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海水网箱系统设计的形状、规格与材料

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1.网箱的形状

目前世界上海水养殖网箱的种类和结构型式多种多样。从网箱的形状上看,常见的网箱有正方形、长方形、多边形、船形、碟形、圆形和球形等。无论是正方形、长方形、多边形,还是船形结构,都是由直边与直边呈一定角度构成,可通称为角形网箱;而圆形或球形网箱,是由构造均一的圆或球面组成,可通称为圆形网箱;碟形网箱和Farmocean网箱,虽然主体框架是由钢结构多边形组成,但其依靠高强度材料拉紧而成的特殊结构和形状,整体看上去分别呈双锥碟形和坛子形状,与角形和圆形网箱不同,属特殊形状网箱。上述各种形状的网箱各有利弊,因此,在进行网箱设计时,应从网箱制作、受力状态、网箱敷设、养殖对象要求和网箱材料等多方面综合考虑,确定网箱的形状。

从网箱制作与海上排列看,角形网箱尤其是正方形或长方形网箱,具有制作和组装方便、海上排列紧凑、网箱材料选择范围较广等特点。此外,相比于圆形或球形网箱,在海上整组排列时占用的海区面积也相对较小。

从受力分析角度看,角形网箱的拐角处存在应力集中和剪切破坏点,多数网箱框架的破损均出现在拐角处。由于圆形网箱构造上具有均一性,无明显的拐角和剪切点,外力容易分散,因此,使用同样材料的情况下,圆形网箱比角形网箱可承受更大的水流和风浪等恶劣环境。

从水体交换和鱼类行为分析,圆形网箱适合大多数鱼类的游动。鱼类的圆周性游动,使网箱内产生逆向涡流,水面中央部分降低,边缘部分升高,形成次生流,有利于网箱内水体的交换(下图)。

由涡流产生的次生流
由涡流产生的次生流












从有效养殖水体和材料用量看,面积和网高相同的网箱,有效养殖水体相同,但网箱的周长和材料用量则不同。面积相同的方形、长方形、八边形和圆形结构,以圆形网箱的周长最小。面积为200m2的4种形状网箱周长比较如图45所示。因此,在有效养殖水体和材料相同的情况下,以圆形网箱的材料用量为最少。

2.网箱规格

网箱的规格决定网箱容积,即单个网箱养殖水体的大小。目前世界各国采用的网箱规格相差较大,从小型网箱的几立方米到大型网箱的5万多米3。

(1)普通网箱:海水网箱发展初期,网箱框架通常采用竹竿、木杆(板)或钢管等材料建造,网箱的规格也较小,一般规格为2m×2m×2m,3m×3m×3m。随着实践经验增多,逐渐发展为4m×4m×4m,5m×5m×4m,6m×6m×4m,7m×7m×5m,12m×12m×5m,3m×9m×4m等多种规格。日、韩等国采用10m×10m,12m×12m,14m×14m的网箱,以及5m×5m用于培育鱼种的小网箱。网箱规格的增大有利于鱼类活动,而且网衣隔层减少、水流通畅、疾病减少,网箱建造成本也随之降低,但须以保障强度为前提。

面积相同条件下不同形状网箱周长对比
面积相同条件下不同形状网箱周长对比













(2)HDPE圆形深水网箱:HDPE圆形网箱的规格通常是以网箱周长来定的,目前国内主要有周长40m和50m两种规格,周长30m和周长大于50m的网箱应用数量较少。若从网箱养殖容量与网箱造价的关系看,网箱周长和网衣深度愈大,其容量愈大,单位水体的造价也越低,反之亦然。若仅从网箱制作角度,制作周长60m,甚至80m的网箱,从技术上也不存在问题。但这会给网箱的海上安装、敷设及换网操作带来困难。为便于用户选择,将周长30~50m的圆形网箱在不同网衣高度下的养殖容量及可养鱼数量列入表6。

(3)浮绳式网箱:浮绳式网箱目前采用的规格有6m×6m×6m,8m×8m×6m,10m×10m×6m,13m×13m×8m等。网箱的组合有每组10个网箱和每组5个网箱两种,单行排列,网箱间距3~4m,可根据海区的海况、养殖技术、管理水平、产量要求、劳力资源、饲料及资金等情况决定。

HDPE圆形网箱规格与养殖容量

网箱规格面积
(m2)
网高
(m)
养殖水体
(m3)
放养鱼苗
(万尾)
养成产量
(t)
周长50 m
(直径15.92 m)
19912
10
8
6
2 388
1 990
1 592
1 194
3.6~5.5
3.0~5.0
2.4~4.0
1.8~3.0
18~27.5
15~25
12~20
9~15
周长40 m
(直径12.73 m)
127  
10
8
6
1 270
1 016
762
1.9~3.1
1.5~2.5
1.1~1.9
9.5~15.5
7.5~12.5
5.5~9.5
周长30 m
(直径9.55 m)
71
8
6
568
426
0.8~1.4
0.6~1.0
4.0~7.0
3.0~5.0

3.网箱材料

(1)网箱框架材料:网箱框架常年漂浮在海上,时刻承受着风浪流外力的冲击、海水腐蚀和阳光暴晒等恶劣工况条件,因此,除对材料强度有较高的要求外,还需要考虑材料的柔韧性、耐腐蚀性和耐候性等。在网箱发展初始阶段,网箱养殖主要是在湖泊、水库或者浅海内湾避风水域,对网箱框架的抗风浪性能要求不高,多采用毛竹、木材等廉价材料,网箱制作成本较低。随着海水网箱养殖业的不断发展和近海养殖环境的不断恶化,网箱养殖逐渐向深水、开阔海区推进,因此,对网箱的抗风浪性能提出了新的要求。强度较高、柔韧性较好的材料,如钢材、各种合金、柔性绳索、橡胶、玻璃钢和塑料等被相继应用到网箱工程技术中。

钢管的抗拉强度是PVC管的6倍,是HDPE管的15倍,是木材的30倍。PE管的伸长率为钢管的21.6倍,是PVC管的6.5倍,即PE管强度虽低,而断裂伸长率却非常高,延伸性很强。这就意味着当大风大浪时,特别是波高较大的情况下,PE管能够做跟踪性挠性变形,克服了钢结构框架存在的抵抗变形能力差,容易产生不可恢复的弯折和突然断裂等缺陷。从“以柔克刚”的理论分析,PE管优于钢管,也优于有明显脆性的PVC管。这也是自20世纪70年代开始使用PE管制作网箱框架以来,PE网箱成为海水网箱,尤其是大型深水网箱养殖主导产品的原因所在。

(2)网衣材料:网衣箱体是圈养鱼类,提供鱼类活动空间并使水体交换的核心部分。早期的传统网箱,采用毛竹或木料条制作成竹笼和木笼型式,形状有船型和箱形等,优点是造价低、取材方便、不易变形,缺点是使用寿命短、滤水性能较差。后来出现的棉麻纤维制成的网衣,滤水性能大大改善,但浸在水中容易腐烂寿命仍然较短。合成纤维的出现,从根本上解决了网箱箱体使用寿命短、滤水性能差的问题。采用合成纤维编织的网衣分为有结网衣和无结节网衣,尤其是无结节网衣不仅受力性和滤水性较好,且具有节省材料和附着生物不易附着等优点。常用的合成纤维材料有聚乙烯、锦纶、维尼纶,以及近年来出现的丹尼麻等。此外,日本等国还比较多地采用金属材料制作网衣,常用的是钢丝编结或薄钢板扎制成矩形、菱形网目的网状箱体,然后采用镀锌或涂防锈漆处理。近年来,也有采用不锈钢、合金铜和钛丝网等材料制作网衣,优点是强度高、不易破损,耐流性和滤水性好,不易滋生附着生物,能防止敌害攻击,尤其适于养殖唇齿坚硬,具有啃咬习性的凶猛鱼类,使用寿命较长;其缺点是网衣整体重量较大,安装操作不如合成纤维材料的网衣方便。

(3)锚泊系统材料:网箱的锚泊系统是将网箱以一定的敷设方式固定到海上的“根基”部分,是网箱系统设计中非常重要的问题。网箱固定不当,轻者造成网箱位移,连接绳索松动或磨损,网衣箱体变形等,严重的将发生走锚或锚桩拔出,使网箱整体失去平衡,相互碰撞,导致网箱破损逃鱼。目前网箱的固定方式主要有下锚、打桩或采用锚碇块的方式。采用哪一种固定方式,主要取决于海区的水深和底质条件。水深不大的泥底或轻度的泥沙底可采用打桩的方式,沙底则不适于打桩,坚硬的岩石底质则要考虑锚碇块的方式。对于一般的泥沙底质,建议采用锚桩结合的固定方式。锚泊系统涉及的材料有铁锚、锚链、木桩、水泥块、石块、锚泊绳索、浮体、钢质或绳索制的分力盘等。

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