金枪鱼围网网具水动力特性及沉降性能研究

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金枪鱼围网是围捕类渔具中最为先进的一种作业方式，其作业原理是利用中上层鱼类的表层集群行为，采用圈捕的方式，通过收绞底纲完成包围鱼群，达到捕鱼目的。这种围捕的基本技术最初应用于鲐鱼、沙丁鱼和鳀鱼等小型鱼种，后来扩展到表层金枪鱼渔业中。目前，金枪鱼围网的目标鱼种包括鲣鱼Katsuwonus pelamis、黄鳍金枪鱼Thunnus albacares等。
　　由于以前的捕捞技术是建立在渔业资源相对比较丰富、能源成本较低以及捕捞对环境影响较小的基础上，但随着渔业资源不断被开发利用，现在的渔具渔法更关注于生态环境的保护，以及能源成本的节约，从而引发了渔具设计理念的转变。围网网具发展步入到了网具性能优化的阶段，这主要是渔业管理的驱动，使人们不仅仅只关注高效的围网网具，更多地去关注生态保护及节能的优化网具。
　　围网研究的主要内容有网具沉降特性、水动力特性及网具形态三方面，为了实现网具性能的优化适应现如今的捕捞策略，本研究立足于围网沉降特性和水动力特性研究，对网具本身属性和捕捞参数进行优化，以期提高网具的作业性能。网具优化的参数可包括：网具结构、网具本身属性、捕捞操作参数、放网模式等。但在网具性能优化过程中，1）围网网具的主要作业指标及影响因素有哪些？2）不同材料的网片水动力特性的变化规律？3）对于围网和拖网渔具，在水中运动均与水流呈小冲角运动，网具的水动力特性如何表现？4）优化参数对网具特性的影响效果评估？5）如何评价优化网具的渔具性能？这些问题是造成我国金枪鱼围网网具性能优化的方向不明确的一些主要原因。
　　为此，本研究通过海上实测调查的结果，得到了网具的作业性能的影响因素，在实测的基础上开展新兴材料的网具水动力特性研究，了解不同材料和不同结节类型的网片水动力特性，量化分析下纲配重、放网速度对网具性能的影响，以及不同材料的网具沉降特性的差异，最终提出我国金枪鱼围网的优化方案，并通过动水槽试验评估优化后网具性能效果。主要研究结果如下：
　　（1）渔船的放网速度及网具的沉降速度为决定捕捞成功与否的关键因素；鱼群的运动速度越快，捕捞的可能范围将急剧下降。当鱼群移动速度（下潜速度）超过1.5 m/s时，除非极具表层洄游性鱼类之外，稍具有一定深度的鱼群，则无捕获的可能；投网位置的选择不能忽视，投网位置与鱼群中心的距离越近，易导致鱼群的反应，从而增加逃逸概率；网具规模较大时，必须配合操作条件及鱼群的动态性能的判断作业，从而增加捕获成功率。
　　（2）海洋环境和捕捞参数对围网沉降特性影响：应用广义可加模型（GAMs）对88网次的海上实测自由鱼群捕捞数据进行分析得到：120 m水层的海流速度是环境因素当中对围网沉降深度影响最大的因素；长高比较小的围网具有较好的沉降性能；长高比、放网时间和括纲长度对沉降深度影响显著；而长高比、放网时间、60 m水层流速、括纲长度和跑纲长度对沉降速度影响显著；建立的沉降深度和沉降速度最佳模型可用于预测在不同渔法操作和环境条件下的网具沉降性能，这对于成功捕捞自由鱼群是十分必要的。
　　（3）动水槽试验结果显示，无结节聚乙烯（PE）网片的水动力系数与网目占空率有关；当网片平行于来流方向时，占空率与阻力系数存在负相关关系，而当网片垂直于来流时两者关系为正相关；网片倾斜于水流放置时，阻力系数随着冲角的增加而增大，升力系数在冲角为50°（临界冲角）时达到最大；当冲角小于该临界冲角时和大于临界冲角时，阻力系数和占空率的关系正好相反，即在小冲角下升、阻力系数与占空率均呈负相关关系，而在大冲角时呈现完全相反的结果。通过非线性拟合得到了聚乙烯网片的水动力系数公式：
　　CD90=5.568α0.292 Re-0.125(500＜Re＜5300)
　　CD0=0.127α-0.534 Re-0.040(500＜Re＜5300)
　　CDθ=CD90sinθ+(CD0-1.775αsinθ)cos2θ
　　CLθ=0.251α-0.481CD90sinθcosθ
　　（4）对尼龙（PA）网片，雷诺数和占空率对其水动力系数的影响较为显著，随着雷诺数的增大，阻力系数减小并逐渐趋于平稳；占空率与平行阻力系数存在负相关关系，而与法向阻力系数呈正相关关系；网片倾斜于水流时，升力系数在冲角为50°（临界冲角）时达到最大；当冲角小于该临界冲角时和大于临界冲角时，阻力系数和占空率的关系正好相反，即当冲角趋于0°时占空率越小阻力系数越大，而当冲角趋于90°占空率越大阻力系数越大；在相同条件下，有结网片的阻力系数是无结网片阻力系数的1.23~1.35倍；当雷诺数低于2200，PE网片的阻力系数较PA网片大；但当雷诺数大于2200，PA网片阻力系数反而小于PE网片。根据试验结果拟合了尼龙网片的水动力系数经验公式：
　　CD90=1.691α0.114Re-0.011(400＜Re＜3600);CD90=19.371Rh-0.643+1.139
　　CD0-0.172α-0.407Re-0.031(500＜Re＜5500)
　　CDθ=CD90sinθ+(CD0-0.889αsinθ)cos2θ
　　CLθ=0.38α-0162CD90sinθcosθ
　　（5）小冲角是围网和拖网渔具在水中作业时较普遍的情况，通过自主设计的试验装置，进行了网片水动力的小冲角试验。发现试验框架在0-20°范围内表现稳定，即框架阻力低于总阻力的20％，满足试验的基本要求；小冲角条件下，网片阻力系数与雷诺数、占空率和冲角有关；阻力系数随着冲角的增大而增大，但与占空率和冲角呈负相关关系；相同占空率的无结节尼龙网片的阻力系数约占有结节网片的77.9%。根据试验结果推导出了小冲角条件下的网片阻力系数公式：CD=0.172α-0.407Re-0.031(1+sinθ0.905)1.822上式可应用在渔具（围网、拖网等）与水流呈小冲角作业时，网具理论计算及数值模拟方面，同时也可利于此公式对围网模型准则进行修正。
　　（6）聚乙烯、尼龙和涤纶3种网片的沉降性能动水槽试验结果表明：网片的沉降深度随着沉降时间的增加而增加，直至达到最大沉降深度；下纲配重的增加使网片的沉降特性有着显著性的提高，其中聚乙烯网片的提升幅度最大，其次是尼龙和涤纶网片；占空率与网片的平均沉降速度呈负相关关系；不同材料的网片沉降特性存在显著性差异，涤纶网片的沉降特性最佳，依次是尼龙网片和聚乙烯网片；试验结果证明结节网片的沉降特性劣于无结网片。
　　（7）下纲配重和放网速度对沉降特性影响：利用天然水域中的金枪鱼围网模型网试验结果与海上实测结果进行了对比。结果发现，下纲重量的增加和放网速度的增大，有利于模型网的沉降性能提升；下纲配重是影响网具沉降性能最重要的因素；对比网具中部和取鱼部的沉降速度，围网翼端位置的沉降速度最大；模型网的沉降速度达到实物网的97.2%左右，可近似认为模型网的沉降速度能够客观反应实物网的沉降速度。这表明了我们的模型试验可作为一种重要的补充方法去评估原型网的实测性能。
　　（8）在基础试验的结果上，利用小冲角阻力系数公式对围网模型网准则进行修正，然后制作模型网和设计模型网动水槽试验。本研究采用两种优化的模型网进行动水槽试验：模型网主网衣部位的网目由原来的25 mm更换为30 mm；模型网主网衣1/3部位（靠近下缘网附近）网衣由30 mm更换为45 mm。通过试验结果发现：1)侧流放网是较为理想的放网模式，相比于其它放网模式可使优化网具在沉降特性、包围面积方面有着显著的提高；2)从括纲张力角度来说，顺流放网为较佳放网模型，因其产生较小的括纲张力。取鱼部的张力较网翼部的张力大，两个部位的张力均在绞纲完成时达到最大；3)网目增大使网具沉降性能提升和括纲绞收时间减小。对下缘网附近的网目进一步增大，使网具阻力减小9.26%；4)顺流放网时，网船移动距离和漂移距离均最小，网目增大网具阻力减小使网船的漂流距离减小。可认为上述网具优化方案是切实可行的，在网具节能、网具形态和沉降特性方面均有显著性作用，可作为我国大型围网网具性能优化的主要方向。

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作者
唐浩;
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作者单位

上海海洋大学;

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授予单位上海海洋大学;
学科捕捞学
授予学位博士
导师姓名许柳雄;
年度 2017
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正文语种中文
中图分类 S973.24;
关键词
网线材料; 下纲配重; 沉降性能; 金枪鱼; 围网网具; 水动力特性;

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