深远海养殖装备系统方案研究

2018-03-16黄温赟鲍旭腾蔡计强

渔业现代化 2018年1期

黄温赟，鲍旭腾，蔡计强，江涛

(1 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092;2 农业部远洋渔船与装备重点实验室，上海 200092;3 青岛海洋科学与技术国家实验室深蓝渔业工程装备技术联合实验室，山东青岛 266237)

随着经济社会的发展，海产品的需求量逐年提升。在世界海洋渔业捕捞产量增长不大甚至萎缩的情况下，海产品的供应将主要依赖水产养殖业的发展[1]。中国水产养殖生产方式粗放，受内陆和沿海近岸水域环境恶化和水质劣化的影响，养殖产品的安全问题日益突出，养殖空间也受到挤压。人民日益增长的美好生活需要和水产品生产供应不平衡不充分的矛盾逐渐显露。另外一方面，我国广袤的深远海国土面积基本未被用于水产养殖；利用这片海域为实现新时期我国水产养殖业的可持续发展、推进渔业供给侧改革、满足人们美好生活的需要，实施深远海养殖战略成为我国水产养殖业的重要发展方向[2]。

深远海养殖将海水养殖区域从现今的水深20 m以下[3]水域拓展到更深、更广的外海区域，借助更好的水质环境、更强的水体自净能力，养殖病害将会减少，单位水体养殖量会提升，养殖产品的质量亦可提高。随着养殖区的外移，近岸区的养殖密度将可得以有效控制，甚至可以实施局部区域禁养等强有力的保护环境措施，有利于浅海生态环境的恢复和沿海生态旅游业的发展[4]；还可开创深海旅游。

1 深远海养殖工程装备发展现况

实现深远海养殖的主要途径是构建大型养殖网箱和浮式养殖平台。前者是在离岸养殖网箱的基础上，在设施与配套装备技术的支撑下，不断向深水、深海水域推进；后者以专业化养殖工船为代表，在发展理念与技术方案上不断成熟，开始被列入到未来的发展计划。

1.1 网箱养殖工程装备

深水网箱养殖最为普遍的是HDPE框架重力式网箱，新型的HDPE C60深水网箱载鱼量高达60 t，与国外同类型相比，制造成本仅为后者的1/5[5]。目前养殖网箱设施向大型化、集约化发展[6]，并不断地向更深水域、开放性海域推进。经过技术的不断深入，网箱抗风浪、抗流能力不断增强，出现了蝶形网箱、球形网箱等新形式。瑞典Fannocean公司养鱼平台，网箱容积2 500、3 500、4 500、6 000 m3等4种规格，可抗大于10 m的波浪，养殖产量达到150 t；日本北海道以一个养鱼平台控制5个6 000 m3养殖网箱，经受了6级地震及随后的海啸袭击，每年饲养大马哈鱼80 t，鳟鱼160 t[7]。西班牙彼斯巴卡公司设计的养鱼平台，可管理7只2 000 m3的深水网箱，能经受9 m海浪，年产鱼250～400 t[8]。

网箱养殖还配备了许多高效设备，包括具有自动化远程管理的投喂系统、定量投送装备、数字化监控系统等，饲料投送、辅助作业等的养殖工作船，在网箱起鱼过程中能降低劳动强度，提高工效的吸鱼泵与分级装备[9]。此外，还有鱼苗计数器、疫苗注射机、海水过滤循环装置等先进、实用的各类设施[10]。

1.2 深远海养殖工船

1980年代提出的养殖工船，包括浮体平台、船载养殖车间、船舱养殖以及半潜式网箱工船等多种形式[1]。挪威国际渔业集团Sal-Mar公司投建由挪威Global Maritime公司设计、青岛武船承建的全新三文鱼海上渔业养殖平台[11]。该平台总高69 m、直径110 m，空船重7 700 t，箱体总容量20多万m3，在100 m至300 m水深区域进行三文鱼养殖，设计养鱼量150万条，设计死亡率低于2%，设备配员9人[12]。该平台具备深远海鱼类养殖与输送、饲料储藏和投放、智能化管理与运营等功能。

挪威NSK船舶设计公司的大型深海养殖工船，全长430 m、宽度54 m；单艘养殖工船可以容纳1万t三文鱼成鱼或超过200万尾幼鱼，还可以降到海平面10 m以下。养殖工船为钢架结构，可以安装6个50 m×50 m的养殖网箱，网箱深度可达60 m[13]。

养殖工船(鲁岚渔养61699)[14]，由中国海洋大学与中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所联合设计。该船总长86 m，型宽18 m，型深5.2 m；设计养鱼舱14个，配备饲料舱、加工间、鱼苗孵化室、鱼苗实验室等配套齐全的舱室及设备。该船将在日照离岸100海里的黄海作业，作业时养殖工船将取水管底端深入冷水团内，抽取低温海水循环进行冷水鱼类养殖，原理见图1[15]。

“十二五”期间，中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所开展了大型养殖工船系统研究，在10万吨级阿芙拉型油船船体平台上，设计养殖水体7.5万m3，可以形成年产4 000 t以上石斑鱼养殖能力及50～100艘南海渔船渔获物初加工与物资补给能力的养殖工船[16]。

图1 冷水团养殖工船

2 深远海养殖工船功能设计

现阶段，世界贸易低迷，全球运输需求不振，船舶供应又过剩，全球航运业持续萧条[17]。全球航运业风向标—波罗的海干散货指数(BDI)长期萎靡不振，航运业低迷，船价也大幅缩水。将空置的大型货船改造成深远海养殖工船，不仅解决了资产闲置的难题，而且可以产生一定的经济利益，还是国家供给侧改革的需要。

将一条30万t级的矿砂船，缩小舷侧压载舱，将货舱改建成养鱼舱，改建成一艘养殖工船。并增加繁育车间、加工车间、冷藏冷冻舱、饲料储藏舱，加大淡水舱、燃料舱，增设深层测温取水装置、自动化投饲装置、排污换水装置、机械化起鱼装置等，方案见图2[18]。

图2 30万t大型养殖工船改造方案

针对养殖工船的布置及配备，其有如下特点：

(1)适宜的养殖环境。优良的水质是开展健康养殖、提高产品品质的必要条件；环境水温的变化范围与养殖品种最佳生长温度的对应程度越高，生长周期越短，养殖系统的产能就越高。在深海海域，尽管气候条件随季节变化，但通过深层取水，在特定水域和特定水深下，可以获得水温、盐度合适的水源。

(2)优质健康鱼类产品。相比近海沿海海域，深远海的水质环境更好，水体面积更广，水体自净能力强；外加适宜养殖鱼类生长的水温和盐度以及足够的换水次数，细菌及微生物得到了抑制，从根本上解决了病害问题，避免了养殖过程中的药物和抗生素的使用，鱼产品可达到准野生的优质水平。

(3)高效的养殖生产模式。大型深远海养殖工船集成了繁育、养殖、加工、冷冻冷藏等鱼货物供给的一条龙功能，提供了阶段性分舱养殖、自动化投喂、自动换水排污、机械化起捕、鱼货物加工等一系列先进的养殖生产加工方式，最大程度减少海上作业人员数量，减轻养殖工人劳动负荷。

(4)利于近岸生态保护。养殖工船的实施及养殖区域的外移，势必减少近岸区的养殖密度，保护近海水域生态环境；还可调整现阶段以远洋捕捞和近海养殖为主的海鲜产品供应方式，促进渔民转产转业，引领全球渔业养殖产业发展。

(5)自主游弋。由矿砂船改装而成的养殖工船，保留了原有的动力系统，可以根据需求追逐适温海流、驶入特定渔场、躲避台风侵袭等；其与捕捞渔船相结合，可以构建驰骋远海大洋、持续开展渔业生产的航母船队；建立渔业维权海上移动工作站，对深远海作业渔船和渔业执法船进行物流补给，且可机动布局于边远海疆，维护国家海洋权益[19]。

(6)系统齐备。为了养殖利润的最大化，养殖工船上配备了：深层测温取水系统、阶段性分舱养殖系统、自动化投喂系统、自动换水排污系统、机械化起捕系统，鲜活饲料加工系统等。还可增配海洋环境检测、资源调查等的实验室。

(7)可期的经济性。虽然养殖工船系统复杂，改建费、运行维护费高，但通过深层测温取水，常年获取适宜温度盐度的深层海水，养殖鱼类一直处于快速生长阶段，配合科学养殖方案和投饲方案，养殖产量和效益可显著提升；同时绿色海鲜产品价格逐年上涨，国人消费量节节高攀，经济性可期。

3 结构改建

矿砂船中间是单个矿砂舱，两侧设置有巨大的压载舱(图3)。

图3 矿砂船横剖面图

肋骨骨材均位于压载舱内，结构部件复杂，突出部分易造成鱼类受伤，不适合养殖，且不利于饲料均匀投饲、鱼货物起捕作业等；要使得船舶达到设计吃水，仅靠中间大舱内的养殖水体不足以达到，两侧压载舱还需保持一定水量，造成水体及能源的浪费；中间大舱自由液面大，对船舶稳性有着不利影响。该结构养殖水体少，养殖量小，无法发挥其大吨位的优势。

因此，为了最大化养殖水体和船舶安全，需对货舱分舱布局进行改动：将货舱壁外移；船中增设槽型舱壁；加宽底部空舱至新纵舱壁；为利用水面至主甲板的空间，在养殖舱两舷增设舱室等，详见图7。

根据自由液面对船舶稳性的影响公式[20]：

(1)

式中：GM—船舶重心与稳心之间的垂直距离；ix—自由液面的面积倾斜的横向惯性矩；w1—自由液面物质的重量；Δ—船舶总排水量。

4 系统方案构建

本船主要在中国外海海域(黄海、东海和南海)进行养殖、繁育及鱼货物加工作业，并兼做渔船油料淡水食品补给站、渔业维权海上移动工作站、资源调查观测站、教学实验活动基地以及休闲旅游场所。养殖是本船主要功能及经济收入来源。

流程2：在使用映射服务器的基础上，入口隧道路由器ITR能够迅速查找出EID2所对应的位置标识RLOC2，之后在RLOC1为源地址和RLOC2为目的地址的数据包内将步骤1的数据包进行封装，最后再将封装后的数据包发送至IP承载网；

4.1 鱼群调拨系统

合理的养殖密度可以保证在养殖期间内，饲养出达到预期的鱼种规格[21]。养殖工船中由于每个养殖舱舱容是一定的，而鱼群每天都在成长，养殖密度就不断增长。为了保持本舱内的最佳养殖密度，每隔一定时期需将鱼群的部分转移至另外的舱内，保持鱼类最佳生长速度，也最大化地利用养殖水体[22]。本船拟采用这种阶段性分舱养殖方案。

将养殖工船14个养殖舱平分为左右2组，根据月初投放的目标鱼规格、养殖鱼种在最佳养殖密度下每月的成长量，对每个舱推算月末舱内养殖鱼类总量；月末重新调度每舱内鱼群数量，以保证下个月最佳养殖密度和鱼类最佳生长速度。通过一定的规划，确保每个月每个养殖舱内都有足够的养殖鱼群，养殖水体得到充分利用。

根据养殖工船养殖舱布置特性，月末的鱼群重新分配调拨有3种方式：左侧养殖舱之间调拨，右侧养殖舱之间调拨，第7养殖舱左右两舱之间调拨。在船两舷侧的压载舱/空舱中设置鱼群输送管，并设置阀门，通过阀门开闭、养殖水舱之间的液位调节及舱底网架升降，借助安装在输送管上的精密鱼群检测仪器，实现同侧养殖舱之间的鱼群精准调拨；第7养殖舱左右两舱之间的槽型壁上增开流通口，并设闸，开闸即可实现鱼群的调拨。

4.2 深层测温取水系统

深层测温取水是本船最重要的系统之一。通过该系统，养殖舱可以源源不断地获得所需温度的深层海水；利用这些富含矿物质、适宜水温及盐度的海水，养殖鱼类可以长时间处于快速生长过程中。

本系统包括深层取水装置[24](以下简称取水管)、带补偿装置的液压吊机、循环水泵、温控阀、声呐探测装置等(图4)。

图4 深层测温取水系统方案图

取水管长度约120 m，养殖工况时用吊机将取水管缓慢放入海水中，由取水管底端的温度传感器测得符合养殖水产品的温度时发出信号，将取水管固定在该水深处，启动循环水泵对养殖水舱供水；循环水泵亦可以根据养殖舱内的液位传感器自动启停。取水管放下之前需先打开声呐探测系统，对水下障碍物持续进行探测，保证取水管及船舶的安全。当船舶由于波浪的作用颠簸或者取水管在洋流的作用下产生摇摆时，吊机上的补偿装置可以随着船颠簸和取水管的摇摆进行补偿，从而消除对船舶稳性产生的威胁。

4.3 投饲系统

养殖鱼类的投饲分为颗粒饲料投饲(图5)和鲜活鱼饲料投饲(图6)[25-26]，其中颗粒饲料投饲设计了4种不同规格的饲料。颗粒饲料仓一分为四，储存4种不同规格的饲料。

图5 颗粒饲料投饲方案图图

图6 鲜活鱼饲料投饲方案图

在料仓底部设置配料秤系统，通过配料输送机将每次需要投饲的饲料量经配料秤秤重后，提升至两边的刮板输送机，分别向艏艉方向送料。

通过控制刮板输送机下方的气动闸门及三通，确定投饲的养鱼舱。根据养殖鱼类的数量，可计算出料仓所需容积。在主甲板加工车间下方设有冰冻杂鱼板冷库。投饲时，通过小吊机，将储藏室内的冰冻杂鱼块起吊至甲板。操作人员将鱼板放置皮带输送机上，提升至鱼板破碎机。破碎后进入刮板输送机，分别向艏艉方向送料。通过控制刮板输送机下方的气动闸门及三通，确定投饲的养鱼舱。投饲量以冰冻杂鱼板的数量计。

4.4 换水排污系统

本船采用循环换水系统(图7左侧)，通过深层测温取水系统将深层水泵至养殖水舱中，养殖水舱内的水位高于外部水位，自动换水。通过传感器检测舱内水温，自动开启阀门进行溢流排水，而舱内水位排至一定时触发循环水泵泵入新的深层水。强制换水即排污，养殖舱底设置为斜底结构，便于舱内污物(鱼类排泄物及残余饵料等)的收集和排出。斜底结构上方安置非水密格栅，防止养殖鱼群进入斜底区域搅动污物。斜底区域设置两个推流器[27]。在排污期间造就旋流，便于污物转移至舱底中心部位的排污口。在每天适当的时候开启排污模式，启动推流器，打开排污泵进行排污，舱内水位排至一定时触发循环水泵泵入新的深层水。为了养殖水体的水质，每天需保证足够的换水次数[28]。

图7 养殖工船横剖面图

4.5 起鱼系统

舱内结构的特殊性(繁育车间/颗粒饲料舱嵌在养殖舱内)，需专门装置才可将鱼从养殖舱内捕捞起来。在舱内安置一个网架，通过四周的钢缆及滑轮与主甲板上的绞纲机相连[29]；养殖过程中，网架沉入舱底，上方水体部分进行养殖作业，污物通过网孔沉入斜底；网架上做相应的设计，可以让死鱼沉入斜底中，通过换水排污系统排出船外；起鱼作业时，通过绞纲机将网架逐渐提升，同时开启排污泵降低舱内水位，网架到一定高度、鱼群集中后，通过主甲板上的吊机将吸鱼泵吸口吊入舱内，将鱼吸走；舱内四周设置平台，方便在过程中人员查看。

5 亟待解决的问题

深远海养殖是一个综合体系。适养物种、养殖技术和养殖平台是深远海养殖的主体；实时水文监测、养殖人员、物资和养成品的海上运输和陆地物流等，是深远海养殖体系周边配套支撑网络。同时还必须考虑海流(暖流)、风暴潮等对养殖活动的影响以及一定的减灾防灾策略等。在我国深远海养殖己有的基础下对面临的问题分析如下：

(1)我国深远海养殖技术还缺乏实际经验。虽然近海养殖技术已经成熟，但因我国海域横跨纬度大，水温水文特性差异大，养殖品种适应性、养殖饲料适宜性还未确认，养成品的保活保鲜及加工还未得到验证，各个外海海域均未有成熟的养殖经验。

(2)配套深远海养殖的设备有待验证。我国渔业设备一向以简单实用为原则，自动化程度偏低，而深远海养殖平台需要高可靠性、机械化、自动化的装备；近海养殖设施是否适应深远海海域有待验证；为深远海养殖新设计养殖设施也有待验证。

(3)对深远海水文规律[30]的撑握以及宜养水域的选择等技术应用仍需加强，包括对适温洋流、海底冷水团的撑握以及深层海水的获取等。

(4)深远海养殖人员及岸基配套欠缺。不同于近海个体养殖，深远海养殖需要更先进的管理模式、管理系统，而现今国内基本无深远海岸基配套设施，虽然有国外经验可参考，但舶来品是否适合国内状况还需时间验证。

(5)政策法规的缺失及政府的支持力度不明。养殖工船适用的建造及检验规范未明确；养殖工船装备要求高，整体投入大，政府对于这新兴的、民生的生产方式还未有明确的、详细的扶持措施，着手投入的企业少。

6 展望

渔业走向深蓝海域已是大势所趋。深远海养殖装备是开拓水产养殖新空间、构建战略新兴产业的前提和保障。“深蓝渔业”随之而出。深蓝渔业不仅可为广大民众提供健康绿色的水产品，转变渔业生产方式、减轻渔民劳动负荷、提高渔民收入水平，加快近海沿岸水环境修复等；还可开展深远海科学观测、岛礁及海域国土综合管理，形成渔业航母船队，屯渔戍边，守卫海疆。深蓝渔业是我国海洋强国战略发展的需要，是渔业供给侧改革的需要，更是企业转型、提升竞争力的需要。

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[1] 徐皓,谌志新,蔡计强,等.我国深远海养殖工程装备发展研究[J].渔业现代化,2016,43(3):1-6.

[2] 麦康森,徐皓,薛长湖,等.开拓我国深远海养殖新空间的战略研究[J].中国工程科学,2016,18(3):90-95.

[3] 马云瑞,郭佩芳.我国深远海养殖环境适宜条件研究[J].海洋环境科学,2017,36(2):249-254.

[4] 麦康森.深海养殖与海洋经济可持续发展[J].新经济,2014(4):61-64

[5] 郭根喜,陶启友,黄小华,等.深水网箱养殖装备技术前言进展[J].中国农业科技导报,2011,13(5):44-49.

[6] 徐皓,江涛.我国离岸养殖工程发展策略[J].渔业现代化，2012，39(4)：1-6.

[7] 方荣楠.国外养鱼平台[J].渔业现代化,2010(24):35.

[8] 庚云.西班牙研制巨型海水养殖网箱[J].现代渔业信息,1990,5(11):34.

[9] AKVAGROUP．Cage Farming Aquaculture[EB/OL]．[2016-03-10]．http://www.akvagroup.com/preducts/cage-farming aquaculture.

[10] 徐君卓.挪威网箱养鱼持续高速发展的经验与启迪[J].海洋渔业,2000(4):180-184．

[11] 湖北日报网.世界最大“深海渔场”武汉造一年可养150万条三文鱼[EB/OL].[2017-06-04] http://news.cnhubei.com/xw/jj/201706/t3842926.shtml.