双臂架四片式虾拖网水动力性能试验研究

王伦国，李玉岩*，黄六一，张荣军，冯卫东

（1.中国海洋大学水产学院，山东青岛 266003；2.中国水产有限公司，北京 100160）

西非海域属中东大西洋（FAO 34区①FAO 34区主要是指36°N直布罗陀海峡至6°S刚果河口的大西洋东部海区），经济鱼种众多，渔业资源丰富［1］。仅塞拉利昂一国其年海洋渔获量可达61 000 t以上，其中红对虾（Penaeus notialis）（同种异名Farfantepenaeus notialis）、红斑对虾（P.kerathurus）（同种异名Melicertus kerathurus）和大西洋仿对虾（Parapenaeopsis atlantica）年渔获量达到了970～2 200 t［2－3］。根据联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）统计，水产品对当地居民动物蛋白摄入总量的贡献达50%以上［4］。20世纪50年代起，西班牙、荷兰、法国、韩国、日本和中国台湾省等渔业较发达的国家和地区开始进入西非水域进行渔业生产，船只数量逐年增加。中国大陆从1985年开始在西非塞拉利昂等水域进行渔业生产作业，近年来在生产布局、发展规模、作业结构和总体效益等方面都产生了较大的成就［5－6］。中国大陆在西非塞拉利昂海域的捕捞作业主要以双臂架虾拖网为主要作业形式。双臂架虾拖网网具采用四片式结构，主要由背网、腹网及两片侧网组成。双臂架虾拖网在作业方式和网具结构上与传统的底拖网、桁架虾拖网有着较大的区别［7］。

拖网渔业作为海洋渔业主要作业方式之一，具有灵活机动、捕捞效率高、作业范围广等特点，在捕捞作业中占有重要地位［8－9］。长期以来，国内外学者利用模型试验、数值模拟和海上实测等方法，开展了拖网的基本水动力性能研究［10－11］、雷诺数与网具水动力系数的关系研究并对田内准则进行了相应修正［12－15］、模型准则对研究结果的影响研究［16－18］以及主要部件尺寸对拖网水动力性能影响研究［19］等，基于此，对拖网结构进行了优化设计［20－22］。

自20世纪80年代中期中国大陆在塞拉利昂使用双臂架虾拖网进行远洋捕捞作业取得成功以来，在考虑鱼虾混捕模式的基础上，拖网网具结构一直未进行大的改进。近年来，随着捕捞强度增加，红对虾、红斑对虾等资源渔获量开始下降［6］。由于渔业资源变化、渔船老化以及捕捞产量下降等问题的出现，开展专门针对虾类资源捕捞的拖网研究十分必要。本文以在西非沿岸水域从事捕捞作业的西班牙441 kW 渔船用的双臂架四片式虾拖网为研究对象，通过水槽模型试验研究其水动力性能，研究结果可为中国远洋和近海双臂架虾拖网网具结构优化提供参考。

1 材料与方法

1.1 模型网具

试验选取的母型网为西非水域作业的西班牙441kW 渔船用的双臂架虾拖网（60.94 m×30.25 m），网具为四片式结构，网口周目数为1 108目，网口网目尺寸为55 mm，网衣材料为聚乙烯（polyethlene，简称PE），浮子纲长度为24.20 m，沉子纲长度为30.40 m。

试验依据《SC／T4011—1995拖网模型水池试验方法》［23］进行，采用田内准则［24］，结合试验水槽尺寸与网线材料，确定大尺度比λ＝5，小尺度比λ′＝1.4。图1为换算的模型网图，模型网与母型网剪裁斜率保持一致。根据小比例尺换算模型网的背网、侧网与腹网的网线直径为0.5 mm，模型网中网线均采用直径0.5 mm的尼龙网线材料。模型网浮力配置所用浮球采用熔融沉积式快速成型技术（3D打印）方法制作，浮球个数与实物网保持一致；沉力采用铁链配置。具体参数如表1和表2所示。

图1 拖网模型网图Fig.1 Sketch map of model trawl

表1 母型网与模型网主尺度参数Tab.1 Parameters of prototype trawl and model trawl

表2 母型网与模型网部件参数Tab.2 Component parameters of prototype trawl and model trawl

1.2 试验设备与布设

水槽模型试验在中国水产科学研究院东海水产研究所静水槽中进行，水槽的主要尺度为：90 m×6 m×3 m（长×宽×深）。拖车驱动电机功率为7.5 kW×4，配有微处理机调速系统，拖速范围0.4～4.0 m·s－1，匀速精度≤1%，速度精度±1%。光电测速仪精度±0.01%。测力传感器量程200 N，非线性误差为量程的0.4%。网高仪为日产HD-27T型网位探深仪，距离分辨率30 mm。

由于条件限制，模型试验从空纲部分开始布设，上下空纲长度均为0.5 m。试验布设如图2所示，固定点1为拖车上安装的调节杆（两侧分别布设），调节杆上分别装配测量水平拉力的测力传感器，传感器所得合力即为网具所受的阻力。试验中模型网具使用撑杆模拟网板控制上下空纲对网口垂直扩张的影响。本试验中通过调节两侧调节杆的水平间距（L），可实现调整不同工况下网具的水平扩张比L/S（袖端间距与下纲长度之比），从而研究网口水平扩张对网具的阻力和网口高度的影响。网具的网口高度由网高仪测量距上纲中心处浮球的距离获得。

图2 试验布设Fig.2 Layout of the experiment

1.3 试验工况

根据拖网实际作业情况，试验中L/S分别取0.30、0.35、0.40、0.45和0.50时，依据试验准则设计5个试验流速（表3）。

表3 实际作业拖速与试验拖速Tab.3 Operational towing speed and testing towing speed

1.4 数据处理

试验中测量模型网具的总阻力及网口高度，根据《SC／T4011—1995拖网模型水池试验方法》标准换算为实物网的总阻力及网口高度。

实物网与模型网之间力学换算关系为：

式（1）中，F1为实物网受力（N），F2为模型网受力（N），λ为大尺度比，λ′为小尺度比，kf为阻力修正系数［13，25］。

实物网与模型网的网口高度换算关系为：

式（2）中，H1为实物网的网口高度（m），H2为模型网的网口高度（m）。

实物网能耗系数的计算公式为：

式（3）中，Ce为实物网在设定拖速下的能耗系数［kW·h·（104m3）－1］，F为该拖速下实物网的计算阻力（kN），H为该拖速下实物网的计算网口高度（m），L为该拖速下实物网袖端水平间距（m）。

2 结果与分析

2.1 网具阻力

拖网的阻力是拖网水动力性能的主要指标之一［26］，网具所受阻力与拖速和水平扩张比的关系如图3所示。由图3可知，网具所受阻力随拖速的增加呈现幂指数关系上升，其关系可表示为：

图3 网具阻力与拖速的关系Fig.3 Relationship between resistance and towing speed

式（4）中，FN为网具所受阻力，v为拖速，a1为系数，随着L/S的增加而增加，取值范围为2.41～2.97，指数b1与L/S无关，取值范围为1.28～1.31。

阻力随L/S增加呈现上升的趋势。水平扩张比为0.5时比水平扩张比为0.3时的网具阻力增加了22.47%～26.53%。当拖速为2.19 kn时，L/S为0.5的网具所受阻力最大为8.46 kN。因此，可通过适当降低网具的水平扩张比来减少网具阻力，以提高渔船拖速。

2.2 网口高度

拖网的网口高度是影响渔获效果的重要因素之一，合理调整网口高度有利于提高拖网捕捞效率［19］。一般拖网作业中，捕捞垂直移动或近底层鱼类需要尽可能提高网口垂直扩张；捕捞底层鱼类及虾类等甲壳动物时，网口需尽量扩大水平扩张，垂直扩张则不宜过高。图4为水平扩张比与网口高度及流速之间的关系。由图4可知，网口高度随着拖速及水平扩张比的增加呈现降低的趋势，其关系可表示为：

图4 网口高度与速度的关系Fig.4 Relationship between net opening and towing speed

式（5）中，H为网具的网口高度，v为拖速，a2为系数，随着L/S的增加而减小，取值范围为3.72～4.61，指数b2与L/S无关，取值范围为－0.71～－0.69。

在拖速为1.27kn时，水平扩张比为0.5时比水平扩张比为0.3时的网口高度降低了16.67%；当拖速为2.19 kn时，网口高度降低了13.21%。由于该拖网主要用于虾类捕捞，因此作业中可适当增加网具水平扩张比以降低网口高度，从而增加网具的扫海面积，提高捕捞效率。

2.3 拖网能耗系数

试验网具的能耗系数与拖速和水平扩张比的关系如图5所示。试验拖网的能耗系数随着速度的增加而快速上升，其关系可表示为：

图5 能耗系数与拖速的关系Fig.5 Relationship between energy consumption coefficient and towing speed

式（6）中，Ce为拖网的能耗系数，v为拖速，系数a3的取值范围为0.17～0.20，指数b3取值范围为1.93～2.02。

网具的能耗系数与水平扩张比的关系不明显。在低拖速下，水平扩张比的增加对能耗系数的影响不明显，在拖速大于1.73 kn时，网具能耗系数随着水平扩张比的增加缓慢降低。当拖速为2.19 kn时，L/S为0.5的网具能耗系数为0.84 kW·h·（104m3）－1，与L/S为0.30、0.35、0.40和0.45的网具相比，其能耗系数分别相对下降了12.53%、4.23%、3.01%和0.05%。

3 讨论

本文中西非西班牙441 kW 渔船双臂架虾拖网（60.94 m×30.25 m）与中国大陆在莫桑比克735 kW 渔船使用的四项虾拖网（40.3 m×20.8 m）均采用四片式结构，但在设计上略有不同［7］。西班牙虾拖网网盖为矩形，上网袖相对长度较短（上网袖长比26.91%），网目大小均为55 mm；而莫桑比克虾拖网使用梯形网盖，上网袖相对长度较长（上网袖长比30.33%），网目大小均为65 mm。本研究用虾拖网与莫桑比克虾拖网的水动力性能［6］对比：

（1）在相同水平扩张比时，莫桑比克虾拖网与本研究用虾拖网所受阻力均随着拖速的增加呈现上升的趋势，但本研究用拖网阻力明显小于莫桑比克虾拖网。在拖速为3 kn时，L/S为0.45的莫桑比克虾拖网阻力最高达到14.51 kN，本研究用虾拖网阻力约为11.57 kN，比莫桑比克虾拖网阻力小约20.26%。

（2）两顶虾拖网的网口垂直高度均随着拖速的增加而降低，在保持水平扩张比相同时，本研究用虾拖网的网口高度低于莫桑比克虾拖网，在拖速为3 kn时，L/S为0.45的本研究用虾拖网网口高度约为1.86 m，比相同水平扩张比的莫桑比克虾拖网垂直扩张系数低约11.43%。

（3）两顶虾拖网的能耗系数均随着拖速增加快速上升，与水平扩张比的关系不显著。在相同拖速和相同水平扩张条件下，本研究用虾拖网的能耗系数低于莫桑比克虾拖网。

综上所述，在相同条件下，相较于莫桑比克虾拖网，本研究用虾拖网具有更小的阻力、更低的能耗系数与相对较低的垂直扩张系数，更有利于能源的节约与虾类捕捞效率的提高。这与莫桑比克虾拖网网线直径与网片线面积系数（d/a）相对较大及网袖长度相对较长有关［27－29］。d/a相对较大使得网具阻流面积增大，而较长的网袖使得网具水平扩张增加，网衣对水流的冲角较大，从而增加了网具的阻力。因此在保证网具强度与稳定性的前提下，适当减小d/a与网袖的相对长度，有利于减小网具所受阻力。此外本研究用虾拖网网片数量较少、剪裁工艺更为简单，更有利于网具制作。

4 结论

本文通过水槽试验研究了西非西班牙441 kW 渔船用四片式虾拖网的水动力性能，获得以下结果：网具阻力随拖速与L/S的增加而上升，且与拖速呈现幂函数关系；拖网的网口高度随着拖速增加呈幂函数下降，随着L/S的增加而下降；拖网的能耗系数随拖速的增加呈幂函数上升。由于实际海上作业与模型试验会存在一定的差异，因此该网具还需要通过海上生产测试调整，以提高网具性能，从而实现该网具在中国远洋或近海虾拖网渔船上的推广应用。

特别感谢中国水产科学研究院东海水产研究所张勋、周爱忠、王永进、张禹等在模型实验中给予的大力支持。