深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖裝備技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

閆國(guó)琦，倪小輝，莫嘉嗣

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東廣州510642)

改革開(kāi)放以來(lái)，中國(guó)海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)受市場(chǎng)需求、養(yǎng)殖裝備技術(shù)發(fā)展和國(guó)家政策等因素的推動(dòng)，得到了快速發(fā)展。然而長(zhǎng)期在近海水域的高密度養(yǎng)殖加速了海水污染，水質(zhì)惡化，水產(chǎn)品質(zhì)量下降，導(dǎo)致淺水網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)面臨發(fā)展瓶頸。國(guó)家在 “十二五”期間提出的 “關(guān)心海洋、認(rèn)識(shí)海洋、經(jīng)略海洋”，以及在 “十三五”規(guī)劃中提出 “發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，科學(xué)開(kāi)發(fā)海洋資源，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境”的全國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略，對(duì)中國(guó)乃至其他國(guó)家深海養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有著指導(dǎo)性意義[1-2]。本研究中，主要對(duì)深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖及其裝備技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了分析與討論，旨在為海水養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 深海網(wǎng)箱

20世紀(jì)70年代開(kāi)始，深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖技術(shù)因生產(chǎn)效益好、環(huán)境污染小、水產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，促進(jìn)了網(wǎng)箱養(yǎng)殖的快速發(fā)展，得到沿海國(guó)家高度關(guān)注與重視。隨著科技發(fā)展，新材料的開(kāi)發(fā)利用，進(jìn)一步提高了網(wǎng)箱在海水中抗老化、抗扭曲、抗沖擊等性能。國(guó)外典型深海網(wǎng)箱有挪威AKVA公司HDPE圓形網(wǎng)箱、日本的浮繩式網(wǎng)箱和美國(guó)的碟形網(wǎng)箱。

國(guó)內(nèi)外網(wǎng)箱的研究進(jìn)展有如下特點(diǎn)：(1)網(wǎng)箱容積朝大型化發(fā)展。國(guó)外先進(jìn)的深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖系統(tǒng)，依靠現(xiàn)代化科技，正朝大型化、規(guī)?；l(fā)展。挪威的HDPE圓形網(wǎng)箱最大容積為40 000 m3，最大網(wǎng)箱周長(zhǎng)為80～160 m，深度為20 m，單個(gè)網(wǎng)箱產(chǎn)量為1000 t。網(wǎng)箱尺寸以及養(yǎng)殖規(guī)模增大，有利于提高養(yǎng)殖企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[3]。 (2)抗臺(tái)風(fēng)、海浪能力增強(qiáng)。挪威的HDPE圓形網(wǎng)箱能承受5 m高的海浪沖擊和12級(jí)的風(fēng)力[4-5]。美國(guó)的碟形網(wǎng)箱，抗流能力強(qiáng)，在流速為2～3 kN的沖擊下，箱體也不發(fā)生變型[6]。以色列的柔性網(wǎng)箱能承受15 m的高臺(tái)風(fēng)與海浪沖擊，被用于水深60 m的深海養(yǎng)殖[7]。 (3)高新科技、高新材料的發(fā)展與應(yīng)用。金屬網(wǎng)衣材質(zhì)的銅合金以及鋅鋁合金網(wǎng)箱，具有抗菌、耐腐蝕性能，能有效防止網(wǎng)衣附著物的生長(zhǎng)。使用防污涂料以及防污損技術(shù)，可以延長(zhǎng)網(wǎng)箱的使用壽命[8-12]。 (4)網(wǎng)箱水動(dòng)力特性與數(shù)值模擬研究。陳昌平等[13]進(jìn)行了水流作用下網(wǎng)衣的流固耦合計(jì)算，研究了金屬網(wǎng)衣多孔小直徑網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力響應(yīng)特性。董國(guó)海等[14]對(duì)在波流逆向和波流同向作用下，重力式網(wǎng)箱的受力、運(yùn)動(dòng)和網(wǎng)衣變形進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

中國(guó)網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)從20世紀(jì)70年代起開(kāi)始發(fā)展，網(wǎng)箱大多數(shù)由松木板和竹竿材質(zhì)制成，網(wǎng)箱容積小、抗風(fēng)浪性能差、使用周期短[15]。1998年，海南省第一次從挪威引進(jìn)8只抗風(fēng)浪柔性圓柱形網(wǎng)箱，開(kāi)創(chuàng)了中國(guó)大型網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)的先河，但這些不能較好地適應(yīng)中國(guó)海域的養(yǎng)殖環(huán)境且網(wǎng)箱價(jià)格昂貴。因此，必須自主研發(fā)適應(yīng)中國(guó)養(yǎng)殖環(huán)境的網(wǎng)箱，并逐漸形成中國(guó)獨(dú)特的養(yǎng)殖體系[16-17]。2002年，中國(guó)研制出第一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全國(guó)產(chǎn)業(yè)化HDPE雙浮管升降式深水網(wǎng)箱。2008年，海南省初步實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)箱養(yǎng)殖的規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化[3]?！笆濉逼陂g，徐皓等[18]設(shè)計(jì)建立10萬(wàn)t級(jí)船體平臺(tái)，提出了 “養(yǎng)-捕-加”一體化深遠(yuǎn)海 “深藍(lán)漁業(yè)”發(fā)展模式。中國(guó)海南、珠海、山東等沿海地區(qū)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，海南近幾年加大對(duì)深海養(yǎng)殖業(yè)的補(bǔ)貼扶持力度，鼓勵(lì)養(yǎng)殖戶(hù)由傳統(tǒng)的近海養(yǎng)殖向深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱養(yǎng)殖轉(zhuǎn)變，2015年6月海南深水網(wǎng)箱數(shù)量達(dá)3548只，并計(jì)劃 “十三五”末達(dá)1.4萬(wàn)只，實(shí)現(xiàn)年總產(chǎn)量約14萬(wàn)t，產(chǎn)值約50億元[19-20]。

深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖是漁業(yè)轉(zhuǎn)方向調(diào)結(jié)構(gòu)的重要方式，有利于深海養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，有利于緩解近海養(yǎng)殖壓力和減輕環(huán)境污染。目前，國(guó)內(nèi)深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展緩慢，網(wǎng)箱的性能、使用壽命和配套裝備與國(guó)外相比有較大差距，今后需加大經(jīng)濟(jì)投入，提高深水網(wǎng)箱的科研力度，實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)深海養(yǎng)殖模式的快速轉(zhuǎn)變。

深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖的發(fā)展趨勢(shì)總結(jié)為： (1)網(wǎng)箱設(shè)施呈大型化發(fā)展，向促進(jìn)海洋養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)?；?、工業(yè)化方向發(fā)展； (2)網(wǎng)箱設(shè)施結(jié)構(gòu)可靠、安全性強(qiáng)，對(duì)深海網(wǎng)箱抗風(fēng)浪能力和耐流特性進(jìn)行系統(tǒng)的水動(dòng)力特性研究，可減小網(wǎng)箱變形，提高抗風(fēng)浪能力； (3)采用自動(dòng)化、智能化配套裝備技術(shù)，推進(jìn)深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展。

2 自動(dòng)投餌裝備技術(shù)

深海網(wǎng)箱自動(dòng)投餌裝備是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化與機(jī)電一體化技術(shù)、環(huán)境與養(yǎng)殖技術(shù)等，運(yùn)用水下攝像機(jī)對(duì)網(wǎng)箱內(nèi)魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)情況和水下環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確控制投餌，依據(jù)海情、魚(yú)情數(shù)據(jù)準(zhǔn)確給定投餌時(shí)間與數(shù)量，實(shí)現(xiàn)深海網(wǎng)箱精準(zhǔn)化養(yǎng)殖[21-25]。

自動(dòng)化投餌裝置是制約深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模化與集約化發(fā)展的重要因素，運(yùn)用水下攝像機(jī)、環(huán)境傳感器、計(jì)算機(jī)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、定時(shí)、定量的精準(zhǔn)投餌，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效益。

目前，挪威、加拿大、美國(guó)、日本等國(guó)家普遍實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)投餌，養(yǎng)殖規(guī)模大大提高。國(guó)內(nèi)外投餌裝備的投餌方式有風(fēng)送式、螺旋輸送式[26]，國(guó)內(nèi)外研究較多的是風(fēng)送式投餌裝備，如挪威AKVA公司的MarinaCCS投餌系統(tǒng) (圖1)。投餌采用管道低壓輸送方式，一臺(tái)風(fēng)機(jī)經(jīng)投餌分配器可實(shí)現(xiàn)多達(dá)60路遠(yuǎn)程輸送，輸送距離為300～1400 m，最大喂料量為648～5220 kg/h。投餌系統(tǒng)對(duì)風(fēng)管進(jìn)行散熱處理，減少了飼料的損壞率；安裝風(fēng)力控制器，防止飼料堆積與磨損。監(jiān)視系統(tǒng)是精準(zhǔn)投餌的關(guān)鍵，運(yùn)用多普勒殘餌量傳感器、環(huán)境傳感器、喂餌攝像機(jī)，對(duì)水下環(huán)境、魚(yú)的生長(zhǎng)情況，以及殘餌和死魚(yú)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制投餌量。挪威AKVA公司的養(yǎng)殖管理系統(tǒng)與投餌系統(tǒng)協(xié)同工作，已經(jīng)全面實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化控制[3]。美國(guó)ETI公司的FEEDMASTER投餌系統(tǒng) (圖2)，基于PLC控制技術(shù)有效解決了投餌機(jī)對(duì)餌料的損傷問(wèn)題，可靠性強(qiáng)，投餌精度高，每套投餌系統(tǒng)可支持24～60個(gè)飼料輸送管道，最大投餌能力為250 kg/min，提高了養(yǎng)殖效率和管理水平[27-28]。加拿大Feeding systems公司的自動(dòng)投餌系統(tǒng) (圖3)，根據(jù)不同的養(yǎng)殖對(duì)象可設(shè)置不同的投餌控制軟件，有效地提高了投餌系統(tǒng)的使用效率，并通過(guò)自動(dòng)投餌系統(tǒng)和控制軟件的協(xié)調(diào)配合，提高了餌料利用率與經(jīng)濟(jì)效益[27-28]。

圖1 AKVA公司的CCS自動(dòng)投餌系統(tǒng)[29]Fig.1 A CCS automatic feeding system from AKVA group[29]

圖2 ETI公司的FEEDMASTER投餌系統(tǒng)[28]Fig.2 A FEEDMASTER feeding system from ETI[28]

圖3 Feeding system公司的自動(dòng)投餌系統(tǒng)[28]Fig.3 Automatic feeding system from Feeding system[28]

國(guó)外對(duì)投餌裝備的研發(fā)已較為成熟，可運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)研究投餌參數(shù) (氣壓、質(zhì)量、速度等)對(duì)養(yǎng)殖效率的影響。Sk?ien等[30]研究表明，餌料的大小、密度等均可對(duì)養(yǎng)殖效率產(chǎn)生顯著影響，且餌料的大小與擴(kuò)散呈正相關(guān)關(guān)系，但密度對(duì)擴(kuò)散未有顯著影響，此研究對(duì)投料的精確性控制具有指導(dǎo)意義。Papandroulakis等[31]研制了一套遠(yuǎn)程自動(dòng)投餌的軟硬件系統(tǒng)，可通過(guò)計(jì)算機(jī)控制投餌現(xiàn)場(chǎng)的各種操作。Aasa等[32]研究了風(fēng)送式投餌系統(tǒng)中不同的餌料質(zhì)量、風(fēng)送速度對(duì)餌料分解的效果。Oehme等[33]研究了不同的撒料器對(duì)投餌均勻度的影響。

國(guó)內(nèi)自動(dòng)投餌技術(shù)還處于發(fā)展初期，面臨著多項(xiàng)技術(shù)難題。目前，主要采用傳統(tǒng)人力搬運(yùn)投餌或半自動(dòng)投餌的方式，其經(jīng)濟(jì)效益低，不利于深海養(yǎng)殖業(yè)規(guī)?；l(fā)展。當(dāng)前各高校、研究院所和企業(yè)正投入大量的財(cái)力、物力研發(fā)自動(dòng)投餌裝備。20世紀(jì)90年代初，大連水產(chǎn)學(xué)院通過(guò)對(duì)國(guó)外自動(dòng)投餌技術(shù)的研究，研制出了機(jī)械式對(duì)蝦投餌裝置[34]。本世紀(jì)初，大連海洋大學(xué)研制的可用于海洋牧場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控投餌系統(tǒng)，以可編程以太網(wǎng)控制器為核心，運(yùn)用自動(dòng)投餌、自動(dòng)放聲、水下攝像、傳感器和無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，解決了餌料精確投喂、音響馴化和水下視頻監(jiān)控等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了海洋牧場(chǎng)的遠(yuǎn)程控制和管理[35]。中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所、農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室分別研制了基于PLC控制的風(fēng)送式自動(dòng)投餌系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)定時(shí)、定量投餌[36-37]。

2009年，中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所研發(fā)了中國(guó)第一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深水網(wǎng)箱遠(yuǎn)程多路自動(dòng)投餌系統(tǒng)，該系統(tǒng)融合機(jī)電工程、環(huán)境技術(shù)、養(yǎng)殖技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，促進(jìn)了深海養(yǎng)殖的集約化管理，其投餌輸送距離為300 m/h，投餌量為1200 kg/h，可供12～24路網(wǎng)箱投餌[38]。胡昱等[39]利用科里奧利力學(xué)原理，開(kāi)發(fā)出一種不受飼料特性與重力場(chǎng)變化影響的自動(dòng)投餌計(jì)量裝置。采用DSP數(shù)字信號(hào)處理器為控制核心，并通過(guò)對(duì)扭矩與轉(zhuǎn)速的測(cè)量與反饋控制，對(duì)計(jì)量誤差進(jìn)行了動(dòng)態(tài)校正，運(yùn)用PID控制方法實(shí)時(shí)控制轉(zhuǎn)速，從而精確控制計(jì)量給料。該裝置計(jì)量精確度可達(dá)±1%，量程范圍為0～15 t/h，適合深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖精確投餌操作和管理。張惠娣等[40]設(shè)計(jì)了基于無(wú)線通信和PLC的網(wǎng)箱自動(dòng)投餌系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)網(wǎng)箱大小、魚(yú)的種類(lèi)及不同生長(zhǎng)階段監(jiān)測(cè)到的反饋信息，通過(guò)粒位計(jì)與水下攝像頭對(duì)投餌量、投餌速度、投餌距離實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，投餌量控制精度高，餌料投放均勻，可較好地適應(yīng)環(huán)境，提高餌料利用率。

自動(dòng)投餌系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)總結(jié)為： (1)機(jī)械化，采用機(jī)械投餌裝置代替人工投餌，提高工作效率以及餌料利用率，并實(shí)現(xiàn)均勻投餌； (2)自動(dòng)化，運(yùn)用PCL等控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多路管道的定時(shí)、定量、精準(zhǔn)投餌；(3)遠(yuǎn)程化，采用遠(yuǎn)程管理軟硬件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制網(wǎng)箱現(xiàn)場(chǎng)投餌； (4)智能化，運(yùn)用計(jì)算機(jī)、傳感器和機(jī)器視覺(jué)等技術(shù)，對(duì)水下環(huán)境、魚(yú)的生長(zhǎng)情況以及殘餌量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)智能化投餌。

3 網(wǎng)衣清洗裝備技術(shù)

深海養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成了不同程度的破壞，藻類(lèi)、貝類(lèi)等附著物在網(wǎng)衣表面快速繁殖進(jìn)而導(dǎo)致網(wǎng)孔堵塞，影響了網(wǎng)箱內(nèi)外水體交換，減少了溶氧量和食物供應(yīng)，影響了魚(yú)類(lèi)的生長(zhǎng)率和成活率。藻類(lèi)、貝類(lèi)等附著物的增多，可影響網(wǎng)箱浮力，導(dǎo)致網(wǎng)箱傾斜以及抗風(fēng)浪能力減弱，甚至對(duì)網(wǎng)衣造成破壞[41]。目前，國(guó)內(nèi)外在網(wǎng)衣清洗技術(shù)方面的研究，取得了一定的成果。

水下洗網(wǎng)裝備按工作原理可分為高壓水流清洗裝置與旋轉(zhuǎn)式刷洗裝置，此外，還有高壓水流與毛刷相結(jié)合的洗網(wǎng)裝置，高壓水流與物理摩擦能除去不同種類(lèi)的附著物。國(guó)外洗網(wǎng)裝備大部分為高壓水流清洗裝置，對(duì)網(wǎng)衣能有效地清洗，但對(duì)網(wǎng)箱清洗的效果不佳。另外，國(guó)外也有對(duì)旋轉(zhuǎn)式刷洗裝置的研究報(bào)道，彭安華等[42]、Hodson等[43]對(duì)旋轉(zhuǎn)式刷洗裝置參數(shù) (刷毛長(zhǎng)度，刷盤(pán)半徑)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一種網(wǎng)衣清洗裝置。由于網(wǎng)衣在水中是柔性結(jié)構(gòu)，可隨水流漂浮，故保持刷毛與網(wǎng)衣的良好接觸，可以提高清洗效果。

水下洗網(wǎng)裝備按自動(dòng)化程度可分為半自動(dòng)的洗網(wǎng)裝備與采用水下有纜機(jī)器人ROV的全自動(dòng)洗網(wǎng)裝備。英國(guó)Aurora Marine公司提供ROV水下洗網(wǎng)機(jī)器人 (圖4)網(wǎng)衣清洗服務(wù)，該洗網(wǎng)機(jī)器人采用履帶式結(jié)構(gòu)與水流雙重驅(qū)動(dòng)，能較好依附在網(wǎng)衣上，采用高壓水流對(duì)網(wǎng)衣進(jìn)行清洗；美國(guó)Yanmar Marine公司的履帶式水下洗網(wǎng)機(jī)器人 (圖5)，采用高壓水與毛刷結(jié)合的清洗方式[44-45]。

加拿大Marine Harvest公司、挪威AKVA group公司 (圖6)和MPI公司 (圖7)的洗網(wǎng)產(chǎn)品則是半自動(dòng)的有纜洗網(wǎng)裝置，其洗網(wǎng)作業(yè)是自動(dòng)的，但洗網(wǎng)裝置的運(yùn)動(dòng)則靠人工移動(dòng)[29，46]。這幾家公司的洗網(wǎng)裝置原理類(lèi)似，均采用高壓水流作為動(dòng)力，使洗網(wǎng)碟片壓緊網(wǎng)衣，再利用旋轉(zhuǎn)式高壓水流達(dá)到洗網(wǎng)的目的。

目前，國(guó)內(nèi)網(wǎng)衣清洗仍是以人工清洗為主，分為換網(wǎng)清洗與人工潛水清洗。人工潛水清洗成本高、時(shí)間長(zhǎng)、安全系數(shù)低；換網(wǎng)清洗不但增加了成本，還容易對(duì)水下的魚(yú)體產(chǎn)生一定程度的擦傷。國(guó)內(nèi)對(duì)高壓水流式清洗裝置的研究，仍停留在高壓水流的流場(chǎng)分析、噴頭設(shè)計(jì)上，并未與水下機(jī)器人結(jié)合。中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所對(duì)高速水流驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)原理進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種水下洗網(wǎng)裝置[47]；在此基礎(chǔ)上，該所對(duì)高壓射流水下洗網(wǎng)機(jī)旋轉(zhuǎn)射流打擊力進(jìn)行計(jì)算，為洗網(wǎng)參數(shù)的選擇提供了理論依據(jù)[48]。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)水下高壓噴頭的設(shè)計(jì)與流場(chǎng)的仿真方面的研究較多[49-50]，對(duì)旋轉(zhuǎn)式刷洗裝置方面也有研究，主要集中在對(duì)裝置的機(jī)構(gòu)原理、電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面。宋玉剛等[51]設(shè)計(jì)的網(wǎng)衣清洗系統(tǒng)，主要研究的是水下清洗原理，以及電控系統(tǒng)和起重機(jī)的控制油路設(shè)計(jì)過(guò)程，并對(duì)動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行了理論分析和計(jì)算。

水下網(wǎng)衣清洗裝置的快速發(fā)展，尤其是近些年對(duì)水下機(jī)器人ROV洗網(wǎng)技術(shù)的研究，有助于使用更大的網(wǎng)箱以及網(wǎng)衣深度，增大網(wǎng)箱容量。水下網(wǎng)衣清洗裝置操作方便，安全可靠，可以對(duì)深水網(wǎng)衣進(jìn)行清洗。

圖4 Aurora Marine洗網(wǎng)機(jī)器人[44]Fig.4 Net cleaner from Aurora Marine[44]

圖5 Yanmar Marine洗網(wǎng)機(jī)器人[45]Fig.5 Net cleaner from Yanmar Marine[45]

圖6 AKVA group洗網(wǎng)裝備[29]Fig.6 Net cleaner from AKVA group[29]

圖7 MPI洗網(wǎng)裝備[46]Fig.7 Net cleaner from MPI[46]

水下網(wǎng)衣清洗裝備的發(fā)展趨勢(shì)總結(jié)為： (1)洗網(wǎng)原理，旋轉(zhuǎn)刷洗式與高壓水流沖洗式結(jié)合達(dá)到網(wǎng)衣更佳的清洗效果； (2)水下機(jī)器人ROV洗網(wǎng)，安全系數(shù)高、操作方便，有利于深海養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)模化發(fā)展；(3)以網(wǎng)衣清洗為主，網(wǎng)箱其他結(jié)構(gòu)清洗為輔，有利于延長(zhǎng)網(wǎng)箱和網(wǎng)衣的使用壽命；(4)水下監(jiān)控系統(tǒng)、傳感器、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展為水下洗網(wǎng)機(jī)器人的智能化清洗提供了可能。

4 魚(yú)類(lèi)起捕裝備技術(shù)

魚(yú)類(lèi)的起捕與輸送是深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖中的重要環(huán)節(jié)，自動(dòng)化程度高的起捕裝置可大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)機(jī)械化、自動(dòng)化的起捕裝置可大大提高魚(yú)類(lèi)的成活率，降低作業(yè)時(shí)對(duì)魚(yú)類(lèi)的人為損傷。目前，國(guó)內(nèi)已研制出不同類(lèi)型的吸魚(yú)泵，主要有離心式吸魚(yú)泵、真空式吸魚(yú)泵、射流式吸魚(yú)泵等。

4.1 離心式吸魚(yú)泵

離心式吸魚(yú)泵是使用最早的吸魚(yú)泵，其原理為通過(guò)泵內(nèi)葉輪高速旋轉(zhuǎn)的離心力，在進(jìn)口處產(chǎn)生負(fù)壓將魚(yú)水吸入，在出口形成高壓排出魚(yú)水，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作效率高，但葉輪的高速旋轉(zhuǎn)會(huì)損壞魚(yú)體。

美國(guó)愛(ài)達(dá)荷州達(dá)斯馬尼亞公司生產(chǎn)的特大型1614-P固定式離心魚(yú)泵，可抽吸的魚(yú)體長(zhǎng)最大為72 cm，體質(zhì)量為9 kg，每小時(shí)能抽吸魚(yú)200 t。20世紀(jì)70年代，中國(guó)水科院漁機(jī)所研制的潛水式離心魚(yú)泵，采用油壓技術(shù)驅(qū)動(dòng)魚(yú)泵葉輪吸送魚(yú)貨，該泵100 min可抽吸冰鮮大黃魚(yú)35 t，魚(yú)體損傷率僅為1%[52]。

已有學(xué)者針對(duì)離心式吸魚(yú)泵存在的功率小、對(duì)魚(yú)體損傷等問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，運(yùn)用ANSYS CFX等軟件對(duì)泵的結(jié)構(gòu)尺寸、性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。劉平[53]運(yùn)用ANSYS CFX對(duì)離心吸魚(yú)泵U-400的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬和仿真分析，得出U-400在設(shè)計(jì)工況下的內(nèi)部流場(chǎng)分布以及吸魚(yú)泵性能參數(shù)。劉平等[54]在XYB-200離心式吸魚(yú)泵的基礎(chǔ)上，運(yùn)用泵相似定律進(jìn)行葉輪的進(jìn)口、出口和直徑的設(shè)計(jì)改進(jìn)，利用ANSYS CFX模擬驗(yàn)證吸魚(yú)泵性能參數(shù)，研制出了新型離心式吸魚(yú)泵，對(duì)30～40 cm長(zhǎng)的鯽魚(yú)試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果顯示，揚(yáng)程5 m時(shí)吸魚(yú)泵出口流量約為350 t/h，且對(duì)魚(yú)體只產(chǎn)生少量輕微擦傷。

4.2 真空式吸魚(yú)泵

真空吸魚(yú)泵由真空泵、貯魚(yú)槽、進(jìn)出軟管等組成，水環(huán)式真空泵是其形成負(fù)壓的主要設(shè)備。其工作原理是利用真空負(fù)壓原理，魚(yú)水混合物受到負(fù)壓力的作用被吸上來(lái)，該設(shè)備自動(dòng)化程度高，對(duì)魚(yú)體無(wú)損傷。

20世紀(jì)60年代，加拿大研制的虹吸管式氣力吸魚(yú)泵，由于虹吸的作用其能連續(xù)不斷地將魚(yú)從網(wǎng)箱中吸出，對(duì)魚(yú)體的損傷小。目前在美國(guó)、加拿大、蘇聯(lián)、荷蘭、朝鮮等國(guó)被廣泛使用[55]。美國(guó)ETI公司生產(chǎn)的TRANSVAC型真空吸魚(yú)泵的抽吸量為300～360 t/h， 功率為23～190 kW[52]。

國(guó)內(nèi)最初研制的單筒間歇式真空吸魚(yú)泵，由于只有單個(gè)罐體，不能連續(xù)吸魚(yú)，功耗大且效率低[56-57]。曹廣斌等[56]采用加入一個(gè)筒實(shí)現(xiàn)了雙筒真空吸魚(yú)泵的設(shè)計(jì)，同年浙江海洋學(xué)院郭建平等[58]研制了連續(xù)式真空吸魚(yú)泵，吸魚(yú)效率較高。蘇玉香等[59]研制了新型雙機(jī)雙筒高效吸魚(yú)泵，全程采用自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)工作吸魚(yú)，有效地解決了傳統(tǒng)真空吸魚(yú)泵效率低、功耗大的問(wèn)題。

4.3 射流式吸魚(yú)泵

射流式吸魚(yú)泵是通過(guò)高壓水從出口噴嘴高速?lài)姵觯谡婵毡脙?nèi)形成負(fù)低壓，魚(yú)水在外界大氣壓與泵內(nèi)負(fù)壓的壓差作用下被吸入混合室，等到壓力差平衡后，魚(yú)水經(jīng)導(dǎo)管排出。美國(guó)ETI公司研制擁有專(zhuān)利權(quán)的射流式吸魚(yú)泵在挪威、加拿大等國(guó)廣泛應(yīng)用，每小時(shí)可吸送鮭魚(yú)5 t、鱈魚(yú)80 t、鯡魚(yú)160 t，最大的抽吸量可達(dá)300～360 t/h，但由于造價(jià)高，體積笨重，主要用于處理死魚(yú)[55]。

黃小華等[60]提出了射流式吸魚(yú)泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。Wagner等[61]研究了魚(yú)在吸魚(yú)泵收魚(yú)過(guò)程中的應(yīng)激反應(yīng)。Long等[62]研究了射流式吸魚(yú)泵對(duì)魚(yú)的損傷問(wèn)題和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)問(wèn)題，得出在不同參數(shù)下對(duì)應(yīng)的魚(yú)類(lèi)損傷概率與類(lèi)型。黃道沛等[63]研究的基于負(fù)壓原理射流式吸魚(yú)泵，在原射流式吸魚(yú)泵能連續(xù)吸魚(yú)的基礎(chǔ)上，利用真空吸魚(yú)泵的負(fù)壓對(duì)魚(yú)的輸送無(wú)損傷的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了能連續(xù)輸送魚(yú)且對(duì)魚(yú)體無(wú)損傷的效果。

4.4 魚(yú)類(lèi)起捕技術(shù)

(1)國(guó)外養(yǎng)殖規(guī)模大，普遍采用吸魚(yú)泵實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收魚(yú)。國(guó)內(nèi)主要采用人工或者自動(dòng)化程度低的裝置收魚(yú)，因此，需研發(fā)機(jī)械化、自動(dòng)化程度高的收魚(yú)裝置以提高工作效率，促進(jìn)國(guó)內(nèi)網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展。(2)吸魚(yú)泵功率大，結(jié)構(gòu)尺寸大，需要配套的大型工作船進(jìn)行安裝。國(guó)內(nèi)養(yǎng)殖規(guī)模小且大型工作船造價(jià)昂貴，大部分養(yǎng)殖企業(yè)沒(méi)有大型工作船。(3)深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖處于距陸地較遠(yuǎn)、風(fēng)浪較大的深水海域，采用電纜供電成本太高，大多數(shù)養(yǎng)殖企業(yè)使用汽油機(jī)、柴油機(jī)，供電量低且無(wú)法滿(mǎn)足吸魚(yú)泵的使用。目前，研究利用風(fēng)能、太陽(yáng)能、海流能和波浪能供電還處于起步階段，不能滿(mǎn)足深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展需要。

5 深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)

5.1 養(yǎng)殖系統(tǒng)大型化

大型化、規(guī)?；纳钸h(yuǎn)海網(wǎng)箱養(yǎng)殖是養(yǎng)殖業(yè)今后發(fā)展的必經(jīng)之路。HDPE、金屬、防污涂料等新材料和新技術(shù)的運(yùn)用，以及對(duì)網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力特性進(jìn)行分析，提高網(wǎng)箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，增強(qiáng)其抗腐蝕、抗老化、抗風(fēng)浪能力，將有利于養(yǎng)殖系統(tǒng)的大型化發(fā)展。

5.2 養(yǎng)殖區(qū)域向深海發(fā)展

淺海區(qū)域網(wǎng)箱密集、環(huán)境污染、水產(chǎn)品品質(zhì)差等問(wèn)題迫使養(yǎng)殖業(yè)向深海發(fā)展。中國(guó)擁有漫長(zhǎng)的海岸線和廣闊的海洋，深海養(yǎng)殖業(yè)將是中國(guó)海洋產(chǎn)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)。海上太陽(yáng)能、風(fēng)能、海流能、波浪能的開(kāi)發(fā)利用，將促進(jìn)深海養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。

5.3 養(yǎng)殖環(huán)境生態(tài)化

全面構(gòu)建以深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖平臺(tái)為核心的 “深藍(lán)漁業(yè)”生產(chǎn)模式。發(fā)展深海養(yǎng)殖有效緩解了淺海區(qū)環(huán)境、水產(chǎn)資源的壓力，促進(jìn)了淺海區(qū)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)，利用深海資源優(yōu)勢(shì)大力發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)以滿(mǎn)足人民對(duì)優(yōu)質(zhì)水產(chǎn)品的需求。水下監(jiān)測(cè)、自動(dòng)投餌裝置、自動(dòng)洗網(wǎng)裝置、環(huán)保型防污涂料等裝備技術(shù)的開(kāi)發(fā)運(yùn)用，有效地減輕了養(yǎng)殖業(yè)對(duì)環(huán)境所造成的污染。

5.4 養(yǎng)殖裝備設(shè)施的自動(dòng)化、智能化

深海養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展依賴(lài)于大型網(wǎng)箱、自動(dòng)投餌裝置、自動(dòng)洗網(wǎng)裝置、自動(dòng)收魚(yú)裝置、水下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、海上供能系統(tǒng)、養(yǎng)殖管理系統(tǒng)、防污涂料等配套裝備技術(shù)的大力支持，依賴(lài)于網(wǎng)箱集中控制、遠(yuǎn)程操控、自動(dòng)化和智能化集成軟件的支撐。

5.5 深水工船養(yǎng)殖系統(tǒng)的發(fā)展

深水工船養(yǎng)殖系統(tǒng)，可以有效地避免海浪、風(fēng)浪等自然災(zāi)害對(duì)養(yǎng)殖系統(tǒng)的影響；可以較好地運(yùn)用水循環(huán)系統(tǒng)，提供優(yōu)質(zhì)的水源，保證一個(gè)較佳養(yǎng)殖環(huán)境；提供水下光照可以刺激魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)，且先進(jìn)的攝像機(jī)與環(huán)境傳感器可對(duì)水下環(huán)境、魚(yú)類(lèi)行為和投餌情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；自動(dòng)化、智能化裝備技術(shù)可以得到更好地運(yùn)用，提高深海養(yǎng)殖效率，保證海水產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量。

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