网口结构变化对南极磷虾桁杆拖网水动力性能的影响

程 军，宋伟华，李灵智，杨嘉樑，饶 欣，李 帅，黄洪亮

(1 浙江海洋大学水产学院，浙江 舟山 316022；2 浙江海洋大学国家海洋设施养殖工程技术研究中心，浙江 舟山 316022；3 中国水产科学研究院东海水产研究所，农业农村部远洋与极地渔业创新重点实验室，上海 200090 )

南极磷虾(Euphausiasuperba)是生活在南大洋的一种甲壳类浮游动物[1]，其丰富的资源与价值潜力，吸引着众多海洋强国竞相开发和探索[2-6]。中国自2010年发展南极磷虾渔业以来，国内已形成完整产业，但产量和捕捞效率依然远不及磷虾渔业最发达的国家。捕捞方式落后是主要原因之一，目前，磷虾渔业的作业方式主要有单船网板拖网和桁杆连续泵吸拖网两种方式[7-8]。 截至2021渔季，中国南极磷虾捕捞渔船皆以变水层单船网板拖网方式作业[9-13]，与挪威为代表的连续泵吸拖网捕捞相比，捕捞效率低且虾体易破损，产品品质难以保证[14-15]。随着中国南极磷虾渔业的持续发展，使用以桁杆泵吸拖网为主的高效捕捞方式是中国南极磷虾渔业发展的必然趋势。桁杆拖网作为桁杆泵吸拖网整个捕捞作业系统中重要一环，其性能的优劣是决定捕捞效率与产品品质的关键因素。

目前，国内鲜有关于南极磷虾桁杆拖网结构性能与重要部件对网具作业性能影响的公开研究成果报道。近年来，国内学者对南极磷虾拖网的研究集中在应用于变水层网板拖网的小网目磷虾拖网的应用与设计。孟涛[16]、徐鹏翔等[17]基于模型试验，对小网目磷虾拖网的扩张性能进行了研究，认为增加浮沉比，缩短手纲长度、增加空纲长度可以提升网具性能。冯春雷等[18]对国内外6顶南极磷虾拖网进行了水槽模型试验，比较不同网身结构的网具在水动力性能上的表现并设计了改进方案。陈明鑫[19]、苏志鹏[20]基于海上生产数据分析捕捞操作对磷虾拖网网位和网型的影响，指出调整曳纲长度是改变拖网网位最有效的方法，拖速对对网具阻力的影响相较于水平扩张比更为明显。虽然国内学者对小网目磷虾拖网的研究已经较为全面与深入，而桁杆拖网结构与关键属具对其水动力性能的影响尚不明晰。

本研究通过对3种网口结构不同的桁杆拖网进行模型试验分析，以探究网口结构与桁杆拖网水动力性能之间的关系，探究桁杆拖网最适的网口结构，以期为中国南极磷虾渔具优化与设计提供参考。

1 材料与方法

1.1 实物网与模型网

母型网网具主尺度为20 m×124 m(上纲长×网具全长)，模型网设计采用田内准则[21-22]，依据试验水池规格条件，计算大尺度比λ为20(实物网与模型网主尺度的比值)；小尺度比λ′为10(实物网与模型网网线直径和网目尺寸的比值)。根据《拖网模型制作方法》[23]标准中渔具模型实验准则 I进行换算设计制作3顶模型网，三顶模型网主尺度与网衣材料相同，通过设计不同下纲长度来改变网口结构与形状。为探究网口结构对南极磷虾桁杆拖网水动力性能的影响，在确保网具主尺度不变的前提下，调整下纲长度，分别在不同拖速与沉力条件下进行水槽试验。实物网与模型网规格参数见表1。

1.2 试验方法和环境

模型试验在上海海洋大学国家远洋渔业工程技术研究中心动水池中进行，水池主尺度：9 m (长)×3.5 m (宽)×2 m (深)；测力传感器：型号为LC-FW-100；量程为100 N；非线性误差为0.5 % F.S.C；应用高清摄像机拍摄网具水中形态，通过图片修正获取网口高度数据。

模型试验网具安装如图1所示。左右手纲平行，前端连接测力传感器，后端分别与桁杆两端抓手连接。配备重锤2个，分别安装于下纲两端，下纲中间不配重。

图1 模型试验网具安装

南极磷虾渔业作业常规拖速为：0.5～1.5 m/s，根据田内相似准则设计5个试验流速：0.264 m/s，0.352 m/s，0.440 m/s，0.528 m/s和0.616 m/s，速度比采用3.162，计算实物拖速为0.83 m/s、1.11 m/s、1.39 m/s、1.67 m/s、1.95 m/s。

《刑法》第217条“复制发行”概念的解释与适用............................................................................................张 鹏 04.58

沉力配备如表2中所示，3顶模型网分别在3种沉力配置下进行9组(平行组)试验，共得到45组试验结果。

表2 沉力配备

1.3 数据处理

根据SC/T 4011—1995《拖网模型水池试验方法》[24]标准进行数据处理，换算为实物网的水动阻力及网口高度。实物网与模型网的阻力关系为：

F1=F2λ2λ′

(1)

式中：F1为实物受力(N)，F2为模型网受力(N)，λ为模型的大尺度比，λ′为小尺度比。

实物网与模型网的网口高度的关系为：

H1=H2·λ

(2)

式中：H1为实物网的网口高度(m)，H2为模型网的网口高度(m)，λ为大尺度比。

实物网的扫海面积计算式为：

(1)

实物网的能耗系数计算式为：

(4)

式中：Ce为实物在设定拖速下的能耗系数，[kW·h/104m3];F1为实物网在该设定流速下的计算阻力(N)。

一般以拖网过滤104m3水体所消耗的电量，即能耗系数来表示拖网捕捞效率[25]。

基于换算后的阻力、拖速和网口高度等实物网数据，使用SPSS 21.0对试验结果进行多因素方差分析，检验拖速和沉力两个因子对网口扩张性与网具阻力的影响(显著水平P=0.05)，分析中只考察主效应。

2 结果

2.1 不同参数与网具阻力间的关系

2.1.1 网口结构对网具阻力的影响

图2为3顶网口结构不同的网具拖速与阻力的关系。3顶实物网的阻力均随拖速的增加而增加，除了在单边沉力配重381 g，拖速为0.83 m/s条件下，1号网阻力小于相同试验条件下的其他两顶网具；2号网与3号网阻力值接近，均大于1号网。从回归曲线关系式来看，阻力与拖速呈幂函数关系，指数介于0.778 4～0.859 3，相同配重条件下，1号网阻力增长速率小于其他2顶网。

图2 3种不同网口结构的网具阻力与拖速关系

2.1.2 沉力和拖速对网具阻力的影响

图3为沉力与拖速对网具阻力的影响。双因子方差分析结果显示，拖速与沉力均对桁杆拖网的阻力有极显著影响(P<0.01)。 沉力、拖速与网具阻力呈正相关，且关系曲线随着拖速增大呈分散的趋势，因此，随着拖速增加，不同配重下网具阻力差异增大。图中柱状图表示相同拖速条件下，沉力变化时阻力值的变化。由图3可见，整体上，沉力从248 g增大到318 g时的阻力增加明显高于沉力从318 g增大到381 g，尤其是2号网和3号网的试验结果。

图3 不同配重下网具阻力与拖速的关系

2.2 不同参数与网口高度间的关系

2.2.1 网口结构对网口高度的影响

图4为网口高度与拖速的关系图。由图4可见，在不同配重与拖速下，3号网网口高度始终高于1号网和2号网，而1号网和2号网网口高度接近。单边配重248 g和318 g时，1号网在低拖速段时的网口高度大于2号网，而当拖速超过1.39 m/s后，2号网网口高于1号网；单边配重381 g时，在0.83～1.67 m/s拖速段，1号网网口高度略高于2号网，当拖速达到1.95 m/s时，2号网网口高度较高。整体上来看，1号网与2号网网口高度较接近，3号网网口高度明显高于其他2顶网具。此外，从回归关系式可见，随着拖速增大，2号网与3号网的网口高度下降速率小于1号网。

图4 3种不同网口结构的网具网口高度与拖速的关系

2.2.2 沉力与拖速对网口高度的影响

拖速与沉力对南极磷虾桁杆拖网网口高度的影响见图5。图5可见，网口高度与拖速负相关，与沉力呈正相关，拖速较低时沉力对网口高度的影响较小。但随着拖速增大，不同沉力配置下的网口高度下降速率明显不同。拖速在0.83～1.11 m/s区间，网口高度下降速率较小，而拖速超过1.11 m/s后，网口高度下降速率会突然增大。

图6为不同配重下，网口高度变化率与拖速的关系。由图6可知，拖速在0.83～1.67 m/s区间，沉力配备越大，拖网网口高度下降速率越小，拖速超过1.67 m/s后情况相反。图5中柱状图为两次沉力变化时网具网口高度的变化。整体来看，除1号网在0.83 m/s拖速下的试验结果外，沉力从248 g增大到318 g时的网口高度增大明显高于沉力从318 g增大到381 g时。通过双因子方差分析检验，拖速和沉力对桁杆拖网网口高度均有极显著影响(P<0.01)。

图5 不同配重下网口高度与拖速关系

图6 拖速区间与网口高度变化率的关系

2.3 网口结构与网具扫海面积的关系

图7为3顶实物网扫海面积随拖速变化曲线。图中可见，2号网的扫海面积在3顶拖网中最小。相同流速下，2号网网口高度虽然与1号网接近，但是水平扩张小于1号网，因此扫海面积较小。1号网在低流速段的扫海面积大于3号网，而 3号网在高流速段的扫海面积大于1号网，且在不同沉力配置下有不同的表现。

图7 扫海面积与拖速的关系

2.4 不同参数与能耗系数间关系

2.4.1 网口结构对能耗系数的影响

3顶网具在不同拖速下的能耗系数见图8，能耗系数随着拖速增加呈指数增长。拖速在0.83 m/s时，3顶网的能耗系数差别不大。随着拖速的提高，1号网的能耗系数明显低于其他两顶拖网。2号网与3号网的能耗系数接近，且2号的网能耗系数略高于3号网。

图8 不同网口结构的网具能耗系数与拖速关系

2.4.2 拖速与沉力对能耗系数的影响

实物网能耗系数与拖速和沉力的关系见图9。双因子方差分析结果显示，拖速对桁杆拖网能耗系数影响极显著(P<0.01)，沉力对能耗系数的影响不显著。但拖速较大时，适当增加沉力可以略微降低网具能耗系数。

图9 不同沉力条件下网具能耗系数与拖速关系

3 讨论

3.1 网口结构变化对网具性能的影响

试验结果表明，网口结构的变化对网具性能的影响较为复杂，网具阻力、扩张性以及能耗系数都有不同程度的变化。缩短下纲长度后网具阻力增大，同时网口高度增大，说明缩短下纲长度有利于网口的垂直扩张。2号网与3号网的网口高度下降速率小于1号网，说明2号和3号网的网口结构在流速变化时，网口高度变化较小，说明缩短下纲长度后网口结构的稳定性有所提高，因沉力分布在下纲两端，原因可能与下纲缩短后沉力分布位置改变有关。

由于网口结构的变化会导致水平扩张减小，网具的扫海面积因此没有明显提高。此外，通过图7中曲线注意到，1号网网口面积在拖速增大的过程中下降较快，2号网与3号网网口面积变化斜率较1号网略小。随着拖速增大，3顶网具扫海面积逐渐接近，说明相比1号网2号网与3号网网口扩张随流速变化较小，2号与3号网的网口结构更稳定。通常，网口垂直扩张性能提高，同时阻力增大，对于主尺度接近且网衣材料相同的网具，阻力越大意味着网口扩张越充分。但结合扫海面积和阻力情况来看，本次试验结果中阻力增长并不是由于网口扩张面积增大所致。如2号网，其在拖速区间0.83～1.95 m/s时的扫海面积小于1号网，而阻力大于1号网，说明网口结构的变化不光影响网具的扩张性能，还可能会导致网具在流场中与水流方向的平均冲角发生变化，从而导致网具整体受流面积增大。在3顶试验网具中，3号网下纲长度最短、网口腹部网目数最少，所以其水平扩张相对较小，因此虽然网口高度明显高于1号网，但扫海面积却与1号网接近。相比1号网，3号网在流场中的网口形状更偏“高瘦”，南极磷虾垂直分布的特征，这一点更有利于南极磷虾捕捞作业。南极磷虾渔场海况恶劣，网具的稳定性尤为重要，试验结果中发现，相比1号网，2号和3号网的网口结构稳定性均提高了。可见，在复杂潮流环境中拖网，采用缩短下纲长度的网口结构，能对提高网口扩张的稳定性起到一定作用。

3.2 沉力与拖速对网具性能的影响

图3和图5中柱状图表明随着沉力增大，阻力和网口高度变化逐渐变小，此后若继续增大沉力，阻力与网口高度可能不会有显著增长。已定型的网具在实际作业过程中，调节沉力与拖速是提高网口高度常用的做法，适当增加沉力可以提升拖网的网口高度，有利于作业性能提高，而过大的沉力不但对网具的扩张性能提升有限，反而会影响网位控制，并增加操作难度；在海况条件允许的情况下，适当降低拖速也是增加拖网扫海面积的有效方法。对于本研究所测桁杆拖网，拖速在1.11 m/s以内时，拖网扩张性能较好且阻力较小。此外，在计算扫海面积与能耗系数时，上纲与下纲的水平扩张采用网具的上下纲长度，而网具下纲在试验中可能未完全扩张，因此计算结果可能存在一定的误差。桁杆拖网的阻力和网口高度与流速的关系和有翼拖网类似，不同的是有翼拖网阻力与拖速关系呈指数增长[26-29]，而试验结果显示桁杆拖网阻力与拖速呈幂函数关系。

根据冯超等[30]对南极磷虾桁杆拖网网型研究的结果，沉力对网口高度的影响较小，与本研究所得出结论不同，原因可能是其在试验过程中没有装配横杆、衬网等属具，此外本研究结果中阻力值明显高于冯超所测结果，原因应该仍与属具的装配有关，装配桁杆与衬网均会导致网具阻力增大。

4 结论

缩短南极磷虾桁杆拖网下纲长度有利于南极磷虾桁杆拖网垂直扩张性能提高、提高网具稳定性，有利于增加拖网有效扫海面积，提高渔具综合捕捞效率。桁杆拖网结构的变化除了会提升网口扩张性能外，还会导致网具平均冲角增大，导致阻力增大，在设计与优化网具过程中，若综合考虑结构变化对网具的影响，通过调整网身、网囊沉浮力等方式，减小网具结构变化带来的负面影响，网具性能或能进一步提升。增加沉力的作用主要是提高网口垂直扩张，对网具能耗没有显著影响；拖速在超过1.11 m/s后扫海面积会快速减小，同时能耗系数快速增长，合理控制拖速既能提高捕捞效率又能降低网具能耗。

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