深水网箱

深水网箱（共7篇）

深水网箱 篇1

采用深水抗风浪网箱的养殖模式突破了渔业发展过分依赖天然渔业资源的旧模式, 拓展了渔业发展的空间, 在充分利用海洋国土获得高养殖效益的同时, 更好地保护了近海、浅海生态环境。从上世纪80年代开始, 我国开始海水网箱养殖, 但养殖设施简陋, 装备水平落后, 无法抵御较大风浪和较恶劣的海况情况。由于引进网箱价格高, 难以推广, 从2000年开始, 浙江海洋学院、南海水产研究所、黄海水产研究所等科研院所纷纷开发研制网箱装备, 同时科技部、农业部及有关省厅也先后将抗风浪网箱养殖的研究列入国家“863”计划、省部级重大科技攻关计划。通过近几年的联合攻关, 深水网箱的国家专利已达100多项, 拥有养殖网箱100多万箱, 基本掌握网箱设备研制的关键核心技术。

深水网箱一般距海岸线较远, 海上风浪较大, 一方面, 箱体在海流作用下极易变形造成容积损失, 不同的风浪条件, 网箱的容积损失度均不同, 而网箱容积损失率的大小直接关系到网箱的鱼类放养密度;另一方面, 网箱浮架系统、网衣系统是整个网箱系统的主要受力部件, 长期受风浪引起的疲劳作用, 受力与变形非常复杂, 极易造成破损[2]。所以目前我国的深水网箱仍存在框架易变形、网衣易破损、操作困难等问题, 针对这些问题本文重点研究一种斜拉杆桁架框架结构、铜合金/HDPE复合网衣系统和需求式自动投饵装置, 该结构网箱不但适宜较大风浪和较恶劣的海况条件, 且操作简单。该技术的应用推广有利于海水养殖方式向集约化、规模化转变, 大幅提升海洲湾经济鱼种的养殖产量, 推动我国海洋与渔业经济快速发展, 实现海州湾海洋生物资源的可持续开发和保护;且深水网箱安装固泊在远离海岸的开放、半开放海域, 在充分利用海洋国土获得高养殖效益的同时, 更好地保护了海洲湾近海、浅海生态环境。

1 深水网箱的主要类型

网箱的分类结构示意图如图1所示。

2 一种桁架式深水抗风浪网箱

如图2所示, 该网箱由 (1) 网衣系统、 (2) 连接件、 (3) 扶手管、 (4) 双环浮力管、 (5) 斜拉杆、 (6) 力环、 (7) 沉子、 (8) 单向管箍、 (9) 双向管箍等组成。各层网筋间增加数根斜拉杆, 斜拉杆沿网架圆周均匀分布, 之间采用销或是铰链连接。双环浮力管通过热焊由驳接环将内外环连接在一起, 扶手管通过连接件与双环浮力管焊接在一起。力纲把力环垂直吊装在双环浮力管正下方, 力环正下方悬挂多个沉子, 从而使网箱按要求水深沉入海水中。斜拉杆通过管箍固定在力环上, 并实现彼此间的相互连接, 形成受力良好桁架结构, 在增加网箱系统刚性的同时, 还提高了网箱系统承受由于增大配重与浮力而产生的较大拉应力, 优化网箱系统受力性能, 起到改善网箱抗风浪性能, 防止和减少网箱在海流中变形的效果。

网衣系统如图3所示, 铜合金主网衣通过环缆 (13) 以及若干根悬缆 (14) 悬挂于内浮力管, 高密度聚乙烯 (High Density Polyethylene, HDPE) 吃水线网衣 (10) 顶部系于扶手管, 在水面下部开叉分为两片, 分别置于铜合金网衣 (11) 内外壁, 并用驳接线将两者密密系牢, 形成迷宫式结构, 防止鱼群逃逸。吃水线网衣可防止铜网衣露出水面接触空气, 降低氧化和损耗。同时铜网衣抗风浪和抗腐蚀能力强, 二者相互配合, 扬长避短。选用吡啶硫酮钠 (Na PT) 作防附着添加剂。Na PT是目前效果最佳的水溶性工业防霉防腐剂, 具有高效、广谱、低毒、稳定的特点, 它被广泛地应用于医药、日化、金属加工、农产品、防腐涂料、皮革制品、纺织、造纸及竹、木、藤、草制品中。研究成果表明[3]:Na PT还可以影响细胞膜保持合适的PH值的能力, 从而导致细胞酸化并破坏新陈代谢过程;即吡啶硫酮钠不是通过杀死污损生物来实现材料表面的防污, 而是通过破坏新陈代谢过程或麻痹等过程来实现对污损生物的趋避。所以与传统的重金属类防污剂相比, 对海洋环境的污染小得多, 而且对养殖环境和养殖对象的影响也较小。这种复合式网衣系统具有以下优点: (1) 铜合金主网衣通过环缆以及若干根悬缆悬挂于内浮力管, 整体沉浸在海水中不露出水面, 杜绝接触空气, 有效降低铜合金材料的氧化和损耗; (2) 设计了HDPE吃水线网衣, 该网衣结构上部为单片网衣, 安装时置于水面之上, 下部开叉分为两片, 安装时置于水面之下分别置于铜合金网衣内外壁; (3) HDPE吃水线网衣开叉部分与铜合金主网衣之间用驳接线将两者密密系牢, 形成迷宫式结构, 有效防止鱼群逃逸; (4) 利用铜合金强度大, 网衣刚性好的优点, 铜合金/HDPE复合结构网箱在风浪、海水较高流速抗变形能力较强, 相对HDPE网箱抗风浪性能好; (5) 利用铜合金材料表面能大, 浮游生物不易附着生长的优点, 耐附着性能好。这种桁架式复合式网箱具有铜合金网衣抗风浪性能好、容积保持率高、表面能大耐附着性能好以及HDPE网衣强度大、抗氧化耐腐蚀、柔性好的优点。

3 深水网箱养殖配套装备

网箱装备的发展在很大程度上依赖于配套设施的强力支持。网箱的主要配套装备有:投饵装置、起捕设备、分级装置、水下监视系统、网衣清理机、换网设备、阻流设施等。投饵装置的主要形式有抛撒式、电磁振动式和气力输送式。大型网箱捕捞普遍使用吸鱼泵作为起捕设备, 吸鱼泵要符合养殖工况条件, 必须无损伤地捕捞输送活鱼。常规的有线监控由于受到养殖场所的限制, 其网络布线会给施工和养殖船舶带来极大不便, 而且有线网络非常容易遭到破坏, 常规的有线监控与有线网络连接的难度较高, 因此必须研究无线视频监控技术。网衣清洗机是利用高压水射流清洗网衣上附着物, 也称高压洗网机[4]。网箱的网衣受污损生物和其他附着物的影响, 重达数吨, 在海面上特别是风大浪高的工况下要把旧网衣卸下来, 又要将新的网衣装上去, 靠手工操作, 劳动强度大, 操作难度大, 身安全性差, 需要研究网衣装卸的设施装备和操作技术, 改手工劳动为机械操作, 可以大大提高工作效率和安全性。据调查, 目前我省使用的抗风浪网箱在海流1.0m/s以上的情况下, 其体积损失率一般都在60%以上。网箱体积的变形过大对鱼类的生长非常不利。因此, 阻流设施的建设很有必要。所谓阻流, 就是在深水抗风浪网箱组合群 (一般4~16只) 布置海区的外侧, 沿水流方向增设分流板, 让直接冲击网箱的水流分道或衰减。

本论文主要研究一种需求式自动投饵装置, 如图4所示。经过适当驯化后的养殖鱼群, 很快就会形成生理上的条件反射, 当需要食物时, 就会去碰触接近筛娟, 鱼的碰触就会使金属管摆动。当摆动角度达到某一个设定值时, 调节螺母的边缘就会接触接近开关, 这就完成了信号的采集。接近开关闭合, 将信号传输至喂料控制电路和计算机系统, 并通过计算机系统分析处理后, 经控制系统电路控制饲料仓开启阀门、气力输送风机及螺旋输送机, 将饲料仓内的饲料喷出, 实现自动投喂。在喂料出口处设有扩散器, 以确保饲料呈分散状投向网箱。

当鱼群吃饱离开后, 金属管的摆动小于设定值时, 调节螺母便离开接近开关, 这时又将一个信号传给计算机, 计算机控制电路关闭饲料仓阀门、输送风机和螺旋输送机。

4 结束语

本论文研究的斜拉杆桁架框架结构、铜合金/HDPE复合网衣系统和需求式自动投饵装置具有一定的实用性和先进性。这种网箱经过在海州湾海域使用, 结果表明该种网箱具有较好的性能, 有效地提高了网箱的使用寿命, 提高了网箱养鱼的生产率, 降低了工人的劳动强度。

摘要：海水抗风浪网箱养殖是一种集约化、现代化的海水养殖方式[1], 如何提高网箱的质量、降低操作难度是当前急需解决的问题。针对当前深水网箱在使用过程中出现的框架易变形、网衣易破损、操作困难等问题, 本文重点研究了斜拉杆桁架框架结构、铜合金/HDPE复合网衣系统和需求式自动投饵装置。经过在海州湾海域使用, 结果表明该种网箱具有较好的性能, 有效地提高了网箱的使用寿命, 提高了网箱养鱼的生产率, 降低了工人的劳动强度。

关键词：深水抗风浪网箱,斜拉杆桁架,复合网衣系统,自动投饵装置

参考文献

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[3]郭根喜, 陶启友, 黄小华, 等.深水网箱研制装备技术前沿进展[J].中国农业科技导报, 2011, 13 (5) :44-49.

[4]吴常文, 朱爱意, 沈建林.HDPE深水网箱抗风浪性能的渔区验证性试验[J].海岸工程, 2007, 25 (2) :84-90+97.

深水网箱新型锚泊分体锚试验初报 篇2

深水养殖网箱由网箱框架系统、网衣系统、锚泊系统和配套设施系统4个部分组成。其中锚泊系统是网箱在水中的根基, 确保网箱系统正常运作和在高海况中不致网箱整体受力不均而损坏[2]。受2011年第17号强台风“纳沙”和第19号台风“尼格”的袭击, 海南省及广东省湛江市等地的深水网箱养殖业遭到毁灭性打击, 损失惨重, 其中约70%的受灾深水网箱因被台风破坏固定系统而被吹走, 经济损失惨重。一方面是“纳沙”强台风的强度超过了深水网箱的设计承受能力, 主要原因还是深水网箱锚泊系统设置未达到防御超强台风设计要求, 桩锚过短不足提供有效锚抓力[3]。因此, 开发一种具备抗强台风、施工方便的新型锚泊成为当务之急。

本研究结合课题任务的实施, 近期通过试验开发出一种新型埋入式钢筋混凝土分体锚 (以下简称分体锚) , 以期为我国深水网箱安装固定提供一种安全高效的锚泊系统。

1 埋入式钢筋混凝土分体锚的研制

1.1 组成结构

由3个大部分组成, 一是内外以5~8 mm钢板包体, 二是在内外钢板之间焊接编织的钢筋龙骨, 三是内外钢板之间的空腔内浇筑混凝土并用捣固棒密实, 凝固形成完整的埋入式钢筋混凝土锚 (图1~图2) 。

1.2 分体锚的技术参数

重量及高度:锚重800 kg, 锚体高88 cm。锚体结构:上部中空圆柱体50 cm, 下部为锥体38 cm。护板及填充物材料:圆柱及锥体内外为钢板护体, 中空直径38 cm, 椎体头部有高压水喷管, 填充物为钢筋混凝土。圆柱管平面焊接2个支耳, 用于安装三角拉杆, 并可固定承重索。垂直拉杆长6 m, 上下两端焊接圆环, 用于连接三角拉杆栓锚绳, 垂直拉杆与三角拉杆连接处可左右90°偏转, 在垂直拉杆随锚绳微微转动时三角拉杆受力不直接拉动锚, 当强台风强力拉动垂直栏杆并偏转时, 可将力传递给三角拉杆拉动锚的受力面偏转, 使受力面与垂直拉杆一致, 锚不会位移或向上被拔出。承重索:为拉力略大于锚体重量的麻绳, 一端系于锚体平面的支耳上, 另端系于振冲器的翼板预留孔上, 将分体锚与振冲器连成一个整体, 保证把锚送到预定深度前的下沉过程中, 锚与振冲器始终是一个整体。当投锚架起重机向上提起振冲器时将承重索拉断, 振冲器与锚在预定深度分离, 振冲器收回反复使用, 由于泥土的强大压力和吸力, 分体锚留在海底预定深度的泥沙中形成锚锢力。

注:4为三角钢拉杆;5为双耳提环;6为尾部底板;7为防护钢板;8为钢齿;12为悬吊和双耳提环支耳;13为锚体;14为棱板;15为喷水导孔;16为高压水喷孔。

1.3 分体锚的制作

一是编筋焊接。按设计图编筋成锚的龙骨, 焊接各交叉点连成龙骨整体, 并与内外钢板的焊接点进行焊接, 形成锚的整体结构 (图3) 。二是浇筑混凝土。将焊接好的钢筋和钢板整体结构运至浇筑点, 将搅拌好的快干混凝浇筑到锚体内, 用捣固棒进行振动密实, 与内外钢板、钢筋龙骨形成整体, 7 d后即可进行投锚。

2 分体锚施工

2.1 投锚施工装备器材

200 t专用投锚工程船, 三锚定位, 船上配备200 k W发电机组、10 t起重机、专用投锚架、水下监控、流速仪、定位仪等装备器材。

2.2 海上投锚作业方法

投锚准备:起重机将分体锚吊运至投锚托盘上, 然后将分体锚套在振冲器的头部, 并用承重索将振冲器与锚固定成一个整体。

将锚送到预定深度:当专用施工架上的卷扬机将振冲器与锚放至水底时, 开启振冲器上电源使偏心块转动形成击振力, 并同时开启高压水泵形成高压水的冲击力, 通过振冲器的带动, 在水平方向上使分体锚产生强力振动, 对周围土质进行破碎、挤压、液化, 并且通过高压水将泥 (砂) 浆向上快速排出, 形成大于分体锚直径的孔洞;在垂直方向上由振冲器与分体锚的重力共同作用下, 使分体锚快速下沉, 振冲器最终将分体锚送入设定深度 (设计海底泥沙中埋深为8 m) 。

振冲器与锚体分离:专用施工架上的卷扬机提起振冲器时, 承重索在原地断裂, 分体锚留在设定深度的泥沙里, 完成了分体锚与振冲器的分离, 振冲器通过专用施工架上的卷扬机提升至水面专用施工架上, 投锚完成。将振冲器与另一个分体锚进行设置再组装, 等待移位至下一个施工点后再进行投锚施工 (图4) 。

3 拉力测试

3.1 测试设备

拉力测试使用仪器为海南省技术监督局产品质量监督所提供的20 t拉力传感器, 另外采用2门滑轮组、25吊车。

3.2 测试地点的选择与测试

锚泊拉力测试地点选在海南省临高后水湾深水网箱养殖海域进行。测试点距岸边约20 m的位置, 涨潮时水深5 m, 退潮水深1 m, 从海底平面向下泥沙里送锚至预定深度8 m处。测试区域堤岸高5.5 m, 涨潮时距水面1.5 m, 退潮后距水面4.5 m, 锚距岸边最高点13.5 m。以高13.5 m、斜边长30 m、底边20 m的三角形, 作为测算锚绳与海底平面的夹角。

拉力传感器固定:其一端连接缆绳并与分体锚相连, 另一端则连接双门滑轮组, 双门滑轮组则用25 t吊车 (吊车用地埋木桩连接拉绳进行固定) 吊起提供测试拉力, 吊车挂钩勾住滑轮组拉力端吊环, 向上吊起, 随吊机不断上升, 增加拉力。锚绳从锚到拉力传感器的绳长为30 m, 从拉力传感器到埋入横木地锚固定点的距离约20 m。

拉力测试要求:测试锚至拉力传感器一段锚绳的斜方向拉力。考虑到拉力测试需要及测试安全, 拉力测试达到140 k N以上时即可停止测试, 并记录拉力大小。拉力测试过程详见图5。

3.3 水泥礅锚拉力比较测试

分体锚测试完成后, 课题组还进行了常见水泥礅锚拉力测试试验 (图6) 。测试地点、方法和设置条件同分体锚测试。分2次进行测试, 第1测试点距岸边25 m的水泥礅投放在距分体锚5 m远的海底, 第2个测试点距岸边75 m, 均使用25 t吊车进行提拉。水泥墩均投放于砂质海底, 自然沉降3 t后进行测试。

4 分体锚效率及测试情况分析

4.1 分体锚施工及效率分析

课题组在海南省临高县新盈镇后水湾临高海丰养殖发展有限公司养殖海域, 进行了海上投锚试验, 成功将16个分体锚投放到预定海域, 为2组深水网箱更换新的固定系统, 用此方法重新投放的分体锚更换已抛投的水泥块锚, 大大地增强了深水网箱的抗台风能力。该方法能克服各种复杂地质, 使分体锚快速下沉, 施工速度快, 施工效率较高。

通过装备共性设计加快投锚作业速度:创新的投锚工程船设计三锚定位, 每根锚绳长260 m, 投锚船每次定位船首与船尾锚距为300 m, 可3次移动投锚船投放3个锚, 平均40~60 min完成1次船定位, 通过3次调节船首与船尾锚绳长度, 在1条轴线上3次调整船的位置, 可连续投锚3个, 每20~30 min投锚1次, 增加投锚船每次定位投锚次数, 从而减少投锚船定位的次数, 缩短投锚作业时间, 平均每45 min投1个锚。同时还可以进行夜间投锚作业, 提升投锚效率。

一次定位3次投锚的依据:锚与锚的间距为40 m周长的网箱一组4个网箱, 需要投12个锚, 成四边形配置, 每条边等距布3个锚, 锚与锚的间距为40 m;60 m周长的网箱2个一组, 需要投12个锚, 锚与锚的间距为50 m;按每天工作16 h, 每天投锚20~24个, 每月工作20 d, 可投锚400~480个。

4.2 分体锚拉力测试结果

分体锚实际测得锚绳的拉力为146.6 k N时, 拉力测试停止, 测试的分体锚与固定用地锚均未移位。当时测试锚绳与海底平面的夹角为48°。如果此夹角在22~30°之间时, 锚绳的拉力将更大。

课题组为测试安全考虑, 仅测试拉力达到146.6 k N时即停止。当达到14级台风时, 锚绳与海底平面夹角30°, 单根锚绳承受的拉力为117.5 k N, 此时锚绳的瞬间拉力146.6 k N已远超过117.5 k N, 且锚绳与海底平面的夹角为48°, 远大于14级台风夹角30°时的拉力。因此, 初步表明分体锚可抵抗14级以上的台风。

4.3 水泥礅锚拉力测试结果

第1次测试结果:拉力传感器显示, 16 k N时水泥礅移位4 m, 拉力增至19 k N时, 水泥墩位移6 m, 继续拉拉力瞬间下降到15 k N, 继续位移, 3次拉动总位移至16 m。此时锚绳与海平面夹角约48°, 测试角度同分体锚。

第2次测试结果:拉力传感器显示, 19 k N时水泥礅移位4 m, 拉力增至21.6 k N时, 水泥墩位移6 m, 继续拉拉力瞬间下降到18 k N, 继续位移, 3次拉总位移至16 m。此时锚绳与海平面夹角约30°, 测试角度小于分体锚。

水泥礅的拉力测试结果初步说明, 水泥礅可能不适应砂质与硬质海底投锚。目前后水湾大量使用的水泥礅锚 (体积1.5 m3、重约3.75 t) , 在海水密度1.025 g/cm3条件下, 水泥墩的浮力为15.375 k N, 水泥墩投在砂质及硬质海底时, 水泥墩附在海底表面, 即便没入沙中, 阻力也相对较小, 因此锚绳斜方向实际拉力应为22.125 k N (重力减去浮力) , 远小于14级台风时单根锚绳117.3 k N, 易被拉起移位, 导致相邻2个锚的锚绳易搅在一起。

埋入淤泥较深的海底水泥墩, 如水泥墩沉降到淤泥下1 m左右的深度, 由于淤泥的吸附力和阻力, 水泥墩的拉力也仅为37.5 k N或略增加到40~50 k N, 仍与14级台风时单根锚绳需受力117.3 k N相差较大, 特别是网箱被瞬间抬高并被涌浪推移时, 单根锚绳承受90.0~117.3 k N的拉力, 水泥墩锚瞬间被向上从泥中拉出, 其瞬间拉力减少15 k N以上, 易造成网箱继续漂移, 甚至多个水泥墩被同时拔出移位, 最终锚绳相互绞缠, 造成整个固定系统被破坏

5 讨论

5.1 现有深水网箱锚泊系统存在的主要问题

受2011年第17号强台风“纳沙”和第19号台风“尼格”的袭击, 受损最严重的海南临高金牌和后水湾、海南澄迈桥头、湛江流沙等4个海域的深水网箱系统都采用桩锚固泊方式, 大部分采用4只网箱一组连接。桩锚与其他类型锚 (铁锚、水泥锚等) 相比较, 不具有走锚滑移过程重新达到阻力平衡的动作, 桩锚不能提供有效支撑是该次台风造成深水网箱受损的主要原因。桩锚的施工方式使其有效性难以获得保证, 其一旦拔起就完全丧失了锚的功能, 相互挤压与重叠, 容易产生“骨牌效应”, 造成严重经济损失。

水泥块锚泊由于浮力和埋深较浅, 在长时间的风浪中锚绳的搅动, 锚绳没入泥中的部分易形成海底平面到水泥块的喇叭结构, 海水侵入, 水泥块周围的泥沙液化, 使水泥块裸露泥土的阻力和喷力尽失。强台风来临时易被拉起漂移, 会造成网箱之间的碰撞, 网箱漂移锚绳与网箱绞缠在一起, 养殖的鱼易受伤死亡, 超过20 m以上水深的水域, 特别是复杂海底地质, 水泥块锚容易失去效应。铸铁或铸钢锚也存在成本高, 易走锚, 投锚定位困难等缺点。因此, 采用的水泥块锚与船用铁锚或铸钢锚作为深水网箱锚泊系统仍存在一定风险。

5.2 分体锚与施工方法对深水网箱养殖产业带来的现实意义

从测试试验得出, 分体锚锚锢力达到146.6 k N, 初步表明可抗14级以上的台风, 大大提升了深水网箱锚泊系统的安全性能, 可使深水网箱免受强台风的破坏, 且施工方便, 造价低廉, 锚碇技术的创新将带来深水网箱养殖产业的跨越式发展, 为我国网箱养殖产业的升级起到良好的的推动与促进作用。

用振冲施工法将深水网箱专用分体锚 (钢质或钢筋混凝土材质) 送入海底泥沙中预定深度的施工方法, 解决了在水深50 m以下海域, 进行埋深8~10 m的投锚作业的技术难题。投锚适应水深达10~50 m, 可使养殖水域进一步向外海拓展, 使养殖水域可扩大几倍乃至几十倍, 海南沿海20~50 m等深线海域基本上尚未得到开发, 分体锚的使用, 使水产养殖在更广阔海域得到发展, 可减少养殖对海洋环境的影响, 有利于海洋国土资源的合理开发利用[4,5]。

摘要：设计了一种全新的埋入式钢筋混凝土分体锚, 并对其拉力大小进行了测试, 经测试该锚锢力达到146.6 kN, 初步表明可抗14级以上台风, 大大提升了深水网箱锚泊系统的安全性能。分体锚的应用, 可克服各种复杂地质进行投锚, 施工速度快, 效率高, 且造价低廉。锚碇技术的创新将带来深水网箱养殖产业的跨越式发展, 为我国网箱养殖产业的升级起到良好的的推动与促进作用。

关键词：深水网箱,锚泊系统,分体锚,研制,测试

参考文献

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深水网箱 篇3

1 深水抗风浪网箱发展前景

1.1 传统网箱养殖常见问题

广西海水网箱养殖存在诸多问题:养殖水域受到限制, 只能设置在风浪较小的内湾或近岸浅水区;陆源污水入海容易引起网箱养殖鱼类大量死亡, 洪水期淡水入海量大造成鱼类死亡;近岸海水交换能力差, 长时间的养殖生产, 导致海域富营养化, 环境日趋恶化, 病原体滋生, 病害蔓延, 发病率高;受台风、赤潮、洪涝等自然灾害影响, 往往造成很大的损失。因此, 要突破海水网箱养殖的瓶颈, 发展深水抗风浪网箱养殖势在必行。

1.2 发展深水抗风浪网箱的意义

发展深水抗风浪网箱是实现渔业发展方式转变, 使传统渔业向现代渔业跨越, 促进渔民增收的主要途径。深水抗风浪网箱是近10 多年来在世界上发展较快的一种新型养殖设施。目前, 在国外采用这种方式养殖的仅有挪威、丹麦、智利、日本、澳大利亚等10 多个国家, 在国内仅见于山东、浙江、福建、广东、海南和广西等几个省份。深水抗风浪网箱一般都设置在远离海岸且水深在15~40 m的半开放或开放的海域。与传统海水普通网箱养殖相比, 深水抗风浪网箱养殖具有抗风浪能力强 (可抵御12级台风) 、应用海域广阔、养殖容量大、病害少、产品品质好、产量和效益高、污染水域环境少、使用年限长和科技含量与自动化程度较高等特点, 不仅极大地拓展了养殖空间, 也减少了因污染和养殖密集而造成的损失, 更能避免因养殖而给资源和环境带来的压力, 更符合产品质量安全的要求, 具有明显的社会效益、经济效益和生态效益, 正成为海水养殖业新的增长点[1]。

1.3 深水抗风浪网箱发展潜力

广西发展深水抗风浪网箱养殖条件优越, 潜力巨大, 应该充分利用好这些条件, 进一步探讨发展深水抗风浪网箱养殖的有效方法。

1.3.1 自然条件

广西沿海位于北部湾最北部, 具有亚热带浅海的海洋水文特征, 潮流近似为往复流, 潮流流速70~80 cm/s (深水抗风浪网箱养殖最适合流速应小于100 cm/s) , 海水温度全年平均为23 ℃, 水温变化在15~24 ℃, 盐度全年在29 ‰~32 ‰范围内波动。沿海水质清洁, 水质符合国家海水水质标准 (GB 3097-1997) 的Ⅱ类水质标准, 部分达Ⅰ类水质标准, 符合渔业用水的标准。沿岸入海径流量及营养盐输入量大, 水质肥沃, 饵料丰富, 有利于海洋生物的生长繁殖。广西沿海海域台风等自然灾害发生的频率、受灾程度要比我国其他沿海省份低而小, 自然条件优越, 是发展深水抗风浪网箱养殖的优良场所。

1.3.2 适宜海域与资源

北部湾属高生物量海区, 非常适合鱼类的繁殖和生长。广西海岸线长达1600 km, 15~40 m水深的海域面积约80 万hm2, 是深水抗风浪网箱养殖的良好海域。而这一海域目前基本上处于尚未开发利用的状态, 是今后广西发展深水抗风浪网箱养殖最具潜力之处。按5 %的开发系数, 广西深水抗风浪网箱宜养浅海面积达4 万hm2。南海鱼类品种非常丰富, 拥有鱼类近1000 种, 广西地处南海北部湾北岸, 可以开发南海鱼类品种资源作为深水抗风浪网箱养殖的品种。利用好水深15~40 m海域, 发展深水抗风浪网箱养殖, 可谓再造一个“蓝色海上广西”。

1.3.3 深水抗风浪网箱养殖前景

据调查, 在钦州、防城港市现有的深水抗风浪网箱养殖中, 平均每立方米的养殖水体年产出海鱼10 kg, 1 组 (4 套) 深水抗风浪网箱 (周长80 m、网深8 m) 年平均产量约163 t, 相当于305 只普通网箱产量的总和, 年平均产值489 万元, 相当于328 只普通网箱产值, 相当于一艘中型渔船年产值的5~7 倍。广西15~40 m水深的海域面积约80 万hm2, 按5%的开发系数, 可开发深水抗风浪网箱宜养面积达4 万hm2, 可设置周长为80 m、网深8 m的离岸抗风浪深水抗风浪网箱7.5 万套, 养殖水体可达30576 万m3。按照现有养殖技术水平, 年可产出海鱼305.8 万t, 预计年均销售收入917.4 亿元, 年均利润总额367 亿元, 年均企业所得税48 亿元, 年均净利润总额320 亿元。发展深水抗风浪网箱既能保护近海渔业资源, 又能促进生态良好和渔业发展方式转变, 是产业发展和渔民增收的良好途径。

2 发展深水抗风浪网箱养殖存在的问题

2.1 深水养殖用海问题有待理顺

海上养殖区域虽然广阔, 但渔民想要在这辽阔的海域发展养殖, 遇到的困难也很大。首先是深水海域没有列入海洋功能区划。深水抗风浪网箱养殖选址一般选在10~40 m水深的深水海域。由于广西沿海这片海域, 其海底较为平坦、坡度小, 10 m等深线以深的大部分海域距离岸边在10 km以外, 而海洋功能区划的范围只是对岸线向海10 km进行规划, 10 km以外的海域基本上不列入海洋功能区划, 还没有列入海域使用范围。企业或个人要想使用这些海域用于养殖, 办领海域使用证没有依据, 没法获得海域使用证和养殖证。深水抗风浪网箱投资大, 没有合法的养殖手续, 谁也不敢投入。其次, 渔业与海洋不属同一主管部门, 各涉海管理部门之间沟通、协调不够, 渔业与渔民属于弱势部门和群体, 渔业用海问题协调困难。海洋功能区划或不制定出台、或虽制定出台但因部门利益变成空文一个, 造成或养殖用海得不到落实, 或海水养殖者无法领到水域滩涂养殖权证, 养殖权益得不到保障而无法正常开展海水养殖的现象非常普遍。网箱养殖仍征收较大数额的养殖海域使用金。在内陆, 农民种田地已不用交地租交粮税了, 而作为与内陆种粮土地同样性质的养殖海域滩涂, 不应再征收海域使用金, 这样对渔民不够公平。

2.2 养殖区域有待移向深水海域

现有的深水抗风浪网箱大部分还是分布在内弯近岸, 没有真正走向离岸深水养殖海域, 还是在原有传统网箱养殖区域的深水海域布设, 可以说是传统网箱的升级版。深水养殖海域离岸远, 要真正实现深水离岸养殖需要配套与之相适应的管养综合服务平台, 为人员居住与生活、投入品存储等提供安全保障和便利服务, 配套完善自动投饵、防逃防盗系列监控设施及饲料、成鱼运输船只等等, 这是深水养殖区域非常重要基础服务设施, 目前这些方面还非常的缺乏, 还没有形成真正意义上的深水抗风浪网箱格局。

2.3 养殖技术有待攻克

广西离岸深水抗风浪网箱养殖刚起步, 目前急需解决自动化投饵、专用饲料、苗种中间培育、防逃防害等一些关键技术。适宜在深水、大规模养殖的品种少。在广西这片海域, 现已公认适宜规模养殖的品种主要有卵形鲳鯵、军曹鱼等, 适养品种少, 没有与之配套的苗种生产企业, 苗种供应主要从外省购进。网箱养殖技术滞后, 喂养方式还是传统人工操作, 劳动生产率低下, 网箱养殖未能形成规模化、产业化、集约化、智能化生产。这些问题的解决都有待于有关部门组织科研机构及科技人员开展攻关, 尽快加于解决。

3 建议

3.1 政府应加强引导、加大扶持力度

沿海各地应尽快编制出台沿海各市的深水抗风浪网箱养殖产业发展规划, 引导深水抗风浪网箱养殖产业科学、有序、规模发展。争取把深水抗风浪网箱产业列为广西海洋经济发展战略重点并在政策、资金上给予大力支持, 扶持深水抗风浪网箱养殖产业的发展。一是广西自治区设立深水抗风浪网箱产业发展专项, 每年安排一定的专项资金, 给予深水抗风浪网箱适当的财政补贴。二是建立深水海域养殖开发扶持基金, 帮扶深海养殖企业解决起步资金短缺、筹措困难等问题。三是对从事深水抗风浪网箱养殖的企业和个人给予税收等方面的优惠, 以及减免养殖用海海域使用金等政策支持。

3.2 提升科技支撑

建议引进国内渔业科研机构的院士、专家, 以各学科专业人才、技术、成果为依托, 产学研结合, 组织深水抗风浪网箱养殖苗种繁育、专用饲料研制、鱼病防治、网箱材料装备等科技攻关, 开展实用新型深水抗风浪网箱的开发及现代养殖技术集成与示范, 研究设计和开发适宜离岸深水海域管养的综合服务平台, 搭建深水抗风浪网箱科技推广平台, 逐步建立深水抗风浪网箱养殖高新技术创新和技术推广服务体系, 为大力发展深水抗风浪网箱养殖产业提供科技支撑和保障。

3.3 建立金融保险机制

深水抗风浪网箱养殖开发投资大、风险高, 建议对深水抗风浪网箱养殖给予政策性保险, 以减少企业 (养殖户) 在养殖环节的风险, 保障深水抗风浪网箱养殖产业的稳步健康发展。

3.4 引导民间资本投入

深水抗风浪网箱养殖是一个需要大规模投资的高新技术产业, 仅靠政府部门的财政支持远远不能满足整个产业的快速发展。所以, 要突破资金短缺瓶颈, 扩大资金来源, 积极引导社会资金参与深水抗风浪网箱产业的发展。建议有关部门出台相关政策, 采取贷款贴息、补助、奖励等办法引导社会资金共同参与开发建设, 把深水抗风浪网箱养殖产业切实做大做强。

参考文献

深水网箱 篇4

关键词：深水网箱,自动投饵,计量

目前中国深水网箱养殖使用颗粒饲料愈来愈多, 基本上靠人工搬运和投喂, 加大了劳动强度, 同时也降低了工作效率［1］。中国水产科学研究院南海水产研究所研制出深水网箱养殖远程自动投饵系统装备, 此装备计量系统主要由定容旋转下料器构成。由于计量系统以饲料体积流量为计量结果, 而不同型号的饲料颗粒密度与体积存在差异, 投饵进程中旋转下料器内饲料密实度不同, 饲料输送量也同步变化, 导致投饵系统存在饲料计量不准、误差较大的缺点［2 － 5］。经试验测量, 其饲料投喂误差度约为 ±10% 。计量不准不仅影响投喂的精度与效率, 更重要的是影响鱼类生长和养殖效益的最大化。

国外如挪威、美国、加拿大等国, 网箱养殖普遍使用自动投饵装备, 其装备智能化水平较高, 从饵料的运输、储存、输送以及投放都有精确的数量控制［6 － 7］。挪威AKVA集团公司的Akvasmart CCS投饵系统, 采用饲料定量加料器将饲料传送到空气流中, 速度高达192 kg·min－ 1, 投喂精度较高, 能准时地以最佳速度来投喂设定质量的饲料; 美国ETI公司生产的FEEDMASTER自动投饵系统, 其计量装置为气密性较好的旋转下料器, 该旋转下料器采用等容定量下料式原理, 装置内有若干个工作腔, 每个工作腔存储等容积的饲料, 旋转下料器由电机驱动, 根据深水网箱规格大小和网箱内鱼类数量调整下料器转速, 从而控制每个网箱的饲料投喂量, 投饵能力最高可达250 kg·min－ 1［8］; 中国投饵机的供料计量装置主要分为螺旋输送式、机械振动式、电磁振动式、电磁铁翻板式、转盘定量式、抽屉式定量下料式等［9］, 此类装置计量原理大体为称重式与定容式, 使用中会受到饲料特性、机械振动、重力场变化等因素的影响, 故在自动投喂时也存在饲料计量不精确的问题。

文章提出一种新型的投饵供料计量装置, 采用电机带动装置中的旋转轮, 通过测量饲料经过装置旋转轮时所产生的扭矩与瞬时转速, 获得颗粒饲料的实时质量流量, 实现自动投饵的精确计量。

1 工作原理

该计量装置中有一旋转轮, 旋转轮由一些导向分隔叶片组成, 旋转轮上有径向均匀分布的叶片。颗粒饲料从旋转轮上方进入旋转容器内, 通过垂直的导流装置后, 分散流入旋转容器的分隔槽中。饲料由旋转轮带动旋转, 在离心力作用下向旋转轮外侧运动, 最后离开旋转轮。在这个过程中, 饲料受到科氏力的作用, 此力引起一个反方向的作用力矩。通过测量旋转轮所受的扭矩, 得出饲料所受的科氏力矩。通过DSP的测量与反馈, 调节驱动电机的转速, 获得旋转轮的瞬时转速, 便可得到颗粒饲料的质量流量［10］, 从而实现系统的准确计量和定量给料。装置工作原理见图1。

图1计量装置工作原理ω.转动角速度;v.径向速度;F.力矩Fig.1 Working principle of metering deviceω.angular speed of rotating wheel;v.radial speed of granule;F.force moment

以旋转轮为中心轴转动, 其转动角速度为 ω 。设单位物料质量mi由旋转轮中心沿旋转轮径向以速度v相对于旋转轮作直线运动。测量力矩取决于旋转轮的角速度 ω 和颗粒料的径向速度v 。在t时间内有i个颗粒饲料通过旋转轮, 其单个颗粒质量为mi, qm为单位时间内的质量流量, Mi为旋转轮在实际工作时所受的瞬时扭矩, 其计算推导公式如下:

对两边求导得

最后所得公式M=m×ω×R2。式中M为旋转向心力对测轮转动中心产生的力矩; m为单位时间内通过旋转轮的质量; ω 为旋转轮的旋转角速度;R为旋转轮的半径。从上式中可以看出, 在角速度ω 保持不变时, 扭矩M与颗粒饲料单位时间质量流量m成正比, 通过精确地测定扭矩M和角速度ω, 则可准确获得饲料的质量流量［11 － 14］。

2 系统结构框架

2. 1 自动投饵系统结构框架

自动投饵系统由供气系统、输送系统、计量系统构成。罗茨风机产生稳定的低压压送空气流进入输送管道。颗粒饲料从大料仓输送到计量装置中, 通过装置的准确计量后进入输送管道。饲料与供气系统产生的空气流混合后, 将饲料输送到深水网箱中。系统结构框架见图2。

1.料仓;2.计量装置;3.罗茨风机;4.深水网箱1.silo;2.metering device;3.Root's blower;4.deep-sea cage

1.进料器;2.旋转轮;3.联轴器;4.扭矩传感器;5.增量式编码器;6.电机;7.减速器;8.出料口1.feed inlet;2.rotating wheel;3.coupling;4.torque sensor;5.incremental encoder;6.motor;7.reducer;8.feed outlet

2. 2 计量装置结构设计

计量装置由给料系统、测量系统、动力系统构成, 其结构见图3。计量装置给料系统主要由外壳、进料器、旋转轮和出料口组成。外壳上部为圆筒形壳体, 下部为圆锥形壳体, 两部分构成装置的外壳。外壳顶部有一圆形盖板, 盖板上开有一方形口, 安装一上大下小的四方台形进料器, 便于饲料的流入装置内。旋转轮通过键联接安装在中心轴, 由导流柱与旋转叶片构成。导流柱为前小后大的圆柱形, 用于导送颗粒饲料到旋转轮。旋转叶片为若干片向外发散的片状体, 便于颗粒饲料向外流动。

测量系统主要由扭矩传感器与转速传感器组成。扭矩传感器安装于旋转轮下方, 传感器的两端轴通过弹性柱销联轴器与旋转轮的中心轴联接, 扭矩传感器用于测量旋转轴的扭矩。转速传感器固定在减速器的输出主轴上, 通过获取检测到的脉冲数计算出旋转速度。

动力系统由电动机与减速器组成。驱动电机安装在计量装置底板下方。该电机为三相交流异步电动机, 电机与减速器相连, 减速器的输出轴与中心轴通过联轴器联接。

饲料从进料口进入, 经导流柱导流后分散到旋转轮上的各个导流槽内。饲料由旋转轮旋转时的离心作用力甩离旋转轮, 沿着装置内壁自由滑落, 最后进入到出料口, 随着罗茨风机产生的低压压送气流输送到深水网箱。

为达到设计的要求, 选取的风机功率为11k W, 最大流量可达12 m3·min－ 1。计量装置的电机经过减速器后转速为90 r·min－ 1, 输送量25 m3·h－ 1。根据饲料的容重比, 计量范围为0 ~ 15 t·h-1。

3 关键技术的实现

3. 1 扭矩测量

计量装置中心轴的扭矩M可由扭矩传感器测得。当三相交流异步电机与减速器驱动旋转轮时, 施加给旋转中心轴一个作用力矩, 此力矩使旋转轮以中心轴为转轴转动。根据力学原理, 该力矩与电机输出轴转轴力矩大小相等、方向相反, 即所需的扭矩［15］。扭矩传感器的输出电压正比于该旋转力矩, 并通过模数转换将模拟量转换为数字量输出。扭矩传感器采用电阻应变式原理, 通过电刷实现信号输出。测量范围为0 ~ 500Nm, 输出灵敏度1 ~ 2 m V·V－ 1, 测量误差精度± 0. 3 % 。在标定传感器系数的相同环境温度下, 静标定误差应不超过 ± 0. 2% 。传感器转轴转动, 中间套筒在不同位置时读数误差应不超过 ±0. 2 % 。启动驱动电机, 轴固定在任意位置时转矩扭矩读数变化应不超过 ± 0. 2% 。在额定转速范围内, 联轴器固定在任意位置时不同转速下扭

矩测量读数精度 ± 0. 2% 。由误差合成公式:因此, 扭矩传感器的误差精度可达 ± 0. 5% 。

3. 2 转速测量与控制

为了实现矢量控制, 采用增量式光电编码器对转速进行测量与控制。由于计量装置中的电机输出时经过减速器减速, 输出转速属于低速场合, 故采用“T法”的测量方法［16］。增量式编码器转轴旋转时, 有相应的脉冲输出, 可实现多圈无限累加和测量, 编码器轴转一圈会输出固定的脉冲, 通过对编码器输出信号进行计算处理得到转速［17］。TMS320F2812 处理器有2 个事件管理器 ( EVA、EVB) , 每个事件管理器 ( EV) 模块都有一个正交编码器脉冲 ( QEP) 电路, 它们可以直接与编码器相连, 用来检测转速。选用意大利LIKA公司的CK59-Y-4096ZCP214K增量式光电编码器为圈数12位 ( 4096) 的多圈高精度编码器, 其精度可达0. 0015% 。

3. 3 计量装置控制系统

计量装置控制系统与提供饲料的储料装置和输送饲料的气压压送装置结合使用。利用装置的计量结果控制饲料输送速度与投喂量, 从而精确控制计量给料。该控制系统负责整个装置的测量数据采集、动态误差校正、逻辑行为判断、系统实时通讯和人机界面显示等。

1) 硬件设计。硬件采用DSP数字信号处理器作为开发芯片, 芯片型号为TMS320F2812。是美国TI公司开发的一款数字信号处理器, 具有信号高速处理能力、高性能、重复性、数据运算的实时处理能力, 特别是应用于处理速度、处理精度方面要求比较高的领域, 十分适合于该系统的高精度控制, 为电机转速控制系统数字化设计提供了一个理想的解决方案［18］。芯片有一通讯接口与输入设备连接。IPM为智能功率模块, 其主要功能将整流后的直流电变成可控的交流电, 集成了逻辑、控制、检测和保护电路, 用于控制电机的转动。由DSP控制电机转速, 从而驱动旋转轮转动, 通过反馈控制旋转轮的转速来精确控制饲料的质量流量。控制系统输入电平为3. 3 V的CMOS电平, 输入端不允许5 V的电压输入。以TMS320F2812 为处理核心, 在一定的频率范围内调整采样频率, 实现整周期采样, 实现各种信号的采样处理, 保证数字信号处理的精度。各种参数的测量精度为传感器扭矩≤0. 5% , 转动频率≤0. 3% 。计量装置控制系统硬件设计图见图4。

2) 软件设计。控制系统设计主要分为主程序模块、PID算法控制模块和中断服务程序模块。主程序提供系统初始化工作, PID算法控制通过定时器中断时间进行PID控制计算, 在控制过程中实时调整转速参数, 从而完成对系统实时质量的控制［19］。主程序对系统硬件与变量进行初始化, 对运算过程中的各种变量分配地址。设定好饲料输送质量, 通过计算可得到理论质量流量。TMS320F2812 数字处理器开始对增量式光电编码器与扭矩传感器的信号进行测量与采集, 运算后得到实际的质量流量。将饲料的瞬时质量流量和累计量进行显示, 同时判断出系统的状态以及实际流量偏差。将偏差送入PID调节器, PID调节器输出来设定驱动电机的转速以调节旋转速率, 使系统的实际质量流量与设定质量流量一致, 从而实现系统的准确计量和定量给料。控制系统程序流程图见图5。

4 结论与讨论

该计量装置能直接测量在自动投饵时颗粒饲料的实时质量流量, 计量精确度高, 由扭矩传感器误差精度、光电编码器误差精度与数字处理控制误差精度合成, 其准确度可达 ± 1% , 量程范围为0 ~15 t·h－ 1, 输送能力可达25 m3·h－ 1, 能满足深水网箱养殖精准投饵的要求。与其他计量装置相比, 具有如下的几个优势: 1) 结构优势。一般气力输送装置需要在出料口处加装阻流装置 ( 如关风机) , 防止气流向上扰动, 使输送的颗粒饲料顺利进入输料系统内［20 － 24］。该计量装置中的颗粒饲料进入旋转轮后, 罗茨风机产生的气流从进入计量装置后不会影响测量的准确度, 且可封锁向上的空气流。因此即使在计量装置内存在反方向的气流, 也不用特别的阻流装置, 能大大简化系统。2) 原理优势。a) 该装置的测量精度对饲料的特性、下料角度和下落速度等因素不相关, 推导公式中只对扭矩和转速相关。b) 颗粒饲料测量值为动态变化值, 代表所测量的值为瞬时值, 能实现信号实时反馈对投饵过程的精确控制。c) 该装置在颗粒饲料输送过程中不涉及机械振动等重力变化的影响, 避免了称重等静力学测量带来的误差影响。由于装置对饲料质量进行直接的测量, 无需密度和体积的乘积来计算, 因此与饲料的容重、密实度无关。

4. 1 不足之处

虽然该计量装置与其他固体质量流量测量装置相比具有明显的原理优势, 但在原理结构上仍然存在一些影响测量精度的因素: 1) 与物料本身影响因素。如饲料的破碎率过高, 饲料粒径过大, 饲料含水量过高。2) 传感器及测量结构影响因素。如传感器的安装精度。3) 测量环境因素。如温度、空气相对湿度。这些因素都会影响正常下料与最终的测量结果, 使其应用受到一定程度的限制。

4. 2 展望

深水网箱 篇5

本文介绍了一种基于水声超短基线水下定位技术的深水网箱网衣监测系统,用于实时掌握网衣的运动变化状态,准确了解养殖过程,并在突发情形下做出快速反应,避免损失; 同时,监测系统能提供网衣运动状态的实测数据,通过研究网衣的水动力特性来指导网箱的设计和优化。

1水下信标定位原理

网衣的定位基于超短基线实现,定位阵列采用常见的三角阵[6],三个阵元等间距排列成直角,间距为d。如图1所示,阵元1与2构成定位坐标系的x轴,阵元1与3构成y轴,阵元1位于坐标原点,信标在坐标系中的坐标( Xi,Yi,Zi) 为:

式中:

式中: ф12、ф13—阵元1、2和阵元1、3接收到的信标信号的相位差; λ = c/f0为收发声波的波长,m; c—声速,m / s; f0—频率,Hz。

2监测系统设计

2.1系统总体结构

系统基于水声超短基线水下定位技术实现[7,8,9,10,11]。如图2所示,在网箱浮体正中固定一定位阵列,等时间间隔发射脉冲定位编码信号,信标为应答式, 固系于网衣,接收定位阵列的定位信号并应答。 为准确反映网衣的实时空间状态,信标均布于网衣之上,沿圆周方向每层布设6个信标,每个网箱按深度布设5层。阵列对信标的回波信号做相位检测,结合传播时间,做定位计算从而确定信标的方位,也即网衣上信标对应离散点的方位,从而重构网衣形态并利用积分方法算出实际有效养殖空间。声信号控制及处理机用于收发控制及信号处理,安装在监测平台上,采用光伏太阳能电池供电。接收的数据借助无线通信的方式传输到岸上养殖监控中心,作为养殖过程的关键数据进行处理和储存。

2.2信号设计

由于网箱监测是短距离监测,信标与定位阵列之间的距离通常≤20 m,故采用低功耗换能器用于信号收发。为识别网衣上多个信标,采用码分多址技术[12]。选用伪随机噪声信号m序列作为定位信号[7],同时m序列还作为信标的地址码,利用m序列具有良好的自相关特性,减小声传播过程的多途效应影响,减小测距误差,提高系统的定位精度。m序列由反馈移位寄存器产生[13],根据系统信标的数量,选用五级移位寄存器,由单片机进行控制。

因为通断键控( OOK) 调制方式编码解调比较简单,易于实现,故信号调制方式采用通断键控 ( OOK) 调制调制方式,确定载波频率为50 k Hz; 为降低阵元之间噪声相干的影响,同时提高基阵的定位精度,设计基阵水声换能器阵元的间距d选择为半个波长。

2.3网衣信标系统

信标采用收发合置换能器,其中心工作频率在50 k Hz,发射功率10W左右,信标和定位收发阵列系统之间采用m序列编码方式进行信号传输[14,15,16,17,18,19]。信标系统 结构如图3所示。 采用AT89C52单片机控制信号的收发,系统晶振为12 MHz,分频电路对晶振频率分频采样。信标采用中断工作方式,当接收到基阵的定位脉冲信号时, 触发单片机中断,进入中断服务程序进行处理 ( 图4) 。系统进入中断服务程序以后,通过A/D转换,判断并启动信标m序列发生器生成m序列,发送回基阵。信标采用外部供电,通过外接防水电缆由网箱监控主平台供电。

3试验与仿真

在一静止湖中对设计的网衣监测系统进行了初步测试,由于测试环境水流速度绝对静止,信标固定于网衣上,故其真实空间相对位置可以事先预知。采用3个B&K公司的8105水听器组成定位阵列,测量放大器采用Nexus-2691A,信号的发送与接收采用NI 6120数据采集卡控制,基于Lab View编写了数据采集、控制、信号处理及定位计算程序。基于Lab View中的mathscript程序编写m序列,并经脉冲调制以后送到其中一个水听器发送,生成的m序列及调制以后的信号如图5a所示; 定位基阵的3个8105水听器接收来自某个信标的回波( 图5b) ; 对3个通道的阵元接收信号进行匹配滤波处理,根据定位算法计算出信标在空间中的实际位置,并将其以图形方式表示于以基阵构成的直角坐标空间中( 图5c) ,图中共测试了3个不同位置的信标,经与信标实际坐标对比分析,得出误差大约在4% 左右。

4小结

本系统仅做了初步测试,在实际使用中会存在一些误差影响因素,分析如下:

( 1) 鱼群的影响。由于网箱中鱼群对声波信号的散射效应,因此回波是多途的,导致测量结果误差变大,处理方法是从回波信号的时间序列中选取最先到达的回波信号,即为直达信号,鱼群的散射信号由于多途传播距离大于直达信号,因此在时间上会晚于直达信号。

( 2) 海洋中流浪的影响也会增加系统的误差。考虑到水下声传播速度比较快,一次定位收发之间仅为几十毫秒,远小于波浪波动周期,可以忽略波浪造成的定位误差。

深水网箱 篇6

本文在原有深水网箱鱼群状态监测仪[4]的基础上做了改进,减少了系统部件,缩小了仪器体积,降低了成本。仪器采用八波束水声换能器分区扫描网箱,通过GPRS无线透明传输模块(GPRS DTU)将回波信号传给个人计算机(PC),对信号进行处理、判决,有效监测网箱中鱼群活动状态,及时发现异常状况,避免因网衣破损、鱼群逃逸等引起的损失。

1 系统结构

监测仪由岸站PC机的用户监测系统、海上养殖现场的监测样机及GPRS DTU组成(图1)。监测样机完成探测信号的发射、回波信号的放大、滤波、检波及模数转换等工作,GPRS模块传输用户监测系统的操作指令和监测样机采集到的回波信号,用户监测系统发送操作指令并对回波信号进行相关的数字信号处理,提取鱼群和网衣信号,在圆形显示图上实时显示鱼群状态,通过回波积分法估计鱼量大小,异常时报警。

1.1 监测样机

1.1.1 样机结构

监测样机采用24 V电池供电,由岸站用户远程控制,有连续工作、单次扫描2种工作模式。样机以单片机AT89S52为控制核心,根据功能不同,可分为探测信号发射模块、回波信号预处理模块、信号采集模块(图2)。

探测信号发射模块由信号发生电路、功率放大及匹配网络、P1口控制的八路循环选通电路、环形八波束换能器等构成。单片机接收到启动指令后,产生探测脉冲,经功率放大、匹配后,依次循环选通八路环形多波束换能器发送,直至该次网箱扫描结束,停止工作。综合考虑海洋环境噪声、鱼体尺寸、系统处理速度等因素影响[14],采用频率200 kHz、脉宽100 μs、重复周期20 ms的探测信号。

回波信号预处理模块完成回波信号的调理,为下一步采样做准备,包含限幅、八通道电子选通开关、前置放大、带通滤波和检波电路。带通滤波采用Maxim公司的MAX275单片集成有源滤波芯片。它具有2个二阶可变滤波器单元,不需要外接电容,只需外接电阻就可以实现中心频率最高达300 kHz的四阶带通滤波。

信号采集传输模块由单片机发射采样脉冲,控制模数转换芯片ADC0820BCN进行数据采集,ADC0820BCN完成采样后,结束标志位变为低电平,触发单片机进入外部中断,读取采样数据并通过串口写入GPRS DTU,发送给岸站用户监测系统,实现了数据的即采即发功能。监测仪完成1次网箱探测,用户监测界面就能立刻显示扫描结果,大大缩短了网箱扫描成像时间,提高了系统的实时性。

原系统采用八路信号并行发射接收的方法,具有8个信号发射接收回路,但在每个探测周期内,仅有1个通道工作。本系统采用单路信号发射和回波接收电路,依照信号发射周期的时序依次切换电子开关,实现8路大功率信号发射和微弱回波信号接收。同时,因为实现了监测数据的即采即发,省略了原系统的数据存储过程,电路结构进一步简化,降低了系统复杂度,减小了系统体积,降低了成本。

1.1.2 样机工作流程

对养殖网箱内鱼群活动情况的连续观测发现,鱼群大部分情况下是环绕网衣壁游动的,鱼群游速是鱼体长度的0.5～6.0倍[3]。假定鱼群的平均鱼体长度为30 cm,则鱼群游速在0.15 ～1.80 m/s。若鱼群以1 m/s在直径12 m的圆柱形高密度聚乙烯(HDPE)深水网箱内环绕网衣壁1周,所需时间大约是40 s。采用8波束分区扫描方式,每个阵元只需要探测1/8的网箱空间,持续工作5 s,监测仪恰好能完成1次网箱1周全扫描,且不会对鱼群重复探测。8波束换能器循环扫描1周耗时160 ms,扫描31周后完成了整个网箱的1次监测。

通过以上分析,设计单片机工作流程如下:单片机接收到启动指令时,P1.0输出高电平,选通1路继电器,继电器稳定工作后,发射脉冲信号。此后,单片机控制ADC0820BCN进行回波信号采样并通过GPRS模块将数据传输到岸站。采样14 ms后,依次循环选通八路换能器,重复上述过程。这样,换能器循环扫描1周耗时160 ms,扫描31周后完成了整个网箱的1次监测。

1.2 GPRS无线透明传输模块

通用分组无线业务(GPRS)是在GSM基础上发展的一种数据通信业务。在GPRS信号强度稳定的近海,都可以采用这种传输方式。本文采用CM3150EP GPRS DTU具有电话激活、短信激活、数据激活等多种激活方式。只要预先运行用户监测系统,用户可以随时随地电话激活DTU,监测系统检测到DTU上线后会自动发出扫描指令,完成网箱的单次监测。

1.3 用户监测系统

基于LabVIEW的用户监测系统提供了友好的人机界面,操作简单,主要完成探测数据的接收、存储,以及相关的数字信号处理、图像处理等工作,实时显示鱼群和网衣状态,实现鱼群量估计、异常情况报警功能。用户监测系统监测软件的人机操作界面(图3)下方为回波数据保存、回显路径选择设置页,中间是采样波形图,用户可以选择观测任意通道的信号采集波形并设置噪声门限。左上方为圆形显示图,反映监测仪对网箱实施1次探测时网衣及鱼群回波状况;右上方是控制参数页,用户可以选择工作模式及探测相关参数。此外,本页还能实时显示接收GPRS传输的数据个数,以便判断本次扫描是否有效,有效降低虚警概率。当探测到回波能量积分值与设定的标准值差异较大时,系统会发出警报,直至人为关闭。

2 试验结果与分析

为了验证监测仪的可靠性,项目组于2011年7月在福建省连江海域的深水网箱养殖场进行了水下试验。现场为HDPE圆柱形浮式深水网箱,周长40 m,高8 m,布设在港湾外侧,离岸约1 km,水深20 m左右。应用监测仪样机分别对养殖现场3口实际生产网箱进行了试验,网箱Ⅰ、网箱Ⅱ内养殖鱼为平均体质量1 000 g、体长25 cm的真鲷,数量分别为12 000、14 000尾,网箱Ⅲ内养殖鱼为平均体质量250 g、体长12 cm的真鲷20 000余尾。图6(a)为网箱Ⅰ在午后的探测结果,阳光暴晒下,鱼群大部分在深水区活动,因此换能器放置在水深3.5 m处;(b)、(c)、(d)分别是清晨6:00左右对网箱Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的探测结果,此时养殖人员正在喂食,鱼群大部分在水层表面活动,换能器置于水深1.5 m处。

受试验条件限制,试验组无法取得空网箱的探测数据。然而,由于网箱内鱼群数量大,可视为鱼群散射强度远大于网衣回波强度,因此讨论中忽略网衣回波影响。结果如表1所示。Em、En分别表示清晨、午后对网箱探测20次的回波能量积分统计平均值,R’为清晨网箱Ⅱ和网箱Ⅰ回波能量均值的比值,R为网箱Ⅱ和网箱Ⅰ中实际鱼量(忽略鱼体大小差异)的比值。比较R’和R:R’= Em2(网箱Ⅱ)/Em1(网箱Ⅰ)=26 248.6/22 163.6=1.18;R=N2(网箱Ⅱ)/N1(网箱Ⅰ)=14 000/12 000=1.17。两者结果几乎相同,表明回波积分的统计平均值能良好地反映网箱鱼群量大小。网箱Ⅲ与网箱Ⅱ中的结果对比表明,鱼体尺寸越大,鱼鳔越大,鱼类声学反向散射强度越强,其线性关系与张小康[13]的研究结果近似。此外,由于食物及鱼群活动深度变浅,鱼鳔散射表面积增大,表现为清晨测得的回波强度大于午后。清晨对网箱Ⅰ探测时,工作人员未将悬挂换能器的浮标固定在网箱中央以及海流的影响导致回波呈不规则形状。

注:Em、En分别表示清晨、午后对网箱探测20次的回波能量积分统计平均值。

通过查看鱼量变化可以判定网箱内鱼群安全状况。课题组通过大量试验表明,采用回波能量积分法估计鱼量的均方根偏差为11.5%。考虑到监测时间、喂食状况等因素影响,为降低虚警,将多次扫描的统计平均值设为参考值,若单次估计的鱼量值与参考值相比偏差大于25%,可视为鱼群逃逸,监测仪通过用户界面或短信形式向用户报警。

3 讨论

监测仪功率的选择极为重要。发射功率过小,大部分回波信号淹没在背景噪声中,无法正确统计回波能量,导致鱼群量估计大幅偏差,增大虚警概率;但发射功率过大又会造成不必要的能量损耗,减少电池使用时限,甚至可能危及养殖鱼类的内脏,影响繁殖。因此,应在保证信号检测所需信噪比的情况下,采用尽可能小的功率探测鱼群。该监测仪功放为0～150 W可调,本次试验中,换能器发射功率为25 W。

本系统主要针对福建沿海养殖的真鲷、美国红鱼等绕网衣四周游动的鱼类。对于在网底游动的鲆鲽鱼类,只要在悬挂换能器的浮标处添加一些固定组件,理论上也能完成对目标的监测。课题组正在探究采用球形多波束换能器,实现网箱全空间扫描。

相较于原系统[4],深水网箱中鱼群探测结果(图4)并不能明显反映网衣形状及状态,主要有两方面原因。首先,网箱内鱼群极为密集,遮挡了网衣回波。其次,原系统采用8路信号并行发射的方法,每个换能器对应1个功放,发射信号匹配良好,利于检测;本系统中1个功放对应8个换能器,受制作工艺的限制,匹配程度不佳,为后期网衣信号的提取增加了难度。尽管如此,用户可以通过鱼量是否大量减少来判定网衣是否破损。牺牲了直观观察网衣状况的功能,换取电路结构改进,系统成本大幅降低,笔者认为是值得的。

该监测仪还存在性能单一的不足。如何加强网箱内鱼饵、鱼群声学散射特性的研究,为自动投饵提供依据;开展基于条件反射的鱼类声学驯化,利用声学手段召回逃跑鱼群的研究[15];扩展监测仪功能,同时与网箱内温度、盐度等水质监测设施相结合是课题组下一期的主要工作目标。

4 结论

深水网箱 篇7

关键词：军曹鱼,网箱养殖,软颗粒饲料,冰鲜鱼

军曹鱼 (Rachycentron canadum) , 俗称海鲡、海龙等, 在我国主要分布在南海、东海、黄渤海等水域, 为肉食性鱼类, 具有个体大、生长速度快、抗病力强、易驯化等特点, 营养价值较高, 是制作生鱼片的上好材料[1,2,3,4]。深水网箱养殖的军曹鱼具有活力好、食欲强、生长速度快且饵料系数低等特点, 鱼体色泽鲜艳, 条纹清晰, 鱼肉品质与野生鱼接近, 更具市场竞争力。采用深水网箱养殖军曹鱼还有放养密度大、单产量高、经济效益好等优势[5]。当前深水网箱养殖军曹鱼的饵料主要是冰鲜鱼, 容易产生养殖污染和病害, 同时我国周边海域渔业资源日渐枯竭导致冰鲜鱼的来源锐减, 价格不断上涨, 直接影响着军曹鱼养殖效益的提高和规模的扩大。因此, 加强军曹鱼营养生理及需求的研究, 加快研发优质高效配合饲料, 减轻对冰鲜鱼的依赖, 对促进军曹鱼养殖业的健康快速发展具有重要意义。

软颗粒饲料采用低温制作工艺, 保留了原料绝大部分的营养成分, 而且质地湿软, 适口性好, 符合军曹鱼的摄食习性, 是替代冰鲜鱼相对理想的饲料。本试验比较了软颗粒饲料和冰鲜鱼饲喂军曹鱼幼鱼在生长和养殖成本方面的效果。

1 材料与方法

1.1 养殖海区及设施

试验地点为湛江市特呈岛深水网箱养殖园区, 该海区水深10~20 m, 泥沙底质, 属于不规则半日混合潮。试验期间, 海水温度25.50~31.50℃;盐度18.43~28.48;p H 7.60~9.00;溶氧5.69~7.42 mg/L, 适宜军曹鱼的生长。养殖设施采用边长5 m、深4.5 m的方形HDPE浮式网箱, 网目大小随试验鱼的生长而调整。

1.2 试验材料

冰鲜鱼购自当地渔船, 主要是青鳞鱼、玉筋鱼和蓝圆鲹等小杂鱼, 冷藏保存, 解冻后投喂。为保证适口性, 用绞肉机将冰鲜鱼切成适当大小进行投喂。

软颗粒饲制作方法:将原料进行超微粉碎, 过80目筛, 加工成粉状配合饲料 (干饲料) ;按粉料干重的30%、10%、6%分别加入淡水、新鲜鱼糜和优质鱼油, 均匀搅拌后, 用制粒机制粒, 粒径分别为4, 6和8 mm, 制粒后的饲料尽快在阴凉处铺开散热, 降到室温后包装保存于4℃冰柜中, 并于3 d内投喂完。

试验粉料配方:进口红鱼粉42%, 膨化大豆粉9.5%, 发酵豆粕15%, 啤酒酵母4.5%, 磷酸二氢钙1.5%, 鱼多维矿物质预混料 (自配) 3%, 大豆卵磷脂1.8%, 氯化胆碱0.2%, α-淀粉11%, 面粉11.5%。

试验所用的粉状配合饲料 (干粉料) 、冰鲜鱼和软颗粒饲料营养成分见表1。

%

1.3 饲养管理

养殖试验从2011年7月2日至2011年9月16日, 共10周。饲养试验设置对照组 (冰鲜鱼) 与试验组 (软颗粒饲料) , 每组设3个平行, 共6个网箱, 每网箱中放养250条鱼苗, 分别用冰鲜鱼和软颗粒饲料驯化一周。试验开始前测量体重和体长。投喂饲料时, 按照“慢、快、慢”的投喂方法, 每天在8:00和17:00分别投喂1次;冰鲜鱼的投喂量为鱼体重的15%~20%, 软颗粒饲料投喂量为鱼体重的8%~10%, 并根据天气、潮流、摄食情况等因素作灵活调整。

1.4 评价指标与数据处理

试验期间, 每天记录摄食、死亡、水质状况 (水温、DO、p H等) , 定期测定氨氮, 及时清理死鱼;每隔2周对网箱中鱼的体重和体长测定1次;从各网箱中随机抽取30~50尾测量体重, 再从中随机选取10尾测量体长;试验结束时, 对每个网箱的鱼进行清点和全部称重, 以计算军曹鱼的存活率、增重率、饲料系数等指标。

水分测定采用105℃恒温烘箱干燥法;粗蛋白测定采用凯氏定氮法;粗脂肪测定采用索氏抽提法;灰分测定采用550℃高温灼烧法[4]。

相关指标计算公式:

增重率 (WGR, %) =100× (Wt-W0) /W0;

式中:Wt—试验末鱼体均重, g;W0—试验初鱼体均重, g;t—试验天数, d;W△—鱼体总增重, kg;Wt△—试验末鱼体总重, kg;W0△—试验初鱼体总重, kg;Wd—试验期间死鱼总重, kg;F—饲料消耗量, kg;P—饲料的蛋白含量, %;Nt—试验末存活鱼数量, 尾;N0—试验初鱼苗数量, 尾。

试验结果均用平均数±标准差 (x珋±s) 表示, 经单因子方差分析 (ANOVA) , 检验均值的差异显著性, 显著性水平为P<0.05, 极显著水平为P<0.01。统计分析和作图采用SPSS 13.0和Excel软件进行。

2 试验结果

2.1 生长指标

在整个试验期间, 饲喂软颗粒饲料和冰鲜鱼对军曹鱼的体长增长差异不显著 (P>0.05) (表2) 。饲养4周后, 对照组的体重增长显著快于试验组 (P<0.05) ;饲养6周后, 对照组的体重增长极显著快于试验组 (P<0.01) 。自第7周起, 试验组的投喂量由鱼体重的8%提高到10%, 军曹鱼体重增长有所加快, 在饲养试验结束时, 对照组的军曹鱼体重增长显著快于试验组 (P<0.05) , 但差距有所缩小 (表3) 。

注:*表示差异显著 (P<0.05) ;**表示差异极显著 (P<0.01) , 下同。

2.2 养殖效果对比

表4所示, 对照组的增重率和特定生长率大于试验组, 但差异不显著 (P>0.05) 。对照组鱼末重显著大于试验组 (P<0.05) , 说明饲喂冰鲜鱼的军曹鱼生长较快;而试验组在存活率、饲料系数 (软颗粒饲料以湿重计) 和蛋白质效率等指标上极显著优于对照组 (P<0.01) , 显示该软颗粒饲料具有较好的养殖效果。

表5所示, 两个试验组的军曹鱼死亡率相近, 但对照组的鱼失踪率极显著高于试验组 (P<0.01) , 导致对照组在鱼总增重量上略低于试验组。

2.3 养殖成本

表6通过比较增重1 kg所需的饲料成本, 以反映两种饲料养殖军曹鱼的成本差异。其中饲料平均价是试验期间两种饲料的平均价格, 运输加工费指两种饲料在运输、贮存和加工制作过程中产生的费用, 通过比较得出, 软颗粒饲料喂养成本比冰鲜鱼喂养成本高3.85%。

注:饲料成本= (饲料价格+运输加工费) ×饲料系数

3 讨论

3.1 养殖效果评价

本试验中, 软颗粒饲料 (以干物质计) 的粗蛋白含量46.3%, 脂肪含量7.6%, 理论上能满足军曹鱼的营养需求[6,7]。制成的软颗粒饲料含水量高 (29%) , 质地湿软, 比较符合肉食性鱼类的摄食习性[8]。试验过程中, 军曹鱼对软颗粒饲料摄食较积极, 而且饲料颗粒较易散开, 弱鱼也能充分摄食, 因此, 鱼群的体型差异较小, 均匀性较好。与对照组相比, 试验组的增重率、特定生长率略低, 但存活率高9.0%, 饲料系数低61.2%, 鱼的总增重略大于对照组, 养殖饲料成本高3.85%, 总体养殖效果良好, 环保效果明显;与台湾产的配合饲料比较, 饲料系数相近[9], 养殖成本低[10]。

在投饵不足或体型差异较大时, 军曹鱼会出现相互残食的现象[11]。本次试验中, 对照组的鱼群体型差异较大, 而试验组的体型差异较小, 因此在养殖过程中 (尤其是投喂冰鲜鱼时) , 为保证军曹鱼的均匀生长, 须按照鱼群的生长情况及时筛选分箱, 幼鱼期每15 d左右分筛1次, 鱼重200 g左右时, 可减少至每月分筛1次。

3.2 军曹鱼营养需求

军曹鱼的营养需求一直是海水鱼养殖业研究的热点, 也是研发高效配合饲料的基础。Chou等[12]发现维持军曹鱼最大生长速度的饲料蛋白含量为44.5%, 脂肪含量为5.76%。谭北平等[13]研究发现饲料中的最适蛋白质含量、脂肪含量和蛋白质能量比分别为44%、12%和28.2%。在实际生产中, 军曹鱼商品饲料中脂肪含量为15%左右[14], 原因在于海水养殖中军曹鱼的能量消耗很大, 另一方面提高饲料脂肪含量, 可以增加鱼肉的脂肪含量, 使其肉质细腻、爽嫩[15]。