远洋中型单拖渔船中层拖网优化与试验

周爱忠，张 勋，冯春雷，郁岳峰

（中国水产科学研究院东海水产研究所，农业农村部东海与远洋渔业资源开发利用重点实验室，上海 200090）

0 引 言

20世纪80年代中期起，中国远洋渔业开始起步，经过多年的发展，取得了瞩目的成绩[1]。根据2021 年的统计，远洋渔船总数为2 705 艘，总产量为231.7 万t，产值达239.2 亿元[2]。但对于以单船底拖为主的远洋中型拖网渔船而言，面临传统渔场资源衰退、入渔国渔业政策日趋严格等问题[3]。中东大西洋西非沿岸摩洛哥-塞内加尔海域中上层鱼类资源丰富，从塞内加尔到摩洛哥近海大片海域中，有多个鱼种小型中上层鱼类因其经济上的重要性引起关注[4-6]。目前在西北非从事中上层鱼类捕捞的主要为欧盟、俄罗斯、乌克兰、波兰和爱尔兰，以及当地的工业捕鱼船，其年均总渔获量可达1.9×106t 左右[7-9]。中国最多时有10 艘左右的大型中层拖网渔船在该海区生产，但由于成本等原因，近年已很少有中国的大型中层拖网渔船进入该海区[10-11]。在该海域作业的过洋性拖网渔船,主机额定功率一般在735～1000 kW，以近海单船底层拖网作业为主。为减轻对底层资源的压力，主机额定功率1 000 kW 左右中型拖网渔船，适合使用中层拖网综合开发利用中上层鱼类。

中层拖网又称变水层拖网，可通过调节控制拖网在一定的水层中作业，是捕捞中上层鱼类的主要手段之一。早在20 世纪30 年代，世界先进渔业国家开始试验，随着水声设备在渔业上的应用，中层拖网逐步得到发展应用[12-15]。国内的中层拖网应用较晚，1985 年起，上海、大连等海洋渔业公司从国外引进大型拖网加工船，应用中层拖网在北太平洋捕捞狭鳕。目前，国内对中层拖网的研究主要集中于大型中层拖网渔船（主机功率5 000 kW 以上）所使用的大型中层拖网[15-19]，国内虽有中型拖网渔船底层、表层拖网放大网目尺寸、扩大网具规格等进行研究[20-21]，也进行过双船中层拖网的试验和网位研究[22]，但由于渔场资源、技术习惯等原因，单船中层拖网很少在国内中型渔船上得到应用。

针对在中东大西洋海域作业的中国远洋中型单拖渔船缺乏捕捞中上层鱼类手段的现状，本文收集整理大型中层拖网和近海中型拖网渔船所使用的大网目拖网相关资料，在分析网具的主尺度、相关结构参数和水动力性能的基础上，结合现有装备和研究，优化设计3 种不同网口周长的中型拖网渔船应用的中层拖网，并进行模型试验和海上生产试验，以期为研发适合中国远洋中型拖网渔船的中层拖网提供参考。

1 参考网具的结构参数和阻力分析

国内远洋大型中层拖网主要依靠进口，早期为捕捞狭鳕的大型中层拖网由俄罗斯设计；目前捕捞竹荚鱼的大型中层拖网多为荷兰、智利等国设计制造[23]。其网具结构、网型和国内近海所用的大网目拖网有较大不同。本文选取生产实践中具有代表性的3 顶大型中层拖网（1056 型、960 型、1040 型）和国内近海应用的1 顶大网目底拖网（720 型）、1 顶大网目浮拖网（540 型）作为设计参考，其中大型中层拖网为四片式结构，大网目拖网为手工圆筒编织网，网具的主要参数如表1 所示。

表1 参考网具的主要规格和参数Table 1 The main specifications and parameters of reference trawl nets

由表1 可见，网口周长1 000 m 左右的大型中层拖网，网口网目尺寸可达20 m 以上，而国内近海中型拖网渔船使用的大网目拖网，最大网目尺寸为15 m 左右，10 m 左右较多见，其中底层拖网的网口网目尺寸常小于10 m。虽然经过不断放大，由于主机功率、作业甲板长度、捕捞对象等原因，网口网目尺寸一般小于大型中层拖网。从身周比（Lb/C）来看，3 顶大型中层拖网的平均身周比为0.163，而近海大网目拖网身周比为平均为0.226；从袖周比（Lw/C）来看，3 顶大型中层拖网的平均袖周比为0.050，而国内大网目拖网的袖周比平均为0.096，有较大差异。由于中上层鱼类的游速普通较快，网袖引导鱼类入网的作用不如增加拖速作用明显，因此，网具设计时袖周比较小，而国内大网目拖网基本为底拖网，网袖相对较长，袖周比较大，有助于扩大扫海面积。

通过查阅文献资料和东海水产研究所拖网模型试验数据库，国内大型拖网渔船的主机额定功率一般为5 000～6 000 kW，在常用作业拖速下（2.31 m/s）表1 中大型中层拖网的阻力为166～246 kN。主机额定功率区间在440～588 kW 的近海双船大网目拖网，在2.31 m/s拖速下拖网的阻力为92～120 kN，而在作业拖速下（1.54 m/s）网具阻力约为60～80 kN。

2 设计方案

鉴于国内大网目拖网生产加工和使用实践，本文设计试验网的网头（网袖和网身的超大网目部分）采用传统圆筒编织工艺代替大型中层拖网的四片式结构。拖网前部网目规格大型化是现代拖网发展的成果，但针对特定的捕捞对象，网口的网目尺寸规格目前多大依经验确定，考虑中国远洋中型拖网渔船的后甲板长度和作业条件，试验网口网目尺寸定为12 m。根据渔具水动力原理，结合第1 节大网目拖网的渔具模型试验阻力、主机功率、拖速等参数，设计网具的网口周长为552 m（552型），456 m（456 型），360 m（360 型）3 种型号拖网，3 种拖网的结构、材料、网口网目尺寸相同，身周比、袖周比等参数尽量保持相近。大型中层拖网通常上、下纲的长度相同，不设网盖，因此试验网舍弃近海大网目拖网的天井网、地井网。作业实践表明，上纲略短可使上纲与下纲在起放网时略有错位而不易纠缠，上、下纲的配纲系数略有不同，552 型试验网具的上纲长度为102.84 m，下纲长度为 104.16 m，下纲比上纲略长1.32 m。王明彦等[24]对身周比的研究认为，随着网口网目尺寸增大，身周比有缩小的趋势，本文试验网的网口网目尺寸与近海大网目拖网相近，因此，试验网的身周比参照国内大网目拖网设计，为0.217。王永进等[21]对大网目拖网袖长比的研究认为，袖长比0.36～0.39 为佳，网口周长对网具水动力性能的影响比网具的长度更大，因此袖周比更能准确表征网袖比例。由于本文试验网的网头部分采用圆筒编织的工艺，网袖参照国内大网目拖网设计。试验网具的袖周比取0.076，约等于大型中层拖网和国内大网目拖网袖周比的平均值。552 型浮力配置为9.8kN，沉力配置为7.84 kN，采用中纲部分占40%，两袖各占 30% 的分布方式。袖端各配置重锤质量100 kg，空纲长度为150 m。另外2 种规格试验网的浮沉力、重锤、空纲长度的配置按比例缩小。表2 是3 种试验网的主要规格和参数。

表2 试验网的主要规格和参数Table 2 The main specifications and parameters of test trawls

3 模型试验

为明确所设计试验网具的水动力性能，对所设计的3 种网口周长规格的试验网进行模型试验。

3.1 试验方法与数据处理

网具模型试验在东海水产研究所拖网渔具模型试验水池内进行，试验静水池规格为90 m×6 m×3 m。拖车驱动电机功率7.5 kW×4 台，拖速范围0.1～4.0 m/s，配有微机处理调速系统，速度精度±1%。光电测速仪精度±0.01%。测力传感器量程200 N，非线性误差0.2%。网高仪为 DIVETR DI501 型水位仪，距离分辨率10 mm。

模型按田内准则进行换算，大尺度比为30，小尺度比为9，按 SC/T4014－1997“拖网模型制作方法”加工制作模型网具[25]。依据生产实践，模型网具的网袖端间距/下纲长度为0.35、0.40、0.45。拖速1.29～2.83 m/s，按0.257 m/s 递增。按 SC/T4011－1995“拖网模型水池试验方法”标准进行试验和数据处理[26]。

实物网阻力与模型网阻力的关系为

式中Hs为实物网的网口高度，m；Hm为模型网的网口高度，m。

能耗系数是表征拖网效率的重要参数，其值用网具过滤单位水体所消耗的能量来表示：

式中P为实物网在设定拖速下的功率消耗，kW；V为实物网拖速，m/s。

3.2 模型试验结果与分析

图1 是3 种规格试验网在试验设定的网袖端间距/下纲长度为0.35、0.40、0.45 下的速度、阻力、网口高度变化趋势，由图1 可见，当拖速为2.31 m/s 时，552 型试验网的实物计算平均阻力为 151.82 kN，平均网口高度为28.74 m；456 型试验网的平均阻力为135.6 kN，平均网口高度为24.96 m，360 型试验网的实物计算平均阻力为70.76 kN，平均网口高度为20.20 m。随着网口周长的缩小，网具阻力和网口高度均有所下降，360 型试验网的计算阻力为552型计算阻力的46.61%，接近网口周长缩小比例的平方；而网口高度为70.28%，与网口周长缩小比例接近。

表3 是试验网的能耗系数的实物计算值，从表3 可见，3 顶不同网口规格的试验网的能耗系数较接近，360 型在高拖速下能耗系数较其余2 顶略低。在拖速为2.31 m/s时，试验网的平均能耗系数为0.416 kW·h/(104m3)，约为大型中层拖网的2 倍，略大于表2 的近海大网目拖网。

表3 试验网的能耗系数Table 3 Energy consumption coefficient of each design trawl(kW·h·(104 m3)-1)

试验网的功率消耗是指在不同拖速下拖曳网具所需消耗的功率，其与渔船主机功率的匹配是网具设计的主要问题。表4 是根据模型试验计算的试验网具不同拖速下的功率消耗实物换算值。在拖速为2.31 m/s 时，552 型试验网的平均功率消耗为351.46 kW，456 型试验网的平均功率消耗为313.93 kW，360 型试验网的平均功率消耗为163.80 kW，552 型试验网的功率消耗约为456 型试验网的1.12 倍，360 型试验网的2.15 倍。

表4 试验网具的功率消耗Table 4 Power consumption of test nets kW

4 海上试验

试验渔船为尾滑道冷冻加工中型拖网渔船，船舶全长 65.25 m，主机标示功率 1 764 kW，轴带发电机350 kW（试验船主机老旧，实际拖力约1 000 kW）。海上试验时间为2018 年5 月4 日－6 月2 日，共计30 d。在中东大西洋10°N、17°W 附近海域进行，试验的浮沉力、重锤、空纲长度等均按设计方案设置。首先试验了552型拖网，网板使用4.8 m2的椭圆形双开缝网板。根据试验船的GPS 记录，552 型中层拖网作业时平均拖速为2.06 m/s，以此计算每秒滤水体积约为2 442 m3。尽管鱼探仪探测到中上层鱼群映像，但是所捕获的中上层鱼类占比很小，仅有5%，产量也很低，所捕多为游泳能力较差的杂鱼，因此推测试验船的拖力没有达到标定功率的预计值，试验网具规格偏大，与现有渔船拖力不匹配，达不到中上层鱼类所需拖速。经5 个网次试验后，更换456 型网具进行试验，网板更换为4.0 m2复翼立式曲面V 型网板，产量明显上升，经过56 个网次的生产，共计渔获234.2 t，平均每小时渔获量为0.77 t。平均拖速为 2.26 m/s，比 552 型上升了约 10%，最高可达2.47 m/s，作业时每秒滤水体积约1 927 m3，基本满足捕捞中上层鱼类所需的拖速。最后更换360 型网，经过35网次试验，平均拖速为2.52 m/s，作业时可每秒滤水体积约1 321 m3。与前2 种规格的试验网比较，360 型试验网每秒滤水体积仅为552 型的54.10%，为456 型的68.55%。360 型试验网最高拖速达到2.67 m/s，平均每小时渔获量为1.13 t，最高网次连续拖曳4 h 产量达到20 t，其中中上层鱼类的比例达到90%。图2 是海上试验时360 型试验网起上甲板的试验现场。表5 是试验网的网次产量统计。

由于风浪等影响，海上实测的网具阻力干扰较多。根据表5 各试验网的海上实测平均拖速和表4 计算可知，海上实测网具袖端的水平扩张约为L/S=0.40，552型试验网拖速约为2.06 m/s，功率消耗为247 kW，约为主机额定功率的14%；456 型的平均拖速为2.26 m/s，功率消耗为295.68 kW，为主机额定功率的16%；360 型的平均拖速2.52 m/s，功率消耗为198.75 kW，为主机额定功率的11%。各规格试验网的功率消耗占主机额定功率的比例为11%～16%，有一定的差异，这一方面是因为网板的不同造成的，另外一个原因是由于海上实测的GPS显示拖速与模型试验模拟流速存在较大的误差和海上风速的影响。目前，尚没有对国内中型拖网渔船中层拖网作业时网具消耗功率的报告。研究表明[27-30]，拖曳作业时渔具的消耗功率占主机额定功率的比例因船型、主机不同而不同，为18%～25%之间，而其中网具的消耗功率比例为65%～72%左右。按此计算，网具部分的功率消耗占主机额定功率的比例约为12%～18%，略大于本试验的计算结果。影响渔船的拖力因素较多，包括渔船的船型、螺旋桨、导流罩、尾轴长短，主机的型号、厂家、转速、使用时间等等不一而足，本次试验的主机标示功率与实际功率差距较大，本文仅以主机额定功率来分析网具规格和渔船的匹配，实践中可根据实际情况相应的调整。

表5 海上试验数据Table 5 Data of sea test

5 结 论

1）针对中国远洋中型拖网渔船捕捞中东大西洋小型中上层鱼类设计的中层拖网，网具大网目部分采用采用圆筒编织工艺，网身后部小网目部分采用四片式剪裁工艺。简化了网具的结构，有利于网具的加工和修理，易于推广使用。网具的最大网目尺寸达到12 m，身周比为0.217，袖周比为0.076。在拖速为2.31 m/s 时，552 型试验网在袖端间距L与长纲长度S之比为0.35、0.40、0.45三种水平下的平均阻力为 151.82 kN，网口高度为28.74 m；456 型试验网的平均阻力为135.60 kN，网口高度为24.96 m；360 型试验网的平均阻力为70.76 kN，网口高度为20.20 m。网具的网型展开良好，受力匀称。

2）在中东大西洋海域作业试验时，360 型试验网作业拖速最高可达2.67 m/s，单网次最高产量可达20 t。捕捞游泳能力较强的中上层鱼类，拖速是关键因素，2.52 m/s 左右的拖速可有效提高捕捞产量。360型网为3顶试验网中网口规格最小，单位时间滤水体积也最小，但因为拖速较高，单位时间产量反而大大超过其余2 顶试验网。

3）各规格试验网的功率消耗占主机额定功率的比例从11%～16%，由于本次试验船的主机标示功率与实际功率的差距，试验网具的功率消耗占主机额定功率的比例略小。