不同水平擴(kuò)張比和模擬漁獲物對(duì)南極磷蝦拖網(wǎng)整體形態(tài)的影響

朱美熹，唐浩，2，3*，劉偉，張鋒，孫秋陽(yáng)，許柳雄，2，3，胡夫祥

(1.上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；2.國(guó)家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201306；3.大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201306；4.東京海洋大學(xué)，日本 東京 108-8477)

南極磷蝦(Euphausiasuperba)是一種低脂肪、高蛋白的無(wú)脊椎生物，主要生活在南極洲水域，是南大洋生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的角色[1]。南極磷蝦資源開(kāi)發(fā)利用備受各國(guó)關(guān)注，也是中國(guó)空間拓展與戰(zhàn)略資源開(kāi)發(fā)領(lǐng)域科技創(chuàng)新工程的重點(diǎn)任務(wù)。

由于南極磷蝦體長(zhǎng)較小，一般使用小網(wǎng)目拖網(wǎng)(small mashes trawls)進(jìn)行捕撈，漁具具有錐形角小、濾水面積大和拖曳速度低等特點(diǎn)[2-4]。漁具性能的優(yōu)劣決定著捕撈生產(chǎn)效率，因此，開(kāi)展拖網(wǎng)漁具性能研究十分必要。影響漁具性能的因素眾多，網(wǎng)線材料、網(wǎng)目尺寸和網(wǎng)具結(jié)構(gòu)等屬性參數(shù)是較為直接的因素。陳雪忠等[5]研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用高強(qiáng)度聚乙烯網(wǎng)線的拖網(wǎng)性能更優(yōu)。Bruno等[6]利用動(dòng)水槽試驗(yàn)分析網(wǎng)目尺寸、網(wǎng)線直徑和網(wǎng)口形狀對(duì)底拖網(wǎng)模型網(wǎng)水動(dòng)力的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)目尺寸越大、網(wǎng)線直徑越小的拖網(wǎng)水動(dòng)力表現(xiàn)較佳。馮超等[7]在對(duì)南極磷蝦桁桿拖網(wǎng)進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，縮小腹網(wǎng)寬度和斜目縫合均能有效提高其作業(yè)性能。除漁具本身屬性外，其作業(yè)工況也極大地影響著漁具實(shí)際捕撈性能。拖網(wǎng)在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)，網(wǎng)具各部位會(huì)受到水流不同程度的沖擊，使拖網(wǎng)整體形態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而影響拖網(wǎng)作業(yè)狀態(tài)[8]。此外，拖網(wǎng)形態(tài)的改變會(huì)對(duì)入網(wǎng)后的魚(yú)、蝦運(yùn)動(dòng)行為和逃逸路線造成一定影響，從而影響選擇性。因此，良好的網(wǎng)具形態(tài)不僅使網(wǎng)具性能有所提升，還會(huì)減少被捕個(gè)體間的碰撞，提高漁獲物質(zhì)量。

長(zhǎng)期以來(lái)，較多研究者采用數(shù)值模擬、海上實(shí)測(cè)和模型試驗(yàn)等手段對(duì)不同類(lèi)型拖網(wǎng)的形態(tài)特性開(kāi)展了相關(guān)研究。劉莉莉等[9]利用有限元計(jì)算方法分析了拖網(wǎng)形狀的變化情況，模擬計(jì)算值與動(dòng)水槽試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，并發(fā)現(xiàn)隨著流速增加，網(wǎng)身略微拉長(zhǎng)，網(wǎng)口高度減小，而寬度有所增加。Wan等[4]通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算獲得了南極磷蝦拖網(wǎng)的形狀及張力分布情況，發(fā)現(xiàn)拖網(wǎng)網(wǎng)位隨流速的增加而整體后移，網(wǎng)口擴(kuò)張逐漸減小。Lee等[10]利用數(shù)值模擬和動(dòng)水槽試驗(yàn)，分析了拖網(wǎng)在不同流速下的側(cè)視及俯視形態(tài)，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)口高度隨流速的增加而減小，且模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果一致。陳明鑫[11]基于動(dòng)水槽試驗(yàn)對(duì)南極磷蝦拖網(wǎng)形態(tài)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，網(wǎng)口高度與網(wǎng)身深度差均隨拖速及水平擴(kuò)張比的增加而減小，且減小速率先增加后降低。周愛(ài)忠等[12]對(duì)小網(wǎng)目南極磷蝦拖網(wǎng)性能開(kāi)展了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)增大水平擴(kuò)張使網(wǎng)口高度明顯下降，阻力略微上升。許永久等[13]對(duì)兩種竹筴魚(yú)中層拖網(wǎng)進(jìn)行了水槽模型試驗(yàn)，結(jié)果表明，水平擴(kuò)張對(duì)網(wǎng)口高度及網(wǎng)具阻力具有一定影響。徐鵬翔等[14]在對(duì)日韓小網(wǎng)目南極磷蝦拖網(wǎng)性能進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)口高度隨流速的增加迅速下降，當(dāng)流速穩(wěn)定時(shí)，網(wǎng)口形狀保持不變，網(wǎng)身呈光滑流線形態(tài)。Tang等[15]采用動(dòng)水槽試驗(yàn)方法，評(píng)估了內(nèi)網(wǎng)對(duì)南極磷蝦拖網(wǎng)模型網(wǎng)物理特性的影響，發(fā)現(xiàn)減少內(nèi)網(wǎng)面積可增加網(wǎng)口高度和掃海面積。

盡管上述研究取得了一定進(jìn)展，但多數(shù)研究以網(wǎng)口高度作為網(wǎng)具形態(tài)變化的主要指標(biāo)，忽視了網(wǎng)具整體形態(tài)的變化情況，存在一定的局限性。此外，隨著漁獲物的逐漸堆積，網(wǎng)具線型會(huì)產(chǎn)生變化，漁獲物應(yīng)作為影響網(wǎng)具形態(tài)的重要因素被考慮在內(nèi)。本研究中，選取南極磷蝦拖網(wǎng)為母型網(wǎng)，基于修正的田內(nèi)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)制作模型網(wǎng)，在動(dòng)水槽中開(kāi)展了不同流速、水平擴(kuò)張和漁獲物條件下的網(wǎng)具形態(tài)試驗(yàn)研究，分析了磷蝦拖網(wǎng)網(wǎng)口高度、網(wǎng)口面積、整體形態(tài)及能耗系數(shù)的變化，并對(duì)比了網(wǎng)具形態(tài)理論計(jì)算值與實(shí)際值，以期為南極磷蝦拖網(wǎng)形態(tài)優(yōu)化及提高其作業(yè)性能提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)水槽：本試驗(yàn)在日本東京海洋大學(xué)循環(huán)動(dòng)水槽進(jìn)行，其主尺度為22.0 m(長(zhǎng))×8.5 m(寬)×2.7 m(高)，側(cè)面觀測(cè)部位尺度為 9.0 m(長(zhǎng))×2.2 m(寬)×1.6 m(標(biāo)準(zhǔn)水深)，水槽底部設(shè)有7.3 m×1.5 m的觀察窗。水槽中的流速通過(guò)螺旋槳式流速計(jì)(東京計(jì)測(cè)技研株式會(huì)社)進(jìn)行測(cè)定，范圍為10～200 cm/s，精度為2%。

試驗(yàn)設(shè)備：張力測(cè)定由小型張力計(jì)(電子工業(yè)株式會(huì)社，型號(hào)為A3064和A3065)完成，量程分別為10、5 kg，測(cè)量誤差為±1% FS。

1.2 方法

1.2.1 模型網(wǎng)制作 原型網(wǎng)為中國(guó)南極磷蝦捕撈船“龍騰”輪作業(yè)使用的四片式磷蝦拖網(wǎng)，主尺度為300 m×132.8 m，網(wǎng)身長(zhǎng)度為88.8 m，網(wǎng)袖長(zhǎng)度為20 m，網(wǎng)囊長(zhǎng)度為30 m，網(wǎng)口處的網(wǎng)目尺寸為400 mm，網(wǎng)囊網(wǎng)目尺寸為144 mm。網(wǎng)身共11節(jié)，從第2節(jié)開(kāi)始裝配網(wǎng)目尺寸為16 mm的內(nèi)網(wǎng)。基于上述原型網(wǎng)參數(shù)，根據(jù)修正后的田內(nèi)準(zhǔn)則進(jìn)行模型網(wǎng)設(shè)計(jì)制作?？紤]到水槽的工作段尺度，模型網(wǎng)與鋼索總長(zhǎng)應(yīng)小于9 m，為了避免水槽兩側(cè)邊界效應(yīng)帶來(lái)的影響，設(shè)定移動(dòng)桿間距需小于1.8 m。最終確定模型網(wǎng)大尺度比λ=35，小尺度比λ′=5。

模型網(wǎng)主尺度為8.848 m×3.85 m，內(nèi)網(wǎng)選取與原型網(wǎng)相同的聚酰胺(PA)為材料，網(wǎng)目尺寸為10 mm，同樣從網(wǎng)身第2節(jié)處裝配至網(wǎng)囊。鑒于原型網(wǎng)外網(wǎng)的網(wǎng)線材料(PE)質(zhì)地較硬，制作出的模型網(wǎng)展開(kāi)效果較差，故采用質(zhì)地柔軟的迪尼瑪(Dyneema?)進(jìn)行模型網(wǎng)制作，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)圖1。

圖1 南極磷蝦拖網(wǎng)模型網(wǎng)及內(nèi)網(wǎng)Fig.1 Model net of Antarctic krill trawl including liner

根據(jù)修正后的田內(nèi)準(zhǔn)則[16]，模型網(wǎng)和實(shí)物網(wǎng)的換算過(guò)程如下。

1)大尺度比(實(shí)物網(wǎng)與模型網(wǎng)網(wǎng)具拉直長(zhǎng)度或網(wǎng)口周長(zhǎng)比)。計(jì)算公式為

λ=LF/LM。

(1)

其中：λ為大尺度比，λ=35；LF為實(shí)物網(wǎng)拉直長(zhǎng)度(m)；LM為模型網(wǎng)拉直長(zhǎng)度(m)。

2)小尺度比(實(shí)物網(wǎng)與模型網(wǎng)網(wǎng)線直徑和網(wǎng)目目腳比值)。計(jì)算公式為

λ′=aF/aM=dF/dM。

(2)

其中：λ′為小尺度比，λ′=5；aF、aM分別為實(shí)物網(wǎng)、模型網(wǎng)目腳長(zhǎng)度(mm)；dF、dM分別為實(shí)物網(wǎng)、模型網(wǎng)網(wǎng)線直徑(mm)。

3)速度比。計(jì)算公式為

(3)

其中：vF、vM分別為實(shí)物網(wǎng)與模型網(wǎng)的運(yùn)行速度(m/s)；ρsF、ρsM分別為實(shí)物網(wǎng)與模型網(wǎng)的網(wǎng)線密度(g/cm3)；ρF、ρM分別為實(shí)測(cè)時(shí)海水密度與水槽試驗(yàn)時(shí)水的密度(g/cm3)。根據(jù)修正后的田內(nèi)準(zhǔn)則，n取0.15；ρsF選取聚乙烯材料，密度為0.96 g/cm3；ρsM選取迪尼瑪材料，密度為0.97 g/cm3；ρF=1.03 g/cm3(20 ℃)；ρM=1 g/cm3(4 ℃)。

4)力比(阻力、浮力和沉力比)。計(jì)算公式為

(4)

其中：FF、FM分別表示實(shí)物網(wǎng)與模型網(wǎng)的受力(kN)(阻力、浮力和沉力均可用此表示)。

1.2.2 試驗(yàn)參數(shù)及流程 試驗(yàn)中水平擴(kuò)張比的改變通過(guò)調(diào)節(jié)移動(dòng)桿間距實(shí)現(xiàn)，結(jié)合磷蝦拖網(wǎng)實(shí)際作業(yè)時(shí)拖速和網(wǎng)口擴(kuò)張情況[17]，將移動(dòng)桿間距設(shè)置在0.6～1.8 m，共設(shè)置5個(gè)水平，分別為0.6、0.9、1.2、1.5、1.8 m，則水平擴(kuò)張比L/S分別為0.17、0.27、0.35、0.45、0.53(表1)。由于南極磷蝦拖網(wǎng)作業(yè)時(shí)拖速一般在3.0 kn左右，根據(jù)速度比換算和水槽試驗(yàn)條件，本研究中設(shè)定5組模型網(wǎng)拖速v分別為30、36、43、49、60 cm/s。

表1 網(wǎng)具袖端水平擴(kuò)張?jiān)O(shè)置Tab.1 Horizontal opening of net wing end

將模型網(wǎng)置于水槽中，通過(guò)調(diào)整水平擴(kuò)張比、水流速度及漁獲物存在狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)不同工況條件下拖網(wǎng)模型形態(tài)及阻力的測(cè)定。以注水乒乓球作為模擬漁獲物，共計(jì)50個(gè)，質(zhì)量為1.68 kg。模型網(wǎng)形態(tài)變化由安裝在水槽底部和側(cè)部的攝像機(jī)拍照獲取，兩臺(tái)攝像機(jī)可分別獲得網(wǎng)具俯視和側(cè)視形態(tài)，由此可繪制網(wǎng)具形態(tài)的空間數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算出網(wǎng)口形狀變化。模型網(wǎng)阻力通過(guò)布置在移動(dòng)桿處的張力計(jì)測(cè)量獲得，數(shù)據(jù)采集頻率為20 Hz，時(shí)間為20 s，共400組數(shù)據(jù)。具體試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2。

圖2 試驗(yàn)設(shè)置示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental design

1.2.3 網(wǎng)口面積及能耗系數(shù)的測(cè)定與計(jì)算 拖網(wǎng)在曳行過(guò)程中，網(wǎng)口近似呈橢圓形，為方便計(jì)算網(wǎng)口面積，假定網(wǎng)口形狀為橢圓形。

1)網(wǎng)口實(shí)際面積。計(jì)算公式為

S=(1/4)πab。

(5)

其中：S為模型網(wǎng)網(wǎng)口實(shí)際面積(m2)；a為模型網(wǎng)網(wǎng)口實(shí)際高度(m)；b為模型網(wǎng)網(wǎng)口實(shí)際水平擴(kuò)張(m)。

2)網(wǎng)口理論面積。網(wǎng)口拉直周長(zhǎng)和縮結(jié)系數(shù)之積為網(wǎng)口理論周長(zhǎng)，利用橢圓周長(zhǎng)公式，結(jié)合網(wǎng)口理論周長(zhǎng)和網(wǎng)口實(shí)際高度計(jì)算得出網(wǎng)口理論水平擴(kuò)張，再根據(jù)橢圓面積公式計(jì)算得到網(wǎng)口理論面積[18]。計(jì)算公式為

l=E×L，

(6)

(7)

S′=(1/4)πaB。

(8)

其中：l為模型網(wǎng)網(wǎng)口理論周長(zhǎng)(m)，l=4.48 m；E為縮結(jié)系數(shù)；L為模型網(wǎng)網(wǎng)口拉直周長(zhǎng)(m)；B為模型網(wǎng)網(wǎng)口理論水平擴(kuò)張長(zhǎng)度(m)；a為模型網(wǎng)網(wǎng)口實(shí)際高度(m)；S′為模型網(wǎng)網(wǎng)口理論面積(m2)。

3)網(wǎng)具阻力及能耗系數(shù)。阻力由移動(dòng)桿上的張力計(jì)測(cè)得。能耗系數(shù)計(jì)算公式為

Ce=3.472×F/(H×L′)。

(9)

其中：Ce為實(shí)物網(wǎng)在某一拖速下的能耗系數(shù)(kW·h/104m3)；F為實(shí)物網(wǎng)在某一拖速下的阻力(kN)；H為實(shí)物網(wǎng)在某一拖速下的網(wǎng)口高度(m)；L′為實(shí)物網(wǎng)的袖端間距(m)。

4)形態(tài)數(shù)據(jù)獲取。首先，在DeFisher 1.0軟件中輸入相機(jī)參數(shù)，進(jìn)行圖片矯正；其次，采用GetData Graph Digitizer軟件獲取圖像數(shù)據(jù)，并將獲得的坐標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)出；最后，采用Excel 2013軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并制作相應(yīng)圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 網(wǎng)口形狀的變化

從圖3可見(jiàn)，在不同流速及水平擴(kuò)張比條件下，空網(wǎng)和有模擬漁獲物狀態(tài)下的拖網(wǎng)模型網(wǎng)網(wǎng)口形狀基本呈橢圓形?？站W(wǎng)狀態(tài)下，隨流速和水平擴(kuò)張比的增加，網(wǎng)口寬度呈增大趨勢(shì)，而網(wǎng)口高度則呈減小趨勢(shì)；在L/S=0.17條件下，流速越大網(wǎng)口形狀越接近正圓，v=60 cm/s時(shí)的網(wǎng)口寬度與網(wǎng)口高度比為1.00，近似正圓；在L/S=0.27條件下，v=36 cm/s時(shí)的網(wǎng)口寬度與網(wǎng)口高度比為0.92；在L/S>0.35條件下，流速越小網(wǎng)口形狀越接近正圓，其中，L/S=0.35、v=30 cm/s時(shí)的網(wǎng)口寬度與網(wǎng)口高度比為1.07，此時(shí)網(wǎng)口近似正圓。網(wǎng)囊有模擬漁獲物狀態(tài)下，網(wǎng)口高度、網(wǎng)口寬度與空網(wǎng)時(shí)相比均無(wú)顯著性差異(P>0.05)，網(wǎng)口形態(tài)變化與空網(wǎng)時(shí)基本相同，且網(wǎng)口達(dá)到正圓的條件(L/S和流速)也與之相同。

圖3 不同擴(kuò)張比和漁獲物狀態(tài)下拖網(wǎng)模型網(wǎng)網(wǎng)口形狀的變化Fig.3 Change in mouth shape of trawl model net with different openings and catches

2.2 網(wǎng)口面積的變化

假定網(wǎng)口縮結(jié)周長(zhǎng)不變，通過(guò)橢圓橫縱軸長(zhǎng)度計(jì)算網(wǎng)口理論面積，并與試驗(yàn)獲取的網(wǎng)口面積進(jìn)行對(duì)比?？站W(wǎng)狀態(tài)下，當(dāng)水平擴(kuò)張比不變時(shí)，網(wǎng)口理論面積和實(shí)際面積均隨流速的增大而減小，且減小趨勢(shì)無(wú)顯著性差異(P=0.747>0.05)；當(dāng)流速不變時(shí)，網(wǎng)口理論面積隨水平擴(kuò)張比的增大而減小，但網(wǎng)口實(shí)際面積卻隨水平擴(kuò)張比的增大而增大(圖4)。經(jīng)換算，當(dāng)v=2.5 kn時(shí)，L/S=0.17～0.53，不同水平擴(kuò)張比對(duì)應(yīng)的實(shí)物網(wǎng)網(wǎng)口實(shí)際面積分別為282.55、358.27、377.20、381.33、428.41 m2。此外，隨水平擴(kuò)張比的增大，網(wǎng)口理論和實(shí)際面積隨流速增加而減小的程度均加劇。在L/S=0.17條件下，v=60 cm/s時(shí)的網(wǎng)口實(shí)際面積較v=30 cm/s時(shí)減小約15%，網(wǎng)口理論面積則減小約14%；而在L/S=0.53條件下，上述兩種面積減小比例則分別增大至40%和37%。同時(shí)，水平擴(kuò)張比越大，網(wǎng)口實(shí)際面積越接近于理論面積，其中，在v=30 cm/s條件下，L/S=0.17時(shí)的網(wǎng)口實(shí)際面積為理論面積的57.74%，而L/S=0.53時(shí)的網(wǎng)口實(shí)際面積為理論面積的98.70%。

網(wǎng)囊有模擬漁獲物的狀態(tài)下，網(wǎng)口理論面積變化情況與空網(wǎng)時(shí)基本相同，無(wú)顯著性差異(P=0.987>0.05)，而網(wǎng)口實(shí)際面積在低流速、高水平擴(kuò)張時(shí)的變化程度較空網(wǎng)時(shí)更小(圖4)。其中，在L/S=0.53條件下，v=36 cm/s時(shí)空網(wǎng)的網(wǎng)口實(shí)際面積較v=30 cm/s時(shí)減少13.27%，而有模擬漁獲物的網(wǎng)口實(shí)際面積較v=30 cm/s時(shí)減少8.86%，說(shuō)明漁獲物對(duì)網(wǎng)口面積減少程度影響較小。此外，有模擬漁獲物時(shí)的磷蝦拖網(wǎng)網(wǎng)口實(shí)際面積的整體變化情況較空網(wǎng)時(shí)更穩(wěn)定。

圖4 不同工況條件下模型網(wǎng)網(wǎng)口面積隨流速的變化Fig.4 Change in model net mouth area with flow velocity under different operating conditions

2.3 模型網(wǎng)整體形態(tài)的變化

在空網(wǎng)和有模擬漁獲物的狀態(tài)下，磷蝦拖網(wǎng)網(wǎng)口寬度均隨流速和水平擴(kuò)張比的增加而增大；水平擴(kuò)張比不變時(shí)，隨流速增大，有、無(wú)漁獲物拖網(wǎng)網(wǎng)翼前端間距未出現(xiàn)明顯變化，但網(wǎng)身兩側(cè)橫向擴(kuò)張間距逐漸增大，且在v=60 cm/s 時(shí)達(dá)到最大；流速一定時(shí)，隨水平擴(kuò)張比的增加，網(wǎng)翼前端間距明顯增大，網(wǎng)身兩側(cè)橫向間距也存在明顯不同，其中，當(dāng)L/S=0.53時(shí)，網(wǎng)翼前端間距和網(wǎng)身兩側(cè)橫向間距最大；相同流速及水平擴(kuò)張比條件下，空網(wǎng)時(shí)的網(wǎng)具水平擴(kuò)張略小于有模擬漁獲物時(shí)的網(wǎng)具水平擴(kuò)張，但差異并不明顯(圖5)。

圖5 不同工況條件下模型網(wǎng)網(wǎng)口形態(tài)俯視圖的變化Fig.5 Change in vertical views of model net mouth shape with different operation conditions

空網(wǎng)狀態(tài)下，水平擴(kuò)張比不變時(shí)，隨流速的增加，網(wǎng)身長(zhǎng)度增加，網(wǎng)口高度降低，網(wǎng)身上下間距減小，整體呈現(xiàn)被“壓縮”趨勢(shì)，且該趨勢(shì)隨流速增加逐漸減緩(圖6)。其中，當(dāng)L/S=0.27時(shí)，v=30～60 cm/s，每一流速組的網(wǎng)身長(zhǎng)度較前一流速組分別增加0.23%、0.19%、0.17%和0.16%，同時(shí)，網(wǎng)具側(cè)綱中心會(huì)隨流速的增加而向后移動(dòng)；當(dāng)流速不變時(shí)，空網(wǎng)網(wǎng)具高度隨著水平擴(kuò)張比的增加而減小，其中，在v=60 cm/s條件下，L/S=0.17時(shí)的網(wǎng)口高度為L(zhǎng)/S=0.53時(shí)的1.71倍。網(wǎng)囊有模擬漁獲物的狀態(tài)下，網(wǎng)身長(zhǎng)度較空網(wǎng)時(shí)明顯增長(zhǎng)，但網(wǎng)口高度差異較小。

2.4 網(wǎng)具阻力和能耗系數(shù)的變化

當(dāng)流速恒定時(shí)，空網(wǎng)和有漁獲物的網(wǎng)具阻力均隨水平擴(kuò)張比增加而增大，且增加幅度逐漸減緩(圖7)?？站W(wǎng)狀態(tài)下，當(dāng)v=30 cm/s時(shí)，L/S=0.17～0.53，每個(gè)水平擴(kuò)張比組的網(wǎng)具阻力較前一擴(kuò)張組分別增加13.71%、7.82%、7.53%和7.09%；而當(dāng)水平擴(kuò)張比恒定時(shí)，網(wǎng)具阻力隨流速增加而增大；在L/S=0.35下，v=60 cm/s時(shí)的網(wǎng)具阻力較v=49、43、36、30 cm/s時(shí)分別增加了36.34%、60.53%、127.37%和221.99%。網(wǎng)囊中有模擬漁獲物的狀態(tài)下，網(wǎng)具阻力略高于空網(wǎng)，而整體變化趨勢(shì)與空網(wǎng)時(shí)無(wú)顯著性差異(P=0.444>0.05)。

圖7 不同工況條件下網(wǎng)具阻力及能耗系數(shù)的變化Fig.7 Change in drag forces and energy consumption coefficients of trawl net with different operating conditions

當(dāng)流速恒定時(shí)，空網(wǎng)和有模擬漁獲物的網(wǎng)具能耗系數(shù)隨水平擴(kuò)張比的增加而減小，且減小趨勢(shì)整體減緩(圖7)?？站W(wǎng)時(shí)，在相同水平擴(kuò)張條件下，網(wǎng)具能耗系數(shù)隨流速增大而增大，當(dāng)流速達(dá)到60 cm/s時(shí)，能耗系數(shù)明顯增大；在L/S=0.27條件下，v=60 cm/s時(shí)的能耗系數(shù)較v=49、43、36、30 cm/s時(shí)分別增加了51.18%、103.39%、205.33%和383.62%。網(wǎng)囊中有模擬漁獲物時(shí)，網(wǎng)具能耗系數(shù)較空網(wǎng)時(shí)大，且流速越大差異越明顯，在L/S=0.35條件下，v=30 cm/s時(shí)的能耗系數(shù)為空網(wǎng)時(shí)的1.07倍，而v=60 cm/s時(shí)的能耗系數(shù)為空網(wǎng)的1.05倍。

3 討論

3.1 水平擴(kuò)張比和漁獲物對(duì)網(wǎng)具形態(tài)的影響

3.1.1 網(wǎng)口形態(tài) 拖網(wǎng)的幾何形態(tài)和空間變化是其作業(yè)性能的體現(xiàn)，網(wǎng)具形態(tài)變化極其復(fù)雜，在不同操作階段影響網(wǎng)具性能的因素各異。Sangster等[19]利用Scanmar儀器監(jiān)控拖網(wǎng)在作業(yè)過(guò)程中的形態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)拖網(wǎng)上下綱形狀接近懸鏈線。陳英龍等[20]采用SIMRAD公司的FS-900拖網(wǎng)網(wǎng)位儀獲得中層拖網(wǎng)網(wǎng)口映像，發(fā)現(xiàn)其形狀接近橢圓形。本研究結(jié)果表明，中層拖網(wǎng)在曳行過(guò)程中，網(wǎng)口呈橢圓形。當(dāng)網(wǎng)口水平擴(kuò)張比不變時(shí)，網(wǎng)口橢圓形隨流速的增大而呈現(xiàn)被“壓縮”趨勢(shì)，此結(jié)果與陳明鑫[11]的研究結(jié)果一致。究其原因，可能是隨著流速的增加，網(wǎng)具所受水阻力逐漸增大，而由于網(wǎng)板間距不變，限制了網(wǎng)口向水平方向聚攏，但網(wǎng)口上下綱隨著網(wǎng)具張力的增加而向中間靠攏，從而使網(wǎng)口被“壓縮”的程度隨流速增加而加劇。而當(dāng)流速不變，水平擴(kuò)張比不斷增大時(shí)，網(wǎng)具被橫向拉伸同樣出現(xiàn)被“壓縮”現(xiàn)象，且被“壓縮”程度較速度改變時(shí)更為明顯，這在一定程度上說(shuō)明本研究中流速的改變對(duì)拖網(wǎng)整體形態(tài)的影響低于拖網(wǎng)本身設(shè)置帶來(lái)的影響。

3.1.2 網(wǎng)身形態(tài) 本研究中還發(fā)現(xiàn)，拖網(wǎng)網(wǎng)身長(zhǎng)度的增加程度隨著流速的增加而減緩，這與劉莉莉等[9]的研究結(jié)果一致。原因可能是不斷增大的流速使網(wǎng)具逐漸接近拉緊狀態(tài)，當(dāng)網(wǎng)線張力達(dá)到一定時(shí)，拖網(wǎng)整體水平長(zhǎng)度變化幅度變小。同時(shí)，網(wǎng)身尾部出現(xiàn)上揚(yáng)現(xiàn)象，且網(wǎng)囊中有模擬漁獲物時(shí)更為明顯(圖6)。其主要原因可能是由于模型網(wǎng)縮小比例較大，網(wǎng)身部位形成狹窄通道，而不易于水流通過(guò)，造成網(wǎng)囊部位的網(wǎng)衣未能充分展開(kāi)，加上外網(wǎng)材料為低于水密度的迪尼瑪材料，最終導(dǎo)致網(wǎng)身后部上揚(yáng)。此外，本研究中采用注水乒乓球模擬網(wǎng)囊中的漁獲物，其自身浮力大，在水流的作用下易產(chǎn)生縱向的分力，從而使有漁獲物時(shí)的網(wǎng)囊末端上揚(yáng)現(xiàn)象更為明顯。

本研究中，將同一水平擴(kuò)張比和不同流速下的網(wǎng)口形狀繪制在同一坐標(biāo)系內(nèi)，與以往研究相比，能夠更直觀地觀察網(wǎng)口形狀隨條件改變而變化的過(guò)程(圖3)。結(jié)合圖6對(duì)比發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)口處的形態(tài)變化較網(wǎng)身處更為明顯，這可能是由于本研究中使用的龍騰網(wǎng)從網(wǎng)身第2節(jié)開(kāi)始安裝內(nèi)網(wǎng)，內(nèi)網(wǎng)材料密度大于水的密度，而外網(wǎng)密度小于水的密度，腹網(wǎng)側(cè)內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)受力方向相反會(huì)抵消掉部分作用力，所以網(wǎng)身的整體形變不如網(wǎng)口明顯。

3.1.3 網(wǎng)口面積 網(wǎng)口張開(kāi)面積決定著拖網(wǎng)掃海面積，是影響捕撈效率的直接原因[21]。周愛(ài)忠等[12]在試驗(yàn)中將升力帆布裝配在網(wǎng)口處，發(fā)現(xiàn)高拖速情況下，帆布能夠提高網(wǎng)口擴(kuò)張性能。本研究中則發(fā)現(xiàn)，流速穩(wěn)定時(shí)，增加網(wǎng)口水平擴(kuò)張比可有效增大網(wǎng)口面積，然而，提高拖速卻對(duì)網(wǎng)口面積產(chǎn)生不利影響，這與蘇志鵬[17]的研究結(jié)果吻合。這表明無(wú)論是水平擴(kuò)張比還是流速，其對(duì)網(wǎng)口高度和網(wǎng)口寬度的影響均不一致：當(dāng)流速不變，水平擴(kuò)張比增大時(shí)，網(wǎng)口寬度增大速率大于網(wǎng)口高度減小速率；當(dāng)水平擴(kuò)張比一定，流速增大時(shí)，網(wǎng)口寬度增大速率小于網(wǎng)口高度減小速率。有研究發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)口呈圓形時(shí)，其面積取得極大值[21]，此時(shí)網(wǎng)口面積不僅較大，同時(shí)也能保持穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)，從而獲得更好的漁獲效果。本研究中發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)口呈圓形主要有以下3種情況：L/S=0.17，v=60 cm/s；L/S=0.27，v=36 cm/s；L/S=0.35，v=30 cm/s。其中，L/S=0.35，v=30 cm/s時(shí)網(wǎng)口面積最大，這說(shuō)明并非單一因素可對(duì)網(wǎng)口面積及形狀產(chǎn)生影響，網(wǎng)口水平擴(kuò)張比對(duì)網(wǎng)口面積的影響比流速的影響更大。值得注意的是，流速一定時(shí)，水平擴(kuò)張比越大，實(shí)際網(wǎng)口面積越接近理論值，這可能是由于在實(shí)際操作中浮子和沉子的作用，使網(wǎng)口高度的減小程度小于網(wǎng)口寬度的增大程度，從而使網(wǎng)口面積隨水平擴(kuò)張比的增大而逐漸增大，進(jìn)而更接近理論值。

3.2 水平擴(kuò)張比和模擬漁獲物對(duì)拖網(wǎng)能耗特性的影響

減小拖網(wǎng)阻力不僅能夠提高網(wǎng)具濾水性，還能有效降低漁船燃料消耗[22]。本研究中，通過(guò)水槽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水平擴(kuò)張比對(duì)拖網(wǎng)阻力的影響較小，而流速的改變使拖網(wǎng)阻力呈現(xiàn)顯著變化，二者呈正相關(guān)關(guān)系，與周愛(ài)忠等[23]的研究結(jié)果一致。王倫國(guó)等[24]以雙臂架四片式蝦拖網(wǎng)為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)具阻力與拖速呈冪指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系，并隨水平擴(kuò)張比的增加呈一定的上升趨勢(shì)。本研究結(jié)果表明，拖速對(duì)網(wǎng)具阻力的影響更加明顯，同時(shí)在實(shí)際生產(chǎn)中，也可以通過(guò)調(diào)整網(wǎng)具的水平擴(kuò)張比在一定程度上減小網(wǎng)具阻力，降低漁船能耗，提高捕撈效率。然而，僅憑網(wǎng)具阻力判斷網(wǎng)具性能優(yōu)勢(shì)是片面的，還要結(jié)合能耗系數(shù)綜合考慮。能耗系數(shù)是指拖網(wǎng)過(guò)濾單位水體所消耗的能量[5]。本研究中，能耗系數(shù)與流速的關(guān)系也呈現(xiàn)出與阻力相似的變化趨勢(shì)，而與水平擴(kuò)張比則呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這是由于增大水平擴(kuò)張比使得拖網(wǎng)掃海面積增加，從而降低能耗系數(shù)。此外，漁獲物的增加導(dǎo)致網(wǎng)具阻力增大，這是由于漁獲物的不斷堆積造成網(wǎng)身后部阻流效果顯著，使得拖網(wǎng)系統(tǒng)阻力增加，能耗亦有所提升[15]。顯然，較低的能耗系數(shù)可以帶來(lái)更高的效益，所以在確定最優(yōu)網(wǎng)具形態(tài)時(shí)也應(yīng)考慮能耗系數(shù)的情況。

3.3 南極磷蝦拖網(wǎng)最佳作業(yè)工況

本研究中，流速一定時(shí)，網(wǎng)口面積與水平擴(kuò)張比呈正相關(guān)關(guān)系；流速較小時(shí)，L/S=0.53時(shí)的網(wǎng)口面積明顯大于其他水平擴(kuò)張比組，但其變化速率較大，不夠穩(wěn)定，且網(wǎng)口高度和網(wǎng)身高度略小，網(wǎng)口形狀欠佳，影響對(duì)蝦群的捕獲效率。而水平擴(kuò)張比過(guò)小(L/S≤0.27)時(shí)，網(wǎng)口面積較小，不利于提高作業(yè)效率。結(jié)合網(wǎng)口形狀和網(wǎng)具整體形態(tài)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，L/S=0.35、v=30 cm/s條件下的拖網(wǎng)模型網(wǎng)形態(tài)最優(yōu)，且阻力與能耗系數(shù)較小。綜合考慮，以L/S=0.35，v=3.0 kn作為拖網(wǎng)作業(yè)期間的參考標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，可使網(wǎng)具以較佳性能運(yùn)行，提高捕撈效率。拖網(wǎng)形態(tài)研究不僅對(duì)實(shí)際生產(chǎn)拖網(wǎng)系統(tǒng)控制具有指導(dǎo)意義，還可為提高漁具選擇性和漁獲質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

1)隨著拖速和水平擴(kuò)張比的增加，南極磷蝦拖網(wǎng)網(wǎng)口呈扁口形狀，當(dāng)L/S=0.35、v=30 cm/s時(shí)網(wǎng)口形狀接近于圓形，拖網(wǎng)模型網(wǎng)形態(tài)特性最佳。

2)漁獲物對(duì)網(wǎng)口形態(tài)的影響不明顯，但網(wǎng)囊中有模擬漁獲物時(shí)，網(wǎng)身末端發(fā)生上揚(yáng)現(xiàn)象，對(duì)網(wǎng)身后部的形狀產(chǎn)生一定影響。

3)水平擴(kuò)張比對(duì)網(wǎng)口面積的影響，比流速的影響更大，流速穩(wěn)定時(shí)，增加網(wǎng)口水平擴(kuò)張比可有效增大網(wǎng)口面積。表明低流速、高水平擴(kuò)張比時(shí)，漁獲物對(duì)網(wǎng)口面積的影響較小。

4)拖速對(duì)網(wǎng)具阻力的影響較水平擴(kuò)張比更加明顯，因此，適當(dāng)減小拖速和增加水平擴(kuò)張比可降低網(wǎng)具能耗。