非传统移动方形圆柱鱼围栏的可变尾端收缩现场评估

《Journal of Marine Science and Engineering》：Field Evaluation of a Non-Conventional Mobile Square Cylinder Fish Enclosure with Variable Aft-End Constriction

　　

本研究呈现了对一种非传统移动方形圆柱鱼围栏（non-conventional mobile square cylinder fish enclosure）的现场测量，该围栏具有渗透性端部，在半开阔海洋测试地点同时在拖曳和系泊条件下进行评估。其创新之处在于围栏设计，通过集成可调节的尾端周边收缩（adjustable aft-end perimeter constriction）来实现移动性和内部流控制，从而通过控制游泳条件支持鱼类福利。测量了三种收缩（0%、40%和60%）下的围栏运动、内部流速度和水动力载荷。主要目标是评估尾端收缩在将内部流调节至适合有鳍鱼类养殖可持续游泳速度水平方面的有效性。在所有船只速度和收缩设置下，围栏在拖曳和系泊场景中均稳定在约9米深度。在拖曳过程中，将收缩增加到40%使时间平均内部流最多降低24%，且未显著增加水动力载荷。60%收缩实现了更大的降低（约51%），但导致载荷大幅增加（相对于0%收缩约90%），表明流控制与拖曳阻力之间存在权衡。在系泊条件下，尾端收缩对内部流和水动力载荷的影响极小。系泊载荷与波高无明确关系，仅与周围海流速度呈弱相关。总体而言，结果表明尾端收缩是拖曳过程中控制内部流的有效机制，但在系泊时影响有限。围栏的稳定性和可控性凸显了其在移动式开放大洋有鳍鱼类养殖应用中相对于传统重力式网箱的潜在优势。

随着全球海水养殖有鳍鱼类产量持续增长（2022年约3530万吨），传统近岸养殖面临空间竞争、环境约束和社会许可压力，亟需向开放大洋拓展。然而，暴露海域的水动力条件对养殖设施提出更高要求：传统重力式网箱在波浪和海流下易变形，导致有效容积减少并威胁鱼类福利；同时，海洋热浪加剧造成养殖死亡率事件频发。移动式围栏（mobile fish enclosure）作为一种新兴方向，可通过拖曳调整位置以追踪冷水、避开极端天气，并在运输过程中调节内部流速以匹配鱼类游泳生理，从而降低应激。前期水槽和计算流体动力学（CFD）研究已量化了非传统柔性方形圆柱的设计权衡，本研究在此基础上开展现场评估。研究人员设计了一种具有可调尾端收缩（variable aft-end constriction）的非传统移动方形圆柱鱼围栏，在拖曳和系泊条件下测试其内部流调控效果，以验证该机制在真实海洋环境中的可行性。研究结果发表在《Journal of Marine Science and Engineering》。

**技术方法**：
研究在新西兰Tasman Bay半开阔海域（距岸约4公里）开展。拖曳试验使用16.5米船只，围栏拖曳于9米深度，设置六种目标船速（0.26-2.06 m/s）和三种尾端收缩（0%、40%、60%），每种条件重复三次。系泊试验持续41天，同位置部署围栏。主要测量设备包括：水平安装的Nortek Aquadopp声学多普勒剖面仪（2 MHz，测量围栏内部流速）、垂直安装的同型号设备（记录船速）、四台RBR TR-1060F duo深度记录仪（监测围栏姿态）、拉力传感器SUBD 2.0（记录载荷）。系泊期间另用底部向上安装的Nortek Signature 1000 ADCP（声学多普勒海流剖面仪）测量波浪和海流。数据经MATLAB R2024a处理：剔除相关性低于70%的声学数据，进行深度平均，并采用滑动窗口（8-12小时）平滑环境参数。

**结果**：
**3.1 拖曳试验**
**3.1.1 不同船速下尾端收缩对围栏深度的影响**：通过深度传感器测量发现，在0%收缩下，船速达1.69 m/s时前底传感器上浮1.8米，表明入流攻角变化；40%收缩下围栏各速度均保持稳定；60%收缩下前底传感器始终比后底深约1米，呈现持续前倾姿态。总体上围栏深度可控，稳定性良好。
**3.1.2 不同船速下尾端收缩对内部流速的影响**：利用Aquadopp测量内部流，结果显示所有收缩下内部流速均低于船速（平均低约60%）。相对于0%收缩，40%收缩使时间平均内部流降低约24%，60%收缩降低约51%。内部流变异性随船速增加，尤其在1.69 m/s时波动达24%。
**3.1.3 不同船速下尾端收缩对载荷的影响**：拉力传感器记录表明拖曳载荷随船速和收缩增加。40%收缩与0%收缩载荷差异<15%（多数速度），而60%收缩使平均载荷增加约90%（相对于0%）。最大载荷在1.69 m/s时约12 kN，各收缩差距缩小。
**3.2 系泊试验**
**3.2.1 场地条件**：ADCP数据显示主要波周期<10秒，波高<2米（占97%），方向西北；海流呈潮汐主导的南北双向，平均速度0.1-0.25 m/s（占85%），9米深度最大流速0.28 m/s。
**3.2.2 波浪和海流剖面载荷的影响**：将均方根（RMS）波高与滑动平均载荷对比，未发现一致关系；RMS海流速度与载荷仅弱相关，表明结构载荷主要受背景海流控制，而非波浪。
**3.2.3 收缩对围栏内部流速的影响**：深度平均最大内部流速始终低于外部环境流速，且将尾端收缩从0%增至60%对内部流几乎无影响（平均环境流速分别为0.28、0.21、0.24 m/s），说明系泊时收缩无效。
**3.2.4 围栏深度与运动**：深度传感器显示围栏在大部分系泊期间保持约9米深度，仅操作检查和收缩调整时略有垂直移动，无系统性载荷-深度关系。

**讨论总结**：
讨论部分指出，拖曳条件下围栏深度稳定，内部流主要由围栏诱导的压力梯度和端部渗透阻力控制，尾端收缩是有效的调控机制；40%收缩在降低内部流（最多24%）的同时不显著增加拖曳载荷，代表操作上有利的配置。系泊条件下，内部流由环境海流方向与围栏对准程度主导，收缩影响极小，表明该机制仅适用于围栏主动运动场景。与前期研究一致，载荷-速度关系符合柔性养殖结构的水动力学规律，但半封闭方形柱几何体通过控制渗透率和纵向压力梯度提供了新的调控能力。设计上，40%收缩可作为拖曳过程中调节内部流速以匹配鱼类可持续游泳速度的简单手段，同时维持可管理拖曳力；高速下载荷收敛和变异性增加提示存在稳定操作包络。结论强调尾端收缩在拖曳时有效、系泊时无效的体制依赖性，围栏的稳定性和可控性支持其开放大洋移动养殖的潜力，未来需改进传感器可靠性并在更强流环境中验证。

**研究结论翻译**：本研究对一种具有可变尾端收缩的非传统移动鱼围栏进行了现场评估，在半开阔海域的拖曳和系泊条件下均完成了测试。创新之处在于围栏设计通过可调收缩实现了移动性和内部流控制，为管理鱼类福利提供了潜在工具。拖曳过程中，围栏在所有船速和收缩水平下保持约9米的稳定深度。将尾端收缩增至40%使时间平均内部流最多降低24%，且未显著增加水动力载荷；相反，60%收缩实现了更大的降低（约51%），但导致载荷大幅增加（相对于0%收缩约90%），凸显了流调节与拖曳阻力之间的明确权衡。在系泊条件下，围栏在波浪和海流作用下也稳定在约9米深度，所有收缩设置下均如此。系泊载荷与波高无明确关系，仅与环境海流弱相关。与拖曳情况不同，尾端收缩对内部流和水动力载荷影响极小。总体而言，结果表明尾端收缩是拖曳过程中调节内部流的有效机制，但在系泊条件下影响有限。围栏在两种模式下均表现出持续稳定的深度和最小垂直运动，支持操作可靠性、结构完整性以及溶解氧交换的稳定条件。未来工作将侧重于改进传感器可靠性、在更强流的更剧烈环境中进行测试，并推进鱼类试验以评估生物学性能。