雙臂架四片式蝦拖網水動力性能試驗研究

王倫國，李玉巖*，黃六一，張榮軍，馮衛東

（1.中國海洋大學水產學院，山東青島 266003；2.中國水產有限公司，北京 100160）

西非海域屬中東大西洋（FAO 34區①FAO 34區主要是指36°N直布羅陀海峽至6°S剛果河口的大西洋東部海區），經濟魚種眾多，漁業資源豐富［1］。僅塞拉利昂一國其年海洋漁獲量可達61 000 t以上，其中紅對蝦（Penaeus notialis）（同種異名Farfantepenaeus notialis）、紅斑對蝦（P.kerathurus）（同種異名Melicertus kerathurus）和大西洋仿對蝦（Parapenaeopsis atlantica）年漁獲量達到了970～2 200 t［2－3］。根據聯合國糧食及農業組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）統計，水產品對當地居民動物蛋白攝入總量的貢獻達50%以上［4］。20世紀50年代起，西班牙、荷蘭、法國、韓國、日本和中國臺灣省等漁業較發達的國家和地區開始進入西非水域進行漁業生產，船只數量逐年增加。中國大陸從1985年開始在西非塞拉利昂等水域進行漁業生產作業，近年來在生產布局、發展規模、作業結構和總體效益等方面都產生了較大的成就［5－6］。中國大陸在西非塞拉利昂海域的捕撈作業主要以雙臂架蝦拖網為主要作業形式。雙臂架蝦拖網網具采用四片式結構，主要由背網、腹網及兩片側網組成。雙臂架蝦拖網在作業方式和網具結構上與傳統的底拖網、桁架蝦拖網有著較大的區別［7］。

拖網漁業作為海洋漁業主要作業方式之一，具有靈活機動、捕撈效率高、作業范圍廣等特點，在捕撈作業中占有重要地位［8－9］。長期以來，國內外學者利用模型試驗、數值模擬和海上實測等方法，開展了拖網的基本水動力性能研究［10－11］、雷諾數與網具水動力系數的關系研究并對田內準則進行了相應修正［12－15］、模型準則對研究結果的影響研究［16－18］以及主要部件尺寸對拖網水動力性能影響研究［19］等，基于此，對拖網結構進行了優化設計［20－22］。

自20世紀80年代中期中國大陸在塞拉利昂使用雙臂架蝦拖網進行遠洋捕撈作業取得成功以來，在考慮魚蝦混捕模式的基礎上，拖網網具結構一直未進行大的改進。近年來，隨著捕撈強度增加，紅對蝦、紅斑對蝦等資源漁獲量開始下降［6］。由于漁業資源變化、漁船老化以及捕撈產量下降等問題的出現，開展專門針對蝦類資源捕撈的拖網研究十分必要。本文以在西非沿岸水域從事捕撈作業的西班牙441 kW 漁船用的雙臂架四片式蝦拖網為研究對象，通過水槽模型試驗研究其水動力性能，研究結果可為中國遠洋和近海雙臂架蝦拖網網具結構優化提供參考。

1 材料與方法

1.1 模型網具

試驗選取的母型網為西非水域作業的西班牙441kW 漁船用的雙臂架蝦拖網（60.94 m×30.25 m），網具為四片式結構，網口周目數為1 108目，網口網目尺寸為55 mm，網衣材料為聚乙烯（polyethlene，簡稱PE），浮子綱長度為24.20 m，沉子綱長度為30.40 m。

試驗依據《SC／T4011—1995拖網模型水池試驗方法》［23］進行，采用田內準則［24］，結合試驗水槽尺寸與網線材料，確定大尺度比λ＝5，小尺度比λ′＝1.4。圖1為換算的模型網圖，模型網與母型網剪裁斜率保持一致。根據小比例尺換算模型網的背網、側網與腹網的網線直徑為0.5 mm，模型網中網線均采用直徑0.5 mm的尼龍網線材料。模型網浮力配置所用浮球采用熔融沉積式快速成型技術（3D打印）方法制作，浮球個數與實物網保持一致；沉力采用鐵鏈配置。具體參數如表1和表2所示。

圖1 拖網模型網圖Fig.1 Sketch map of model trawl

表1 母型網與模型網主尺度參數Tab.1 Parameters of prototype trawl and model trawl

表2 母型網與模型網部件參數Tab.2 Component parameters of prototype trawl and model trawl

1.2 試驗設備與布設

水槽模型試驗在中國水產科學研究院東海水產研究所靜水槽中進行，水槽的主要尺度為：90 m×6 m×3 m（長×寬×深）。拖車驅動電機功率為7.5 kW×4，配有微處理機調速系統，拖速范圍0.4～4.0 m·s－1，勻速精度≤1%，速度精度±1%。光電測速儀精度±0.01%。測力傳感器量程200 N，非線性誤差為量程的0.4%。網高儀為日產HD-27T型網位探深儀，距離分辨率30 mm。

由于條件限制，模型試驗從空綱部分開始布設，上下空綱長度均為0.5 m。試驗布設如圖2所示，固定點1為拖車上安裝的調節桿（兩側分別布設），調節桿上分別裝配測量水平拉力的測力傳感器，傳感器所得合力即為網具所受的阻力。試驗中模型網具使用撐桿模擬網板控制上下空綱對網口垂直擴張的影響。本試驗中通過調節兩側調節桿的水平間距（L），可實現調整不同工況下網具的水平擴張比L/S（袖端間距與下綱長度之比），從而研究網口水平擴張對網具的阻力和網口高度的影響。網具的網口高度由網高儀測量距上綱中心處浮球的距離獲得。

圖2 試驗布設Fig.2 Layout of the experiment

1.3 試驗工況

根據拖網實際作業情況，試驗中L/S分別取0.30、0.35、0.40、0.45和0.50時，依據試驗準則設計5個試驗流速（表3）。

表3 實際作業拖速與試驗拖速Tab.3 Operational towing speed and testing towing speed

1.4 數據處理

試驗中測量模型網具的總阻力及網口高度，根據《SC／T4011—1995拖網模型水池試驗方法》標準換算為實物網的總阻力及網口高度。

實物網與模型網之間力學換算關系為：

式（1）中，F1為實物網受力（N），F2為模型網受力（N），λ為大尺度比，λ′為小尺度比，kf為阻力修正系數［13，25］。

實物網與模型網的網口高度換算關系為：

式（2）中，H1為實物網的網口高度（m），H2為模型網的網口高度（m）。

實物網能耗系數的計算公式為：

式（3）中，Ce為實物網在設定拖速下的能耗系數［kW·h·（104m3）－1］，F為該拖速下實物網的計算阻力（kN），H為該拖速下實物網的計算網口高度（m），L為該拖速下實物網袖端水平間距（m）。

2 結果與分析

2.1 網具阻力

拖網的阻力是拖網水動力性能的主要指標之一［26］，網具所受阻力與拖速和水平擴張比的關系如圖3所示。由圖3可知，網具所受阻力隨拖速的增加呈現冪指數關系上升，其關系可表示為：

圖3 網具阻力與拖速的關系Fig.3 Relationship between resistance and towing speed

式（4）中，FN為網具所受阻力，v為拖速，a1為系數，隨著L/S的增加而增加，取值范圍為2.41～2.97，指數b1與L/S無關，取值范圍為1.28～1.31。

阻力隨L/S增加呈現上升的趨勢。水平擴張比為0.5時比水平擴張比為0.3時的網具阻力增加了22.47%～26.53%。當拖速為2.19 kn時，L/S為0.5的網具所受阻力最大為8.46 kN。因此，可通過適當降低網具的水平擴張比來減少網具阻力，以提高漁船拖速。

2.2 網口高度

拖網的網口高度是影響漁獲效果的重要因素之一，合理調整網口高度有利于提高拖網捕撈效率［19］。一般拖網作業中，捕撈垂直移動或近底層魚類需要盡可能提高網口垂直擴張；捕撈底層魚類及蝦類等甲殼動物時，網口需盡量擴大水平擴張，垂直擴張則不宜過高。圖4為水平擴張比與網口高度及流速之間的關系。由圖4可知，網口高度隨著拖速及水平擴張比的增加呈現降低的趨勢，其關系可表示為：

圖4 網口高度與速度的關系Fig.4 Relationship between net opening and towing speed

式（5）中，H為網具的網口高度，v為拖速，a2為系數，隨著L/S的增加而減小，取值范圍為3.72～4.61，指數b2與L/S無關，取值范圍為－0.71～－0.69。

在拖速為1.27kn時，水平擴張比為0.5時比水平擴張比為0.3時的網口高度降低了16.67%；當拖速為2.19 kn時，網口高度降低了13.21%。由于該拖網主要用于蝦類捕撈，因此作業中可適當增加網具水平擴張比以降低網口高度，從而增加網具的掃海面積，提高捕撈效率。

2.3 拖網能耗系數

試驗網具的能耗系數與拖速和水平擴張比的關系如圖5所示。試驗拖網的能耗系數隨著速度的增加而快速上升，其關系可表示為：

圖5 能耗系數與拖速的關系Fig.5 Relationship between energy consumption coefficient and towing speed

式（6）中，Ce為拖網的能耗系數，v為拖速，系數a3的取值范圍為0.17～0.20，指數b3取值范圍為1.93～2.02。

網具的能耗系數與水平擴張比的關系不明顯。在低拖速下，水平擴張比的增加對能耗系數的影響不明顯，在拖速大于1.73 kn時，網具能耗系數隨著水平擴張比的增加緩慢降低。當拖速為2.19 kn時，L/S為0.5的網具能耗系數為0.84 kW·h·（104m3）－1，與L/S為0.30、0.35、0.40和0.45的網具相比，其能耗系數分別相對下降了12.53%、4.23%、3.01%和0.05%。

3 討論

本文中西非西班牙441 kW 漁船雙臂架蝦拖網（60.94 m×30.25 m）與中國大陸在莫桑比克735 kW 漁船使用的四項蝦拖網（40.3 m×20.8 m）均采用四片式結構，但在設計上略有不同［7］。西班牙蝦拖網網蓋為矩形，上網袖相對長度較短（上網袖長比26.91%），網目大小均為55 mm；而莫桑比克蝦拖網使用梯形網蓋，上網袖相對長度較長（上網袖長比30.33%），網目大小均為65 mm。本研究用蝦拖網與莫桑比克蝦拖網的水動力性能［6］對比：

（1）在相同水平擴張比時，莫桑比克蝦拖網與本研究用蝦拖網所受阻力均隨著拖速的增加呈現上升的趨勢，但本研究用拖網阻力明顯小于莫桑比克蝦拖網。在拖速為3 kn時，L/S為0.45的莫桑比克蝦拖網阻力最高達到14.51 kN，本研究用蝦拖網阻力約為11.57 kN，比莫桑比克蝦拖網阻力小約20.26%。

（2）兩頂蝦拖網的網口垂直高度均隨著拖速的增加而降低，在保持水平擴張比相同時，本研究用蝦拖網的網口高度低于莫桑比克蝦拖網，在拖速為3 kn時，L/S為0.45的本研究用蝦拖網網口高度約為1.86 m，比相同水平擴張比的莫桑比克蝦拖網垂直擴張系數低約11.43%。

（3）兩頂蝦拖網的能耗系數均隨著拖速增加快速上升，與水平擴張比的關系不顯著。在相同拖速和相同水平擴張條件下，本研究用蝦拖網的能耗系數低于莫桑比克蝦拖網。

綜上所述，在相同條件下，相較于莫桑比克蝦拖網，本研究用蝦拖網具有更小的阻力、更低的能耗系數與相對較低的垂直擴張系數，更有利于能源的節約與蝦類捕撈效率的提高。這與莫桑比克蝦拖網網線直徑與網片線面積系數（d/a）相對較大及網袖長度相對較長有關［27－29］。d/a相對較大使得網具阻流面積增大，而較長的網袖使得網具水平擴張增加，網衣對水流的沖角較大，從而增加了網具的阻力。因此在保證網具強度與穩定性的前提下，適當減小d/a與網袖的相對長度，有利于減小網具所受阻力。此外本研究用蝦拖網網片數量較少、剪裁工藝更為簡單，更有利于網具制作。

4 結論

本文通過水槽試驗研究了西非西班牙441 kW 漁船用四片式蝦拖網的水動力性能，獲得以下結果：網具阻力隨拖速與L/S的增加而上升，且與拖速呈現冪函數關系；拖網的網口高度隨著拖速增加呈冪函數下降，隨著L/S的增加而下降；拖網的能耗系數隨拖速的增加呈冪函數上升。由于實際海上作業與模型試驗會存在一定的差異，因此該網具還需要通過海上生產測試調整，以提高網具性能，從而實現該網具在中國遠洋或近海蝦拖網漁船上的推廣應用。

特別感謝中國水產科學研究院東海水產研究所張勛、周愛忠、王永進、張禹等在模型實驗中給予的大力支持。