海洋养殖网衣水动力特性研究进展

桂福坤，祝含接，冯德军

(浙江海洋大学海洋科学与技术学院，国家海洋设施养殖工程技术中心，浙江 舟山 316022)

水产品已成为除粮食以外的优质蛋白质供给源，保证水产品的正常供应显得越来越重要。目前，中国养殖水产品产量大约占世界总产量的70%[1]，其中筏式养殖、网箱养殖、浅海围网养殖以及新近发展起来的深远海超大型养殖网箱(或称渔场)是海洋养殖开发的主要手段。除筏式养殖外，网衣是网箱的重要组成部分。网箱养殖是将由网衣、框架、浮力装置及固定装置等组成的网箱放置于特定海域中，用于养殖水产品的一种养殖方式[2]。中国是最早开展网箱养殖的国家，至今约有700多年的历史[3]。由于网箱养殖的高效益、高性能等特点，到20世纪中后期便迅速在全国沿海地区发展起来，并形成了一定的生产规模。目前浙江的温州、台州、象山、舟山等地，福建的宁德以及山东的莱州、长岛等地都是中国海水网箱养殖较为发达的地区，每年养殖海产品产量位居前列，远销世界各地[4]。浅海围网养殖是利用网衣、桩柱或浮球、绳索等工程设施在浅海大面积水域中圈围，形成一定的水面，用于养殖鱼类等水产经济动物的一种重要的养殖方式[5]。据文献记载[6]，围网养殖于20世纪20年代起步于日本，50年代引入中国，开始主要为湖泊、滩涂、港湾养殖，随着海洋开发的外海化，现今大型管桩式围网养殖等也逐步发展起来，并向外侧深远海水域推进。现阶段，深远海超大型养殖网箱养殖指在距离海岸3 km以上、水深20 m以上具有洋流特征的水域，通过构建深远海养殖基站、平台等作为载体养殖水产经济动物的养殖模式，有半潜式、全潜式及坐底式等形式[7]。平台一般包括框架、网囊和定位三大系统，并将饲料投放、环境监测、网衣清洗等智能化控制系统集成一体，方便深远海管控。无论是网箱养殖、浅海围网养殖还是深远海大型养殖网箱养殖，网衣的安全性均是养殖系统中最需要关注的部分，关系到养殖的成败。基于此，本文系统地介绍了海洋养殖用网衣水动力研究进展，为水产养殖工程设计提供参考。

1 主要理论

20世纪随着海洋捕捞产业的发展，国内外很多学者对渔用网衣的水动力特性理论已做了大量研究，目前网箱和围网养殖用网衣研究方法一般是从网衣系统的基本构建开始，如单个网目、单片网衣、局部网衣或者一个木脚和结节，通过数学力学理论分析，建立数值模型与物理实验模型获得定量的结果，两者相互验证修正，最后得到较为满意的结果。最早由日本寺田寅彦等[8]提出将框架固定网衣，用框架与网衣所受合力减去不含网衣时框架所受的力，从而得到网衣所受到的水动力，该方法十分适用于实验室模型试验中对小比尺网片受力的计算，继而运用模型相似准则推导至实际海区网衣受力大小，一直沿用至今。日本中村充[9]给出通过计算出网线的受力继而求出网衣整体受力的思想，并推导出水流对网衣的作用力公式，但作者假定的流速为一种较为理想的状态，使用范围受限。莫里森方程是计算作用在小尺度柱体上水平波浪力的主要计算方法，也是目前使用最广泛的，是以绕流理论为基础的半理论半经验公式，具体参见《海洋工程波浪力学》[10]，之后关于网衣在水流和波浪条件下的水动力系数的取值，部分学者也做了大量研究：詹杰民等[11]利用水池实验，综合考虑网的密实度、网型以及雷诺数的影响，验证网片阻力计算公式的可用性和阻力系数变化规律；宋伟华等[12]通过大量水槽实验，运用多元回归分析方法，得到网衣波浪力经验公式，并且结果与利用莫里森方程计算出的波浪力和波高关系相近。此外，量纲分析法、模型相似准则在网衣水动力理论研究中也十分重要，李玉成等[13]和桂福坤等[14]已做过相关研究。实际海洋养殖境况中，环境复杂，涉及风、浪、流等同时对网衣水动力特性的影响，关于这方面研究还不够完善，有待深入研究。

2 数值模拟方法

2.1 有限元法

随着计算机技术的高速发展和应用，利用数值计算，建立数学模型和动态模拟已被广泛应用于网衣水动力特性的研究中。近年来，利用有限单元和集中质量点思想进行数值模拟是使用相对广泛的方法。如Tsukrov等[15]基于网衣受力经验公式，采用等效网面法对局部网衣进行仿真模拟，再结合有限元法建立网片在波浪和水流环境负荷下的水动力响应模型；之后，Tsukrov等[16]又引入了非线性单元方法，对数值模型进行改进修正，可分析网衣的受力与变形。Wan等[17-18]采用非线性有限元法，在一般迭代过程基础上进行修正，确定网在均匀流作用下的平衡构型和张力分布，建立网衣的数值计算模型，可精确模拟网衣水动力随形状的变化特性。在金属网衣研究方面，Drach等[19]基于有限元和接触算法，分析金属菱形网在静力加载作用下连接部位的应力情况。苏炜等[20]采用有限单元法建立网状柔弹性结构的等效网面动力模型，为网衣水动力计算提供了一种十分有效的方法。崔勇等[21]根据有限元建立波浪作用下浮绳式围网网衣受力的数学模型，通过计算机数值模拟得出网衣张力在迎浪面网片锚绳连接点及以下纲四角连接处的网线张力最大，并通过拖曳水池试验对围网整体阻力性能进行分析。刘航飞等[22]也基于有限元原理，运用ABAQUS数值计算，对锌铝合金网衣受力做了具体研究。陈鹿[23]利用MATLAB建立网片模型，模拟固定在方形框架上的尼龙网片，分析网片在恒定水流作用下的张力分布和空间形状变化。

2.2 集中质量点法

Takagi等[24]采用集中质量点法建立模型，模拟矩形网衣在水流作用下的三维动态响应，并用试验验证模型的有效性。黄小华等[25-26]选用集中质量点法建立水流作用下网箱网衣变形和受力计算模型，得出网衣在不同配重模式和不同网目形状下的变形和张力分布情况，且具体比较了水流作用下圆形网衣和平面网衣动态变形和网衣受力情况。李玉成等[27]、赵云鹏等[28-29]采用集中质量点法和数学建模法对网衣结构物在水流、波浪条件下进行水动力特性模拟分析，讨论网衣的形状与张力分布特点，并对结果进行可视化。陈天华等[1,30]、桂福坤等[31]基于集中质量点法和网目群分方式，通过对网片的数值模拟分别研究水流、波浪以及水流和波浪共同作用下的桩柱式围网网衣的水动力特性，得出不同流速流向、不同波高波向等要素与围网网线的张力分布，节点偏移以及系缚点受力大小的关系，为今后围网网衣水动力特性的研究提供了重要参考。

此外，部分学者采用弹簧-集中质量模型和耦合模型来研究网衣的水动力特性。Lee等[32]采用弹簧质量单元和隐式积分的方法建立数值模型分析在波浪作用下网的水动力行为及变形情况。毕春伟等[33]提出多孔介质模型和集中质量模型联合使用，模拟柔性网衣与周围流场之间的相互作用。陈昌平等[34-35]采用计算流体动力学原理，基于Navier-Stokes方程及大涡模拟(LES)湍流模型，运用ABAQUS/CFD模块中的Gauss-Seidel耦合方法对水流作用下网衣进行流固耦合计算，得到不同目脚尺寸和网线直径组合条件下锌铝合金网衣的平面受力结果，并用模型试验验证。Bessonneau等[36]利用有限差分法对网衣的水阻力系数、变形和受力等水动力特性进行了研究。

上述通过几种常见数值模拟方法研究网衣的水动力特性，均取得了不错的成果。很明显，相较于传统方法，数值模拟操作简单、周期短且花费少，因而在未来通过数值模型方法来研究网衣特性仍是十分有效的手段。

3 物理模型实验研究

3.1 水阻力系数

关于网衣水阻力系数的研究，日本学者田内、宫崎芳夫、苏联学者巴拉诺夫、弗里得门等都先后对各种规格的网衣做了大量的试验研究[37]。Liu等[38]通过模型试验研究网衣在水中受迫振动时的受力情况，获得了网衣阻力系数、惯性系数与雷诺数和振动频率之间的关系。Loland[39]通过实验研究网衣的密实度对网衣后面流场的影响，推导出网衣的阻力系数和升力系数的经验公式，以及这两个系数值与网衣密实度的关系。Patursson[40]采用模型试验测量网衣后面流体的速度，计算了流速折减率、网衣的阻力系数及升力系数。Cha等[41]通过模型试验研究不同直径和网目长度在不同冲角条件下的链形铜合金网衣水阻力系数，并与柔性网衣阻力系数进行了比较。孙满昌[42]在日本东京水产大学大型回流水槽中试验，利用流线型框架测定方形网目与水流平行时的流体阻力系数和摩擦系数，并与菱形网目网片受力结果进行对比。李玉成等[43-44]利用模型试验比较平面有结节和无结节网衣的水阻力系数随雷诺数、倾角以及布置状态的变化特性，随后又对单片网衣在波浪条件下的水动力特性进行研究，分析了影响速度力和惯性力系数的因素。

3.2 网衣受力

Tauti等[45]通过假定网衣目脚与结点受力相互无关，根据物理模型试验数据分析，推导出网衣水阻力的计算公式。詹杰民等[46]通过模型试验，分析影响网衣阻力特性的主要要素，对比平面和圆形网衣所受水阻力特性，得出计算网衣阻力系数的半理论半经验公式。Lader等[47]通过物理模型试验研究不同波浪条件下网衣受力及网衣作用下波浪形态的改变，并对网衣受力与经验公式计算结果作了比较。宋伟华等[48-49]先后通过水槽实验研究了单点系泊网衣构件在规则波作用下的受力变化规律和网衣的波浪水动力，波浪透射系数与网衣尺度、特征参数、波浪参数的关系。黄洪亮等[50]对几种不同网片水阻力性能与运动变化特征进行比较研究，得出缩结系数在0.600～0.707范围内选用网片时，网片网目规格和网线粗度的影响最大，应优先考虑，其次考虑结节和网片缩结系数的影响。陈鹿等[23]在水槽中开展对5种不同结构有结节尼龙网片水动力研究，分析了框架尾流对网片水动力性能的影响。

上述利用物理模型试验的方法对网衣系统相关水动力特性做了详细研究，但这些研究中网衣材料相对单一，且基本是简单网片和网箱网衣系统，以及水流、普通规则波等的动力荷载作用，还具有一定的局限性，不能全面反映网衣在真实海况下的水动力特性。

4 实际应用

4.1 大型围网养殖应用

大型围网养殖由于养殖空间大、养殖对象品质接近野生而备受关注。我国目前已在多处建成大型围网养殖设施，其中以东海水产研究所、浙江海洋大学和黄海水产研究所参与建设为主。东海水产研究所建设的大型围网设施主要集中在浙江台州大陈岛以及温州等地，如2013—2014年在浙江大陈岛海域建设双圆周管桩式大型围网，周长380 m，由内外两圈组成。外圈采用特力夫高性能纤维网衣，内圈网衣上部6米采用特力夫高性能纤维网衣，下部采用铜网衣，抗风浪以及耐盐、耐紫外老化效果十分理想[51]；2014—2016年组建了内外圈之间跨距10 m的双圆周大跨距管桩式围网，该围网网具以超高强UHMWPE绞捻网为材料，经历过“灿鸿”“杜鹃”“玛莉亚”等多个台风的考验[52-53]；2013—2017年间在浙江温州白龙屿生态海洋牧场敷设栅栏式堤坝围网，并将金属合金网衣用于围网养殖[54-55]。浙江海洋大学在参与部分以上建设的同时，还独立在舟山桃花岛南部建设了10万m2的浅海生态围网养殖基地，用于大黄鱼养殖[56]。2018年，黄海水产研究所与莱州明波水产有限公司指导的在山东莱州湾明波海洋牧场建设的大型围网海域，容纳水体体积达16万m3，每年可养殖海水鱼500多吨[57]。大型围网养殖的快速发展，与养殖网衣技术的不断提升密切相关，养殖网衣性能的增强保证了海洋养殖业的健康发展。

4.2 深远海超大型养殖网箱应用

深远海超大型养殖网箱(或称渔场)近几年发展势头迅猛，如从2017年开始，由国外设计我国武昌船舶重工有限公司建造的世界首座半潜式智能海上渔场——“海洋渔场1号”成功投入使用。整个渔场外围由12根巨型钢柱构成框架，钢柱之间用渔网把渔场团团围住，并安装有2万多个传感器，基本实现智能化和自动化[58]。2018年中国自主研发的全潜式网箱“深蓝1号”也已投放至黄海冷水团海域，用于三文鱼养殖。“深蓝1号”可根据水温控制渔场在水下4～50 m升降，使鱼群生活在适宜温度层，其网衣采用超高分子量聚乙烯材料设置为两层，外层能防止外部鲨鱼击破，内层网孔比鱼小，能防止鱼逃逸。改进优化的“深蓝2号”正在建设中，今年(2019年)年底将会完成建设[59]。2018年，中国水产科学研究院南海水产研究所与天津德赛集团联合研发的“德海1号”半潜桁架养殖渔场，总长93 m，型宽27.3 m，型深7.5m，渔场采用单点系泊锚碇，网衣采用高强度箱体悬挂方式设计，根据水深环境参数，有效养殖水体可从1.1万m3扩展至3万m3。“德海1号”的结构及网衣系统均通过2018年第22号台风“山竹”实况测试安全。2019年烟台中集来福士研发建造了国内最大的“长鲸一号”，长宽均为66 m，上环高度34 m，有效养殖水体6.4万m3，为目前国内最大的深水坐底式养殖网箱[60]。上海振华重工集团也先后在福建连江苔菉镇东洛岛海域和连江筱埕镇定海龙翁屿附近海域放置“振鲍1号”和“振渔1号”，分别用于鲍鱼和大黄鱼养殖[61]。“振鲍1号”饵料投放、运输以及网箱吊装等全部采用机械化，并实时监控鲍鱼生活环境和生长状况，为鲍鱼养殖产业带来巨大前景。“振渔1号”形似橄榄，采用旋转式机构，养殖网箱内部安装网衣形成封闭的养殖空间，部分浸入水中供鱼类活动，部分裸露在外使网衣附着物通过日晒风干等方法去除，然后通过旋转机构定期转换水下水上部分，完成网衣清洁。以上平台的建设说明深远海超大型养殖网箱发展越来越受到重视，发展也相对迅速，这也将成为未来我国海洋养殖的重要发展方向。

近年来，传统网箱养殖以及浅海围网养殖等均出现网线受损断裂、网衣与桩柱之间的系缚点脱落和桩柱倾倒等问题，使养殖对象逃逸，导致海洋养殖失败。新型深远海超大型养殖网箱由于投放时间长，虽目前还没出现明显的受损断裂情况，但其均由大面积的网衣构成，且位于浪高急流的深远海，一旦出现问题，造成的损失是不可估量的。因此，系统地开展海洋养殖网衣的水动力特性研究，讨论网衣的安全性能显得尤为重要，同时也对海洋养殖网衣在新兴养殖环境下的水动力特性理论计算、数值模拟研究以及物理模型试验研究等各方面都提出了新的挑战。所以，开展海洋养殖网衣水动力特性研究，不但可以为海洋养殖工程设施的设计和施工提供理论指导，而且对科学推进新兴海洋养殖模式、促进海洋养殖可持续发展具有重要的作用。

5 发展需求与展望

通过对国内外海洋养殖网衣水动力特性研究进展的分析与回顾，可见海洋养殖网衣水动力特性研究的基础理论、数值模拟和物理模型试验技术以及在实际海区的应用都取得了很大进展。传统网箱养殖网衣的水动力特性研究无论在理论建立、数值模拟还是物理实验上都相对较为成熟，对于波浪和水流作用下的整体模拟基本都可以实现。而围网养殖以及深远海超大型养殖网箱是新兴的海水养殖模式，是未来海洋养殖的重要发展趋势，目前仅有少量学者对浮绳式围网、桩柱式围网养殖网衣做了部分研究，仍有大量值得深入研究的内容，主要表现在：开展性价比更高的网衣材料的研究开发，降低网衣的破坏率以及海水养殖成本；新的围网网衣数值模拟方法，或多种数模方法交叉结合的研究，提高数值模拟准确性，使模拟结果更加接近实际工况以及深远海超大型养殖网箱的数值模型的建立与研究；对多种组合式网衣进行数值模拟和物理实验研究，探求最经济实用的网衣组合形式；开展不规则波和破碎波对海洋养殖网衣的影响，寻求风、浪、流等对网衣的破坏机理；最后需要研究者有针对性地对特定海域海况的养殖网衣水动力特性开展研究，对实际应用提出建设性指导，并对台风等极端情况海水养殖网衣的抗风浪性能进行研究。

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