铜合金网衣在海水养殖中的应用研究进展

聂政伟，王 磊，刘永利，石建高，闵明华，余雯雯，陈晓雪，王鲁民

（1.上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306；2.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）

铜合金网衣在海水养殖中的应用研究进展

聂政伟1，2，王 磊2，刘永利2，石建高2，闵明华2，余雯雯2，陈晓雪2，王鲁民2

（1.上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306；2.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）

铜合金网衣在渔业工程领域特别是网箱和围栏网海水养殖中得到了广泛的应用，并取得良好效果。铜合金网衣具有“0”生物附着、高效低碳、健康环保等特点。本文结合国内外在海洋、环境和金属材料等领域对铜合金研究已取得的成果，探讨了铜合金网衣在海洋中的抗污、耐腐蚀机理；通过介绍几种铜合金网衣类型，描述了两种结构类型的铜合金网衣网箱的制作方法以及在网箱养殖应用中常见的问题，并分析了其结构、力学特性和抗风浪能力等作业性能的关系，对铜合金网衣网箱在渔业上的应用情况及研究进展进行了梳理，以期为铜合金网衣网箱的进一步研究和应用提供参考。

铜合金网衣；水产养殖；抗污；耐腐蚀

改革开放以来，我国的水产养殖业受市场需求、养殖技术的进步和政策规划等诸多因素的推动，获得迅猛发展。根据联合国粮食及农业组织的调查报告，2013年全球水产鱼类总产量为7 050×104t，而仅中国就达到了4 350×104t，取得了极大的经济和社会效益［1］。高速发展的水产养殖业在为社会带来巨大财富的同时，也给我们留下了许多亟待解决的技术和环境问题。从养殖区域上看，传统网箱主要集中在水深10 m左右的浅海、沿岸滩涂以及半封闭港湾，而由于复杂的海况和高昂养殖成本等原因，对20～40 m的深海利用率较低，说明我国沿海水域利用不平衡；从网箱网衣材料上看，基本上是由传统合成纤维（如尼龙、聚乙烯、聚丙烯等）制成，抗污和抗风浪能力较差，需要频繁清洁和换网，一旦遇强风暴袭击便损失惨重。整体而言，我国海水养殖业的可持续性发展尚存较大挑战，仍处于初级阶段，是养殖大国而不是养殖强国［2］。

全国海洋经济发展“十二五”规划彰显出了“关心海洋、认识海洋、经略海洋”的重要性，其深远的意义在于指引我们凸显海洋大国的优势，为整个海洋产业，包括海水养殖业，绘就一幅宏伟的国家战略蓝图。养殖网箱装备技术作为海水养殖的重要组成部分，在开拓养殖海域、减轻近海水质恶化压力和提高养殖鱼类品质等方面显示出明显的优势，是开发外海深水养殖和发展现代海洋牧场的重要生产方式。因此，改进网箱装备开发高效养殖模式，对于促进深水网箱养殖业的可持续健康发展、提高海洋渔业资源利用率具有重要的意义［3］。

随着海洋养殖开发广度和深度的增加，网衣材料的基础作用越来越凸显。对传统合成纤维材料制成的网箱而言，生物污损会对其养殖效果产生强烈的负面影响，是水产养殖中的最大问题之一。在网箱长期浸没在海水受生物污损的过程中，各种快速生长的藻类孢子、动物幼虫以及其它生物附着在网衣表面，造成网孔部分甚至完全堵塞，妨碍网箱内外的水体交换，降低溶解氧。若不及时清洗或更换网衣，易导致鱼感染疾病而死亡或鱼的生长速度减慢、过早捕捞、减少鱼类产品价值以及恶化附近养殖场的水质环境。另外，生物污损还会增加网衣额外的负载，往往导致净破损和额外的维护费用［4－7］。

20世纪80年代以来，国内外科研人员根据各海域的主要污损生物的生态习性及其生物学特点，从表面物理学、材料学和生物学等领域出发，通过降低材料表面自由能、改变材料表面电性或释放某种微生物抑制剂等方法，研制开发了一系列适合用于合成纤维的无公害且长效的防污涂料［8－11］。然而，尽管这些产品具有一定的防污效果，但远远达不到养殖户对网衣少附着且经济的要求。

相比之下，由于铜在海洋环境中具有天然的抗菌、防止海洋污损生物附着的作用，铜合金网衣网箱可为鱼类的生长和繁殖提供一个更清洁、更健康的水体环境。除此之外，铜合金网衣在海洋环境中的强结构和耐腐蚀特性，使得网箱具有良好的容积保持率和较长的使用寿命［12］。因此，研究海水养殖所需的抗菌耐腐蚀铜合金网衣显得格外重要和迫切。自2009年以来，在山东、江苏、浙江、福建、广东和海南这些沿海地区，用创新型的铜合金网衣替代传统合成纤维网衣呈现出快速发展的趋势。

1 铜合金网衣的抗菌耐腐蚀性能

早在1983年，美国国家环境保护局就铜对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、产气肠杆菌等细菌的杀灭作用进行过量化实验，发现铜可以在2 h内杀灭其表面99.9%的接触性致病细菌，能降低人们因频繁接触的其它器物表面而受到细菌感染的风险［13－15］，所以广泛用作医疗器械、船舶舰艇和厨房家电等表面材料［16－18］。2014年，东海水产研究所渔用材料创新团队对置于舟山朱家尖海水养殖基地的铜合金拉伸网网衣进行过长期的挂片试验和水下摄像观测，在观察的一年期间，网衣上几乎均未发现污损生物附着，随着季节的变化，铜合金表面颜色由黄色变为淡绿色，一年后的质量损失率在4%以下；而作为对照的聚乙烯纤维网上，在1个月后附着生物覆盖网孔20%左右，3个月后覆盖60%左右，到5个月时已完全堵塞网孔①王 磊，锥台形组合式铜网箱项目报告。东海水产研究所，2015。。

铜合金的抗菌机理非常复杂，其已知的和潜在的机理仍然是各国医疗卫生、海洋化学和金属材料等领域研究的课题。相关研究文献表明，铜合金表面由于腐蚀溶解释放大量铜离子，抗菌机制可能由3种情况同时起作用：一是部分铜离子在光的催化作用下，激活水中的氧，促进羟基自由基和活性氧离子的生成而引起细胞的氧化损伤；二是铜离子配合其它基团形成的自由基改变了细菌内酶的三维结构，使其失活导致细菌死亡；三是铜离子可以与细胞壁中的脂类相互作用，破坏细胞的保护层导致细胞膜开口孔，细胞必需的营养物质如钾和谷氨酸泄漏，从而损害细胞的完整性，直至分解［19－23］。

与铜合金的抗菌机理一样，其在海水中的腐蚀机理也不完全清楚。自20世纪80年代以来，国内外对铜合金耐腐蚀性能进行了大量的研究，腐蚀机理可分非生物与微生物的影响：在氧化性因子作用下，合金活性区域即表面会首先形成一层氧化膜，表面晶粒细小均匀，晶界处缺陷较少，成分元素均匀分布，长期海水腐蚀实验显示合金无晶间腐蚀，腐蚀产物外层为疏松的碱式氯化铜，内层是合金的致密氧化层，提高了耐海水腐蚀性能；而微生物的影响一是其新陈代谢活动会改变铜合金表面的介质环境，不利于氧化膜的快速生成，二是存在着少数对铜合金不敏感的微生物，如硫酸盐还原菌，随着这类微生物的生长繁殖，合金表面溶液腐蚀性增强，微生物以个体形式逐渐开始附着、生成菌落到最终生物膜形成，合金表面进入活化状态电化学腐蚀阶段，表面形成的钝化膜被破坏［24－30］。

铜合金在海洋中表现出的抗污性和抗腐蚀性是铜的特性，在不同领域有不同表现，杀菌抗污损能保持合金表面较好的水质，提高耐腐蚀性；少量的腐蚀能保证铜离子的溶解释放，抑制细菌和污损生物的附着。二者间的微生物因素起到关键作用，如果通过建立模拟生物环境的实验方法来揭示铜合金表面局部腐蚀的分布和程度与微生物因素之间的关系，无疑对铜合金腐蚀机制的研究具有重要意义。

2 铜合金网衣在渔业上的研究和应用

铜合金网衣网箱养殖作为一种新兴的离岸养殖模式，在拓展养殖海域、减轻近海环境压力、提高养殖鱼类品质和增加养殖效益等方面显示出明显的优势。在我国经过“十一五”期间的研究和开发，从无到有并逐步成为开发外海深水养殖和发展现代海洋牧场的重要途径。

2.1 铜合金网衣的种类

铜合金网衣种类按材料组分可分为黄铜（铜锌系）、白铜（铜镍系）和青铜；按网衣制作方法可分为拉伸网、斜方网、焊接网和编织网。黄铜合金（铜锌系）即加入锌的铜锌二元合金以及除了加锌之外还加有其它少量元素合金如镍、硅、锡等的多元黄铜；白铜合金（铜镍系）是以镍为主要合金元素的铜合金，在此基础上再加入第三元素如锌、锰、铁、铝等；其它铜合金则统称青铜合金。铜合金拉伸网是以金属板为原材料，经冲切出一定长度、相隔一定间距的细长狭缝，再拉伸、压平而成；铜合金斜方网是以许多根金属线材为原材料，经放线、弯曲和螺旋穿插而相互勾连的过程连续循环制成；铜合金焊接网是把金属线材按经线和纬线方向相互交叉摆放，组成一定大小的网孔，然后将线材交叉点焊接固定而成；铜合金编织网是由水平和垂直方向的许多根金属线材以一定间距相互紧密交叉制成。

为达到海水养殖网箱对铜合金网衣优异的抗污耐腐蚀、耐磨损、较高的强度、较低成本等要求，国外渔业发达国家早在20世纪70年代就对不同材料组分的铜合金进行过海上挂片试验。经过十几年的研究，综合各方面性能，人们将注意力更多地转向黄铜合金中的“海军黄铜”和日本三菱公司的专利黄铜UR30。海军黄铜的成分是含铜59%～63.5%，含锡0.5%～1.0%，另外含有微量的砷、锑、磷0.02%～0.10%；UR30的成分是含铜65%，含锌35%，另有少量锡、镍、铝［31］。

目前，应用于我国海洋养殖网箱箱体的铜合金网主要是UR30材质，包括半柔性结构的斜方网以及刚性结构的拉伸网、编织网和焊接网。其中，铜合金斜方网应用较为普遍，其多根铜线平行穿挂、类似波浪状的结构，所构成的箱体在海流条件下具有应变能力较强、不易折损、网与网间的连接方便、网片能单轴向卷叠、便于运输等优点；缺点是钩挂所形成网目的交接点是活动的，在海中浪、流的作用下，网目交接点处始终处于移动、摩擦状态，使其表面生成的氧化保护膜被不断磨蚀，加快了网目交接点处的损坏。由于铜合金拉伸网是铜合金板材经过一次冲压拉伸形成各种孔形的金属板面，具有网目稳定、结构牢固、无网衣间的接触移动磨损等优点，其网衣网箱已在我国部分沿海地区开展了示范应用；缺点是网片之间的连接较为复杂，在安装构建成箱体时难度较大，刚性结构箱体在海流条件下的应变能力较差。而由于铜合金编织网和焊接网的刚性特征，与拉伸网具有相同的缺点，又因为它们的网目交接点处是活动和脆弱状态，包含了斜方网的缺点，所以这两种结构的铜合金网衣网箱较少应用在海水养殖①石建高，铜网箱项目进展及成果介绍。东海水产研究所，2011。。

2.2 铜合金网箱的应用研究进展

日本、挪威和美国等渔业发达国家都已于20世纪80年代开始使用铜合金网衣网箱养殖鱼类，并取得了良好的效益。由于全球养殖海域分布广、海水水文状况和海水生物组成不同以及水产养殖业的发展程度相异，造成各国在铜合金网衣网箱养殖应用上的特殊性和复杂性。比如为适应多台风、多地震等自然灾害的日本水产养殖业，养殖网箱网衣直径较粗或厚度较大，网箱框架普遍采用浮式的金属结构，其抗风浪和耐流性能得到了很好的实践检验；在挪威，受益于得天独厚的自然条件，一个铜合金网箱周长能做到160 m，容积达5×104m3，温和的海况环境和低养殖密度保证了其高质量的水产品；在美国，高度发达的经济和大量的科研投入，使得铜合金网箱在水产养殖业的应用基本实现了产业化、机械化和高效的生产管理［32－34］。

我国自2009年开始，由东海水产研究所与国际铜专业协会上海代表处组成铜合金网衣网箱养殖研发应用课题组，进行铜合金网衣材料的适用性研究以及铜合金网衣网箱的装配应用试验，目前已取得显著的成果。虽然起步晚，但是我国不能盲目照搬国外铜合金网箱应用的经验，必须要根据本国水产养殖的实际情况，因地制宜，发展适合自己的铜合金网箱，争取在“十三五”期间将铜合金网箱养殖的综合技术、养殖效益和推广管理模式提升到一个新的高度。以下选取已进行过养殖试验的铜合金网衣网箱作为例证进行分析，介绍我国在铜合金网衣网箱养殖应用方面的研究进展。

在完成铜合金材料力学性能测试、防污抗生物附着试验以及铜合金网箱整体结构和局部设计等一系列前期工作后，铜合金网箱用于水产养殖还需要如下三个步骤：铜合金网片的制作、网衣的组装以及海上装配。由于半柔性的斜方网具有单轴向卷叠、应变能力强的优点，在网衣连接时比较方便，因此，铜合金斜方网应用较为普遍，以圆柱体网箱为主。目前，多种形状和规格的铜合金斜方网网箱已于大连、威海、舟山、台州和防城港等地进行广泛的应用，养殖河豚（Tetraodontidae）、黑鲪鱼（Sebastodes fuscescens）、大黄鱼（Larimichthys crocea）、和金鲳鱼（Trachinotusovatus）等各类高价值鱼，建立了海水养殖铜合金网箱供应链。铜合金斜方网网箱给海水养殖带来巨大便利和效益的同时，由于它本身的结构缺陷，网衣的损坏速率快，每2～3年需更换一次铜网，既浪费资源又提高养殖成本。

针对铜合金斜方网网箱网衣寿命不长的问题，东海水产研究所渔用材料创新团队在2013年开发了刚柔结合装配的铜合金拉伸网网箱。它是通过对铜合金拉伸网网片模块的设计制作、软连接的甄选与制作，将安装在合成纤维网衣标准组装件上的管环与铜合金拉伸网标准组件上的插接环交错插合，并在管环和插接环内穿入高性能合成纤维绳索后完成刚柔两模块的组装连接，再应用于海水养殖。网箱整体结构的强度与稳定性有效改善了在海流条件下箱体的应变能力，避免由此而引起的铜合金拉伸网网片变形或边角折损问题，提高了重力式网箱箱体内外的水体交换能力，减少箱体在较高海水流速海域环境中的容积损失，为箱体内养殖鱼类提供一个良好的生长环境［35－36］。

应用铜合金拉伸网网箱要解决斜方网网箱不曾带来的问题，比如其网片边缘比较锋利，一般绳索和软连接材料与其进行较长时间的摩擦后会损坏甚至断裂，不能直接将网片与软连接相接，因此，需要将长方形的网片四周作包边处理，做成网衣模块。制作网衣模块对网片和包边材料的加工尺寸精度有较高要求，保证铜网网片模块加工的标准化。包边材料可选用高性能的工程塑料，其形状和尺寸需满足一边将网片包覆固定，另一边预留等间距的标准套环、圆孔或其它设计方案来连接软连接模块。刚性结构的网衣在海流条件下的应变能力差，易引发网片变形或边角折损而导致网片损坏，所以在网衣模块之间需要用软连接模块来缓冲和承受海浪、流的作用。而作为铜合金网箱箱体受力与拼装骨架，软连接材料选用拉伸强度高、韧性好的高强聚酯纤维织带，与包边材料上的套环尺寸、数量和位置相应，软连接材料织带四周缝制带环，便于两模块组装时穿连绳索。其中，垂直方向的高强聚酯纤维织带可根据铜合金网箱是否为圆锥台体采用倒梯形①王 磊，铜合金网衣网箱养殖试验进展汇报。东海水产研究所，2015。。

铜合金网箱结构主要由框架系统、网衣系统、配重系统和锚泊系统等几个部分组成。铜合金网箱锚泊系统由锚绳、锚锭构成，与网箱框架相连，限制网箱在一定范围内活动。铜合金网箱受到的风浪等外部作用力通过锚绳传递，通过框架浮力、网箱自重和配重来平衡，从而使网箱整体在海中动力环境下维持稳定［37］。因此，为保证铜合金网箱保持优良的作业性能，避免在恶劣海况下网箱因遭受大浪、强流的直接冲击而发生损坏，对铜合金网箱在海水中的水动力研究具有十分重要的意义。目前国内尚未对铜合金网箱进行这方面的系统研究，但是可以借鉴国外尤其是美国新罕布什尔大学对铜合金网箱性能研究的思路以及对传统网箱的模拟实验和作业性能的测试方法，来研究铜合金网箱的结构特性、力学特性和抗风浪能力。如以田内准则作为参照，对重力相似准则在网衣试验中的适用性进行研究［38］，利用集中质量法，建立节点的动力学方程，通过计算机处理，得出网箱在海流中的容积率［39］，采用物理模型试验和数值模拟的方法，对深水网箱抗风浪能力和耐流特性进行系统的水动力研究［40］，铜合金网箱在水中的容积率与其阻力系数之间的关系［41］，为开发合理高效的铜合金网箱养殖方式提供依据和参考。

3 成果和展望

2014年5月，位于舟山的由东海水产研究所与国际铜专业协会等合作开展的刚柔结合装配铜合金网箱海水养殖项目完成海上组装，养殖过程中取得了与对照网箱（锦纶网衣网箱）的水下监测影像、养殖记录和养殖大黄鱼的生长抽样检测等数据。可以看出装配后的刚性铜合金拉伸网和柔性连接构件结构稳定，网箱设施整体状态良好，网衣几乎无生物附着，提高了网箱的滤水性能。同时，锥台体结构也提高了该网箱的容积保持率，相对增加了养殖鱼类的活动空间，可以提高养殖鱼类的生长品质。另外在养殖试验中发现，比较锋利的铜网网衣栅格，在某些情况下，会将鱼类脊背擦伤。目前对铜合金拉伸网网箱的优化设计工作已完成，包括网片的生产标准化、网片模块和软连接的加工平台，使铜合金网生产能够初步进入产业化轨道①王 磊，铜合金拉伸网围网应用优化研究项目报告。东海水产研究所，2015。。

值得一提的是，2014年由东海水产研究所与国际铜专业协会等合作开展的全球首创的铜合金围栏网已在浙江台州大陈岛开展了示范应用，100多根直径达0.6 m的水泥柱树立在海上，水泥柱间的铜合金编织网网衣插入海底与水面上超高分子量聚乙烯网衣相连，超大的养殖容积和良好的水质环境为养殖户带来可观的效益，养殖的大黄鱼产品已经在年底上市，势必会对我国乃至全球的海水养殖领域产生深远影响②黄 艇，铜合金网衣网箱及铜围网产品手册。国际铜专业协会上海办事处，2015。。

建设海洋强国是国家坚定不移的要求，会给我国渔业带来大发展期。发展高效的渔具、实行高效合理的渔法作业是现阶段从事渔业科研人员面临的挑战和责任。铜合金网箱作为深水养殖的新型渔具，应用在海水养殖上具备新颖性、创造性、工业实用性，对于发展海洋生态养殖、渔场修复和振兴、替代传统网箱养殖具有广阔的前景。为在我国沿海地区大面积推广建设生态友好、可持续的海洋牧场，应在目前工作基础上，进一步加强有关应用基础和技术研究，比如根据铜合金网箱的作业特性，以模型测试和数值模拟等分析方法为基础，研究其结构性能、力学特性和抗风浪能力等作业性能，来开发合理高效的养殖方式；进一步加强产研联合攻关，科学设计研发方案，在铜合金网箱设计研发、模型设计与试验、养殖效果评价、适养品种开发、养殖模式等方面进一步深入开展探索，争取早日实现铜合金网衣在水产养殖领域大规模应用，也为实现海洋渔业资源可持续利用作出更大的贡献。

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Development and app lication of fishery copper alloy netting

NIE Zheng-wei1，2，WANG Lei2，LIU Yong-li2，SHIJian-gao2，MIN Ming-hua2，YUWen-wen2，CHEN Xiao-xue2，WANG Lu-min2
（1.College of Marine Sciences，ShanghaiOcean University，Shanghai201306，China；
2.East China Sea Fisheries Research Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences，Shanghai200090，China）

With anti-fouling，efficient，healthy and environmentally friendly properties，copper alloys netting has been widely applied in fisheries engineering especially aquaculture equipment such as net cage and purse seine，and good results have been obtained.In the coastal waters of China，a large quantity of copper alloy nettings have been used.Based on their corrosion-resistant and antibacterial properties，the copper alloy nettings can provide good water exchanges inside and outside of cages，keep a stable dissolved oxygen，ensure the growth rate of the fish and the value of fish products，reduce infectionmortality of fish and relieve pressure on water quality near the farm.So it can be expected thatunder the circumstances of themarket environment，industry trends and policy support，copper alloy netting cageswill play an indispensable role in the sustainable development of aquaculture，and its prospectswill be immeasurable.On the basis of summarizing some results in the areas of marine，environmental and metal materials at home and abroad，the anti-biofouling and corrosion-resistantmechanism of copper alloy was discussed.In addition，through the introduction of several types of copper alloy netting，the latest application，research and development by new fishery materials innovation team in the East China Sea Fisheries Research Institute were summarized briefly，including structure，mechanical property and performance of wind resistance，advantages，disadvantages，optimization ways and so on.Generally speaking，due to the flexible features，the construction and net assembly of copper alloy chain-link-fence netting cage aremore convenient and mesh junction points aremore easily to wear and tear.Copper alloy stretch netting has a longer service life for its rigid structure.However，the construction and net assembly of copper alloy stretch netting cage are usually more complex.Finally，the hydrodynamic studies and model tests of copper alloy cage in seawaterwere analyzed in this paper to provide references for a better understanding，further research and application.

copper alloy netting；aquaculture；anti-biofouling；corrosion-resistant

S 971.1

A

1004－2490（2016）03－0329－08

2016－01－04

国家海洋经济创新发展区域示范专项资助（GD2013－D01－001）

聂政伟（1989－），男，硕士研究生，研究方向：铜合金网箱在海水养殖中的应用。

王鲁民，研究员。E-mail：lmwang＠eastfishery.ac.cn