网箱在海上养殖中的作用

网箱在海上养殖中的作用

1973年，中国首次引入了网箱，网箱育种技术日益发展，并在深水箱的三维育种中日益增多。随着1998年第一套HDPE圆形双浮管浮式深水网箱从挪威引进并被列为重点研制对象，以及国内深水网箱首次被列入全国科技兴海计划，国内海水网箱养殖的大门正式打开，此后网箱依靠国家的各项科技计划等相关项目以及政策的支持迅速发展。2000年，在引进了挪威的HDPE网箱和美国的海洋站深海网箱等先进网箱的基础上，中国启动了深水网箱装备技术自主研发科技攻关计划，通过分析和吸收消化以及再创新，于2001年研制出我国第一套具有自主知识产权的HDPE双浮管升降式深水网箱。目前有许多高校和研究所纷纷投入对各类网箱的深度研究，并通过模型试验与数值模拟得到一系列试验数据为研制提供理论基础。据统计，截至2017年全国拥有各类网箱200多万个，其中深水网箱规模在8000台左右，其中大部分为高密度聚乙烯(HDPE)圆形抗风浪网箱。国外的海水网箱研究较为成熟，从上个世纪80年代起，部分发达国家开始了深水养殖技术与相关装备的探索，研发了一系列的深水抗风浪网箱，其中最具代表性的是挪威HDPE圆柱形网箱和美国碟形网箱。挪威作为目前世界上网箱发展最成熟的国家，其研制的网箱机械化与自动化程度最高，网箱投饵系统以及检测系统等均由电脑操控。而美国为了发展国内养殖业，商业部在1999年提出了深水养殖计划，在此期间研制了一系列养殖装备。其中海洋站深海网箱是基于原先的深水网箱的基础上增加了海洋工作平台，可以进行网箱维护和投喂，并且还可以利用工作舱的空气泵将空气注入浮管实现升降功能，但成本较高。本文主要介绍以HDPE为代表的圆柱形网箱和以美国海洋站深海网箱为代表的碟形网箱。1圆形网盖1.1．柔性框架结构圆柱形网箱框架的构成材料一般为高强度聚乙烯(HDPE)，属于柔性框架结构，因其浮架形状多为圆环形。主要在开放的海区进行作业，可分为浮式HDPE网箱和升降式HDPE网箱。1.1.1浮架和网衣的加工和设置浮式HDPE作为市场接受度最高的一种深水网箱，结构组成较为简单。其主要是由浮架系统，网衣系统，配重系统和锚碇系统四部分组成。浮式HDPE的网箱箱体由浮架系统和网衣系统构成。浮架分为浮管和操作台两部分：底圈浮管由2～3道直径为250mm的HDPE管搭建而成，主要是为网箱提供框架支撑和浮力，同时也是承受风浪载荷的主要部位；底圈浮管之上还铺设一圈脚踏板以及扶手构成网箱的操作平台，为日常操作提供支持与便利。目前此类网箱最为常见的浮架直径尺寸在25～35m之间，随着养殖规模的扩展，网箱也朝着大型发展，出现了直径达到120m甚至180m的圆柱形网箱，水产养殖可达上百吨。网衣的材料一般是聚乙烯和尼龙，网目多采用菱形，六边形…具体的网目形状与网目大小的确定需要根据养殖水面的大小，网箱养鱼的品种，鱼苗的大小等等因素来确定。圆柱形网箱的网片规格一般为T向100目，N向500目，网目大小在10～100mm之间。除了网箱箱体结构网箱还有配重和锚碇。配重系统一般是利用绳索直接或间接的与网衣下端连接，用来张开网衣，使网衣在一定的风浪条件下保持养殖容积。比较常见的配重系统有两种：底圈和沉子共同组成的配重或只有沉子的配重。锚碇系统是由锚绳连接浮架和锚，使网箱在海上固定特定的位置，在遇到较大风浪时不会产生过大位移进而损坏飘走。1.1.2浮式hdpe网箱可升降式HDPE网箱的结构与浮式HDPE大致类似，根据入水方式的不同大致分为两种：倾角入水升降式和平衡入水升降式。其中以换网便捷和结构简单的倾角入水升降式HDPE为例，其与浮式HDPE的区别在于网箱的浮架系统的HDPE双浮管用隔舱管件以圆形网箱的直径为对称轴对称分舱，并在内外圈管分别设置进排气口与进排水口；可以通过对阀门的控制使得HDPE进水排气或者排水进气从而达到自由升降，从而躲避具有较大风浪的恶劣天气。无网底的开放式HDPE网箱没有此类功能。与普通的浮式HDPE网箱相比，升降式HDPE的抗风浪性能更好：在大风浪来临时，网箱可以下沉到一定深度，由于波高随水深等比衰减，因此升降式HDPE受到风浪的影响和损坏更小(表1)。1.2水流速度和水流影响通过对结构和材料的理论分析我们可以得到圆柱形网箱的优缺点，但在实际的生产与作业中还应该考虑到风浪流以及海况等外部影响因素，通过实验证明，波浪不是网箱载荷主要因素，水流的作用对网箱影响最显著。水流对圆柱形网箱的影响主要表现在网衣系统，使得网衣包围的有效容积产生大幅度变化；其次水流对框架系统和固泊系统也有一定的影响。在水流的作用下，圆柱形网箱受到到水流的冲击，网衣因其材料的柔顺性会产生漂移而产生较大的形变，使得容积损失率增大、有效容积减小。框架系统受到水流力也会产生一定的形变，但与网衣形变相比框架形变对容积损失率影响较小，并且在纯流状态下，浮架所受的力甚至可以忽略不计。其次，水流速度的变化也会影响网箱形变：水流带动网衣运动的同时会受到网箱箱体阻滞，这就使得水流在背流面和迎流面的速度产生了差异；背流面的水流力比迎流面小，网衣对主框架的垂直分力会导致迎流面的主框架向上抬升，从而造成主框架倾斜和转动，因此水流速的的衰减也会造成网箱框架和网箱容积的形变。1.2.2框架系统和固泊系统与水流的关系。流速对框架系统和固泊系统的影响分为几个阶段，当流速小于1m/s时网箱的框架、网衣、固泊系统基本不受改变；当流速大于1m/s时，框架系统和固泊系统发生较小形变，此形变在水流长时间影响下更明显；当流速大于1.5m/s，框架系统和固泊系统局部受损。1.2.3圆柱形网箱配重与水流的关系。在水流作用下网箱配重的改变也会导致网箱形变。网箱的配重有三种方式分别为重锤式、底框式和耐流锚泊式。在实验中了解到，不管何种形式的配重网箱，网箱网衣的变形都会随着流速的增大而改变，并且网箱的表征容积都会下降即网箱的形变明显。但不同配重方式的网箱在不同流速范围内会有不同程度的改变，并且对于不同的流速，无论增加何种配重，都会减小网衣的形变。流速越大，配重大小对受力的影响越大。在一定流速的情况下，配重种类的改变对网衣形状的改变影响很小，流速的改变依旧是影响网衣形状变化的最主要因素，因此改变配重方式不是减小网衣变形的有效方法，但适当地调节配重大小可以最大限度地利用好网箱的容积，增长网箱的收益，同时也要注意配重对网箱的力。水流的影响导致网衣形变，这意味着网箱内可以用来实际养鱼的空间有所减小；随流速增大框架系统和固泊系统的形变也将导致实际容积的减少。流速为时0.5m/s，容积损失率为30%；流速为时1m/s，容积损失率为50%；流速为时1.5m/s，容积损失率达到70%。网箱在水流下的形变研究在实际生产中意义就是减小容积损失从而增加养殖空间。2蝴蝶网箱2.1锚碇系统框架结构设计碟形网箱属于自张式可升降式的刚性网箱，由框架主体和锚碇系统组成。其网箱刚度大，受海流作用不容易变形，依靠自身框架结构保持容积。碟形网箱可粗略分为普通碟形网箱和拟碟形网箱。2.1.1网衣撑起结构该类网箱的形状为双锥形。主要由圆管浮子、浮环、辐绳、重物沉子、网衣等组成。该类网箱利用位于网箱下端的辐绳与浮环相连，将中间圆管浮子的上下端连接同时将网衣撑起，形成一种自张式且稳定的结构。碟形网箱的最大优点是，稳定性高，抗风浪性能好，网箱容量受海流影响小。同时由于浮管下面的浮环与定环的存在，可以迅速收网收鱼。在台风来临前，可以用拖曳船拖住网箱中间的浮环迅速将网箱转移躲避风浪，减小天气对网箱的破坏。缺点是组装复杂，价格昂贵。该类网箱组装时要先在陆地上组合好各部分结构后，选风浪小的天气，用大型吊机将网箱各个部分投入海水，还要将每部分连接起来。过程非常复杂，同时安装该类网箱的工程价格也十分昂贵。2.1.2拟碟形网箱拟碟形网箱外形上接近碟形，与碟型网箱结构上区别在于，其在中间部位相比普通碟形网箱多了一个棱柱。因此，拟碟形网箱的养殖体积比普通碟形大了许多，当拟碟形中间的立柱为整个网箱高度的40%时，拟碟形网箱的养殖容积可以达到碟形网箱的2倍。同时，拟碟形网箱除了在纯流和逆流与波浪组合条件下其箱体振幅较大外，其他同等情况下都要比碟形网箱小。因此，拟碟形网箱有着更优越的稳定性。但该网箱也同样有安装复杂，价格昂贵等缺点。2.2刚性网箱框架碟形网箱属于刚性网箱，其网箱刚性框架材料的强度高，刚度大，可以承受较大的风浪以及载荷。因此刚性网箱框架在水中的变形较柔性网箱小很多，同时附着于刚性框架上的网衣变形也会小很多。正因为水流冲击对框架和网衣影响很小，所以对于碟形网箱在水流影响下的研究主要是围绕网箱的锚绳和网箱自身的运动所展开的。2.2.1碟形网箱锚绳受力分析锚定系统的稳定性，一定程度上也影响了网箱的稳定性。网箱状态包括正常养殖时的漂浮状态和恶劣天气时的下潜状态，两种情况下锚绳受力不完全相同。通过模型实验了解到，在纯水流漂浮状态时，拟碟形网箱的锚绳受力明显大于碟形网箱。同时，两种碟形网箱在此状态下锚绳受力均与流速呈正比。实验表明在纯流状态下，流速越大，碟型网箱锚绳受力越大；在纯波状态时，碟形网箱锚绳受力大小随下潜深度增加呈减小变化。无论何种状态，随着下潜深度的增加，网箱受力都会减小。同时这说明了当下潜深度不断加深，波浪对网箱的影响将逐渐趋于稳定值。无论碟形还是拟碟形网箱，虽然二者的结构有差异但它们的锚绳受力均随波高的增大而增大并与周期无关、受力也都随水流流速增大而增大，且碟形网箱受力大小均远小于重力式网箱。2.2.2波状态下网箱的振幅随速度的变化将碟形和拟碟形对比可知，拟碟形由于中间立柱结构的存在，网箱容积可达到碟形的2.03倍。根据实验了解到，在纯波状态下，网箱水平方向的振幅以及垂直方向的振幅均随周期和波高增大而增大，且随着下潜深度增加振幅明显减小，拟碟形受力特征和碟形并没有很大的差异甚至其振幅小于碟形网箱；纯流作用下，网箱的最大偏移随流速增大而增大，下潜会减小网箱的偏离位移。所以，在水流影响下网箱下潜状态下拟碟形网箱有更好的抗风浪性且容积保持的更好(表1)。3结构形态分析网箱的性能主要体现在自身的结构特点、动力学特征和抗风浪能力上。首先，通过对两类网箱进行结构上的理论分析，可以看出两者结构上最主要的区别是框架材料以及网衣张开的形态；其次，对于两类网箱，他们的框架和网衣均受水流和波浪的影响。这主要体现在，网箱容积的改变，网衣形状的改变，网衣的撕扯破坏等等；最后，根据网箱呈现的结构特征，并从受力和形变的角度加以分析，判断合适网箱的工作条件以及网箱的抗风浪性。3.1网箱的运行维护方便，受市场制约圆柱形网箱为柔性材料框架，利用浮力系统承受水阻力，保持网箱一定的形状和容积；碟形网箱的框架由刚性材料制成，直接利用框架的强度和刚度来抵御载荷从而保持网箱有效容积。圆柱形网箱因其结构上的简单性，在实际生产中具有方便制作和运输的优点；并且在生产中，负责网箱整个过程投产到使用的不全是技术人员，普通渔业工作者参与了对网箱的管理，使得网箱日常的维护和管理更便捷，低廉的管理费和成本使得其在市场中具很高竞争力；但因圆柱形网箱结构的柔顺性容易产生形变、恶劣天气无法自由升降躲避海流波浪，也成了其工作上出现的较大缺陷。而碟形网箱依靠刚性框架使得自身形状受外力影响小，所以从结构上，碟形网箱相对圆柱形网箱更为稳固，安全性更高、容积保持率好，且在实际生产中具有工作平台可以实现自由升降，锚泊状态锚绳受力小。但碟形网箱受其结构的影响，相对重力式网箱，此类网箱技术要求高、管理成本高等是推广上的难题(表1)。3.2流速、配重对网箱受拉力的影响从网箱的力学结构角度看，重力式网箱和自张式(碟形)网箱的应用也在所有类型的网箱中占比较多，分别达到了52.9%和41.2%。尽管两种类型的网箱在结构上存在着差异，但两者在水流影响下的受力情况具有相似性：不同类型的网箱在水流条件下整体所受阻力与流速呈幂函数关系，网箱所受阻力均随水流速度的增大而增大。另一方面，网箱结构形式的不同决定了他受水流作用的不同，而即便是结构一样的网箱在不同流速，配重条件，网目形状等因素下网箱水动力特性也会有差异。通过分别分析圆柱形网箱和碟形网箱在不同形式力的作用下得到：对于圆柱形网箱，流速的改变是影响网箱形状变化的重要因素，流速对网衣变形有显著的影响；对浮架和锚碇具有较小影响，圆柱形网箱浮架的变形受浮架材料刚度的影响很大。圆柱形网箱自身材料柔韧，网线部分会将水流传递来的阻力分散在网箱的多根柔索内，在受到水流冲击时浮架本身可以产生较大变形从而使浮架内各点的应力增加，从而减小损坏增加安全性，但同时也增大了容积损失率。配重的大小与形式对圆柱形网箱的受力情况也有很大影响，当网箱的配重重力增大时，其所受阻力也随之增大。原因是配重为了保持网箱容积使得网衣张紧程度增加，这又增大了网箱的受力面积导致阻力增大。但随着流速的增大配重的变化对网箱受力情况的影响减小，因为此时主要的影响因素又变成了流速。对碟形网箱来讲，波浪和水流对其影响都比较大：实验表明纯流作用下，流速越大，网箱受力越大；纯波状态时，网箱受力和波高成正比，漂浮时受力与周期呈反比。碟形网箱锚绳的受力与下潜、漂浮状态有关，当下潜深度增加，流速变快时网箱锚绳的受力增大，其中迎浪侧锚绳受力总是最大而背浪测锚绳总是松弛不受力。同时碟形网箱的锚绳在纯流情况下受力随配重增加而增加，在纯波情况下配重的增加反而会一定程度让锚绳受力减小。配重大小也要结合实际合理设定，和重力式网箱类似，配重大小对网箱容积的影响不是很大，可以通过恰当的调整改变有效养殖体积，使收益最大化。网目的形状也会影响网箱在水流下的受力，但网衣的网目类型与大小确定取决于养殖环境和水产品的种类，所以不同类型的网箱之间网衣的受力情况也具有一定的相似性：方形网目网衣受水流冲击产生的张力小于菱形网目。3.3抗浪能力分析综合网箱的结构特点和受力特性综合分析，结构稳定性好的网箱抗风浪能力更好，生产中受力较小的网箱使用年限长。普通的圆柱形网箱一般抗风浪达35m/s，抗浪高6m，抗流速1m/s；具有升降特性时因其可以躲避风浪，抗风浪性能会加强(表1)。碟型网箱一般抗风浪37m/s以上，抗浪高5～10m；拟碟形与碟形抗风浪能力类似，其振幅在大多数情况下小于碟形，并且其容积作为碟形的2.03倍，但受力情况除了在顺流、逆流及波浪联合的情况下都小于碟形的两倍。下潜方式、下潜深度同样在水流、波浪、波流混合状态的作用下影响到网箱的受力，在实际生产中，考虑到根据不同海况来拟定不同种下潜方式的流程并不多见，大多数情况都是直接将网箱下好等待最后收获，所以不论何种网箱，在真正的实际操作投入生产至收获过程中，人为对网箱的条件进行干预十分重要，网箱所处的深度、海域的天气、海况甚至潮涨潮落都将对网箱的最终受益产生影响，这也是深水网箱未来得以进步和发展的一种影响因素。根据实验数据，除了上面总结中提到的下潜深度、下潜方式，碟形和重力式的受力情况基本一致，但总的来说碟形抗风浪能力更好，这在实际生活中作为其主要优势，应得到广泛的应用。4碟形网箱的水动力特性研究随着近海海洋资源衰竭和海洋环境现状日益严峻，发展海水养殖已逐渐取代了传统的近岸养殖和内水养殖成为行业内的趋势。一方面，海水网箱养殖可以更有利于促进网箱养殖生物的良好生长，从而带来更多的经济收益，同时减轻了对水域环境的污染达到了绿色发展的目标；另一方面，海渔以及养殖行业需要年轻力量，深水网箱的研究一定程度上可以促进社会对高新科技领域的尊重，召唤越来越多的人才为科研奉献，网箱的变革必定会推动相关养殖产业链的发展。因此无论国内还是国际在这一趋势兴起之时，都投入了大量的物力财力来支持深水网箱的发展。随着深水网箱不断地投入使用，深水网箱产生的经济效益和社会价值都越来越高，但在其推广历程中仍产生了一系列问题，其中就包括不同种类网箱在不同实际条件下的优越性等问题，而这也正是本文对以上内容的一个背景融合，希望通过对主流的两种网箱即圆柱形网箱和碟形网箱的全面的对比思考，为海水网箱的研究发展贡献一点建议。从海洋工程的角度，深水网箱属于一种特殊的海洋工程结构物，相比于传统的用于海工的刚性且稳定的材料，这种新型的、柔性好、变形大的浮式结构，对其水动力特性的研究在日后将成为一种新的方向。网箱在水流下的形变研究在实际生产中意义就是减小容积损失从而增加养殖生产的空间。对于圆柱形网线来说，在水流影响下受力产生形变的结构比较多，包括框架、网衣以及锚碇，关于这些结构形变的研究也都比较成熟。相比于圆柱形网箱，碟形网箱的刚性结构使得形变效果低，容积损失率小，结构完整性好且抗风性强，可适用于更广阔更深层次的海域研究使用。但针对碟形网箱的各种计算仍停留在理论层面，与在实际海况中应用相比差距较大，所以在未来相当长一段时间内，对其的水动力研究仍将持续。通过全文的对比分析可以得出，在未来比较长的一段时间内，重力式网箱将以其结构简单，成本低廉，管理轻松的特点，获得更多的投入使用，但受其结构特点的制约，这种网箱并不适用于强水流下的海域使用，否则将会导致容积损失率的大幅增高；而对碟形网箱，从受力到结构稳定性、变形特点等一系列分析可知，其各方面的表现均很出色，但受制于网箱材料的选择和饲喂不便、管理困难等问题，未来规模化地生产并使用