湾外海域底层延绳养鲍设施设计与初步试验

魏盛军，郑国富*，陈思源，蔡文鸿，丁 兰，张 哲，朱健康，魏金顺

(1.福建省水产研究所，福建省海洋生物增养殖与高值化利用重点实验室，福建 厦门 361013，2.福建省万利鸿海珍品有限公司，福建 莆田 351174)

鲍作为传统名贵海珍品，因其肉质细嫩、营养丰富，自古以来就深受人们的青睐，当前更是成为了我国海水养殖产业中极为重要的经济品种之一。据统计，2017年我国鲍总产量为14.8×104t[1]，产值超200亿，约占世界鲍总产量的87%[2]，福建鲍养殖产量约占全国80%、世界72%[1]。目前福建鲍主要的养殖设施有筏式养殖、海面延绳养殖以及网箱养殖(包含塑胶网箱)。筏式养殖设施主体结构是“木板+泡沫浮球+竹竿”，养殖笼吊挂在竹竿上进行养殖。海面延绳设施主体结构是“主绠绳+泡沫浮体”，养殖笼吊挂在主绠绳上进行养殖。传统网箱框架结构与筏式类似，塑胶网箱则由HDPE材料的管件、连接件、浮筒、踏板等组成框架，框架内布置网衣[3-4]，将鲍养殖匍匐基放置在网衣内进行养殖。“木板+泡沫浮球”结构过刚易折，抗风浪性能差，泡沫浮球易老化破碎污染环境；海面延绳设施柔性虽好，但是位于风浪破坏力最强的海面，抗台风能力弱；塑胶网箱具备一定的抗风浪能力，但是无法满足湾外海域的养殖需求。因此，当前福建省鲍养殖产业存在的主要问题：主流养鲍设施受限于自身的性能，在恶劣气候条件下抗灾害能力弱；拥挤在湾内海区养殖，养殖密度过大，缺乏合理的规划与监管[5-6]，严重超过环境的自净能力，导致养殖海区环境污染严重，病害频繁，养殖成活率已经从最高时期90%降至50%甚至更低；此外，生产管理均采用人工作业，劳动强度大，劳力与饵料等成本大幅度提高，养鲍经济效益不稳、波动大。

为了突破当前制约鲍养殖生产这些难题，近年来福建省研究人员开展了湾外海域养鲍尝试。据报道，施玉光等开发了一种开放型海区沉笼延绳式养殖方法及养殖装置[7]，其将传统延绳养鲍模式移到湾外海域，目前只有设计思路，并未开展养殖试验测试。施玉光等的装置只是在海面延绳结构的基础上加了一定数量的配重，使海面延绳系统实现沉入海水底层，并未考虑实际养殖生产作业的其他需求，例如，如何在保证不移动系统锚泊的前提下，将所有养殖笼提出海面进行管理作业；如何避免设施互相纠缠；如何保证养殖笼水层稳定等问题。本设计在此概念的基础上进行改进，为延绳系统增加了附属主绠绳，满足不移动主锚可以将所有养殖笼提出水面；对养殖笼的设置水层及保持稳定性进行改进；研发可实现连续机械化作业的设备，用于养殖作业。但因为延绳养殖设施尺寸大、质量大且布设于海水底层，仅靠人力无法完成养殖作业的操作。因此，本文研究湾外海域底层延绳设施设计中水层稳定技术、系统防纠缠、机械化作业、可靠海面标识等关键问题及设计思路，并进行海上初步试验，旨在为相关鲍养殖设施的设计提供参考。

1 系统方案的设计与存在问题

1.1 设计方案

湾外海域底层延绳养鲍系统是在传统海面延绳养鲍系统的基础上改进而来，主要由底层延绳设施和机械化作业设备两大部分构成，如图1。海上风浪对养殖设施的破坏力主要集中在海水上层，风浪的破坏力随海水深度增加而减弱，因此延绳系统布置于湾外海域水深20 m以上区域，其结构包含锚泊、主绠绳、养殖笼、水层稳定配件以及海面标识。机械作业设备安装在养殖管理船上，管理船两侧各安装1台，3个人为一组共同作业，其中1人负责控制船只，另外2人每人控制1台作业设备。

1.2 设施设计的关键问题

湾外海域底层延绳养鲍系统设计需要解决的问题包括设施和养殖对象的安全及满足日常管理作业。因此需要考虑以下4个方面。

1.2.1 养殖笼水层布置及稳定性

养殖笼的布置水层需要躲避海面风浪的影响，以及避免被海底的泥沙灌入养殖笼内，造成鲍生活空间污染。在整个养殖周期内，需要保证养殖笼水层的稳定，不允许出现大范围的水层窜动，满足安全生产需求。

1.2.2 避免相邻两条延绳设施交缠

湾外底层延绳养鲍设施是沿垂直于主绠绳延伸方向的方向等间隔布置，构成一个片群。因此，单条延绳设施需要保持相对独立，避免互相交缠牵扯，同一条主绠绳上的养殖设施不允许互相打结，避免产生安全问题。

1.2.3 延绳系统需满足起笼机作业需求

置于海水底层的养殖笼，其位置距离海面需跨越海水深距离，因此延绳系统必须满足所有养殖笼均可拉出水面，且保持整个延绳系统位置的相对稳定，不可大幅度变化，避免因此而产生与相邻延绳系统交缠，导致无法开展生产管理。

1.2.4 可靠的海面标识

延绳系统布置于水深十几米的海水底层，从海面上是无法通过肉眼直接寻找到具体位置，因此每一条底层延绳系统都必须有醒目的提醒装置。

2 设施设计分析

针对底层延绳设施需解决的几大主要问题，研究团队从以下几个方面入手，并提出相应的技术方案。下列技术方案设计的前提是：1)延绳设施的绳索系统只能受拉力，不能受压力，在浮体浮力及配重重力的作用下，构成一个波浪形折线系统，过程中绳索形态变化忽略不计；2)系统锚泊及配重可保证系统在目标海况下不发生滑移。

2.1 养殖笼水层稳定问题的技术分析

为保证养殖笼在整个养殖周期内处于目标水层，既不会上浮，能有效躲避风浪破坏，又不沉于海底，免遭受泥沙掩埋污染，养殖笼的最佳状态为悬浮于目标水层。因此，对单个养殖笼浮力与配重进行受力分析，其示意图如图2。

如图2b所示，对于位于主绠绳上方的悬浮部分受力分析，假设为静水状态，且不考虑主绠绳横向作用力，则水层控制单元系统只受浮力与重力的作用。要保持养殖笼处于悬浮状态，则受力须满足等式(1)。

(1)

(2)

(3)

G总=G笼+G鲍+G饵+G污

(4)

(5)

将公式(3)、(4)代入公式(2)即可得到浮体浮力的计算公式：

F浮=(G笼+G鲍+G饵+G污+G浮)·η·k

(6)

F浮保证了静水状态下，单个养殖笼单元悬浮部分在水中时，其浮力永远大于重力，但是如果没有配置合适的配重，在浮力的作用下，养殖笼最终将浮到水面。因此，必须配置合适的配重。位于水中的养殖笼除了浮力之外，还有水流对其的作用力，因此养殖笼所受外力应为浮力与水流作用力的合力。配重质量的选择必须保证养殖笼位置的稳定性，既正常情况下，配重位置不移动，此外还需要考虑其对起笼作业的影响，如果配重的质量过大，虽然保证不会随波逐流，但是不利于起笼机起笼作业，甚至导致无法起笼作业。

对单个养殖笼及配重单元的配重受力分析可知，忽略影响极小的水流作用力，只受支绳的拉力、自身重力及摩擦力，如图3所示。对养殖笼工作状态进行受力分析得到，养殖笼受到浮力(此处仅考虑在浮体作用下养殖笼整体的净浮力)、水流作用力及支绳的拉力，如图4所示。由图3可知，在忽略主绠绳作用力的条件下，配重受到养殖笼对其的拉力与养殖笼受到配重对其的拉力大小相等，方向相反。由此可知，配重受到的最大拉力为养殖笼所受浮力与水流作用力的合力的最大值。由此可知，配重的重力计算式：

G=λ·F合·sinθ

(7)

(8)

根据上浮体浮力计算式，计算每个养殖笼需配置浮体的大小，根据养殖笼尺寸设计浮体结构，要求浮体长宽尺寸与养殖笼一致，可直接安装在养殖笼底部。再根据配重的计算式计算配重的质量大小，采用圆台形结构。根据整条延绳设施的规格，按统一规格配置合理数量的养殖笼及配重，养殖笼与配重按1∶1配置。

2.2 防相邻两延绳设施交缠的设计分析

图5为底层延绳设施群布置方案，相邻两设施之间的间距为L，理论上L值越大，交缠概率越小，但是L的取值还需与机械作业设备匹配，研究团队在管理船两侧船舷各安装1台研发的机械作业设备，2台同时进行起笼作业，一次性可对2条底层延绳设施进行鲍的生产管理。因此，L的值应大于船的宽度。

上文在解决养殖笼水层稳定的方案中，需配置合适的配重，配重不仅能保证养殖笼在竖直方向的稳定，同时也保证养殖笼水平方向的相对稳定。当配重的参数合适时，养殖笼水平方向的运动范围，是以养殖笼浮体至配重支绳连接点之间距离最大值为半径的圆，如图2a所示的h(h=l1+l2+l3)。若忽略配重的尺寸，则养殖笼水平方向运动范围为以配重为圆心，以h的最大值为半径的圆周，竖直方向为以海底为起点向上h的范围，故而养殖笼的空间运动范围是在以配重为圆心、以直径h为半径的半球形范围内。因此，L的值也不应小于养殖笼水平方向运动轨迹的直径，如图5中应不小于2l。

考虑到延绳设施布置于海水中，其布置精度难以同陆地上一样易于掌控，L的基础参考值为船宽或养殖笼水平运动轨迹圆的直径中的大者，并在此基础上取合理的安全系数，安全系数以大于2为宜。

2.3 满足起笼机作业需求的设计分析

不同于海面延绳系统的管理作业，底层延绳养鲍系统需要配置专用的起笼机，将养殖笼从底层水域拉至水面上，再进行投饵、清洗等管理作业，其作业示意图如图1所示。由图1可知，起笼作业的关键节点在第一个与最后一个养殖笼，因此两端第一个养殖笼与主锚石之间的主绠绳长度需要留足够的余量。为满足管理作业需求，将主绠绳分为两部分：第一部分是位于主锚与海面标识之间，不挂载养殖笼的附属部分；第二部分是两个海面标识之间的挂载部分，该部分挂载养殖笼和配重。附属部分平时通过压石稳定于海底，当起笼作业进行到第一个或最后一个时，附属部分主绠绳可被拉起，保证起笼作业正常进行。

为保证这两个养殖笼可以拉出海面进行生产管理，附属部分主绠绳长度必须满足大于作业时的水深。但在实际起笼作业过程中，难以保证处理第一个及最后一个养殖笼时，管理船正好位于对应主锚的正上方，常态应是在主锚附近。因此附属部分主绠绳的计算式如下：

L附=μ·H

(9)

式中，L附为附属部分主绠绳的长度；H为作业时水深；μ为安全系数。因管理作业时的潮位无法保持一致，因此H取高潮时水深为宜；μ建议取1.5～2.0。

为防止附属部分主绠绳在水流作用下飘动交缠，需配置一定数量的压石，压石间距为不超过2条底层延绳间距为宜，压石的质量应根据起笼机的功率进行计算，不宜过重导致无法拉起，可参考养殖笼配重选择。

2.4 海面标识技术设计分析

底层延绳养鲍设施均布置在湾外海区的底层水域，肉眼无法查看布置区域，因此必须在合适的位置设置提醒装置。如图1所示，只需在主绠绳的附属部分与挂载部分交界处分出1条支绳，支绳的上端捆绑颜色显眼的浮球，每条底层延绳设施配置2个位置浮球，如有必要可以在主绠绳的中间位置多布置1个浮球。支绳的长度应以养殖海区高潮水位时的水深为准，过长容易造成相邻浮球交缠，过短则在涨潮时被淹没，失去提醒的功能。另外，为避免位置浮球相互交缠，将延绳养鲍设施群上位于同一端的浮球捆绑在一条绳索上，该条绳索两端分别与锚石相连，并给浮球编制序号，利用该条绳索与锚石的约束，缩小浮球的运动范围。编制序号有利于在发生特殊情况下，辨别位置浮球所连接的底层延绳设施的位置。

3 海上初步试验

项目组完成了专用起笼机样机制造，并在岸上进行起笼机起笼操作测试，测试运行情况较好，因此项目组根据前文的设计分析在南日岛海区布设2套底层延绳式养鲍系统进行初步测试试验，如图6。1艘管理船安装2台起笼机，安装位置是养殖管理船的两侧船舷处，起笼时2台起笼机同时作业，因此一次作业是2套底层延绳养鲍设施同时进行。起笼机的动力为液压马达，由管理船上的发动机带动。

3.1 试验海区

项目组于2018年6—8月期间，在莆田市南日岛东岱村浮屿岛东侧约2 km处海域布置2套底层延绳养鲍设施，进行初步的无养殖测试。试验海区水深最低潮时约15 m，潮差约6 m，底质为泥沙。

3.2 试验材料

单套底层延绳养鲍设施的配置：2个花岗岩主锚石，单个质量>1 500 kg，附属部分主绠绳长度为1.5倍高潮位水深即31.5 m；附属部分每隔4 m挂一个10 kg的压石，一侧的附属部分主绠绳需要8个压石，总共16个。挂载部分的主绠绳50 m，附属部分与挂载部分主绠绳采用一整条的PP绳。每隔2 m挂载一个五层的层叠式养殖笼，共计24个，养殖笼挂载支绳长度为1 m。按配重与养殖笼1∶2的比例配置配重，共计12个，每个配重约20 kg，配重挂载支绳长度为1 m。在附属主绠绳与挂载主绠绳交界处，各配置一个浮力为35 kg的位置浮球，配置一个质量为50 kg的配重。2套底层延绳系统按6 m的间距布设在试验海区，考虑到是初步试验，不确定性较大，不在养殖笼内放养鲍，而是在每层养殖笼内放置约1 kg质量的石块替代。在养殖笼另一端捆绑一个浮力为10 kg的浮球，确保当底层延绳系统坐底后，养殖笼处于悬浮状态。两条底层延绳养鲍设施于2018年6月4日布置下水，于2018年8月7日将除主锚之外的其他试验材料回收，试验期间进行2次起笼作业测试。第一次时间是2018年6月16日，第二次为2018年7月20日。

3.3 试验结果

2次起笼作业测试表明，底层延绳养鲍设施的结构能与起笼机相匹配，能够按照设计的要求将底层延绳养鲍设施的养殖笼，逐一从底层水体拉至作业平台，进行养殖管理作业。起笼机的作业性能，笔者将另外撰文说明，本文不再赘述。

在2个月的无养殖测试中，设计的位置浮球能够很好地标识底层延绳系统的位置，两次起笼测试，均通过位置浮球很快找到底层延绳系统。由于只投放了2套底层延绳养鲍设施，并未对位置浮球进行编号，第二次起笼测试时出现了叠错问题，最终导致2条主绠绳交缠，无法进行起笼作业。由此可知，对位置浮球编号极为重要，便于分辨对应底层延绳养殖系统的位置，有助于准确地进行起笼作业。

第一次起笼作业测试，所有的养殖笼内部较为干净，基本没有泥沙入侵。第二次起笼作业测试，部分养殖笼内出现了较多泥沙，五层养殖笼中靠近挂载绳方向的泥沙入侵量大于靠近捆绑浮球方向。一方面证明了当底层延绳养鲍设施坐底后，养殖笼处于悬浮状态，越靠近海底侧的层内，泥沙含量约高。另一方面表明，对于该处海域，将养殖笼设置在离底约2 m处，显然离底过近，易遭受泥沙影响。养殖笼的离底高度需要根据布置海区底层泥沙运动情况进行合理配置。

2018年7月11日“玛莉亚”台风在连江黄岐半岛登陆，受台风影响，南日岛东岱湾处的风力约11级，而在2018年7月20日进行第二次起笼测试中，底层延绳养鲍设施整体情况良好，虽然养殖笼出现脱落遗失，但底层延绳养鲍设施整体位置未出现大幅度变动，系统的安全性较好。

综上，初步试验结果表明，本鲍养殖系统的设计基本合理，具备一定的躲避台风能力；养殖笼处于悬浮状态，但离底高度不够，不适合鲍的生存，需要提高养殖笼的离底高度，但也要尽量避开台风下波浪的作用水层；位置浮球功能有效，但需要编号。由于本次测试海域不是真正的湾外海域，未投放鲍苗进行养殖试验，只布设2套底层延绳养鲍设施进行试验，数量偏少，经历的最大风力等级为11级，这套底层延绳养鲍设施离真正的生产应用，还需要更多的试验与改进。

4 讨论

文中针对底层延绳设施设计需解决的关键性问题进行了分析，目前这套设备尚处于开发阶段，虽然初具雏形，但还有许多问题需要深入研究。例如理论方面，在计算养殖笼整体所受水流作用力时，利用莫里森公式进行计算，但是养殖笼整体属于具有一定运动自由度，在受到水流作用力后必会发生姿态变化，导致其迎流面面积发生变化而引起水流作用力变化。另外，水流作用力也非一成不变，而是动态的。因此，为选择合适的配重质量，在计算养殖笼所受水流作用力F流时，只考虑养殖笼整体瞬时受力是否合适。

试验方面，初期的试验较为简单，规模过小，无法真实体现实际大面积生产可能发生的问题；由于有天然屏障的庇护，湾内的海况环境无法与湾外相比，需要到真正的湾外海域开展试验，来检验系统在台风来临时躲避风浪破坏的能力。湾外底层延绳养鲍设施还有待于建立完善的系统，在湾外底层海域进行鲍养殖，也是个新兴的课题，有诸多未知的问题等待解决。