現代海水網箱、海洋牧場技術進展及研究方法

陳志明 毛沛盛 嚴謹 吳英友 伍斯杰

摘 要：本文對現代深海網箱海洋牧場的特點做出總結，展示不同類型的深水抗風浪外海網箱，論述了國外海洋牧場技術發展現狀，詳細分析了重力式浮式網箱的水動力特性研究的重點、難點問題，總結了網衣系統、浮架系統的和配重系統的水動力性能特點和研究方法，并對近年來深水抗風浪網箱的研究熱點和發展方向做出一定展望。

關鍵詞：網箱；抗風浪；海洋牧場；水動力；進展

中圖分類號：U661.1 文獻標識碼：A

Abstract： The modern marine cages have the characteristic of offshore aquaculture， wind and wave-resistant， deep water aquaculture and scaling-up， marine ranching has become a multidisciplinary joint propulsion， comprehensive subject of common supporting industries， also widely spreads in domestic .This paper gives a summary on the characteristics of modern deep sea area， showing the different types of deep water marine cages with wind and wave-resistant characteristic， studies the research situation of marine ranching. We have a detailed analysis of hydrodynamic characteristics of gravity floating cages， and summary the research method of net system hydrodynamic performance and the stress of the floating frame system and the impact of weight system on the hydrodynamic performance of the cages. Then we have a direction outlook on deep water wind and wave-resistant cages.

Key words： marine cages； wind and wave-resistant； marine ranching； hydrodynamic performance

1 國內外海水網箱養殖概況

隨著深水養殖技術、海洋結構物制造技術的不斷提升，國內外深水遠海網箱養殖在近些年得到了極大的發展，海洋牧場[1]的概念被冠以新的生態意義，梳理并總結現代海水網箱技術及最新的深水養殖理念對推動國內深水養殖業水平發展具有重要意義。我國從上世紀70年代開始發展近海網箱養殖業，網箱養殖魚年產量40余萬噸，占全國海水養殖魚類的50%左右，海水網箱養殖技術的更新與提升有助于提升國內海水養殖業水平。傳統網箱一般都依附于沿岸港灣，由于網箱數量多、養殖密度大，水交換能力差，以及殘餌等因素，造成網箱養殖對近岸生態環境的破壞以及養殖對象的品質下降等問題[2]。80年代以來，過度捕撈和近海環境污染問題日益嚴重，導致近岸海洋漁業資源近乎枯竭，發展新型水產養殖，在外海地區大力發展高經濟價值魚類的深水網箱養殖業，成為沿海漁民轉產轉業的重要方向。

深水網箱是目前國外推廣最為廣泛、科技水平最高的海水魚類養殖模式，國外在深水網箱養殖方面的研究與應用已有30余年。其中，挪威的HDPE重力式浮式網箱[3]、美國的碟形網箱[4]、日本的金屬網箱、日本和我國臺灣省的浮繩式網箱的應用最為廣泛，上述網箱類型是目前海洋養殖設施發展的新趨勢[5]。深水網箱不僅抗風浪能力強，魚群容納量大，生長速度快，且由于深水網箱空間更大，養殖魚群品相好、肉質佳，具有良好的經濟效能。同時，快速流動的洋流能帶走魚群排泄物，魚群發生病害幾率小。與傳統近海養殖相比，深水網箱養殖的經濟效益和環境效益顯著。

此外，新型海洋牧場的推廣在國內已經展開。最初提出海洋牧場的概念是指在某一特定海域，為保障漁業資源有計劃地持續培育和管理而建立的人工漁場[6]。上世紀70年代以來，日本、韓國、美國、挪威等國家的海洋牧場建設取得了豐富的成果。在我國，曾呈奎院士首次提出了構建海洋牧場的號召[7]，積極推動以投放人工魚礁的方式構建局部海洋生態系統。2015年，我國公布了包括大連獐子島海域等在內的20個首批國家級海洋牧場示范區，國內海洋牧場建設規模逐漸增大。

2 現代海水網箱特點

隨著技術水平的發展，相比于傳統的近海網箱，現代海水網箱的功能、結構設計、適用環境等呈現出一定的新特點。主要包含以下幾點：

（1）遠海、深水養殖

遠海養殖網箱一般被放置在海岸外數公里的范圍，這些區域往往有大的水流和海浪。遠海養殖環境無污染、活水流動、單位水體產量高、魚類肉質好[8]，深水網箱強度高，耐使用，有效養殖水體大，受外界環境干擾小，有利于魚類生長。遠海深水養殖起源于美國，隨著研究熱度的不斷深入，目前已有二十多個國家開展深遠海養殖研究和風險投資，我國多個深遠海地區[沿海城市改為深遠海地區]也陸續構建了大型深遠海養殖基地。

（2）抗風浪設計

近海岸由于風浪條件好，潮流平穩，因此設計中不會重點考慮風浪的影響。然而遠海環境的風浪級數較近海要大得多，因此，抗風浪能力的好壞關系到網箱的使用壽命和使用效果，魚群的生長也會受到影響。現階段的網箱抗風浪水平達到海面最大風級11級[9]，最大海面波高至少 5 m，最大流速1.5 m/s。因此，開發一種具備抗強臺風、施工方便的新型網箱錨泊系統至關重要。目前國內外各式海水網箱系統如重力式網箱、鋼結構板架式網箱、蝶形網箱、錨拉式圓柱網箱、升降式網箱等等都將抗風浪設計考慮在內，利用各自的網箱特點達到抗風浪效果。

（3）大型化發展趨勢

隨著深遠海養殖技術的不斷提升，深水網箱日益趨向大型化。以挪威的HDPE網箱為例，其周長均值在80 m-100 m之間，最大周長可達120 m，網深約40 m，構建出大型的養殖水體，每箱產魚量達200 t[10]，見圖1。而美國的碟形網箱周長近80 m，有效養殖容積達3000 m3，該網箱采用鋼結構柔性混合結構，極大地提高了抗流能力，在1.5 m/s的海流沖擊下箱體能夠保持不變形。發達國家集約化養殖技術高，深水網箱配套設施齊全，維護與服務體系完善，自動化水平高，大型產業化程度高，見圖2。

3 海洋牧場發展

海洋牧場配套設施齊全，采用集約化養殖管理，為各類海洋生物構建人工控制的生態體系，有效保障了漁業資源的有效產出的穩定增長[11]，同時具備生態環境友好、海洋資源可持續發展的優點。

美國在1968年首次提出建設海洋牧場，并于1974年構建加利福尼亞巨藻海洋牧場系統，該海洋牧場最早將海洋牧場的構想變為現實，見圖3。日本在1971年也提出，將海洋牧場建設作為國家未來漁業發展的基本技術體系，通過海洋牧場技術科學有效的從海洋生物資源中獲取生產資料。1973年，日本再次強調海洋牧場的地位，認為它是“人為控制下保護和利用海洋生物資源”的一種全新的生產方式[11]，同時在日本國內大力推行海洋牧場的建設。韓國在1994年對海洋牧場建設展開研究，并于1998年開始大規模建設海洋牧場，試圖實現海洋水產資源的最優化利用。

縱觀上述發展歷程，世界各國關于海洋牧場的概念界定一直是發展和變化的，世界各國建設海洋牧場也朝著多元化的方向發展，海洋牧場須同時兼顧漁業經濟效能和海洋資源培育型利用，隨著科技水平、制造業水平的不斷提升，海洋牧場研究已經成為一個多學科共同推進、多產業共同支撐的綜合課題。

4 水動力性能研究方法

突破深海海水養殖限制和實現新型海洋牧場的構建，其核心落腳點是深水網箱的功能設計和性能研究。重力式浮式網箱[12]是國內引進較早，研究較為深入的深水抗風浪網箱類型，其水動力特性研究是決定網箱設計和安全使用的基礎和依據。此部分針對深水網箱的水動力特性、運動特性研究方法和方向進行闡述。國外相關研究展開的較早，技術相對較為領先，國內高校及科研單位的相關研究成果也逐漸豐富，中國海洋大學、大連理工大學、浙江大學等[13-17]在重力式浮式網箱的網衣水動力特性、浮架系統在波、流狀態下運動特性等方面進行了大量研究。

常見的重力式浮式網箱由網衣系統、浮架系統和配重系統組成，這三個系統面臨的科學問題和解決手段存在明顯的差異，但三者之間也存在著相互作用影響，因此，重力式浮式網箱的水動力特性、運動特性研究是一個研究難度高、研究內容非常豐富的研究課題。

在進行重力式浮式網箱的水動力特性研究中往往采用模型試驗、數值模擬和實物驗證三種方式完成，三種方式均有著各自的優缺點，模型試驗中存在相似準則選取問題，數值模擬中存在著數值計算精度困難，而實物驗證的實際監測設備研發也較為困難。后文基于應用最為廣泛的模型試驗方法詳細的對網衣系統、浮架系統和配重系統的水動力特性研究及其重難點進行闡述。典型的重力式浮式網箱及水池模型試驗圖見圖4。

4.1 網衣水動力特性

網衣系統是網箱的主要部件之一，在水流條件下是影響網箱整體受力特性的主導因素。對網衣性能的研究將有利于對網箱網衣系統的了解。關于網衣水阻力系數的研究一直是很多學者關注的焦點，日本學者宮崎芳夫、田內、蘇聯學者弗里得門、巴拉諾夫[18]等都曾對各種規格的網衣做了大量的試驗研究。

網衣模型的設計在漁網漁具模型試驗中是一直存在的難題。在大比尺模型試驗中提出了一些關于網衣模型的相似準則，如狄克遜準則、田內準則及克里斯登生準則等，國內較為常用的是田內相似準則，但是滿足田內相似準則在網箱模型試驗中存在較大困難。現階段研究[18]考慮到為保證網衣模型的受力和變形特性與田內相似準則一致，提出了采用網衣變尺度模型和重力相似準則相結合的設計方法。

網衣水動力特性研究一般包含以下幾個方面問題：

（1）網目參數的影響。網目一般有菱形、矩形和六邊形結構，分有結節和無結節兩種情況。網目個數、網目的形狀、有無結節對于網衣的水動力特性均存在影響；

（2）網衣水阻力系數與雷諾數的關系。諸多研究表明網衣的水阻力系數隨雷諾數的增加而減小，網衣張緊狀態下的水阻力系數大于標準狀態下的水阻力系數，有結節和無結節網衣水阻力系數和雷諾數關系存在一定的差別；

（3）網衣對流速衰減的研究。網箱內水體的流動直接關系到魚類是否能夠快速、健康生長，網箱迎流面網衣的減流作用及網衣減流后網箱內部的流動規律研究至關重要。研究表明，網衣的受力一般與流速的二次方成正比，模型試驗得到的網衣對流速的衰減效應作用直接決定實尺度網箱結構設計。網箱模型試驗圖見圖5。

4.2 浮架系統運動特性

重力式網箱的浮架系統在對于保證網箱的抗風浪性能至關重要。浮架系統產生的浮力保證網箱整體的浮態，設計中需綜合考慮浮性、穩性、耐波性、抗風浪能力的要求，對于深水網箱的可靠性和養殖效能至關重要。浮架系統雖然實際尺寸較大，但是在海洋環境中仍被視為小尺度柔性漂浮結構物[20]，在風浪和海流的作用下，其受力特性較為復雜，浮架系統的綜合動態性能研究是一個典型的流固耦合問題。

浮架系統的受力及運動特性研究一般包含以下幾個方面問題：

（1）純流、純波浪及波流耦合狀態下的受力特性分析；

（2）不同波浪條件下浮架運動特性。浮架的運動特性主要包括運動幅度位移差、傾角特性、運動速度、加速度以及角速度等，浮架中心運動軌跡對于浮架的運動分析至關重要；

（3）浮架屬性對比研究。剛性浮架和柔性浮架的結構受力及運動特性存在明顯的不同，不同屬性的浮架設計性能應滿足不同的設計要求和環境需求。

4.3 配重系統對網箱水動力特性的影響

布置于網箱底部的配重系統維持箱體的有效養殖體積，配重系統對重力式網箱至關重要[21]，研究配重系統對重力式網箱水動力特性及整體特性的影響意義重大。網衣及配重模型試驗圖見圖6。

配重系統對網箱水動力特性的影響一般有以下幾個方面：

（1）配重方式和配重大小的角度對重力式網箱錨繩系統受力影響；

（2）配重系統對網箱的運動影響；

（3）配重系統對網衣變形的影響；

（4）不同配重方案對不同風浪狀態下網箱性能的影響。

5 研究熱點及未來方向

前文已述，現代深水抗風浪網箱及海洋牧場的研究涉及的學科眾多，包含的科學問題非常豐富。現代海洋水產業逐漸走向遠海，且日益重視海洋生態環保和可持續友好發展，因此，從解決未來工程應用問題的角度出發，基于流體力學、流固耦合理論的新型深水抗風浪網箱性能研究具備良好的研究前景和工程應用價值。

綜合近年來相關的高質量學術論文研討和研究成果，現階段的研究熱點及未來的方向大致包含下述內容：

（1）風、浪、流耦合作用下網箱性能問題

從網箱實際使用經驗中可知，遠海深水網箱長時間處于風浪流耦合作用下的惡劣復雜環境當中。當下的研究內容往往是基于單獨環境下的獨立系統性能分析，未來的試驗研究及數值分析均需朝向綜合考慮風、浪、流耦合的復雜環境下網箱性能研究發展，模擬實海況下深水網箱的使用性能是科研界的共同目標。

（2）魚群對網箱錨泊載荷影響及動態變形

魚群的存在能夠導致網箱內水流出現流速衰減，魚群的占用空間比及不同洋流狀態下魚群的運動規律等對網箱錨泊載荷存在影響，魚群貼近網衣后網衣的動態變形及動態載荷研究具有重要實際意義和研究價值。

（3）考慮流體-結構相互作用的網箱流載荷動態高精度數值研究

數值模擬對于研究網箱流載荷問題非常實用，現階段的研究仍然存在過度簡化、研究環境單一、數值計算精度不高等問題，基于計算流體力學方法中湍流模型的合理應用、簡化模型優化、合適的網格化分拓撲等對于提高數值模擬精度有一定幫助作用，開展流固耦合狀態下網箱流載荷動態數值仿真存在較大的研究空間。

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