综述：深海水产养殖网箱净污设备的关键技术：综述

《Aquacultural Engineering》：Key Technologies of Net-Cleaning Equipment for Deep-sea Aquaculture Cage： A Comprehensive Review

　　

元太平|贾福新|黄晓华|李根|张铁东|徐跃旺|苟丽军

中山大学海洋工程与技术学院，中国珠海519082

摘要

基于水下清网设备（NCE）的自动化清网方法有效缓解了传统人工清网方式所面临的高劳动强度和低清净效率问题，因此在水产养殖行业中受到了广泛关注。本文系统地回顾和分析了NCE的结构设计和功能特性。首先，总结了海洋生物污损生物对深海养殖网箱系统和水产养殖环境的负面影响。随后，整理了现有NCE的性能指标，概述了两种典型NCE的设计特点，并对每种类型进行了进一步分析。考虑到深海养殖网清网的作业特点，本文还探讨了应对关键挑战的核心技术，包括清网效率不足、对柔性网面的附着能力差以及清净覆盖范围不全面等问题。涉及的技术包括高效清净策略、网面附着驱动机制、定位与导航系统以及运动控制算法。此外，还对NCE的未来发展趋势进行了展望。本综述为NCE在深海养殖中的应用研究、开发及产业推广提供了理论基础和实用工程指导。

引言

2022年，全球水生动物养殖产量达到9440万吨，历史上首次超过捕捞渔业产量，其中海洋和沿海养殖贡献了3534万吨（FAO，2024年）。海洋养殖已成为全球水产养殖业的重要组成部分。深海养殖因其不占用陆地空间、可实现大规模生产、提供高质量海产品以及环保等优点，成为未来海洋渔业发展的重要方向（张等人，2024a，2024b，2024c）。养殖网箱是深海养殖的主要基础设施，其结构主要包括框架、系泊系统和网具系统。网具系统用于围住一定体积的水域，为养殖水生生物提供安全的生长环境（Gharechae和Ketabdari，2020；Liao等人，2022）。然而，当网具长时间浸入海水中时，容易受到严重生物污损。Ashraf等人（Ashraf等人，2020；Kim等人，2024）和Jana等人（Bannister等人，2019）的研究表明，严重的生物污损会显著降低网箱的换水率，增加网箱框架和网具的负荷，从而在长期复杂海况下增加网箱结构失效、网具疲劳损坏和鱼类疾病爆发的风险，如图1和图2所示。因此，清除生物污损是网箱管理的关键环节。

当养殖网具长时间浸泡在海洋环境中时，网面会迅速被有机大分子（如蛋白质、多糖、脂质）覆盖。这种表面化学变化最初促进了细菌和硅藻等微生物的附着，形成了生物膜。这种生物膜为大型污损生物（如藤壶、贻贝、管虫、海鞘、苔藓虫和藻类）的孢子、幼体和成体提供了适宜的生存条件（Ali等人，2024）。Bakran-Petricioli等人（Bakran-Petricioli等人，2023）研究了北亚得里亚海Brijuni国家公园两个地点的污损生物群落，发现其中双壳类生物在数量和丰度上占主导地位。Vinagre等人（Vinagre等人，2020）指出，海洋生物污损会增加海洋可再生能源设施的重量、厚度和表面粗糙度，显著增加结构损坏和性能故障的风险，主要原因是藤壶、贻贝、钙质管虫、苔藓虫和海带等生物的附着。相关研究表明，水产养殖中生物污损控制的直接经济成本占总生产成本的5%–10%（Adams等人，2011；Bloecher和Floerl，2021；Hopkins等人，2021）。在中国，目前主要的清网方法是在网具回收后进行人工清净。操作人员借助养殖服务船将使用过的网具运回岸上或平台，通过高压水射流清洗去除大部分污损生物，剩余顽固的污损则通过阳光曝晒、手动敲打和刮除等方式清除。这种方法耗时较长、劳动强度高且效率低下；此外，清理后留在岸上的污损残余物可能造成环境污染（Song等人，2021）。另一种非回收式人工清净方法是潜水员或操作人员站在网箱框架上，使用机械刷或高压水枪进行清净，这种方法同样劳动强度高且效率低。特别是对于大规模养殖网箱的底部清净，难度极大（Jin等人，2024）。随着深海养殖向大规模化和产业化发展，水下清网效率低下已成为制约其健康可持续发展的瓶颈。

本文回顾了深海养殖中水下NCE的当前研究现状，并对比分析了实现高效清网所需的关键技术，同时克服了柔性网具和复杂水下环境带来的挑战。文章结构如下：首先详细阐述了严重生物污损对深海养殖网箱的负面影响及其具体机制；接着回顾了NCE的当前发展与应用情况，并指出了实现高效水下清网的四个关键挑战；然后针对这些挑战，对比分析了NCE中应用的关键技术的研究进展，包括水射流清洗机制、基于网面附着的驱动方法、水下定位与导航以及精确运动控制。最后详细讨论了每种关键技术的优势、局限性及优先研究方向，并提出了NCE的未来发展趋势。

章节摘录

生物污损对网箱结构的影响

由于长期浸泡在海水中，网具上会附着大量生物污损，从而影响网箱系统的结构稳定性（Swift等人，2006；Liu等人，2024；Liu等人，2024a；Liu等人，2024b；Liu等人，2024）。Bi等人（Bi等人，2018b；Bi等人，2020）采用Realizable k–ε湍流模型和简化的多孔介质模型对附着生物污损的网具周围流场进行了数值模拟。

NCE的应用现状

根据NCE在网面上的运动方式和系统结构特点，可分为机械型和自动化型两种（见表1）。机械型NCE主要由清净单元和动力系统组成，在深海养殖作业中，这些设备的提升和在网面上的移动通常依靠人工或起重机辅助完成。其特点是整体结构简单、重量轻

水下清网方法

终端清净机是清净设备的核心部件，其清净效率决定了NCE的整体作业效率。目前，NCE的清净方法主要分为三种类型：水射流清净、电动刷清净和螺旋桨驱动清净。

基于附着的驱动方法

水下NCE在网面上的附着驱动受多种因素影响，包括海流、柔性网具结构和高压软管等。目前关于NCE稳定附着驱动方法的研究主要集中在两个方面：表面附着驱动方式和姿态控制算法。基于网面附着的驱动方法包括跟踪式、轮式和多自由度控制系统，而姿态控制

水下定位与导航技术

在高精度水下定位与导航技术在水下NCE的发展中的应用相对有限。由于水下环境复杂多变且电磁波衰减严重，传统的全球导航卫星系统（GNSS）无法直接使用，这对水下车辆的精确导航带来了挑战。集成导航与同时定位与地图构建（SLAM）技术成为两种主要解决方案

精确运动控制技术

NCE的姿态和运动控制属于任务型ROV的运动控制范畴，涉及在考虑外部环境干扰的情况下分配推力和旋转速度。核心挑战在于处理来自海浪、水流和柔性网具的外部干扰，以及设备内部参数变化引起的内部干扰，以构建准确的动态模型并开发控制算法

讨论

空化射流被认为是低功耗、高效的水下养殖网清净方法（Soyama，2020）。Ji等人（Ji等人，2024a；Ji等人，2024b；Ji等人，2024c）进行的海洋生物污损清除实验表明，当侵蚀压力保持在16 MPa时，可以同时实现最小的表面损伤和满意的清净效果。

结论

在深海养殖领域，水下清网技术已从人工操作发展为机械化和智能化清净方式。本文从设备结构的角度全面回顾了当前水下NCE的研究现状，重点探讨了水下清净技术、基于网面附着的驱动方法以及水下定位与导航技术的研究进展

作者贡献声明

黄晓华：撰写与编辑。李根：调查与数据整理。元太平：初稿撰写、调查与资金申请、数据整理。贾福新：验证与正式分析。苟丽军：方法论研究。张铁东：撰写与编辑、资金申请。徐跃旺：正式分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究部分得到了中国自然科学基金（项目编号32503257和32503259）、中央公益性科学机构基础研究基金（CAFSS，项目编号2023TD97）以及广东省乡村振兴战略科技驱动农业发展专项基金（广东省财政厅[2023]项目编号227）的支持。