遠洋中型單拖漁船中層拖網優化與試驗

周愛忠，張 勛，馮春雷，郁岳峰

（中國水產科學研究院東海水產研究所，農業農村部東海與遠洋漁業資源開發利用重點實驗室，上海 200090）

0 引 言

20世紀80年代中期起，中國遠洋漁業開始起步，經過多年的發展，取得了矚目的成績[1]。根據2021 年的統計，遠洋漁船總數為2 705 艘，總產量為231.7 萬t，產值達239.2 億元[2]。但對于以單船底拖為主的遠洋中型拖網漁船而言，面臨傳統漁場資源衰退、入漁國漁業政策日趨嚴格等問題[3]。中東大西洋西非沿岸摩洛哥-塞內加爾海域中上層魚類資源豐富，從塞內加爾到摩洛哥近海大片海域中，有多個魚種小型中上層魚類因其經濟上的重要性引起關注[4-6]。目前在西北非從事中上層魚類捕撈的主要為歐盟、俄羅斯、烏克蘭、波蘭和愛爾蘭，以及當地的工業捕魚船，其年均總漁獲量可達1.9×106t 左右[7-9]。中國最多時有10 艘左右的大型中層拖網漁船在該海區生產，但由于成本等原因，近年已很少有中國的大型中層拖網漁船進入該海區[10-11]。在該海域作業的過洋性拖網漁船,主機額定功率一般在735～1000 kW，以近海單船底層拖網作業為主。為減輕對底層資源的壓力，主機額定功率1 000 kW 左右中型拖網漁船，適合使用中層拖網綜合開發利用中上層魚類。

中層拖網又稱變水層拖網，可通過調節控制拖網在一定的水層中作業，是捕撈中上層魚類的主要手段之一。早在20 世紀30 年代，世界先進漁業國家開始試驗，隨著水聲設備在漁業上的應用，中層拖網逐步得到發展應用[12-15]。國內的中層拖網應用較晚，1985 年起，上海、大連等海洋漁業公司從國外引進大型拖網加工船，應用中層拖網在北太平洋捕撈狹鱈。目前，國內對中層拖網的研究主要集中于大型中層拖網漁船（主機功率5 000 kW 以上）所使用的大型中層拖網[15-19]，國內雖有中型拖網漁船底層、表層拖網放大網目尺寸、擴大網具規格等進行研究[20-21]，也進行過雙船中層拖網的試驗和網位研究[22]，但由于漁場資源、技術習慣等原因，單船中層拖網很少在國內中型漁船上得到應用。

針對在中東大西洋海域作業的中國遠洋中型單拖漁船缺乏捕撈中上層魚類手段的現狀，本文收集整理大型中層拖網和近海中型拖網漁船所使用的大網目拖網相關資料，在分析網具的主尺度、相關結構參數和水動力性能的基礎上，結合現有裝備和研究，優化設計3 種不同網口周長的中型拖網漁船應用的中層拖網，并進行模型試驗和海上生產試驗，以期為研發適合中國遠洋中型拖網漁船的中層拖網提供參考。

1 參考網具的結構參數和阻力分析

國內遠洋大型中層拖網主要依靠進口，早期為捕撈狹鱈的大型中層拖網由俄羅斯設計；目前捕撈竹莢魚的大型中層拖網多為荷蘭、智利等國設計制造[23]。其網具結構、網型和國內近海所用的大網目拖網有較大不同。本文選取生產實踐中具有代表性的3 頂大型中層拖網（1056 型、960 型、1040 型）和國內近海應用的1 頂大網目底拖網（720 型）、1 頂大網目浮拖網（540 型）作為設計參考，其中大型中層拖網為四片式結構，大網目拖網為手工圓筒編織網，網具的主要參數如表1 所示。

表1 參考網具的主要規格和參數Table 1 The main specifications and parameters of reference trawl nets

由表1 可見，網口周長1 000 m 左右的大型中層拖網，網口網目尺寸可達20 m 以上，而國內近海中型拖網漁船使用的大網目拖網，最大網目尺寸為15 m 左右，10 m 左右較多見，其中底層拖網的網口網目尺寸常小于10 m。雖然經過不斷放大，由于主機功率、作業甲板長度、捕撈對象等原因，網口網目尺寸一般小于大型中層拖網。從身周比（Lb/C）來看，3 頂大型中層拖網的平均身周比為0.163，而近海大網目拖網身周比為平均為0.226；從袖周比（Lw/C）來看，3 頂大型中層拖網的平均袖周比為0.050，而國內大網目拖網的袖周比平均為0.096，有較大差異。由于中上層魚類的游速普通較快，網袖引導魚類入網的作用不如增加拖速作用明顯，因此，網具設計時袖周比較小，而國內大網目拖網基本為底拖網，網袖相對較長，袖周比較大，有助于擴大掃海面積。

通過查閱文獻資料和東海水產研究所拖網模型試驗數據庫，國內大型拖網漁船的主機額定功率一般為5 000～6 000 kW，在常用作業拖速下（2.31 m/s）表1 中大型中層拖網的阻力為166～246 kN。主機額定功率區間在440～588 kW 的近海雙船大網目拖網，在2.31 m/s拖速下拖網的阻力為92～120 kN，而在作業拖速下（1.54 m/s）網具阻力約為60～80 kN。

2 設計方案

鑒于國內大網目拖網生產加工和使用實踐，本文設計試驗網的網頭（網袖和網身的超大網目部分）采用傳統圓筒編織工藝代替大型中層拖網的四片式結構。拖網前部網目規格大型化是現代拖網發展的成果，但針對特定的捕撈對象，網口的網目尺寸規格目前多大依經驗確定，考慮中國遠洋中型拖網漁船的后甲板長度和作業條件，試驗網口網目尺寸定為12 m。根據漁具水動力原理，結合第1 節大網目拖網的漁具模型試驗阻力、主機功率、拖速等參數，設計網具的網口周長為552 m（552型），456 m（456 型），360 m（360 型）3 種型號拖網，3 種拖網的結構、材料、網口網目尺寸相同，身周比、袖周比等參數盡量保持相近。大型中層拖網通常上、下綱的長度相同，不設網蓋，因此試驗網舍棄近海大網目拖網的天井網、地井網。作業實踐表明，上綱略短可使上綱與下綱在起放網時略有錯位而不易糾纏，上、下綱的配綱系數略有不同，552 型試驗網具的上綱長度為102.84 m，下綱長度為 104.16 m，下綱比上綱略長1.32 m。王明彥等[24]對身周比的研究認為，隨著網口網目尺寸增大，身周比有縮小的趨勢，本文試驗網的網口網目尺寸與近海大網目拖網相近，因此，試驗網的身周比參照國內大網目拖網設計，為0.217。王永進等[21]對大網目拖網袖長比的研究認為，袖長比0.36～0.39 為佳，網口周長對網具水動力性能的影響比網具的長度更大，因此袖周比更能準確表征網袖比例。由于本文試驗網的網頭部分采用圓筒編織的工藝，網袖參照國內大網目拖網設計。試驗網具的袖周比取0.076，約等于大型中層拖網和國內大網目拖網袖周比的平均值。552 型浮力配置為9.8kN，沉力配置為7.84 kN，采用中綱部分占40%，兩袖各占 30% 的分布方式。袖端各配置重錘質量100 kg，空綱長度為150 m。另外2 種規格試驗網的浮沉力、重錘、空綱長度的配置按比例縮小。表2 是3 種試驗網的主要規格和參數。

表2 試驗網的主要規格和參數Table 2 The main specifications and parameters of test trawls

3 模型試驗

為明確所設計試驗網具的水動力性能，對所設計的3 種網口周長規格的試驗網進行模型試驗。

3.1 試驗方法與數據處理

網具模型試驗在東海水產研究所拖網漁具模型試驗水池內進行，試驗靜水池規格為90 m×6 m×3 m。拖車驅動電機功率7.5 kW×4 臺，拖速范圍0.1～4.0 m/s，配有微機處理調速系統，速度精度±1%。光電測速儀精度±0.01%。測力傳感器量程200 N，非線性誤差0.2%。網高儀為 DIVETR DI501 型水位儀，距離分辨率10 mm。

模型按田內準則進行換算，大尺度比為30，小尺度比為9，按 SC/T4014－1997“拖網模型制作方法”加工制作模型網具[25]。依據生產實踐，模型網具的網袖端間距/下綱長度為0.35、0.40、0.45。拖速1.29～2.83 m/s，按0.257 m/s 遞增。按 SC/T4011－1995“拖網模型水池試驗方法”標準進行試驗和數據處理[26]。

實物網阻力與模型網阻力的關系為

式中Hs為實物網的網口高度，m；Hm為模型網的網口高度，m。

能耗系數是表征拖網效率的重要參數，其值用網具過濾單位水體所消耗的能量來表示：

式中P為實物網在設定拖速下的功率消耗，kW；V為實物網拖速，m/s。

3.2 模型試驗結果與分析

圖1 是3 種規格試驗網在試驗設定的網袖端間距/下綱長度為0.35、0.40、0.45 下的速度、阻力、網口高度變化趨勢，由圖1 可見，當拖速為2.31 m/s 時，552 型試驗網的實物計算平均阻力為 151.82 kN，平均網口高度為28.74 m；456 型試驗網的平均阻力為135.6 kN，平均網口高度為24.96 m，360 型試驗網的實物計算平均阻力為70.76 kN，平均網口高度為20.20 m。隨著網口周長的縮小，網具阻力和網口高度均有所下降，360 型試驗網的計算阻力為552型計算阻力的46.61%，接近網口周長縮小比例的平方；而網口高度為70.28%，與網口周長縮小比例接近。

表3 是試驗網的能耗系數的實物計算值，從表3 可見，3 頂不同網口規格的試驗網的能耗系數較接近，360 型在高拖速下能耗系數較其余2 頂略低。在拖速為2.31 m/s時，試驗網的平均能耗系數為0.416 kW·h/(104m3)，約為大型中層拖網的2 倍，略大于表2 的近海大網目拖網。

表3 試驗網的能耗系數Table 3 Energy consumption coefficient of each design trawl(kW·h·(104 m3)-1)

試驗網的功率消耗是指在不同拖速下拖曳網具所需消耗的功率，其與漁船主機功率的匹配是網具設計的主要問題。表4 是根據模型試驗計算的試驗網具不同拖速下的功率消耗實物換算值。在拖速為2.31 m/s 時，552 型試驗網的平均功率消耗為351.46 kW，456 型試驗網的平均功率消耗為313.93 kW，360 型試驗網的平均功率消耗為163.80 kW，552 型試驗網的功率消耗約為456 型試驗網的1.12 倍，360 型試驗網的2.15 倍。

表4 試驗網具的功率消耗Table 4 Power consumption of test nets kW

4 海上試驗

試驗漁船為尾滑道冷凍加工中型拖網漁船，船舶全長 65.25 m，主機標示功率 1 764 kW，軸帶發電機350 kW（試驗船主機老舊，實際拖力約1 000 kW）。海上試驗時間為2018 年5 月4 日－6 月2 日，共計30 d。在中東大西洋10°N、17°W 附近海域進行，試驗的浮沉力、重錘、空綱長度等均按設計方案設置。首先試驗了552型拖網，網板使用4.8 m2的橢圓形雙開縫網板。根據試驗船的GPS 記錄，552 型中層拖網作業時平均拖速為2.06 m/s，以此計算每秒濾水體積約為2 442 m3。盡管魚探儀探測到中上層魚群映像，但是所捕獲的中上層魚類占比很小，僅有5%，產量也很低，所捕多為游泳能力較差的雜魚，因此推測試驗船的拖力沒有達到標定功率的預計值，試驗網具規格偏大，與現有漁船拖力不匹配，達不到中上層魚類所需拖速。經5 個網次試驗后，更換456 型網具進行試驗，網板更換為4.0 m2復翼立式曲面V 型網板，產量明顯上升，經過56 個網次的生產，共計漁獲234.2 t，平均每小時漁獲量為0.77 t。平均拖速為 2.26 m/s，比 552 型上升了約 10%，最高可達2.47 m/s，作業時每秒濾水體積約1 927 m3，基本滿足捕撈中上層魚類所需的拖速。最后更換360 型網，經過35網次試驗，平均拖速為2.52 m/s，作業時可每秒濾水體積約1 321 m3。與前2 種規格的試驗網比較，360 型試驗網每秒濾水體積僅為552 型的54.10%，為456 型的68.55%。360 型試驗網最高拖速達到2.67 m/s，平均每小時漁獲量為1.13 t，最高網次連續拖曳4 h 產量達到20 t，其中中上層魚類的比例達到90%。圖2 是海上試驗時360 型試驗網起上甲板的試驗現場。表5 是試驗網的網次產量統計。

由于風浪等影響，海上實測的網具阻力干擾較多。根據表5 各試驗網的海上實測平均拖速和表4 計算可知，海上實測網具袖端的水平擴張約為L/S=0.40，552型試驗網拖速約為2.06 m/s，功率消耗為247 kW，約為主機額定功率的14%；456 型的平均拖速為2.26 m/s，功率消耗為295.68 kW，為主機額定功率的16%；360 型的平均拖速2.52 m/s，功率消耗為198.75 kW，為主機額定功率的11%。各規格試驗網的功率消耗占主機額定功率的比例為11%～16%，有一定的差異，這一方面是因為網板的不同造成的，另外一個原因是由于海上實測的GPS顯示拖速與模型試驗模擬流速存在較大的誤差和海上風速的影響。目前，尚沒有對國內中型拖網漁船中層拖網作業時網具消耗功率的報告。研究表明[27-30]，拖曳作業時漁具的消耗功率占主機額定功率的比例因船型、主機不同而不同，為18%～25%之間，而其中網具的消耗功率比例為65%～72%左右。按此計算，網具部分的功率消耗占主機額定功率的比例約為12%～18%，略大于本試驗的計算結果。影響漁船的拖力因素較多，包括漁船的船型、螺旋槳、導流罩、尾軸長短，主機的型號、廠家、轉速、使用時間等等不一而足，本次試驗的主機標示功率與實際功率差距較大，本文僅以主機額定功率來分析網具規格和漁船的匹配，實踐中可根據實際情況相應的調整。

表5 海上試驗數據Table 5 Data of sea test

5 結 論

1）針對中國遠洋中型拖網漁船捕撈中東大西洋小型中上層魚類設計的中層拖網，網具大網目部分采用采用圓筒編織工藝，網身后部小網目部分采用四片式剪裁工藝。簡化了網具的結構，有利于網具的加工和修理，易于推廣使用。網具的最大網目尺寸達到12 m，身周比為0.217，袖周比為0.076。在拖速為2.31 m/s 時，552 型試驗網在袖端間距L與長綱長度S之比為0.35、0.40、0.45三種水平下的平均阻力為 151.82 kN，網口高度為28.74 m；456 型試驗網的平均阻力為135.60 kN，網口高度為24.96 m；360 型試驗網的平均阻力為70.76 kN，網口高度為20.20 m。網具的網型展開良好，受力勻稱。

2）在中東大西洋海域作業試驗時，360 型試驗網作業拖速最高可達2.67 m/s，單網次最高產量可達20 t。捕撈游泳能力較強的中上層魚類，拖速是關鍵因素，2.52 m/s 左右的拖速可有效提高捕撈產量。360型網為3頂試驗網中網口規格最小，單位時間濾水體積也最小，但因為拖速較高，單位時間產量反而大大超過其余2 頂試驗網。

3）各規格試驗網的功率消耗占主機額定功率的比例從11%～16%，由于本次試驗船的主機標示功率與實際功率的差距，試驗網具的功率消耗占主機額定功率的比例略小。