南极磷虾(Euphausia superba)是一种低脂肪、高蛋白的无脊椎生物，主要生活在南极洲水域，是南大洋生态系统中不可或缺的角色[1]。南极磷虾资源开发利用备受各国关注，也是中国空间拓展与战略资源开发领域科技创新工程的重点任务。
由于南极磷虾体长较小，一般使用小网目拖网(small mashes trawls)进行捕捞，渔具具有锥形角小、滤水面积大和拖曳速度低等特点[2-4]。渔具性能的优劣决定着捕捞生产效率，因此，开展拖网渔具性能研究十分必要。影响渔具性能的因素众多，网线材料、网目尺寸和网具结构等属性参数是较为直接的因素。陈雪忠等[5]研究发现，应用高强度聚乙烯网线的拖网性能更优。Bruno等[6]利用动水槽试验分析网目尺寸、网线直径和网口形状对底拖网模型网水动力的影响时发现，网目尺寸越大、网线直径越小的拖网水动力表现较佳。冯超等[7]在对南极磷虾桁杆拖网进行研究时发现，缩小腹网宽度和斜目缝合均能有效提高其作业性能。除渔具本身属性外，其作业工况也极大地影响着渔具实际捕捞性能。拖网在水中运动时，网具各部位会受到水流不同程度的冲击，使拖网整体形态发生改变，进而影响拖网作业状态[8]。此外，拖网形态的改变会对入网后的鱼、虾运动行为和逃逸路线造成一定影响，从而影响选择性。因此，良好的网具形态不仅使网具性能有所提升，还会减少被捕个体间的碰撞，提高渔获物质量。
长期以来，较多研究者采用数值模拟、海上实测和模型试验等手段对不同类型拖网的形态特性开展了相关研究。刘莉莉等[9]利用有限元计算方法分析了拖网形状的变化情况，模拟计算值与动水槽试验结果吻合度较高，并发现随着流速增加，网身略微拉长，网口高度减小，而宽度有所增加。Wan等[4]通过数值模拟计算获得了南极磷虾拖网的形状及张力分布情况，发现拖网网位随流速的增加而整体后移，网口扩张逐渐减小。Lee等[10]利用数值模拟和动水槽试验，分析了拖网在不同流速下的侧视及俯视形态，发现网口高度随流速的增加而减小，且模型试验与数值模拟结果一致。陈明鑫[11]基于动水槽试验对南极磷虾拖网形态进行了分析，结果表明，网口高度与网身深度差均随拖速及水平扩张比的增加而减小，且减小速率先增加后降低。周爱忠等[12]对小网目南极磷虾拖网性能开展了试验研究，发现增大水平扩张使网口高度明显下降，阻力略微上升。许永久等[13]对两种竹筴鱼中层拖网进行了水槽模型试验，结果表明，水平扩张对网口高度及网具阻力具有一定影响。徐鹏翔等[14]在对日韩小网目南极磷虾拖网性能进行分析时发现，网口高度随流速的增加迅速下降，当流速稳定时，网口形状保持不变，网身呈光滑流线形态。Tang等[15]采用动水槽试验方法，评估了内网对南极磷虾拖网模型网物理特性的影响，发现减少内网面积可增加网口高度和扫海面积。
尽管上述研究取得了一定进展，但多数研究以网口高度作为网具形态变化的主要指标，忽视了网具整体形态的变化情况，存在一定的局限性。此外，随着渔获物的逐渐堆积，网具线型会产生变化，渔获物应作为影响网具形态的重要因素被考虑在内。本研究中，选取南极磷虾拖网为母型网，基于修正的田内准则设计制作模型网，在动水槽中开展了不同流速、水平扩张和渔获物条件下的网具形态试验研究，分析了磷虾拖网网口高度、网口面积、整体形态及能耗系数的变化，并对比了网具形态理论计算值与实际值，以期为南极磷虾拖网形态优化及提高其作业性能提供科学参考。
1 材料与方法
1.1 材料
试验水槽：本试验在日本东京海洋大学循环动水槽进行，其主尺度为22.0 m(长)×8.5 m(宽)×2.7 m(高)，侧面观测部位尺度为 9.0 m(长)×2.2 m(宽)×1.6 m(标准水深)，水槽底部设有7.3 m×1.5 m的观察窗。水槽中的流速通过螺旋桨式流速计(东京计测技研株式会社)进行测定，范围为10～200 cm/s，精度为2%。
试验设备：张力测定由小型张力计(电子工业株式会社，型号为A3064和A3065)完成，量程分别为10、5 kg，测量误差为±1% FS。
1.2 方法
1.2.1 模型网制作 原型网为中国南极磷虾捕捞船“龙腾”轮作业使用的四片式磷虾拖网，主尺度为300 m×132.8 m，网身长度为88.8 m，网袖长度为20 m，网囊长度为30 m，网口处的网目尺寸为400 mm，网囊网目尺寸为144 mm。网身共11节，从第2节开始装配网目尺寸为16 mm的内网。基于上述原型网参数，根据修正后的田内准则进行模型网设计制作。考虑到水槽的工作段尺度，模型网与钢索总长应小于9 m，为了避免水槽两侧边界效应带来的影响，设定移动杆间距需小于1.8 m。最终确定模型网大尺度比λ=35，小尺度比λ′=5。
模型网主尺度为8.848 m×3.85 m，内网选取与原型网相同的聚酰胺(PA)为材料，网目尺寸为10 mm，同样从网身第2节处装配至网囊。鉴于原型网外网的网线材料(PE)质地较硬，制作出的模型网展开效果较差，故采用质地柔软的迪尼玛(Dyneema®)进行模型网制作，详细参数见图1。
图1 南极磷虾拖网模型网及内网
Fig.1 Model net of Antarctic krill trawl including liner
根据修正后的田内准则[16]，模型网和实物网的换算过程如下。
1)大尺度比(实物网与模型网网具拉直长度或网口周长比)。计算公式为
λ=LF/LM。
(1)
其中：λ为大尺度比，λ=35；LF为实物网拉直长度(m)；LM为模型网拉直长度(m)。
2)小尺度比(实物网与模型网网线直径和网目目脚比值)。计算公式为
λ′=aF/aM=dF/dM。
(2)
其中：λ′为小尺度比，λ′=5；aF、aM分别为实物网、模型网目脚长度(mm)；dF、dM分别为实物网、模型网网线直径(mm)。
3)速度比。计算公式为
(3)
其中：vF、vM分别为实物网与模型网的运行速度(m/s)；ρsF、ρsM分别为实物网与模型网的网线密度(g/cm3)；ρF、ρM分别为实测时海水密度与水槽试验时水的密度(g/cm3)。根据修正后的田内准则，n取0.15；ρsF选取聚乙烯材料，密度为0.96 g/cm3；ρsM选取迪尼玛材料，密度为0.97 g/cm3；ρF=1.03 g/cm3(20 ℃)；ρM=1 g/cm3(4 ℃)。
4)力比(阻力、浮力和沉力比)。计算公式为
(4)
其中：FF、FM分别表示实物网与模型网的受力(kN)(阻力、浮力和沉力均可用此表示)。
1.2.2 试验参数及流程 试验中水平扩张比的改变通过调节移动杆间距实现，结合磷虾拖网实际作业时拖速和网口扩张情况[17]，将移动杆间距设置在0.6～1.8 m，共设置5个水平，分别为0.6、0.9、1.2、1.5、1.8 m，则水平扩张比L/S分别为0.17、0.27、0.35、0.45、0.53(表1)。由于南极磷虾拖网作业时拖速一般在3.0 kn左右，根据速度比换算和水槽试验条件，本研究中设定5组模型网拖速v分别为30、36、43、49、60 cm/s。
表1 网具袖端水平扩张设置
Tab.1 Horizontal opening of net wing end
水平扩张比(L/S)horizontal opening ratio下纲长度(S)/mleadline length袖端水平扩张(L)/mhorizontal opening of wing end移动杆间距(W)/mmast distance0.171.590.280.60.271.590.440.90.351.590.561.20.451.590.721.50.531.590.841.8
将模型网置于水槽中，通过调整水平扩张比、水流速度及渔获物存在状态，实现不同工况条件下拖网模型形态及阻力的测定。以注水乒乓球作为模拟渔获物，共计50个，质量为1.68 kg。模型网形态变化由安装在水槽底部和侧部的摄像机拍照获取，两台摄像机可分别获得网具俯视和侧视形态，由此可绘制网具形态的空间数据。在此基础上，计算出网口形状变化。模型网阻力通过布置在移动杆处的张力计测量获得，数据采集频率为20 Hz，时间为20 s，共400组数据。具体试验装置见图2。
图2 试验设置示意图
Fig.2 Schematic diagram of experimental design
1.2.3 网口面积及能耗系数的测定与计算 拖网在曳行过程中，网口近似呈椭圆形，为方便计算网口面积，假定网口形状为椭圆形。
1)网口实际面积。计算公式为
S=(1/4)πab。
(5)
其中：S为模型网网口实际面积(m2)；a为模型网网口实际高度(m)；b为模型网网口实际水平扩张(m)。
2)网口理论面积。网口拉直周长和缩结系数之积为网口理论周长，利用椭圆周长公式，结合网口理论周长和网口实际高度计算得出网口理论水平扩张，再根据椭圆面积公式计算得到网口理论面积[18]。计算公式为
l=E×L，
(6)
(7)
S′=(1/4)πaB。
(8)
其中：l为模型网网口理论周长(m)，l=4.48 m；E为缩结系数；L为模型网网口拉直周长(m)；B为模型网网口理论水平扩张长度(m)；a为模型网网口实际高度(m)；S′为模型网网口理论面积(m2)。
3)网具阻力及能耗系数。阻力由移动杆上的张力计测得。能耗系数计算公式为
Ce=3.472×F/(H×L′)。
(9)
其中：Ce为实物网在某一拖速下的能耗系数(kW·h/104m3)；F为实物网在某一拖速下的阻力(kN)；H 为实物网在某一拖速下的网口高度(m)；L′为实物网的袖端间距(m)。
4)形态数据获取。首先，在DeFisher 1.0软件中输入相机参数，进行图片矫正；其次，采用GetData Graph Digitizer软件获取图像数据，并将获得的坐标点导出；最后，采用Excel 2013软件对数据进行处理，并制作相应图表。
2 结果与分析
2.1 网口形状的变化
从图3可见，在不同流速及水平扩张比条件下，空网和有模拟渔获物状态下的拖网模型网网口形状基本呈椭圆形。空网状态下，随流速和水平扩张比的增加，网口宽度呈增大趋势，而网口高度则呈减小趋势；在L/S=0.17条件下，流速越大网口形状越接近正圆，v=60 cm/s时的网口宽度与网口高度比为1.00，近似正圆；在L/S=0.27条件下，v=36 cm/s时的网口宽度与网口高度比为0.92；在L/S>0.35条件下，流速越小网口形状越接近正圆，其中，L/S=0.35、v=30 cm/s时的网口宽度与网口高度比为1.07，此时网口近似正圆。网囊有模拟渔获物状态下，网口高度、网口宽度与空网时相比均无显著性差异(P>0.05)，网口形态变化与空网时基本相同，且网口达到正圆的条件(L/S和流速)也与之相同。
图3 不同扩张比和渔获物状态下拖网模型网网口形状的变化
Fig.3 Change in mouth shape of trawl model net with different openings and catches
2.2 网口面积的变化
假定网口缩结周长不变，通过椭圆横纵轴长度计算网口理论面积，并与试验获取的网口面积进行对比。空网状态下，当水平扩张比不变时，网口理论面积和实际面积均随流速的增大而减小，且减小趋势无显著性差异(P=0.747>0.05)；当流速不变时，网口理论面积随水平扩张比的增大而减小，但网口实际面积却随水平扩张比的增大而增大(图4)。经换算，当v=2.5 kn时，L/S=0.17～0.53，不同水平扩张比对应的实物网网口实际面积分别为282.55、358.27、377.20、381.33、428.41 m2。此外，随水平扩张比的增大，网口理论和实际面积随流速增加而减小的程度均加剧。在L/S=0.17条件下，v=60 cm/s时的网口实际面积较v=30 cm/s时减小约15%，网口理论面积则减小约14%；而在L/S=0.53条件下，上述两种面积减小比例则分别增大至40%和37%。同时，水平扩张比越大，网口实际面积越接近于理论面积，其中，在v=30 cm/s条件下，L/S=0.17时的网口实际面积为理论面积的57.74%，而L/S=0.53时的网口实际面积为理论面积的98.70%。
网囊有模拟渔获物的状态下，网口理论面积变化情况与空网时基本相同，无显著性差异(P=0.987>0.05)，而网口实际面积在低流速、高水平扩张时的变化程度较空网时更小(图4)。其中，在L/S=0.53条件下，v=36 cm/s时空网的网口实际面积较v=30 cm/s时减少13.27%，而有模拟渔获物的网口实际面积较v=30 cm/s时减少8.86%，说明渔获物对网口面积减少程度影响较小。此外，有模拟渔获物时的磷虾拖网网口实际面积的整体变化情况较空网时更稳定。
图4 不同工况条件下模型网网口面积随流速的变化
Fig.4 Change in model net mouth area with flow velocity under different operating conditions
2.3 模型网整体形态的变化
在空网和有模拟渔获物的状态下，磷虾拖网网口宽度均随流速和水平扩张比的增加而增大；水平扩张比不变时，随流速增大，有、无渔获物拖网网翼前端间距未出现明显变化，但网身两侧横向扩张间距逐渐增大，且在v=60 cm/s 时达到最大；流速一定时，随水平扩张比的增加，网翼前端间距明显增大，网身两侧横向间距也存在明显不同，其中，当L/S=0.53时，网翼前端间距和网身两侧横向间距最大；相同流速及水平扩张比条件下，空网时的网具水平扩张略小于有模拟渔获物时的网具水平扩张，但差异并不明显(图5)。
图5 不同工况条件下模型网网口形态俯视图的变化
Fig.5 Change in vertical views of model net mouth shape with different operation conditions
空网状态下，水平扩张比不变时，随流速的增加，网身长度增加，网口高度降低，网身上下间距减小，整体呈现被“压缩”趋势，且该趋势随流速增加逐渐减缓(图6)。其中，当L/S=0.27时，v=30～60 cm/s，每一流速组的网身长度较前一流速组分别增加0.23%、0.19%、0.17%和0.16%，同时，网具侧纲中心会随流速的增加而向后移动；当流速不变时，空网网具高度随着水平扩张比的增加而减小，其中，在v=60 cm/s条件下，L/S=0.17时的网口高度为L/S=0.53时的1.71倍。网囊有模拟渔获物的状态下，网身长度较空网时明显增长，但网口高度差异较小。
图6 不同工况条件下模型网网具整体形态侧视图的变化
Fig.6 Change in lateral views of model net overall shape with different operating conditions
2.4 网具阻力和能耗系数的变化
当流速恒定时，空网和有渔获物的网具阻力均随水平扩张比增加而增大，且增加幅度逐渐减缓(图7)。空网状态下，当v=30 cm/s时，L/S=0.17～0.53，每个水平扩张比组的网具阻力较前一扩张组分别增加13.71%、7.82%、7.53%和7.09%；而当水平扩张比恒定时，网具阻力随流速增加而增大；在L/S=0.35下，v=60 cm/s时的网具阻力较v=49、43、36、30 cm/s时分别增加了36.34%、60.53%、127.37%和221.99%。网囊中有模拟渔获物的状态下，网具阻力略高于空网，而整体变化趋势与空网时无显著性差异(P=0.444>0.05)。
图7 不同工况条件下网具阻力及能耗系数的变化
Fig.7 Change in drag forces and energy consumption coefficients of trawl net with different operating conditions
当流速恒定时，空网和有模拟渔获物的网具能耗系数随水平扩张比的增加而减小，且减小趋势整体减缓(图7)。空网时，在相同水平扩张条件下，网具能耗系数随流速增大而增大，当流速达到60 cm/s时，能耗系数明显增大；在L/S=0.27条件下，v=60 cm/s时的能耗系数较v=49、43、36、30 cm/s时分别增加了51.18%、103.39%、205.33%和383.62%。网囊中有模拟渔获物时，网具能耗系数较空网时大，且流速越大差异越明显，在L/S=0.35条件下，v=30 cm/s时的能耗系数为空网时的1.07倍，而v=60 cm/s时的能耗系数为空网的1.05倍。
3 讨论
3.1 水平扩张比和渔获物对网具形态的影响
3.1.1 网口形态 拖网的几何形态和空间变化是其作业性能的体现，网具形态变化极其复杂，在不同操作阶段影响网具性能的因素各异。Sangster等[19]利用Scanmar仪器监控拖网在作业过程中的形态变化，发现拖网上下纲形状接近悬链线。陈英龙等[20]采用SIMRAD公司的FS-900拖网网位仪获得中层拖网网口映像，发现其形状接近椭圆形。本研究结果表明，中层拖网在曳行过程中，网口呈椭圆形。当网口水平扩张比不变时，网口椭圆形随流速的增大而呈现被“压缩”趋势，此结果与陈明鑫[11]的研究结果一致。究其原因，可能是随着流速的增加，网具所受水阻力逐渐增大，而由于网板间距不变，限制了网口向水平方向聚拢，但网口上下纲随着网具张力的增加而向中间靠拢，从而使网口被“压缩”的程度随流速增加而加剧。而当流速不变，水平扩张比不断增大时，网具被横向拉伸同样出现被“压缩”现象，且被“压缩”程度较速度改变时更为明显，这在一定程度上说明本研究中流速的改变对拖网整体形态的影响低于拖网本身设置带来的影响。
3.1.2 网身形态 本研究中还发现，拖网网身长度的增加程度随着流速的增加而减缓，这与刘莉莉等[9]的研究结果一致。原因可能是不断增大的流速使网具逐渐接近拉紧状态，当网线张力达到一定时，拖网整体水平长度变化幅度变小。同时，网身尾部出现上扬现象，且网囊中有模拟渔获物时更为明显(图6)。其主要原因可能是由于模型网缩小比例较大，网身部位形成狭窄通道，而不易于水流通过，造成网囊部位的网衣未能充分展开，加上外网材料为低于水密度的迪尼玛材料，最终导致网身后部上扬。此外，本研究中采用注水乒乓球模拟网囊中的渔获物，其自身浮力大，在水流的作用下易产生纵向的分力，从而使有渔获物时的网囊末端上扬现象更为明显。
本研究中，将同一水平扩张比和不同流速下的网口形状绘制在同一坐标系内，与以往研究相比，能够更直观地观察网口形状随条件改变而变化的过程(图3)。结合图6对比发现，网口处的形态变化较网身处更为明显，这可能是由于本研究中使用的龙腾网从网身第2节开始安装内网，内网材料密度大于水的密度，而外网密度小于水的密度，腹网侧内网与外网受力方向相反会抵消掉部分作用力，所以网身的整体形变不如网口明显。
3.1.3 网口面积 网口张开面积决定着拖网扫海面积，是影响捕捞效率的直接原因[21]。周爱忠等[12]在试验中将升力帆布装配在网口处，发现高拖速情况下，帆布能够提高网口扩张性能。本研究中则发现，流速稳定时，增加网口水平扩张比可有效增大网口面积，然而，提高拖速却对网口面积产生不利影响，这与苏志鹏[17]的研究结果吻合。这表明无论是水平扩张比还是流速，其对网口高度和网口宽度的影响均不一致：当流速不变，水平扩张比增大时，网口宽度增大速率大于网口高度减小速率；当水平扩张比一定，流速增大时，网口宽度增大速率小于网口高度减小速率。有研究发现，网口呈圆形时，其面积取得极大值[21]，此时网口面积不仅较大，同时也能保持稳定，不会产生较大波动，从而获得更好的渔获效果。本研究中发现，网口呈圆形主要有以下3种情况：L/S=0.17，v=60 cm/s；L/S=0.27，v=36 cm/s；L/S=0.35，v=30 cm/s。其中，L/S=0.35，v=30 cm/s时网口面积最大，这说明并非单一因素可对网口面积及形状产生影响，网口水平扩张比对网口面积的影响比流速的影响更大。值得注意的是，流速一定时，水平扩张比越大，实际网口面积越接近理论值，这可能是由于在实际操作中浮子和沉子的作用，使网口高度的减小程度小于网口宽度的增大程度，从而使网口面积随水平扩张比的增大而逐渐增大，进而更接近理论值。
3.2 水平扩张比和模拟渔获物对拖网能耗特性的影响
减小拖网阻力不仅能够提高网具滤水性，还能有效降低渔船燃料消耗[22]。本研究中，通过水槽试验发现，水平扩张比对拖网阻力的影响较小，而流速的改变使拖网阻力呈现显著变化，二者呈正相关关系，与周爱忠等[23]的研究结果一致。王伦国等[24]以双臂架四片式虾拖网为研究对象，发现网具阻力与拖速呈幂指数增长关系，并随水平扩张比的增加呈一定的上升趋势。本研究结果表明，拖速对网具阻力的影响更加明显，同时在实际生产中，也可以通过调整网具的水平扩张比在一定程度上减小网具阻力，降低渔船能耗，提高捕捞效率。然而，仅凭网具阻力判断网具性能优势是片面的，还要结合能耗系数综合考虑。能耗系数是指拖网过滤单位水体所消耗的能量[5]。本研究中，能耗系数与流速的关系也呈现出与阻力相似的变化趋势，而与水平扩张比则呈负相关关系，这是由于增大水平扩张比使得拖网扫海面积增加，从而降低能耗系数。此外，渔获物的增加导致网具阻力增大，这是由于渔获物的不断堆积造成网身后部阻流效果显著，使得拖网系统阻力增加，能耗亦有所提升[15]。显然，较低的能耗系数可以带来更高的效益，所以在确定最优网具形态时也应考虑能耗系数的情况。
3.3 南极磷虾拖网最佳作业工况
本研究中，流速一定时，网口面积与水平扩张比呈正相关关系；流速较小时，L/S=0.53时的网口面积明显大于其他水平扩张比组，但其变化速率较大，不够稳定，且网口高度和网身高度略小，网口形状欠佳，影响对虾群的捕获效率。而水平扩张比过小(L/S≤0.27)时，网口面积较小，不利于提高作业效率。结合网口形状和网具整体形态试验结果发现，L/S=0.35、v=30 cm/s条件下的拖网模型网形态最优，且阻力与能耗系数较小。综合考虑，以L/S=0.35，v=3.0 kn作为拖网作业期间的参考标准，并根据实际情况进行相应调整，可使网具以较佳性能运行，提高捕捞效率。拖网形态研究不仅对实际生产拖网系统控制具有指导意义，还可为提高渔具选择性和渔获质量提供科学依据。
4 结论
1)随着拖速和水平扩张比的增加，南极磷虾拖网网口呈扁口形状，当L/S=0.35、v=30 cm/s时网口形状接近于圆形，拖网模型网形态特性最佳。
2)渔获物对网口形态的影响不明显，但网囊中有模拟渔获物时，网身末端发生上扬现象，对网身后部的形状产生一定影响。
3)水平扩张比对网口面积的影响，比流速的影响更大，流速稳定时，增加网口水平扩张比可有效增大网口面积。表明低流速、高水平扩张比时，渔获物对网口面积的影响较小。
4)拖速对网具阻力的影响较水平扩张比更加明显，因此，适当减小拖速和增加水平扩张比可降低网具能耗。
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