拖網(wǎng)網(wǎng)具性能影響因子的初步研究

◎ 文/吳超偉 常國斌 陳達(dá)杰 丁琳 馬家志 王飛

海洋漁業(yè)裝備的迅速發(fā)展給捕撈行業(yè)帶來了較高的經(jīng)濟(jì)收益，拖網(wǎng)作業(yè)是海洋漁業(yè)主要捕撈方式之一。但隨著漁業(yè)資源衰退、能源成本提高等問題出現(xiàn)，促使拖網(wǎng)網(wǎng)具必須不斷優(yōu)化性能以保護(hù)漁業(yè)資源、降低捕撈成本。本文對(duì)近六年來已有的部分拖網(wǎng)性能研究成果進(jìn)行了整理、分析、探討，并就促進(jìn)未來拖網(wǎng)性能研究系統(tǒng)化以及拖網(wǎng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用規(guī)范化提出了建議，供相關(guān)研究人員參考。

拖網(wǎng)作業(yè)是海洋漁業(yè)的主要捕撈方式之一，憑借著優(yōu)越的靈活性以及普適性、高效性等，橫向活躍于世界的各個(gè)海域，縱向應(yīng)用在不同深淺的海層。不過在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，拖網(wǎng)網(wǎng)具面臨著由于阻力高致使?jié)O船能耗大及作業(yè)收益低、拖曳速度及時(shí)間不合理導(dǎo)致捕撈量與品質(zhì)下降、網(wǎng)具設(shè)計(jì)不具備標(biāo)準(zhǔn)化引起管理松散等問題，致使拖網(wǎng)捕撈作業(yè)與可持續(xù)生產(chǎn)的目標(biāo)背道而馳。

為了有效解決好這些問題，目前主流的漁具研究方法是采取海上實(shí)測、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等手段，對(duì)多種拖網(wǎng)的性能進(jìn)行多變量研究。由于學(xué)者們研究角度的不同，同一頂拖網(wǎng)的性能指標(biāo)、影響因子選取及組合便達(dá)數(shù)種，研究出的結(jié)果也是多樣的。當(dāng)選定了一個(gè)指標(biāo)后，在某幾個(gè)因子的影響下得到的最佳結(jié)果是否適用于其他因子組合的情況，這仍然需要進(jìn)一步探究。從拖網(wǎng)研究整體來看，選取不同影響因子組合，導(dǎo)致同一頂或同一類拖網(wǎng)在進(jìn)行優(yōu)劣評(píng)價(jià)時(shí)所得到的結(jié)論不同，進(jìn)而使拖網(wǎng)網(wǎng)具在設(shè)計(jì)及規(guī)范化應(yīng)用上有值得探究的地方。

一、當(dāng)今拖網(wǎng)網(wǎng)具性能研究基礎(chǔ)

在漁業(yè)管理逐步完善、漁業(yè)資源衰退及捕撈成本不斷增加等眾多因素影響下，在捕撈限額制度及其他制度的管理下，拖網(wǎng)作業(yè)想要獲取更大的經(jīng)濟(jì)成效，通過提高拖網(wǎng)各方面性能實(shí)現(xiàn)降低捕撈成本是有效提高收益的手段之一。據(jù)FAO統(tǒng)計(jì)，2020年全球水生動(dòng)物產(chǎn)量估計(jì)為1.78億噸，其中捕撈業(yè)貢獻(xiàn)了9000萬噸，帶來約1410億美元的銷售價(jià)值?？梢娭两癫稉茦I(yè)在世界漁業(yè)中仍占有較大比重，拖網(wǎng)性能的研究也因此具備著較強(qiáng)的實(shí)際意義。

（一）應(yīng)用于拖網(wǎng)網(wǎng)具性能的研究方法

漁具的主要研究方法有海上實(shí)測、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬，拖網(wǎng)性能研究也是主要依靠這三種方法實(shí)現(xiàn)。20世紀(jì)30年代左右，漁具設(shè)計(jì)、制作與生產(chǎn)在物理領(lǐng)域的研究興起，國內(nèi)外出現(xiàn)不少學(xué)者利用理論分析的成果，進(jìn)行漁具的海上實(shí)測以及風(fēng)洞或水槽試驗(yàn)，以探索最優(yōu)化的漁具性能，這其中最具代表的有蘇聯(lián)的巴拉諾夫教授、日本的田內(nèi)森三郎博士等。隨著測試儀器的發(fā)展，試驗(yàn)中所獲取的數(shù)據(jù)精度提升、類型多樣化，研究的成果可靠性越來越強(qiáng)。在近二十年內(nèi)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷突破以及結(jié)構(gòu)力學(xué)等理論分析的持續(xù)發(fā)展，使得一些耗時(shí)漫長或需要巨大財(cái)力的研究在短時(shí)間內(nèi)就能得到運(yùn)算結(jié)果，漁具水動(dòng)力特性研究的數(shù)值計(jì)算也因此取得了較大進(jìn)展。這三種方法各有優(yōu)劣（見表1），而三者的互相檢驗(yàn)已成為當(dāng)今漁具研究的一個(gè)主流趨勢。

表1 漁具研究方法的優(yōu)劣

（二）網(wǎng)具性能觀測指標(biāo)的選取

由于漁具類型及適用條件的不同，漁具所表現(xiàn)出來的性能各異，觀測時(shí)選取的指標(biāo)也不盡相同。如圍網(wǎng)在實(shí)際生產(chǎn)中表現(xiàn)出來的主要性能是水動(dòng)力特性及沉降性，其主要選取的是水動(dòng)力系數(shù)（水阻力）和沉降深度及沉降速度等指標(biāo)。延繩釣主要的性能則為漁獲率及選擇性等。而本文的探討對(duì)象——拖網(wǎng)，在捕撈作業(yè)過程中展現(xiàn)出的主要性能有水動(dòng)力特性、擴(kuò)張性及經(jīng)濟(jì)性能等。在拖網(wǎng)性能的研究過程中，不論是海上實(shí)測、模型試驗(yàn)還是數(shù)值模擬，多數(shù)學(xué)者所選取的主要的性能觀測指標(biāo)是網(wǎng)具阻力、網(wǎng)口高度、能耗系數(shù)等。根據(jù)拖網(wǎng)作業(yè)的特性，文中將圍繞網(wǎng)具阻力、網(wǎng)口高度及能耗系數(shù)這三個(gè)較能充分展示拖網(wǎng)網(wǎng)具性能的指標(biāo)進(jìn)行分析。

（三）拖網(wǎng)網(wǎng)具性能研究趨勢

基于21世紀(jì)計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬在拖網(wǎng)性能研究中開始廣泛應(yīng)用，如Rong Wan等（Ocean Univ China, Fishery Coll）構(gòu)建南極磷蝦拖網(wǎng)的數(shù)值模型，王永進(jìn)等（中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所）構(gòu)建大網(wǎng)目底拖網(wǎng)網(wǎng)具的數(shù)學(xué)模型，劉莉莉等（浙江海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院）以日本某四片式中層拖網(wǎng)為例構(gòu)建模型等，都得出了數(shù)值計(jì)算模型能在一定程度上對(duì)拖網(wǎng)進(jìn)行仿真模擬，并通過軟件支持為拖網(wǎng)設(shè)計(jì)及性能預(yù)測提供有價(jià)值的信息。此外，由于物種、資源和環(huán)境的保護(hù)受到世界廣泛重視，拖網(wǎng)的選擇性研究也活躍起來。De Robertis Alex 等（Alaska Fisheries Science Center）改造遠(yuǎn)洋拖網(wǎng)保護(hù)小型北極魚類，Broadhurst Matt K.（NSW Department of Primary Industries, Fisheries Conservation Technology Unit, National Marine Science Centre, Southern Cross University）等利用魚眼的改造排除了更多的副漁獲物等，以上均證實(shí)了選擇性拖網(wǎng)不僅在保護(hù)漁業(yè)資源上能發(fā)揮良好功效，也能在燃油消耗量與副漁獲量之間求取利益提升。當(dāng)然最直接的研究還是依靠水槽或是海域，配合網(wǎng)口高度測量儀器、測速儀等漁業(yè)測試儀器，研究節(jié)能型拖網(wǎng)的基本參數(shù)以及合適的生產(chǎn)條件。

二、拖網(wǎng)網(wǎng)具阻力指標(biāo)研究進(jìn)展

拖網(wǎng)網(wǎng)具的總阻力包括了網(wǎng)衣部分、綱索部分、主要屬具部分三項(xiàng)。網(wǎng)衣部分計(jì)算阻力時(shí)常用日本田內(nèi)網(wǎng)片阻力計(jì)算公式等；綱索部分由于結(jié)構(gòu)及作業(yè)狀態(tài)的差異，計(jì)算阻力的公式也不盡相同；主要屬具中也因?qū)倬叩牟煌瑢?dǎo)致計(jì)算方式不同。隨著傳感器等現(xiàn)代儀器技術(shù)的發(fā)展，在實(shí)驗(yàn)中可直接借助如LC-FW-200型測力傳感器、Lu-A型測力傳感器等測力系統(tǒng)輕松獲取實(shí)物或模型阻力數(shù)據(jù)。而當(dāng)前的數(shù)值模擬大多基于有限元法進(jìn)行阻力計(jì)算。

在海上生產(chǎn)的拖網(wǎng)，其阻力不僅會(huì)受到本身參數(shù)大小的影響，也會(huì)受到周遭環(huán)境的影響。近些年來，拖網(wǎng)阻力多因子研究在持續(xù)進(jìn)行中，以下是近幾年里部分研究團(tuán)隊(duì)的研究成果（見表2）。目前針對(duì)拖網(wǎng)的研究聚焦在總體性能，阻力方面單獨(dú)研究極為少見，其他指標(biāo)亦如此。故有些因子雖然存在，但在研究中并沒有進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。同時(shí)，也存在單個(gè)因子的拖網(wǎng)性能研究，這類研究大多采用數(shù)值模擬的方法。數(shù)值模擬雖然具有預(yù)測功能，但由于產(chǎn)出的結(jié)果具有較強(qiáng)的限制性，該類研究大多停留在單因子變量層面，并沒有繼續(xù)往下模擬探究。雖然有些研究還會(huì)加做水槽試驗(yàn)（即一個(gè)研究中采用兩種方法），但試驗(yàn)主要目的是檢驗(yàn)計(jì)算值，故也不會(huì)額外增添因子數(shù)量。

表2 近六年拖網(wǎng)漁具阻力與影響因子的關(guān)聯(lián)研究

由表2可知，當(dāng)前在拖網(wǎng)阻力的研究中，海上實(shí)測以及數(shù)值模擬大多是為了檢驗(yàn)和預(yù)測網(wǎng)具的性能，水槽試驗(yàn)則主要被用于探索和比較另外兩種方法結(jié)果數(shù)據(jù)的可能性和準(zhǔn)確性。在因子組合的挑選中，除了一些傳統(tǒng)因子組合（如拖速、水平擴(kuò)張比）外，在近期的研究中還會(huì)根據(jù)拖網(wǎng)特性以及拖網(wǎng)設(shè)計(jì)理論，選擇加入部分較為罕見的研究因子如網(wǎng)線材料、背（腹）網(wǎng)與側(cè)網(wǎng)拉直寬度比等進(jìn)行補(bǔ)充。由于拖網(wǎng)組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拖網(wǎng)本身存在數(shù)種可變因子，加之網(wǎng)體外的因子也會(huì)對(duì)拖網(wǎng)阻力產(chǎn)生影響，因此除了根據(jù)經(jīng)典水阻力公式上直接顯示的一些因子組合外，因子組合的選取仍具有很高的自由度，多樣化組合對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的規(guī)范以及后續(xù)實(shí)物拖網(wǎng)的設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)帶來了一定程度的困擾。

三、拖網(wǎng)網(wǎng)具網(wǎng)口高度指標(biāo)研究進(jìn)展

拖網(wǎng)網(wǎng)具在作業(yè)中擴(kuò)張性可分為水平擴(kuò)張和垂直擴(kuò)張，這二者之間存有負(fù)相關(guān)關(guān)系，即當(dāng)水平擴(kuò)展比越小時(shí)垂直擴(kuò)張就越大，反之亦然。為了實(shí)現(xiàn)更好的水平擴(kuò)張效果，目前大多方法是加入網(wǎng)板屬具。網(wǎng)板在水流中能夠產(chǎn)生側(cè)向力，能使得拖網(wǎng)的網(wǎng)口向兩側(cè)撐開。鑒于網(wǎng)板性能優(yōu)越以及相關(guān)研究豐富，故不贅述水平擴(kuò)張。

網(wǎng)口高度作為評(píng)價(jià)拖網(wǎng)垂直擴(kuò)張性能的重要指標(biāo)，同樣也能依靠傳感儀器（如Marport網(wǎng)眼傳感器等）設(shè)備進(jìn)行讀取。由于網(wǎng)口高度并不像水動(dòng)力那般可以用計(jì)算公式作為研究影響因子組合的參考依據(jù)，其受何種因子影響及影響程度或大或小，都需要進(jìn)一步探究。根據(jù)近幾年較新的拖網(wǎng)性能研究中網(wǎng)口高度研究分析（見表3）可知，仍存在較多因子未進(jìn)行與拖網(wǎng)網(wǎng)口高度的顯著性分析。

表3 近六年拖網(wǎng)網(wǎng)具網(wǎng)口高度與影響因子的關(guān)聯(lián)研究

在拖網(wǎng)性能研究中，與阻力一樣，網(wǎng)口高度的研究載體，不同研究團(tuán)隊(duì)的選擇也不盡相同。在多因子研究中所得到的因子與指標(biāo)之間的關(guān)系結(jié)論，其所包含的一些精確數(shù)據(jù)結(jié)論在其他類型拖網(wǎng)中是否適用，仍需要進(jìn)一步檢驗(yàn)。

四、拖網(wǎng)網(wǎng)具能耗系數(shù)指標(biāo)研究進(jìn)展

能耗系數(shù)是通過計(jì)算求得的性能指標(biāo)，目前在國內(nèi)仍有較多使用，多數(shù)的相關(guān)研究（見表4）是依據(jù)這一公式進(jìn)行的。由于其本身是借助網(wǎng)口高度和網(wǎng)具阻力得到的一個(gè)計(jì)算值，其影響因子的種類大體與網(wǎng)口高度和阻力相同，故表4中不再重復(fù)列舉影響因子。對(duì)于能耗系數(shù)這一指標(biāo)，檢索近些年已發(fā)表的論文，國外使用頻率相對(duì)較少，這主要是由于有水動(dòng)力系數(shù)等其他計(jì)算值指標(biāo)的存在，及利用網(wǎng)口形狀直接展示捕撈效率等體現(xiàn)拖網(wǎng)網(wǎng)具性能的方式存在所致。當(dāng)然，選取其他計(jì)算值來評(píng)估拖網(wǎng)性能大多繞不開阻力或網(wǎng)口擴(kuò)張，故能耗系數(shù)的替換并不會(huì)太影響拖網(wǎng)網(wǎng)具性能的研究進(jìn)展。根據(jù)已有研究以及生產(chǎn)特性，易得知能耗是不可能被消除或百分百轉(zhuǎn)化為實(shí)際捕撈量的，目前能做的主要是能耗趨小化研究。

表4 近六年拖網(wǎng)網(wǎng)具能耗系數(shù)與影響因子的關(guān)聯(lián)研究結(jié)論

五、展望

雖然業(yè)界從20世紀(jì)初便開始了拖網(wǎng)性能的研究，但目前來看仍有較多問題需要學(xué)者們解決。以下從有待研究的問題以及評(píng)價(jià)體系構(gòu)建兩個(gè)方面對(duì)拖網(wǎng)性能影響因子未來的研究進(jìn)行展望。

（一）有待研究的問題

隨著科技的進(jìn)步，拖網(wǎng)設(shè)計(jì)也在發(fā)展。從近些年發(fā)表的論文可知，在拖網(wǎng)性能研究中存在較多的因子未進(jìn)行探索或因子與研究方法結(jié)合度不足等問題。據(jù)已有文獻(xiàn)資料可知，拖網(wǎng)性能在空綱長度、浮沉力分布、上下綱垂度等影響因子上的研究缺失或較少。故之后的研究可嘗試從罕見因子入手，或深究已經(jīng)出現(xiàn)過的因子，從而完善拖網(wǎng)設(shè)計(jì)改進(jìn)的參考數(shù)據(jù)。

此外，數(shù)值模擬作為一個(gè)新興的拖網(wǎng)研究方法，其在使用時(shí)主要是通過把拖網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，同時(shí)人為地忽略一些實(shí)際條件后采用有限元方法構(gòu)建簡化模型，再進(jìn)行計(jì)算模擬。這樣的做法雖然簡便快捷，但仍需進(jìn)行水槽實(shí)驗(yàn)或是海上實(shí)測檢驗(yàn)，結(jié)論方可利用，這無疑增添了研究工作的流程，此外數(shù)值模擬研究中因子的選取目前來看也較為單一。故在今后的拖網(wǎng)性能數(shù)值模擬研究中，應(yīng)盡可能完善模型構(gòu)建的細(xì)節(jié)以及增加影響因子的種類與數(shù)量，進(jìn)而提高拖網(wǎng)數(shù)值模擬研究結(jié)論在拖網(wǎng)設(shè)計(jì)與改進(jìn)中的參考性。

（二）統(tǒng)一評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建

實(shí)物拖網(wǎng)網(wǎng)具設(shè)計(jì)圖中的具體參數(shù)被確定后，一般會(huì)進(jìn)行模型試驗(yàn)分析模型網(wǎng)具的性能。分析過程不同、采取角度不同，可能會(huì)導(dǎo)致研發(fā)人員誤判拖網(wǎng)的實(shí)際優(yōu)劣。如利用統(tǒng)一的拖網(wǎng)網(wǎng)具性能評(píng)價(jià)體系，則能規(guī)范拖網(wǎng)網(wǎng)具的評(píng)價(jià)分析以及提高不同拖網(wǎng)網(wǎng)具之間的參數(shù)條件兼容性。以下提供一種基于權(quán)重的統(tǒng)一評(píng)價(jià)體系（見圖1）供大家參考，該統(tǒng)一化評(píng)價(jià)體系基于大量研究后得到的公認(rèn)以及固定的因子組合以及固定的權(quán)重建立。

圖1 一種可供參考的基于權(quán)重的統(tǒng)一評(píng)價(jià)體系

以上統(tǒng)一評(píng)價(jià)體系僅為參考，其可行性尚未徹底深究。真正的統(tǒng)一評(píng)價(jià)體系建立，還需該領(lǐng)域?qū)W者們?nèi)蘸蠊餐ρ芯坎⑦_(dá)成共識(shí)才能實(shí)現(xiàn)。統(tǒng)一評(píng)價(jià)體系建立后拖網(wǎng)網(wǎng)具性能評(píng)價(jià)可實(shí)現(xiàn)趨同，這將極大推進(jìn)拖網(wǎng)網(wǎng)具設(shè)計(jì)、改進(jìn)的高效化與規(guī)范化。