过滤性网渔具网囊网目扩张性能研究

臧迎亮，虞聪达

（浙江海洋学院水产学院，浙江舟山 316004）

开发利用海洋资源，发展海洋经济已成为当今世界沿海各国的重要发展战略。在人类开发海洋的深度和广度不断拓展的同时，由于过度捕捞、富营养化、外来种入侵等人类活动带来的问题，致使渔业资源逐渐衰退、近海生态环境不断恶化，产生了一系列的资源、环境和生态问题。由于渔具选择性在渔业资源管理[1]、资源评估[2-3]以及渔捞副产品(bycatch)分离[4-5]等方面具有广泛的应用，其研究日益受到重视，一些国家或地区甚至以法律的形1式要求以具有较高选择性的渔具进行渔业生产[6]。过滤性网渔具（拖网，张网等）是世界使用最广泛的捕捞方法，但同时也是副渔获物问题最为严重的渔具种类。本研究是在已有的研究基础上，进行渔具水槽对比试验，通过改变网目尺寸、网目形状、网囊缩结系数以及囊网的装配等方法，实现网囊网目的有效扩张，提高幼鱼逃逸率和成活率，从而真正的实现选择性捕捞，达到保护渔业资源的目的，努力促进我国健康、快速地开展生态渔业、负责任渔业。

1 模型试验

1.1 试验设备

试验于2009年8月在东京海洋大学水平循环式动水槽实验室完成，试验水槽测定部长9.0 m，宽2.2 m，高1.95 m；标准水深：1.6 m；流速分布：0.1～2.0 m/s。根据水槽主尺度，参考拖网模型试验准则，确定实验模型网的主尺度为：4.94 m×3.68 m；大尺度比λ1为9，小尺度比λ2为2.94，模型网网目为纵向菱形网目，由高强度聚乙烯网线材料编织而成（图1）。

1.2 试验内容

由于网囊网目形状、网囊的缩结系数囊网的装配以及水流流速等因素都会影响到网囊网目的有效扩张，因此共安排了“网目形状变动系列”，“网囊纵向缩结系数变动系列”，“装配刚性框架系列”等3种对比试验系列。

（1）纵向缩结系数变化系列

缩结系数分别为0.96、0.9、0.8、0.707。其中缩结系数0.96是实物网的缩结系数，用来与其他3种缩结系数的网囊做对比。

（2）网目形状变化系列

该系列分为3种不同形状网目的网囊，分别是横向网目网囊、方形网目网囊、上方下菱型网囊，以上3种网囊的网片缩结系数同为0.96。

（3）装配刚性框架系列：根据装配框架的不同共分为三类：

①网囊前后两端各装配一个半径为0.09 m的圆形框架。该框架的周长等同网囊网目充分扩张时的网囊周径。后端框架装配距离网囊底端1/3处。

②网囊前后两端各装配一个圆形框架。前框架的直径为0.09 m，后框架的直径为前框架的1/2。装配位置与第一个网囊相同，也装配在距离网囊底端1/3处。

③网囊前端装配一个半径为0.09 m的圆形框架，后端无框架。

试验时，根据模型试验准则以及该模型网的大比例尺、小比例尺，确定实际试验流速分别为0.38 m/s、0.5m/s、0.63 m/s、0.75 m/s、0.88 m/s。

测量内容：

①网具总阻力；②网囊总形状：“圆柱体”的长、宽、高,选取若干部位测量网囊的总体形状（图2）；③网囊网目形状：背、腹部及侧边各选取若干个网目测量网目的形状：长、宽、目脚张开角度。

图1 模型网结构图Fig.1 The structure chart of model net

图2 动水槽试验装置图Fig.2 The layout of equipment of dynamic water tank

2 数据处理

首先调整图像的颜色，亮度，对比度，并确定图像比例。其次，测量数据时，假设在拖曳过程中，网囊整体为圆柱体结构，在网囊纵向方向位置相同的一圈网目张开角度一样，这样就以侧视图（图3-a）的网目形状代表整个网囊的网目形状。不同网囊的数据整理方法不同，前后都有框架的网囊，分中间（框架之间）、后端（后框架之后）两部分统计整理。其他网囊按照纵向目数，平均分为3部分，分别进行测量，并分别统计求出各部分的网目张开角度。根据统计数据，分别对比分析，各网囊不同位置的网目张开角度与整体的网目平均张开角度。

图3 图像处理流程图Fig.3 Flow chart of image processing

3 试验结果

3.1 不同网目结构系列

在水流的冲击下，网囊网目形状不同，网目目脚夹角不同，网线与水流的夹角也不相同：

（1）随着水流流速的不断增大，纵向网目逐渐闭合，网线与水流夹角逐渐减小，模型网的阻力不断增大，且从图4中可以看出四种不同网目结构的模型网的阻力增大趋势十分相似。

（2）在水流冲击下，方形网目完全展开，由于有两个目脚与水流垂直，阻力没有明显小于其他几个网目[7-8]（图5）。

（3）在流速为0.5 m/s时，上方下菱型网囊的水阻力最小（图6），此时该网囊的菱形网目目脚夹角最大，最大限度的减小了水阻力，阻力曲线和网目目脚夹角变化曲线比较吻合。

（4）横向网目网衣在水流冲击时，在纵向上有一定的抵抗力，同样水流流速情况下，网目缩小的幅度较小；从图6中可以看出：因为网目形状相同，两种菱形网目网囊的网目夹角减小趋势线基本类似。

（5）上方下菱的工况时：水流流速很小（0.38 m/s）的时候，网囊网目由于本身的结构特点，趋向纵向闭合，随着水流流速增大，直到0.5 m/s时，网背上的方形网目在纵向上很大程度的张开，对网囊网腹有个横向的拉力，促使菱形网目张开，并达到最大值45.42°，此后由于两个方形网目对应一个菱形网目，随着水流流速增大，方形网目在纵向上逐渐完全张开，带动菱形网目趋向闭合，直至20.03°（0.88 m/s时）。

（6）结合数据，分析图6-a、图8得出角度、流速、阻力之间的关系表（表1）。

图4 不同网目结构系列阻力示意图Fig.4 Hydraulic resistance diagrammatic drawing of different Mesh-structure series

图5 方形网目示意图Fig.5 Diagrammatic drawing of square-mesh

图6 角度变化示意图Fig.6 Diagrammatic drawing of angle change

表1 不同结构系列中角度、流速、阻力之间的关系Tab.1 The relation between angle,velocity of flow and hydraulic resistance of different Mesh-structure series

3.2 不同部位对比分析

在整个网囊中，不同部位的受力情况不同，网目形状也会改变，以横向网目网囊为例，分析图7得知：

（1）随着水流流速的增大，不同位置的网目目脚夹角总体趋势是逐渐趋向闭合的，流速不断增大时，闭合曲线逐渐平缓。

（2）相同流速时，网囊后端网目的目脚夹角最大，且在流速从0.75 m/s增大到0.88 m/s时，有增大的趋势。

（3）流速从0.38 m/s到0.75 m/s之间变化时，前端与中间的网目张开角度基本相同或略有减小（0.38 m/s时，从 71.8°减小到 69.9°，减小了 1.9°），而当流速达到 0.88 m/s时，网囊网目的张开角度从前到后持续增大（前端 56.3°、中间 60.0°、后端 65.8°）。

图7 不同部位网目角度变化示意图Fig.7 Angle change of different position

3.3 不同缩结系数系列

3.3.1 网囊网目张开角度与缩结系数的关系

试验中采用了4种不同的缩结系数进行对比试验，分别是 0.707、0.8、0.9、0.96 其中，0.707 是理想状态时的缩结系数，测试网目张开成正方形，0.96是实物网的缩结系数。

从图8中可以得出：（1）随着水流流速的增大，网囊网目张开角度的总体变化趋势是逐渐减小，在相同流速情况下，缩结系数越大，网目张开角度越小。

图8 缩结系数系列示意图Fig.8 Angle change of different shrink-coefficient-series

（2）缩结系数为 0.707 时，网目张开角度最大，在流速为 0.50 m/s时达到最大值 76.4°，此工况下，网目角度缩小趋势线也最为平滑，流速从 0.38 m/s增加到 0.88 m/s时，网目张开角度从 75.1°减小到 69.9°，同时观察到，与力纲距离最近的网目呈方形展开，随着该距离增多，网目张开角度逐渐减小。

（3）缩结系数为0.8时，网目张开角度随流速增大，减小最快。随着流速从0.38 m/s增大到0.88 m/s，网目张开角度从 69.7°减小到 53.8°，差值达到 15.9°（其他三种情况分别为 5.2°、9.5°、11.7°），角度减小趋势线线性系数 R2达到 0.9737（表2）。

（4）缩结系数为 0.9 时，网目角度从 59.3°很快减小到50.0°，此后随着流速的增大，角度变化很小，分别为50.0°、52.3°、51.2°、49.8°，网目张开角度较为稳定。

（5）缩结系数为0.96的情况下，网目角度随着流速增大逐渐减小，当流速达到一定速度时，角度变化很小（46.2°、45.5°）。

图9 不同缩结系数系列阻力示意图Fig.9 Hydraulic resistance diagrammatic drawing ofdifferent shrink-coefficient-series

表2 不同缩结系数系列中角度、流速、阻力之间的关系Tab.2 The relation between angle,velocity of flow and hydraulic resistance of different shrink-coefficient-series

3.3.2 网囊阻力与缩结系数的关系

影响网片阻力的原因很多，包括网片与水流方向的夹角，网衣网线的d/a、和网目相邻两目脚夹角φ等，从图9中可以看出：

（1）相同流速情况下，缩结系数为0.96时，网目张开角度小，网囊阻力基本都要大于其他三种情况。其他三种情况下，随着流速变化，阻力相差不大。

（2）当流速为 0.63 m/s时，四种情况的网目目脚的夹角分别为 72.3°、59.5°、52.3°、49.4°，最大角度差22.9°，缩结系数为0.707的网囊网目目脚与水流方向的夹角远大于缩结系数为0.96的网囊，网囊水阻力系数最大，因此缩结系数为0.707的网囊阻力最大。

（3）当流速达到 0.75 m/s时，缩结系数为0.707 的网囊网目张开角度为 72.49°，几乎与流速为 0.63 m/s（72.3°）时相同；而缩结系数为0.96 的网囊网目张开角度则减小到 46.2°，网目形状改变，致使缩结系数为0.96的网囊阻力大于缩结系数为0.707的网囊阻力。

3.4 装配不同框架系列

（1）框架之间的网目形状变化很大 (图10)：距离框架最近的两个网目成方形，随着与框架的距离增大，网目张开角度逐渐减小；距离框架6个网目之后，网目形状基本相同，没有明显差异。

（2）前后装配两个框架的A、B两个网囊的总体变化趋势非常相似 (图11)，流速达到0.75 m/s之后，两网囊网目角度基本一致，且远大于C、D两网囊，网囊阻力变化同网目角度变化趋势非常一致。

图10 框架系列示意图Fig.10 Diagrammatic drawing of frame-series

图11 框架系列角度示意图Fig.11 Angle change of frame-series

（3）C网囊网目张开角度随流速增大而逐渐减小，总体趋势与D网囊最为接近，说明后框架对网囊网目张开角度有比较明显的影响，同时C、D两个网囊的阻力变化趋势非常相似，尤其是在流速比较大的时候，说明前框架对整个网囊阻力有所影响，但流速达到0.63 m/s之后，其影响可忽略不计(图12)。

图12 框架系列阻力示意图Fig12 Hydraulic resistance diagrammatic drawing of frame-series

（4）流速为 0.63 m/s时，网囊内流态的变化致使B网囊的网目角度有增大的趋势；流速从 0.75 m/s增大到 0.88 m/s时，4 个网囊网目角度变化很小。

（5）表3为本系列中角度、流速、阻力之间的关系统计表。

表3 不同框架系列中角度、流速、阻力之间的关系Tab.3 The relation between angle,velocity of flow and hydraulic resistance of different frame-series

4 讨论

从目前的研究成果来看，影响网囊网目有效扩张的因素有很多，如网目尺寸，水流流速大小，网目形状，网线直径、材料以及网囊的装配、缩结系数等，网目形状是各种因素综合作用的结果。网线是柔性体，其形状随着受力的改变而改变，网囊前后端不同位置的网目之所以张开角度不同，原因就在于不同位置的网目受力不同引起的。

由于网囊编制工艺问题以及力纲装配时不可能实现完全平均等客观因素对试验数据有所影响；通过网囊网目目脚夹角进行定量分析，确定了不同改进措施下，网囊网目张开角度的变化情况和网囊不同位置网目张开角度的差异性，有助于过滤性网渔具网囊结构的进一步改进。

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