周愛忠，張 勛，馮春雷，郁岳峰

（中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東海與遠(yuǎn)洋漁業(yè)資源開發(fā)利用重點(diǎn)實驗室，上海 200090）

0 引 言

20世紀(jì)80年代中期起，中國遠(yuǎn)洋漁業(yè)開始起步，經(jīng)過多年的發(fā)展，取得了矚目的成績[1]。根據(jù)2021 年的統(tǒng)計，遠(yuǎn)洋漁船總數(shù)為2 705 艘，總產(chǎn)量為231.7 萬t，產(chǎn)值達(dá)239.2 億元[2]。但對于以單船底拖為主的遠(yuǎn)洋中型拖網(wǎng)漁船而言，面臨傳統(tǒng)漁場資源衰退、入漁國漁業(yè)政策日趨嚴(yán)格等問題[3]。中東大西洋西非沿岸摩洛哥-塞內(nèi)加爾海域中上層魚類資源豐富，從塞內(nèi)加爾到摩洛哥近海大片海域中，有多個魚種小型中上層魚類因其經(jīng)濟(jì)上的重要性引起關(guān)注[4-6]。目前在西北非從事中上層魚類捕撈的主要為歐盟、俄羅斯、烏克蘭、波蘭和愛爾蘭，以及當(dāng)?shù)氐墓I(yè)捕魚船，其年均總漁獲量可達(dá)1.9×106t 左右[7-9]。中國最多時有10 艘左右的大型中層拖網(wǎng)漁船在該海區(qū)生產(chǎn)，但由于成本等原因，近年已很少有中國的大型中層拖網(wǎng)漁船進(jìn)入該海區(qū)[10-11]。在該海域作業(yè)的過洋性拖網(wǎng)漁船,主機(jī)額定功率一般在735～1000 kW，以近海單船底層拖網(wǎng)作業(yè)為主。為減輕對底層資源的壓力，主機(jī)額定功率1 000 kW 左右中型拖網(wǎng)漁船，適合使用中層拖網(wǎng)綜合開發(fā)利用中上層魚類。

中層拖網(wǎng)又稱變水層拖網(wǎng)，可通過調(diào)節(jié)控制拖網(wǎng)在一定的水層中作業(yè)，是捕撈中上層魚類的主要手段之一。早在20 世紀(jì)30 年代，世界先進(jìn)漁業(yè)國家開始試驗，隨著水聲設(shè)備在漁業(yè)上的應(yīng)用，中層拖網(wǎng)逐步得到發(fā)展應(yīng)用[12-15]。國內(nèi)的中層拖網(wǎng)應(yīng)用較晚，1985 年起，上海、大連等海洋漁業(yè)公司從國外引進(jìn)大型拖網(wǎng)加工船，應(yīng)用中層拖網(wǎng)在北太平洋捕撈狹鱈。目前，國內(nèi)對中層拖網(wǎng)的研究主要集中于大型中層拖網(wǎng)漁船（主機(jī)功率5 000 kW 以上）所使用的大型中層拖網(wǎng)[15-19]，國內(nèi)雖有中型拖網(wǎng)漁船底層、表層拖網(wǎng)放大網(wǎng)目尺寸、擴(kuò)大網(wǎng)具規(guī)格等進(jìn)行研究[20-21]，也進(jìn)行過雙船中層拖網(wǎng)的試驗和網(wǎng)位研究[22]，但由于漁場資源、技術(shù)習(xí)慣等原因，單船中層拖網(wǎng)很少在國內(nèi)中型漁船上得到應(yīng)用。

針對在中東大西洋海域作業(yè)的中國遠(yuǎn)洋中型單拖漁船缺乏捕撈中上層魚類手段的現(xiàn)狀，本文收集整理大型中層拖網(wǎng)和近海中型拖網(wǎng)漁船所使用的大網(wǎng)目拖網(wǎng)相關(guān)資料，在分析網(wǎng)具的主尺度、相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)和水動力性能的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有裝備和研究，優(yōu)化設(shè)計3 種不同網(wǎng)口周長的中型拖網(wǎng)漁船應(yīng)用的中層拖網(wǎng)，并進(jìn)行模型試驗和海上生產(chǎn)試驗，以期為研發(fā)適合中國遠(yuǎn)洋中型拖網(wǎng)漁船的中層拖網(wǎng)提供參考。

1 參考網(wǎng)具的結(jié)構(gòu)參數(shù)和阻力分析

國內(nèi)遠(yuǎn)洋大型中層拖網(wǎng)主要依靠進(jìn)口，早期為捕撈狹鱈的大型中層拖網(wǎng)由俄羅斯設(shè)計；目前捕撈竹莢魚的大型中層拖網(wǎng)多為荷蘭、智利等國設(shè)計制造[23]。其網(wǎng)具結(jié)構(gòu)、網(wǎng)型和國內(nèi)近海所用的大網(wǎng)目拖網(wǎng)有較大不同。本文選取生產(chǎn)實踐中具有代表性的3 頂大型中層拖網(wǎng)（1056 型、960 型、1040 型）和國內(nèi)近海應(yīng)用的1 頂大網(wǎng)目底拖網(wǎng)（720 型）、1 頂大網(wǎng)目浮拖網(wǎng)（540 型）作為設(shè)計參考，其中大型中層拖網(wǎng)為四片式結(jié)構(gòu)，大網(wǎng)目拖網(wǎng)為手工圓筒編織網(wǎng)，網(wǎng)具的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 參考網(wǎng)具的主要規(guī)格和參數(shù)Table 1 The main specifications and parameters of reference trawl nets

由表1 可見，網(wǎng)口周長1 000 m 左右的大型中層拖網(wǎng)，網(wǎng)口網(wǎng)目尺寸可達(dá)20 m 以上，而國內(nèi)近海中型拖網(wǎng)漁船使用的大網(wǎng)目拖網(wǎng)，最大網(wǎng)目尺寸為15 m 左右，10 m 左右較多見，其中底層拖網(wǎng)的網(wǎng)口網(wǎng)目尺寸常小于10 m。雖然經(jīng)過不斷放大，由于主機(jī)功率、作業(yè)甲板長度、捕撈對象等原因，網(wǎng)口網(wǎng)目尺寸一般小于大型中層拖網(wǎng)。從身周比（Lb/C）來看，3 頂大型中層拖網(wǎng)的平均身周比為0.163，而近海大網(wǎng)目拖網(wǎng)身周比為平均為0.226；從袖周比（Lw/C）來看，3 頂大型中層拖網(wǎng)的平均袖周比為0.050，而國內(nèi)大網(wǎng)目拖網(wǎng)的袖周比平均為0.096，有較大差異。由于中上層魚類的游速普通較快，網(wǎng)袖引導(dǎo)魚類入網(wǎng)的作用不如增加拖速作用明顯，因此，網(wǎng)具設(shè)計時袖周比較小，而國內(nèi)大網(wǎng)目拖網(wǎng)基本為底拖網(wǎng)，網(wǎng)袖相對較長，袖周比較大，有助于擴(kuò)大掃海面積。

通過查閱文獻(xiàn)資料和東海水產(chǎn)研究所拖網(wǎng)模型試驗數(shù)據(jù)庫，國內(nèi)大型拖網(wǎng)漁船的主機(jī)額定功率一般為5 000～6 000 kW，在常用作業(yè)拖速下（2.31 m/s）表1 中大型中層拖網(wǎng)的阻力為166～246 kN。主機(jī)額定功率區(qū)間在440～588 kW 的近海雙船大網(wǎng)目拖網(wǎng)，在2.31 m/s拖速下拖網(wǎng)的阻力為92～120 kN，而在作業(yè)拖速下（1.54 m/s）網(wǎng)具阻力約為60～80 kN。

2 設(shè)計方案

鑒于國內(nèi)大網(wǎng)目拖網(wǎng)生產(chǎn)加工和使用實踐，本文設(shè)計試驗網(wǎng)的網(wǎng)頭（網(wǎng)袖和網(wǎng)身的超大網(wǎng)目部分）采用傳統(tǒng)圓筒編織工藝代替大型中層拖網(wǎng)的四片式結(jié)構(gòu)。拖網(wǎng)前部網(wǎng)目規(guī)格大型化是現(xiàn)代拖網(wǎng)發(fā)展的成果，但針對特定的捕撈對象，網(wǎng)口的網(wǎng)目尺寸規(guī)格目前多大依經(jīng)驗確定，考慮中國遠(yuǎn)洋中型拖網(wǎng)漁船的后甲板長度和作業(yè)條件，試驗網(wǎng)口網(wǎng)目尺寸定為12 m。根據(jù)漁具水動力原理，結(jié)合第1 節(jié)大網(wǎng)目拖網(wǎng)的漁具模型試驗阻力、主機(jī)功率、拖速等參數(shù)，設(shè)計網(wǎng)具的網(wǎng)口周長為552 m（552型），456 m（456 型），360 m（360 型）3 種型號拖網(wǎng)，3 種拖網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、材料、網(wǎng)口網(wǎng)目尺寸相同，身周比、袖周比等參數(shù)盡量保持相近。大型中層拖網(wǎng)通常上、下綱的長度相同，不設(shè)網(wǎng)蓋，因此試驗網(wǎng)舍棄近海大網(wǎng)目拖網(wǎng)的天井網(wǎng)、地井網(wǎng)。作業(yè)實踐表明，上綱略短可使上綱與下綱在起放網(wǎng)時略有錯位而不易糾纏，上、下綱的配綱系數(shù)略有不同，552 型試驗網(wǎng)具的上綱長度為102.84 m，下綱長度為 104.16 m，下綱比上綱略長1.32 m。王明彥等[24]對身周比的研究認(rèn)為，隨著網(wǎng)口網(wǎng)目尺寸增大，身周比有縮小的趨勢，本文試驗網(wǎng)的網(wǎng)口網(wǎng)目尺寸與近海大網(wǎng)目拖網(wǎng)相近，因此，試驗網(wǎng)的身周比參照國內(nèi)大網(wǎng)目拖網(wǎng)設(shè)計，為0.217。王永進(jìn)等[21]對大網(wǎng)目拖網(wǎng)袖長比的研究認(rèn)為，袖長比0.36～0.39 為佳，網(wǎng)口周長對網(wǎng)具水動力性能的影響比網(wǎng)具的長度更大，因此袖周比更能準(zhǔn)確表征網(wǎng)袖比例。由于本文試驗網(wǎng)的網(wǎng)頭部分采用圓筒編織的工藝，網(wǎng)袖參照國內(nèi)大網(wǎng)目拖網(wǎng)設(shè)計。試驗網(wǎng)具的袖周比取0.076，約等于大型中層拖網(wǎng)和國內(nèi)大網(wǎng)目拖網(wǎng)袖周比的平均值。552 型浮力配置為9.8kN，沉力配置為7.84 kN，采用中綱部分占40%，兩袖各占 30% 的分布方式。袖端各配置重錘質(zhì)量100 kg，空綱長度為150 m。另外2 種規(guī)格試驗網(wǎng)的浮沉力、重錘、空綱長度的配置按比例縮小。表2 是3 種試驗網(wǎng)的主要規(guī)格和參數(shù)。

表2 試驗網(wǎng)的主要規(guī)格和參數(shù)Table 2 The main specifications and parameters of test trawls

3 模型試驗

為明確所設(shè)計試驗網(wǎng)具的水動力性能，對所設(shè)計的3 種網(wǎng)口周長規(guī)格的試驗網(wǎng)進(jìn)行模型試驗。

3.1 試驗方法與數(shù)據(jù)處理

網(wǎng)具模型試驗在東海水產(chǎn)研究所拖網(wǎng)漁具模型試驗水池內(nèi)進(jìn)行，試驗靜水池規(guī)格為90 m×6 m×3 m。拖車驅(qū)動電機(jī)功率7.5 kW×4 臺，拖速范圍0.1～4.0 m/s，配有微機(jī)處理調(diào)速系統(tǒng)，速度精度±1%。光電測速儀精度±0.01%。測力傳感器量程200 N，非線性誤差0.2%。網(wǎng)高儀為 DIVETR DI501 型水位儀，距離分辨率10 mm。

模型按田內(nèi)準(zhǔn)則進(jìn)行換算，大尺度比為30，小尺度比為9，按 SC/T4014－1997“拖網(wǎng)模型制作方法”加工制作模型網(wǎng)具[25]。依據(jù)生產(chǎn)實踐，模型網(wǎng)具的網(wǎng)袖端間距/下綱長度為0.35、0.40、0.45。拖速1.29～2.83 m/s，按0.257 m/s 遞增。按 SC/T4011－1995“拖網(wǎng)模型水池試驗方法”標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗和數(shù)據(jù)處理[26]。

實物網(wǎng)阻力與模型網(wǎng)阻力的關(guān)系為

式中Hs為實物網(wǎng)的網(wǎng)口高度，m；Hm為模型網(wǎng)的網(wǎng)口高度，m。

能耗系數(shù)是表征拖網(wǎng)效率的重要參數(shù)，其值用網(wǎng)具過濾單位水體所消耗的能量來表示：

式中P為實物網(wǎng)在設(shè)定拖速下的功率消耗，kW；V為實物網(wǎng)拖速，m/s。

3.2 模型試驗結(jié)果與分析

圖1 是3 種規(guī)格試驗網(wǎng)在試驗設(shè)定的網(wǎng)袖端間距/下綱長度為0.35、0.40、0.45 下的速度、阻力、網(wǎng)口高度變化趨勢，由圖1 可見，當(dāng)拖速為2.31 m/s 時，552 型試驗網(wǎng)的實物計算平均阻力為 151.82 kN，平均網(wǎng)口高度為28.74 m；456 型試驗網(wǎng)的平均阻力為135.6 kN，平均網(wǎng)口高度為24.96 m，360 型試驗網(wǎng)的實物計算平均阻力為70.76 kN，平均網(wǎng)口高度為20.20 m。隨著網(wǎng)口周長的縮小，網(wǎng)具阻力和網(wǎng)口高度均有所下降，360 型試驗網(wǎng)的計算阻力為552型計算阻力的46.61%，接近網(wǎng)口周長縮小比例的平方；而網(wǎng)口高度為70.28%，與網(wǎng)口周長縮小比例接近。

表3 是試驗網(wǎng)的能耗系數(shù)的實物計算值，從表3 可見，3 頂不同網(wǎng)口規(guī)格的試驗網(wǎng)的能耗系數(shù)較接近，360 型在高拖速下能耗系數(shù)較其余2 頂略低。在拖速為2.31 m/s時，試驗網(wǎng)的平均能耗系數(shù)為0.416 kW·h/(104m3)，約為大型中層拖網(wǎng)的2 倍，略大于表2 的近海大網(wǎng)目拖網(wǎng)。

表3 試驗網(wǎng)的能耗系數(shù)Table 3 Energy consumption coefficient of each design trawl(kW·h·(104 m3)-1)

試驗網(wǎng)的功率消耗是指在不同拖速下拖曳網(wǎng)具所需消耗的功率，其與漁船主機(jī)功率的匹配是網(wǎng)具設(shè)計的主要問題。表4 是根據(jù)模型試驗計算的試驗網(wǎng)具不同拖速下的功率消耗實物換算值。在拖速為2.31 m/s 時，552 型試驗網(wǎng)的平均功率消耗為351.46 kW，456 型試驗網(wǎng)的平均功率消耗為313.93 kW，360 型試驗網(wǎng)的平均功率消耗為163.80 kW，552 型試驗網(wǎng)的功率消耗約為456 型試驗網(wǎng)的1.12 倍，360 型試驗網(wǎng)的2.15 倍。

表4 試驗網(wǎng)具的功率消耗Table 4 Power consumption of test nets kW

4 海上試驗

試驗漁船為尾滑道冷凍加工中型拖網(wǎng)漁船，船舶全長 65.25 m，主機(jī)標(biāo)示功率 1 764 kW，軸帶發(fā)電機(jī)350 kW（試驗船主機(jī)老舊，實際拖力約1 000 kW）。海上試驗時間為2018 年5 月4 日－6 月2 日，共計30 d。在中東大西洋10°N、17°W 附近海域進(jìn)行，試驗的浮沉力、重錘、空綱長度等均按設(shè)計方案設(shè)置。首先試驗了552型拖網(wǎng)，網(wǎng)板使用4.8 m2的橢圓形雙開縫網(wǎng)板。根據(jù)試驗船的GPS 記錄，552 型中層拖網(wǎng)作業(yè)時平均拖速為2.06 m/s，以此計算每秒濾水體積約為2 442 m3。盡管魚探儀探測到中上層魚群映像，但是所捕獲的中上層魚類占比很小，僅有5%，產(chǎn)量也很低，所捕多為游泳能力較差的雜魚，因此推測試驗船的拖力沒有達(dá)到標(biāo)定功率的預(yù)計值，試驗網(wǎng)具規(guī)格偏大，與現(xiàn)有漁船拖力不匹配，達(dá)不到中上層魚類所需拖速。經(jīng)5 個網(wǎng)次試驗后，更換456 型網(wǎng)具進(jìn)行試驗，網(wǎng)板更換為4.0 m2復(fù)翼立式曲面V 型網(wǎng)板，產(chǎn)量明顯上升，經(jīng)過56 個網(wǎng)次的生產(chǎn)，共計漁獲234.2 t，平均每小時漁獲量為0.77 t。平均拖速為 2.26 m/s，比 552 型上升了約 10%，最高可達(dá)2.47 m/s，作業(yè)時每秒濾水體積約1 927 m3，基本滿足捕撈中上層魚類所需的拖速。最后更換360 型網(wǎng)，經(jīng)過35網(wǎng)次試驗，平均拖速為2.52 m/s，作業(yè)時可每秒濾水體積約1 321 m3。與前2 種規(guī)格的試驗網(wǎng)比較，360 型試驗網(wǎng)每秒濾水體積僅為552 型的54.10%，為456 型的68.55%。360 型試驗網(wǎng)最高拖速達(dá)到2.67 m/s，平均每小時漁獲量為1.13 t，最高網(wǎng)次連續(xù)拖曳4 h 產(chǎn)量達(dá)到20 t，其中中上層魚類的比例達(dá)到90%。圖2 是海上試驗時360 型試驗網(wǎng)起上甲板的試驗現(xiàn)場。表5 是試驗網(wǎng)的網(wǎng)次產(chǎn)量統(tǒng)計。

由于風(fēng)浪等影響，海上實測的網(wǎng)具阻力干擾較多。根據(jù)表5 各試驗網(wǎng)的海上實測平均拖速和表4 計算可知，海上實測網(wǎng)具袖端的水平擴(kuò)張約為L/S=0.40，552型試驗網(wǎng)拖速約為2.06 m/s，功率消耗為247 kW，約為主機(jī)額定功率的14%；456 型的平均拖速為2.26 m/s，功率消耗為295.68 kW，為主機(jī)額定功率的16%；360 型的平均拖速2.52 m/s，功率消耗為198.75 kW，為主機(jī)額定功率的11%。各規(guī)格試驗網(wǎng)的功率消耗占主機(jī)額定功率的比例為11%～16%，有一定的差異，這一方面是因為網(wǎng)板的不同造成的，另外一個原因是由于海上實測的GPS顯示拖速與模型試驗?zāi)M流速存在較大的誤差和海上風(fēng)速的影響。目前，尚沒有對國內(nèi)中型拖網(wǎng)漁船中層拖網(wǎng)作業(yè)時網(wǎng)具消耗功率的報告。研究表明[27-30]，拖曳作業(yè)時漁具的消耗功率占主機(jī)額定功率的比例因船型、主機(jī)不同而不同，為18%～25%之間，而其中網(wǎng)具的消耗功率比例為65%～72%左右。按此計算，網(wǎng)具部分的功率消耗占主機(jī)額定功率的比例約為12%～18%，略大于本試驗的計算結(jié)果。影響漁船的拖力因素較多，包括漁船的船型、螺旋槳、導(dǎo)流罩、尾軸長短，主機(jī)的型號、廠家、轉(zhuǎn)速、使用時間等等不一而足，本次試驗的主機(jī)標(biāo)示功率與實際功率差距較大，本文僅以主機(jī)額定功率來分析網(wǎng)具規(guī)格和漁船的匹配，實踐中可根據(jù)實際情況相應(yīng)的調(diào)整。

表5 海上試驗數(shù)據(jù)Table 5 Data of sea test

5 結(jié) 論

1）針對中國遠(yuǎn)洋中型拖網(wǎng)漁船捕撈中東大西洋小型中上層魚類設(shè)計的中層拖網(wǎng)，網(wǎng)具大網(wǎng)目部分采用采用圓筒編織工藝，網(wǎng)身后部小網(wǎng)目部分采用四片式剪裁工藝。簡化了網(wǎng)具的結(jié)構(gòu)，有利于網(wǎng)具的加工和修理，易于推廣使用。網(wǎng)具的最大網(wǎng)目尺寸達(dá)到12 m，身周比為0.217，袖周比為0.076。在拖速為2.31 m/s 時，552 型試驗網(wǎng)在袖端間距L與長綱長度S之比為0.35、0.40、0.45三種水平下的平均阻力為 151.82 kN，網(wǎng)口高度為28.74 m；456 型試驗網(wǎng)的平均阻力為135.60 kN，網(wǎng)口高度為24.96 m；360 型試驗網(wǎng)的平均阻力為70.76 kN，網(wǎng)口高度為20.20 m。網(wǎng)具的網(wǎng)型展開良好，受力勻稱。

2）在中東大西洋海域作業(yè)試驗時，360 型試驗網(wǎng)作業(yè)拖速最高可達(dá)2.67 m/s，單網(wǎng)次最高產(chǎn)量可達(dá)20 t。捕撈游泳能力較強(qiáng)的中上層魚類，拖速是關(guān)鍵因素，2.52 m/s 左右的拖速可有效提高捕撈產(chǎn)量。360型網(wǎng)為3頂試驗網(wǎng)中網(wǎng)口規(guī)格最小，單位時間濾水體積也最小，但因為拖速較高，單位時間產(chǎn)量反而大大超過其余2 頂試驗網(wǎng)。

3）各規(guī)格試驗網(wǎng)的功率消耗占主機(jī)額定功率的比例從11%～16%，由于本次試驗船的主機(jī)標(biāo)示功率與實際功率的差距，試驗網(wǎng)具的功率消耗占主機(jī)額定功率的比例略小。