養(yǎng)殖工船系統(tǒng)構建與總體技術探討

崔銘超，金嬌輝，黃溫赟

(1 中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遠洋漁船與裝備重點實驗室，上海 200092；2 青島海洋科學與技術國家實驗室深藍漁業(yè)工程聯(lián)合實驗室，山東 青島，266237)

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，優(yōu)質(zhì)水產(chǎn)品需求日益增長，據(jù)估計，到2030年世界將有2 000萬 t的水產(chǎn)品缺口需要彌補[1]。中國近海漁業(yè)資源日益枯竭，淡水及近海養(yǎng)殖環(huán)境日趨惡化，水體污染及養(yǎng)殖空間受限，發(fā)展深遠海養(yǎng)殖，拓展現(xiàn)代化“深藍”養(yǎng)殖新空間，開發(fā)海洋生物資源是國家戰(zhàn)略及必然趨勢[2-5]。發(fā)展深遠海養(yǎng)殖，關鍵是安全可靠的設施裝備，前提是品種與生產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟性，途徑是規(guī)?；a(chǎn)與工業(yè)化管理[6]。發(fā)展深遠海養(yǎng)殖工程設施裝備的主要途徑是構建大型養(yǎng)殖網(wǎng)箱和養(yǎng)殖工船[7]。國外深水網(wǎng)箱經(jīng)過約40年的發(fā)展，先后開發(fā)了多種深海網(wǎng)箱，典型的有高密度聚乙烯(HDPE)網(wǎng)箱、張力腿(TLC)網(wǎng)箱及瑞典牧海型(FARMOCEAN)網(wǎng)箱等，大幅提高了技術水平和生產(chǎn)效率[8]。然而，網(wǎng)箱系統(tǒng)抵抗狂風及其他自然災害侵襲的能力還很弱，設施安全保障不足。

20世紀70年代末，中國專家構想了“未來海洋農(nóng)牧場”建設藍圖，提出養(yǎng)殖工船的初步設想，并開展了大型養(yǎng)殖工船系統(tǒng)研究[9-10]，近年來對10萬噸級深遠海養(yǎng)殖平臺進行了總體技術研究[11]，啟動了中國首個深遠海大型養(yǎng)殖平臺構建，形成了具有自主知識產(chǎn)權的集養(yǎng)殖、繁育、加工及漁船補給和物流等多功能于一體的規(guī)?；B(yǎng)殖工船技術方案。2017年7月2日，國內(nèi)首艘養(yǎng)殖工船試驗船“魯嵐?jié)O養(yǎng)61699” 在日照港達船廠碼頭起航，標志著中國在推進深遠海養(yǎng)殖裝備現(xiàn)代化方面邁出了堅實步伐。20世紀80、90年代，歐美發(fā)達國家開始研發(fā)大型養(yǎng)殖工船，并形成試驗船，但受制于產(chǎn)業(yè)發(fā)展條件尚不具備，且需求不足，缺乏大規(guī)模發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖的動力，最為根本的原因是發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖的綜合條件與發(fā)展中國家相比，難以形成競爭力，因此一直以來未形成主體產(chǎn)業(yè)[10]。

1 研究意義

2 發(fā)展面臨的問題

養(yǎng)殖工船作為新生事物，其發(fā)展必然會面臨很多技術挑戰(zhàn)，一是國家產(chǎn)業(yè)政策的限制，二是針對性規(guī)范規(guī)則的缺失。2018年6月30日，交通運輸部發(fā)布2018第53號公告《交通運輸部關于加強國(境)外進口船舶和中國籍國際航行船舶從事國內(nèi)水路運輸管理的公告》。根據(jù)公告要求，2018年9月1日起，申請從事國內(nèi)水路運輸?shù)倪M口船舶和中國籍國際航行船舶，柴油機氮氧化物排放量應滿足國際海事組織國際防止船舶造成污染公約(MARPOL)73/78 附則Ⅵ的特定要求：氮氧化物排放量標準是排放標準第二階段(Tier II)，即進口2011年以前建造的船均被限制。便宜的老舊船舶改造操作空間越來越小。隨著排放標準第三階段(Tier III)預期，該類船舶操作改裝空間近乎封閉。次新船的成本遠遠高于老舊船舶，船舶政策的調(diào)整大幅度增加了由舊船改造成養(yǎng)殖工船的成本。

規(guī)范規(guī)則層面，目前中國船級社(CCS)尚未有對應的規(guī)范，如《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》[12]、《海上移動平臺入級規(guī)范》[13]中都沒有要求或不完全符合實際需求。挪威-勞氏(DNV-GL)則提出了設計指南[14]，明確規(guī)定為確保安全，規(guī)范規(guī)則主要參照海上移動式鉆井平臺構造和設備規(guī)則(IMO MODU CODE)，一些基本安全要求可以采用船舶規(guī)范。采用IMO MODU CODE進行養(yǎng)殖工船設計，安全冗余度較大，而養(yǎng)殖工船實際作業(yè)工況環(huán)境載荷遠遠低于海上移動平臺，如此會大幅度增加不必要的建造成本，降低經(jīng)濟性。基于此，對標國際船舶安全及防污染等相關公約，根據(jù)養(yǎng)殖工船實際作業(yè)工況特點，開展養(yǎng)殖工船設計方法和技術路線研究，為養(yǎng)殖工船的發(fā)展提供方向指引，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

3 總體設計思路

以動力系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)、養(yǎng)殖系統(tǒng)、物流系統(tǒng)及加工系統(tǒng)的總布置為基礎，兼顧安全性、經(jīng)濟性及環(huán)保性，將商用運輸船設計方法和養(yǎng)殖技術要求有機結合在一起，探討構建深遠海養(yǎng)殖工船系統(tǒng)和總體技術框架(圖1)。

3.1 總布置

養(yǎng)殖工船有別于傳統(tǒng)運輸船，其集養(yǎng)殖、繁育、加工及漁船補給和物流等多功能于一體，長期游弋在深遠海區(qū)域，配合物流補給船隊和捕撈作業(yè)船隊，形成多功能的大型漁業(yè)航母船。依據(jù)其功能，總布置也必然有異于傳統(tǒng)運輸船。

(1)動力系統(tǒng)。養(yǎng)殖工船對航速要求不高，龐大的動力系統(tǒng)主要用來支撐養(yǎng)殖平臺的日常功能需求，兼顧航行推進。基于這種需求，常規(guī)燃油主機推動螺旋槳動力方式在系泊養(yǎng)殖期間幾無作用，勢必會造成極大浪費。若全船采用電力推進系統(tǒng)，其優(yōu)點包括：可使機艙布置更加緊湊[15]，節(jié)省大量空間；提高船舶操縱性，易于實現(xiàn)自動控制；針對多種不同工況，全船功率全部由電站進行調(diào)配[16]，可大幅度降低運營成本，減少常規(guī)推進主機的閑置浪費。采用中高速發(fā)電機，可降低振動噪音，改善養(yǎng)殖環(huán)境。

(2)系泊系統(tǒng)。養(yǎng)殖工船主要功能是水產(chǎn)養(yǎng)殖，穩(wěn)定泊于特定海域、減小橫搖以利于平臺內(nèi)開展繁育及養(yǎng)殖工作是較理想的狀態(tài)。然而，不同于浮式生產(chǎn)平臺(FPSO)等，養(yǎng)殖工船對精準定位的要求并不高，動力定位(DP)系統(tǒng)以及復雜高級的系泊系統(tǒng)，無論是建造成本還是后期運營成本都相當高昂且無必要，探索經(jīng)濟高效的深水系泊系統(tǒng)具有較大的工程實際意義[17-21]。

(3)加工補給系統(tǒng)。養(yǎng)殖工船綜合服務平臺定位于可以養(yǎng)殖且兼有服務補給功能的大型漁業(yè)航母，并配合物流補給船隊和捕撈作業(yè)船隊，形成多功能的大型漁業(yè)航母船隊。漁業(yè)航母船隊運作時，由綜合補給船向平臺上轉存燃油、淡水、食物等物資，需要時養(yǎng)殖平臺再向捕撈作業(yè)漁船駁運該類補給物資，同時可以收儲作業(yè)漁船的漁獲并進行加工作業(yè)，延長作業(yè)漁船的自持力和續(xù)航力，節(jié)省漁船在海陸間的往返時間和油耗成本。

(4)養(yǎng)殖系統(tǒng)。養(yǎng)殖工船的核心作用是水產(chǎn)養(yǎng)殖，利用深遠海優(yōu)越的氣候、資源和水質(zhì)條件，開展高附加值經(jīng)濟性魚類養(yǎng)殖生產(chǎn)。在平臺甲板上布置繁育車間，實現(xiàn)魚種培育，包括親本蓄養(yǎng)、受精卵孵化、中間培育和規(guī)格苗種培育等生產(chǎn)環(huán)節(jié)；同時，利用平臺內(nèi)部空間構建大型養(yǎng)魚水艙，采用深層取水流水養(yǎng)殖方式，將魚種養(yǎng)成至商品規(guī)格。

(5)物流系統(tǒng)。養(yǎng)殖工船長期游弋于深遠海，兼具深海漁業(yè)物流平臺功能，集運輸、儲存、裝卸、吊運、包裝、加工、駁運中轉、信息處理及貿(mào)易平臺功能于一體。在深遠海沒有碼頭輔助的情況下，依據(jù)物流工業(yè)流程的需求，應做好甲板吊機、冷鏈存儲配置，同時需要兼顧各類船舶的便捷靠泊。

三是建立健全農(nóng)村供水項目資金管理制度，提高資金使用效益。建立健全覆蓋項目立項、設計、實施、驗收、管理等環(huán)節(jié)在內(nèi)的整個資金運行全過程的管理制度體系，確保每項水利資金都有相應的資金管理制度，嚴格使用管理。對農(nóng)村飲水安全項目的中央投資和省、市配套資金，在市農(nóng)村飲水安全項目辦公室設專戶管理，實行市級報賬制；縣級自籌資金在縣農(nóng)村飲水安全項目辦公室設專戶管理，實行縣級報賬制。對婦基會的專項百事慈善資金加強管理，屬于工程部分全部用于項目，采取水務局到婦聯(lián)報賬的管理辦法。

圖1 養(yǎng)殖工船系統(tǒng)構建路線圖Fig.1 Aquaculture platform system construction diagram

3.2 安全性

常規(guī)船舶安全性主要考慮總體安全、結構安全、防火防爆、逃生及全船監(jiān)控等方面，在此基礎上，養(yǎng)殖安全在工船體系當中也尤為重要。養(yǎng)殖安全性主要涵蓋以下幾個方面：適漁性環(huán)境、水質(zhì)安全、抑制橫搖周期應激反應[22]、振動噪聲以及防疫隔離安全[23-24]等。

(1)艙養(yǎng)適漁性環(huán)境。營造良好的艙內(nèi)生存環(huán)境是考察養(yǎng)殖工船適漁性的基本條件。養(yǎng)殖工船系泊于深遠海，利用大艙進行養(yǎng)殖，這就不可避免地出現(xiàn)液艙晃蕩問題[25]。波浪環(huán)境下船舶的晃蕩特性在液化天然氣運輸船舶等特種船型已研究多年[26-27]，波浪振蕩載荷和艙內(nèi)流體振蕩相互耦合是一個典型的晃蕩問題[28-32]，但對船艙內(nèi)部的流動特征卻鮮有研究。養(yǎng)殖艙內(nèi)的流場運動形態(tài)會影響營養(yǎng)物的輸移擴散進而影響魚苗的食物攝取，流場特性同樣影響水體溫度場的變化從而改變魚苗的生存體感，因此研究養(yǎng)殖艙內(nèi)的流場特性對優(yōu)化養(yǎng)殖艙結構，發(fā)展艙內(nèi)養(yǎng)殖具有重要意義。晃蕩問題受到結構水彈性、多孔介質(zhì)阻尼等不同物理機制的影響，在模型試驗中需要綜合考慮水彈性、雷諾數(shù)和傅汝德數(shù)的影響，急需發(fā)展復雜介質(zhì)和結構特性影響下的晃蕩問題試驗方法。因此，發(fā)展高效的數(shù)值(CFD)養(yǎng)殖艙進行流場仿真尤為重要。

(2)艙養(yǎng)水質(zhì)安全。定期換水的封閉區(qū)域水質(zhì)是決定工船內(nèi)魚群生態(tài)環(huán)境的重要指標。目前大范圍定量預報水中溶解富營養(yǎng)物質(zhì)、氧氣等物質(zhì)的輸運擴散過程尚存在輸運擴散系數(shù)難以確定的問題，這一難點在有限空間魚群游動和船舶振蕩條件下尤為突出。通過勻質(zhì)化理論分析，建立周期性振蕩流動和模擬魚群隨機游動兩種特殊因素影響下的物質(zhì)輸運擴散模型，獲得養(yǎng)殖工船內(nèi)部復雜環(huán)境下的湍流擴散、泰勒色散等參數(shù)，為數(shù)值仿真養(yǎng)殖工船內(nèi)部水質(zhì)特性提供基本模型參數(shù)，并開展機理模型試驗以驗證所建立的輸運擴散模型。定期換水是改善養(yǎng)殖工船內(nèi)部水質(zhì)的有效途徑。通過CFD模擬不同換水位置、強度和頻率對水質(zhì)的影響規(guī)律，分析換水過程中艙內(nèi)的流場特征，獲得不顯著影響魚類生活狀態(tài)的換水模式。通過比選，提出優(yōu)化的換水模式。

(3)振動噪聲以及防疫隔離安全。魚類在水中主要通過內(nèi)耳、測線器官和氣鰾感受振動和聲音，其中內(nèi)耳是主要的聲音感受器，側線是魚類感受水中微小活動的感覺系統(tǒng)[33]。不同魚類在短時間振動脅迫和長時間振動脅迫下會有應激反應。振動和噪聲對部分魚類影響較大，如大黃魚等，嚴重者可造成魚體死亡。需要研究養(yǎng)殖品種對振動噪聲的耐受度，探索主動及被動減振降噪措施，以提高養(yǎng)殖環(huán)境質(zhì)量。當暴發(fā)某種病蟲害時，為防止疫病向非疫區(qū)擴散、蔓延，除嚴格隔離外，還要采取嚴格的措施，實行封鎖。封鎖區(qū)劃分應從防疫、生產(chǎn)、效益幾個方面考慮確定疫區(qū)和受威脅區(qū)，按“早、快、嚴、小”的原則進行。通風系統(tǒng)隔離和疫區(qū)快速阻斷是必要的手段。

3.3 經(jīng)濟性

依據(jù)國內(nèi)外試驗平臺的數(shù)據(jù)結論，較小尺度的工船雖然初始建造成本較低，但是養(yǎng)殖水體較小，養(yǎng)殖量不高，單位產(chǎn)量養(yǎng)殖成本高。養(yǎng)殖水體達到萬噸以上，單位產(chǎn)量養(yǎng)殖成本迅速降低，但是初始建造成本又比較高。因此，需要在初始建造成本和后期營運成本之間尋求一個平衡點，來衡量養(yǎng)殖工船的經(jīng)濟性。通過優(yōu)化設計，控制空船重量重心，增大養(yǎng)殖艙容積，進而在一定排水量的前提下，增加養(yǎng)殖水體量。在高效動力系統(tǒng)和深水系泊系統(tǒng)之間也可以尋求一個建造及營運的平衡點。在一定環(huán)境載荷下可維持系泊，而在超過設計工況環(huán)境載荷情況下，采用動力推進游弋的方式維持養(yǎng)殖艙的適漁性，探索一種高效且經(jīng)濟的深水系泊系統(tǒng)具有切實的工程意義。

3.4 環(huán)保性

大型養(yǎng)殖平臺應滿足MARPOL公約中相應的要求。燃油艙總容積超過600 m3的所有單個容積超過30 m3的燃油艙均需要進行雙殼保護。生活污水和生活垃圾等要符合MARPOL 73/78附則IV防止船舶生活污水污染規(guī)則。大氣中氮氧化物(NOx)和硫氧化物(SOx)的持續(xù)上升是令國際社會擔憂的問題。有幾個因素被認為是造成空氣中NOx增加的原因，而船舶廢氣的排放物就是其中之一，全球18%～30%的氮氧化物排放來自航運船舶。雖然關于Tire III關于NOx的要求尚未在全球海域強制實施，但不可否認，隨著世界環(huán)保意識的增強，NOx和SOx的排放會受到越來越強的管控[34]。養(yǎng)殖工船在初始建造或者改裝階段，需要重點關注這一領域的技術進展，并視最新要求予以付諸實施。

船舶壓載水攜帶的外來物種一旦入侵港口國水域[35]，會使海洋生態(tài)環(huán)境和人類健康受到嚴重威脅，因此IMO對壓載水管理作出了積極應對。對于無限航區(qū)航行的國際船舶，壓載水處理需要滿足《國際船舶壓載水及沉積物控制和管理公約》。作為新生事物，常年游弋在固定海域的養(yǎng)殖工船攜帶大量養(yǎng)殖水體，其如何界定也是一個較為尖銳的問題。航區(qū)和船舶性質(zhì)對該問題有著重要影響，因此需要依據(jù)實際使用情況，匹配合適的航區(qū)并與主管當局就養(yǎng)殖工船性質(zhì)進行協(xié)商[36-37]，以期控制成本，避免造成不必要的浪費。

4 結語

養(yǎng)殖工船作為新生事物，其發(fā)展必然會面臨很多技術挑戰(zhàn)，迫切需要有關部門建立專業(yè)化設計總則、技術規(guī)范與工藝規(guī)程予以指導。結合當前技術現(xiàn)狀的基礎，聯(lián)合船舶和養(yǎng)殖行業(yè)開展技術攻關，基于動力系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)、養(yǎng)殖系統(tǒng)、物流系統(tǒng)及加工系統(tǒng)的總布置，兼顧安全性、經(jīng)濟性及環(huán)保性，探討構建深遠海養(yǎng)殖工船系統(tǒng)和總體技術框架，以養(yǎng)殖工船為載體實施深遠海養(yǎng)殖，構建集養(yǎng)殖、繁育、加工及漁船補給和物流等多功能于一體的深藍漁業(yè)航母具有較大的經(jīng)濟價值和社會價值，可有效利用我國海域資源，是推動海洋經(jīng)濟發(fā)展的新途徑，對充分挖掘海洋在食物供給方面的潛力、保障我國糧食安全和維護海洋權益具有長遠意義。

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