拖網(wǎng)框架式柔性網(wǎng)板的初步研究

劉新宇 張崗 程丹 潘曉匯 夏平偉 王飛

[摘要]拖網(wǎng)捕撈是我國最主要的捕撈方式，在給社會帶來巨大經(jīng)濟效益的同時，也造成了很多問題。而網(wǎng)板是單船底拖網(wǎng)中重要的結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的拖網(wǎng)網(wǎng)板由于笨重、對海底破壞嚴重、操作困難、耗能嚴重等問題，已經(jīng)不能夠滿足漁具節(jié)能降耗的發(fā)展趨勢，因此，從改進網(wǎng)板的角度來解決這些問題是一個重要的方向，盡管近些年來國內(nèi)外相關學者已經(jīng)做了大量研究，但并未取得顯著地效果。通過提出一種框架式柔性網(wǎng)板來解決傳統(tǒng)拖網(wǎng)帶來的問題，以達到節(jié)能、降耗的目的，并為相關研究者們所借鑒與參考。

[關鍵詞]拖網(wǎng)捕撈狀況;底拖網(wǎng)網(wǎng)板研究;新型框架式柔性網(wǎng)板

[中圖分類號]S972[文獻標識碼]A

我國是漁業(yè)資源大國，然而我國的漁具裝備技術(shù)卻處于相對落后的水平。近年來，隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展以及技術(shù)的引進，單船底拖網(wǎng)以其較高的性價比被漁業(yè)從業(yè)者廣泛使用，現(xiàn)已成為使用規(guī)模最大的拖網(wǎng)型漁具，極大的豐富了人民的物質(zhì)生活。但傳統(tǒng)的單船底拖網(wǎng)不僅對海底環(huán)境造成了破壞，也一定程度上制約了漁業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，展開對單船底拖網(wǎng)的捕撈技術(shù)研究對我國漁業(yè)的發(fā)展具有重大意義。

1拖網(wǎng)捕撈在整個捕撈業(yè)中占據(jù)重要地位

1.1 我國拖網(wǎng)捕撈的發(fā)展狀況

2007～2016年全國平均海洋捕撈總產(chǎn)量為12365259t，其中拖網(wǎng)捕撈年平均5985394t，各年產(chǎn)量見表1，拖網(wǎng)捕撈作為我國主要的捕撈方式之一，拖網(wǎng)產(chǎn)量占據(jù)總捕撈產(chǎn)量48.4%，從圖1可以看出拖網(wǎng)產(chǎn)量幾乎為圍網(wǎng)、刺網(wǎng)、張網(wǎng)、釣具等四類漁具產(chǎn)量的總和，并持繼續(xù)增長狀態(tài)。雖然近年來隨著漁業(yè)資源減少，海底環(huán)境日趨惡化，國家對拖網(wǎng)的管禁越來越嚴格，但拖網(wǎng)捕撈的年產(chǎn)量仍不可小覷。

單船底拖網(wǎng)因捕撈作用范圍廣、效率高、簡單易操作的性狀而備受漁民歡迎。由此，我們根據(jù)近年來拖網(wǎng)漁船的產(chǎn)量分析，可以從側(cè)面反映出單船底拖網(wǎng)捕撈在整個捕撈業(yè)中占據(jù)相當重要的地位。

1.2 傳統(tǒng)的拖網(wǎng)捕撈給海洋環(huán)境造成破壞

在一項新的研究報告中，近半個世紀以來，拖網(wǎng)漁船一共捕撈超過2.5×107t的生活在海平面400m以下的深海魚。拖網(wǎng)捕撈作業(yè)在給社會帶來巨大經(jīng)濟效益的同時，也給海洋生態(tài)環(huán)境造成了破壞。我們并不能因為拖網(wǎng)對環(huán)境造成危害而徹底的拋棄。

因此，在保證產(chǎn)量的情況下注重對海洋環(huán)境的保護是必要的。那么我們究竟該如何對拖網(wǎng)進行改進以減少對海底環(huán)境的破壞呢？這對我們漁業(yè)工作者來說是一個急切需要解決的問題。

1.3 單船底拖網(wǎng)——拖網(wǎng)網(wǎng)板的問題突顯

目前剛性網(wǎng)板材料多為鋼鐵，制作成本操作成本等較高，不易大力推廣。一方面，網(wǎng)口水平方向的擴張必須依靠網(wǎng)板，另一方面，由于在投網(wǎng)和收網(wǎng)時，需要在承受巨大張力的曳綱上安裝和拆卸網(wǎng)板，而網(wǎng)板通常又都是鋼制的重物，因此投網(wǎng)和收網(wǎng)時不僅需要耗費很大的勞力，往往還伴隨著危險。另外，傳統(tǒng)鋼質(zhì)拖網(wǎng)網(wǎng)板在操作時存在破碎的危險，而且在收放網(wǎng)的操作和回收過程中，也會對漁具和船體造成破壞。

從事漁業(yè)生產(chǎn)的船員年齡主要集中在30～50歲，漁船船員年齡結(jié)構(gòu)趨向老齡化。另外船員常年生活在船上，生存環(huán)境惡劣，生活方式簡單枯燥，免疫力下降。不僅身體健康遭到影響，而且由于生活規(guī)律不規(guī)范，產(chǎn)生了大量的心理問題，這對捕撈生產(chǎn)造成很大的影響。

因此，考慮其體力身體等情況，笨重龐大的網(wǎng)板不適合操作，從省力、節(jié)能、安全的角度出發(fā)，就必須開發(fā)出既具備良好擴張能力，同時又具有體積小、重量輕、水阻力小等特點的節(jié)能省力型網(wǎng)板。

2 拖網(wǎng)網(wǎng)板是當今網(wǎng)具的研究熱點

2.1 拖網(wǎng)結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

拖網(wǎng)主要由網(wǎng)衣、綱索等柔性體組成，形狀和空間狀態(tài)隨外力的大小而變化，當作用在拖網(wǎng)上的諸力處于相對平衡時，拖網(wǎng)將呈現(xiàn)相對穩(wěn)定的空間狀態(tài)，保持拖網(wǎng)處于最佳空間狀態(tài)，對提高產(chǎn)量、增加效益具有重大意義。拖網(wǎng)目前主要分為雙船拖網(wǎng)和單船拖網(wǎng)，由于單一的雙拖網(wǎng)作業(yè)難以適應資源的變化，成本高，產(chǎn)量低，部分捕撈生產(chǎn)單位出現(xiàn)嚴重虧損的情況。而單船底拖網(wǎng)卻是單船拖網(wǎng)中使用比較廣泛、捕撈效率較高的的一種，又稱單拖，屬單船式有翼單囊型拖網(wǎng)類漁具。單船拖網(wǎng)的作業(yè)漁場及捕撈對象與雙船底拖網(wǎng)大同小異，主要區(qū)別是單船獨立作業(yè)。因此，漁民在選擇漁具時仍選擇單船拖網(wǎng)。而單船拖網(wǎng)的網(wǎng)口的水平擴張主要是靠網(wǎng)口前方左右兩側(cè)的網(wǎng)板產(chǎn)生的水流擴張力來完成。

單船網(wǎng)板拖網(wǎng)捕撈是在上世紀90年代迅速發(fā)展，到本世紀初生產(chǎn)規(guī)模已經(jīng)基本穩(wěn)定。由于單拖作業(yè)漁場位于東海大陸架外側(cè)，作業(yè)水深可達120m。一方面，很好的適應了東海深水區(qū)捕撈作業(yè)。另一方面，又因為拖網(wǎng)捕撈產(chǎn)量高。因此，其備受漁業(yè)工作者的推崇。

網(wǎng)板是單船拖網(wǎng)擴張拖網(wǎng)水平間距的主要屬具，其型式較多，目前我國常用的網(wǎng)板種類有：矩形平面網(wǎng)板、“V”形網(wǎng)板、雙葉片橢圓形網(wǎng)板、立式網(wǎng)板、全金屬橢圓形綜合型網(wǎng)板、圓盾型網(wǎng)板等，立式“V”形網(wǎng)板也有少量應用。

2.2 拖網(wǎng)捕撈漁具的研究創(chuàng)新方式眾多

對于單船底拖網(wǎng)來說，網(wǎng)具的系統(tǒng)包括網(wǎng)衣、網(wǎng)板、綱索、浮子、沉綱裝置等，拖網(wǎng)的阻力主要來源于網(wǎng)衣和網(wǎng)板，網(wǎng)衣阻力是漁具總阻力的最大組成部分，占漁具總阻力的38.7%～65%。網(wǎng)板阻力占整個網(wǎng)具的12.7%～27.2%。目前，網(wǎng)衣所使用的材料基本大同小異，其結(jié)構(gòu)復雜，不易改進。而相對網(wǎng)衣而言，網(wǎng)板的改進比較容易，而且方式眾多。因此通過適當?shù)母倪M可以減少網(wǎng)具在操作時的水阻力，從而達到節(jié)能降耗的目的。

通過查詢資料，我們把國內(nèi)外相關的研究分為以下三類：

第一，主要是通過對漁用材料的創(chuàng)新研發(fā)和對網(wǎng)具的設計來降低網(wǎng)具的重量與作業(yè)能耗。具體方式有網(wǎng)衣節(jié)能，綱索、沉浮子節(jié)能，網(wǎng)板節(jié)能等。網(wǎng)衣節(jié)能方面目前多采用聚乙烯等，以及設計大疏目網(wǎng)口的網(wǎng)衣可減少網(wǎng)具在海水中的阻力;綱索、沉浮子節(jié)能除了采用新型漁用材料之外，還可加長下綱的長度以減弱網(wǎng)具對海底的摩擦，降低作業(yè)能耗。

第二，開展網(wǎng)板水動力性能的改進研究。20世紀60年代，日本將一種展弦比大于2.0的Subercrub型板改良成立式曲面網(wǎng)板，80年代，日本為了改良立式曲面網(wǎng)板的缺點，引入機翼的上反角和后退角，開發(fā)了立式V型曲面網(wǎng)板。法國也曾研制出一種底拖網(wǎng)作業(yè)用的滾動式新型拖網(wǎng)網(wǎng)板，尤其適用于不良底質(zhì)漁場拖網(wǎng)作業(yè)。近年來，國內(nèi)也有針對網(wǎng)板的一系列研究：如李崇聰?shù)葘W者在小型單船拖網(wǎng)網(wǎng)板的板面上開縫，使網(wǎng)板背部渦流受到較大動能水流的沖擊，改善其背部的流態(tài)，從而達到減少阻力的目的，取得了較好的效果。王明彥等人通過對立式V型曲面網(wǎng)板的不斷深入研究，觀察到當立式V型曲面網(wǎng)板的板面曲率為14%、板面折角為12°、展弦比為1.60、后退角為10°時，網(wǎng)板具有較高的水動力性能。因此，研制擴張性能良好、耗能少的新型網(wǎng)板已成為國內(nèi)外漁業(yè)研究者的關注重點。

第三，開發(fā)大網(wǎng)目、細網(wǎng)線的新型拖網(wǎng)，使用離底拖網(wǎng)網(wǎng)板等。張建華等人通過對國內(nèi)外漁業(yè)節(jié)能的研究，離地網(wǎng)板可在不影響漁獲量的前提下分別減少油23%和12%。隨著漁場的不斷利用和捕撈對象的不斷開發(fā)，單船拖網(wǎng)作業(yè)方式在國內(nèi)不斷擴大，但其作業(yè)漁具及操作技術(shù)大多為“V”型鐵質(zhì)網(wǎng)板單拖漁具漁法。

隨著研究的不斷深入，復翼式網(wǎng)板和噴射式網(wǎng)板等也相繼研發(fā)面世。

3 框架式柔性網(wǎng)板的提出

3.1 框架式柔性網(wǎng)板的可行性

水動力理論分析：根據(jù)漁具力學理論，水動力一般與漁具的有效作用面積、與水流的相對運動速度平方、擴張系數(shù)成正比：，面積，從而來研究分析柔性擴網(wǎng)裝置的結(jié)構(gòu)與規(guī)格。網(wǎng)板產(chǎn)生擴張力的原理與飛機的機翼產(chǎn)生升力，使飛機升上天空的原理是一樣的。當網(wǎng)板與水流產(chǎn)生相對運動時，由于網(wǎng)板剖面形狀的影響，使網(wǎng)板背流面的流速較快，網(wǎng)板迎流面流速較慢。通過伯努利定理得知：“流速大壓強小，流速小壓強大”。這就使得網(wǎng)板兩面產(chǎn)生了水的壓強差，即產(chǎn)生了壓力差，使網(wǎng)板具有擴張力。由此可見在影響拖網(wǎng)擴張的因素不變，而改變其網(wǎng)板材料的情況下，實現(xiàn)同樣的擴張效果是可行的。

3.2 框架式柔性網(wǎng)板的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)

在柔性材料選材方面，帆布由于其強度大，耐腐蝕，是一項較好的選擇。通過對網(wǎng)板受力的分解，可以把網(wǎng)板的水動力分解成與網(wǎng)板運動方向相垂直的擴張力和網(wǎng)板運動方向相平行的水阻力，其中擴張力起到擴張網(wǎng)具、增加掃海面積的作用，使拖網(wǎng)盡可能多捕獲魚群。由于柔性材料易彎曲的特征，故此應用有一定硬度的剛性框架對柔性帆布作固定，再拖網(wǎng)橫向設計制作橫向擴張裝置。

通過對網(wǎng)板采用框架結(jié)構(gòu)一定程度上對網(wǎng)板起到了固定作用，同時其雙層結(jié)構(gòu)也很好為網(wǎng)口在水平方向上的擴張?zhí)峁┝顺浞值牧?。而框架式流線性結(jié)構(gòu)設計極大的減小了網(wǎng)具在水流中所受的阻力，同時極大的降低了能耗，框架和帆布構(gòu)成的新型網(wǎng)板的上下翼的水流入口都比水流出口大，這樣便使得網(wǎng)板運動時在網(wǎng)板內(nèi)部形成壓強差，而這一壓強差同時產(chǎn)生作用于拖網(wǎng)網(wǎng)口水平方向上的力，致使網(wǎng)口達到水平方向上的擴張。

3.3 框架式柔性網(wǎng)板的優(yōu)勢

采用柔性水平擴網(wǎng)裝置，相比原有的剛性網(wǎng)板減輕了重量，可以更好的使網(wǎng)具離地作業(yè)，減小了對海底的破壞程度，符合海洋生態(tài)文明建設要求的生態(tài)型捕撈;采用柔性擴網(wǎng)裝置較大程度上減小水阻力，從而降低油耗，減輕勞動強度，進而降低勞動成本。

柔性材料水中重量小。在船只進行拖曳作業(yè)時，不會因為海中水流紊亂及海底坑洼不平等因素造成網(wǎng)具傾覆的危險，與剛性材料相比具有更高的穩(wěn)定性和可靠性。同時柔性材料加工方便，質(zhì)地柔軟，成本低廉，相較于傳統(tǒng)剛性材料而言使用成本減少，可以使單船拖曳作業(yè)操作更加方便，船員更加省力。

我國江浙等地出現(xiàn)的帆張網(wǎng)就是利用這些特點。根據(jù)對帆張網(wǎng)作業(yè)時所受水動力的研究發(fā)現(xiàn)。帆布材料在水流作用下會發(fā)生“橫向彎曲后墜，上下橫臥現(xiàn)象”，實際受力面積為設計面積的約60%。所以想實現(xiàn)預計將網(wǎng)具水平擴張達到理想狀態(tài)必須增加其設計面積。增加設計面積必將會使所受的阻力增加，合理選擇網(wǎng)板幾何形狀和裝配方式可以提高水動力效率是解決這一問題的關鍵步驟。

4 結(jié)語

自上世紀九十年代以來我國漁業(yè)產(chǎn)業(yè)就開始面臨一系列嚴重的問題。由于過去人們對漁業(yè)資源的過度捕撈以及海洋氣候環(huán)境的惡劣變化，20世紀80年代以來，海洋漁業(yè)出現(xiàn)了資源衰竭、海洋生態(tài)環(huán)境嚴重破壞等問題。自從引進單船網(wǎng)板拖網(wǎng)后，由于捕撈產(chǎn)量大、易操作、環(huán)境受限程度低，一直受漁業(yè)從業(yè)者的推崇。但網(wǎng)板作業(yè)近年來隨著燃油價格高漲、網(wǎng)板耗能大已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)的詬病，尤其是隨著遠洋漁業(yè)的開發(fā)，漁船必將大型化，同時必然要求網(wǎng)板體積增大，這顯然不能滿足于海洋漁業(yè)的迫切發(fā)展。國內(nèi)外雖然從未停止對新型網(wǎng)板的研究，但大多僅限于對網(wǎng)板的結(jié)構(gòu)本身的改進，不能從本質(zhì)上解決耗能嚴重，遠洋漁業(yè)開發(fā)的需求，因此我們從節(jié)能降耗、緊貼漁業(yè)大型化的角度，對單船拖網(wǎng)網(wǎng)板進行研究是必要的。

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