软生物污损对网箱水动力特性影响的实验研究

《Biosystems Engineering》：An experimental study on the effects of soft biofouling on the hydrodynamic characteristics of the net cage

　　## 摘要作为水产养殖设施的重要组成部分，网衣在长期运行过程中容易发生生物污损，导致水动力学特性改变和结构安全性降低。为了更真实地了解软生物污损对网箱水动力学特性的影响，本研究基于水螅群落特征对软生物污损进行了量化，并使用人工材料进行模拟。随后，通过改变污损长度、丰度和均匀性，设计了八种污损网箱。水槽中的物理模型试验表明，在流场条件下，生物污损使网箱阻力增加了 18% 至 270%，其中增幅最大的是具有 50 毫米水螅的高丰度网箱。网箱体积收缩也由污损长度和丰度决定，相对于清洁网箱的最大增幅达到 28%。与均匀污损网箱相比，非均匀污损产生的体积收缩较小，但其对阻力的影响较小。在规则波条件下，污损长度和丰度均增加了系泊绳张力的幅值。上部重度污损案例（B5-3-1）的张力幅值最大（15.5 牛顿），增幅为 56%。生物污损也显著改变了网箱的运动，尽管浮圈、网衣和底环的响应有所不同。总的来说，较重的污损增强了纵荡但抑制了垂荡，而纵摇则取决于污损丰度和结构部件。这些结果表明，污损网箱的水动力学响应不仅取决于污损量，还取决于污损长度和垂直分布，为重力式网箱的结构优化和安全养殖网箱提供了依据。## 引言近年来，随着海洋经济的扩张和海洋养殖网箱的持续增长（Dong et al., 2023），由养殖网箱生物污损引起的安全问题日益突出。网衣是养殖网箱的关键组成部分，在维持养殖安全方面发挥着至关重要的作用（Amara et al., 2018）。网衣上的生物污损改变了其水动力学特性，进而影响网箱的结构安全性和养殖效率（Dempster et al., 2008; Swift et al., 2006）。在复杂的海洋环境中，网箱不仅受到水流力的作用，还受到显著的波浪载荷。作为海洋环境中的主要外力之一，波浪载荷对网箱系统的结构安全性和整体稳定性至关重要（Chen et al., 2020）。网箱的水动力学行为直接决定了养殖活动的安全性和效率。因此，准确评估各种波浪 - 潮流条件下网箱的水动力学特性，对于确保网箱结构的安全设计具有重要意义（Bi et al., 2017）。作为最广泛使用的网箱类型之一，重力式网箱在水流和波浪作用下的水动力学载荷、变形和运动响应方面已得到相对广泛的研究（Cheng et al., 2022; Guo et al., 2020; Kristiansen & Faltinsen, 2015; Mohapatra & Soares, 2024）。在此基础上，人们越来越关注生物污损对养殖网箱水动力学特性的影响。对于污损网衣，Swift 等人（2006）直接测试了在海 offshore 暴露五个月的网板，发现污损网的阻力是清洁网的三倍多。Bi 等人（2018, 2020）测量了水流和波浪条件下水螅污损网板上作用的载荷，发现水螅污损 substantially 增加了网衣上的力。在波浪条件下，响应主要由水平阻力主导。Sun 等人（2025）对在海 offshore 养殖区浸泡两个月的污损网板进行了水动力学实验，发现水螅污损使阻力增加了 6.09 倍，升力增加了 15 倍，这些增加与生物体长度和污损丰度密切相关。对于污损网箱，传统上对生物污损生物分布的模拟通常将其视为简单的障碍物，通过调整这些障碍物的覆盖面积或实度来近似其影响。Moe-F?re 等人（2016）通过修改网线直径研究了不同程度的生物污损网箱，发现生物污损的增加主要影响水动力学载荷。Nobakht-Kolur 等人（2021a, Nobakht-Kolur, Zeinoddini, Aliakbari, & Bahram, 2021, 2021c）利用聚酰胺（PA）模拟网箱上的生物污损，研究了规则波和不规则波条件下污损网箱的波浪载荷和运动响应。他们的结果表明，生物体长度影响波浪力和运动特性。Liu 和 Soares（2022）采用穿孔板模拟网衣上的生物污损，将板附着在浮圈和配重系统上，使其包围网衣，从而研究了生物污损对线性波下网箱运动的影响。他们的研究发现，生物污损增加了短波条件下网箱运动的复杂性，尽管对于长波影响不太明显。然而，传统模拟方法没有完全考虑污损生物的生物特性，如生物体长度和污损均匀性。网箱网衣上的生物污损表现出显著的季节性和空间变异性，其群落组成、生长阶段和垂直分布随时间和深度而变化（Bannister et al., 2019; Fitridge et al., 2012）。先前的研究表明，软污损改变了养殖网箱周围的波浪诱导力和水力环境（Nobakht-Kolur et al., 2021b, Nobakht-Kolur, Zeinoddini, Aliakbari, & Bahram, 2021），而在规则波下，网箱运动和系泊载荷是动态耦合的（Liu et al., 2023）。在此背景下，垂直非均匀生物污损可能会重新分配波浪诱导载荷和运动在浮圈、网衣和底环之间的分布，从而可能损害整个网箱系统的动态稳定性和结构安全性。为解决这一问题，本研究使用来自 offshore 悬挂网实验的水螅生物参数，并使用人工 PA 网线模拟水螅污损。实验设计旨在调查污损长度、丰度和均匀性如何影响网箱在流场和波浪条件下的阻力、变形、体积收缩和系泊绳张力，以及浮圈、网衣和底环的运动响应。研究结果为污损网箱水动力学特性研究以及重力式网箱的安全评估、结构优化、设计、运行和维护提供了理论依据。## 章节片段### 物理模型试验的相似准则物理模型是研究水产养殖结构和渔具水动力学行为的基本工具。在渔网和网箱研究中，通常使用两种相似方法。在基于网的模型实验中，Tauti 定律（Tauti, 1934）最初是为柔性网模型提出的，主要用于在缩放过程中保持网衣的几何和阻力特性。Dickson 准则（Dickson, 1993a, 1993b）是在渔具背景下开发的。### 变形与体积收缩网箱变形随流速升高而增加。具体而言，网箱前部沿水流方向向后凹陷，底环向后向上移动，网箱高度逐渐降低；同时，网箱后部向外突出（图 14）。这一观察结果与先前的实验发现一致（Xu & Qin, 2020）。流速的变化也直接影响了污损生物在网箱表面的部署形态。随着### 结论本研究调查了软污损长度、丰度和均匀性对流场和规则波条件下重力式网箱水动力学特性的影响。还分别分析了浮圈、网衣和底环的运动响应，以识别特定部件的影响。在流场条件下，生物污损增加了网箱总阻力。阻力通常随污损长度和丰度的增加而增加，较长且丰度较高的水螅产生### CRediT 作者贡献声明**Ming-Shan Sun:** 写作 – 初稿，可视化，验证，调查，正式分析，数据整理。 **Chun-Wei Bi:** 写作 – 审阅与编辑，资源，项目管理，资金获取，概念化。 **Yuan-Mao Zhang:** 写作 – 审阅与编辑，监督。 **Rong-Ping Liu:** 方法论，调查。 **Liu-Yi Huang:** 写作 – 审阅与编辑，监督。### 竞争利益声明作者声明，他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。### 致谢这项工作得到了 国家自然科学基金（编号 32473215）、山东省自然科学基金（编号 ZR2025QA23）和 山东省泰山学者计划（编号 tsqn202312091）的资金支持。Ming-Shan Sun|Chun-Wei Bi|Yuan-Mao Zhang|Rong-Ping Liu|Liu-Yi Huang中国海洋大学，教育部海水养殖重点实验室，中国青岛，266003