网，当浮力较小时，试验网网口高度较低，在作业拖速下，侧网中纲部位网衣局部有冗余，高拖速时网形较扁，网口似扁椭圆。而配置大浮力时，网口高度高，网口形状更接近圆形，以试验的网形和能耗系数的分析来看，如果渔船拖力足够，试验网配置19.6 kN的浮力时网形和捕捞效率较理想。以此推算，此种网具理想的配备浮力占网具作业拖速下阻力的10%左右，此比例与我国底拖网的浮力配备相符。

大型中层拖网一般在网具的袖端或叉纲端配置重锤，用以和曳纲长度、网具沉力等配合使网具到达一定的水层，并使网具的袖端向下使网具垂直扩张，重锤是影响网具性能的主要影响因子［13］。重锤的重量可以视现场对象的水深等情况调整，最重可达下纲端部每边1 t以上。对模型的下纲观察，试验网在不安装重锤时，网具下纲的前端部分明显上翘，在低拖速时（1.03 m· s－1）和下纲中部形成一个30°左右的角度。事实上，由于网具下中纲和靠近下中纲的位置配置的重力占比较大，而两袖则占比相对较小，加上空纲对网具袖端的作用，如果不配置重锤，网具下纲的前端部分上翘则不可避免，但是在高拖速时，随着下中纲的提升，上翘的角度可显著缩小。试验网在每边配置250 kg重锤后，在低拖速时上翘的角度缩小，在每边配置500 kg重锤后，则情况更加得到改善，上翘的角度更小，约10°左右。南极磷虾拖网作业时无需较高的拖速，能耗系数的分析认为，试验网适当配置重锤可以提高网具的性能。在每边配备了500 kg的重锤后，试验网配置14.36 kN的沉力时能耗系数较低。实际作业时的重锤重量和沉力配备应根据作业水层、浮沉比、网板重量等因素综合考虑。

空纲长度对小网目南极磷虾拖网的捕捞性能的影响明显。适当的空纲长度可使网具更充分地垂直扩张，但过长的空纲也会造成材料的浪费和增加起放网时间。受水池规模条件所限，本次试验没有进行更长空纲的试验，从模型试验结果来看，最长空纲长度84 m（空纲长度为网口周长的46%）的试验组能耗系数较低，试验网的空纲长度似还可适当加长。对双船底拖网的试验证明，当拖曳速度大于3.5 kn，空纲长度约为网口周长的36%［14］。由于试验网具配备的浮、沉力较大，加上相同网具中层拖网网口高度一般高于底拖，此类型网具在作业拖速下的垂直扩张系数较高，网具配备的空纲长度应超过此比例。

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Influence of ad justment of operation parameters on small-mesh Antarctic krill traw l

ZHOU Ai-zhong，FENG Chun-lei，ZHANG Xun，WANG Yong-jin
（Key Laboratory of East China Sea and Oceanic Fishery Resources Exploitation，Ministry of Agriculture，East China Sea Fisheries Research Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences，Shanghai200090，China）

Antarctic krill trawl with smallmesh has the features of small specification，convenient operation and is timesaving in picking and placing net.In this paper，trawlmodeling testswere conducted with 185.4m ×97.5m（41.8m）Antarctic krill trawl as the prototype，and five operation parameters（horizontal expansion，buoyancy，gravity，hammerweightand bridle length）were chosen to carry outadjustment tests for three to six times respectively.Resistance and height of netmouth were obtained，and coefficient of energy consumption was calculated and compared.Results showed that：at the distance of the end of groundline of 16.65m，18.75m and 20.85m，expanding the horizontal distance can reduce the height of trawl mouth，while the increasing extent of resistance was small.In the adjustment test of buoyancy，both drag and height of net increased with the increasing buoyancy.At low speed，increasing the buoyancy had more apparent effects on the promotion of the height of netmouth，and reduced the energy consumption coefficient of nets，however，after the buoyancy reached 19.6 kN，additional buoyancy could improve the coefficient of energy consumption.Adding theweightof hammer or increasing gravity at themiddle part of groundline had the same impact on the resistance of the trawl.Increasing the weight of hammer made the coefficient of energy consumption down，and improved the height of netmouth only at low velocity，and the impact of improving the height decreased.Adding the gravity could increase the height of trawlmouth，butmore gravity had no apparent influence on the height and the coefficient of energy consumption was lowered after the gravity reached 14.36 kN.When the length of bridle increased from 66 m to 84 m，the height of netmouth was improved apparently，resistance of net had no apparent increasing，and the coefficient of energy consumption trended down.

small-sizemesh；Antarctic krill trawl；operation parameters；Hydrodynamic performance

S 972.13

A

1004－2490（2016）01－0074－09

2015－05－28

国家科技支撑计划课题“南极磷虾资源开发利用关键技术集成与应用”（2013BAD13B03）

周爱忠（1969－），助理研究员，主要从事渔具、渔法和模型试验研究。E-mail：774810719＠qq.com

张 勋，研究员。E-mail：zhangx＠ecsf.ac.cn