养殖工船系统构建与总体技术探讨

崔铭超，金娇辉，黄温赟

(1 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，农业农村部远洋渔船与装备重点实验室，上海 200092；2 青岛海洋科学与技术国家实验室深蓝渔业工程联合实验室，山东 青岛，266237)

随着社会经济发展，优质水产品需求日益增长，据估计，到2030年世界将有2 000万 t的水产品缺口需要弥补[1]。中国近海渔业资源日益枯竭，淡水及近海养殖环境日趋恶化，水体污染及养殖空间受限，发展深远海养殖，拓展现代化“深蓝”养殖新空间，开发海洋生物资源是国家战略及必然趋势[2-5]。发展深远海养殖，关键是安全可靠的设施装备，前提是品种与生产系统的经济性，途径是规模化生产与工业化管理[6]。发展深远海养殖工程设施装备的主要途径是构建大型养殖网箱和养殖工船[7]。国外深水网箱经过约40年的发展，先后开发了多种深海网箱，典型的有高密度聚乙烯(HDPE)网箱、张力腿(TLC)网箱及瑞典牧海型(FARMOCEAN)网箱等，大幅提高了技术水平和生产效率[8]。然而，网箱系统抵抗狂风及其他自然灾害侵袭的能力还很弱，设施安全保障不足。

20世纪70年代末，中国专家构想了“未来海洋农牧场”建设蓝图，提出养殖工船的初步设想，并开展了大型养殖工船系统研究[9-10]，近年来对10万吨级深远海养殖平台进行了总体技术研究[11]，启动了中国首个深远海大型养殖平台构建，形成了具有自主知识产权的集养殖、繁育、加工及渔船补给和物流等多功能于一体的规模化养殖工船技术方案。2017年7月2日，国内首艘养殖工船试验船“鲁岚渔养61699” 在日照港达船厂码头起航，标志着中国在推进深远海养殖装备现代化方面迈出了坚实步伐。20世纪80、90年代，欧美发达国家开始研发大型养殖工船，并形成试验船，但受制于产业发展条件尚不具备，且需求不足，缺乏大规模发展水产养殖的动力，最为根本的原因是发展水产养殖的综合条件与发展中国家相比，难以形成竞争力，因此一直以来未形成主体产业[10]。

1 研究意义

2 发展面临的问题

养殖工船作为新生事物，其发展必然会面临很多技术挑战，一是国家产业政策的限制，二是针对性规范规则的缺失。2018年6月30日，交通运输部发布2018第53号公告《交通运输部关于加强国(境)外进口船舶和中国籍国际航行船舶从事国内水路运输管理的公告》。根据公告要求，2018年9月1日起，申请从事国内水路运输的进口船舶和中国籍国际航行船舶，柴油机氮氧化物排放量应满足国际海事组织国际防止船舶造成污染公约(MARPOL)73/78 附则Ⅵ的特定要求：氮氧化物排放量标准是排放标准第二阶段(Tier II)，即进口2011年以前建造的船均被限制。便宜的老旧船舶改造操作空间越来越小。随着排放标准第三阶段(Tier III)预期，该类船舶操作改装空间近乎封闭。次新船的成本远远高于老旧船舶，船舶政策的调整大幅度增加了由旧船改造成养殖工船的成本。

规范规则层面，目前中国船级社(CCS)尚未有对应的规范，如《钢质海船入级规范》[12]、《海上移动平台入级规范》[13]中都没有要求或不完全符合实际需求。挪威-劳氏(DNV-GL)则提出了设计指南[14]，明确规定为确保安全，规范规则主要参照海上移动式钻井平台构造和设备规则(IMO MODU CODE)，一些基本安全要求可以采用船舶规范。采用IMO MODU CODE进行养殖工船设计，安全冗余度较大，而养殖工船实际作业工况环境载荷远远低于海上移动平台，如此会大幅度增加不必要的建造成本，降低经济性。基于此，对标国际船舶安全及防污染等相关公约，根据养殖工船实际作业工况特点，开展养殖工船设计方法和技术路线研究，为养殖工船的发展提供方向指引，具有十分重要的现实意义。

3 总体设计思路

以动力系统、系泊系统、养殖系统、物流系统及加工系统的总布置为基础，兼顾安全性、经济性及环保性，将商用运输船设计方法和养殖技术要求有机结合在一起，探讨构建深远海养殖工船系统和总体技术框架(图1)。

3.1 总布置

养殖工船有别于传统运输船，其集养殖、繁育、加工及渔船补给和物流等多功能于一体，长期游弋在深远海区域，配合物流补给船队和捕捞作业船队，形成多功能的大型渔业航母船。依据其功能，总布置也必然有异于传统运输船。

(1)动力系统。养殖工船对航速要求不高，庞大的动力系统主要用来支撑养殖平台的日常功能需求，兼顾航行推进。基于这种需求，常规燃油主机推动螺旋桨动力方式在系泊养殖期间几无作用，势必会造成极大浪费。若全船采用电力推进系统，其优点包括：可使机舱布置更加紧凑[15]，节省大量空间；提高船舶操纵性，易于实现自动控制；针对多种不同工况，全船功率全部由电站进行调配[16]，可大幅度降低运营成本，减少常规推进主机的闲置浪费。采用中高速发电机，可降低振动噪音，改善养殖环境。

(2)系泊系统。养殖工船主要功能是水产养殖，稳定泊于特定海域、减小横摇以利于平台内开展繁育及养殖工作是较理想的状态。然而，不同于浮式生产平台(FPSO)等，养殖工船对精准定位的要求并不高，动力定位(DP)系统以及复杂高级的系泊系统，无论是建造成本还是后期运营成本都相当高昂且无必要，探索经济高效的深水系泊系统具有较大的工程实际意义[17-21]。

(3)加工补给系统。养殖工船综合服务平台定位于可以养殖且兼有服务补给功能的大型渔业航母，并配合物流补给船队和捕捞作业船队，形成多功能的大型渔业航母船队。渔业航母船队运作时，由综合补给船向平台上转存燃油、淡水、食物等物资，需要时养殖平台再向捕捞作业渔船驳运该类补给物资，同时可以收储作业渔船的渔获并进行加工作业，延长作业渔船的自持力和续航力，节省渔船在海陆间的往返时间和油耗成本。

(4)养殖系统。养殖工船的核心作用是水产养殖，利用深远海优越的气候、资源和水质条件，开展高附加值经济性鱼类养殖生产。在平台甲板上布置繁育车间，实现鱼种培育，包括亲本蓄养、受精卵孵化、中间培育和规格苗种培育等生产环节；同时，利用平台内部空间构建大型养鱼水舱，采用深层取水流水养殖方式，将鱼种养成至商品规格。

(5)物流系统。养殖工船长期游弋于深远海，兼具深海渔业物流平台功能，集运输、储存、装卸、吊运、包装、加工、驳运中转、信息处理及贸易平台功能于一体。在深远海没有码头辅助的情况下，依据物流工业流程的需求，应做好甲板吊机、冷链存储配置，同时需要兼顾各类船舶的便捷靠泊。

三是建立健全农村供水项目资金管理制度，提高资金使用效益。建立健全覆盖项目立项、设计、实施、验收、管理等环节在内的整个资金运行全过程的管理制度体系，确保每项水利资金都有相应的资金管理制度，严格使用管理。对农村饮水安全项目的中央投资和省、市配套资金，在市农村饮水安全项目办公室设专户管理，实行市级报账制；县级自筹资金在县农村饮水安全项目办公室设专户管理，实行县级报账制。对妇基会的专项百事慈善资金加强管理，属于工程部分全部用于项目，采取水务局到妇联报账的管理办法。

图1 养殖工船系统构建路线图Fig.1 Aquaculture platform system construction diagram

3.2 安全性

常规船舶安全性主要考虑总体安全、结构安全、防火防爆、逃生及全船监控等方面，在此基础上，养殖安全在工船体系当中也尤为重要。养殖安全性主要涵盖以下几个方面：适渔性环境、水质安全、抑制横摇周期应激反应[22]、振动噪声以及防疫隔离安全[23-24]等。

(1)舱养适渔性环境。营造良好的舱内生存环境是考察养殖工船适渔性的基本条件。养殖工船系泊于深远海，利用大舱进行养殖，这就不可避免地出现液舱晃荡问题[25]。波浪环境下船舶的晃荡特性在液化天然气运输船舶等特种船型已研究多年[26-27]，波浪振荡载荷和舱内流体振荡相互耦合是一个典型的晃荡问题[28-32]，但对船舱内部的流动特征却鲜有研究。养殖舱内的流场运动形态会影响营养物的输移扩散进而影响鱼苗的食物摄取，流场特性同样影响水体温度场的变化从而改变鱼苗的生存体感，因此研究养殖舱内的流场特性对优化养殖舱结构，发展舱内养殖具有重要意义。晃荡问题受到结构水弹性、多孔介质阻尼等不同物理机制的影响，在模型试验中需要综合考虑水弹性、雷诺数和傅汝德数的影响，急需发展复杂介质和结构特性影响下的晃荡问题试验方法。因此，发展高效的数值(CFD)养殖舱进行流场仿真尤为重要。

(2)舱养水质安全。定期换水的封闭区域水质是决定工船内鱼群生态环境的重要指标。目前大范围定量预报水中溶解富营养物质、氧气等物质的输运扩散过程尚存在输运扩散系数难以确定的问题，这一难点在有限空间鱼群游动和船舶振荡条件下尤为突出。通过匀质化理论分析，建立周期性振荡流动和模拟鱼群随机游动两种特殊因素影响下的物质输运扩散模型，获得养殖工船内部复杂环境下的湍流扩散、泰勒色散等参数，为数值仿真养殖工船内部水质特性提供基本模型参数，并开展机理模型试验以验证所建立的输运扩散模型。定期换水是改善养殖工船内部水质的有效途径。通过CFD模拟不同换水位置、强度和频率对水质的影响规律，分析换水过程中舱内的流场特征，获得不显著影响鱼类生活状态的换水模式。通过比选，提出优化的换水模式。

(3)振动噪声以及防疫隔离安全。鱼类在水中主要通过内耳、测线器官和气鳔感受振动和声音，其中内耳是主要的声音感受器，侧线是鱼类感受水中微小活动的感觉系统[33]。不同鱼类在短时间振动胁迫和长时间振动胁迫下会有应激反应。振动和噪声对部分鱼类影响较大，如大黄鱼等，严重者可造成鱼体死亡。需要研究养殖品种对振动噪声的耐受度，探索主动及被动减振降噪措施，以提高养殖环境质量。当暴发某种病虫害时，为防止疫病向非疫区扩散、蔓延，除严格隔离外，还要采取严格的措施，实行封锁。封锁区划分应从防疫、生产、效益几个方面考虑确定疫区和受威胁区，按“早、快、严、小”的原则进行。通风系统隔离和疫区快速阻断是必要的手段。

3.3 经济性

依据国内外试验平台的数据结论，较小尺度的工船虽然初始建造成本较低，但是养殖水体较小，养殖量不高，单位产量养殖成本高。养殖水体达到万吨以上，单位产量养殖成本迅速降低，但是初始建造成本又比较高。因此，需要在初始建造成本和后期营运成本之间寻求一个平衡点，来衡量养殖工船的经济性。通过优化设计，控制空船重量重心，增大养殖舱容积，进而在一定排水量的前提下，增加养殖水体量。在高效动力系统和深水系泊系统之间也可以寻求一个建造及营运的平衡点。在一定环境载荷下可维持系泊，而在超过设计工况环境载荷情况下，采用动力推进游弋的方式维持养殖舱的适渔性，探索一种高效且经济的深水系泊系统具有切实的工程意义。

3.4 环保性

大型养殖平台应满足MARPOL公约中相应的要求。燃油舱总容积超过600 m3的所有单个容积超过30 m3的燃油舱均需要进行双壳保护。生活污水和生活垃圾等要符合MARPOL 73/78附则IV防止船舶生活污水污染规则。大气中氮氧化物(NOx)和硫氧化物(SOx)的持续上升是令国际社会担忧的问题。有几个因素被认为是造成空气中NOx增加的原因，而船舶废气的排放物就是其中之一，全球18%～30%的氮氧化物排放来自航运船舶。虽然关于Tire III关于NOx的要求尚未在全球海域强制实施，但不可否认，随着世界环保意识的增强，NOx和SOx的排放会受到越来越强的管控[34]。养殖工船在初始建造或者改装阶段，需要重点关注这一领域的技术进展，并视最新要求予以付诸实施。

船舶压载水携带的外来物种一旦入侵港口国水域[35]，会使海洋生态环境和人类健康受到严重威胁，因此IMO对压载水管理作出了积极应对。对于无限航区航行的国际船舶，压载水处理需要满足《国际船舶压载水及沉积物控制和管理公约》。作为新生事物，常年游弋在固定海域的养殖工船携带大量养殖水体，其如何界定也是一个较为尖锐的问题。航区和船舶性质对该问题有着重要影响，因此需要依据实际使用情况，匹配合适的航区并与主管当局就养殖工船性质进行协商[36-37]，以期控制成本，避免造成不必要的浪费。

4 结语

养殖工船作为新生事物，其发展必然会面临很多技术挑战，迫切需要有关部门建立专业化设计总则、技术规范与工艺规程予以指导。结合当前技术现状的基础，联合船舶和养殖行业开展技术攻关，基于动力系统、系泊系统、养殖系统、物流系统及加工系统的总布置，兼顾安全性、经济性及环保性，探讨构建深远海养殖工船系统和总体技术框架，以养殖工船为载体实施深远海养殖，构建集养殖、繁育、加工及渔船补给和物流等多功能于一体的深蓝渔业航母具有较大的经济价值和社会价值，可有效利用我国海域资源，是推动海洋经济发展的新途径，对充分挖掘海洋在食物供给方面的潜力、保障我国粮食安全和维护海洋权益具有长远意义。

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