光誘魷釣漁船集魚燈的水中照度分布及合理配置研究

錢衛(wèi)國(guó)，王偉杰，葉超，盧克祥

(1.上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；2.上海海洋大學(xué) 國(guó)家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201306；3.上海海洋大學(xué) 大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201306；4.遠(yuǎn)洋漁業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 201306)

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光誘魷釣漁船集魚燈的水中照度分布及合理配置研究

錢衛(wèi)國(guó)1、2、3、4，王偉杰1、2，葉超1，盧克祥1

(1.上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；2.上海海洋大學(xué) 國(guó)家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201306；3.上海海洋大學(xué) 大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201306；4.遠(yuǎn)洋漁業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 201306)

摘要:集魚燈的合理配置是光誘漁業(yè)研究的重要內(nèi)容，本研究中根據(jù)“岱遠(yuǎn)漁807”光誘漁船的集魚燈布置參數(shù)，對(duì)該船的水中照度分布進(jìn)行了理論計(jì)算。結(jié)果表明：漁船集魚燈總功率為130 kW時(shí)，10 lx的等照度曲線水平方向最遠(yuǎn)為55 m，水深方向不超過25 m，0.1 lx的等照度曲線水平方向最遠(yuǎn)為190 m，最深可至40 m水深；當(dāng)總功率減為65 kW時(shí)，等照度曲線所在水層僅減少5 m左右；以0.01 lx為誘集魷魚的最低照度，增加一倍的集魚燈功率，照度在水平方向上約能增加18.6%的有效誘集距離。研究表明，從集魚燈的配置情況來看，“岱遠(yuǎn)漁807”漁船目前的配置還是比較合適的，但如能將燈高增大0.5 m，照度則可增加4.1%的有效水體體積，莖柔魚較為活躍的照度范圍為0.2~1.0 lx。

關(guān)鍵詞:集魚燈；水中照度；合理配置；魷釣漁船

目前，中國(guó)的魷釣漁場(chǎng)主要為北太平洋柔魚漁場(chǎng)、西南大西洋阿根廷滑柔魚漁場(chǎng)和東南太平洋的莖柔魚漁場(chǎng)[1]。其中，在西南大西洋阿根廷滑柔魚漁場(chǎng)作業(yè)的漁船，基本全部為大型的專業(yè)魷釣漁船，在其他兩個(gè)海域的漁船則主要為中小型漁船。大型專業(yè)魷釣船通常配備2 kW型、3 kW型、4 kW型的集魚燈；而中小型漁船則配備1 kW型和2 kW型的集魚燈，其中配備1 kW型的漁船數(shù)占60%~70%；此外，有部分漁船也正在嘗試使用新型的LED集魚燈[2-4]。集魚燈是一種重要的誘魚和集魚裝置，國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者對(duì)此也進(jìn)行了大量的研究[5-12]，但從所研究的集魚燈種類來看，主要為2 kW型金屬鹵化物燈[4-7]，而對(duì)1 kW型金屬鹵化物燈的研究則相對(duì)較少[11-12]。本研究中，根據(jù)2011—2013年度農(nóng)業(yè)部公海莖柔魚Dosidicusgigas資源探捕船“岱遠(yuǎn)漁807”的集魚燈配置數(shù)據(jù)，結(jié)合其所用的1 kW型金屬鹵化物燈(下稱1 kW型集魚燈)的光強(qiáng)分布配光曲線，對(duì)漁船的水中照度分布及其合理配置進(jìn)行了理論計(jì)算和研究。

1材料與方法

1.1材料

“岱遠(yuǎn)漁807”的集魚燈布置參數(shù)：漁船總長(zhǎng)為54.3 m，型寬為8.2 m，總噸(ITC)為430 t，定員為31人，釣機(jī)臺(tái)數(shù)為20臺(tái)；船上1 kW型集魚燈共130盞，集魚燈離甲板的平均高度為2.1 m，燈距離水面的平均高度為5.7 m，集魚燈與船舷的水平距離為1.0 m，相鄰兩個(gè)集魚燈的平均間距為0.6 m，兩列燈之間的水平距離為6.2 m，相關(guān)數(shù)據(jù)如圖1所示。

1.2方法

集魚燈水中照度的計(jì)算方法參見文獻(xiàn)[5]，即采用疊加法照度計(jì)算模式計(jì)算集魚燈在水中的照度分布。根據(jù)魷釣漁船集魚燈布置的相關(guān)數(shù)據(jù)，使用錢衛(wèi)國(guó)等[12]研發(fā)的“水上集魚燈水下光場(chǎng)計(jì)算系統(tǒng)V1.0”[13](國(guó)家軟件登記號(hào)：2010SR042147)進(jìn)行理論計(jì)算。

對(duì)于1 kW型集魚燈，其配光曲線極坐標(biāo)函數(shù)計(jì)算公式[12]為

(1)

其中：I為發(fā)光強(qiáng)度(坎德拉，cd)；θ為方位角(弧度)。根據(jù)式(1)計(jì)算獲得總功率分別為130 kW和65 kW時(shí)：① 船舷右側(cè)中部0~200 m范圍不同深度的照度(計(jì)算步長(zhǎng)為5 m，下同)；② 船舷右側(cè)表層0.1 m水深處0~200 m水平范圍的照度；③ 船舷右側(cè)水平距離20 m處斷面不同深度的照度；④ 近表層3 m水深處0~200 m范圍的照度。使用Surfer 8.0 軟件繪制等值曲線圖。

圖1　“岱遠(yuǎn)漁807”集魚燈布置圖Fig.1　Platform of fish aggregation lamps on a squid jigging vessel, Daiyuanyu No.807

在進(jìn)行合理配置時(shí)，以漁船一側(cè)0.01 lx和10 lx等照度曲面所圍水體體積大小來評(píng)價(jià)[5]。將V0.01定義為在漁船一側(cè)自船首到船尾范圍內(nèi)0.01 lx 水中照度曲面到海面所圍的水體體積，同理，將V10定義為在漁船一側(cè)自船首到船尾范圍內(nèi)10 lx 水中照度曲面到海面所圍的水體體積。具體計(jì)算中，搜索船側(cè)不同位置0.01 lx 或10 lx對(duì)應(yīng)的水層位置H，建立以0.1 m×0.1 m為底面積、以H為高度的水柱，并對(duì)所有的水柱進(jìn)行累加獲得。V0.01和V10同樣以上述軟件的相關(guān)計(jì)算功能來實(shí)現(xiàn)。

2水中照度分布

2.1不同總功率時(shí)的水中照度

在海水光學(xué)衰減系數(shù)為0.21時(shí)(根據(jù)中東太平洋魷釣漁場(chǎng)透明度為8 m計(jì)算獲得)，計(jì)算獲得集魚燈總功率分別為130 kW和65 kW時(shí)水中照度的斷面分布(圖2)。由圖2可知，兩種不同總功率時(shí)的水中照度相差不大，等照度曲線所在水層基本上相差5 m左右。離船20 m以內(nèi)的照度值較高，多為100 lx以上，特別是離船10 m以內(nèi)近表層的水中照度可達(dá)1000 lx以上。10 lx照度最深可至25 m水深，水平方向最遠(yuǎn)為55 m；0.1 lx照度最深可至40 m水深，水平方向最遠(yuǎn)為190 m。

圖2　不同集魚燈功率時(shí)的水中等照度曲線分布Fig.2　Equiluminous contours of underwater irradiance at different out power of a fish aggregation lamp

2.2不同總功率時(shí)的海面表層照度

圖3為集魚燈總功率分別為130 kW和65 kW時(shí)，海水表面0.01 m處的照度分布情況。由圖3可知，當(dāng)集魚燈功率為130 kW時(shí)，水平距離為20 m以內(nèi)的照度均大于100 lx，水平距離為50 m處的照度在20 lx左右，1 lx等照度線距離船約105 m左右，0.1 lx等照度線距離船約為195 m左右。

圖3　不同集魚燈功率時(shí)的等照度曲線分布(海水表面)Fig.3　Equiluminous contours of irradiance at different out power (sea surface) of a fish aggregation lamp

而當(dāng)集魚燈功率為65 kW時(shí)，不同水平距離處的照度值與130 kW時(shí)相比，約減少1/2左右。例如，65 kW時(shí)水平距離為105 m處的照度為0.5 lx，為130 kW時(shí)同一水平距離處照度(1 lx)的1/2；水平距離為160 m處的照度為0.1 lx，為130 kW時(shí)同一水平距離處照度(0.2 lx)的1/2。

假設(shè)0.01 lx為誘集魷魚的最低照度，當(dāng)總功率為130 kW和65 kW時(shí)，0.01 lx照度在水平方向上的最遠(yuǎn)距離分別為700 m和590 m，有效距離相差約110 m。可見，增加一倍的集魚燈功率，其光照的有效距離約能增加18.6%。

2.3不同總功率時(shí)水深30 m處的照度

圖4為集魚燈總功率分別為130、65 kW時(shí)，水深30 m處的照度分布情況。由圖4可知，在集魚燈功率為130 kW時(shí)，水平距離為40 m以內(nèi)的照度均大于0.1 lx，水平距離為50 m處的照度在0.02 lx左右，0.001 lx等照度線距離船約為85 m。

當(dāng)集魚燈功率為65 kW時(shí)，不同水平距離處的照度值與130 kW時(shí)相比，同樣也減少1/2左右。例如，65 kW時(shí)水平距離為50 m處的照度為0.01 lx，為130 kW時(shí)同一水平距離處照度(0.02 lx)的1/2；水平距離115 m處的照度為0.000 1 lx，為130 kW時(shí)同一水平距離處照度(0.000 2 lx)的1/2。

圖4　不同集魚燈功率時(shí)的等照度曲線分布(水深30 m)Fig.4　Equiluminous contours of irradiance at different out power(depth of 30 meters) of a fish aggregation lamp

由圖4還可以看出，由于集魚燈的照度在水中衰減得很快，水深30 m處的照度在數(shù)值上來看很小。當(dāng)總功率為130 kW時(shí)，與船最相近的水域(離船約20 m，光線可達(dá)區(qū)域)，其照度也僅為2 lx左右；離船20~30 m處的照度為0.2~1.0 lx。另外，根據(jù)魷釣夜間手釣作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，離船20~30 m處、水深30 m的水層為魷魚上鉤較為頻繁的水域，可以推測(cè)照度0.2~1.0 lx為莖柔魚較為活躍的照度范圍。

2.4不同總功率時(shí)與船水平距離20 m處不同深度的照度

圖5為集魚燈總功率分別為130、65 kW時(shí)，與船水平距離20 m處的照度分布情況。由圖5可知，在集魚燈功率為130 kW時(shí)，50 lx等照度曲線最深可達(dá)4 m；1 lx等照度曲線最深可至30 m；0.1 lx等照度曲線最深可至35 m。

當(dāng)集魚燈功率為65 kW時(shí)，不同深度處的照度值與130 kW時(shí)相比，同樣也減少1/2左右。65 kW時(shí)的10 lx、5 lx等照度曲線與130 kW時(shí)的20 lx、10 lx等照度曲線，幾乎完全重合。從等照度曲線所在的水層來看，隨著深度的加大，兩者的距離差不斷縮小，并逐漸相近。例如，在32~33 m水深處，65 kW時(shí)的0.1 lx等照度曲線與130 kW時(shí)相差僅1~2 m。

圖5　不同集魚燈功率時(shí)的等照度曲線分布(水平距離20 m)Fig.5　Equiluminous contours of irradiance at different out power of a fish aggregation lamp(Horizontal distance of 20 meters from the boat)

3集魚燈配置

當(dāng)集魚燈燈高分別為5.2、5.7、6.2 m，燈距分別為0.45、0.50、0.55、0.60、0.65、0.70 m時(shí)，漁船一側(cè)0.01 lx 和10 lx等照度曲面所包含的水體體積V0.01和V10見表1。

由表1可知：當(dāng)燈高為5.2 m時(shí)，V10為8000~9000 m3，V0.01為110 000~130 000 m3，V0.01-10為100 000~120 000 m3；當(dāng)燈高為5.7 m時(shí)，V10為12 000~13 000 m3，V0.01為130 000~150 000 m3，V0.01-10為120 000~140 000 m3；當(dāng)燈高為6.2 m時(shí)，V10為22 000~24 000 m3，V0.01為160 000~170 000 m3，V0.01-10為130 000~140 000 m3?？梢?，隨著燈高的增大，各照度的水體體積均呈增加趨勢(shì)。但在相同的燈高情況下，增大集魚燈間距，并不一定就能增大各照度的水體體積。

考慮到0.01~10 lx 為魷魚較為適宜的照度范圍，在此將V0.01-10的水體體積作為評(píng)判集魚燈配置的一個(gè)重要指標(biāo)。從表1中的數(shù)值來看，V0.01-10最大值(146 563.40 m3)所對(duì)應(yīng)的燈距為0.6 m、燈高為6.2 m；其次為145 140.95 m3，對(duì)應(yīng)的燈距為0.55 m、燈高為6.2 m?！搬愤h(yuǎn)漁807”當(dāng)前的燈高為5.7 m、燈距為0.6 m，對(duì)應(yīng)的V0.01-10值為140 727.44 m3，與V0.01-10最大值相差約5800 m3。因此，增加燈高0.5 m，可以增大4.1%的有效水體體積。

表1不同燈高燈距時(shí)的水中照度V0.01、V10、V0.01-10

Tab.1Values ofV0.01，V10，andV0.01-10with different height and space between fishing lamps

燈高h(yuǎn)/m燈距d/mV10/m3V0.01/m3V0.01-10/m35.20.458626.88116818.40108191.525.20.508382.42133661.22125278.805.20.558517.13135698.05127180.925.20.607889.29127546.99119657.705.20.658963.60127151.12118187.525.20.709023.23126244.16117220.935.70.4511960.66135465.80123505.145.70.5013311.27135436.36122125.105.70.5513140.89150844.23137703.355.70.6013448.95154176.39140727.445.70.6513210.59148064.19134853.605.70.7013171.99140216.29127044.306.20.4522962.56157482.60134520.046.20.5022311.60157530.60135219.016.20.5524803.33169944.28145140.956.20.6023936.53170499.93146563.406.20.6523748.84164201.76140452.926.20.7023165.06163183.58140018.51

4結(jié)論與分析

(1) 目前使用的1 kW型集魚燈，從外形上看近似橢球型，從光源性質(zhì)來說，是一種各向異性的光源，因此，在使用中要考慮合適配置該燈在漁船上的安裝高度，以獲取盡可能大的有效光誘范圍。從漁業(yè)實(shí)踐來看，燈離水面高不應(yīng)低于5 m，也不宜太高，太高會(huì)造成風(fēng)阻太大，從而影響漁船穩(wěn)性，對(duì)于魷釣漁船來說，一般可控制在5.5~6.5 m(大型專業(yè)魷釣船除外)。從“岱遠(yuǎn)漁807”漁船集魚燈的配置情況來看，目前的配置(燈高5.7 m、燈距0.6 m)還是比較合適的，但如能增加燈高0.5 m，則可增大4.1%的有效水體體積。

(2) 從集魚燈功率變化來看，“岱遠(yuǎn)漁807”漁船在集魚燈總功率分別為130、65 kW時(shí)的水中照度相差不大，等照度曲線所在水層相差約為3 m左右?？梢?，增加集魚燈個(gè)數(shù)(功率)并不能有效地增加其在水中的光照強(qiáng)度。但在增加水平方向尤其是表層的有效光誘范圍方面則起到一定的作用，如以0.01 lx作為誘集魷魚的最低照度，則在水平方向上，當(dāng)集魚燈總功率從65 kW增加到130 kW時(shí)，船舷一側(cè)的有效誘集距離約能增大110 m。因此，增加一倍的集魚燈功率，光照的有效距離約能增加18.6%。

(3) 當(dāng)總功率為130 kW時(shí)，水深30 m、離船水平距離20~30 m處的照度為0.2~1.0 lx。而根據(jù)該漁船在秘魯外海魷釣作業(yè)中的夜間手釣作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，離船20~30 m處、水深30 m水層是魷魚上鉤較為頻繁的水域，故可推測(cè)照度0.2~1.0 lx為秘魯外海莖柔魚較為活躍的照度范圍，這個(gè)照度范圍介于頭足類的適宜照度(0.01~10 lx)[14-17]范圍內(nèi)，但可看出，秘魯外海莖柔魚是略偏強(qiáng)光的。

(4) 集魚燈的優(yōu)化配置研究是光誘漁業(yè)的一個(gè)綜合性研究課題，主要包括：捕撈對(duì)象的趨光特性，海水的光學(xué)特性，集魚燈及其光源的開發(fā)和研制，背景光的影響，漁船的水中照度分布，漁船集魚燈總功率的配置，集魚燈的合理布置，以及魷釣漁船之間的合理作業(yè)間距等。本研究是基于理想的海面狀態(tài)下進(jìn)行計(jì)算和分析的，實(shí)際海況條件十分復(fù)雜，集魚燈光線的傳輸要受到波浪、海水透明度、水霧等諸多因素的影響，因此，其實(shí)際的光能量在傳輸過程中會(huì)大大減弱。如何更好地對(duì)理論計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行修正或?qū)τ?jì)算方法進(jìn)行優(yōu)化，在今后的研究中需作進(jìn)一步地探索。

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Underwater irradiance and optimal allocation of fish

aggregation lamps in a squid jigging ship

QIAN Wei-guo1,2,3,4， WANG Wei-jie1,2， YE Chao1， LU Ke-xiang1

(1.College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 2.National Engineering Research Center for Oceanic Fisheries, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 3.Key Laboratory of Sustainable Exploitation of Oceanic Fisheries Resources, Ministry of Education, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China；4.Collaborative Innovation Center for Distant-water Fisheries, Shanghai 201306, China)

Abstract：Since the optimal allocation of fish aggregation lamps is a crucial factor in lighting fisheries, the illumination distribution underwater was estimated in terms of the arrangement parameters of fish aggregation lamps on a small squid jigging ship. The results showed that the iso-illuminance curve contours of 10 lx were in the depth of 25 m and in horizontal direction of 55 m at most under the ship with the total output of 130 kW. The curve contours of 0.1 lx were in 40 m vertically and 190 m horizontally at most under the ship with the total output of 130 kW. However, the curve contours was reduced by 5 m roughly in the depth at the total metal halide lamp power of 65 kW. The horizontal effective attracting distance was increased by 18.6% at the double output from the minimal squid attracting illumination of 0.01 lx. The findings indicate that the “Daiyuanyu No.807” as a conventional squid jigging ship has appropriate in configuration of fishing lamp, but if the lamps are elevated by 0.5 m, the effective water volume will be increased by 4.1% within the illumination between 0.2 to 1.0 lx at which squid Dosidicus gigas show more activity.

Key words：fish aggregation lamp; underwater irradiance; reasonable allocation; squid jigging ship

作者簡(jiǎn)介：錢衛(wèi)國(guó)(1977—)， 男， 博士， 副教授。E-mail:wgqian@shou.edu.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(SS2012AA091803)；上海市科委項(xiàng)目(2013ZY-87)

收稿日期：2014-06-16

中圖分類號(hào)：S973.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-1388(2015)02-0226-05

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-1388.2015.02.022