HDPE圆形网箱单点系泊与多点系泊受力特性模拟分析比较

黄小华，刘海阳，胡 昱，陶启友，王绍敏，袁太平

（中国水产科学研究院南海水产研究所，广东省网箱工程技术研究中心，农业部外海渔业开发重点实验室，广东广州 510300）

当前，我国临海重工业、滨海旅游业发展迅速，部分近岸海域污染严重，近海养殖业发展空间进一步压缩，海洋养殖向离岸深水发展已成业界普遍共识。深水网箱通常设置于较深海域，具有养殖水产品品质好、产量高、效益大的显著优势，已成为我国深水养殖拓展海洋养殖空间的重要设施装备[1]。但由于无天然屏障的深水海域海况复杂，每年在中国沿海登陆的强台风更是给深水网箱安全生产带来严峻挑战，保障高海况下深水网箱的系统安全成为业界关注的焦点。国内外已有众多学者采用模型试验[2-8]、数值模拟[9-14]和海上实测[15-18]等技术方法手段开展了深水网箱受力及运动变形的研究，取得了较多研究成果，但对于单点系泊网箱的研究极少。相比传统固定式系泊网箱，单点系泊网箱不仅可随波逐流大幅减少鱼类养殖废弃物的海底沉积，而且能够节约网箱海上系泊成本一半以上，在国外已得到了一定的应用，其安全性研究也引起了部分学者的兴趣。DECEW,et al[19]通过数值模型研究了一种单点系泊的梯形网箱在纯流作用下的动力特性。HUANG,et al[20-21]研究了各种环境载荷条件下单点系泊重力式网箱的结构性能及可靠性，并评估了锚绳失效风险。

单点系泊深水网箱在我国南海区已有部分养殖户开始尝试应用，但锚泊形式及固定锚的选取只是简单参照传统固定式网箱，缺乏科学理论依据。了解不同海况下单点系泊深水网箱的受力特性，是解决其安全问题的前提。本文的研究工作即为弥补此方面的不足而开展的。在作者此前相关研究成果的基础上[22-25]，基于建立的网箱整体数学模型，以40 m周长的单点系泊HDPE重力式圆形网箱为研究对象，对不同波浪和流速组合条件下的网箱波流力、锚绳力进行了数值计算，并与传统多点系泊网箱受力结果进行了比较，分析探讨了水深、网衣高度对两种系泊形式网箱锚绳受力的影响。

1 数值计算模型

1.1 波流场理论

本研究采用线性波浪理论，根据线性速度势满足拉普拉斯（Δ2φ=0）方程[26]，可分别求得波面升高及速度势表达式为：

式中：A为波幅，k为波数，w为波浪频率，h为水深，t为时间，x、z为波浪水质点位置，g为重力加速度。

波流场中的流速U为水流速度（沿水深均匀分布）和波浪水质点速度之和，可表示为：

水质点加速度可通过对速度表达式（3）求导得到：

根据式（3-4）求得的水质点速度及加速度将用于莫里森方程中计算网箱所受的波流力。

1.2 网箱载荷计算

网箱系统由浮架、网衣及锚泊三大部分组成。在计算网箱系统受力及运动时，为简化计算，将浮架设为刚体，采用刚体运动学原理将浮架各个微元构件所受到的外力合力累加到浮架的质心处，建立浮架质心的6个自由度上的运动方程，包括平动方程（5）和转动方程（6），方程的详细建立过程可参考文献[22]。

式中：MG为浮架总质量，aG为浮架质心加速度，Fi为第i个质点所受的外力合力，I为惯性矩，w为角速度，N为外力矩，下标（i,j,k）代表坐标轴，εijk为三阶单位反对称张量，可取值为1，-1或0。

网衣和锚绳属于柔性体，均可通过集中质量法进行离散，运用牛顿第二定律建立运动方程，可统一写为如下方程形式。

式中：a为质点加速度，FD为速度力，FI为惯性力，FB为浮力，FW为重力，FT为张力，各数学表达式详见文献[23]。质点所受的波流力为：

式中：ρw为海水密度，CD为速度力系数，S为投影面积为水质点速度为构件中心点速度，∀为构件体积，CM=1+km为惯性力系数，km为附加质量系数。

2 网箱参数及海洋工况条件

图1～2为HDPE网箱单点系泊及多点系泊布置示意图。浮架主浮管截面直径250 mm，浮架总重量1 296 kg；网衣为圆台形状，上端周长40 m，下端周长30 m，网高6 m，网目大小45 mm，网线直径3 mm，缩结系数0.707。在网衣底端沿圆周挂有圆柱形水泥块作为配重，总配重10×40 kg；网箱锚泊系统由锚、锚链和锚绳组成，其中锚链长度5 m，锚链与锚绳长度之和为水深的4倍。波浪与水流均沿x轴正向入射，海水的密度 =1 030 kg/m3。

考虑较大波况与不同流速组合计算分析网箱受力特性。设计的波流要素值为：波高H=4 m、5 m、6 m，周期 T=6.0 s、7.2 s、8.6 s，流速 U=0～0.9 m/s。为分析不同水深及网衣高度对网箱锚绳受力影响，设定水深h=20 m、30 m、40 m、50 m，网高为6 m、8 m、10 m。需要说明的是，本文波流力及锚绳力峰值是指网箱在波浪周期内运动所受到的最大波流力及锚绳力。图3给出了波高H=4 m、周期T=6.0 s、流速U=0.6 m/s时，单点系泊网箱在一个波浪周期8个不同时刻的运动情况示意图。

图1 单点系泊网箱布置示意图Fig.1 Schematic diagram of single-point mooring（SPM）net cage

图2 四点系泊网箱布置示意图Fig.2 Schematic diagram of four-points mooring net cage

图3 单点系泊网箱在一个波浪周期内的运动示意图Fig.3 The dynamic motion of the single-point mooring net cage at different time in one wave period

3 计算结果及分析

3.1 两种系泊形式网箱波流力比较

图4为两种不同系泊形式网箱在不同波浪与水流组合条件下所受的波流力随波高、周期和流速的变化曲线图。图中MPM代表多点系泊网箱（Multiple-points mooring net cage），SPM代表单点系泊网箱（Single-point mooring net cage），网高均为6 m，计算水深20 m，无特别说明，下同。从图中可以看出，在波高和周期一定条件下，网箱所受的波流力均随流速的增加呈正比例增大。比较两种系泊形式网箱波流力，无论是在纯波（U=0.0 m/s）还是波流共同作用条件下，单点系泊网箱所受的波流力均要小于多点系泊网箱情况。在纯波H=6 m，T=8.6 s时，单点系泊网箱所受的波浪力为18.92 kN，多点系泊网箱波浪力为25.09 kN，两者相差6.17 kN；在波流H=6 m，T=8.6 s，U=0.9 m/s时，单点系泊网箱波流力为45.65 kN，多点系泊网箱波流力为52.06 kN，两者相差6.41 kN。这主要是因为单点系泊网箱因只有一根锚绳，对网箱的约束较小，网箱在波浪流下的运动幅度要大于多点系泊网箱，使得单点系泊网箱各部件与水质点之间的相对速度要小，根据波流力计算公式（8），从而导致波流力要小。

3.2 两种系泊形式网箱锚绳受力比较

图5给出了两种系泊形式网箱在纯波、波流作用下锚绳受力在5个波浪周期内的变化历时曲线，波浪周期均取为8.6 s，多点系泊网箱锚绳受力取网箱迎浪侧两根锚绳受力之和的平均值。从图中可以看出，网箱在纯波条件下锚绳力要大大小于波流条件下的锚绳力。以单点系泊网箱为例，在纯波H=6 m时，锚绳力峰值为 17.66 kN；在波流 H=6 m，U=0.9 m/s时，锚绳力峰值为 41.27 kN，后者为前者的 2.34 倍，说明相比较于波浪，流速对整体网箱锚绳受力的影响更大。比较两种系泊形式网箱锚绳受力结果，从图5（a）和5（d）可得出，在纯波H=4 m时，单点系泊网箱锚绳力要略小于多点系泊网箱锚绳力；在纯波H=6 m时，单点系泊网箱锚绳力则略大于多点系泊网箱锚绳力。总体来看，纯波条件下两者相差不大。但对于波流组合情况，从图 5（b-c）和图 5（e-f）可得出，单点系泊网箱锚绳力为多点系泊网箱锚绳力的 1.44～1.56倍。为简单方便，根据本文计算结果，可取多点系泊网箱锚绳力的1.5倍作为单点系泊网箱锚绳及固定锚规格选取的依据。

3.3 水深对锚绳受力特性的影响

表1为波流作用下两种系泊形式网箱在四种不同水深条件下锚绳受力的计算结果。可以看出，网箱锚绳受力均随着水深的增加而明显减小。以单点系泊网箱为例，在H=6 m，U=0.75 m/s海况条件下，网箱锚绳力从水深h=20 m时的39.74 kN减小到水深h=50 m时的28.16 kN，减小幅度29.1%，且网箱锚绳力的变化幅度随着流速的增加而增大。在水深h=20～50 m范围内，单点系泊网箱在U=0.75 m/s时的锚绳力变化幅度为U=0.3 m/s时的1.23倍。比较不同水深下两种系泊形式网箱锚绳力结果可以发现，在相同海况H=6 m，T=7.2 s，U=0.75 m/s条件，任何水深的单点系泊网箱锚泊受力均约为多点系泊网箱锚绳受力的1.5倍。

表1 不同水深条件下网箱锚绳受力的计算结果Tab.1 Calculated results of the mooring line forces of the net-cages under different water depth

图5 锚绳力时间过程线Fig.5 Time series of mooring line force of the net-cages under different wave-current conditions

3.4 网衣高度对锚绳受力特性的影响

设定网衣高度分别为6 m、8 m、10 m，以分析网箱在不同网衣高度条件下锚绳力学特性的变化情况，计算结果见表2所示。从中可以看出，对应各种不同海况，两种系泊形式网箱的锚绳受力均随着网衣高度的增加而增大，增大幅度随着波高和流速的增大而增大。以单点系泊网箱为例，在网衣高度6～10 m的变化范围内，相同周期和流速条件下，波高H=4 m时的网箱锚绳力增大幅度为6.13 kN，小于波高H=6 m时锚绳力的变化值7.75 kN；相同波高和周期条件下，多点系泊网箱在流速U=0.6 m/s时的锚绳力增大幅度为2.46 kN，小于流速U=0.9 m/s时锚绳力的变化值3.98 kN。对于三种不同网衣高度，同海况下单点系泊网箱锚绳力均约为多点系泊网箱锚绳力的1.5倍。

表2 不同网衣高度条件下网箱锚绳受力的计算结果Tab.2 Calculated results of the mooring line forces of the net-cages under different net height

4 讨论

单点系泊网箱养殖是一种环境友好节约型养殖模式。相比传统多点固定式网箱，单点系泊网箱可以随着涨落潮的变化在以网箱锚泊点为中心的区域内漂移运动，使得网箱养殖鱼类的排泄物及未吃完的饲料能够在更大海域范围内分解，减轻了局部海洋环境的逐渐恶化[21]。GOUDEY,et al[27]研究认为采用单点系泊网箱系统能够减少固定式网箱下面海底沉积废弃物的2～70倍，具体多少取决于系泊形式及潮流特点，并且能够节约网箱锚泊成本及安装维护费用50%以上。但是，单点系泊网箱在海洋环境下同样面临着较大的风险，其主要威胁来自于以下四方面：1）因锚绳受力超过锚绳破断强度而发生的锚绳断裂；2）锚绳与网箱浮管连接处因锚绳力超过浮管屈服强度而发生的浮管坍塌；3）锚链与锚绳连接处因长久摩擦而导致连接失效；4）锚绳力超过锚抓力而发生走锚现象。在养殖过程中，如出现上述前三个任一问题时，均将给养殖生产造成重大经济损失，应避免上述现象的发生。由锚、锚链、锚绳组成的系泊系统是恶劣海况下网箱养殖安全的重要保证。而解决上述问题的根本必须以清楚了解网箱受力为前提，只有获得不同海况下单点系泊网箱的受力（包括网箱波流力及锚绳力），才能科学有效的选择锚绳、锚链及锚的规格，并采取局部加强保护措施，实现单点系泊网箱养殖的安全生产。

本研究通过数值模拟方法给出了纯波及不同波流条件下单点系泊网箱所受波流力及锚绳力的计算结果，并与多点系泊网箱受力结果进行了比较分析。发现单点系泊网箱所受的波流力均要小于多点系泊网箱情况。在纯波条件下，两种系泊形式网箱所受锚绳力相差较小。这可能是由于多点系泊网箱在纯波条件下的水平运动幅度不大，致使其背浪侧锚绳也承担了一部分受力，间接造成迎浪侧锚绳力的减小，从工程角度说明在纯波条件下单点系泊网箱相比多点系泊网箱优势很大。但实际海况却是波浪与潮流混合情况，当台风浪与潮流的流速方向一致时，网箱所受的锚绳力较大。根据本文两种系泊形式网箱在不同波流混合、水深及网衣高度条件下的计算结果，均表明同工况下单点系泊网箱锚绳力均约为多点系泊网箱锚绳力的1.5倍。

在相同波流条件下，随着水深的增加，网箱锚绳力明显减小。根据本文计算结果，单点系泊网箱从水深20 m变化到50 m时，其锚绳力减小幅度达到29%～40%；多点系泊网箱锚绳力减小幅度为14.1%～16.6%，小于单点系泊网箱锚绳力的减小幅度。其原因是由于水深增加时（锚绳长度与水深之比为4:1），锚绳长度更长，锚绳对网箱水平和垂直的运动幅度约束变小，致使网箱受力减小，这为今后我国深水网箱的深水化发展提供了一定的理论参考依据。