南极磷虾拖网结构优化设计与网具性能试验

冯春雷，刘 健，张 禹，王永进，张 勋，周爱忠，王 磊，王鲁民

（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，中国水产科学研究院海洋捕捞工程技术研究中心，上海 200090）

南极磷虾拖网结构优化设计与网具性能试验

冯春雷，刘 健，张 禹，王永进，张 勋，周爱忠，王 磊，王鲁民※

（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，中国水产科学研究院海洋捕捞工程技术研究中心，上海 200090）

目前中国南极磷虾渔业缺乏专用捕捞网具，针对现有网具与渔船匹配性差、网口扩张较小的主要问题，通过分析多种现用南极磷虾拖网结构及性能，提出了缩短南极磷虾捕捞网具总长度和网身长度的优化方案，自主设计了 TN01 型4片式小网目南极磷虾拖网。实船海上生产测试结果表明：当曳纲长度小于230 m时，囊网部位后翘影响导鱼效果。当曳纲大于230 m后，随着作业水深增加，囊网所处水深增加，拖网网型展开良好，建议网具浮沉比配备为1：1.1；网口垂直扩张与曳纲收放长度关系无显著相关，拖网航速为1.542 m/s时试验网具网口高度为26～29 m，垂直扩张比达到0.11～0.12；随着曳纲长度由90 m放长到370 m，水平扩张也由14 m扩张到20 m，水平扩张比为0.22～0.32；渔获量对比分析表明，昼夜之间渔获量差异不大，白天平均网次产量为33 t，夜晚平均网次产量为28 t，平均每网次渔获产量为30 t，较同渔区作业渔船（平均每网次产量约20 t）提高约50%。试验网具达到设计预估性能、渔获效率理想，可为进一步自主研发南极磷虾捕捞网具提供参考依据。

渔业；设计；模型结构；南极磷虾；捕捞；拖网；渔具；模型试验

冯春雷，刘 健，张 禹，王永进，张 勋，周爱忠，王 磊，王鲁民. 南极磷虾拖网结构优化设计与网具性能试验[J].农业工程学报，2017，33(7)：75－81.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.010 http://www.tcsae.org

Feng Chunlei, Liu Jian, Zhang Yu, Wang Yongjin, Zhang Xun, Zhou Aizhong, Wang Lei, Wang Lumin. Structure improvement design and performance experiment of Antarctic krill trawl net[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(7): 75－ 81. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.010 http://www.tcsae.org

0 引 言

南极磷虾资源量据估计可达10亿t，而且含有丰富的多元不饱和脂肪酸（Ω-3）等对人体有益的营养成分，具有巨大的开发潜力和利用价值[1-4]。中国自2010年开始对南极磷虾进行商业性试捕，至 2015年捕捞量已超过6万t[5-7]。但是纵观世界南极磷虾渔业捕捞现状，中国磷虾捕捞技术还处于相对落后的状态，与挪威、韩国等先进国家比较还存在明显的差距[8-10]。中国在南极生产的大部分大型拖网渔船为非专业性磷虾生产船，2013年前其使用的磷虾捕捞网具主要是在原竹筴鱼拖网的基础上改进的大网目中层拖网。生产作业时发现该类型网具扩张性能较差，捕捞性能不佳，产量相对较低[6,9]。目前中国南极磷虾拖网基本从冰岛、韩国、日本等国进口，存在网具与渔船匹配性差、拖网网口扩张未达到最佳状态、起、放网时间长、网具局部容易爆网、浮沉比配备不当和网具拖曳水层调节不便等问题[6,9]。

从20世纪90年代以来，随着拖网技术的发展，国内外拖网渔具的重大变革之一是设计与使用大网目拖网[11-14]。80年代末至90年代初，荷兰卡特韦克Maritiem制造公司推出了Garolien系列拖网，网口网目尺寸为20～40 m，这类网具在沙丁鱼、鲱鱼的捕捞生产中均有良好效益；冰岛Hampidjan公司推出的Gloria系列拖网在鲈鮋、无须鳕的捕捞生产中有良好的业绩[15]。Broadhurst等[16-17]通过通过模型试验研究得出背腹网网衣网目方向、结节方向对拖网网具阻力和网口垂直扩张具有显著影响。Balash等[18-19]分析了网具材料对网具阻力的影响。拖网网具作业性能与网型结构关系密切，国内学者关于大网目拖网网具的性能研究主要集中在不同背腹网与侧网的宽度比[20]、网袖长度与结构[20-22]和网身长度[22]等方面。根据这种理念设计的大型拖网渔船使用的大网目磷虾拖网，网身一般采用四片式结构，网口网目的目脚长度5～10 m，网目为棱形或六角形，网身中后部使用小网目双层网衣，囊网的最小网目尺寸在15～20 mm。该类型网具网身长度达100 m以上，网具全长150 m以上，上、下纲长度100 m左右[23]。与大网目拖网网具相比，小网目中层拖网具有操作便捷、起放网耗时较少等优点，适宜集群密度较大的小型捕捞对象[23]。中国目前对于小网目南极磷虾捕捞网具的研究尚处于起步阶段[24-29]。周爱忠等[25-26]探讨了作业参数对小网目南极磷虾拖网的阻力、网口高度和能耗系数的影响。冯春雷等[27]通过试验研究了调整浮沉比、上下手纲（等长）和叉纲等参数对南极磷虾拖网的性能影响，为优化网具性能提供了技术参考。孟涛[28]和徐鹏翔等[23,29]针对辽宁远洋渔业有限公司引进的日本和韩国 2种小网目南极磷虾拖网，通过水槽模型试验，分析比较了网具的水动力性能。黄洪亮等[30]自主研发了一种小网目南极磷虾专用拖网，初步解决了网具装配工艺复杂、网具阻力大等问题。

本文在收集整理国内外主要在用的南极磷虾拖网的相关资料基础上，通过渔具模型试验掌握了各种拖网的水动力性能，结合现有南极磷虾拖网网具的性能分析结果，自主设计了一种 4片式小网目南极磷虾捕捞网具的改进方案，并进行了海上生产试验，以期为研发优质、高效的南极磷虾捕捞网具提供参考依据。

1 现有捕捞网具性能分析

1.1 试验材料

选取6顶南极磷虾探捕拖网为实物网，均为4片式结构，网具的各主要参数如表1所示，重锤配备为0.5 t×2。根据 6顶实物网结构特征和规格以及模型试验水池的规格，按照田内准则等方法[31]选取模型网的大尺度比（实物网具与模型网具主线尺度之比值）分别为40（1～5号网）和8.7（6号网），小尺度比（实物网具与模型网具对应部位的网线直径之比值或网目长度之比值）取9，设计制作模型网，并按要求配备浮沉力。大网目实物网由于网口和网袖部分网目规格大，网目数较少，所以模型网换算时采取保持前部网目数和结构型式与实物相同的方法进行处理。

表1 实物网主要规格和结构参数Table1 Main specifications and structure parameters of prototype trawl net

1.2 试验方法和数据处理

网具模型试验在东海水产研究所拖网渔具模型试验水池内进行，试验设备包括：静水池规格为 90 m× 6 m×3 m。拖车驱动电机功率7.5 kW×4，拖速范围0.1～4 m/s，配有微机处理调速系统，速度精度±1%。光电测速仪精度±0.01%。测力传感器量程 100 N，非线性误差0.4%。网高仪为日产FE－6300型网位探深仪，距离分辨率30 mm。

试验布设见图1。固定点1为拖车上的两个调节杆，杆上有2个测量水平拉力的测力传感器，2个测力传感器测得的合力为网具的阻力。通过调节两个调节杆的水平间距（L），实现设定试验条件下网具不同的水平扩张比（L/S）。网具的网口高度由网高仪测量。因网具规格不同，试验中为保证袖端间距相同，试验工况设定为3种：1、3号网均取0.44、0.52、0.67；其他网具L/S均取0.40、0.45、0.50。拖速从0.771～2.313 m/s，以0.257 m/s递增。按SC/T4011－1995“拖网模型水池试验方法”标准进行试验和数据处理[31]。

1）实物网阻力与模型网阻力的关系

式中Fs为实物网阻力，kN；Fm为模型网阻力，kN；λ为模型的大尺度比，λ′为小尺度比。

2）实物网与模型网的网口高度的关系

式中Hs为实物网的网口高度，m；Hm为模型网的网口高度，m。

3）实物网的能耗系数计算

能耗系数是表征拖网效率的重要指标，其值是用网具过滤单位水体所消耗的能量来表示。

式中Ce是实物在设定拖速下的能耗系数，10-4kW·h/m3；Ls为实物网在该速度下袖端的计算水平间距，m。

图1 拖网水槽模型试验示意图Fig.1 Sketch map of model trawl net experiment in tank

1.3 结果分析

根据“拖网模型水池试验方法”标准进行数据处理，结果如图2所示。由图2可知，所有试验条件下，随着拖速的增加，模型网的网具阻力增加，而网口高度明显降低。换算成实际拖速1.542 m/s时[13]各网具阻力和网口高度随水平扩张比的变化情况看，1号网阻力变化为75.51～91.01 kN，网口高度变化为53.09～43.21 m；2号网阻力变化为74.68～81.93 kN，网口高度变化为66.99～61.40 m；3号网阻力变化为91.21～106.80 kN，网口高度变化为 52.12～41.06 m；4号网阻力变化为 286.26～309.58 kN，网口高度变化为25.85～29.44 m；5号网阻力变化为 212.17～221.13 kN，网口高度变化为 35.92～30.70 m；6号网阻力变化为196.36～207.37 kN，网口高度变化为 20.54～17.48 m。由此可知，1～3号网的网口高度较大，其扫海面积大，理论上分析可捕获更多渔获，然而磷虾游泳能力较弱，当大网目滤过虾群时，磷虾会从网目中间逃逸，不能发挥高网口的优势。4～6号网网具阻力偏大，影响拖网速度，而 6号网网口高度偏低，扫海面积较小，根据实际作业需求，网口高度宜在20 m以上为佳。因此，从现有网具的水动力性能分析，各网具均存在一定的问题，在南极磷虾拖网的优化设计中需要加以考虑，以提高网具的水动力性能，并符合实际作业情况。

图2 不同拖速下网具阻力和网口高度变化Fig.2 Changes of net resistance and height of net opening under different towing speeds

4号网与5号网网口周长相等，浮沉力、上下纲长度、叉纲长度和手纲长度等参数基本一致，两顶网能耗系数对比情况如图3所示。

图3 4、5号网能耗系数对比Fig.3 Contrast of coefficient of energy consumption between trawl net No.4 and No.5

由图3中可知，两顶网能耗系数随水平扩张的变化不大，而在相同水平扩张下，5号网的能耗系数明显低于4号网的能耗系数。从网具结构参数上看，5号网的网具总长度略短，网身长度较4号网小13.68%，而网袖长度大 16.67%，其他结构参数基本相同。因此，5号网水动力性能较佳原因可能是较长的网袖增加了网口的扩张，同时大网目数较多能够滤过更多的水体，降低了网具的阻力，因此在南极磷拖网设计中可以考虑缩短网具总长度和网身长度。

2 改进设计方案

通过对现有南极磷虾捕捞网具的水动力性能分析，发现现有网具因网口周长过大、网具总长偏长，存在网具阻力偏大、网口高度不符合实际作业需求的问题。实际作业时起网时间较长将会耽误作业效率，网型不合理，存在爆网现象，易造成渔获损失、影响渔船拖速等问题。为提高中国磷虾拖网渔船作业效率，综合上述研究结果，提出新型南极磷虾网具（TN01型）的优化方案（图4）。TN01型南极磷虾拖网系单船有翼单囊拖网，采用4片式设计，6片式缝合，双层单拖网结构，背、腹网对称；网口周长减小为246 m，网身长度缩短为101.6 m，网目尺寸 300 mm，内网网目尺寸为 30～20 mm；囊网长度为45 m，囊网内网网目尺寸为 15 mm；上下纲长度为63.14 m，侧纲长度为53.8 m。

图4 TN01型南极磷虾捕捞网具示意图Fig.4 Schematic diagram of trawl net (ID: TN01) for Antarctic krill

3 海上生产测试结果

3.1 海试方案

海上测试时间为2015年4月19日－4月27日，共计9 d。试验渔船为上海开创远洋渔业有限公司“开利轮”，试验船为大型中层拖网加工船，总长109.6 m，船宽19 m，主机功率 5 256 kW。网具采用双手纲，上下手纲长度为150 m，水平扩张装置叉纲为23 m。在试网时利用加拿大RBR公司的TDR-2050型便携式温深计分别测定上纲中部在水中深度（上纲中部位置所处水深）、身网中上部在水中深度（网身第 1节与衬网间所处水深）、囊网在水中深度（囊网中部位置所处水深），作为囊网预加浮力调整的依据。试验主要调节参数有：浮力、沉力、曳纲长度、拖速等。通过网位仪观察不同试验条件下的网口水平、垂直扩张，并记录拖曳时间和网次产量。

3.2 浮沉力配备调整

根据作业水深、南极磷虾的行为特性以及拖曳速度，合理调整浮沉力配备，是取得良好捕捞效果的关键。初始作业时 TN01型拖网浮力配备规格为泡沫浮子72×0.13 kN+22×0.06 kN，沉子纲规格为铁链产生重力8.82 kN，重锤2只（每只重力2.45 kN）。第1次试网测试结果，网口高度（网具垂直扩张）约20 m，而水平扩张仅为12 m，未达到理想效果。调整后，浮力配备改为泡沫浮子2×14.7 kN+ 22×0.06 kN，浮力为14.7 kN的浮子规格为浮子周长3.4 m，长度1.6 m，浮力共计30.72 kN。第2次试网测试结果，网口高度能够达到24 m，而水平扩张仅为15 m左右，判断原因为浮力配备过大。由表2可知，在 2次浮力调整试验中，囊网部位所处水深较身网中上部所处水深浅，说明囊网所配浮力偏大，在拖曳过程中上翘，不利于捕捞磷虾时导鱼入网的效果，因此需要减少囊网部位的浮力配备，拟减少1/3～2/5的浮力。

表2 拖网不同部位所处水深Table2 Depth of different parts of trawl net

调整后的拖网浮沉力配备为泡沫浮子 84× 0.13 kN+22×0.06 kN，沉子纲规格为铁链8.82 kN，重锤2只（每只重力2.45 kN），浮沉比约为1∶1.1，总浮力控制为12.24 kN，囊网部位浮力减小2/5；如图5所示为拖网不同部位（上纲中部、身网中上部和囊网部位）所处水深变化。随着曳纲长度的变化，上纲中部所处水深一直最低，而身网和囊网所处水深却出现了交替点。当曳纲长度小于230 m长时，囊网所处的水深低于身网部位，说明囊网浮力仍偏大，囊网部位后翘影响导鱼效果，而在曳纲大于230 m后，作业水深增加，囊网所处水深增加，拖网网型展开良好。因此可得出结论，在此浮沉力配置下，TN01型拖网更适用于深水拖网，才能保证网型的良好形状，若进行浅水层的拖网则需要减小网具囊网部位的浮力，适当调整浮沉力，才能保证较好的渔获效果。根据试验观察以及数据测定分析，建议实际生产中TN01型网具的浮沉比配备为1∶1.1。

图5 不同部位随曳纲长度变化的所处水深Fig.5 Depth of different parts of trawl net in water along with changes of warp length

3.3 水动力性能

在南极磷虾拖网作业中，要求作业网具的网口高度在20～30 m之间[9]。利用开利轮现有水平扩张装置，TN01型拖网在手纲配置为150 m、浮沉比为1：1.1时，网口高度能够达到26～29 m。试验中观察，网口垂直扩张与曳纲收放长度无显著相关性。当曳纲从几十米增加到300 m左右时，网口垂直扩张呈现起伏变化，这或许与拖速的变化有关。综合试验分析可知，拖速为1.542 m/s时试验网具网口高度为 26～29 m，垂直扩张比（网口高度与网口周长之比）达到0.11～0.12。由图6可知，随着曳纲由90 m放长到370 m，水平扩张也由14 m扩张到20 m，水平扩张比为0.22～0.32。试验网具达到设计预估性能，垂直扩张和水平扩张效果良好。

图6 不同曳纲长度下的网具水平扩张Fig.6 Horizontal expansion of trawl net in different warp length

3.4 渔获产量

生产作业期间，拖网时间一般为 45～60 min，试验网具测试15次。每网次产量如图7所示，最高单网次作业渔获总量为40 t，渔获效果良好。由于磷虾的生物学行为具有昼夜浮沉（不同渔区有差异）的特性，因此，作业时需要对曳纲的长度进行适当调整，以适应不同水层的作业。白天时间，海面具有光照，磷虾群上浮，因此作业时水深较浅，一般在50 m以内，而在夜晚时间，磷虾群下潜，作业水深也随之调整到更深水层，作业水深一般在70 m左右。从渔获量对比分析，昼夜之间渔获量差异不大，白天平均每网次渔获产量约为33 t，而夜晚平均每网次渔获产量约为 28 t，平均每网次渔获产量可达30 t，渔获效率理想，较同渔区其他拖网渔船渔获产量（一般平均每网次渔获产量约为20 t[32]）提高约50%。

图7 南极磷虾渔获量结果Fig.7 Catches of Antarctic krill

4 结 论

1）针对南极磷虾生产作业中拖网网具与渔船匹配性差、网口扩张较小的主要问题，在对国内外现有南极磷虾拖网进行全面模型试验的基础上，完成了网具的选型优化分析、网具优化设计、海上测试。自主设计并制造完成了TN01型南极磷虾拖网。TN01型网具系单船有翼单囊拖网，采用4片式设计，6片式缝合，双层单拖网结构，背、腹网对称；网口周长为 246 m，网身长度为101.6 m，网目尺寸300 mm，内网网目尺寸为30～20 mm；囊网长度为45 m，囊网内网网目尺寸为15 mm；上下纲长度为63.14 m，侧纲长度为53.8 m。

2）海上测试结果表明南极磷虾捕捞拖网稳定性高，网口扩张良好。当曳纲长度小于230 m长时，囊网的所处水深低于身网部位，说明囊网浮力仍偏大，囊网部位后翘影响导鱼效果。当曳纲大于230 m后，随着作业水深增加，囊网水深增加，拖网网型展开良好。实际生产中建议网具浮沉比设置为 1：1.1，具体可配备泡沫浮子84×0.13 kN+22×0.06 kN，沉子纲配备铁链8.82 kN，重锤2只（每只重力2.45 kN）。

3）拖速为 1.542 m/s时试验网具网口高度为 26～29 m，垂直扩张比达到0.11～0.12。随着曳纲由90 m放长到370 m，水平扩张也由14 m扩张到20 m，水平扩张比为0.22～0.32。试验网具达到设计预估性能，垂直扩张和水平扩张效果良好。

4）渔获量情况方面，平均每网次渔获产量为 30 t，较同渔区其他拖网渔船渔获产量（一般平均每网次渔获产量约为20 t）提高约50%。渔获效率理想，可为进一步自主研发优质、高效的南极磷虾捕捞网具提供参考依据。

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Structure improvement design and performance experiment of Antarctic krill trawl net

Feng Chunlei, Liu Jian, Zhang Yu, Wang Yongjin, Zhang Xun, Zhou Aizhong, Wang Lei, Wang Lumin※
(East China Sea Fisheries Research Institute,Chinese Academy of Fishery Sciences,Key Laboratory of East China Sea and Oceanic Fishery Resources Exploitation,Ministry of Agriculture,Engineering Technology Research Center of Marine Fishing,Chinese Academy of FisherySciences,Shanghai200090,China)

The Antarctic krill resource is very abundant in the area surrounding the Antarctic and the total production in China has reached nearly 60 000 t. At present, the existing problems are the lack of exclusive localization fishing gears for Antarctic krill fisheries and the low matching degree between the trawl net and the fishing vessels. Through collecting the production situation of fishery company at home and abroad, 6 kinds of different existing Antarctic krill trawl nets were selected as the experimental prototype. The model test was carried out in the flume of trawl fishing gear in East China Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences. The coefficient of energy consumption, net resistance and height of net opening of different trawl nets were measured under 3 test conditions. The model test results showed that the height of net opening of trawl net No.1-3 was higher than other types of trawl nets, but its mesh size was too large to stop the escape of Antarctic krill. The net resistance of trawl net No.4-6 was higher than others. Based on the analysis of the hydrodynamic performance of 6 kinds of existing Antarctic krill trawl nets imported from fishery developed countries, an improvement program of TN01 type four-panel Antarctic krill trawl net with small mesh was developed independently. In April 2015, a 9-day sea trial was carried out in the Antarctic krill fishing ground. The test fishing vessel was “Kaili” from Shanghai Kaichuang Ocean Fisheries Co., Ltd. The sea trial results showed that: 1) When the warp length was less than 230 m, the depth of cod-end was lower than body net, which meant the buoyancy force of cod-end was too large. When the warp length was longer than 230 m, the depth of cod-end and the working depth had a positive relationship. The best buoyancy-weight ratio was suggested to be 1:1.1; 2) No significant correlation was found between the length of the vertical net opening and the length of warp. When the trawl speed was 1.542 m/s, the height of the vertical net opening was 26-29 m and the vertical expansion ratio was 0.11-0.12. As releasing the warp length from 90 to 370 m, the height of the horizontal net opening increased from 14 to 20 m. The expansion ratio was 0.22-0.32. The expansion at vertical and horizontal direction had good effect, which has reached the requirement of design. 3) The comparative analysis of the catch showed no significant difference between the day and night. The average yield per net in the daytime was 33 t and the average yield per net at night was 28 t. The average yield per net in sea trial was 30 t, which increased by nearly 50% compared with other fishing vessels around the same fishing area (according to the statistical records, the average yield per net was about 20 t). The new type of Antarctic krill trawl net has the characteristics of high efficiency and is suitable for the fishing vessels, which can provide a theoretical basis for further independent research and development of the Antarctic krill trawl net.

fisheries; design; model structure; Antarctic krill; fishing; trawl; fishing gear; model test

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.010

S977

A

1002-6819(2017)-07-0075-07

2016-03-10

2017-03-01

国家科技支撑计划（2013BAD13B03）

冯春雷，男，副研究员，主要从事捕捞技术和渔具渔法研究。上海 中国水产科学研究院东海水产研究所，200090。

Email：fengcl@ecsf.ac.cn

※通信作者：王鲁民，男，研究员，主要从事网具材料与渔业发展战略研究。上海 中国水产科学研究院东海水产研究所，200090。

Email：lmwang@ecsf.ac.cn