戴明云，錢衛(wèi)國

(1.上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；2.浙江海洋大學(xué) 水產(chǎn)學(xué)院，浙江 舟山 316022)

光誘漁業(yè)具有捕撈效率好、經(jīng)濟(jì)效益高、漁法簡單等優(yōu)點[1]，是中國最主要的捕撈方式之一，最常見的光誘漁業(yè)有光誘魷釣、燈光敷網(wǎng)、燈光圍網(wǎng)漁業(yè)等[2]。集魚燈是主要的助漁裝備之一，有誘魚和集魚的作用。集魚燈在水中的照度分布和光譜特性會影響到誘集效果[3]。近年來，隨著光電技術(shù)的發(fā)展，大功率集魚燈的出現(xiàn)造成漁船之間的燈光功率競爭日益明顯。在遠(yuǎn)洋漁業(yè)中，光誘漁業(yè)燃料消耗占總捕撈成本的40%～60%[3-6]，傳統(tǒng)的集魚燈主要是金屬鹵化物集魚燈(簡稱金鹵燈)，其光線相對發(fā)散，能耗高，需要高壓啟動，發(fā)熱量大，且產(chǎn)生的紫外線對船員皮膚影響較大。

發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)集魚燈比傳統(tǒng)集魚燈能源消耗低，且LED集魚燈具有指向性強(qiáng)、穿透力強(qiáng)、發(fā)熱量小等優(yōu)點[7-9]，可更好地解決金鹵燈存在的問題，但在中國，大多數(shù)漁民仍不愿意使用LED集魚燈，其主要原因有兩方面，一方面是由于LED集魚燈價格高及后期維修費用昂貴，另一方面是目前有關(guān)光誘漁業(yè)集魚燈方面的研究主要集中在金鹵燈漁船燈光配置[10-12]、LED集魚燈光學(xué)特性[13-15]、海洋光學(xué)特性[16-17]，而LED集魚燈漁船燈光配置方面研究較少，無法對LED集魚燈進(jìn)行合理的裝配。本文中根據(jù)“浙岱漁13461”的漁船參數(shù)配置、集魚燈參數(shù)、風(fēng)速及葉綠素濃度數(shù)據(jù)，結(jié)合平板式300 W集魚燈配光曲線和光譜分布，采用蒙特卡洛模型對水中的照度分布及其合理配置進(jìn)行計算和分析，旨在為LED集魚燈燈光配置實踐應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 漁船參數(shù)配置 “浙岱漁13461”燈光敷網(wǎng)漁船總長46.0 m，型寬6.6 m，總噸位235 t，主機(jī)總功率440 kW，型深3.4 m，吃水2.4 m，集魚燈分別固定在船舷左右兩側(cè)，每側(cè)集魚燈燈帶長度為42.0 m，左右舷兩列集魚燈燈間距為6.5 m，集魚燈具體安裝情況如圖1所示。

圖1 集魚燈安裝示意圖Fig.1 Schematic diagram of the installation of fishing lamps

1.1.2 LED集魚燈參數(shù) 平板式LED-300集魚燈具體參數(shù)：功率300 W，電源電壓220V/50 Hz，光束角110°，光通量27 000 lm。使用GO-2000分布光度計和HASS-2000光譜輻射計積分球測得配光曲線(圖2)、光譜分布(圖3)。其中，GO-2000分布光度計測量范圍為0～2×105lx，角度精度為0.05°，光度精度為0.1 lx；HASS-2000光譜輻射計積分球的波長精度為2 nm。

圖2 300 W型LED平板式集魚燈配光曲線Fig.2 Distribution of luminous intensity of 300 W LED flat-panel fishing lamp

圖3 300 W型LED平板式集魚燈光譜分布Fig.3 Spectral distribution of 300 W LED flat-panel fishing lamp

對300 W型LED集魚燈各個方向發(fā)光強(qiáng)度通過Matlab擬合工具得到配光曲線函數(shù)如下：

I(c,γ)=5 207sin(1.094c-0.147 9)+

11 635[sin(1.992c-1.558)+

sin(2.036c+1.515)]sinγ。

(1)

其中：c為方位角(rad)；γ為天底角(rad)；I為發(fā)光強(qiáng)度(cd)。LED集魚燈c、γ坐標(biāo)系示意圖見圖4。

圖4 LED集魚燈c、γ坐標(biāo)系示意圖Fig.4 Schematic diagram of coordinate system of LED fishing lamp

1.1.3 環(huán)境數(shù)據(jù) 風(fēng)速和葉綠素數(shù)據(jù)采用NOAA網(wǎng)站(https://oceanwatch.pifsc.noaa.gov)遙感數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集區(qū)域為東海(22°～33°N、122°～128°E)，空間分辨率為1°×1°，時間尺度為2015—2019年，時間分辨率為年。

1.2 方法

1.2.1 假設(shè)條件

1)假設(shè)各個集魚燈之間光學(xué)特性不存在明顯差異。

2)不考慮漁船上層建筑、漁具和背景光對水中照度分布的影響。

3)假設(shè)天氣晴朗，能見度高，忽略大氣對照度衰減的影響。

1.2.2 計算方法及數(shù)據(jù)處理 計算水中照度方法一般有點光源、線光源、面光源、經(jīng)驗法、疊加法和蒙特卡洛模型。其中蒙特卡洛模型相比于其他模型考慮了風(fēng)速、海水和葉綠素對水中照度的影響，能計算不同水層的光譜分布，計算更合理[18]。因此，本研究中采用蒙特卡洛照度分布模型計算集魚燈在水中的照度，水中照度計算方法具體參見文獻(xiàn)[18]。LED集魚燈與金鹵燈配光曲線不同，天底角、方位角光子發(fā)射角度概率分布函數(shù)也不同，方位角概率分布函數(shù)(P(c,γ))和天底角概率分布函數(shù)(P′(c,γ))計算公式為

(2)

(3)

根據(jù)漁船及集魚燈配置參數(shù)分別計算：

1)集魚燈安裝角度(60°)與燈高(6 m)一定時，計算不同總功率(改變LED集魚燈數(shù)量)時的水中照度。

2)集魚燈總功率(36 kW)與燈高(6 m)一定時，計算不同安裝角度(LED集魚燈面板與海面法線的夾角)時的水中照度。

3)集魚燈總功率(36 kW)和安裝角度(60°)一定時，計算不同燈高時的水中照度。

利用以上方法以船舯線中點為原點，將海面1 000 m×2 000 m劃分為1 m×1 m的方格，采用Matlab 2020a計算0～250 m不同水層(步長5 m)各個方格內(nèi)的照度，并計算出0.01、10.00、14.00 lx照度等值曲面，通過每個小方格0.01、10.00、14.00 lx照度所對應(yīng)的水深，求出等照度曲面所圍成的誘集水體體積。誘集水體體積計算公式如下：

(4)

k=0.01,10.00,14.00。

中國近海光誘敷網(wǎng)漁業(yè)作業(yè)主要漁獲物有魷魚和鮐[19]，相關(guān)研究表明，鮐在照度為0.01～14.00 lx時有正趨光性[20]，而魷魚適宜照度范圍為0.10～10.00 lx，照度大于0.01 lx時魷魚就有正趨光性[21-22]，故將V0.01-V10和V0.01-V14(海面分別與0.01、10.00 lx及0.01、14.00 lx所圍成的誘集水體的體積差)、海面照度0.01 lx離船舯線最遠(yuǎn)距離和深度作為評判LED集魚燈配置的重要指標(biāo)，其中，V0.01-V10、V0.01-V14分別稱為魷魚、鮐有效誘集水體體積，海面照度0.01 lx離船舯線最遠(yuǎn)距離稱為有效誘集距離，水中照度0.01 lx離海面最遠(yuǎn)垂直距離稱為有效誘集深度，通過計算這些指標(biāo)對LED集魚燈漁船燈光配置問題進(jìn)行探討。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水層光譜分布

為研究集魚燈水中照度的衰減特性，設(shè)置總功率36 kW、安裝角度60°、燈高7 m，選取右舷海面水平距離船舯線中點20 m處0～25 m水層(步長5 m)截面，分別計算400～700 nm(步長5 nm)波長水下照度，并繪制水中光譜分布圖。由圖5可知，不同水層波峰波長主要分布在450 nm，總體上長波長較短波長衰減更快，水深超過10 m左右后，波長在600～700 nm的照度幾乎為零。

圖5 水中不同深度波長分布Fig.5 Wavelength profile in water at different depths

2.2 集魚燈不同總功率時水中照度分布

設(shè)置燈高6 m、安裝角度60°，分別計算集魚燈功率為18、27、36 kW時的水中照度，并繪制海面照度分布和水下截面照度分布圖。從圖6可見：不同功率海面照度與水下截面照度有差異，海面照度分布顯示，集魚燈功率為18、27、36 kW時，照度為0.01 lx的等照度曲線距離船舯線最遠(yuǎn)分別約為474、542、594 m，功率越大，與船舯線距離越遠(yuǎn)，功率從18 kW增至27 kW，功率增加0.5倍，而0.01 lx照度曲線的距離則增加14.35%，功率從18 kW增至36 kW,功率增加1倍，距離增加25.32%，海面照度為10.00 lx等照度曲線距離船舯線均在65 m以內(nèi)；截面照度分布顯示，功率為18、27、36 kW時，0.10 lx等照度曲線與船舯線最遠(yuǎn)距離分別約為85、90、95 m，10.00、0.01 lx等照度曲線分別分布在40、140 m以內(nèi)。

圖6 集魚燈不同功率下水下截面與海面照度分布Fig.6 Illuminance distribution of fishing lamps with different powers underwater section and sea surface

2.3 不同安裝角度時水中照度分布

設(shè)置集魚燈總功率36 kW、燈高6 m，分別計算安裝角度為45°、60°、75°時的水中照度，并繪制海面照度分布和水下截面照度分布圖。從圖7可見：不同安裝角度海面照度和截面照度均有明顯變化，集魚燈安裝角度為45°、60°、75°時，海面照度為10.00 lx的等照度曲線距離船舯線最遠(yuǎn)距離分別為50、64、80 m，0.1 lx等照度曲線距離船舯線最遠(yuǎn)距離分別為229、280、363 m，0.01 lx等照度曲線距離船舯線最遠(yuǎn)距離分別為490、587、773 m，安裝角度從45°增至60°，0.01 lx等照度曲線與船舯線最遠(yuǎn)距離增加19.80%，從45°增至75°，距離增加57.76%；水下截面照度分布顯示，安裝角度為45°、60°、75°時，0.01 lx等照度曲線最大水深分別在145、135、125 m，0.10 lx 等照度曲線最大水深分布在60～75 m，10.00 lx等照度曲線最大水深均在45 m以內(nèi)。

圖7 集魚燈不同安裝角度下水下截面與海面照度分布Fig.7 Illuminance distribution of fishing lamps with different installation angles underwater section and sea surface

2.4 不同燈高時水中照度分布

設(shè)置功率36 kW、安裝角度60°，分別計算燈高為5、6、7 m時的水中照度，并繪制海面照度分布和水下截面照度分布圖。從圖8可見：不同燈高海面照度分布有差異，燈高為5、6、7 m時，海面照度中0.01 lx等照度曲線與船舯線最遠(yuǎn)距離分別為554、586、619 m，0.10 lx照度曲線距離均在300 m以內(nèi)；而水下截面照度差異不明顯，10.00、0.10、0.01 lx等照度曲線最大水深分別在40、100、145 m以內(nèi)，隨燈高增加，10.00、0.10、0.01 lx等照度曲線最大水深波動幅度均在10 m以內(nèi)。

2.5 合理配置分析

漁船兩側(cè)水中照度為0.01、10.00、14.00 lx時水下等照度曲面與海面所圍成的水體體積V0.01、V10、V14、V0.01-V10、V0.01-V14計算結(jié)果見表1。

集魚燈總功率為18 kW時，V0.01-V10、V0.01-V14的誘集水體范圍分別為(443.95～585.53)×104m3、(446.22～587.41)×104m3；總功率為27 kW時，V0.01-V10、V0.01-V14的誘集水體范圍分別為(533.61～729.45)×104m3、(536.45～731.92)×104m3；總功率為36 kW時，V0.01-V10、V0.01-V14的誘集水體范圍分別為(609.19～852.56)×104m3、(612.55～855.52)×104m3。漁船集魚燈總功率從18 kW增加至27 kW時，總功率增加0.5倍，V0.01-V10的最小、最大有效誘集水體分別增加20.20%、24.58%，V0.01-V14的最小、最大有效誘集水體分別增加20.22%、24.60%；總功率從18 kW增加至36 kW，總功率增加1倍，V0.01-V10的最小、最大有效誘集水體分別增加37.22%、40.60%，V0.01-V14的最小、最大有效誘集水體分別增加37.73%、40.64%，可見，隨著LED集魚燈總功率增加，V0.01-V10、V0.01-V14有效誘集水體均明顯增加，但增加幅度則隨照度總功率增加而減弱。

集魚燈安裝角度為45°時，V0.01-V10、V0.01-V14的誘集水體范圍分別為(443.95～687.59)×104m3、(446.22～691.16)×104m3；安裝角度為60°時，V0.01-V10、V0.01-V14的誘集水體范圍分別為(473.66～763.87)×104m3、(475.66～767.25)×104m3；安裝角度為75°時，V0.01-V10、V0.01-V14的誘集水體范圍分別為(503.53～852.56)×104m3、(505.23～855.52)×104m3。集魚燈安裝角度從45°增加至60°，V0.01-V10的最小、最大有效誘集水體分別增加6.69%、11.09%，V0.01-V14的最小、最大有效誘集水體分別增加6.60%、11.01%；安裝角度從45°增加至75°時，V0.01-V10的最小、最大有效誘集水體分別增加13.42%、23.99%，V0.01-V14的最小、最大有效誘集水體分別增加13.22%、23.78%，可見，隨集魚燈安裝角度增加，有效誘集水體體積增加。

集魚燈燈高為5 m時，V0.01-V10、V0.01-V14的誘集水體范圍分別為(443.95～727.54)×104m3、(446.22～730.20)×104m3；燈高為6 m時，V0.01-V10、V0.01-V14的誘集水體范圍分別為(470.38～792.07)×104m3、(472.75～794.90)×104m3；燈高為7 m時，V0.01-V10、V0.01-V14的誘集水體范圍分別為(496.67～852.56)×104m3、(499.13～855.52)×104m3。燈高從5 m增至6 m時，V0.01-V10的最小、最大有效誘集水體分別增加5.95%、8.87%，V0.01-V14的最小、最大有效誘集水體分別增加5.95%、8.86%；燈高從5 m增至7 m時，V0.01-V10的最小、最大有效誘集水體分別增加11.88%、17.18%，V0.01-V14的最小、最大有效誘集水體分別增加11.86%、17.16%，可見，增加燈高可增加有效誘集水體體積。

3 討論

3.1 水中光譜

以往的照度模型不能計算水中光譜分布變化。不同種類的魚群對不同波長的敏感度不同，不同波長的光在海水中受到海水的吸收作用不同，在水中會發(fā)生色的改變。本研究中，平板式LED集魚燈波峰分別分布在450、550 nm，水中波譜分布隨海水深度的增加，長波長相比于短波長衰減較快。楊雄里等[20]通過電生理試驗發(fā)現(xiàn)，鮐在480 nm的光感受最為敏感，在450～520 nm的相對敏感度大于50%；何大仁等[21]通過濾色鏡試驗觀察發(fā)現(xiàn)，魷魚對短波有較好的趨光率，相對敏感曲線波長峰值在490 nm，相對敏感度大于50%的波長范圍為400～550 nm。本研究中，在水深25 m時，波長大于600 nm的光已被完全衰減，而魷魚、鮐相對敏感度大于50%的波長未衰減至零，說明本研究中的LED集魚燈有利于魷魚、鮐的誘集。通過分析水中不同水層波譜分布，可為更有效作業(yè)提供指導(dǎo)。

3.2 水中照度分布

本研究中，通過分析不同配置水中照度分布發(fā)現(xiàn)，最大有效誘集水深均大于100 m，最大有效誘集距離均大于400 m，最大可達(dá)到773 m，近海敷網(wǎng)作業(yè)水深一般在50 m左右[23]，說明本研究中的燈光配置可適用于敷網(wǎng)漁業(yè)作業(yè)。照度值越低的等照度曲線波動幅度越大，主要原因與本研究中采用的蒙特卡洛模型有關(guān)，蒙特卡洛模型照度模型是模擬光子在介質(zhì)中服從概率分布隨機(jī)輻射傳輸?shù)默F(xiàn)象，照度值較小時接收到的光子數(shù)就越少，故受到隨機(jī)波動(海面波浪、海水的吸收與散射)的影響較明顯。

集魚燈燈光傳遞到水下，主要有三方面的因素影響光線衰減，一是，大氣對光線的吸收與散射；二是，大氣在穿過水汽界面時光線受到的菲涅爾反射；三是，光線在水下傳輸受到海水及葉綠素對光線的散射與吸收。本研究中雖使用了蒙特卡洛模型，考慮了風(fēng)對海面光輻射傳輸?shù)挠绊?，海水和葉綠素對光的吸收和散射，但沒有考慮大氣對光的吸收與散射，今后還需對模型進(jìn)行補(bǔ)充和完善。

3.3 集魚燈總功率設(shè)置

魷魚、鮐均為中國近海燈光敷網(wǎng)漁業(yè)重要的漁業(yè)資源[19]。本研究顯示，不同功率、安裝角度、燈高下，V0.01-V14有效誘集水體體積略大于V0.01-V10，之間差異不超過1%，調(diào)整燈光配置參數(shù)，魷魚、鮐的有效誘集水體體積變化幅動均低于0.1%，無明顯差異，因此，不同燈光配置對魷魚、鮐誘集效果差異不明顯。

近年來，增加集魚燈總功率已成為漁民增加產(chǎn)量的主要方式之一，合理配置集魚燈總功率可避免漁民之間的“燈光競爭”。LED集魚燈漁船增加總功率，有效誘集水體體積隨之增加，但漁船集魚燈總功率并非越大越好，一方面，總功率過高可能導(dǎo)致相鄰漁船之間的感光區(qū)域相互重疊，從而干擾漁船間的正常作業(yè)，造成光源的浪費；另一方面，燈光配置還需考慮漁船的實際結(jié)構(gòu)，LED集魚燈相比于金鹵燈尺寸更大，每一列LED集魚燈最大可安裝數(shù)量較少，以“浙岱漁13461”來看，每列安裝60盞LED集魚燈，每個燈間距約為0.35 m較為合適，不適宜再增加集魚燈的數(shù)量。LED集魚燈總功率增加0.5倍，魷魚、鮐的最大有效誘集水體體積僅分別增加24.58%、24.60%，有效誘集水體體積的增加程度約為集魚燈總功率增加程度的一半，總功率增加1倍，魷魚、鮐最大有效誘集水體體積僅分別增加40.60%、40.64%，有效誘集水體體積的增加程度小于集魚燈總功率增加程度的一半，有效誘集水體體積的增加程度隨功率的增加而減弱，這一結(jié)果與葉超等[10]研究結(jié)果相符，究其原因可能與水中照度與光源距離呈指數(shù)衰減有關(guān)，增加功率雖能增加光誘范圍，但照度衰減更快。此外，通過增加集魚燈總功率來增加有效誘集水體體積不一定是最優(yōu)配置方案，如魷魚、鮐在總功率27 kW、安裝角度45°、燈高5 m時的有效誘集水體均小于總功率18 kW、安裝角度75°、燈高7 m時的有效誘集水體，因此，在調(diào)節(jié)總功率之前應(yīng)盡量先考慮調(diào)節(jié)安裝角度及燈高。

3.4 集魚燈安裝角度布置

LED集魚燈有較強(qiáng)指向性，安裝角度對水中照度分布影響較顯著，故對研究LED集魚燈安裝角度的研究尤為重要。本研究表明，調(diào)整LED集魚燈不同安裝角度，有效誘集水體體積、有效誘集距離隨著安裝角度的增加有明顯增加，誘集深度反而減小，說明在一定范圍內(nèi)增加安裝角度，有利于魚群誘集；而安裝角度不是越大越好，當(dāng)安裝角度增加到一定程度時，有效誘集區(qū)域也會隨之減小，部分光線還會照射到天空中，造成能量未被完全利用。綜上，LED集魚燈安裝角度范圍為60°～75°時較為合適，這一結(jié)果與花傳祥等[24]通過面光源模型試驗對單個秋刀魚集魚燈燈箱傾角分別為30°、45°、60°的水平面照度比較研究結(jié)果基本一致，此外，孔祥洪等[25]基于菲涅耳現(xiàn)象對LED集魚燈進(jìn)行理論分析表明，對于平板式LED集魚燈合適安裝角度為53.6°與本研究結(jié)果不一致，主要原因有兩方面:一方面是與本研究評價指標(biāo)不一致，本研究是以誘集水體體積、有效誘集距離和有效誘集深度為指標(biāo)，而基于菲涅爾現(xiàn)象對LED集魚燈安裝角度的研究則是以LED集魚燈光進(jìn)入平靜海面的透射率為指標(biāo)；另一方面，基于菲涅爾現(xiàn)象對LED集魚燈的研究沒有考慮風(fēng)速對海面水汽界面及葉綠素對照度衰減的影響，且沒有通過整船模型進(jìn)一步研究集魚燈安裝角度，結(jié)果有一定局限性。

3.5 集魚燈燈高布置

本研究表明，從LED集魚燈安裝高度來看，增加高度可以增加有效誘集水體體積，這一現(xiàn)象與錢衛(wèi)國等[11]對金鹵燈的研究結(jié)果相一致。增加安裝高度相比于增加總功率與調(diào)節(jié)安裝角度的有效誘集水體體積而言，其增加幅動較小，還可使誘集距離增加，對誘集深度影響較小，結(jié)合漁船實際情況，在條件允許的情況下，適當(dāng)增加LED集魚燈安裝高度有利于魚群誘集，但同時還需考慮LED集魚燈安裝高度越高，受到海表面風(fēng)阻力對漁船產(chǎn)生的力矩更大，從而使?jié)O船更容易產(chǎn)生晃動，因此，LED集魚燈安裝高度不宜過高，就“浙岱漁13461”而言，安裝高度在6～7 m為宜，對于其他漁船可根據(jù)其規(guī)格及穩(wěn)定性進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

4 結(jié)論

1)本研究利用蒙特卡洛模型分析水中光譜分布變化發(fā)現(xiàn)，長波相比于短波衰減更快，而魷魚和鮐相對敏感度大于50%的波段分布在短波區(qū)域，表明平板式LED集魚燈有利于魷魚、鮐的誘集。

2)在本試驗條件下，魷魚、鮐有效誘集水體體積和水中照度分布均隨總功率、燈高、安裝角度的增大而增大。

3)結(jié)合燈光敷網(wǎng)漁船“浙岱漁13461”，LED集魚燈配置總功率設(shè)置為36 kW，燈高在6～7 m，安裝角度為60°～75°，更適合魷魚、鮐的捕撈。