拖网框架式柔性网板的初步研究

刘新宇 张岗 程丹 潘晓汇 夏平伟 王飞

[摘要]拖网捕捞是我国最主要的捕捞方式，在给社会带来巨大经济效益的同时，也造成了很多问题。而网板是单船底拖网中重要的结构，传统的拖网网板由于笨重、对海底破坏严重、操作困难、耗能严重等问题，已经不能够满足渔具节能降耗的发展趋势，因此，从改进网板的角度来解决这些问题是一个重要的方向，尽管近些年来国内外相关学者已经做了大量研究，但并未取得显著地效果。通过提出一种框架式柔性网板来解决传统拖网带来的问题，以达到节能、降耗的目的，并为相关研究者们所借鉴与参考。

[关键词]拖网捕捞状况;底拖网网板研究;新型框架式柔性网板

[中图分类号]S972[文献标识码]A

我国是渔业资源大国，然而我国的渔具装备技术却处于相对落后的水平。近年来，随着生产技术的发展以及技术的引进，单船底拖网以其较高的性价比被渔业从业者广泛使用，现已成为使用规模最大的拖网型渔具，极大的丰富了人民的物质生活。但传统的单船底拖网不仅对海底环境造成了破坏，也一定程度上制约了渔业产业的发展。因此，展开对单船底拖网的捕捞技术研究对我国渔业的发展具有重大意义。

1拖网捕捞在整个捕捞业中占据重要地位

1.1 我国拖网捕捞的发展状况

2007～2016年全国平均海洋捕捞总产量为12365259t，其中拖网捕捞年平均5985394t，各年产量见表1，拖网捕捞作为我国主要的捕捞方式之一，拖网产量占据总捕捞产量48.4%，从图1可以看出拖网产量几乎为围网、刺网、张网、钓具等四类渔具产量的总和，并持继续增长状态。虽然近年来随着渔业资源减少，海底环境日趋恶化，国家对拖网的管禁越来越严格，但拖网捕捞的年产量仍不可小觑。

单船底拖网因捕捞作用范围广、效率高、简单易操作的性状而备受渔民欢迎。由此，我们根据近年来拖网渔船的产量分析，可以从侧面反映出单船底拖网捕捞在整个捕捞业中占据相当重要的地位。

1.2 传统的拖网捕捞给海洋环境造成破坏

在一项新的研究报告中，近半个世纪以来，拖网渔船一共捕捞超过2.5×107t的生活在海平面400m以下的深海鱼。拖网捕捞作业在给社会带来巨大经济效益的同时，也给海洋生态环境造成了破坏。我们并不能因为拖网对环境造成危害而彻底的抛弃。

因此，在保证产量的情况下注重对海洋环境的保护是必要的。那么我们究竟该如何对拖网进行改进以减少对海底环境的破坏呢？这对我们渔业工作者来说是一个急切需要解决的问题。

1.3 单船底拖网——拖网网板的问题突显

目前刚性网板材料多为钢铁，制作成本操作成本等较高，不易大力推广。一方面，网口水平方向的扩张必须依靠网板，另一方面，由于在投网和收网时，需要在承受巨大张力的曳纲上安装和拆卸网板，而网板通常又都是钢制的重物，因此投网和收网时不仅需要耗费很大的劳力，往往还伴随着危险。另外，传统钢质拖网网板在操作时存在破碎的危险，而且在收放网的操作和回收过程中，也会对渔具和船体造成破坏。

从事渔业生产的船员年龄主要集中在30～50岁，渔船船员年龄结构趋向老龄化。另外船员常年生活在船上，生存环境恶劣，生活方式简单枯燥，免疫力下降。不仅身体健康遭到影响，而且由于生活规律不规范，产生了大量的心理问题，这对捕捞生产造成很大的影响。

因此，考虑其体力身体等情况，笨重庞大的网板不适合操作，从省力、节能、安全的角度出发，就必须开发出既具备良好扩张能力，同时又具有体积小、重量轻、水阻力小等特点的节能省力型网板。

2 拖网网板是当今网具的研究热点

2.1 拖网结构的研究现状

拖网主要由网衣、纲索等柔性体组成，形状和空间状态随外力的大小而变化，当作用在拖网上的诸力处于相对平衡时，拖网将呈现相对稳定的空间状态，保持拖网处于最佳空间状态，对提高产量、增加效益具有重大意义。拖网目前主要分为双船拖网和单船拖网，由于单一的双拖网作业难以适应资源的变化，成本高，产量低，部分捕捞生产单位出现严重亏损的情况。而单船底拖网却是单船拖网中使用比较广泛、捕捞效率较高的的一种，又称单拖，属单船式有翼单囊型拖网类渔具。单船拖網的作业渔场及捕捞对象与双船底拖网大同小异，主要区别是单船独立作业。因此，渔民在选择渔具时仍选择单船拖网。而单船拖网的网口的水平扩张主要是靠网口前方左右两侧的网板产生的水流扩张力来完成。

单船网板拖网捕捞是在上世纪90年代迅速发展，到本世纪初生产规模已经基本稳定。由于单拖作业渔场位于东海大陆架外侧，作业水深可达120m。一方面，很好的适应了东海深水区捕捞作业。另一方面，又因为拖网捕捞产量高。因此，其备受渔业工作者的推崇。

网板是单船拖网扩张拖网水平间距的主要属具，其型式较多，目前我国常用的网板种类有：矩形平面网板、“V”形网板、双叶片椭圆形网板、立式网板、全金属椭圆形综合型网板、圆盾型网板等，立式“V”形网板也有少量应用。

2.2 拖网捕捞渔具的研究创新方式众多

对于单船底拖网来说，网具的系统包括网衣、网板、纲索、浮子、沉纲装置等，拖网的阻力主要来源于网衣和网板，网衣阻力是渔具总阻力的最大组成部分，占渔具总阻力的38.7%～65%。网板阻力占整个网具的12.7%～27.2%。目前，网衣所使用的材料基本大同小异，其结构复杂，不易改进。而相对网衣而言，网板的改进比较容易，而且方式众多。因此通过适当的改进可以减少网具在操作时的水阻力，从而达到节能降耗的目的。

通过查询资料，我们把国内外相关的研究分为以下三类：

第一，主要是通过对渔用材料的创新研发和对网具的设计来降低网具的重量与作业能耗。具体方式有网衣节能，纲索、沉浮子节能，网板节能等。网衣节能方面目前多采用聚乙烯等，以及设计大疏目网口的网衣可减少网具在海水中的阻力;纲索、沉浮子节能除了采用新型渔用材料之外，还可加长下纲的长度以减弱网具对海底的摩擦，降低作业能耗。

第二，开展网板水动力性能的改进研究。20世纪60年代，日本将一种展弦比大于2.0的Subercrub型板改良成立式曲面网板，80年代，日本为了改良立式曲面网板的缺点，引入机翼的上反角和后退角，开发了立式V型曲面网板。法国也曾研制出一种底拖网作业用的滚动式新型拖网网板，尤其适用于不良底质渔场拖网作业。近年来，国内也有针对网板的一系列研究：如李崇聪等学者在小型单船拖网网板的板面上开缝，使网板背部涡流受到较大动能水流的冲击，改善其背部的流态，从而达到减少阻力的目的，取得了较好的效果。王明彦等人通过对立式V型曲面网板的不断深入研究，观察到当立式V型曲面网板的板面曲率为14%、板面折角为12°、展弦比为1.60、后退角为10°时，网板具有较高的水动力性能。因此，研制扩张性能良好、耗能少的新型网板已成为国内外渔业研究者的关注重点。

第三，开发大网目、细网线的新型拖网，使用离底拖网网板等。张建华等人通过对国内外渔业节能的研究，离地网板可在不影响渔获量的前提下分别减少油23%和12%。随着渔场的不断利用和捕捞对象的不断开发，单船拖网作业方式在国内不断扩大，但其作业渔具及操作技术大多为“V”型铁质网板单拖渔具渔法。

随着研究的不断深入，复翼式网板和喷射式网板等也相继研发面世。

3 框架式柔性网板的提出

3.1 框架式柔性网板的可行性

水动力理论分析：根据渔具力学理论，水动力一般与渔具的有效作用面积、与水流的相对运动速度平方、扩张系数成正比：，面积，从而来研究分析柔性扩网装置的结构与规格。网板产生扩张力的原理与飞机的机翼产生升力，使飞机升上天空的原理是一样的。当网板与水流产生相对运动时，由于网板剖面形状的影响，使网板背流面的流速较快，网板迎流面流速较慢。通过伯努利定理得知：“流速大压强小，流速小压强大”。这就使得网板两面产生了水的压强差，即产生了压力差，使网板具有扩张力。由此可见在影响拖网扩张的因素不变，而改变其网板材料的情况下，实现同样的扩张效果是可行的。

3.2 框架式柔性网板的材质和结构

在柔性材料选材方面，帆布由于其强度大，耐腐蚀，是一项较好的选择。通过对网板受力的分解，可以把网板的水动力分解成与网板运动方向相垂直的扩张力和网板运动方向相平行的水阻力，其中扩张力起到扩张网具、增加扫海面积的作用，使拖网尽可能多捕获鱼群。由于柔性材料易弯曲的特征，故此应用有一定硬度的刚性框架对柔性帆布作固定，再拖网横向设计制作横向扩张装置。

通过对网板采用框架结构一定程度上对网板起到了固定作用，同时其双层结构也很好为网口在水平方向上的扩张提供了充分的力。而框架式流线性结构设计极大的减小了网具在水流中所受的阻力，同时极大的降低了能耗，框架和帆布构成的新型网板的上下翼的水流入口都比水流出口大，这样便使得网板运动时在网板内部形成压强差，而这一压强差同时产生作用于拖网网口水平方向上的力，致使网口达到水平方向上的扩张。

3.3 框架式柔性网板的优势

采用柔性水平扩网装置，相比原有的刚性网板减轻了重量，可以更好的使网具离地作业，减小了对海底的破壞程度，符合海洋生态文明建设要求的生态型捕捞;采用柔性扩网装置较大程度上减小水阻力，从而降低油耗，减轻劳动强度，进而降低劳动成本。

柔性材料水中重量小。在船只进行拖曳作业时，不会因为海中水流紊乱及海底坑洼不平等因素造成网具倾覆的危险，与刚性材料相比具有更高的稳定性和可靠性。同时柔性材料加工方便，质地柔软，成本低廉，相较于传统刚性材料而言使用成本减少，可以使单船拖曳作业操作更加方便，船员更加省力。

我国江浙等地出现的帆张网就是利用这些特点。根据对帆张网作业时所受水动力的研究发现。帆布材料在水流作用下会发生“横向弯曲后坠，上下横卧现象”，实际受力面积为设计面积的约60%。所以想实现预计将网具水平扩张达到理想状态必须增加其设计面积。增加设计面积必将会使所受的阻力增加，合理选择网板几何形状和装配方式可以提高水动力效率是解决这一问题的关键步骤。

4 结语

自上世纪九十年代以来我国渔业产业就开始面临一系列严重的问题。由于过去人们对渔业资源的过度捕捞以及海洋气候环境的恶劣变化，20世纪80年代以来，海洋渔业出现了资源衰竭、海洋生态环境严重破坏等问题。自从引进单船网板拖网后，由于捕捞产量大、易操作、环境受限程度低，一直受渔业从业者的推崇。但网板作业近年来随着燃油价格高涨、网板耗能大已经成为行业内的诟病，尤其是随着远洋渔业的开发，渔船必将大型化，同时必然要求网板体积增大，这显然不能满足于海洋渔业的迫切发展。国内外虽然从未停止对新型网板的研究，但大多仅限于对网板的结构本身的改进，不能从本质上解决耗能严重，远洋渔业开发的需求，因此我们从节能降耗、紧贴渔业大型化的角度，对单船拖网网板进行研究是必要的。

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