HDPE圓形網(wǎng)箱單點(diǎn)系泊與多點(diǎn)系泊受力特性模擬分析比較

黃小華，劉海陽(yáng)，胡 昱，陶啟友，王紹敏，袁太平

（中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所，廣東省網(wǎng)箱工程技術(shù)研究中心，農(nóng)業(yè)部外海漁業(yè)開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510300）

當(dāng)前，我國(guó)臨海重工業(yè)、濱海旅游業(yè)發(fā)展迅速，部分近岸海域污染嚴(yán)重，近海養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展空間進(jìn)一步壓縮，海洋養(yǎng)殖向離岸深水發(fā)展已成業(yè)界普遍共識(shí)。深水網(wǎng)箱通常設(shè)置于較深海域，具有養(yǎng)殖水產(chǎn)品品質(zhì)好、產(chǎn)量高、效益大的顯著優(yōu)勢(shì)，已成為我國(guó)深水養(yǎng)殖拓展海洋養(yǎng)殖空間的重要設(shè)施裝備[1]。但由于無(wú)天然屏障的深水海域海況復(fù)雜，每年在中國(guó)沿海登陸的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)更是給深水網(wǎng)箱安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，保障高海況下深水網(wǎng)箱的系統(tǒng)安全成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外已有眾多學(xué)者采用模型試驗(yàn)[2-8]、數(shù)值模擬[9-14]和海上實(shí)測(cè)[15-18]等技術(shù)方法手段開展了深水網(wǎng)箱受力及運(yùn)動(dòng)變形的研究，取得了較多研究成果，但對(duì)于單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱的研究極少。相比傳統(tǒng)固定式系泊網(wǎng)箱，單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱不僅可隨波逐流大幅減少魚類養(yǎng)殖廢棄物的海底沉積，而且能夠節(jié)約網(wǎng)箱海上系泊成本一半以上，在國(guó)外已得到了一定的應(yīng)用，其安全性研究也引起了部分學(xué)者的興趣。DECEW,et al[19]通過數(shù)值模型研究了一種單點(diǎn)系泊的梯形網(wǎng)箱在純流作用下的動(dòng)力特性。HUANG,et al[20-21]研究了各種環(huán)境載荷條件下單點(diǎn)系泊重力式網(wǎng)箱的結(jié)構(gòu)性能及可靠性，并評(píng)估了錨繩失效風(fēng)險(xiǎn)。

單點(diǎn)系泊深水網(wǎng)箱在我國(guó)南海區(qū)已有部分養(yǎng)殖戶開始嘗試應(yīng)用，但錨泊形式及固定錨的選取只是簡(jiǎn)單參照傳統(tǒng)固定式網(wǎng)箱，缺乏科學(xué)理論依據(jù)。了解不同海況下單點(diǎn)系泊深水網(wǎng)箱的受力特性，是解決其安全問題的前提。本文的研究工作即為彌補(bǔ)此方面的不足而開展的。在作者此前相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上[22-25]，基于建立的網(wǎng)箱整體數(shù)學(xué)模型，以40 m周長(zhǎng)的單點(diǎn)系泊HDPE重力式圓形網(wǎng)箱為研究對(duì)象，對(duì)不同波浪和流速組合條件下的網(wǎng)箱波流力、錨繩力進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并與傳統(tǒng)多點(diǎn)系泊網(wǎng)箱受力結(jié)果進(jìn)行了比較，分析探討了水深、網(wǎng)衣高度對(duì)兩種系泊形式網(wǎng)箱錨繩受力的影響。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 波流場(chǎng)理論

本研究采用線性波浪理論，根據(jù)線性速度勢(shì)滿足拉普拉斯（Δ2φ=0）方程[26]，可分別求得波面升高及速度勢(shì)表達(dá)式為：

式中：A為波幅，k為波數(shù)，w為波浪頻率，h為水深，t為時(shí)間，x、z為波浪水質(zhì)點(diǎn)位置，g為重力加速度。

波流場(chǎng)中的流速U為水流速度（沿水深均勻分布）和波浪水質(zhì)點(diǎn)速度之和，可表示為：

水質(zhì)點(diǎn)加速度可通過對(duì)速度表達(dá)式（3）求導(dǎo)得到：

根據(jù)式（3-4）求得的水質(zhì)點(diǎn)速度及加速度將用于莫里森方程中計(jì)算網(wǎng)箱所受的波流力。

1.2 網(wǎng)箱載荷計(jì)算

網(wǎng)箱系統(tǒng)由浮架、網(wǎng)衣及錨泊三大部分組成。在計(jì)算網(wǎng)箱系統(tǒng)受力及運(yùn)動(dòng)時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將浮架設(shè)為剛體，采用剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)原理將浮架各個(gè)微元構(gòu)件所受到的外力合力累加到浮架的質(zhì)心處，建立浮架質(zhì)心的6個(gè)自由度上的運(yùn)動(dòng)方程，包括平動(dòng)方程（5）和轉(zhuǎn)動(dòng)方程（6），方程的詳細(xì)建立過程可參考文獻(xiàn)[22]。

式中：MG為浮架總質(zhì)量，aG為浮架質(zhì)心加速度，F(xiàn)i為第i個(gè)質(zhì)點(diǎn)所受的外力合力，I為慣性矩，w為角速度，N為外力矩，下標(biāo)（i,j,k）代表坐標(biāo)軸，εijk為三階單位反對(duì)稱張量，可取值為1，-1或0。

網(wǎng)衣和錨繩屬于柔性體，均可通過集中質(zhì)量法進(jìn)行離散，運(yùn)用牛頓第二定律建立運(yùn)動(dòng)方程，可統(tǒng)一寫為如下方程形式。

式中：a為質(zhì)點(diǎn)加速度，F(xiàn)D為速度力，F(xiàn)I為慣性力，F(xiàn)B為浮力，F(xiàn)W為重力，F(xiàn)T為張力，各數(shù)學(xué)表達(dá)式詳見文獻(xiàn)[23]。質(zhì)點(diǎn)所受的波流力為：

式中：ρw為海水密度，CD為速度力系數(shù)，S為投影面積為水質(zhì)點(diǎn)速度為構(gòu)件中心點(diǎn)速度，?為構(gòu)件體積，CM=1+km為慣性力系數(shù)，km為附加質(zhì)量系數(shù)。

2 網(wǎng)箱參數(shù)及海洋工況條件

圖1～2為HDPE網(wǎng)箱單點(diǎn)系泊及多點(diǎn)系泊布置示意圖。浮架主浮管截面直徑250 mm，浮架總重量1 296 kg；網(wǎng)衣為圓臺(tái)形狀，上端周長(zhǎng)40 m，下端周長(zhǎng)30 m，網(wǎng)高6 m，網(wǎng)目大小45 mm，網(wǎng)線直徑3 mm，縮結(jié)系數(shù)0.707。在網(wǎng)衣底端沿圓周掛有圓柱形水泥塊作為配重，總配重10×40 kg；網(wǎng)箱錨泊系統(tǒng)由錨、錨鏈和錨繩組成，其中錨鏈長(zhǎng)度5 m，錨鏈與錨繩長(zhǎng)度之和為水深的4倍。波浪與水流均沿x軸正向入射，海水的密度 =1 030 kg/m3。

考慮較大波況與不同流速組合計(jì)算分析網(wǎng)箱受力特性。設(shè)計(jì)的波流要素值為：波高H=4 m、5 m、6 m，周期 T=6.0 s、7.2 s、8.6 s，流速 U=0～0.9 m/s。為分析不同水深及網(wǎng)衣高度對(duì)網(wǎng)箱錨繩受力影響，設(shè)定水深h=20 m、30 m、40 m、50 m，網(wǎng)高為6 m、8 m、10 m。需要說明的是，本文波流力及錨繩力峰值是指網(wǎng)箱在波浪周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)所受到的最大波流力及錨繩力。圖3給出了波高H=4 m、周期T=6.0 s、流速U=0.6 m/s時(shí)，單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱在一個(gè)波浪周期8個(gè)不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)情況示意圖。

圖1 單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of single-point mooring（SPM）net cage

圖2 四點(diǎn)系泊網(wǎng)箱布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of four-points mooring net cage

圖3 單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱在一個(gè)波浪周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.3 The dynamic motion of the single-point mooring net cage at different time in one wave period

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 兩種系泊形式網(wǎng)箱波流力比較

圖4為兩種不同系泊形式網(wǎng)箱在不同波浪與水流組合條件下所受的波流力隨波高、周期和流速的變化曲線圖。圖中MPM代表多點(diǎn)系泊網(wǎng)箱（Multiple-points mooring net cage），SPM代表單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱（Single-point mooring net cage），網(wǎng)高均為6 m，計(jì)算水深20 m，無(wú)特別說明，下同。從圖中可以看出，在波高和周期一定條件下，網(wǎng)箱所受的波流力均隨流速的增加呈正比例增大。比較兩種系泊形式網(wǎng)箱波流力，無(wú)論是在純波（U=0.0 m/s）還是波流共同作用條件下，單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱所受的波流力均要小于多點(diǎn)系泊網(wǎng)箱情況。在純波H=6 m，T=8.6 s時(shí)，單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱所受的波浪力為18.92 kN，多點(diǎn)系泊網(wǎng)箱波浪力為25.09 kN，兩者相差6.17 kN；在波流H=6 m，T=8.6 s，U=0.9 m/s時(shí)，單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱波流力為45.65 kN，多點(diǎn)系泊網(wǎng)箱波流力為52.06 kN，兩者相差6.41 kN。這主要是因?yàn)閱吸c(diǎn)系泊網(wǎng)箱因只有一根錨繩，對(duì)網(wǎng)箱的約束較小，網(wǎng)箱在波浪流下的運(yùn)動(dòng)幅度要大于多點(diǎn)系泊網(wǎng)箱，使得單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱各部件與水質(zhì)點(diǎn)之間的相對(duì)速度要小，根據(jù)波流力計(jì)算公式（8），從而導(dǎo)致波流力要小。

3.2 兩種系泊形式網(wǎng)箱錨繩受力比較

圖5給出了兩種系泊形式網(wǎng)箱在純波、波流作用下錨繩受力在5個(gè)波浪周期內(nèi)的變化歷時(shí)曲線，波浪周期均取為8.6 s，多點(diǎn)系泊網(wǎng)箱錨繩受力取網(wǎng)箱迎浪側(cè)兩根錨繩受力之和的平均值。從圖中可以看出，網(wǎng)箱在純波條件下錨繩力要大大小于波流條件下的錨繩力。以單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱為例，在純波H=6 m時(shí)，錨繩力峰值為 17.66 kN；在波流 H=6 m，U=0.9 m/s時(shí)，錨繩力峰值為 41.27 kN，后者為前者的 2.34 倍，說明相比較于波浪，流速對(duì)整體網(wǎng)箱錨繩受力的影響更大。比較兩種系泊形式網(wǎng)箱錨繩受力結(jié)果，從圖5（a）和5（d）可得出，在純波H=4 m時(shí)，單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱錨繩力要略小于多點(diǎn)系泊網(wǎng)箱錨繩力；在純波H=6 m時(shí)，單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱錨繩力則略大于多點(diǎn)系泊網(wǎng)箱錨繩力?？傮w來(lái)看，純波條件下兩者相差不大。但對(duì)于波流組合情況，從圖 5（b-c）和圖 5（e-f）可得出，單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱錨繩力為多點(diǎn)系泊網(wǎng)箱錨繩力的 1.44～1.56倍。為簡(jiǎn)單方便，根據(jù)本文計(jì)算結(jié)果，可取多點(diǎn)系泊網(wǎng)箱錨繩力的1.5倍作為單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱錨繩及固定錨規(guī)格選取的依據(jù)。

3.3 水深對(duì)錨繩受力特性的影響

表1為波流作用下兩種系泊形式網(wǎng)箱在四種不同水深條件下錨繩受力的計(jì)算結(jié)果。可以看出，網(wǎng)箱錨繩受力均隨著水深的增加而明顯減小。以單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱為例，在H=6 m，U=0.75 m/s海況條件下，網(wǎng)箱錨繩力從水深h=20 m時(shí)的39.74 kN減小到水深h=50 m時(shí)的28.16 kN，減小幅度29.1%，且網(wǎng)箱錨繩力的變化幅度隨著流速的增加而增大。在水深h=20～50 m范圍內(nèi)，單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱在U=0.75 m/s時(shí)的錨繩力變化幅度為U=0.3 m/s時(shí)的1.23倍。比較不同水深下兩種系泊形式網(wǎng)箱錨繩力結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在相同海況H=6 m，T=7.2 s，U=0.75 m/s條件，任何水深的單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱錨泊受力均約為多點(diǎn)系泊網(wǎng)箱錨繩受力的1.5倍。

表1 不同水深條件下網(wǎng)箱錨繩受力的計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculated results of the mooring line forces of the net-cages under different water depth

圖5 錨繩力時(shí)間過程線Fig.5 Time series of mooring line force of the net-cages under different wave-current conditions

3.4 網(wǎng)衣高度對(duì)錨繩受力特性的影響

設(shè)定網(wǎng)衣高度分別為6 m、8 m、10 m，以分析網(wǎng)箱在不同網(wǎng)衣高度條件下錨繩力學(xué)特性的變化情況，計(jì)算結(jié)果見表2所示。從中可以看出，對(duì)應(yīng)各種不同海況，兩種系泊形式網(wǎng)箱的錨繩受力均隨著網(wǎng)衣高度的增加而增大，增大幅度隨著波高和流速的增大而增大。以單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱為例，在網(wǎng)衣高度6～10 m的變化范圍內(nèi)，相同周期和流速條件下，波高H=4 m時(shí)的網(wǎng)箱錨繩力增大幅度為6.13 kN，小于波高H=6 m時(shí)錨繩力的變化值7.75 kN；相同波高和周期條件下，多點(diǎn)系泊網(wǎng)箱在流速U=0.6 m/s時(shí)的錨繩力增大幅度為2.46 kN，小于流速U=0.9 m/s時(shí)錨繩力的變化值3.98 kN。對(duì)于三種不同網(wǎng)衣高度，同海況下單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱錨繩力均約為多點(diǎn)系泊網(wǎng)箱錨繩力的1.5倍。

表2 不同網(wǎng)衣高度條件下網(wǎng)箱錨繩受力的計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculated results of the mooring line forces of the net-cages under different net height

4 討論

單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱養(yǎng)殖是一種環(huán)境友好節(jié)約型養(yǎng)殖模式。相比傳統(tǒng)多點(diǎn)固定式網(wǎng)箱，單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱可以隨著漲落潮的變化在以網(wǎng)箱錨泊點(diǎn)為中心的區(qū)域內(nèi)漂移運(yùn)動(dòng)，使得網(wǎng)箱養(yǎng)殖魚類的排泄物及未吃完的飼料能夠在更大海域范圍內(nèi)分解，減輕了局部海洋環(huán)境的逐漸惡化[21]。GOUDEY,et al[27]研究認(rèn)為采用單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱系統(tǒng)能夠減少固定式網(wǎng)箱下面海底沉積廢棄物的2～70倍，具體多少取決于系泊形式及潮流特點(diǎn)，并且能夠節(jié)約網(wǎng)箱錨泊成本及安裝維護(hù)費(fèi)用50%以上。但是，單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱在海洋環(huán)境下同樣面臨著較大的風(fēng)險(xiǎn)，其主要威脅來(lái)自于以下四方面：1）因錨繩受力超過錨繩破斷強(qiáng)度而發(fā)生的錨繩斷裂；2）錨繩與網(wǎng)箱浮管連接處因錨繩力超過浮管屈服強(qiáng)度而發(fā)生的浮管坍塌；3）錨鏈與錨繩連接處因長(zhǎng)久摩擦而導(dǎo)致連接失效；4）錨繩力超過錨抓力而發(fā)生走錨現(xiàn)象。在養(yǎng)殖過程中，如出現(xiàn)上述前三個(gè)任一問題時(shí)，均將給養(yǎng)殖生產(chǎn)造成重大經(jīng)濟(jì)損失，應(yīng)避免上述現(xiàn)象的發(fā)生。由錨、錨鏈、錨繩組成的系泊系統(tǒng)是惡劣海況下網(wǎng)箱養(yǎng)殖安全的重要保證。而解決上述問題的根本必須以清楚了解網(wǎng)箱受力為前提，只有獲得不同海況下單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱的受力（包括網(wǎng)箱波流力及錨繩力），才能科學(xué)有效的選擇錨繩、錨鏈及錨的規(guī)格，并采取局部加強(qiáng)保護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱養(yǎng)殖的安全生產(chǎn)。

本研究通過數(shù)值模擬方法給出了純波及不同波流條件下單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱所受波流力及錨繩力的計(jì)算結(jié)果，并與多點(diǎn)系泊網(wǎng)箱受力結(jié)果進(jìn)行了比較分析。發(fā)現(xiàn)單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱所受的波流力均要小于多點(diǎn)系泊網(wǎng)箱情況。在純波條件下，兩種系泊形式網(wǎng)箱所受錨繩力相差較小。這可能是由于多點(diǎn)系泊網(wǎng)箱在純波條件下的水平運(yùn)動(dòng)幅度不大，致使其背浪側(cè)錨繩也承擔(dān)了一部分受力，間接造成迎浪側(cè)錨繩力的減小，從工程角度說明在純波條件下單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱相比多點(diǎn)系泊網(wǎng)箱優(yōu)勢(shì)很大。但實(shí)際海況卻是波浪與潮流混合情況，當(dāng)臺(tái)風(fēng)浪與潮流的流速方向一致時(shí)，網(wǎng)箱所受的錨繩力較大。根據(jù)本文兩種系泊形式網(wǎng)箱在不同波流混合、水深及網(wǎng)衣高度條件下的計(jì)算結(jié)果，均表明同工況下單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱錨繩力均約為多點(diǎn)系泊網(wǎng)箱錨繩力的1.5倍。

在相同波流條件下，隨著水深的增加，網(wǎng)箱錨繩力明顯減小。根據(jù)本文計(jì)算結(jié)果，單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱從水深20 m變化到50 m時(shí)，其錨繩力減小幅度達(dá)到29%～40%；多點(diǎn)系泊網(wǎng)箱錨繩力減小幅度為14.1%～16.6%，小于單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱錨繩力的減小幅度。其原因是由于水深增加時(shí)（錨繩長(zhǎng)度與水深之比為4:1），錨繩長(zhǎng)度更長(zhǎng)，錨繩對(duì)網(wǎng)箱水平和垂直的運(yùn)動(dòng)幅度約束變小，致使網(wǎng)箱受力減小，這為今后我國(guó)深水網(wǎng)箱的深水化發(fā)展提供了一定的理論參考依據(jù)。