重力式深水网箱布局参数理论计算及影响因素分析

2024-03-06庞国良黄小华袁太平陶启友

南方水产科学 2024年1期

庞国良，黄小华，李根，袁太平，胡昱，陶启友

1. 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，广东广州 510300

2. 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)，广东珠海 519000

3. 三亚热带水产研究院/海南省深远海渔业资源高效利用与加工重点实验室，海南三亚 572000

网箱养殖是目前海水鱼养殖的重要方式，在政府政策引领、行业发展共识推动下，近年来网箱养殖发展迅速[1]，海水鱼养殖份额逐步攀升。根据历年渔业统计年鉴数据 (图1)，可以看出网箱养殖已成为我国海水鱼产量供给的主要部分，近几年海水鱼产量提升基本都依靠网箱养殖。开展网箱养殖涉及海域选址、规划布局、箱体设计、品种筛选、养殖技术等多个环节，其中，网箱规划布局作为养殖海域选定后的接续环节，不仅关系到养殖产出效益，更是影响养殖区设施安全的关键因素。当前，选定养殖海域后，关于网箱的布局方式多由养殖企业或养殖户根据其养殖经验而定，由于缺乏一定的科学指引，且为多布放网箱、追求最大养殖量，部分网箱锚绳错乱交叉现象普遍存在，导致在极端海况条件下网箱布局安全冗余度不足，存在较大隐患。

深水养殖设施主要包括重力式深水网箱(图2，以下简称为“重力式网箱”) 和大型桁架式钢制养殖网箱。其中，重力式网箱发展较早，目前布放在中国沿海开展海水养殖的重力式网箱大约有2 万个[2]，凭借着高性价比及高技术成熟度，可以预见在一定时期内，尤其是在海水养殖不断走向深远海的趋势下，重力式网箱依然是发展海水养殖的主流养殖设施。由于发展早、技术相对成熟，关于重力式网箱的研究积累也较为丰富。重力式网箱的主要组成部件有网衣系统、浮架系统及系泊系统，相关研究大多针对这三个部分开展。网衣是形成养殖空间的关键部件，其水动力评估是开展网箱相关研究的基础工作，因此大多数学者针对网衣水动力开展了系统性研究，物理水池/水槽试验是开展网衣水动力分析最直接的手段，从平面网片到三维网衣[3-5]，从单纯分析网衣到考虑生物附着的影响[6-7]。随着现代信息技术水平的提升，数值仿真逐渐成为网衣水动力研究的重要手段，代表性的是利用流体动力学软件开展网衣精细流场计算[8-9]，此外，多孔介质等效、Screen 模型以及基于网目群化的Morison 模型等多种网衣仿真处理方法也得到持续不断的利用和优化，提高了模拟的精度和计算效率[10-13]。网箱浮架系统漂浮于海面，主要起到支撑网衣的作用，宏观上讲，浮架系统主要是由细长管组成，一般都是将其模拟为梁单元[14-15]，但有时为研究浮架局部变形，就应当将其模拟为面元[16]，鉴于浮架整体刚度较小，在波流载荷作用下其会呈现大变形特性，部分学者基于水弹性理论开展了相关研究[17-18]；此外，在浮架系统整体结构安全方面也开展了一系列研究工作[19-21]。系泊系统是保证网箱主体在外部载荷扰动下保持稳固的关键部件，其研究主要借助物理试验与数值仿真手段聚焦在网箱系泊缆绳在波流条件下的受力与变形状态[22-23]，分析系泊系统安全性和相应的优化设计方法等[24-26]。此外，综合考虑网箱网衣、浮架及系泊系统，针对三者相互作用下的网衣整体水动力也有大量研究[27-30]。综上所述，目前重力式网箱研究大多仍集中在网箱个体本身，而对重力式深水网箱规划布局需要考虑的是多个网箱，对养殖海域进行的重力式网箱布局研究目前还较缺乏。

图2 圆形重力式深水网箱示意图Fig. 2 Diagram of circular gravity deep water net cage

本研究旨在从理论角度开展重力式网箱布局参数计算，分析相关布局参数间的相互影响，提出了交叉式和无交叉两种重力式网箱布局型式，给出系泊缆根数、系泊长度、安全控制距离等网箱布局输入参数与相邻网箱间距、海域利用率等网箱布局结果参数间的理论计算公式，并探讨了不同布局控制参数对网箱布局结果参数的影响，以期为深远海养殖中重力式网箱的规划布局提供理论借鉴与支撑。

1 圆形重力式网箱布局理论

1.1 布局形式

在重力式网箱规划布局中主要利用网箱俯视平面图开展设计，图3 所示为一种含8 根系泊缆的重力式网箱俯视平面示意。需要说明的是，为保证布局的安全性，本研究仅考虑网箱独立放置的布局方式，未考虑网箱共用系泊的联排布局方式。根据相邻重力式网箱系泊缆布置方式，将其分为交叉式布局和无交叉布局(图4)，所谓交叉式布局就是相邻网箱系泊缆间有交叉，即考虑系泊缆后重力式网箱占海区域与相邻重力式网箱占海区域有重叠，如图4-a 所示绿色方格填充部分即为重叠区域；无交叉布局即相邻网箱系泊缆间无交叉，也就是相邻重力式网箱占海区域无重叠。

图3 含8 根系泊缆的重力式网箱平面示意Fig. 3 Plan diagram of gravity net cage with eight mooring lines

图4 重力式网箱两种布局型式示意Fig. 4 Two layout styles of gravity net cage

1.2 布局参数及理论计算

根据所划分的交叉式布局和无交叉布局分别进行不同布局方式下的布局参数梳理及相关理论计算，需要说明的是本文所述系泊缆长度即为系泊缆投影长度。

1.2.1 交叉式布局

在进行重力式网箱布局时所涉及的网箱系统基本参数有：网箱浮架周长Lt、系泊缆根数Nm和系泊缆长度Lm；在交叉式布局中额外引入1 个关键控制参数：网箱锚点距相邻网箱锚绳安全控制距离Dm；此外，在网箱布局计算中求得并需要关注的参数有：网箱间距Dn以及网箱海域利用率P；重力式网箱交叉式布局参数示意如图5 所示。

图5 重力式网箱交叉式布局参数示意Fig. 5 Diagram of cross layout parameters of gravity net cage

网箱间距Dn的表达式为：

式中：La为锚点距重力式网箱中心点距离；Rt为重力式网箱浮架半径；La和Rt的表达式分别为：

结合式 (1)—(3)，可得网箱间距Dn的表达式为：

关于网箱海域利用率P，将其分为不计入水下系泊部分的网箱海域利用率P1和计入水下系泊部分的网箱海域利用率P2，为方便讨论分析，本研究中仅考虑了m行×n列的网箱布局型式 (图6) 。在m行×n列网箱交叉式布局下，重力式网箱占海面积Ss为：

图6 m 行×n 列的重力式网箱布局型式示意Fig. 6 Diagram of m×n layout of gravity net cage

在m行×n列网箱交叉式布局下，不计入水下系泊部分的网箱投影面积Sc1为：

关于P1，则：

如果计入水下系泊部分，因为涉及到相邻网箱重叠部分，所以求取网箱投影面积Sc2时会复杂些，图7 所示为计入水下系泊后重力式网箱重叠区域面积计算示意，图中绿色格子阴影部分即为重叠面积Sov，其表达式为：

图7 计入水下系泊后重力式网箱重叠区域面积计算示意Fig. 7 Diagram of overlapping area of gravity net cage with consideration of mooring system

式中：Ssec为网箱重叠部分所对应的扇形面积，即图6 中1/2 个绿色阴影部分面积加上红色阴影部分面积；Stri为图6 中三角形红色阴影部分面积，其表达式分别为：

那么，在m行×n列网箱交叉式布局下，计入水下系泊部分的网箱投影面积Sc2为：

关于P2，则：

1.2.2 无交叉布局

重力式网箱无交叉布局时，所涉网箱系统基本参数与交叉式布局相同，含网箱浮架周长Lt、系泊缆根数Nm和系泊缆长度Lm；但在无交叉布局中同样额外引入1 个关键控制参数：相邻网箱间安全控制距离Dl；此外，在布局计算中求得并需要关注的参数同样为网箱间距Dn以及网箱海域利用率P；重力式网箱无交叉布局参数示意如图8 所示。

图8 重力式网箱无交叉布局参数示意Fig. 8 Diagram of non-cross layout parameters of gravity net cage

网箱间距Dn的表达式为：

关于网箱海域利用率P，同样将其分为不计入水下系泊部分的网箱海域利用率P1和计入水下系泊部分的网箱海域利用率P2，在m行×n列网箱交叉式布局下，重力式网箱占海面积Ss为：

在m行×n列网箱无交叉布局下，不计入和计入水下系泊部分的网箱投影面积Sc1和Sc2分别为：

关于P1和P2，则：

2 不同网箱布局参数间的影响与布局型式分析

2.1 网箱2×2 布局

重力式网箱布局涉及的系泊缆根数、系泊长度以及本文所提出的安全控制距离是进行网箱布局的关键输入参数，网箱间距、计入和不计入系泊系统的网箱海域利用率是开展网箱布局的关键结果参数。由于涉及参数较多，为方便计算，选择图4 所示的2×2 网箱布局型式开展相关分析，网箱类型选择典型的周长为90 m 的C90 重力式深水网箱，根据上文推导的理论公式，分别探讨交叉式布局以及不交叉布局下，不同系泊缆根数 (8～16 根)、长度 (80～140 m) 和安全控制距离条件下网箱间距以及海域利用率的变化规律。其中，交叉式布局下安全控制距离选择10～26 m 不等，无交叉布局下安全控制距离选择0～25 m 不等。

交叉式布局下，布局参数对网箱间距和海域利用率的影响如图9 所示。可以看出，随着系泊缆根数、系泊缆长度和安全控制距离的增加，网箱间距均线性增大；但对于网箱海域利用率，分考虑和不考虑系泊系统两种情形，随着布局参数的变化其呈现出不同的变化规律。从图9-a 中可以看出，随着系泊缆根数的增加，考虑和不考虑系泊系统的网箱海域利用率均下降，但是考虑系泊系统的网箱海域利用率随着系泊缆根数的增加降幅逐渐增大；随着安全控制距离的增加，两种网箱海域利用率的变化(图9-c) 呈现出与图9-a 相似的规律。而对于，随着系泊缆长度的增加，不考虑系泊系统的网箱海域利用率减小，而考虑系泊系统的则增加 (图9-b)，主要原因是在网箱用海中，系泊缆占用海面积的绝大部分，增加其长度意味着在一定海域面积内有更高的网箱海域利用率。

图9 2×2 交叉式布局不同布局参数下网箱间距及海域利用率Fig. 9 Distance between cages and sea area utilization rate by different layout parameters (2×2 cross layout)

无交叉布局下，布局参数对网箱间距和海域使用率的影响如图10 所示。对于网箱间距，随着系泊缆长度、安全控制距离的增加，网箱间距均线性增大，这与交叉式网箱布局的规律一致，但是在其他布局参数一定的前提下，改变系泊缆的根数对无交叉布局网箱间距和海域利用率均无影响 (图10-a)。对于网箱海域利用率，无交叉布局下随着系泊缆长度的增加，不考虑系泊系统的海域利用率同样减小，而考虑系泊系统后的海域利用率变化同样呈相反的变化趋势 (图10-b)，与图9-b 类似。但在不同的安全控制距离下，无交叉布局时随着安全控制距离的增加，两种网箱海域利用率均呈现线性减小的趋势 (图10-c)。此外，从图9 和图10 中可以明显看出，不考虑和考虑系泊系统的网箱海域利用率数值差别很大，不考虑系泊系统的网箱海域利用率介于0.8%～2.1%，而考虑系泊系统的介于70%～90%。

图10 2×2 无交叉布局不同布局参数下网箱间距及海域利用率Fig. 10 Distance between cages and sea area utilization rate by different layout parameters (2×2 non-cross layout)

2.2 多个网箱m 行×n 列布局

上文中主要针对4 个网箱2×2 布局型式展开分析，而对于多个网箱来说，m行×n列布局中m、n的取值可能是多个，为此考虑交叉式和无交叉两种网箱布局型式，针对1—30 个网箱，探究不同m行×n列布局、系泊缆根数、系泊缆长度及安全控制距离下网箱海域利用率变化特征。需要说明的是，考虑到海洋是具有深度的立体空间，网箱养殖用海的海域利用率测算，不能仅考虑水面上的网箱浮架系统，而要考虑占据大范围海域的网箱系泊系统，因此本研究分析了考虑系泊系统后的网箱海域利用率。1—30 个网箱m行×n列不同布局型式及其编号如表1 所示，以编号4 和5 举例，编号4 代表4 个网箱1×4 布局型式，编号5 则代表4 个网箱2×2 布局型式。

表1 网箱布局型式编号Table 1 Cage layout No.

图11 所示为多个网箱m行×n列不同布局型式及布局参数下网箱海域利用率变化，很显然网箱交叉式布局的海域利用率大于网箱无交叉布局；并且随着布局网箱数量的增加，以海域利用率78.54%为起始点，交叉式布局呈现更高的海域利用率，无交叉布局呈现更低的海域利用率；其中78.54%为单个网箱的海域利用率，也是网箱无交叉布局时安全控制距离为0 m 时的海域利用率。如图11 -c 所示，当网箱无交叉布局安全控制距离为0 m 时，随布局网箱数量的增加，海域利用率无变化，均为78.54%；此外，对于相同数量的网箱，采用交叉式布局，当网箱布局愈加紧密时对应更高的海域利用率，而对于无交叉布局，当网箱布局愈加紧密时对应更低的海域利用率。以图11-a 为例，布局30 口网箱，对应布局编号54—57，当采用8 根系泊缆交叉式布局时，1×30 布局下海域利用率为89.11%，5×6 布局下可达94.77%；反观8 根系泊缆无交叉布局，1×30 布局下海域利用率为75.06%，5×6 布局下降至72.73%，原因主要在于网箱交叉式布局可以共用相邻网箱系泊所占海域空间，而网箱无交叉布局由于安全控制距离的存在会使得网箱聚集排列时占海空间快速扩大。另外，从图11-a 中还可以看出，交叉式布局下系泊缆根数越多，海域利用率变化对布局网箱数量增加越不敏感，无交叉布局下，系泊缆根数改变对海域利用率变化无影响。从图11-b 可以看出，交叉式布局海域利用率曲线随系泊缆长度的增加愈加紧密，说明布局网箱数量一定时，交叉式布局海域利用率对系泊缆长度变化相对于无交叉布局更为敏感，且表现为随系泊缆长度的增加海域利用率增势趋缓，这与图9-b 中所得结论一致。类似的，由图11-c 中可见，当网箱数量一定时，随着安全控制距离的增加，交叉式布局海域利用率加速减小，而无交叉布局海域利用率呈线性减小的趋势，这与图9-c 和图10-c 中所得结论一致。

图11 多个网箱不同布局型式及布局参数下网箱海域利用率变化Fig. 11 Sea area utilization rate by different layout types and parameters

2.3 布局建议

上文分析了圆形重力式深水网箱不同布局型式以及不同关键布局输入参数下的网箱关键布局结果参数变化，交叉式布局的海域利用率明显大于无交叉布局，但综合各种因素，交叉式布局却并不一定优于无交叉布局。网箱规划布局是一项系统性工程，涉及网箱数量、型式、规格、海域水深、底质等诸多因素，以系泊部分为例，就涉及系泊长度、系泊缆根数、系泊缆材质、锚固型式等多个因素。交叉式布局更多是基于经济性考量，在海域面积有限的情况下布置更多网箱，追求经济效益最大化；但在面临海上养殖环境诸多不可控影响因素的前提下，网箱安全性永远都是不可忽略的核心问题，并且有部分实例证明现有的养殖渔场网箱尤其是在中国南海区发生的极端天气下网箱走锚移位的情形，导致了严重的经济损失。交叉式布局的最大风险在于当一口网箱发生走锚移位后，易诱发相邻网箱产生骨牌效应，当然这并不意味着无交叉布局不会发生这种情况，但其安全系数相对更高。无论何种布局，究其根本无非涉及经济性和安全性两个方面，在海域面积有限并且渔获产出有要求的条件下，交叉式布局必定为网箱布局方式的首选，此时网箱系统各部件设计需做相应加强。但需要说明的是，由于目前尚未形成行之可靠的标准规范来指导网箱的布局设计，建议仍采用更高安全性的无交叉布局，选定充分安全的控制距离来防范风险，只有在保障安全的基础上才有机会追求经济效益最大化。