深水網箱清洗技術及裝備研究進展

宋協法，孫 躍，何 佳，褚云沖，孫佐梁

(中國海洋大學水產學院，山東 青島 266003)

近年來，隨著科技的進步，海水設施養殖發展迅速，在豐富中國居民膳食營養供給、提升漁業產品貿易競爭力、穩固國家糧食保障供給等方面起到了舉足輕重的作用[1-2]。中國海水網箱養殖始于20世紀70年代，多集中于港灣內及近岸海域[3-4]。隨著近海環境污染壓力的加大，在國家及沿海地方政府的倡導和支持下，網箱養殖技術與設施裝備取得了長足進步，近岸小型網箱逐漸被深水網箱所取代[5]。

深水網箱網衣材料多為聚乙烯或尼龍，這些網衣材料本身無毒并且具有比表面積大等特點，由于其長時間浸泡在海水中，污損生物容易在網衣上繁衍滋生，主要為貽貝、海鞘、藤壺、水螅和藻類等。中國沿海已有記錄614種污損生物，其種類與設施結構、材質、養殖季節和地點等有關[6]。網衣附著堵塞造成網箱的濾水性能差、網箱內外水流交換不暢、溶氧降低等問題[7-8]，嚴重影響了養殖魚類的存活率，影響魚類的生長速度、產量以及品質[9-10]。此外，在養殖投飼過程中，養殖魚類未經消化的營養物質以及魚類的排泄物也為藻類提供了充足的養分，加劇了網箱網衣上污損生物的生長，增加網衣的負荷，從而加重了網箱的整體質量。對于一些貝類(如貽貝、扇貝、牡蠣等)附著嚴重的海區，貝類的尖角還會割斷網衣甚至對網衣結構造成破壞，嚴重影響到網箱的安全性及使用壽命，增加了魚類逃逸的風險，造成一定的經濟損失[11-13]。此外，污損生物攜帶的病原增加了養殖魚類的致病風險。如在雙殼貝類中分離出日本牡蠣JOV-1病毒[14]；一些貽貝的糞便含有弧菌Vibrioanquillarum，能使網箱養殖的鱈魚感染弧菌病并導致死亡[15]。目前，清除網箱污損生物的成本較高，可達養殖成本的5%～10%[16]。網箱網衣的防附著已經成為海水網箱養殖業亟待解決的一大難題，也是設施養殖的重要研究方向。

1 網箱防附著的方法

1.1 網衣防污方法

1.1.1 防污涂料法

早期，有漁民在網衣上涂抹瀝青以防止藻類附著[17]。目前，國內外許多科研單位對網衣防附著涂料進行了研究。日本在牡蠣養殖網箱上涂抹一層碳酸鈣粉或其他鈣化合物的方式以增強網具的柔性和防堵性，提高網具的使用壽命[18]。Edwards等[19]評估了5種涂料處理污損生物的能力，結果表明，銅涂料依然是目前較為有效地防止網衣生物污損的處理手段。Murat等[20]的研究也表明采用銅合金網衣能夠使網衣長時間保持清潔。Ashraf等[21]發現，利用納米氧化銅與聚乙二醇甲基丙烯酸酯水凝膠浸泡尼龍網衣，能夠顯著提高網衣的防附著性能。李旭朝等[22]通過海上試驗評價防污涂料的綜合性能，測試結果表明其試驗網衣的防污周期可達10個月。許文軍等[23]試驗篩選了21種市售材料，發現僅有日本油脂公司2#材料具有相對較好的防附著效果。由于污損生物種類繁多，養殖海況差異大，只有針對性地選擇防污涂料，才能有效地防附著。目前市售防污涂料價格普遍較高，防污周期較短，對養殖魚類的危害及環境污染等問題尚不明確。因此，研發和利用成本低、性能高、無污染的防污涂料也是海水網箱養殖發展的主要研究方向之一。

1.1.2 增大網目法

適當增大網目，能夠增強網箱的濾水量，減少生物附著。如網箱養殖真鯛，網目為1 cm的網箱中很容易阻塞網孔，若網目增大到1.5 cm，就可以大大提高網孔的濾水性能[24]。但增大網目的前提是要相應地提高養殖魚類的規格。因此，提倡北方冬季在室內將小規格苗種養到大規格苗種，春天后將大規格苗種放入網箱養殖的“陸海接力”養殖模式。

1.2 網衣清洗方法

1.2.1 人工清洗法

若網箱網衣上滋生的是懸浮性有機附著物，一般可在水中直接清洗。操作人員站立在網箱框架旁，可以用毛刷等清理[25-26]。若是可以分箱并箱，則將網箱內的魚全部趕入另外設置的網箱內，把舊的網箱運到岸上進行清洗，檢查網箱無破損后再重新組裝，這種方式較上一種清洗徹底，但相對勞動強度大。若附著的是較難清理的污損生物，而又不能分離網箱單獨清洗，則需潛水員定期潛入水中，手持高壓水槍，利用其產生的高壓水射流清洗網箱[27]。此法勞動強度低，并能快速清洗網箱，但這種方法必須配有專業的潛水員，人工投入成本較大。

1.2.2 生物清除法

網箱網衣極易被藻類或低等的無脊椎動物附著，可以在網箱中養殖一些喜食、易食藻類或低等無脊椎動物的魚類，從生物防治的角度來解決污損生物的附著難題。呂旭寧等[28]探討了適溫條件下黃斑籃子魚(Siganusoramin)對北方網箱養殖附著藻類的生物清除作用，研究表明該魚種對網衣附著藻類有較高的清除效率，可以作為清除網衣附著生物的工具種。此方法既環保又不產生污染，最大程度地減少了網衣清洗的次數，降低了生產成本，并且還可以帶來額外的養殖收益。但目前選擇效果較好的“生物清潔工”魚類比較困難。一些海洋微生物也被考慮用于防治網箱污損生物，如細菌和硅藻產生的生物活性化合物不僅能抑制微生物的附著和生長，還能抑制無脊椎動物幼體以及一些大型藻類孢子的生長[29]。Balasubramanian等[30]提出海洋生物膜細菌產生一種防污化合物對抑制污損生物的生長效果顯著。

1.2.3 機械清洗法

機械清洗法主要通過驅動單元帶動含毛刷的轉盤對網衣進行擦洗，或使用水泵和高壓水槍產生的高壓水射流沖洗網衣使附著物剝離。該方法既可以通過機動船將網箱提出水面后操作，也可將該裝置的清洗單元放入水下直接清洗，其工作效率是人工清洗的5～6倍[31]。目前挪威及其他歐美國家也多采用該方法[32]。

2 網衣清洗裝置

2.1 移動式水下網箱清洗裝置

高壓水射流與物理摩擦能有效去除不同種類的附著物[33]。早期設計的清洗裝置多以便于人工操作的輕型移動式網箱清洗裝置為主。這種類型的裝置通常由1臺獨立驅動的發動機提供動力，由工作人員手持連接清洗頭的操縱桿對網箱進行清洗[34]。宋協法等[31]設計了通過高壓水泵產生高壓水流，高壓水流產生的反作用力驅動圓盤及毛刷旋轉以對網衣進行清洗。黃小華等[35]利用噴嘴產生的高壓水射流驅動葉輪旋轉進而帶動清洗盤轉動來實現對網衣的清洗。戴建洪[36]通過交叉排布的2個噴嘴驅動葉輪高速旋轉并帶動毛刷轉動，同時利用高壓水射流壓力和毛刷，實現對網箱的雙重清洗。這種類型的移動式網箱清洗裝置結構簡單、操作方便，工作人員手持操縱桿即可實現對網衣的移動式清洗，有效清除網衣上的污垢和污損生物，極大地減輕工人的勞動強度，提高了清洗效率，但在設備的可操作性及自動化方面還有待于進一步提高。日本的富士公司為了減輕漁網清洗作業的勞動強度，研制了鼓輪式自動漁網清洗機，利用鼓輪轉動時產生的離心力使附著在網衣上的貝殼和海藻脫離[37]。常見移動式水下清洗裝置如表1所示。

表1 移動式水下網箱清洗裝置Tab.1 Mobile underwater cage cleaning devices

2.2 潮流動力型網箱清洗裝置

潮流動力型網箱清洗裝置是利用潮汐和波浪的作用，使網衣與毛刷產生相對運動，達到自動清洗的效果[44-45]。此類裝置合理利用大自然的能量，既不需要養殖船，也不需要人工操作，降低了人工成本，但該類清洗裝置固定安裝復雜，且容易對網箱造成傷害。例如：敖志輝[46]在環形網箱內加裝一個尺寸略小于網箱的圓環形框架式網刮，在潮流的作用下，網刮相對網箱產生上下起伏和前后左右的運動，并在潮流沖擊下自動靠緊網箱，實現對網箱的自動清洗。馮靜等[47]發明的網衣清洗裝置則是利用潮流的作用帶動扇葉旋轉，使扇葉邊緣的網刮與網衣相互摩擦，達到自動清洗網衣的目的。伍杰等[48]設計了一種用于網箱網衣的底部清洗裝置，在網箱底部設置一個附有清洗毛刷的旋轉軸，在海流的作用下，毛刷不停地對網箱底部的網衣進行清洗。常見潮流動力型網箱清洗裝置如表2所示。

表2 潮流動力型網箱清洗裝置Tab.2 Tide power type cage cleaning devices

2.3 軌道式網箱清洗裝置

網衣屬柔性結構，必須保持毛刷與網衣的良好接觸或噴嘴與網衣之間適宜的距離，才能達到良好的清洗效果[49]。通過水射流對網衣進行清洗，射流產生的沖擊力會使清洗盤遠離網衣，降低清洗效率。軌道式網箱清洗裝置可使清洗裝置沿軌道行走，保證清洗裝置與網衣的有效清洗距離，提高清洗效率。Andersen[50]在網箱外側和清洗單元上均安裝有磁吸式框架，清洗單元可沿著框架軌道滑動，利用高壓水射流和毛刷對網衣進行清洗。薛洋洋等[51]在網箱框架軌道上設置了清洗程序，清洗單元根據程序沿框架軌道移動清洗網箱。張祖禹[52]設計的軌道安裝在網箱內部，清洗單元沿網箱內壁移動，可將污損生物直接排出網箱。

表3 軌道式網箱清洗裝置Tab.3 Rail type cage cleaning devices

2.4 水下清洗機器人

水下清洗機器人具有操作簡單，安全可靠，自動化程度高等優點[53]。其主要由控制系統、運動模塊和清洗單元等構成。水下清洗機器人的控制系統可以根據不同的污損生物類型來設置和調節，如清洗的速度和時間等。通過水下攝像機向操作人員反饋網衣附著及清洗效果。例如：Baba[54]發明的網箱清洗機器人，由清洗單元、運動裝置、水下攝像和照明裝置等組成。該機器人可通過反饋及時調整潛浮姿態和螺旋推進，可改變機器人清洗軌跡和運行方向，利用高壓水射流技術對網衣進行清洗。劉冠靈等[55]設計的履帶式水下清洗機器人，利用高壓旋轉水射流技術，將高壓水通過清洗盤分配至歧管，實現高壓旋轉式射流清洗，同時，利用反向噴射水流的反作用力，使整個機器人緊靠網衣表面。Lindgren[56]將導航系統應用到水下清洗機器人上，使其能夠在網衣上沿設定軌跡移動。此外，該設備還應用了螺旋槳反轉技術，便于越過障礙從而實現高效清洗。AKVA公司售賣的清洗機器人FNC8較為常見，搭載了多種傳感器原件和攝像系統，每小時可以清洗網箱網衣5 000 m2，工作環境最深可達100 m，日本洋馬公司推出的NCL型水下清洗機器人[57]技術參數如表4所示。常見水下網箱清洗機器人見表5。

表4 NCL型水下清洗機器人技術參數Tab.4 Technical parameter of NCL underwater cleaning robots

表5 水下清洗機器人Tab.5 Underwater cleaning robots

(續表)

3 中國網箱清洗裝備的研究進展

3.1 網箱清洗關鍵零、部件的研究

3.1.1 高壓水泵

國內對于船舶殼體表面清洗設備的研究應用較多，而對深水網箱水下清洗的生產應用很少。目前市售產品多采用高壓水射流清洗系統，即以水為介質,通過高壓水泵形成高壓,再經過特制的噴嘴噴射出能量集中、速度高的水射流，對網衣上的附著物進行沖擊以達到去污除垢的目的[27]。高壓水泵是清洗系統重要的零部件之一，是系統運行的動力裝置[66]。中國大部分深水網箱養殖海域離岸較遠，岸電無法滿足網箱清洗裝置的動力需求，因此多使用發動機(汽油型、柴油型等)帶動高壓水泵，將發動機的機械能轉變成流體的動能[67]。水泵按不同的工作原理可分為往復泵、柱塞泵、離心泵等類型，其中柱塞泵具有高壓力、高效率的優點，被廣泛應用于高壓清洗設備[68]。20世紀80年代初期，中國開始發展的小型清洗機，其水泵的最高工作壓力不足6.0 MPa，形成高速和高壓水射流成為這一時期的技術難點[69]。研究表明，高壓柱塞泵的工作壓力低于18 MPa時清洗效果較差，采用AR高壓柱塞泵的額定工作壓力應大于20 MPa[70]。目前，國內高壓泵的工作壓力已突破200 MPa，泵壓也不再成為限制因素[67]。

3.1.2 噴嘴

噴嘴是流體射流的發生元件和網衣清洗的執行元件。高壓水經過噴嘴，轉換為高壓力高流速的射流，連續不斷地作用在網衣的表面，實現對網衣的清洗[71]。研究表明影響噴嘴清洗效果的主要參數是噴嘴形狀、結構和噴嘴直徑等。李根生等[72]根據彈性力學和流體力學理論推導了非接觸式密封的變形、漏失量、壓力分布的基本關系和旋轉速度計算公式，從理論上分析了密封參數、噴嘴參數和水力參數對旋轉速度的影響。蔣彧澄等[73]利用面元法對錐形噴嘴的內部及射流區域內的流場進行了計算和試驗分析，表明了噴嘴的幾何結構對淹沒空化水射流沖蝕性能的影響關系。胡昱等[71]基于能量方程，推導噴嘴的結構參數公式，并計算出噴嘴的最佳直徑為2.77 mm、最佳長度為8.31 mm，該條件下的噴射速度v=133.4 m/s、射流流量q=48.3 L/min 、射流功率N=14.86 kW、射流反沖力F=106.5 N。王志勇等[27]采用連續性方程和能量守恒定律確定了工作壓力20 MPa、額定流量15 L /min、額定功率5.5 kW的水下清洗裝置最佳噴嘴直徑為2.7 mm。楊國來等[74]采用Fluent中的Mixture模型對錐形噴嘴和錐直形噴嘴進行仿真分析，得出射流速度最大時，錐直形噴嘴長徑比為2～3。張小明等[75]依據水力學公式計算出歧管式高壓水射流水下洗網機旋轉的射流角速度和射流打擊力，結果表明旋轉射流的打擊力隨偏轉角增大而遞減，隨射流壓力、旋轉半徑和噴嘴孔徑增大而增大，旋轉的射流打擊力比非旋轉的射流打擊力更有利于提高清洗網衣的效率。宋協法[9]采用Visual basic6.0編制了的一種適合網衣清洗設備設計計算的軟件，可實現對清洗盤噴孔直徑、轉動力矩及轉速的設計，通過程序運行，得到噴水孔的直徑d=1.043 cm，曲率半徑為R=5.216 cm，圓盤轉動力矩Lz1=14.37 N · m，圓盤的轉速ω=40.48 rad/s=386.6 r/min可以滿足網衣清洗的要求。上述研究為噴嘴形狀結構、直徑、孔徑長度及射流速度的應用和優化改進提供了科學依據。

3.1.3 毛刷

毛刷是網箱清洗裝置的執行元件之一，其材料多為納米碳纖維。毛刷被固定在工作面盤上，并隨工作面盤一起轉動，實現對網衣的摩擦式清洗。適合的毛刷才能清除網衣表面的污損生物，避免損害網衣。毛刷形狀有十字形、三層形、波紋形狀等，圓形截面毛刷的接觸面積“基本一致”，穩定性高。為確保清洗刷與網衣的接觸狀態，建議選擇圓形截面毛刷。宋協法等[9]通過海上清洗試驗發現：規格為15 mm的毛刷，其相對硬度較高，清洗效果較好；毛刷方向與圓盤方向垂直時，清洗面積較大。提升清洗盤和毛刷的使用壽命，減少更換頻次也是網箱清洗裝置的重要研究內容。林登輝等[76]對清洗單元的毛刷進行優化改進，在傳統毛刷的基礎上，設計了一種有梳齒狀的環形自凈裝置，通過毛刷在伸縮過程中來回與梳齒接觸，使毛刷上殘留的污損物脫落，達到自動清洗毛刷的效果，這種裝置有效地提高了毛刷的使用年限，降低頻繁更換毛刷所引起的費用與勞動量。

3.2 水下清洗機器人研究進展

3.2.1 清洗單元的優化

近年來，隨著水下機器人技術的蓬勃發展，越來越多的網箱清洗技術與之結合，形成了一種新的水下網箱清洗方式—水下清洗機器人。與傳統的網箱清洗裝置相比，水下清洗機器人在自動化、多元化、智能化方面具有明顯優勢，成為未來網箱清洗裝置發展的趨勢。

清洗單元是水下清洗機器人的執行模塊，也是網箱清洗裝置的核心部件。傳統清洗單元執行元件是高壓噴嘴和毛刷，機器人技術的應用為清洗單元增加了更多的可能性。目前關于清洗單元的改進的數據支持較少，多是一些專利。如劉飛等[77]設計對網箱清洗機器人的清洗單元進行優化，其設計的新型機械手兩側安裝有高壓噴嘴，中部安裝有超聲波振動器，表面附有毛刷。工作時，工作船上的高壓水泵產生高壓水，通過機械手臂的高壓噴嘴、超聲波振動和毛刷協同清洗，使網箱網衣實現深層次清潔。機械臂和基盤之間裝有360°旋轉的接頭，使機械臂可以在空間內任意角度移動，沒有清洗死角。由于機器人技術的模塊可以拓展，因此可以直接整合現有水動力參數，如將噴嘴的最佳效率參數應用到清洗機器人上。水下清洗機器人也能整合多種類型噴嘴技術，提供不同的噴射方式，如居中射流、分散射流、旋轉射流等方式或其中幾種的組合形式。在清洗單元上安裝多種傳感器能及時調整水射流與網具的距離，實現高效清洗，同時也避免高壓清洗對網具的損壞。

3.2.2 驅動方式

水下清洗機器人的驅動方式是影響網箱清洗效率的重要因素。莫嘉嗣等[60]將柔性繩索并聯連接在網箱本體與清洗單元之間，通過繞線電動機驅動電纜，在多條柔性繩索并聯支鏈的協調配合下，使清洗單元在網箱內進行水下三維運動。相較于單一電纜的串聯驅動，多根驅動電纜相互約束，增加了深海網箱的自動化清洗的水下穩定性和精確度。一些專利介紹了磁吸式防滑雙同步帶技術，分別在清洗單元和網箱上設置主動輪和從動輪，外部包覆防滑雙同步帶，使同步帶與同步輪嚙齒狀嚙合。通過驅動主動輪帶動從動輪，以實現清洗單元的運動，提高水下清洗機器人的穩定性和工作精度[79]。但關于該技術產品的應用仍未出現。

3.2.3 運動控制

中國早期設計的運動控制為單根電纜連接的垂釣式清洗裝置，依靠工作船上電纜的上下伸縮實現不同深度的清洗作業，需要靠人工輔助操作，自動化程度較低。且易受到水流的影響，定位不準確，清洗單元難以實現實時跟隨運動，其運動往往滯后，靈活性受限[65]。為了改進串聯驅動的不足，莫嘉嗣等[60]設計了多根電纜并聯驅動的清洗機器人，通過運動控制器控制4條柔性繩索協調配合，使清洗單元在網箱內進行水下三維運動，增加了網箱清洗的靈活性和精確度，自動化程度較高，且運動軌跡可按照需求設定。水下機器人還可以通過利用雙浮筒調整水下潛浮姿態，利用螺旋推進器實現清洗裝置的直行、轉彎等運動，以實現對網箱各個角落的清洗。此外，通過水下成像系統地實時監測，遠程操控水下清洗機器人的行動路線，可以定點高效地進行網衣清洗，以達到節約能源，提高清洗效率的目的。

4 結語

傳統水產養殖網箱清洗依靠人工完成，勞動強度大，危險性高。生物清除法降低了人力成本，兼具生態和經濟效益，但一些防治生物如混養魚類有特定攝食喜好，不能徹底解決污損生物的附著問題。防污涂料也是解決污損生物的重要方向，其成本較高且存在污染和危害養殖生物的風險。相較于上述方法，機械清除法更容易實現。早期的機械清除法主要采用輕型移動式水下清洗裝置，由工作人員潛水操作完成。隨著時代的發展，網箱清洗裝置實現了軌道化和自動化，減輕了勞動強度，縮短了清洗周期。目前開發應用的網箱清洗機器人，自動化程度較高，清洗效率較高，但仍需遠程操控，且對技術人員的專業素養要求較高，難以實現智慧漁業。GPS定位技術、精密傳感技術的發展，為實現智能化、無人化提供了可能。未來，清洗機器人可以精準確定水下污損位置，實時反饋目標位置的污損等級；利用大數據技術，挖掘海量數據，對大量數據整合、處理并實時反饋，根據算法得出當前環境的最佳清潔方式、最適清潔力度等智能有效地制定清洗方案。人工智能的發展加速了相關領域技術上的整合，通過機器學習，挖掘數據，加快推進前沿技術的應用，使之服務于深水網箱清洗行業中去。鑒于海洋環境的復雜性，網箱清洗技術的發展仍是一項頗具挑戰性的艱巨任務。

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