柵型兼捕減少裝置的規(guī)格和傾角對(duì)網(wǎng)囊水動(dòng)力及形態(tài)的影響

銀利強(qiáng)，唐 浩,2,3*，許柳雄,2,3，劉 偉，劉景彬，孫秋陽，張 鋒

(1.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；2.上海海洋大學(xué)，國家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201306；3.上海海洋大學(xué)，大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201306)

世界眾多商業(yè)漁業(yè)中都存在兼捕和拋棄問題[1]。根據(jù)糧農(nóng)組織(FAO)估計(jì)，2010—2014 年全球海洋每年約有910 萬t 副漁獲物被丟棄，相當(dāng)于全球海洋捕獲量的10%[2]。在全球拋棄率最高的20 種特定漁業(yè)中，拖網(wǎng)漁具占了19 種，其中蝦拖網(wǎng)漁業(yè)兼捕和拋棄問題尤為嚴(yán)重，兼捕量占世界總兼捕量的1/3[3]。為了解決拖網(wǎng)漁業(yè)中副漁獲物的兼捕和拋棄問題，許多國家和漁業(yè)組織等通過改善拖網(wǎng)網(wǎng)囊結(jié)構(gòu)和開發(fā)兼捕減少裝置(bycatch reduction devices，BRD)來提高拖網(wǎng)漁具選擇性，達(dá)到保護(hù)漁業(yè)資源的目的[4]。改變網(wǎng)囊網(wǎng)目尺寸、形狀等能夠改善漁具選擇性，但難以實(shí)現(xiàn)選擇性捕撈，漁具仍會(huì)兼捕到一些受保護(hù)的非目標(biāo)種類，如海龜、鯊等大型海洋動(dòng)物。此外，當(dāng)魚類穿過網(wǎng)目時(shí)魚體容易受到擠壓或擦傷，造成逃逸的魚類存活率低[5]。然而，在網(wǎng)囊前適當(dāng)位置安裝一個(gè)能釋放兼捕物種的柵型裝置，則可以彌補(bǔ)這一缺陷，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)漁獲物尺寸和種類選擇性。目前，美國、挪威和澳大利亞等許多國家的法律都規(guī)定，部分拖網(wǎng)漁業(yè)要使用兼捕減少裝置[6]。拖網(wǎng)漁業(yè)使用兼捕減少裝置不僅可以實(shí)現(xiàn)不同種類的漁獲分離，釋放非目標(biāo)種類，而且還可改善漁獲質(zhì)量、減輕漁民分揀時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)提高拖網(wǎng)漁具選擇性和保護(hù)漁業(yè)資源有重要意義[7]。

20 世紀(jì)80 年代，柵型兼捕減少裝置開始在挪威蝦(Pandalus borealis)拖網(wǎng)漁業(yè)中應(yīng)用，由于其結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、分隔效率佳，后被大量應(yīng)用于甲殼類和魚類拖網(wǎng)漁業(yè)當(dāng)中，成為改善拖網(wǎng)漁具種類選擇性的主要裝置之一[7-8]。目前，有眾多學(xué)者通過海上試驗(yàn)和模型試驗(yàn)研究柵型兼捕減少裝置，以期實(shí)現(xiàn)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)[9]。張健等[7,10]通過海上試驗(yàn)研究了剛性柵欄間距(15 mm、20 mm 和25 mm)對(duì)魚蝦類的分隔性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著柵條間距的增大，蝦類的重量分隔率和50%選擇體長(L50)均逐漸增大，而對(duì)魚類的重量分隔率逐漸減小。馮春雷等[11]研究了圓形柵欄柵條間距(2.5、3.5 和4.5 cm)和柵欄傾角(30°、45°和60°)對(duì)蝦類的分隔效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)柵條間距為2.5 cm 時(shí)，傾角越小，蝦的通過率越低，但通過率隨著柵條間距的增大明顯提高。結(jié)果證明柵條間距3.5 cm 和柵欄傾角45°時(shí)，選擇性效果較為理想。Grimaldo 等[12]比較了不同材料的剛性柵欄和HDPE 柵，發(fā)現(xiàn)相同面積參數(shù)下，HDPE 水流強(qiáng)度更大。并由此設(shè)計(jì)出一種由玻璃鋼和聚酰胺制成，具有材質(zhì)輕、低變形、阻力小和高水流強(qiáng)度優(yōu)點(diǎn)的Comos 柵。通過測試表明，Comos 柵與HDPE 柵的選擇性效果相近，但前者的水動(dòng)力性能更佳。Graham 等[13]研究了剛性柵欄對(duì)挪威海螯蝦(Nephrops norvegicus)拖網(wǎng)的分隔效率，認(rèn)為柵條間距決定了柵欄的選擇性，柵欄規(guī)格和安裝角度會(huì)影響網(wǎng)具的整體穩(wěn)定性。Riedel 等[14]通過水槽模型試驗(yàn)，比較Nordm?re 柵系統(tǒng)不同柵條形狀和柵欄傾角時(shí)柵欄的水動(dòng)力性能，得出直徑為0.32 cm 的圓形柵條在30°傾角時(shí)Nordm?re 柵的過濾效率最佳。研究發(fā)現(xiàn)，魚類可以通過它們的側(cè)線系統(tǒng)探測到湍流區(qū)域，并試圖停留在湍流區(qū)域內(nèi)[9]。因此，許多BRD 被設(shè)計(jì)放置在靠近湍流區(qū)域或本身產(chǎn)生湍流，從而增加它們遇到BRD 和從拖網(wǎng)網(wǎng)中逃逸的可能性[1]。Parsons 等[15]認(rèn)為，BRD 內(nèi)部及周圍的理想水流不應(yīng)該超過0.4 m/s，從而減少體力消耗，有利于副漁獲物成功逃逸。

柵欄的材料、規(guī)格、傾角、柵距等因素會(huì)改變裝置的水動(dòng)力性能，從而影響到魚類的行為反應(yīng)、捕獲能力以及分隔效率。然而，目前對(duì)柵型兼捕減少裝置的研究多為對(duì)其分隔效率的評(píng)價(jià)，而忽略了設(shè)置柵型兼捕減少裝置對(duì)網(wǎng)囊水動(dòng)力的影響，特別是柵欄規(guī)格和傾斜角度對(duì)網(wǎng)囊阻力和形態(tài)變化規(guī)律的綜合影響。為此，本研究設(shè)計(jì)了3 種規(guī)格的剛性柵欄(Grid-0.3、Grid-0.4 和Grid-0.5)分別以3 種傾角(A-30°、A-45°和A-60°)安裝于網(wǎng)囊前部，采用動(dòng)水槽模型試驗(yàn)，探究在不同流速和有、無模擬漁獲物條件下，柵欄對(duì)網(wǎng)囊阻力、形態(tài)和網(wǎng)目張開程度的影響，以便為設(shè)計(jì)優(yōu)化剛性柵型兼捕減少裝置，改善其分隔性能，提高拖網(wǎng)漁具的選擇性提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置模型

柵型兼捕減少裝置 實(shí)驗(yàn)中簡稱為柵型BRD。該裝置主體為鋁(棒)制剛性矩形柵欄。柵欄外框架為塑料卡槽，用于提供浮力。柵條為圓形，d1表示柵條直徑，為3 mm，d2表示柵條間距，為10 mm。柵型BRD 以一定傾斜角度安裝在網(wǎng)身和網(wǎng)囊之間的網(wǎng)囊頭部(圖1)。網(wǎng)囊網(wǎng)目尺寸為2a=40 mm，網(wǎng)線材料聚乙烯，網(wǎng)線直徑1.2 mm，網(wǎng)囊4 片式結(jié)構(gòu)，每片網(wǎng)衣為12 目×50 目。網(wǎng)囊橫向拉直周長為192 cm。柵欄規(guī)格 模型根據(jù)Riedel 等[14]試驗(yàn)方法制作柵欄。設(shè)定柵欄橫向投影的周長與網(wǎng)囊橫向拉直周長的比值為0.3、0.4 和0.5，并設(shè)置3 種不同安裝角度(30°、45°和60°)，柵欄的長度(L)和寬度(H)可根據(jù)三角函數(shù)計(jì)算得出(公式1 和2)。9 種不同類型的柵型BRD 規(guī)格見表1 和圖1。

表1 柵型BRD 模型參數(shù)Tab.1 Parameters of the Grid-BRD models

圖1 實(shí)驗(yàn)柵型BRD 示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental Grid-BRD

式中，H為柵欄寬度，L為柵欄長度，S為網(wǎng)囊橫向拉直周長，單位cm。Et為橫向縮結(jié)系數(shù)，θ 為柵欄傾斜角度。

柵欄傾角 即柵欄與水平方向之間的夾角。柵欄向上傾斜，安裝于網(wǎng)身與網(wǎng)囊之間，四邊均勻的繞縫在網(wǎng)衣上。柵欄的底端位于相同位置，頂端沿向網(wǎng)囊末端計(jì)數(shù)對(duì)應(yīng)的橫向目數(shù)[1]。式中，a為目腳，Et為橫向縮結(jié)系數(shù)，En為縱向縮結(jié)系數(shù)，θ 為柵欄傾角。(公示3 和4)

1.2 試驗(yàn)水槽和儀器

柵型BRD 模型試驗(yàn)在上海海洋大學(xué)循環(huán)動(dòng)水槽中進(jìn)行，水槽主尺度為15 m×3.4 m×2 m，試驗(yàn)期間水溫保持在21 °C，水槽側(cè)面為鋼化玻璃觀測窗，在觀測窗正前方定點(diǎn)放置攝像機(jī)(圖2-a)，用于觀察和記錄試驗(yàn)過程中網(wǎng)囊的形態(tài)變化，攝像機(jī)參數(shù)為1920×1080 pixels2，59 frame/s；為精確測量網(wǎng)囊阻力，且盡量保證裝備所受阻力低于網(wǎng)囊阻力。試驗(yàn)將網(wǎng)身繞縫在剛性框架上，剛性框架與六分力儀器組合(圖2-b)，六分力儀器記錄阻力數(shù)據(jù)的頻率設(shè)置為100 Hz，試驗(yàn)共設(shè)置5 種流速條件，分別為0.5、0.6、0.7、0.8 和0.9 m/s。

圖2 水槽試驗(yàn)的設(shè)置Fig.2 The setup of flume tank experiment

在進(jìn)行模擬漁獲物條件時(shí)，采用注水乒乓球代替漁獲物，乒乓球直徑為40 mm，數(shù)量為100個(gè)，注水乒乓球密度與水槽中的水密度相同，約為1×103kg/m3[16]。

1.3 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)流程共分為4 部分。

①剛性框架阻力測量。開始試驗(yàn)之前，首先對(duì)剛性框架阻力值進(jìn)行測量，將剛性框架直接與六分力儀器組合，并使剛性框架平面與水流方向垂直，將其沒入水中(剛性框架柄入水10.0 cm)，待流態(tài)基本穩(wěn)定后，測量不同流速條件下的框架阻力，在電腦中記錄60 s 剛性框架阻力數(shù)據(jù)(共產(chǎn)生6000 個(gè)數(shù)據(jù))，最終取平均值。

②無柵欄條件下網(wǎng)囊形態(tài)和阻力測量。將裝有網(wǎng)囊的剛性框架組裝到六分力儀器上。然后，將剛性框架柄沒入水下10.0 cm，并使剛性框架平面與水流方向垂直。調(diào)節(jié)流速，待網(wǎng)囊展開，形態(tài)基本穩(wěn)定后，使用觀測窗正前方的攝像機(jī)拍攝整個(gè)網(wǎng)囊形態(tài)。每調(diào)節(jié)1 次流速，記錄60 s 阻力數(shù)據(jù)，拍攝60 s 網(wǎng)囊形態(tài)。

③有柵欄條件下網(wǎng)囊形態(tài)和阻力測量。將柵欄安裝在網(wǎng)囊和網(wǎng)身之間，再將框架安裝到六分儀上，按第2 部分有關(guān)要求記錄對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。

④漁獲物條件下網(wǎng)囊形態(tài)和阻力測量。在第3 部分的基礎(chǔ)上，將注水乒乓球模擬漁獲物從網(wǎng)囊末端放入，記錄對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。然后更換柵欄，重復(fù)第3 部分操作。完成1 個(gè)柵欄及模擬漁獲物試驗(yàn)的5 種流速條件下阻力和形態(tài)后，換另一柵欄，重復(fù)上述過程，直到所有柵欄全部測完。

1.4 數(shù)據(jù)處理

①應(yīng)用GetData Graph Digitizer 和Excel 軟件，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備的位置及特征長度作為標(biāo)尺，獲得網(wǎng)囊輪廓空間坐標(biāo)，將坐標(biāo)值導(dǎo)出。

②理想狀態(tài)下，網(wǎng)囊口為圓形，橫向縮結(jié)系數(shù)為橫向自然長度與網(wǎng)衣橫向拉直長度的比值(公示5 和圖3)。網(wǎng)目縮結(jié)系數(shù)和網(wǎng)目張開角度關(guān)系如表2。式(5)中，L為網(wǎng)囊周長(cm)，L0為網(wǎng)囊橫向拉直長度(cm)，r為網(wǎng)囊自然狀態(tài)下半徑，R為網(wǎng)囊橫向拉直狀態(tài)下半徑，a為目腳，d為網(wǎng)目自然橫向長度。

表2 網(wǎng)目縮結(jié)系數(shù)和網(wǎng)目張開角度Tab.2 The hanging ratio and the opening angle of a mesh

圖3 網(wǎng)囊的縮結(jié)系數(shù)Fig.3 The hanging ration Et of codend

2 結(jié)果

2.1 試驗(yàn)設(shè)置的剛性框架阻力

當(dāng)流速為0.5 m/s 時(shí)，剛性框架阻力約為2.71 kg；當(dāng)流速達(dá)到1.0 m/s 時(shí)，阻力約為 9.52 kg(圖4）?？傮w上，剛性框架阻力隨水流速度的增加呈線性增加。通過線性擬合得出剛性框架阻力與流速之間的關(guān)系式為：

圖4 框架阻力與流速關(guān)系Fig.4 The relationship between frame drag and flow speed

式中，R為剛性框架阻力；V為水流速度(m/s)。

2.2 網(wǎng)囊結(jié)構(gòu)的網(wǎng)目形態(tài)

網(wǎng)目張開程度與橫向縮結(jié)系數(shù)(Et)成正比，與縱向縮結(jié)系數(shù)成反比(En)。為定量描述網(wǎng)囊不同位置的網(wǎng)目形態(tài)(即網(wǎng)目張開角度)，作者利用網(wǎng)囊橫向縮結(jié)系數(shù)(Et)來表達(dá)從柵欄前端至網(wǎng)囊末端的網(wǎng)目形態(tài)。如圖5 所示，在空網(wǎng)條件下，設(shè)置的9 種柵型網(wǎng)囊橫向縮結(jié)系數(shù)變化趨勢(shì)相似，即由大逐漸變小，然后趨于平穩(wěn)。在相同傾角條件下，不同規(guī)格柵欄網(wǎng)囊的平均橫向縮結(jié)系數(shù)從大到小依次為，Grid-0.5 柵>Grid-0.4 柵>無柵欄>Grid-0.3 柵。無柵欄網(wǎng)囊的平均橫向縮結(jié)系數(shù)為(0.196±0.044)，網(wǎng)目平均張開角度為(22°±5°)。Grid-0.3 柵不同傾角時(shí)網(wǎng)囊平均橫向縮結(jié)系數(shù)為(0.178±0.039)，網(wǎng)目平均張開角度為(20°±4°)，比無柵欄網(wǎng)囊的平均橫向縮結(jié)系數(shù)小9.2%。Grid-0.3 柵在30°、45°和60°傾角時(shí)，分別比無柵欄網(wǎng)囊的平均橫向縮結(jié)系數(shù)小8%、8.8%和10.7%。Grid-0.4 柵網(wǎng)囊的平均橫向縮結(jié)系數(shù)為(0.202±0.052)，網(wǎng)目平均張開角度為(23°±6°)，比無柵欄網(wǎng)囊的平均橫向縮結(jié)系數(shù)大3.3%。Grid-0.5 柵網(wǎng)囊的平均橫向縮結(jié)系數(shù)最大，為(0.233±0.065)，網(wǎng)目平均張開角度為(26°±7°)，比無柵欄網(wǎng)囊的平均橫向縮結(jié)系數(shù)大18.8%。Grid-0.5 柵在30°、45°和60°傾角時(shí)，分別比無柵欄網(wǎng)囊的平均橫向縮結(jié)系數(shù)大18.4%、17.3%和20.8%，使網(wǎng)囊網(wǎng)目張開程度變大。添加定量模擬漁獲物后，網(wǎng)囊的橫向縮結(jié)系數(shù)變化趨勢(shì)為由大變小，在網(wǎng)囊中部橫向縮結(jié)系數(shù)最小，然后橫向縮結(jié)系數(shù)開始緩慢增加，網(wǎng)囊末端的橫向縮結(jié)最大。無柵欄有漁獲物網(wǎng)囊的最大橫向縮結(jié)系數(shù)為0.417，網(wǎng)目張開角度為49.28°。

圖5 網(wǎng)囊不同部位的橫向縮結(jié)系數(shù)變化Fig.5 The variation of the hanging ratio Et in different parts of codend

2.3 不同規(guī)格和傾角的柵欄對(duì)網(wǎng)囊形態(tài)變化影響

圖6 為V=0.7 m/s 時(shí)網(wǎng)囊側(cè)面輪廓形態(tài)。為了描述柵欄對(duì)網(wǎng)囊形態(tài)的影響，下文的“網(wǎng)囊周長”均指柵欄前后端中間(網(wǎng)囊頭部)的平均網(wǎng)囊周長。設(shè)置不同規(guī)格和傾角的柵欄使網(wǎng)囊頭部網(wǎng)衣發(fā)生不同程度的扭曲和形變。在相同規(guī)格柵欄條件下，設(shè)置不同柵欄傾角的網(wǎng)囊下垂程度相一致。Grid-0.3 柵使網(wǎng)囊頭部上端出現(xiàn)凹陷，周長減少，網(wǎng)囊整體變扁。當(dāng)傾角為30°和60°時(shí)，周長較無柵欄網(wǎng)囊分別減少了2.7%和1.3%。Grid-0.4 柵與網(wǎng)囊頭部的上下兩端有很好的貼合，有較好的流線型。柵欄傾角為30°、45°和60°時(shí)，周長較無柵欄網(wǎng)囊分別擴(kuò)大了14.4%、21%和27.3%。Grid-0.5 柵對(duì)網(wǎng)囊頭部有擴(kuò)張作用，使網(wǎng)囊上下端出現(xiàn)凸點(diǎn)，增大了網(wǎng)囊周長，網(wǎng)囊整體變寬。傾角為30°、45°和60°時(shí)，周長較無柵欄網(wǎng)囊分別擴(kuò)大了17.9%、46.5%和52.7%。在柵欄傾角相同的條件下，設(shè)置不同柵欄規(guī)格的網(wǎng)囊呈現(xiàn)出不同程度的下垂，下垂程度從大到小依次為Grid-0.5 柵>Grid-0.4 柵>Grid-0.3 柵。從網(wǎng)囊形態(tài)角度來看，柵欄規(guī)格的影響要比傾角影響程度大。在添加模擬漁獲物后，網(wǎng)囊下垂程度加大。網(wǎng)囊由于漁獲物的堆積呈現(xiàn)中間窄，前后端兩邊寬的現(xiàn)象。柵欄規(guī)格越大，網(wǎng)囊中部周長越大。

圖6 不同柵欄傾角和規(guī)格對(duì)網(wǎng)囊輪廓的影響左：無漁獲物；右：有漁獲物。Fig.6 The influence of different grid angle and size of grid on the shape of codendLeft: the empty codend;right: the codend with catch.

2.4 不同規(guī)格和傾角的柵欄對(duì)網(wǎng)囊阻力的影響

圖7 為消除剛性框架阻力后，網(wǎng)囊設(shè)置不同規(guī)格和傾角的柵欄后阻力與流速之間的關(guān)系。網(wǎng)囊阻力隨流速的增加而增大，阻力和流速呈冪函數(shù)關(guān)系上升。在相同傾角條件下，網(wǎng)囊阻力隨著柵欄規(guī)格的增大而增加，網(wǎng)囊阻力從大到小依次為Grid-0.5 柵>Grid-0.4 柵>Grid-0.3 柵，而無柵欄網(wǎng)囊的阻力最小。設(shè)置Grid-0.3 柵的網(wǎng)囊，不同傾角下的阻力差異較小，與無柵欄的網(wǎng)囊阻力相近。設(shè)置Grid-0.4 柵的網(wǎng)囊，在傾角60°時(shí)阻力最大，比無柵欄網(wǎng)囊的阻力大32%，而傾角為30°和45°時(shí)的阻力與無柵欄網(wǎng)囊的阻力相近，阻力分別比無柵欄網(wǎng)囊的阻力大2.4%和3.8%。而設(shè)置Grid-0.5 柵的網(wǎng)囊，在不同傾角下的阻力均大于無柵欄網(wǎng)囊的阻力。傾角為30°、45°、60°時(shí)，阻力分別比無柵欄網(wǎng)囊大22.5%、21.9%和28.75%。

圖7 柵欄傾角和規(guī)格對(duì)網(wǎng)囊阻力的影響上：無漁獲物；下：有漁獲物。Fig.7 The influence of grid angle and size of grid on the drag of codendUp: the empty codend;down: the codend with catch.

圖8 為設(shè)置9 種不同柵欄類型的網(wǎng)囊的平均阻力。虛線為無柵欄網(wǎng)囊空網(wǎng)時(shí)的阻力，實(shí)線為無柵欄網(wǎng)囊有模擬漁獲物時(shí)的阻力，用增幅比來表示改變柵欄后網(wǎng)囊的阻力變化。無柵欄網(wǎng)囊，有模擬漁獲物時(shí)阻力比空網(wǎng)大32%。無模擬漁獲物時(shí)，以不同傾角設(shè)置Grid-0.4 柵和Grid-0.5 柵的網(wǎng)囊，平均阻力分別比無柵欄網(wǎng)囊大12.7%和24.4%。以30°、45°和60°傾角設(shè)置不同規(guī)格柵欄的網(wǎng)囊，其平均阻力分別比無柵欄網(wǎng)囊的阻力大5%、9%和17%，網(wǎng)囊阻力隨著傾角增大而增加。設(shè)置模擬漁獲物后，所有類型的網(wǎng)囊阻力都增加。除Grid-0.3-A-30°外，其它柵型BRD 的網(wǎng)囊阻力均隨柵欄傾角和規(guī)格的增大而增加。

圖8 設(shè)置不同柵欄類別的網(wǎng)囊阻力實(shí)線為無柵欄網(wǎng)囊空網(wǎng)時(shí)的阻力，虛線為無柵欄網(wǎng)囊有模擬漁獲物時(shí)的阻力。Fig.8 The drag of codends with different grid typesThe solid line is drag of Grid-free codend without catch the dotted line is drag of Grid-free codend with catch.

3 討論

3.1 柵欄規(guī)格和傾斜角度的設(shè)置

柵欄作為柵型BRD 的重要組件，其規(guī)格和傾斜角度會(huì)影響網(wǎng)具結(jié)構(gòu)、逃逸口大小、安裝難易程度等，而且會(huì)影響裝置系統(tǒng)的水動(dòng)力性能。剛性柵欄規(guī)格由柵欄所處部位的網(wǎng)囊周長決定的，合適的柵欄尺寸應(yīng)對(duì)其周圍網(wǎng)目起到橫向擴(kuò)張的作用[1]。Grimaldo 等[17]認(rèn)為，規(guī)格較大的柵型BRD 對(duì)海龜及其它哺乳動(dòng)物釋放效果更佳，主要在于其過濾區(qū)域更大，有利于魚類選擇；并認(rèn)為柵欄周長應(yīng)為網(wǎng)囊橫向拉直周長的52%～75%。Broadhurst 等[18]研究發(fā)現(xiàn)，柵欄周長等于網(wǎng)囊拉直周長的0.35 倍(橫向縮結(jié)系數(shù)為0.35)時(shí)性能最佳，并建議應(yīng)盡量減小柵欄傾角，進(jìn)而增大過濾面積。本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，柵型Grid-0.4 時(shí)，網(wǎng)囊輪廓形態(tài)最佳，網(wǎng)囊網(wǎng)目張開角度略有增大，有利于幼魚的釋放。本研究認(rèn)為網(wǎng)囊橫向縮結(jié)系數(shù)為0.4 時(shí)柵欄性能最佳，結(jié)果較大于Broadhurst等[18]的研究結(jié)果，原因可能與研究方法、試驗(yàn)設(shè)置、網(wǎng)囊特征、模型制作和材料等因素有關(guān)。作者根據(jù)研究結(jié)果認(rèn)為，規(guī)格較大的柵欄性能較佳，原因可能在于大規(guī)格柵欄可配置較大逃生口，更有利于釋放大型海洋動(dòng)物，同時(shí)不易被漁獲物或雜質(zhì)所堵塞，并且進(jìn)入網(wǎng)囊的漁獲物距逃生口較遠(yuǎn)，降低了漁獲物的損失風(fēng)險(xiǎn)。

柵欄傾角與柵欄規(guī)格成反比，傾角越小，所需要的柵欄越長；柵欄傾角越大，流經(jīng)柵欄的水流速度越大，進(jìn)而魚類個(gè)體隨水流通過柵欄的概率也高[7]。Eayrs 等[1]研究表明，柵欄傾角過大，其更容易被進(jìn)入網(wǎng)具的生物堵塞，增加了目標(biāo)漁獲物損失風(fēng)險(xiǎn)；傾角過小會(huì)導(dǎo)致逃生口密封效果不佳，導(dǎo)致蝦類從逃逸口逃脫；因此他建議蝦拖網(wǎng)中柵欄的最佳安裝角度為45°～60°之間。Isaksen 等[8]認(rèn)為，Nordm?ore 柵欄傾角低于35°和高于50°，都會(huì)導(dǎo)致蝦類(Pandalus borealis)逃逸或柵欄堵塞。其他學(xué)者根據(jù)模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在柵欄前、后水體的流態(tài)相差較大，由于柵欄的阻擋導(dǎo)致柵欄前面存在部分上升流，水流的上升力隨著柵欄傾角的增大而增強(qiáng)。同時(shí)由于柵欄受力面積的增加，導(dǎo)致柵欄抖動(dòng)情況嚴(yán)重，不僅驚嚇到魚類，影響通過率，也可能造成魚體損傷[9]。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)設(shè)置Grid-0.4 柵欄傾角為30°和45°時(shí)網(wǎng)囊輪廓最佳，對(duì)網(wǎng)囊阻力影響最小。因此，傾角的設(shè)置應(yīng)該考慮以下兩個(gè)方面：其一，柵欄傾角應(yīng)該考慮目標(biāo)魚種、副漁獲物的游泳能力強(qiáng)弱、作業(yè)環(huán)境等因素。其二，不同傾角的柵欄會(huì)產(chǎn)生不同的水動(dòng)力性能，設(shè)置的水動(dòng)力性能應(yīng)在不損失目標(biāo)魚種的前提下，盡可能的減少副漁獲物，并降低重量，減少阻力。

除了柵欄傾角和規(guī)格外，柵欄材質(zhì)、柵條形狀、柵條間距也會(huì)影響到柵型BRD 的水動(dòng)力性能。柔性柵欄重量要比剛性柵欄輕、取材方便對(duì)網(wǎng)具結(jié)構(gòu)影響較小，在很多拖網(wǎng)漁業(yè)中被采用。根據(jù)紡錘體物體在水中阻力較小的流體動(dòng)力學(xué)原理，采用圓形、橢圓性的柵條，不僅具有更佳的水動(dòng)力性能，而且可以降低柵欄抖動(dòng)，降低魚體損傷率[12]。Grimaldo 等[17]認(rèn)為,相同尺寸，柵欄的面積系數(shù)(柵欄實(shí)際投影面積與柵欄外框架尺寸虛構(gòu)面積之比)越小，則過流流速越大,進(jìn)入網(wǎng)具的漁獲物隨水流穿越柵欄的概率也越大。

3.2 柵型BRD 對(duì)網(wǎng)囊阻力和形態(tài)的影響

柵型BRD 通常設(shè)置在網(wǎng)身與網(wǎng)囊連接處或者網(wǎng)囊前部區(qū)域，因?yàn)檫@是漁獲物最集中的區(qū)域，也是對(duì)進(jìn)入網(wǎng)具的魚類進(jìn)行選擇的最佳位置。Beverton 等[19]調(diào)查證明，魚類主要從網(wǎng)囊頭部和底端逃逸，并非中部。日本和我國臺(tái)灣地區(qū)有關(guān)科研人員的試驗(yàn)表明，網(wǎng)囊中魚類的逃逸現(xiàn)象80%發(fā)生在網(wǎng)囊頭端及網(wǎng)囊末端[20]。這主要是由于魚類在被捕撈前期，魚類可從網(wǎng)囊末端網(wǎng)目逃脫。隨著網(wǎng)囊中漁獲物的增加，網(wǎng)囊末端網(wǎng)目的堵塞，網(wǎng)囊形狀也逐漸變?yōu)榍蛐?。此時(shí)，網(wǎng)囊中部由于前后拉伸導(dǎo)致網(wǎng)目閉合，阻礙了魚類逃逸。因此，魚類的逃逸大多發(fā)生在網(wǎng)囊的前端或網(wǎng)囊末端漁獲物前。當(dāng)在網(wǎng)囊前端設(shè)置柵型BRD 后，非目標(biāo)魚種可沿柵欄通過逃逸口逃出拖網(wǎng)，目標(biāo)魚種則隨水流穿過柵欄進(jìn)入網(wǎng)囊[10]。通過觀察魚類在網(wǎng)囊內(nèi)的行為反應(yīng)發(fā)現(xiàn)，魚類由于恐慌會(huì)試圖通過網(wǎng)目逃逸，部分會(huì)被擠出網(wǎng)囊，部分則強(qiáng)行穿過網(wǎng)囊，這均會(huì)降低逃逸魚類的存活率。而加入剛性柵欄后，魚群可通過柵欄撐開的網(wǎng)目逃脫。張健等[7]認(rèn)為，由于剛性柵欄的支撐使網(wǎng)囊網(wǎng)目張開較大且形狀穩(wěn)定，有利于幼體的逃逸。

剛性柵欄的設(shè)置在一定程度上會(huì)對(duì)網(wǎng)囊水動(dòng)力及其形態(tài)產(chǎn)生影響，但尚未見到有關(guān)量化影響的研究報(bào)道。Eayrs 等[1]認(rèn)為，在網(wǎng)囊設(shè)置柵欄不會(huì)對(duì)網(wǎng)囊阻力產(chǎn)生明顯的影響，可能主要因?yàn)闁艡谧枇υ黾又岛途W(wǎng)囊阻力減小值相互抵消：第一，柵欄提高了網(wǎng)囊橫向擴(kuò)張，提高網(wǎng)囊濾水性，從而減少了壓差阻力；第二，柵欄后的湍流可以減低漁獲物前部區(qū)域的高壓，減少阻力。本試驗(yàn)量化了不同柵欄規(guī)格和不同傾角對(duì)網(wǎng)囊阻力的影響，總體上網(wǎng)囊阻力隨柵欄規(guī)格和傾角的增大而增加，柵欄規(guī)格對(duì)網(wǎng)囊阻力的影響程度比傾角大。在網(wǎng)囊上設(shè)置柵欄不僅撐開了網(wǎng)囊迎流面積，而且會(huì)增加?xùn)艡诟郊泳W(wǎng)片的入射角，另外柵欄自身也產(chǎn)生一定的阻力，這些因素均會(huì)增大整個(gè)網(wǎng)囊水阻力。FERRO 等[21]研究發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)囊迎流面積是影響網(wǎng)囊阻力的重要因素，網(wǎng)囊阻力會(huì)隨著網(wǎng)囊迎流面積增加而增大。Buxton 等[22]通過模型試驗(yàn)證明網(wǎng)具阻力會(huì)隨著網(wǎng)片入射角增加而增大。

擴(kuò)張網(wǎng)囊網(wǎng)目也是提高拖網(wǎng)漁具選擇性的有效方法，調(diào)整網(wǎng)目尺寸和結(jié)構(gòu)是改善網(wǎng)囊尺寸選擇性的重要因素[2]。根據(jù)網(wǎng)囊中漁獲物的逃逸行為，方形網(wǎng)目和轉(zhuǎn)向網(wǎng)目具有更好的選擇性。因?yàn)樵谒鞯淖饔孟?，這兩種網(wǎng)目較傳統(tǒng)菱形網(wǎng)目不易閉合，網(wǎng)目張開程度更大，幼魚逃逸率和成活率較高[23]。莊鑫等[24]認(rèn)為，網(wǎng)囊網(wǎng)目縮結(jié)對(duì)蝦類選擇性有影響，增大網(wǎng)囊橫向縮結(jié)系數(shù)意味著網(wǎng)目由接近閉合的狀態(tài)逐漸橫向張開，提高了幼體的逃逸率。網(wǎng)片是柔性體，安裝柵型BRD 會(huì)對(duì)網(wǎng)囊形態(tài)及網(wǎng)目擴(kuò)張會(huì)造成改變。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同規(guī)格和傾角的柵欄對(duì)網(wǎng)囊影響程度不同。設(shè)置Grid-0.3 柵欄的網(wǎng)囊，其橫向縮結(jié)系數(shù)比無柵欄網(wǎng)囊小，網(wǎng)目張開程度小，不利于幼魚及其他小型魚類釋放。而設(shè)置Grid-0.4 和Grid-0.5 柵欄的網(wǎng)囊的橫向縮結(jié)系數(shù)比無柵欄網(wǎng)囊大，對(duì)網(wǎng)囊網(wǎng)目有擴(kuò)張作用，有利于幼魚的逃逸，但設(shè)置Grid-0.5 柵欄的網(wǎng)囊輪廓不平滑，不僅會(huì)增加上下網(wǎng)期間網(wǎng)具的磨損，還由于重量大、阻力大，不利于安裝和操作。

（作者聲明本文無實(shí)際或潛在的利益沖突）