蝦蟹池塘水草清理機械研究進展

王 琢，張俊峰，肖 進，何雨霜，羅友誼，田滿洲

（武漢市農業科學院，武漢 430345）

中國小龍蝦、河蟹產業蓬勃發展，養殖面積和產量保持較快增長，養殖模式創新發展，相應配套機具也加快了更新換代。“十四五”漁業發展規劃指出，2020 年水產養殖機械化率為32%，到2025 年水產養殖機械化水平總體達到50%以上。水草清理是蝦蟹養殖必不可少的環節，水草清理機械的作業效率、安全性也極為重要［1，2］。

1 蝦蟹池塘機械化養殖基本情況

1.1 蝦蟹養殖產業發展情況

2021 年，中國小龍蝦產業總產值為4 221.95 億元，同比增長22.43%。其中，分別以養殖、加工、餐飲為主的一二三產業產值之比約為2∶1∶7。2021年，中國小龍蝦養殖面積為173.3 萬hm2，同比增長19.01%，產量為263.36 萬t，同比增長10.02%；小龍蝦養殖產量占全國淡水養殖總產量的8.27%，位列中國淡水養殖品種第六位；湖北省小龍蝦養殖總產量107.36 萬t，占全國的40.77%。

2020 年，中國河蟹產量為77.59 萬t，其中湖北省淡水養殖河蟹產量為15.09 萬t，僅次于江蘇省，居全國第二位。湖北梁子湖大河蟹是中國國家地理標志產品。

1.2 蝦蟹池塘機械化養殖技術

蝦蟹池塘機械化養殖包含清塘消毒、池塘肥水、水草栽培、苗種消毒與投放、飼料投喂、水質監測與調控、水草清理、捕撈收貨等環節。清塘消毒一般在12 月，利用泥漿泵將池塘水排干，再將溶水后的生石灰全塘潑灑，最后再用挖掘機對池塘進行翻耕后曬塘。池塘肥水是通過水泵重新加適當水后，用灑藥船施放發酵后的有機肥。水草栽培是為了凈化水質，在池塘相應區域栽種伊樂藻、輪葉黑藻、苦草等水草品種，主要用到機動船等機具。飼料投喂蝦蟹養殖管理中，投喂量、投喂時間、投喂地點都會影響到產品品質和經濟效益，投餌機具主要有船栽投餌機、背負式投飼機、自動投餌船等。水質監測與調控也是養殖管理的重要環節，需要對水溫、pH、氨氮濃度、溶解氧等參數監測，水質調控是通過物理、化學、生物手段使水質環境滿足蝦蟹生存要求，主要物理調控設備有水泵、增氧機等。當水草生長過快、密度過大時要通過水上割草船對水草進行梳理和切割，防止造成水流循環不暢和地熱效應。捕撈收貨根據不同季節和品種采用地籠、專用蟹籠、蝦籠或拖網進行捕撈［3-5］。

1.3 水草清理要求

水草栽種是蝦蟹養殖過程中必不可少的環節，水草可以有效吸附養殖水體中重金屬等有毒有害物質，改善養殖水質。然而，過多的水草會造成水流循環不暢和地熱效應，也會影響水下氧氣含量，水草殘體分解釋放物還會造成水體污染，從而影響蝦蟹品質和產量。因此，水草密度、高度的控制顯得格外重要。水草的治理主要采用物理治理方式，即采用專用割草機械對水草進行清理、梳割。通常，在小龍蝦養殖池塘，水草種植面積占池塘水域養殖面積35%左右；在河蟹養殖池塘，水草種植面積大致為水體面積的60%~80%。水草高度控制在離水面10~20 cm［6］。

2 水草清理機械研究現狀

為提高水草物理治理的機械化、智能化水平，降低勞動輕度、提高作業效率，國內許多學者對水草清理機械及控制系統進行了研究。吳波等［7］為滿足河蟹養殖過程中清理水草清理的需要，基于ARM 控制器設計了一種基于GPS 與INS 聯合自主導航的河蟹養殖用水草清理作業船，可實現手動控制、遙控控制和自動控制。劉會貴等［8］為滿足河蟹養殖對水草定期修剪清理的要求，設計了一種基于ARM 的中小型智能化GPS 自主導航的水草清理船，具有無舵明輪推進器、回旋式切割裝置、割深自動調節器的結構特點，采用PI 與PD 控制和高精度GPS 導航控制等技術，航跡誤差控制在±30 cm 范圍內，可以有效提高水草收割的效率。趙德安等［9］針對河蟹養殖過程中存在的水草清理難度大、餌料投喂不均勻、人工成本高等問題，設計了一種基于ARM 和GPS/INS 組合導航的多功能全自動河蟹養殖作業船導航控制系統。系統基于實時插點的航道位置計算方法，實時地解算出當前時刻的目標位置，制定航向控制策略。完成了基于模糊PID 的航向、航速雙閉環運動控制算法以及嵌入式系統軟硬件設計。吳玉娟等［10］為實現水草收割機械化，研發了蝦蟹池塘養殖水草自動收割裝備，實現了水草收割工作速度自動調節、水下切割深度自動調節。阮承治等［11，12］為降低養殖戶勞動強度和提高導航定位精度，結合DGPS 和視覺導航的優點，設計了一種用免疫粒子群算法來優化無跡卡爾曼濾波的組合導航定位方法，將其應用于水草清理作業船上，提高了作業效率。羅吉［13］為解決河蟹養殖過程中水草清理和均勻投餌2 大難題，設計了一種明輪驅動的水產養殖作業船船體、全覆蓋路徑規劃算法、自動導航系統以及配套的嵌入式系統軟件。戚浩［14］為提高蝦蟹養殖中水草清理的機械化與智能化水平，設計了一種明輪驅動的割草船。割草船基于IMU/DGPS 的組合導航技術可以精準檢測航向角及經緯度，全覆蓋自巡航控制系統，可以提高作業覆蓋率，降低作業重復率，降低收割遺漏率。徐揚［15］為解決水草泛濫問題，針對水草收割設備切割幅度小、切割深度調節范圍窄、沉水水草收割效率低以及缺少集料裝置、需要頻繁到岸邊卸草等問題，設計了兩棲式水草收割船。

3 水草清理機械應用

水草清理機械主要有手持式水下割草機、船載式水下割草機、水草割-收一體機、水草割-收-卸一體機。手持式水下割草機適合較淺的水域，可以實現單人割草操作，重量5 kg，由后置電機、工作開關、輔助握把、鋁桿、齒輪箱、刀片、鋰電池等部分組成，用戶可以攜帶至室內進行充電（圖1）。船載式水下割草機采用48 V 電瓶供電，重量約50 kg，需要固定在水泥船、鐵船上使用，有雙刀和單刀2 種規格，單刀版的割草機只有前面的橫刀，長度可以做到1~2 m，雙刀版除了橫刀以外，還有豎刀，豎刀長度為0.8 m。雙刀主要用在水草較密集的水域（圖2）。水草割-收一體機采用浮板結構，通過明輪推進器控制航行速度、航行方向，將割下來的水草收集在浮板上，水下割草深度80 cm，承重1 500 kg，割草范圍最大1.8 m（圖3）。水草割-收-卸一體機同樣采用浮板結構，通過兩側無刷直流電機帶動明輪的方式推進機組運行，兩側明輪轉速差實現轉彎、掉頭。與割-收一體機相比，該割-收-卸一體機增加了卸草裝置，可以將割下來的水草通過卸草裝置上的傳送帶直接將水草卸在岸邊陸地上（圖4）。市面上各種水草清理機械主要特點和優缺點見表1。

表1 各水草清理機械產品特點

圖1 手持式水下割草機

圖2 船載式水下割草機

圖3 水草割-收一體機

圖4 水草割-收-卸一體機

4 主要問題與展望

與其他水產養殖機械一樣，在水草清理機械科學研究領域和產品開發領域，國內許多高校、科研院所、企業都開展了一系列的研發工作，取得許多成果，生產的很多產品也在實際生產過程中得到了應用，帶來了一定經濟效益。然而，這些技術和產品也存在許多不足，還有許多問題亟待解決。

第一，科研成果無法為生產服務。科研項目可以解決許多科學層面和技術層面的難題，但往往在短期內無法應用到生產實際。產生這種現象的原因，一是大多數科研項目研究內容高端前沿，主要是瞄準未來產業，而對于解決現實問題的科研項目立項較少；二是科研團隊往重功能實現，而不考慮生產成本，導致產品價格用戶難以承擔，無法推廣。

第二，產品研發粗放，標準化、規模化生產方式有待形成。與工業領域相比，農業機械領域大型研發制造企業數量較少，許多小型企業都是作坊式加工模式，生產制造、宣傳推廣、售后維護等都存在質量管理體系不健全的問題，存在一定的安全隱患。許多工業領域的大型企業也逐步涉足農業領域。

第三，農機農藝融合還不足。漁業機械類項目研發一般是根據養殖模式、農藝需求來開發新技術、新產品，也就是以農藝為主農機為輔，會使產品在開發過程中面臨傳統養殖技術體系上的條件限制，無法最大程度創新研究思維。因此，農機和農藝應該更加深入融合，養殖技術也應該主動適應機械化發展需求，形成新的機械化養殖技術體系。

隨著研發機構和推廣機構的分工合作、農機農藝的持續融合，這些問題會得到解決。針對水草清理機械，未來的主要有以下發展方向。

第一，多功能化。在蝦蟹養殖過程中，水草栽培、苗種消毒與投放、飼料投喂、水質監測與調控、水草清理等作業都要借助船來完成，如果都是功能單一的專用作業船，那么經營多個池塘的漁民需要數量龐大養殖機械，這對養殖成本控制、養殖機械維護都會有不利的影響。

第二，智能化。在水域面積且水草密集的情況下，具備收集水草功能的割草船需要頻繁的往返與池塘水域和岸邊進行割草和斜草操作。若實現智能化作業后，割草船可以智能的識別水草，并自動規劃航行路徑，實現割草、斜草的無人作業。

第三，小型化。對于具備收集水草功能的割草船需要大塊面積存放水草，所以體積一般比較大。然而，若實現智能化作業之后，漁民可以不用親自上船操作機器，只用在岸邊監管機具自動作業，作業時長可以忽略不計，通過時間換取空間的方式使割草船小型化。

5 小結

中國蝦蟹產業發展迅猛，育苗和養殖模式創新發展，產值不斷提升。但水產養殖機械化率水平較低，水草清理等環節配套機具不能適應養殖技術發展需求。許多科研機構、企業從機械結構和控制系統等方面對水草清理機械展開了研究，市面常用的主要有手持式水下割草機、船載式水下割草機、水草割-收一體機、水草割-收-卸一體機等類型的水草清理機械，部分產品也存在售價高、質量參差不齊等問題，未來水草清理機械會朝著多功能化、智能化、小型化的方向發展。