虾蟹池塘水草清理机械研究进展

王 琢，张俊峰，肖 进，何雨霜，罗友谊，田满洲

（武汉市农业科学院，武汉 430345）

中国小龙虾、河蟹产业蓬勃发展，养殖面积和产量保持较快增长，养殖模式创新发展，相应配套机具也加快了更新换代。“十四五”渔业发展规划指出，2020 年水产养殖机械化率为32%，到2025 年水产养殖机械化水平总体达到50%以上。水草清理是虾蟹养殖必不可少的环节，水草清理机械的作业效率、安全性也极为重要［1，2］。

1 虾蟹池塘机械化养殖基本情况

1.1 虾蟹养殖产业发展情况

2021 年，中国小龙虾产业总产值为4 221.95 亿元，同比增长22.43%。其中，分别以养殖、加工、餐饮为主的一二三产业产值之比约为2∶1∶7。2021年，中国小龙虾养殖面积为173.3 万hm2，同比增长19.01%，产量为263.36 万t，同比增长10.02%；小龙虾养殖产量占全国淡水养殖总产量的8.27%，位列中国淡水养殖品种第六位；湖北省小龙虾养殖总产量107.36 万t，占全国的40.77%。

2020 年，中国河蟹产量为77.59 万t，其中湖北省淡水养殖河蟹产量为15.09 万t，仅次于江苏省，居全国第二位。湖北梁子湖大河蟹是中国国家地理标志产品。

1.2 虾蟹池塘机械化养殖技术

虾蟹池塘机械化养殖包含清塘消毒、池塘肥水、水草栽培、苗种消毒与投放、饲料投喂、水质监测与调控、水草清理、捕捞收货等环节。清塘消毒一般在12 月，利用泥浆泵将池塘水排干，再将溶水后的生石灰全塘泼洒，最后再用挖掘机对池塘进行翻耕后晒塘。池塘肥水是通过水泵重新加适当水后，用洒药船施放发酵后的有机肥。水草栽培是为了净化水质，在池塘相应区域栽种伊乐藻、轮叶黑藻、苦草等水草品种，主要用到机动船等机具。饲料投喂虾蟹养殖管理中，投喂量、投喂时间、投喂地点都会影响到产品品质和经济效益，投饵机具主要有船栽投饵机、背负式投饲机、自动投饵船等。水质监测与调控也是养殖管理的重要环节，需要对水温、pH、氨氮浓度、溶解氧等参数监测，水质调控是通过物理、化学、生物手段使水质环境满足虾蟹生存要求，主要物理调控设备有水泵、增氧机等。当水草生长过快、密度过大时要通过水上割草船对水草进行梳理和切割，防止造成水流循环不畅和地热效应。捕捞收货根据不同季节和品种采用地笼、专用蟹笼、虾笼或拖网进行捕捞［3-5］。

1.3 水草清理要求

水草栽种是虾蟹养殖过程中必不可少的环节，水草可以有效吸附养殖水体中重金属等有毒有害物质，改善养殖水质。然而，过多的水草会造成水流循环不畅和地热效应，也会影响水下氧气含量，水草残体分解释放物还会造成水体污染，从而影响虾蟹品质和产量。因此，水草密度、高度的控制显得格外重要。水草的治理主要采用物理治理方式，即采用专用割草机械对水草进行清理、梳割。通常，在小龙虾养殖池塘，水草种植面积占池塘水域养殖面积35%左右；在河蟹养殖池塘，水草种植面积大致为水体面积的60%~80%。水草高度控制在离水面10~20 cm［6］。

2 水草清理机械研究现状

为提高水草物理治理的机械化、智能化水平，降低劳动轻度、提高作业效率，国内许多学者对水草清理机械及控制系统进行了研究。吴波等［7］为满足河蟹养殖过程中清理水草清理的需要，基于ARM 控制器设计了一种基于GPS 与INS 联合自主导航的河蟹养殖用水草清理作业船，可实现手动控制、遥控控制和自动控制。刘会贵等［8］为满足河蟹养殖对水草定期修剪清理的要求，设计了一种基于ARM 的中小型智能化GPS 自主导航的水草清理船，具有无舵明轮推进器、回旋式切割装置、割深自动调节器的结构特点，采用PI 与PD 控制和高精度GPS 导航控制等技术，航迹误差控制在±30 cm 范围内，可以有效提高水草收割的效率。赵德安等［9］针对河蟹养殖过程中存在的水草清理难度大、饵料投喂不均匀、人工成本高等问题，设计了一种基于ARM 和GPS/INS 组合导航的多功能全自动河蟹养殖作业船导航控制系统。系统基于实时插点的航道位置计算方法，实时地解算出当前时刻的目标位置，制定航向控制策略。完成了基于模糊PID 的航向、航速双闭环运动控制算法以及嵌入式系统软硬件设计。吴玉娟等［10］为实现水草收割机械化，研发了虾蟹池塘养殖水草自动收割装备，实现了水草收割工作速度自动调节、水下切割深度自动调节。阮承治等［11，12］为降低养殖户劳动强度和提高导航定位精度，结合DGPS 和视觉导航的优点，设计了一种用免疫粒子群算法来优化无迹卡尔曼滤波的组合导航定位方法，将其应用于水草清理作业船上，提高了作业效率。罗吉［13］为解决河蟹养殖过程中水草清理和均匀投饵2 大难题，设计了一种明轮驱动的水产养殖作业船船体、全覆盖路径规划算法、自动导航系统以及配套的嵌入式系统软件。戚浩［14］为提高虾蟹养殖中水草清理的机械化与智能化水平，设计了一种明轮驱动的割草船。割草船基于IMU/DGPS 的组合导航技术可以精准检测航向角及经纬度，全覆盖自巡航控制系统，可以提高作业覆盖率，降低作业重复率，降低收割遗漏率。徐扬［15］为解决水草泛滥问题，针对水草收割设备切割幅度小、切割深度调节范围窄、沉水水草收割效率低以及缺少集料装置、需要频繁到岸边卸草等问题，设计了两栖式水草收割船。

3 水草清理机械应用

水草清理机械主要有手持式水下割草机、船载式水下割草机、水草割-收一体机、水草割-收-卸一体机。手持式水下割草机适合较浅的水域，可以实现单人割草操作，重量5 kg，由后置电机、工作开关、辅助握把、铝杆、齿轮箱、刀片、锂电池等部分组成，用户可以携带至室内进行充电（图1）。船载式水下割草机采用48 V 电瓶供电，重量约50 kg，需要固定在水泥船、铁船上使用，有双刀和单刀2 种规格，单刀版的割草机只有前面的横刀，长度可以做到1~2 m，双刀版除了横刀以外，还有竖刀，竖刀长度为0.8 m。双刀主要用在水草较密集的水域（图2）。水草割-收一体机采用浮板结构，通过明轮推进器控制航行速度、航行方向，将割下来的水草收集在浮板上，水下割草深度80 cm，承重1 500 kg，割草范围最大1.8 m（图3）。水草割-收-卸一体机同样采用浮板结构，通过两侧无刷直流电机带动明轮的方式推进机组运行，两侧明轮转速差实现转弯、掉头。与割-收一体机相比，该割-收-卸一体机增加了卸草装置，可以将割下来的水草通过卸草装置上的传送带直接将水草卸在岸边陆地上（图4）。市面上各种水草清理机械主要特点和优缺点见表1。

表1 各水草清理机械产品特点

图1 手持式水下割草机

图2 船载式水下割草机

图3 水草割-收一体机

图4 水草割-收-卸一体机

4 主要问题与展望

与其他水产养殖机械一样，在水草清理机械科学研究领域和产品开发领域，国内许多高校、科研院所、企业都开展了一系列的研发工作，取得许多成果，生产的很多产品也在实际生产过程中得到了应用，带来了一定经济效益。然而，这些技术和产品也存在许多不足，还有许多问题亟待解决。

第一，科研成果无法为生产服务。科研项目可以解决许多科学层面和技术层面的难题，但往往在短期内无法应用到生产实际。产生这种现象的原因，一是大多数科研项目研究内容高端前沿，主要是瞄准未来产业，而对于解决现实问题的科研项目立项较少；二是科研团队往重功能实现，而不考虑生产成本，导致产品价格用户难以承担，无法推广。

第二，产品研发粗放，标准化、规模化生产方式有待形成。与工业领域相比，农业机械领域大型研发制造企业数量较少，许多小型企业都是作坊式加工模式，生产制造、宣传推广、售后维护等都存在质量管理体系不健全的问题，存在一定的安全隐患。许多工业领域的大型企业也逐步涉足农业领域。

第三，农机农艺融合还不足。渔业机械类项目研发一般是根据养殖模式、农艺需求来开发新技术、新产品，也就是以农艺为主农机为辅，会使产品在开发过程中面临传统养殖技术体系上的条件限制，无法最大程度创新研究思维。因此，农机和农艺应该更加深入融合，养殖技术也应该主动适应机械化发展需求，形成新的机械化养殖技术体系。

随着研发机构和推广机构的分工合作、农机农艺的持续融合，这些问题会得到解决。针对水草清理机械，未来的主要有以下发展方向。

第一，多功能化。在虾蟹养殖过程中，水草栽培、苗种消毒与投放、饲料投喂、水质监测与调控、水草清理等作业都要借助船来完成，如果都是功能单一的专用作业船，那么经营多个池塘的渔民需要数量庞大养殖机械，这对养殖成本控制、养殖机械维护都会有不利的影响。

第二，智能化。在水域面积且水草密集的情况下，具备收集水草功能的割草船需要频繁的往返与池塘水域和岸边进行割草和斜草操作。若实现智能化作业后，割草船可以智能的识别水草，并自动规划航行路径，实现割草、斜草的无人作业。

第三，小型化。对于具备收集水草功能的割草船需要大块面积存放水草，所以体积一般比较大。然而，若实现智能化作业之后，渔民可以不用亲自上船操作机器，只用在岸边监管机具自动作业，作业时长可以忽略不计，通过时间换取空间的方式使割草船小型化。

5 小结

中国虾蟹产业发展迅猛，育苗和养殖模式创新发展，产值不断提升。但水产养殖机械化率水平较低，水草清理等环节配套机具不能适应养殖技术发展需求。许多科研机构、企业从机械结构和控制系统等方面对水草清理机械展开了研究，市面常用的主要有手持式水下割草机、船载式水下割草机、水草割-收一体机、水草割-收-卸一体机等类型的水草清理机械，部分产品也存在售价高、质量参差不齐等问题，未来水草清理机械会朝着多功能化、智能化、小型化的方向发展。