李 杰，張 鵬，王 騰，晏 磊，楊炳忠，陳作志

（中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部外海漁業(yè)開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510300）

南海外海蘊(yùn)藏著豐富的大洋性頭足類和金槍魚類資源，其中以鳶烏賊 (Sthenoteuthis oualaniensis)和黃鰭金槍魚 (Thunnus albacares) 最具開發(fā)潛力[1]。罩網(wǎng)漁船通過燈光誘集的方法主捕趨光性的中上層魚類和頭足類[2]，因捕撈效率高、技術(shù)要求低等優(yōu)勢，已成為南海外海鳶烏賊資源開發(fā)的主要手段。此外，大型鋼制罩網(wǎng)漁船還兼捕攝食鳶烏賊的黃鰭金槍魚、大眼金槍魚 (T. obesus) 等[3-5]。

罩網(wǎng)作業(yè)與圍網(wǎng)作業(yè)具有一定相似性，均需要網(wǎng)具在一定時(shí)間內(nèi)沉降到一定深度，以防止魚群逃逸，并盡快絞收括綱，徹底包圍魚群[6-7]。對圍網(wǎng)作業(yè)性能的研究主要基于海上實(shí)測[6,8-12]、模型試驗(yàn)[13-17]、數(shù)值模擬[18-22]等方法分析放網(wǎng)時(shí)間、放網(wǎng)速度、海流流速、沉力配備、網(wǎng)目尺寸、網(wǎng)型差異和操作方法等因素對沉降性能的影響，并取得了豐碩的成果。但關(guān)于罩網(wǎng)作業(yè)性能的研究報(bào)道較少，主要涉及網(wǎng)口沉降閉合的變化規(guī)律[7,23]，基于多元線性回歸進(jìn)行的沉力配備、放網(wǎng)時(shí)間、海洋環(huán)境等因素對網(wǎng)口最大沉降深度的影響[7,24]，自由沉降過程的數(shù)值模擬[25]及沉降性能對漁獲率的影響[26]等。與多元線性模型相比，廣義加性模型 (Generalized Additive Model, GAM) 在漁業(yè)研究領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[27-29]，可用于揭示網(wǎng)具作業(yè)性能與影響因子間的非線性關(guān)系[8,30]。為進(jìn)一步豐富和完善罩網(wǎng)作業(yè)性能的研究，本研究將沉降過程分為自由沉降與阻尼沉降2個(gè)階段，基于海上實(shí)測，利用GAM對影響罩網(wǎng)作業(yè)性能的因子進(jìn)行分析，以期為罩網(wǎng)模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬研究的開展和罩網(wǎng)捕撈作業(yè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)漁船、時(shí)間及海域

調(diào)查漁船為南海燈光罩網(wǎng)漁船“桂北漁80208” ，鋼質(zhì)，總噸位 421 t，總長 43.6 m，型寬 7.60 m，型深4.10 m。漁船主機(jī)2臺，每臺功率201.0 kW；電機(jī)2臺，每臺功率280 kW。罩網(wǎng)的主尺度為281.60 m×81.76 m，網(wǎng)具沉子綱配重 2 816 kg。試驗(yàn)時(shí)間為2016年3月28日—4月29日，試驗(yàn)地點(diǎn)位于南海中南部海域 (圖1)，試驗(yàn)過程中將RBR duo TD綁在網(wǎng)角沉綱處，實(shí)時(shí)記錄罩網(wǎng)作業(yè)過程的網(wǎng)口深度數(shù)據(jù)；利用秒表記錄罩網(wǎng)作業(yè)的自由沉降時(shí)間；記錄風(fēng)向并用手持式風(fēng)速計(jì)測量風(fēng)速；記錄相鄰2次下網(wǎng)作業(yè)的相應(yīng)經(jīng)緯度與時(shí)間用于計(jì)算漁船漂流速度、方向等。試驗(yàn)共獲得有效數(shù)據(jù)132網(wǎng)次。

圖1 調(diào)查站點(diǎn)圖Figure 1 Survey site

1.2 數(shù)據(jù)處理

本研究將罩網(wǎng)的沉降過程分為自由沉降和阻尼沉降2個(gè)階段。自由沉降指開始放網(wǎng)至絞收括綱的過程 (這段時(shí)間定義為自由沉降時(shí)間，下沉深度定義為自由沉降深度)；阻尼沉降指開始絞收括綱至網(wǎng)口達(dá)最大沉降深度的過程 (這段時(shí)間定義為阻尼沉降時(shí)間，下沉深度定義為阻尼沉降深度)；總沉降指開始放網(wǎng)至最大沉降深度的過程 (這段時(shí)間定義為總沉降時(shí)間，下沉深度定義為總沉降深度)。使用箱型圖分析自由沉降、阻尼沉降、總沉降等階段所用時(shí)間、深度、運(yùn)動速度的分布規(guī)律。使用相關(guān)性分析研究自由沉降深度與總沉降深度、阻尼沉降深度與總沉降深度、自由沉降時(shí)間與阻尼沉降時(shí)間的相關(guān)關(guān)系。

自由沉降時(shí)間是罩網(wǎng)作業(yè)過程中最重要的參數(shù)，將自由沉降時(shí)間每間隔30 s分為一組，使用箱型圖分析其對總沉降深度和總沉降速度的影響；間隔30 s分組可避免較小時(shí)間跨度下個(gè)別分組數(shù)據(jù)量少、受異常值影響大的情況發(fā)生，且30 s的時(shí)間跨度足以為放網(wǎng)操作提供參考。每間隔5 s選取1組數(shù)據(jù)，研究自由沉降深度、速度隨自由沉降時(shí)間變化的趨勢，并采用多項(xiàng)式回歸擬合它們與自由沉降時(shí)間的關(guān)系；每間隔5 s選取1組數(shù)據(jù)，研究阻尼沉降深度、速度隨阻尼沉降時(shí)間變化的趨勢，并采用多項(xiàng)式回歸擬合它們與阻尼沉降時(shí)間的關(guān)系。

GAM是廣義線性模型的非參數(shù)擴(kuò)展形式，可分析各種因子對因變量的非線性作用，利用GAM分別研究自由沉降時(shí)間 (Tf)、風(fēng)速 (Sw)、漁船漂流速度 (Sb)、風(fēng)流向夾角 (α，風(fēng)向與漁船漂移方向間的夾角) 對自由沉降深度 (Df)、阻尼沉降深度 (Dd)的影響，網(wǎng)口括綱的絞收速度直接影響阻尼沉降過程，但阻尼沉降階段，為盡早閉合網(wǎng)口，基本以最大速度進(jìn)行絞收，故未將絞收速度作為影響因子。最終構(gòu)建模型為：

各因子依次代入模型，得到包含不同因子的模型，并根據(jù)赤池信息準(zhǔn)則 (Akaike's information criterion, AIC) 選擇最優(yōu)模型，AIC越小，模型擬合效果越佳。

數(shù)據(jù)處理采用 Excel 2010 R 4.0.2軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果

2.1 主要作業(yè)性能參數(shù)

罩網(wǎng)總沉降深度平均為 (77.760±5.190) m，其中自由沉降深度平均為 (47.320±10.040) m，是阻尼沉降深度平均值 [(30.440±7.580) m]的 1.550倍(圖 2-a)；總沉降時(shí)間平均為 (239.730±22.220) s，其中自由沉降時(shí)間平均為 (105.120±27.460) s，是阻尼沉降時(shí)間平均值 [(134.610±30.060) s]的 0.780倍 (圖 2-b)；總沉降速度平均為 (0.326±0.021) m?s?1，自由沉降速度平均為 (0.460±0.052) m?s?1，是阻尼沉降速度平均值 [(0.226±0.019) m?s?1]的 2.040倍(圖 2-c)。

圖2 沉降深度、時(shí)間和速度分布箱型圖Figure 2 Box figure of data distribution of main parameters

相關(guān)性分析顯示自由沉降深度與總沉降深度顯著相關(guān) (P<2.20×10?16<0.05)，相關(guān)系數(shù) (R) 為 0.674；阻尼沉降深度與總沉降深度弱相關(guān) (P=0.016<0.05, R=?0.209)，可見自由沉降對網(wǎng)具總沉降深度的影響更為關(guān)鍵。

2.2 適宜的自由沉降時(shí)間

自由沉降時(shí)間是罩網(wǎng)作業(yè)過程中最主要的參數(shù)，從沉降性能角度尋找適宜的自由沉降時(shí)間可為捕撈作業(yè)提供參考。總沉降深度隨自由沉降時(shí)間大致呈遞增趨勢 (圖 3-a)，在 90.0～119.9 s前總沉降速度遞增，之后遞減 (圖3-b)。當(dāng)自由沉降時(shí)間大于120.0 s時(shí)，總沉降深度變大，但總沉降速度降低，這會導(dǎo)致總沉降時(shí)間過長，網(wǎng)口閉合不及時(shí)，魚群逃逸。當(dāng)自由沉降時(shí)間小于90.0 s時(shí) (以60.0～89.9 s為例)，總沉降深度平均值為76.71 m，與90.0～119.9 s 分組 (平均值為 76.96 m) 差異不大，但90.0～119.9 s時(shí)的總沉降速度有所提升。故認(rèn)為從網(wǎng)具沉降性能出發(fā)，90.0～119.9 s是較為適宜的自由沉降時(shí)間。

圖3 不同自由沉降時(shí)間對應(yīng)的總沉降深度、速度的箱型圖Figure 3 Box plots of total settlement depth speed at different free settlement time

2.3 自由沉降、阻尼沉降與時(shí)間的關(guān)系

自由沉降深度隨自由沉降時(shí)間呈遞增趨勢，與自由沉降時(shí)間的關(guān)系式為Df= ?0.001 8Tf2+0.644 3Tf?0.209 6 (R2=1)。自由沉降速度先短時(shí)間內(nèi)增大后逐漸減小，最大值出現(xiàn)在沉降第10 秒時(shí)，與自由沉降時(shí)間的關(guān)系式為Sf= ?6×10?6Tf2?0.002 8Tf+0.632 2 (R2=0.956 5，圖 4)。阻尼沉降深度隨阻尼沉降時(shí)間呈遞增趨勢，與阻尼沉降時(shí)間的關(guān)系式為Dd=?0.000 9Td2+0.354 1Td?0.674 9 (R2=0.997 8)。阻尼沉降速度在前50 s相對穩(wěn)定，變化幅度不大，之后迅速降低，與阻尼沉降時(shí)間的關(guān)系式為Sd= ?3×10?5Td2+0.002 3Td+0.264 2 (R2=0.976 3，圖 4)。

圖4 自由沉降深度、自由沉降速度、阻尼沉降深度和阻尼沉降速度隨時(shí)間變化趨勢圖Figure 4 Trend chart of free settlement depth, free settlement speed, damping settlement depth and damping settlement speed along with time

2.4 自由沉降深度影響因子分析

自由沉降深度可能受自由沉降時(shí)間、風(fēng)速、漁船漂流速度、風(fēng)流向夾角等因子的影響，將上述因子依次代入GAM。根據(jù)AIC得出：自由沉降深度的最優(yōu)模型包括自由沉降時(shí)間、風(fēng)速、漁船漂流速度、風(fēng)流向夾角，但漁船漂流速度對模型的影響不顯著 (P=0.063)。最優(yōu)模型R2為0.922，方差解釋率為93.300% (表1、表2)。檢驗(yàn)最佳模型殘差見圖5，殘差近似符合正態(tài)分布，說明模型擬合良好。

圖5 自由沉降深度最優(yōu)廣義加性模型殘差圖Figure 5 Residual plot of optimal GAM of free settlement depth

表1 自由沉降深度廣義加性模型統(tǒng)計(jì)參數(shù)Table 1 Statistical characteristics of GAM of free settlement depth

表2 自由沉降深度最優(yōu)廣義加性模型檢驗(yàn)值Table 2 F-test for significance of non-parametric effects on optimal GAM of free settlement depth n=132

自由沉降深度隨自由沉降時(shí)間遞增，增長趨勢在后期變緩 (圖6-a)。風(fēng)速對自由沉降深度的影響是復(fù)雜的，影響曲線呈現(xiàn)出2個(gè)波峰和2個(gè)波谷的波動形狀，風(fēng)速小于2 m?s?1時(shí)自由沉降深度隨風(fēng)速遞增，2～3 m?s?1時(shí)隨風(fēng)速遞減，3～3.7 m?s?1時(shí)隨風(fēng)速遞增且在 3.7 m?s?1處出現(xiàn)峰值，3.7～4.5 m?s?1時(shí)隨風(fēng)速遞減，大于4.5 m?s?1時(shí)隨風(fēng)速遞增，但此階段置信區(qū)間大，置信度較低 (圖6-b)。漁船漂流速度對自由沉降深度的影響曲線呈現(xiàn)先變大后減小的趨勢，但置信區(qū)間整體較大，置信度較低(圖6-c)。自由沉降深度隨風(fēng)流向夾角的增大呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢，減小的趨勢段發(fā)生在風(fēng)流向夾角60°～100°，即風(fēng)向與漁船漂流方向垂直時(shí) (圖 6-d)。

圖6 自由沉降深度與4個(gè)因子間的廣義加性模型分析圖Figure 6 GAM-derived effects of four predictors on free settlement depth

2.5 阻尼沉降深度影響因子分析

阻尼沉降深度可能受自由沉降時(shí)間、阻尼沉降時(shí)間、風(fēng)速、漁船漂流速度和風(fēng)流向夾角等因子的影響。經(jīng)相關(guān)性分析，自由沉降時(shí)間與阻尼沉降時(shí)間呈顯著負(fù)相關(guān) (P<2.20×10?16)，R為?0.705，為避免因子間相互作用對模型的影響[31]，且自由沉降時(shí)間是重要的作業(yè)操作參數(shù)，建模時(shí)只選用自由沉降時(shí)間。根據(jù)AIC結(jié)果得出：阻尼沉降深度的最優(yōu)模型包括自由沉降時(shí)間、風(fēng)速、漁船漂流速度、風(fēng)流向夾角。最優(yōu)模型R2為0.846，方差解釋率為87.000% (表3、表4)。檢驗(yàn)最佳模型殘差見圖7，殘差近似符合正態(tài)分布，說明模型擬合良好。

圖7 阻尼沉降深度最優(yōu)廣義加性模型殘差圖Figure 7 Residual plot of optimal GAM of damping settlement depth

表3 阻尼沉降深度廣義加性模型統(tǒng)計(jì)參數(shù)Table 3 Statistical characteristics of GAM of damping settlement depth

表4 阻尼沉降深度最優(yōu)廣義加性模型檢驗(yàn)值Table 4 F-test for significance of non-parametric effects on optimal GAM of damping settlement depth n=132

阻尼沉降深度隨自由沉降時(shí)間遞減，遞減趨勢在后期變緩 (圖8-a)。風(fēng)速對阻尼沉降深度的影響曲線與風(fēng)速對自由沉降深度的影響曲線基本呈現(xiàn)相反的走勢，在 3.5 m?s?1處出現(xiàn)最低谷 (圖 8-b)。阻尼沉降深度在漁船漂流速度小于0.1 m?s?1時(shí)呈遞增趨勢，0.1～0.2 m?s?1時(shí)呈遞減趨勢，0.2～0.4 m?s?1時(shí)波動下降，大于0.4 m?s?1先上升后下降再升高，但此時(shí)置信區(qū)間大，置信度低 (圖8-c)。阻尼沉降深度隨風(fēng)流向夾角呈線性遞減的趨勢 (圖8-d)。

圖8 阻尼沉降深度與4個(gè)因子間的廣義加性模型分析圖Figure 8 GAM-derived effects of four predictors on damping settlement depth

3 討論

3.1 自由沉降

自由沉降速度先短時(shí)間內(nèi)增大后逐漸減小，最大值出現(xiàn)在沉降第10秒。這一變化趨勢與李杰等[25]利用數(shù)值模擬的方法研究罩網(wǎng)網(wǎng)口自由沉降時(shí)得出的結(jié)果基本一致。晏磊等[7]發(fā)現(xiàn)網(wǎng)角沉綱處沉降速度在10 m水深時(shí)達(dá)到最大，也可一定程度上說明上述結(jié)論的準(zhǔn)確性。自由沉降速度初期出現(xiàn)的較小值可能與罩網(wǎng)網(wǎng)口入水時(shí)產(chǎn)生的水流阻力有關(guān)。罩網(wǎng)網(wǎng)口由撐桿頂點(diǎn)落下，入水瞬間速度較大，此時(shí)產(chǎn)生的水動力會使自由沉降速度迅速減小，出現(xiàn)一較小值，之后速度略有增大后再逐漸降低。自由沉降速度在下降過程中存在小幅波動，這可能與不同水層的海流流速差異有關(guān)。

3.2 阻尼沉降

阻尼沉降與總沉降深度呈弱相關(guān)，但對網(wǎng)口閉合意義重大。阻尼沉降過程中，網(wǎng)口括綱處于絞收狀態(tài)，網(wǎng)口沉降深度較小但網(wǎng)口閉合寬度較大[23]。阻尼沉降速度在前50 s相對穩(wěn)定，變化幅度不大，之后迅速降低。晏磊等[7]發(fā)現(xiàn)罩網(wǎng)沉降速度前期下降較快，120～180 s期間會有波動，與本研究的結(jié)果相似，這可能是因?yàn)槔ňV絞收改變了沉降速度，使沉降速度產(chǎn)生波動。此后，括綱絞收顯著阻礙了網(wǎng)口的沉降，使阻尼沉降速度迅速降低，直至接近于0。

3.3 影響自由沉降深度、阻尼沉降深度的因子

多元線性模型研究發(fā)現(xiàn)總沉降深度與自由沉降時(shí)間呈正比[7,24]。本研究箱型圖顯示總沉降深度隨自由沉降時(shí)間大致呈遞增趨勢，與多元線性模型的結(jié)果一致。但將總沉降過程劃分并分別進(jìn)行GAM分析后發(fā)現(xiàn)，隨自由沉降時(shí)間的增加，自由沉降深度的變化趨勢與總沉降深度的相似，而阻尼沉降深度的變化趨勢卻與之相反，說明自由沉降深度對總沉降深度的影響更為顯著，這與2.1中自由沉降深度與總沉降深度呈顯著相關(guān)，而阻尼沉降深度與總沉降深度呈弱相關(guān)的結(jié)論一致。

風(fēng)速、風(fēng)流向夾角可能通過波浪和改變船、網(wǎng)相對位置影響網(wǎng)具沉降，放網(wǎng)過程中，網(wǎng)囊大部分時(shí)間漂浮在海面上，易受波浪影響；當(dāng)風(fēng)流向夾角在60°～100°，即風(fēng)向與漁船漂流方向垂直時(shí)自由沉降深度變小，垂直的風(fēng)向可能會使?jié)O船橫向漂移變大，導(dǎo)致船、網(wǎng)的相對位置變大，網(wǎng)口綱對網(wǎng)具的牽引效果更強(qiáng)，網(wǎng)衣受到更大的橫向拉力，從而對沉降產(chǎn)生負(fù)面影響。漁船漂流速度對自由沉降深度的影響不顯著，晏磊等[7]發(fā)現(xiàn)表層海流流速對總沉降深度影響不顯著，這可能與網(wǎng)衣、網(wǎng)口鉛沉較重，入水后快速下沉有關(guān)。漁船漂流速度對阻尼沉降深度影響顯著，這可能是因?yàn)闈O船漂流速度會影響罩網(wǎng)網(wǎng)口的閉合程度與網(wǎng)具絞收，從而影響阻尼沉降深度。

3.4 展望

本研究因試驗(yàn)條件有限，未能測量不同水深的海流速度，而是使用漁船漂流速度代表海流流速。在圍網(wǎng)[8]、秋刀魚 (Cololabis saira) 舷提網(wǎng)[30,32]的相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)不同水層的海流流速對沉降性能有顯著影響，罩網(wǎng)很可能也存在類似現(xiàn)象，今后應(yīng)收集相關(guān)數(shù)據(jù)完善現(xiàn)有研究。因本試驗(yàn)缺乏相應(yīng)的儀器設(shè)備，未能在海上觀測罩網(wǎng)網(wǎng)口形態(tài)變化和魚群的運(yùn)動變化。今后可基于水槽模型試驗(yàn)對罩網(wǎng)網(wǎng)口的閉合情況進(jìn)行研究，并分析網(wǎng)型、材料差異等對網(wǎng)具性能的影響，以填補(bǔ)罩網(wǎng)相關(guān)研究的空白。今后還可針對不同海況條件、目標(biāo)魚種、放網(wǎng)時(shí)魚群分布水層對自由沉降時(shí)間的選取進(jìn)行深入分析，為捕撈作業(yè)提供參考。