筏式養(yǎng)殖海帶收獲裝置的發(fā)展現(xiàn)狀

常宗瑜，張 揚(yáng)，鄭中強(qiáng)，萬 榮，張志新

(1 中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島，266100；2 山東省海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島，266100；3 上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海，201306；4 榮成市海洋與漁業(yè)局，山東 榮成，264300)

海帶(Laminariajaponica)不僅是一種營養(yǎng)豐富的海洋食蔬，而且因其富含褐藻膠、甘露醇和碘等成分，也是醫(yī)藥保健、海藻化工等領(lǐng)域的重要原料[1-4]。中國是世界上最大的海帶養(yǎng)殖國，海帶產(chǎn)量逐年增加，2016年總產(chǎn)量達(dá)到146萬t[5-6]。近年來，海帶養(yǎng)殖業(yè)在山東榮成、福建霞浦等地區(qū)已成為當(dāng)?shù)氐闹еa(chǎn)業(yè)之一[7-8]。韓國、日本等國家的海帶養(yǎng)殖業(yè)也發(fā)展迅速[9-20]。浮筏式養(yǎng)殖是我國北方沿海地區(qū)海帶養(yǎng)殖最常見的模式，具有產(chǎn)量高、海域空間利用充分等優(yōu)點(diǎn)[21-24]。目前，筏式養(yǎng)殖的海帶主要采用人工方式采收，勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)生產(chǎn)率低，而且高強(qiáng)度作業(yè)存在安全和健康隱患[25-26]。隨著海帶養(yǎng)殖技術(shù)的快速發(fā)展，海帶產(chǎn)量迅猛提高，海帶采收過程對勞動(dòng)力的大量需求以及勞動(dòng)費(fèi)用急增成為海帶養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的瓶頸因素。因此，機(jī)械化海帶采收是必然的發(fā)展趨勢[27-29]。近年來國內(nèi)海帶養(yǎng)殖機(jī)械化取得了較快的發(fā)展，已有若干種海帶機(jī)械化加工裝置進(jìn)入試驗(yàn)階段[30-33]。但是距大規(guī)模推廣使用仍然存在較大的差距。本文對中國北方海域筏式養(yǎng)殖海帶采收裝置的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行綜述，對當(dāng)前海帶收割裝置的構(gòu)成、特點(diǎn)進(jìn)行深入分析，指出其中所存在的問題，為海帶機(jī)械化采收裝置的發(fā)展提供參考。

1 筏式海帶養(yǎng)殖模式

海帶全人工筏式養(yǎng)殖的形式多種多樣，包括垂養(yǎng)(圖1a)、平養(yǎng)(圖1b)、先垂后平、單筏一條龍(圖1c)、潛筏平養(yǎng)(圖1d)和方框筏平養(yǎng)等6種形式，其中以垂養(yǎng)和平養(yǎng)為主[34-36]。海帶養(yǎng)殖的筏架有單筏和雙筏，北方海區(qū)均采用單筏，而南方海區(qū)兩種都用。由于單筏結(jié)構(gòu)對平養(yǎng)和垂養(yǎng)均適合，所以是目前海帶筏式養(yǎng)殖的主要類型。單筏結(jié)構(gòu)包括一根綆繩、兩根錨繩、兩個(gè)重物錨(或木橛)和若干個(gè)浮球組成。

海帶單筏平養(yǎng)具有海域利用率好、產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn)，在北方海帶養(yǎng)殖中得到廣泛應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示[37]。浮筏由若干條平行的綆繩等間距布置，在海面的綆繩通過錨繩延伸至海底，通過海底重物錨或木橛錨系在海底；綆繩與錨繩連接處各有4個(gè)相鄰的大浮球，綆繩其他位置上均勻分布著大浮球以保證浮筏漂浮在水面上[38]。相鄰的綆繩之間通過吊繩平掛著海帶苗繩，在海帶苗繩上生長著若干株單獨(dú)的海帶，有的苗繩是通過兩根短苗繩相連組成一根長苗繩，中間可以通過連接不同浮力的小浮球以調(diào)整浮力和苗繩所處于水層的深度。吊繩的長度可以通過吊扣調(diào)整，達(dá)到間接調(diào)整海帶在水面以下的深度。

圖1 海帶筏式養(yǎng)殖形式結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 海帶平養(yǎng)筏式結(jié)構(gòu)示意圖

2 手工海帶收獲過程

每年5—7月為北方浮筏式養(yǎng)殖海帶的收獲季節(jié)，在采收過程中每兩個(gè)工人為一組，搭乘小舢板由拖船拖至海帶養(yǎng)殖區(qū)進(jìn)行海帶收割[39]。人工收獲過程如圖3所示[40]，首先把小舢板橫在綆繩中間，船頭船尾各站一人，船頭工人先行解扣，船尾工人隨之對另一端進(jìn)行解扣，之后通過人力將海帶苗繩連同海帶拉至小舢板上，并將長苗繩分為兩根短苗繩，后將苗繩整齊地碼放小舢板上。圖4是筏式養(yǎng)殖海帶人工采收的情景。

圖3 人工收割海帶過程示意圖

圖4 人工收割海帶

3 海帶采收設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 大型海帶采收裝置

當(dāng)前有若干種大型海帶采收裝置。圖5為一種通過傳送帶切割收獲野生海帶的海帶收割船“Kelsol”[41]，圖6是帶有單臂吊的大型收獲船“Seaweed trawler”，采用機(jī)械手爪進(jìn)行海帶捕撈[42]。由于這些收割船船體結(jié)構(gòu)龐大，能夠很好地保持船舶在海洋中的穩(wěn)定性，抵抗大的風(fēng)浪沖擊，但大型收割船只適合較寬闊海域的野生海帶收獲，不適合筏式養(yǎng)殖。

3.2 中小型專用筏式養(yǎng)殖海帶采收裝置

3.2.1 繩鉤組合式

圖7a為一種繩鉤組合式的海帶收取裝置[43]，在船上安裝垂直桅桿，通過桅桿上滑輪和繩索吊拉海帶，可減少勞動(dòng)強(qiáng)度。這種裝置可以利用簡易船體，在其上方添加支撐桿即可運(yùn)用到實(shí)際收割作業(yè)中，組裝拆卸都很方便，主要用于中國南方地區(qū)。圖7b為該采收裝置實(shí)際使用場景。另有一種半潛式海帶收獲裝置[44]的結(jié)構(gòu)和原理與繩鉤組合式海帶收取裝置相似，只是在船體兩側(cè)對稱地增加了可以調(diào)節(jié)浮力的變位浮筒，能夠根據(jù)實(shí)際情況和需要調(diào)節(jié)吃水深度，以節(jié)省拖拽海帶所需動(dòng)力。

圖5大型海帶收割船圖6單臂吊型海帶收割船

Fig.5 Large-size kelp harvesting boat Fig.6 Single-arm crane kelpharvesting boat

圖7 繩鉤組合海帶收割設(shè)備

3.2.2 鏈驅(qū)動(dòng)式

鏈驅(qū)動(dòng)式海帶收割設(shè)備在轉(zhuǎn)場航行和工作時(shí)采用不同的前進(jìn)方式，航行時(shí)依靠螺旋槳推進(jìn)，工作時(shí)采用鏈拖拽驅(qū)動(dòng)。根據(jù)收獲艙可分為固定船艙式和移動(dòng)船艙式，前者為船艙固定隨船體一起運(yùn)動(dòng)，后者采用舢板或其他運(yùn)輸船作為海帶儲存和運(yùn)輸。圖8是依靠鏈驅(qū)動(dòng)的固定船艙式海帶收割設(shè)備[45]。

圖8 驅(qū)動(dòng)海帶收獲船示意圖

該裝置利用船體兩側(cè)的拖拽鏈拖動(dòng)綆繩帶動(dòng)綆繩向后運(yùn)動(dòng)，從而使得船體前進(jìn)，同時(shí)綆繩被依次提升和放下海帶苗繩順序進(jìn)入收獲艙，隔斷吊繩，海帶就落到收獲艙。該裝置在收割海帶時(shí)為了提高收獲效率需要將吊繩割斷，增加了成本，不利于筏式設(shè)施的后續(xù)養(yǎng)殖。

圖9為采用鏈驅(qū)動(dòng)的中小型海帶收割設(shè)備[46]。該裝置采用雙體船，以增加海上作業(yè)安全性。在雙體船的頭部兩側(cè)安裝有解繩器，同時(shí)在船體正前方中部添加海帶傳送網(wǎng)，將海帶從水中輸送至收割船中部船艙，船體兩側(cè)驅(qū)動(dòng)鏈帶動(dòng)綆繩向后運(yùn)動(dòng)。在此基礎(chǔ)上對該裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，并運(yùn)用AMESim軟件對液壓系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，并進(jìn)行了海帶收割實(shí)驗(yàn)[47]。

此外，一種海產(chǎn)品收割船[48]能夠進(jìn)行平養(yǎng)和垂養(yǎng)海帶的采收，解開平養(yǎng)海帶苗繩系扣就變成垂養(yǎng)海帶形式，通過船上的主動(dòng)滾輪帶動(dòng)綆繩移動(dòng)，當(dāng)苗繩移動(dòng)到隔板位置時(shí)割斷苗繩使得海帶連同苗繩一起下落至船艙。一種放置在船體前部的海帶收獲裝置[49]，在前進(jìn)過程中船體兩側(cè)的切割器將海帶吊繩切斷之后，中間傳送帶上掛鉤可將海帶從水中傳送至船體中部，但由于海帶受風(fēng)浪流影響，傳送帶并不能實(shí)現(xiàn)整根苗繩的平穩(wěn)運(yùn)輸。一種帶有多組掛鉤板條傳送鏈的海帶收割機(jī)[50]，收割時(shí)要求工人采取手工解扣方式而不割斷海帶吊繩，可降低養(yǎng)殖成本、減少對養(yǎng)殖筏的損傷。

一些設(shè)計(jì)方案將海帶采收功能與運(yùn)輸功能分開，海帶采收裝置直接或間接將海帶收獲至舢板或運(yùn)輸船上，這樣就有效提高了海帶采收的效率。一種海帶收割裝置[51]將收割與運(yùn)輸分離，該裝置可以與舢板搭配使用，還可作為大型運(yùn)輸船配合作為收獲的主體部分，在船尾安裝螺旋槳或游艇掛機(jī)作為船體動(dòng)力裝置，使裝置本身具有自航能力。一種帶有左右兩船體的海帶收獲船[52]，兩船體上方安裝有支架用于支撐苗繩輸送裝置，小舢板位于兩船體之間，收獲時(shí)海帶從苗繩輸送裝置上依靠重力下落至舢板上(圖10)。一種U型船體的海帶收割機(jī)[53]，船體前部安裝有活動(dòng)支撐板，可適應(yīng)正常航行和收割作業(yè)兩種情況，船體中間通過放置運(yùn)輸船裝載海帶，船體兩側(cè)帶有可升降功能的綆繩傳送鏈。一種浮式海帶收割機(jī)[54]，模塊化設(shè)計(jì)了導(dǎo)向、牽引、切割和輸送等裝置(圖11)。一種海帶聯(lián)合收割機(jī)[55]，利用懸掛輸送鏈對稱布置懸掛鏈軌道，運(yùn)輸船可以安放在船體任意一側(cè)，方便轉(zhuǎn)移；懸掛鏈支架由活動(dòng)支架支撐，高度可以調(diào)節(jié)。

圖9 新型海帶收割裝置示意圖

圖10海帶收獲船圖11浮式海帶收割機(jī)

Fig.10 Schematic diagram of kelpharvesting boat Fig.11 Schematic diagram of floating kelp harvester

最近出現(xiàn)了具有燙煮功能的海帶收割設(shè)備[56]。一種集收割和煮燙為一體的海帶燙煮船[57-58]，能夠充分利用海上豐富的海水資源，在海帶收獲上來之后直接煮燙，減少中間運(yùn)輸環(huán)節(jié)，同時(shí)利用海水循環(huán)快的特點(diǎn)，可使煮燙水與冷卻水實(shí)現(xiàn)快速交換，可克服陸上燙煮的水資源浪費(fèi)、污染環(huán)境問題(圖12)。圖13為帶有煮燙功能的海帶自動(dòng)收割船進(jìn)行海上試驗(yàn)作業(yè)的情景[59]。

圖12海帶煮燙船圖13帶有煮燙功能的海帶收割船海上試驗(yàn)

Fig.12 Kelp boatwith scalding function Fig.13 Sea trailof the automatic harvester with scalding function

表1 現(xiàn)有的海帶采收設(shè)備

4 分析與討論

4.1 海帶采收裝置結(jié)構(gòu)分析

盡管目前海帶采收裝置的樣機(jī)和設(shè)計(jì)方案多種多樣，形態(tài)各異，但其主要包括動(dòng)力、船體、行進(jìn)、海帶苗繩捕撈與傳輸?shù)裙δ苣K，此外多功能收獲船還含有附加功能如燙煮模塊等。除了共同的柴油機(jī)動(dòng)力和船體外，海帶收獲裝置的差異主要體現(xiàn)在行進(jìn)、苗繩捕撈與傳輸?shù)裙δ軐?shí)現(xiàn)方式上。

行進(jìn)模塊是指海帶采收裝置在轉(zhuǎn)場和采收作業(yè)時(shí)的前進(jìn)方式。一般來說，海帶采收裝置在轉(zhuǎn)場過程中行進(jìn)方式主要采用螺旋槳或用拖船拖動(dòng)。但在采收過程中除了仍然利用螺旋槳推進(jìn)之外，很多海帶采收裝置采用傳送鏈及撥叉拖拽海帶綆繩和綆繩上的浮球產(chǎn)生前進(jìn)動(dòng)作。拖拽鏈的好處是能夠保持海帶收獲裝置始終處在兩條綆繩中間位置，前進(jìn)過程相對穩(wěn)定可靠，即使綆繩在浪流作用下有變形，對海帶收割裝置的前進(jìn)影響不大。但該方法也有不足：拖拽綆繩時(shí)，其上的浮球容易被撥叉擠壓導(dǎo)致破碎，造成經(jīng)濟(jì)損失；在不同潮位時(shí)，綆繩的張緊程度變化非常大，也會對裝置前進(jìn)的效果產(chǎn)生影響。

海帶苗繩捕撈和分離模塊是指海帶采收裝置能可靠撈起海帶苗繩并將其從綆繩上分離下來，再將其傳輸?shù)浇o定位置。在各種采收裝置中，捕獲海帶苗繩的方式有兩種，一種是采用吊車?yán)K勾住苗繩，然后分離；另外一種是在海帶裝置沿著綆繩緩緩前進(jìn)過程中讓苗繩沿著傾斜支架慢慢滑升到采收裝置上。分離海帶苗繩的方法大多采用手工解開連接苗繩和綆繩間的吊繩扣，這是限制提升海帶采收效率的主要瓶頸。另外，也有一些采用割刀自動(dòng)切斷吊繩，但由于這樣會破壞浮筏的整體性，增加海帶養(yǎng)殖成本，所以海帶養(yǎng)殖者希望采收時(shí)不切斷吊繩，并可重復(fù)使用。

此外，很多研究者提出將采收的海帶直接運(yùn)送到海帶運(yùn)輸船上以提高海帶采收效率，如提供舢板運(yùn)送海帶，以減少收獲船往返、提高效率。將海帶直接在采收船或運(yùn)輸船上進(jìn)行加工處理，如煮燙、晾曬等，這樣不僅可提高加工效率，更可減少海帶采收后在岸上晾曬、漂燙等作業(yè)所帶來的環(huán)境污染。但這些設(shè)想仍然處于方案設(shè)計(jì)階段。

現(xiàn)有的一些海帶采收裝置功能情況見表1。收獲裝置的行進(jìn)主要采用螺旋槳，或螺旋槳和拖拽鏈共同推進(jìn)；海帶苗繩捕撈和傳送大部分采用傳送鏈方式，但也有個(gè)別采用鉤子和單臂吊；海帶運(yùn)輸采用船體本體或者舢板，但依靠舢板運(yùn)輸是未來發(fā)展趨勢，即收獲船本體只進(jìn)行收割，不承擔(dān)海上到碼頭之間的運(yùn)輸。多功能收獲船的出現(xiàn)使得收獲船不再是單一的收割作業(yè)，還可進(jìn)行海帶收割后的初加工，這也是未來機(jī)械化發(fā)展的趨勢。

4.2 海帶采收裝置研發(fā)需注意的問題

海帶采收裝置是海帶養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備，對于提高海帶收獲效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高安全性具有重要意義。但由于采收對象和采收環(huán)境的特殊性，其研制也存在很多困難。

(1)海帶養(yǎng)殖模式和海帶機(jī)械化采收之間存在矛盾。筏式海帶養(yǎng)殖模式是長期實(shí)踐形成的一種有效養(yǎng)殖方式，但主要是為了手工收獲的方便，比如海帶苗繩的長度設(shè)計(jì)(兩段連接，每段2.5 m左右)，就是考慮到海帶成熟后整根海帶苗繩的重量較大(約100 kg)，一般成年人有將其拖上舢板的體力。然而，如果為了適應(yīng)海帶的自動(dòng)化收獲，海帶采收裝置和養(yǎng)殖模式的相關(guān)參數(shù)需進(jìn)行統(tǒng)籌考慮。

(2)海帶養(yǎng)殖處于復(fù)雜的海洋環(huán)境中，浪流等載荷作用會影響海帶的形態(tài)和采收裝置的作業(yè)效果，因此對海帶收獲裝置提出了更高的要求。再考慮海帶具有柔、軟、滑的特點(diǎn)，又給海帶苗繩的高效捕獲和分離裝置設(shè)計(jì)提出了更大挑戰(zhàn)。同時(shí)，需要考慮海帶收獲裝置作業(yè)時(shí)與包括梗繩、苗繩等海帶養(yǎng)殖設(shè)施和海帶的相互作用。

(3)中國北方地區(qū)海帶收獲時(shí)間僅在每年5—7月，南方地區(qū)偏早一些，但總體上一般僅有3—4個(gè)月，海帶收獲裝置的使用周期較短，購置成本較高，收回成本需要較長時(shí)間，還需要國家像對農(nóng)業(yè)機(jī)械推廣一樣給予一定的政策扶持。

(4)一定要考慮海帶收獲設(shè)備使用和維護(hù)中的安全問題，從設(shè)備設(shè)計(jì)、培訓(xùn)等方面入手，避免使用過程中給操作人員的安全和健康帶來負(fù)面作用。

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