现代海水网箱、海洋牧场技术进展及研究方法

陈志明 毛沛盛 严谨 吴英友 伍斯杰

摘 要：本文对现代深海网箱海洋牧场的特点做出总结，展示不同类型的深水抗风浪外海网箱，论述了国外海洋牧场技术发展现状，详细分析了重力式浮式网箱的水动力特性研究的重点、难点问题，总结了网衣系统、浮架系统的和配重系统的水动力性能特点和研究方法，并对近年来深水抗风浪网箱的研究热点和发展方向做出一定展望。

关键词：网箱；抗风浪；海洋牧场；水动力；进展

中图分类号：U661.1 文献标识码：A

Abstract： The modern marine cages have the characteristic of offshore aquaculture， wind and wave-resistant， deep water aquaculture and scaling-up， marine ranching has become a multidisciplinary joint propulsion， comprehensive subject of common supporting industries， also widely spreads in domestic .This paper gives a summary on the characteristics of modern deep sea area， showing the different types of deep water marine cages with wind and wave-resistant characteristic， studies the research situation of marine ranching. We have a detailed analysis of hydrodynamic characteristics of gravity floating cages， and summary the research method of net system hydrodynamic performance and the stress of the floating frame system and the impact of weight system on the hydrodynamic performance of the cages. Then we have a direction outlook on deep water wind and wave-resistant cages.

Key words： marine cages； wind and wave-resistant； marine ranching； hydrodynamic performance

1 國内外海水网箱养殖概况

随着深水养殖技术、海洋结构物制造技术的不断提升，国内外深水远海网箱养殖在近些年得到了极大的发展，海洋牧场[1]的概念被冠以新的生态意义，梳理并总结现代海水网箱技术及最新的深水养殖理念对推动国内深水养殖业水平发展具有重要意义。我国从上世纪70年代开始发展近海网箱养殖业，网箱养殖鱼年产量40余万吨，占全国海水养殖鱼类的50%左右，海水网箱养殖技术的更新与提升有助于提升国内海水养殖业水平。传统网箱一般都依附于沿岸港湾，由于网箱数量多、养殖密度大，水交换能力差，以及残饵等因素，造成网箱养殖对近岸生态环境的破坏以及养殖对象的品质下降等问题[2]。80年代以来，过度捕捞和近海环境污染问题日益严重，导致近岸海洋渔业资源近乎枯竭，发展新型水产养殖，在外海地区大力发展高经济价值鱼类的深水网箱养殖业，成为沿海渔民转产转业的重要方向。

深水网箱是目前国外推广最为广泛、科技水平最高的海水鱼类养殖模式，国外在深水网箱养殖方面的研究与应用已有30余年。其中，挪威的HDPE重力式浮式网箱[3]、美国的碟形网箱[4]、日本的金属网箱、日本和我国台湾省的浮绳式网箱的应用最为广泛，上述网箱类型是目前海洋养殖设施发展的新趋势[5]。深水网箱不仅抗风浪能力强，鱼群容纳量大，生长速度快，且由于深水网箱空间更大，养殖鱼群品相好、肉质佳，具有良好的经济效能。同时，快速流动的洋流能带走鱼群排泄物，鱼群发生病害几率小。与传统近海养殖相比，深水网箱养殖的经济效益和环境效益显著。

此外，新型海洋牧场的推广在国内已经展开。最初提出海洋牧场的概念是指在某一特定海域，为保障渔业资源有计划地持续培育和管理而建立的人工渔场[6]。上世纪70年代以来，日本、韩国、美国、挪威等国家的海洋牧场建设取得了丰富的成果。在我国，曾呈奎院士首次提出了构建海洋牧场的号召[7]，积极推动以投放人工鱼礁的方式构建局部海洋生态系统。2015年，我国公布了包括大连獐子岛海域等在内的20个首批国家级海洋牧场示范区，国内海洋牧场建设规模逐渐增大。

2 现代海水网箱特点

随着技术水平的发展，相比于传统的近海网箱，现代海水网箱的功能、结构设计、适用环境等呈现出一定的新特点。主要包含以下几点：

（1）远海、深水养殖

远海养殖网箱一般被放置在海岸外数公里的范围，这些区域往往有大的水流和海浪。远海养殖环境无污染、活水流动、单位水体产量高、鱼类肉质好[8]，深水网箱强度高，耐使用，有效养殖水体大，受外界环境干扰小，有利于鱼类生长。远海深水养殖起源于美国，随着研究热度的不断深入，目前已有二十多个国家开展深远海养殖研究和风险投资，我国多个深远海地区[沿海城市改为深远海地区]也陆续构建了大型深远海养殖基地。

（2）抗风浪设计

近海岸由于风浪条件好，潮流平稳，因此设计中不会重点考虑风浪的影响。然而远海环境的风浪级数较近海要大得多，因此，抗风浪能力的好坏关系到网箱的使用寿命和使用效果，鱼群的生长也会受到影响。现阶段的网箱抗风浪水平达到海面最大风级11级[9]，最大海面波高至少 5 m，最大流速1.5 m/s。因此，开发一种具备抗强台风、施工方便的新型网箱锚泊系统至关重要。目前国内外各式海水网箱系统如重力式网箱、钢结构板架式网箱、蝶形网箱、锚拉式圆柱网箱、升降式网箱等等都将抗风浪设计考虑在内，利用各自的网箱特点达到抗风浪效果。

（3）大型化发展趋势

随着深远海养殖技术的不断提升，深水网箱日益趋向大型化。以挪威的HDPE网箱为例，其周长均值在80 m-100 m之间，最大周长可达120 m，网深约40 m，构建出大型的养殖水体，每箱产鱼量达200 t[10]，见图1。而美国的碟形网箱周长近80 m，有效养殖容积达3000 m3，该网箱采用钢结构柔性混合结构，极大地提高了抗流能力，在1.5 m/s的海流冲击下箱体能够保持不变形。发达国家集约化养殖技术高，深水网箱配套设施齐全，维护与服务体系完善，自动化水平高，大型产业化程度高，见图2。

3 海洋牧场发展

海洋牧场配套设施齐全，采用集约化养殖管理，为各类海洋生物构建人工控制的生态体系，有效保障了渔业资源的有效产出的稳定增长[11]，同时具备生态环境友好、海洋资源可持续发展的优点。

美国在1968年首次提出建设海洋牧场，并于1974年构建加利福尼亚巨藻海洋牧场系统，该海洋牧场最早将海洋牧场的构想变为现实，见图3。日本在1971年也提出，将海洋牧场建设作为国家未来渔业发展的基本技术体系，通过海洋牧场技术科学有效的从海洋生物资源中获取生产资料。1973年，日本再次强调海洋牧场的地位，认为它是“人为控制下保护和利用海洋生物资源”的一种全新的生产方式[11]，同时在日本国内大力推行海洋牧场的建设。韩国在1994年对海洋牧场建设展开研究，并于1998年开始大规模建设海洋牧场，试图实现海洋水产资源的最优化利用。

纵观上述发展历程，世界各国关于海洋牧场的概念界定一直是发展和变化的，世界各国建设海洋牧场也朝着多元化的方向发展，海洋牧场须同时兼顾渔业经济效能和海洋资源培育型利用，随着科技水平、制造业水平的不断提升，海洋牧場研究已经成为一个多学科共同推进、多产业共同支撑的综合课题。

4 水动力性能研究方法

突破深海海水养殖限制和实现新型海洋牧场的构建，其核心落脚点是深水网箱的功能设计和性能研究。重力式浮式网箱[12]是国内引进较早，研究较为深入的深水抗风浪网箱类型，其水动力特性研究是决定网箱设计和安全使用的基础和依据。此部分针对深水网箱的水动力特性、运动特性研究方法和方向进行阐述。国外相关研究展开的较早，技术相对较为领先，国内高校及科研单位的相关研究成果也逐渐丰富，中国海洋大学、大连理工大学、浙江大学等[13-17]在重力式浮式网箱的网衣水动力特性、浮架系统在波、流状态下运动特性等方面进行了大量研究。

常见的重力式浮式网箱由网衣系统、浮架系统和配重系统组成，这三个系统面临的科学问题和解决手段存在明显的差异，但三者之间也存在着相互作用影响，因此，重力式浮式网箱的水动力特性、运动特性研究是一个研究难度高、研究内容非常丰富的研究课题。

在进行重力式浮式网箱的水动力特性研究中往往采用模型试验、数值模拟和实物验证三种方式完成，三种方式均有着各自的优缺点，模型试验中存在相似准则选取问题，数值模拟中存在着数值计算精度困难，而实物验证的实际监测设备研发也较为困难。后文基于应用最为广泛的模型试验方法详细的对网衣系统、浮架系统和配重系统的水动力特性研究及其重难点进行阐述。典型的重力式浮式网箱及水池模型试验图见图4。

4.1 网衣水动力特性

网衣系统是网箱的主要部件之一，在水流条件下是影响网箱整体受力特性的主导因素。对网衣性能的研究将有利于对网箱网衣系统的了解。关于网衣水阻力系数的研究一直是很多学者关注的焦点，日本学者宫崎芳夫、田内、苏联学者弗里得门、巴拉诺夫[18]等都曾对各种规格的网衣做了大量的试验研究。

网衣模型的设计在渔网渔具模型试验中是一直存在的难题。在大比尺模型试验中提出了一些关于网衣模型的相似准则，如狄克逊准则、田内准则及克里斯登生准则等，国内较为常用的是田内相似准则，但是满足田内相似准则在网箱模型试验中存在较大困难。现阶段研究[18]考虑到为保证网衣模型的受力和变形特性与田内相似准则一致，提出了采用网衣变尺度模型和重力相似准则相结合的设计方法。

网衣水动力特性研究一般包含以下几个方面问题：

（1）网目参数的影响。网目一般有菱形、矩形和六边形结构，分有结节和无结节两种情况。网目个数、网目的形状、有无结节对于网衣的水动力特性均存在影响；

（2）网衣水阻力系数与雷诺数的关系。诸多研究表明网衣的水阻力系数随雷诺数的增加而减小，网衣张紧状态下的水阻力系数大于标准状态下的水阻力系数，有结节和无结节网衣水阻力系数和雷诺数关系存在一定的差别；

（3）网衣对流速衰减的研究。网箱内水体的流动直接关系到鱼类是否能够快速、健康生长，网箱迎流面网衣的减流作用及网衣减流后网箱内部的流动规律研究至关重要。研究表明，网衣的受力一般与流速的二次方成正比，模型试验得到的网衣对流速的衰减效应作用直接决定实尺度网箱结构设计。网箱模型试验图见图5。

4.2 浮架系统运动特性

重力式网箱的浮架系统在对于保证网箱的抗风浪性能至关重要。浮架系统产生的浮力保证网箱整体的浮态，设计中需综合考虑浮性、稳性、耐波性、抗风浪能力的要求，对于深水网箱的可靠性和养殖效能至关重要。浮架系统虽然实际尺寸较大，但是在海洋环境中仍被视为小尺度柔性漂浮结构物[20]，在风浪和海流的作用下，其受力特性较为复杂，浮架系统的综合动态性能研究是一个典型的流固耦合问题。

浮架系统的受力及运动特性研究一般包含以下几个方面问题：

（1）纯流、纯波浪及波流耦合状态下的受力特性分析；

（2）不同波浪条件下浮架运动特性。浮架的运动特性主要包括运动幅度位移差、倾角特性、运动速度、加速度以及角速度等，浮架中心运动轨迹对于浮架的运动分析至关重要；

（3）浮架属性对比研究。刚性浮架和柔性浮架的结构受力及运动特性存在明显的不同，不同属性的浮架设计性能应满足不同的设计要求和环境需求。

4.3 配重系统对网箱水动力特性的影响

布置于网箱底部的配重系统维持箱体的有效养殖体积，配重系统对重力式网箱至关重要[21]，研究配重系统对重力式网箱水动力特性及整体特性的影响意义重大。网衣及配重模型试验图见图6。

配重系统对网箱水动力特性的影响一般有以下几个方面：

（1）配重方式和配重大小的角度对重力式网箱锚绳系统受力影响；

（2）配重系统对网箱的运动影响；

（3）配重系统对网衣变形的影响；

（4）不同配重方案对不同风浪状态下网箱性能的影响。

5 研究热点及未来方向

前文已述，现代深水抗风浪网箱及海洋牧场的研究涉及的学科众多，包含的科学问题非常丰富。现代海洋水產业逐渐走向远海，且日益重视海洋生态环保和可持续友好发展，因此，从解决未来工程应用问题的角度出发，基于流体力学、流固耦合理论的新型深水抗风浪网箱性能研究具备良好的研究前景和工程应用价值。

综合近年来相关的高质量学术论文研讨和研究成果，现阶段的研究热点及未来的方向大致包含下述内容：

（1）风、浪、流耦合作用下网箱性能问题

从网箱实际使用经验中可知，远海深水网箱长时间处于风浪流耦合作用下的恶劣复杂环境当中。当下的研究内容往往是基于单独环境下的独立系统性能分析，未来的试验研究及数值分析均需朝向综合考虑风、浪、流耦合的复杂环境下网箱性能研究发展，模拟实海况下深水网箱的使用性能是科研界的共同目标。

（2）鱼群对网箱锚泊载荷影响及动态变形

鱼群的存在能够导致网箱内水流出现流速衰减，鱼群的占用空间比及不同洋流状态下鱼群的运动规律等对网箱锚泊载荷存在影响，鱼群贴近网衣后网衣的动态变形及动态载荷研究具有重要实际意义和研究价值。

（3）考虑流体-结构相互作用的网箱流载荷动态高精度数值研究

数值模拟对于研究网箱流载荷问题非常实用，现阶段的研究仍然存在过度简化、研究环境单一、数值计算精度不高等问题，基于计算流体力学方法中湍流模型的合理应用、简化模型优化、合适的网格化分拓扑等对于提高数值模拟精度有一定帮助作用，开展流固耦合状态下网箱流载荷动态数值仿真存在较大的研究空间。

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