灣外海域底層延繩養鮑設施設計與初步試驗

魏盛軍，鄭國富*，陳思源，蔡文鴻，丁 蘭，張 哲，朱健康，魏金順

(1.福建省水產研究所，福建省海洋生物增養殖與高值化利用重點實驗室，福建 廈門 361013，2.福建省萬利鴻海珍品有限公司，福建 莆田 351174)

鮑作為傳統名貴海珍品，因其肉質細嫩、營養豐富，自古以來就深受人們的青睞，當前更是成為了我國海水養殖產業中極為重要的經濟品種之一。據統計，2017年我國鮑總產量為14.8×104t[1]，產值超200億，約占世界鮑總產量的87%[2]，福建鮑養殖產量約占全國80%、世界72%[1]。目前福建鮑主要的養殖設施有筏式養殖、海面延繩養殖以及網箱養殖(包含塑膠網箱)。筏式養殖設施主體結構是“木板+泡沫浮球+竹竿”，養殖籠吊掛在竹竿上進行養殖。海面延繩設施主體結構是“主綆繩+泡沫浮體”，養殖籠吊掛在主綆繩上進行養殖。傳統網箱框架結構與筏式類似，塑膠網箱則由HDPE材料的管件、連接件、浮筒、踏板等組成框架，框架內布置網衣[3-4]，將鮑養殖匍匐基放置在網衣內進行養殖?！澳景?泡沫浮球”結構過剛易折，抗風浪性能差，泡沫浮球易老化破碎污染環境；海面延繩設施柔性雖好，但是位于風浪破壞力最強的海面，抗臺風能力弱；塑膠網箱具備一定的抗風浪能力，但是無法滿足灣外海域的養殖需求。因此，當前福建省鮑養殖產業存在的主要問題：主流養鮑設施受限于自身的性能，在惡劣氣候條件下抗災害能力弱；擁擠在灣內海區養殖，養殖密度過大，缺乏合理的規劃與監管[5-6]，嚴重超過環境的自凈能力，導致養殖海區環境污染嚴重，病害頻繁，養殖成活率已經從最高時期90%降至50%甚至更低；此外，生產管理均采用人工作業，勞動強度大，勞力與餌料等成本大幅度提高，養鮑經濟效益不穩、波動大。

為了突破當前制約鮑養殖生產這些難題，近年來福建省研究人員開展了灣外海域養鮑嘗試。據報道，施玉光等開發了一種開放型海區沉籠延繩式養殖方法及養殖裝置[7]，其將傳統延繩養鮑模式移到灣外海域，目前只有設計思路，并未開展養殖試驗測試。施玉光等的裝置只是在海面延繩結構的基礎上加了一定數量的配重，使海面延繩系統實現沉入海水底層，并未考慮實際養殖生產作業的其他需求，例如，如何在保證不移動系統錨泊的前提下，將所有養殖籠提出海面進行管理作業；如何避免設施互相糾纏；如何保證養殖籠水層穩定等問題。本設計在此概念的基礎上進行改進，為延繩系統增加了附屬主綆繩，滿足不移動主錨可以將所有養殖籠提出水面；對養殖籠的設置水層及保持穩定性進行改進；研發可實現連續機械化作業的設備，用于養殖作業。但因為延繩養殖設施尺寸大、質量大且布設于海水底層，僅靠人力無法完成養殖作業的操作。因此，本文研究灣外海域底層延繩設施設計中水層穩定技術、系統防糾纏、機械化作業、可靠海面標識等關鍵問題及設計思路，并進行海上初步試驗，旨在為相關鮑養殖設施的設計提供參考。

1 系統方案的設計與存在問題

1.1 設計方案

灣外海域底層延繩養鮑系統是在傳統海面延繩養鮑系統的基礎上改進而來，主要由底層延繩設施和機械化作業設備兩大部分構成，如圖1。海上風浪對養殖設施的破壞力主要集中在海水上層，風浪的破壞力隨海水深度增加而減弱，因此延繩系統布置于灣外海域水深20 m以上區域，其結構包含錨泊、主綆繩、養殖籠、水層穩定配件以及海面標識。機械作業設備安裝在養殖管理船上，管理船兩側各安裝1臺，3個人為一組共同作業，其中1人負責控制船只，另外2人每人控制1臺作業設備。

1.2 設施設計的關鍵問題

灣外海域底層延繩養鮑系統設計需要解決的問題包括設施和養殖對象的安全及滿足日常管理作業。因此需要考慮以下4個方面。

1.2.1 養殖籠水層布置及穩定性

養殖籠的布置水層需要躲避海面風浪的影響，以及避免被海底的泥沙灌入養殖籠內，造成鮑生活空間污染。在整個養殖周期內，需要保證養殖籠水層的穩定，不允許出現大范圍的水層竄動，滿足安全生產需求。

1.2.2 避免相鄰兩條延繩設施交纏

灣外底層延繩養鮑設施是沿垂直于主綆繩延伸方向的方向等間隔布置，構成一個片群。因此，單條延繩設施需要保持相對獨立，避免互相交纏牽扯，同一條主綆繩上的養殖設施不允許互相打結，避免產生安全問題。

1.2.3 延繩系統需滿足起籠機作業需求

置于海水底層的養殖籠，其位置距離海面需跨越海水深距離，因此延繩系統必須滿足所有養殖籠均可拉出水面，且保持整個延繩系統位置的相對穩定，不可大幅度變化，避免因此而產生與相鄰延繩系統交纏，導致無法開展生產管理。

1.2.4 可靠的海面標識

延繩系統布置于水深十幾米的海水底層，從海面上是無法通過肉眼直接尋找到具體位置，因此每一條底層延繩系統都必須有醒目的提醒裝置。

2 設施設計分析

針對底層延繩設施需解決的幾大主要問題，研究團隊從以下幾個方面入手，并提出相應的技術方案。下列技術方案設計的前提是：1)延繩設施的繩索系統只能受拉力，不能受壓力，在浮體浮力及配重重力的作用下，構成一個波浪形折線系統，過程中繩索形態變化忽略不計；2)系統錨泊及配重可保證系統在目標海況下不發生滑移。

2.1 養殖籠水層穩定問題的技術分析

為保證養殖籠在整個養殖周期內處于目標水層，既不會上浮，能有效躲避風浪破壞，又不沉于海底，免遭受泥沙掩埋污染，養殖籠的最佳狀態為懸浮于目標水層。因此，對單個養殖籠浮力與配重進行受力分析，其示意圖如圖2。

如圖2b所示，對于位于主綆繩上方的懸浮部分受力分析，假設為靜水狀態，且不考慮主綆繩橫向作用力，則水層控制單元系統只受浮力與重力的作用。要保持養殖籠處于懸浮狀態，則受力須滿足等式(1)。

(1)

(2)

(3)

G總=G籠+G鮑+G餌+G污

(4)

(5)

將公式(3)、(4)代入公式(2)即可得到浮體浮力的計算公式：

F浮=(G籠+G鮑+G餌+G污+G浮)·η·k

(6)

F浮保證了靜水狀態下，單個養殖籠單元懸浮部分在水中時，其浮力永遠大于重力，但是如果沒有配置合適的配重，在浮力的作用下，養殖籠最終將浮到水面。因此，必須配置合適的配重。位于水中的養殖籠除了浮力之外，還有水流對其的作用力，因此養殖籠所受外力應為浮力與水流作用力的合力。配重質量的選擇必須保證養殖籠位置的穩定性，既正常情況下，配重位置不移動，此外還需要考慮其對起籠作業的影響，如果配重的質量過大，雖然保證不會隨波逐流，但是不利于起籠機起籠作業，甚至導致無法起籠作業。

對單個養殖籠及配重單元的配重受力分析可知，忽略影響極小的水流作用力，只受支繩的拉力、自身重力及摩擦力，如圖3所示。對養殖籠工作狀態進行受力分析得到，養殖籠受到浮力(此處僅考慮在浮體作用下養殖籠整體的凈浮力)、水流作用力及支繩的拉力，如圖4所示。由圖3可知，在忽略主綆繩作用力的條件下，配重受到養殖籠對其的拉力與養殖籠受到配重對其的拉力大小相等，方向相反。由此可知，配重受到的最大拉力為養殖籠所受浮力與水流作用力的合力的最大值。由此可知，配重的重力計算式：

G=λ·F合·sinθ

(7)

(8)

根據上浮體浮力計算式，計算每個養殖籠需配置浮體的大小，根據養殖籠尺寸設計浮體結構，要求浮體長寬尺寸與養殖籠一致，可直接安裝在養殖籠底部。再根據配重的計算式計算配重的質量大小，采用圓臺形結構。根據整條延繩設施的規格，按統一規格配置合理數量的養殖籠及配重，養殖籠與配重按1∶1配置。

2.2 防相鄰兩延繩設施交纏的設計分析

圖5為底層延繩設施群布置方案，相鄰兩設施之間的間距為L，理論上L值越大，交纏概率越小，但是L的取值還需與機械作業設備匹配，研究團隊在管理船兩側船舷各安裝1臺研發的機械作業設備，2臺同時進行起籠作業，一次性可對2條底層延繩設施進行鮑的生產管理。因此，L的值應大于船的寬度。

上文在解決養殖籠水層穩定的方案中，需配置合適的配重，配重不僅能保證養殖籠在豎直方向的穩定，同時也保證養殖籠水平方向的相對穩定。當配重的參數合適時，養殖籠水平方向的運動范圍，是以養殖籠浮體至配重支繩連接點之間距離最大值為半徑的圓，如圖2a所示的h(h=l1+l2+l3)。若忽略配重的尺寸，則養殖籠水平方向運動范圍為以配重為圓心，以h的最大值為半徑的圓周，豎直方向為以海底為起點向上h的范圍，故而養殖籠的空間運動范圍是在以配重為圓心、以直徑h為半徑的半球形范圍內。因此，L的值也不應小于養殖籠水平方向運動軌跡的直徑，如圖5中應不小于2l。

考慮到延繩設施布置于海水中，其布置精度難以同陸地上一樣易于掌控，L的基礎參考值為船寬或養殖籠水平運動軌跡圓的直徑中的大者，并在此基礎上取合理的安全系數，安全系數以大于2為宜。

2.3 滿足起籠機作業需求的設計分析

不同于海面延繩系統的管理作業，底層延繩養鮑系統需要配置專用的起籠機，將養殖籠從底層水域拉至水面上，再進行投餌、清洗等管理作業，其作業示意圖如圖1所示。由圖1可知，起籠作業的關鍵節點在第一個與最后一個養殖籠，因此兩端第一個養殖籠與主錨石之間的主綆繩長度需要留足夠的余量。為滿足管理作業需求，將主綆繩分為兩部分：第一部分是位于主錨與海面標識之間，不掛載養殖籠的附屬部分；第二部分是兩個海面標識之間的掛載部分，該部分掛載養殖籠和配重。附屬部分平時通過壓石穩定于海底，當起籠作業進行到第一個或最后一個時，附屬部分主綆繩可被拉起，保證起籠作業正常進行。

為保證這兩個養殖籠可以拉出海面進行生產管理，附屬部分主綆繩長度必須滿足大于作業時的水深。但在實際起籠作業過程中，難以保證處理第一個及最后一個養殖籠時，管理船正好位于對應主錨的正上方，常態應是在主錨附近。因此附屬部分主綆繩的計算式如下：

L附=μ·H

(9)

式中，L附為附屬部分主綆繩的長度；H為作業時水深；μ為安全系數。因管理作業時的潮位無法保持一致，因此H取高潮時水深為宜；μ建議取1.5～2.0。

為防止附屬部分主綆繩在水流作用下飄動交纏，需配置一定數量的壓石，壓石間距為不超過2條底層延繩間距為宜，壓石的質量應根據起籠機的功率進行計算，不宜過重導致無法拉起，可參考養殖籠配重選擇。

2.4 海面標識技術設計分析

底層延繩養鮑設施均布置在灣外海區的底層水域，肉眼無法查看布置區域，因此必須在合適的位置設置提醒裝置。如圖1所示，只需在主綆繩的附屬部分與掛載部分交界處分出1條支繩，支繩的上端捆綁顏色顯眼的浮球，每條底層延繩設施配置2個位置浮球，如有必要可以在主綆繩的中間位置多布置1個浮球。支繩的長度應以養殖海區高潮水位時的水深為準，過長容易造成相鄰浮球交纏，過短則在漲潮時被淹沒，失去提醒的功能。另外，為避免位置浮球相互交纏，將延繩養鮑設施群上位于同一端的浮球捆綁在一條繩索上，該條繩索兩端分別與錨石相連，并給浮球編制序號，利用該條繩索與錨石的約束，縮小浮球的運動范圍。編制序號有利于在發生特殊情況下，辨別位置浮球所連接的底層延繩設施的位置。

3 海上初步試驗

項目組完成了專用起籠機樣機制造，并在岸上進行起籠機起籠操作測試，測試運行情況較好，因此項目組根據前文的設計分析在南日島海區布設2套底層延繩式養鮑系統進行初步測試試驗，如圖6。1艘管理船安裝2臺起籠機，安裝位置是養殖管理船的兩側船舷處，起籠時2臺起籠機同時作業，因此一次作業是2套底層延繩養鮑設施同時進行。起籠機的動力為液壓馬達，由管理船上的發動機帶動。

3.1 試驗海區

項目組于2018年6—8月期間，在莆田市南日島東岱村浮嶼島東側約2 km處海域布置2套底層延繩養鮑設施，進行初步的無養殖測試。試驗海區水深最低潮時約15 m，潮差約6 m，底質為泥沙。

3.2 試驗材料

單套底層延繩養鮑設施的配置：2個花崗巖主錨石，單個質量>1 500 kg，附屬部分主綆繩長度為1.5倍高潮位水深即31.5 m；附屬部分每隔4 m掛一個10 kg的壓石，一側的附屬部分主綆繩需要8個壓石，總共16個。掛載部分的主綆繩50 m，附屬部分與掛載部分主綆繩采用一整條的PP繩。每隔2 m掛載一個五層的層疊式養殖籠，共計24個，養殖籠掛載支繩長度為1 m。按配重與養殖籠1∶2的比例配置配重，共計12個，每個配重約20 kg，配重掛載支繩長度為1 m。在附屬主綆繩與掛載主綆繩交界處，各配置一個浮力為35 kg的位置浮球，配置一個質量為50 kg的配重。2套底層延繩系統按6 m的間距布設在試驗海區，考慮到是初步試驗，不確定性較大，不在養殖籠內放養鮑，而是在每層養殖籠內放置約1 kg質量的石塊替代。在養殖籠另一端捆綁一個浮力為10 kg的浮球，確保當底層延繩系統坐底后，養殖籠處于懸浮狀態。兩條底層延繩養鮑設施于2018年6月4日布置下水，于2018年8月7日將除主錨之外的其他試驗材料回收，試驗期間進行2次起籠作業測試。第一次時間是2018年6月16日，第二次為2018年7月20日。

3.3 試驗結果

2次起籠作業測試表明，底層延繩養鮑設施的結構能與起籠機相匹配，能夠按照設計的要求將底層延繩養鮑設施的養殖籠，逐一從底層水體拉至作業平臺，進行養殖管理作業。起籠機的作業性能，筆者將另外撰文說明，本文不再贅述。

在2個月的無養殖測試中，設計的位置浮球能夠很好地標識底層延繩系統的位置，兩次起籠測試，均通過位置浮球很快找到底層延繩系統。由于只投放了2套底層延繩養鮑設施，并未對位置浮球進行編號，第二次起籠測試時出現了疊錯問題，最終導致2條主綆繩交纏，無法進行起籠作業。由此可知，對位置浮球編號極為重要，便于分辨對應底層延繩養殖系統的位置，有助于準確地進行起籠作業。

第一次起籠作業測試，所有的養殖籠內部較為干凈，基本沒有泥沙入侵。第二次起籠作業測試，部分養殖籠內出現了較多泥沙，五層養殖籠中靠近掛載繩方向的泥沙入侵量大于靠近捆綁浮球方向。一方面證明了當底層延繩養鮑設施坐底后，養殖籠處于懸浮狀態，越靠近海底側的層內，泥沙含量約高。另一方面表明，對于該處海域，將養殖籠設置在離底約2 m處，顯然離底過近，易遭受泥沙影響。養殖籠的離底高度需要根據布置海區底層泥沙運動情況進行合理配置。

2018年7月11日“瑪莉亞”臺風在連江黃岐半島登陸，受臺風影響，南日島東岱灣處的風力約11級，而在2018年7月20日進行第二次起籠測試中，底層延繩養鮑設施整體情況良好，雖然養殖籠出現脫落遺失，但底層延繩養鮑設施整體位置未出現大幅度變動，系統的安全性較好。

綜上，初步試驗結果表明，本鮑養殖系統的設計基本合理，具備一定的躲避臺風能力；養殖籠處于懸浮狀態，但離底高度不夠，不適合鮑的生存，需要提高養殖籠的離底高度，但也要盡量避開臺風下波浪的作用水層；位置浮球功能有效，但需要編號。由于本次測試海域不是真正的灣外海域，未投放鮑苗進行養殖試驗，只布設2套底層延繩養鮑設施進行試驗，數量偏少，經歷的最大風力等級為11級，這套底層延繩養鮑設施離真正的生產應用，還需要更多的試驗與改進。

4 討論

文中針對底層延繩設施設計需解決的關鍵性問題進行了分析，目前這套設備尚處于開發階段，雖然初具雛形，但還有許多問題需要深入研究。例如理論方面，在計算養殖籠整體所受水流作用力時，利用莫里森公式進行計算，但是養殖籠整體屬于具有一定運動自由度，在受到水流作用力后必會發生姿態變化，導致其迎流面面積發生變化而引起水流作用力變化。另外，水流作用力也非一成不變，而是動態的。因此，為選擇合適的配重質量，在計算養殖籠所受水流作用力F流時，只考慮養殖籠整體瞬時受力是否合適。

試驗方面，初期的試驗較為簡單，規模過小，無法真實體現實際大面積生產可能發生的問題；由于有天然屏障的庇護，灣內的海況環境無法與灣外相比，需要到真正的灣外海域開展試驗，來檢驗系統在臺風來臨時躲避風浪破壞的能力。灣外底層延繩養鮑設施還有待于建立完善的系統，在灣外底層海域進行鮑養殖，也是個新興的課題，有諸多未知的問題等待解決。