拖网网具性能影响因子的初步研究

2023-09-09吴超伟常国斌陈达杰丁琳马家志王飞

中国水产 2023年8期

◎ 文/吴超伟常国斌陈达杰丁琳马家志王飞

海洋渔业装备的迅速发展给捕捞行业带来了较高的经济收益，拖网作业是海洋渔业主要捕捞方式之一。但随着渔业资源衰退、能源成本提高等问题出现，促使拖网网具必须不断优化性能以保护渔业资源、降低捕捞成本。本文对近六年来已有的部分拖网性能研究成果进行了整理、分析、探讨，并就促进未来拖网性能研究系统化以及拖网设计及应用规范化提出了建议，供相关研究人员参考。

拖网作业是海洋渔业的主要捕捞方式之一，凭借着优越的灵活性以及普适性、高效性等，横向活跃于世界的各个海域，纵向应用在不同深浅的海层。不过在实际生产当中，拖网网具面临着由于阻力高致使渔船能耗大及作业收益低、拖曳速度及时间不合理导致捕捞量与品质下降、网具设计不具备标准化引起管理松散等问题，致使拖网捕捞作业与可持续生产的目标背道而驰。

为了有效解决好这些问题，目前主流的渔具研究方法是采取海上实测、模型试验、数值模拟等手段，对多种拖网的性能进行多变量研究。由于学者们研究角度的不同，同一顶拖网的性能指标、影响因子选取及组合便达数种，研究出的结果也是多样的。当选定了一个指标后，在某几个因子的影响下得到的最佳结果是否适用于其他因子组合的情况，这仍然需要进一步探究。从拖网研究整体来看，选取不同影响因子组合，导致同一顶或同一类拖网在进行优劣评价时所得到的结论不同，进而使拖网网具在设计及规范化应用上有值得探究的地方。

一、当今拖网网具性能研究基础

在渔业管理逐步完善、渔业资源衰退及捕捞成本不断增加等众多因素影响下，在捕捞限额制度及其他制度的管理下，拖网作业想要获取更大的经济成效，通过提高拖网各方面性能实现降低捕捞成本是有效提高收益的手段之一。据FAO统计，2020年全球水生动物产量估计为1.78亿吨，其中捕捞业贡献了9000万吨，带来约1410亿美元的销售价值。可见至今捕捞业在世界渔业中仍占有较大比重，拖网性能的研究也因此具备着较强的实际意义。

（一）应用于拖网网具性能的研究方法

渔具的主要研究方法有海上实测、模型试验、数值模拟，拖网性能研究也是主要依靠这三种方法实现。20世纪30年代左右，渔具设计、制作与生产在物理领域的研究兴起，国内外出现不少学者利用理论分析的成果，进行渔具的海上实测以及风洞或水槽试验，以探索最优化的渔具性能，这其中最具代表的有苏联的巴拉诺夫教授、日本的田内森三郎博士等。随着测试仪器的发展，试验中所获取的数据精度提升、类型多样化，研究的成果可靠性越来越强。在近二十年内，由于计算机技术的不断突破以及结构力学等理论分析的持续发展，使得一些耗时漫长或需要巨大财力的研究在短时间内就能得到运算结果，渔具水动力特性研究的数值计算也因此取得了较大进展。这三种方法各有优劣（见表1），而三者的互相检验已成为当今渔具研究的一个主流趋势。

表1 渔具研究方法的优劣

（二）网具性能观测指标的选取

由于渔具类型及适用条件的不同，渔具所表现出来的性能各异，观测时选取的指标也不尽相同。如围网在实际生产中表现出来的主要性能是水动力特性及沉降性，其主要选取的是水动力系数（水阻力）和沉降深度及沉降速度等指标。延绳钓主要的性能则为渔获率及选择性等。而本文的探讨对象——拖网，在捕捞作业过程中展现出的主要性能有水动力特性、扩张性及经济性能等。在拖网性能的研究过程中，不论是海上实测、模型试验还是数值模拟，多数学者所选取的主要的性能观测指标是网具阻力、网口高度、能耗系数等。根据拖网作业的特性，文中将围绕网具阻力、网口高度及能耗系数这三个较能充分展示拖网网具性能的指标进行分析。

（三）拖网网具性能研究趋势

基于21世纪计算机软件技术的发展，数值模拟在拖网性能研究中开始广泛应用，如Rong Wan等（Ocean Univ China, Fishery Coll）构建南极磷虾拖网的数值模型，王永进等（中国水产科学研究院东海水产研究所）构建大网目底拖网网具的数学模型，刘莉莉等（浙江海洋大学水产学院）以日本某四片式中层拖网为例构建模型等，都得出了数值计算模型能在一定程度上对拖网进行仿真模拟，并通过软件支持为拖网设计及性能预测提供有价值的信息。此外，由于物种、资源和环境的保护受到世界广泛重视，拖网的选择性研究也活跃起来。De Robertis Alex 等（Alaska Fisheries Science Center）改造远洋拖网保护小型北极鱼类，Broadhurst Matt K.（NSW Department of Primary Industries, Fisheries Conservation Technology Unit, National Marine Science Centre, Southern Cross University）等利用鱼眼的改造排除了更多的副渔获物等，以上均证实了选择性拖网不仅在保护渔业资源上能发挥良好功效，也能在燃油消耗量与副渔获量之间求取利益提升。当然最直接的研究还是依靠水槽或是海域，配合网口高度测量仪器、测速仪等渔业测试仪器，研究节能型拖网的基本参数以及合适的生产条件。

二、拖网网具阻力指标研究进展

拖网网具的总阻力包括了网衣部分、纲索部分、主要属具部分三项。网衣部分计算阻力时常用日本田内网片阻力计算公式等；纲索部分由于结构及作业状态的差异，计算阻力的公式也不尽相同；主要属具中也因属具的不同导致计算方式不同。随着传感器等现代仪器技术的发展，在实验中可直接借助如LC-FW-200型测力传感器、Lu-A型测力传感器等测力系统轻松获取实物或模型阻力数据。而当前的数值模拟大多基于有限元法进行阻力计算。

在海上生产的拖网，其阻力不仅会受到本身参数大小的影响，也会受到周遭环境的影响。近些年来，拖网阻力多因子研究在持续进行中，以下是近几年里部分研究团队的研究成果（见表2）。目前针对拖网的研究聚焦在总体性能，阻力方面单独研究极为少见，其他指标亦如此。故有些因子虽然存在，但在研究中并没有进行关联分析。同时，也存在单个因子的拖网性能研究，这类研究大多采用数值模拟的方法。数值模拟虽然具有预测功能，但由于产出的结果具有较强的限制性，该类研究大多停留在单因子变量层面，并没有继续往下模拟探究。虽然有些研究还会加做水槽试验（即一个研究中采用两种方法），但试验主要目的是检验计算值，故也不会额外增添因子数量。

表2 近六年拖网渔具阻力与影响因子的关联研究

由表2可知，当前在拖网阻力的研究中，海上实测以及数值模拟大多是为了检验和预测网具的性能，水槽试验则主要被用于探索和比较另外两种方法结果数据的可能性和准确性。在因子组合的挑选中，除了一些传统因子组合（如拖速、水平扩张比）外，在近期的研究中还会根据拖网特性以及拖网设计理论，选择加入部分较为罕见的研究因子如网线材料、背（腹）网与侧网拉直宽度比等进行补充。由于拖网组成结构复杂，拖网本身存在数种可变因子，加之网体外的因子也会对拖网阻力产生影响，因此除了根据经典水阻力公式上直接显示的一些因子组合外，因子组合的选取仍具有很高的自由度，多样化组合对试验设计的规范以及后续实物拖网的设计及评价带来了一定程度的困扰。

三、拖网网具网口高度指标研究进展

拖网网具在作业中扩张性可分为水平扩张和垂直扩张，这二者之间存有负相关关系，即当水平扩展比越小时垂直扩张就越大，反之亦然。为了实现更好的水平扩张效果，目前大多方法是加入网板属具。网板在水流中能够产生侧向力，能使得拖网的网口向两侧撑开。鉴于网板性能优越以及相关研究丰富，故不赘述水平扩张。

网口高度作为评价拖网垂直扩张性能的重要指标，同样也能依靠传感仪器（如Marport网眼传感器等）设备进行读取。由于网口高度并不像水动力那般可以用计算公式作为研究影响因子组合的参考依据，其受何种因子影响及影响程度或大或小，都需要进一步探究。根据近几年较新的拖网性能研究中网口高度研究分析（见表3）可知，仍存在较多因子未进行与拖网网口高度的显著性分析。

表3 近六年拖网网具网口高度与影响因子的关联研究

在拖网性能研究中，与阻力一样，网口高度的研究载体，不同研究团队的选择也不尽相同。在多因子研究中所得到的因子与指标之间的关系结论，其所包含的一些精确数据结论在其他类型拖网中是否适用，仍需要进一步检验。

四、拖网网具能耗系数指标研究进展

能耗系数是通过计算求得的性能指标，目前在国内仍有较多使用，多数的相关研究（见表4）是依据这一公式进行的。由于其本身是借助网口高度和网具阻力得到的一个计算值，其影响因子的种类大体与网口高度和阻力相同，故表4中不再重复列举影响因子。对于能耗系数这一指标，检索近些年已发表的论文，国外使用频率相对较少，这主要是由于有水动力系数等其他计算值指标的存在，及利用网口形状直接展示捕捞效率等体现拖网网具性能的方式存在所致。当然，选取其他计算值来评估拖网性能大多绕不开阻力或网口扩张，故能耗系数的替换并不会太影响拖网网具性能的研究进展。根据已有研究以及生产特性，易得知能耗是不可能被消除或百分百转化为实际捕捞量的，目前能做的主要是能耗趋小化研究。

表4 近六年拖网网具能耗系数与影响因子的关联研究结论

五、展望

虽然业界从20世纪初便开始了拖网性能的研究，但目前来看仍有较多问题需要学者们解决。以下从有待研究的问题以及评价体系构建两个方面对拖网性能影响因子未来的研究进行展望。

（一）有待研究的问题

随着科技的进步，拖网设计也在发展。从近些年发表的论文可知，在拖网性能研究中存在较多的因子未进行探索或因子与研究方法结合度不足等问题。据已有文献资料可知，拖网性能在空纲长度、浮沉力分布、上下纲垂度等影响因子上的研究缺失或较少。故之后的研究可尝试从罕见因子入手，或深究已经出现过的因子，从而完善拖网设计改进的参考数据。

此外，数值模拟作为一个新兴的拖网研究方法，其在使用时主要是通过把拖网结构进行简化，同时人为地忽略一些实际条件后采用有限元方法构建简化模型，再进行计算模拟。这样的做法虽然简便快捷，但仍需进行水槽实验或是海上实测检验，结论方可利用，这无疑增添了研究工作的流程，此外数值模拟研究中因子的选取目前来看也较为单一。故在今后的拖网性能数值模拟研究中，应尽可能完善模型构建的细节以及增加影响因子的种类与数量，进而提高拖网数值模拟研究结论在拖网设计与改进中的参考性。

（二）统一评价体系的构建

实物拖网网具设计图中的具体参数被确定后，一般会进行模型试验分析模型网具的性能。分析过程不同、采取角度不同，可能会导致研发人员误判拖网的实际优劣。如利用统一的拖网网具性能评价体系，则能规范拖网网具的评价分析以及提高不同拖网网具之间的参数条件兼容性。以下提供一种基于权重的统一评价体系（见图1）供大家参考，该统一化评价体系基于大量研究后得到的公认以及固定的因子组合以及固定的权重建立。