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2024

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渔 业 现 代 化

YUYE XIANDAIHUA

第 51 卷 第 3 期

2024 年 6 月

中国科技核心期刊

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水产养殖工程

导向式活鱼分级装置设计及试验 ………………………………………………………………………………… 王志勇, 徐志强,邹海生 (1)

Design and testing of a guided live fish grading device ………………………………………… WANG Zhiyong,XU Zhiqiang,ZOU Haisheng (1)

绿光辐照度对红鳍东方鲀视网膜、视蛋白基因及氧化应激的影响

………………………………………………………………………… 张志博,吴燕玲,张怡宁,蔡皓玮,赵欣宇,张小龙,孙研,刘鹰,马贺 (8)

Effects of green light irradiance on retinal,opsins genes and oxidative stress of Takifugu rubripes

……………………… ZHANG Zhibo,WU Yanling,ZHANG Yining,CAI Haowei,ZHAO Xinyu,ZHANG Xiaolong,SUN Yan,LIU Ying,MA He (8)

短波紫外线辐照对近江牡蛎眼点幼虫存活及附着的影响 …………………………………………………… 葛善,黄六一,刘晓,刘啟庆 (17)

Effects of Ultraviolet-C on the larvae survival rate and settlement rate of Crassostrea ariakensis

…………………………………………………………………………………………………… GE Shan,HUANG Liuyi,LIU Xiao,LIU Qiqin (17)

罗非鱼养殖尾水絮凝去除效果研究 ………………………………………… 程果锋,程翔宇,周宏亮,刘兴国,高小婷,刘士坤,宋志奇 (25)

Study on the flocculation removal effect of tilapia farming effluent

……………………………… CHENG Guofeng,CHENG Xiangyu,ZHOU Hongliang,LIU Xingguo,GAO Xiaoting,LIU Shikun,SONG Zhiqi (25)

波浪作用下半潜式网箱浮架结构的参数敏感性分析 ………………………………………………………… 孔令蔚,杨蕖,马超,赵云鹏 (33)

Sensitivity analysis of parameters in semi-submersible cage floating frame structure under wave action

…………………………………………………………………………………………… KONG Lingwei,YANG Qu,MA Chao,ZHAO Yunpeng (33)

基于加速度分量测量的水下网衣破损定位方法 ………………………………………………………………… 孙衍谦,李子介,赵云鹏 (46)

Underwater mesh damage location method based on acceleration measurement SUN Yanqian,LI Zijie

2 ……………………… ,ZHAO Yunpeng (46)

多浮球阻力性能海上实测与数值模拟研究 ……………………………………………………… 岳云鹏,周骏,扈喆,张晓莹,李妍,郭军 (61)

Multi-float hydrodynamic performance measurement and numerical simulation at sea

……………………………………………………………………… YUE Yunpeng,ZHOU Jun,HU Zhe,ZHANG Xiaoying,LI Yan,GUO Jun (61)

渔船与捕捞

金枪鱼延绳钓单丝和绳索的惯性力系数和阻力系数研究 ………………………………… 宋利明,张锦辉,李玉伟,王顺,王文鑫,张波 (70)

Inertia force coefficient and resistance coefficient of monofilament and rope in tuna longline gear

…………………………………………………………… SONG Liming,ZHANG Jinhui,LI Yuwei,WANG Shun,WANG Wenxin,ZHANG Bo (70)

基于流固耦合算法的不同材料网板水动力试验 ………………………………………………… 初文华,武树龙,王一博,曹宇,翟明浩 (79)

Hydrodynamic experiment of different materials otter board based on fluid-structure coupling algorithm

…………………………………………………………………………… CHU Wenhua,WU Shulong,WANG Yibo,CAO Yu,ZHAI Minghao (79)

渔业信息化

基于改进 YOLOv5n 的轻量化海产生物目标检测……………………………………………………………… 张翔,张俊虎,李海涛,李辉 (89)

Lightweight marine organism target detection based on improved YOLOv5n

……………………………………………………………………………………………… ZHANG Xiang,ZHANG Junhu,LI Haitao,LI Hui (89)

水产品加工

淹没水射流式贝肉清洗装置设计与试验 ………………………………………………………… 王杰群,李明智,刘鹰,刘永睿,卢宏博 (98)

Design and experiment research of submerged jet cleaning device for shellfish meat

………………………………………………………………… WANG Jiequn,LI Mingzhi,LIU Ying,LIU Yongrui,LU Hongbo (98)

第 51 卷第 3 期 渔 业 现 代 化 Vol. 51 No. 3

2024 年 6 月 FISHERY MODERNIZATION Jun. 2024

DOI:10. 3969 / j. issn. 1007-9580. 2024. 03. 001 开放科学(资源服务)标识码(OSID):

王志勇, 徐志强,邹海生. 导向式活鱼分级装置设计及试验[J]. 渔业现代化,2024,51(3):1-7.

收稿日期:2024-01-30

基金项目:国家重点研发计划课题“舱养平台智能化养殖装备研制(2022YFD2401104)”

作者简介:王志勇(1979—),男,副研究员,研究方向:现代渔业设施。 E-mail:wzy279@ sina. com

导向式活鱼分级装置设计及试验

王志勇1,2

, 徐志强1

,邹海生1

(1 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,上海 200092;

2 农业农村部远洋渔船与装备重点实验室,上海 200092)

摘要:鱼类养殖过程中的大小分级有利于生长管理和饲料控制,提高养殖效益。 针对目前国内活鱼分级劳动

强度大、效率低等问题,设计了一种导向式活鱼分级装置,介绍了该分级装置的结构组成及工作原理,并对鱼

体输送机构进行力学分析和参数设计。 基于鱼类体质量和体型参数关系,测定了试验鲫鱼形态数据,并运用

幂函数拟合方法得到鲫鱼体厚与体质量关系方程,作为分级通道间距设定依据。 分级时通过调节分级通道

两侧导鱼板之间的间距,设定分级通道适合待分级鱼的规格要求,利用鱼的体厚,通过分级通道实现分级。

开展了活鱼分级性能试验,分级鱼体质量范围为 0. 14 ~ 0. 33 kg,鱼体厚度范围为 30 ~ 39 mm,并对进鱼输送

速度为 0. 15、0. 20、0. 25 m/ s 三种条件下分别进行分级测试和效果分析。 试验结果显示,在正常条件下分级

准确率可以达到 90%以上,合适的输送速度和分级通道间距设定效率更高。 研究表明,该导向式分级装置

能够快速、准确地对活鱼进行分级,提高养殖过程机械化作业效率。

关键词:活鱼分级;导向;鱼类形态;推杆;链条输送

中图分类号:S973. 9;TH122 文献标志码:A 文章编号:1007-9580-(2024)03-0001-007

养殖鱼类在生长阶段,由于摄食水平不同,会

导致鱼体规格差异很大,因此,在养殖过程中需要

根据规格大小对鱼类进行分级,然后分舱或分塘

养殖,同类规格大小的鱼类养殖在一起,可以更好

提高鱼类摄食状态,促进鱼类均匀增长,一般养殖

周期中需要分级 2 ~ 3 次[1]

。 目前对鱼类规格分

级主要采用人工分级或机械式分级两类,人工分

级的过程较为粗糙,而且效率低、成本高,还会干

扰养殖鱼类的摄食和生长,只适合在小型化养殖

中使用。

对于机械式分级,目前国内外开展了一些相

关研究,主要有格栅式分级、导辊式分级以及机器

视觉分级几种。 格栅式分级装置,通常是采用一

定间距的柔性格栅制作,装配到拉网上,通过拉网

赶鱼进行分级操作,其分级格栅间距可调,也有将

分级格栅设置为水平固定结构形式,通过把分级

鱼类倒入分级栅内,比格栅间距小的鱼穿过格栅

分开,不能通过的鱼留在格栅上,主要适于具有较

大 敞 口 面 积 和 操 作 空 间 的 网 箱 或 池 塘 养

殖中[2-3]

。

导辊式分级机主要由若干呈辐射状排列的圆

管或异形管组成,管间距逐渐增大,鱼体在管子转

动或振动作用下沿着由小到大的管道间隙前行,

不同厚度的鱼分别通过相应的管间距落入收集斗

内,分成几个等级。 但导辊式分级鱼体容易堆叠

造成分级不均,鱼体聚集分级有时应急反应也会

引起鱼体之间损伤[4-8]

。 机器视觉分级通过运用

数字图像处理技术和图像提取算法获取鱼体各部

分的投影面积,建立投影面积与质量之间的关系

预测模型,根据关系模型判断鱼体大小进行分级。

机器视觉分级系统相对复杂,不适合在有水环境

进行分级,分级过程要求单个鱼体按顺序传输,目

前主 要 用 于 鱼 类 识 别、 行 为 观 测 或 加 工 后

处理[9-15]

。

本研究基于鱼体厚度特征关系,以导向式分

级通道间距范围对应鱼体厚度实现不同规格大小

渔 业 现 代 化 2024 年

鱼类分级,推杆主动式输送进鱼,带水无损分级,

提高养殖过程分级饲养和管理机械化水平。

1 材料与方法

1. 1 分级方法

根据鱼类外部形态及体型可分为 4 类:纺锤

型、侧扁型、平扁型和棍棒型,不同类型的鱼在形

态上存在显著差异,其中纺锤形是最常见的基本

型。 这种类型的鱼体比较均匀,在水中摩擦力小,

所以阻力比较小,便于鱼在水中自由活动。 纺锤

型鱼类头、尾稍尖,身体中段较粗大,其横断面呈

椭圆形,侧视呈纺锤状[16]

。 例如淡水养殖中常见

草鱼、鲤鱼、鲫鱼,海水养殖中三文鱼、大黄鱼等。

由于纺锤形鱼类最为普遍,且体形体征和规格大

小有特定关系,因此该分级装置主要针对纺锤型

特征的鱼类进行设计。

在鱼类生长的理论和应用研究中,通常使用

数学公式来描述鱼类的体质量与身体维数之间的

关系[17-18]

,以推算已知维数数值的个体体质量。

根据纺锤型鱼类生长行为特性,由于鱼体质量与

体厚度呈一定的比例,因此分级通常根据鱼的厚

度变化进行,即鱼体左右侧的距离大小进行不同

规格鱼类分级。

1. 2 分级装置总体设计及原理

分级装置采用卧式结构,总体结构如图 1 所

示。 分级装置主要有驱动部分、支架、分级通道、

间距调节杆和集鱼槽等组成。 分级通道安装在机

架上,机架前端连接进鱼斗,分级通道下端设有可

移动的推杆,多根推杆沿环形固定在链条上随链

条传动,在分级通道下面设有集鱼槽,集鱼槽连接

有多个出鱼口。 分级通道上面分别设有入口间距

调节杆和出口间距调节杆,通过调节杆调节前后

分级通道间距大小,可以适应不同类型、不同规格

大小的活鱼分级需求。 分级通道上端设有喷淋装

置,在活鱼输送分级过程中辅助喷淋,减少鱼的损

伤,提高分选效率[19-21]

。

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\"0

EQ

ffiffi

O=4

J

 KCA7ffi 3EE  KCA7ffi

\"ffi KQfi

EQ

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ffi

3EEJ  NN

Q

图 1 分级装置总体结构

Fig. 1 Overall structure of grading device

活鱼通过进鱼斗导向槽进入不同的分级通道

中,电机驱动链条带动推杆移动,推动鱼体沿分级

通道向前滑动,分级通道上的喷淋管可实现分级

过程中对鱼的清洗和缓冲。 鱼体厚度小于分级通

道间距的,鱼体从分级通道中落下,进入集鱼槽,

从相应的出鱼口排出。 厚度大于分级通道间距的

鱼体继续移动,直至到合适间距后从分级通道中

落下,实现不同规格大小的鱼类分级。 集鱼槽结

构如图 2 所示,中间的集鱼槽两侧设置活动挡板,

可以防止鱼掉到别的集鱼槽,当需要控制不同规

格的鱼数量时,通过横向移动 B 区间两侧活动挡

板,可以改变不同出口分级鱼的平均体质量。

2

第 3 期 王志勇等:导向式活鱼分级装置设计及试验

   

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图 2 集鱼槽结构示意图

Fig. 2 Schematic diagram of fish collection tank

2 关键结构设计与分析

2. 1 链条输送进鱼结构受力分析

分级装置输送进鱼机构采用链传动,通过链

条带动推杆沿环形运动,推动鱼体前进,其结构如

图 3 所示。 与带传动相比,链传动没有弹性滑动

和打滑,能保持准确的平均传动比;需要的张紧力

小,作用在轴上的压力小,可减少轴承的摩擦损

失,结构紧凑[22]

。

265

  NN

  NN JD$

JD%

OJD\"

EQ

JD#

图 3 链条输送进鱼结构

Fig. 3 Chain conveyor fish mechanism

在鱼体水平输送过程中,只有推杆驱动鱼体

与导鱼板接触,因此,其链条驱动力主要为链条弧

垂引起的水平张力 T1 和输送鱼体与分级通道的

摩擦力 F1

[23-24]

。

根据悬索理论:

T1

=

qL

2

8f

(1)

式中:f 为链条的弧垂度(m),取值 f = L / 50; q 为

链条每米的重力,为 10 N/ m;L 为链条上支 AB 和

下支 CD 段总长度,为 4. 525 m。

将上述参数代入式(1)计算得 T1

= 282. 8 N。

输送鱼体与导鱼板之间的摩擦力 F1 :

F1

= 9. 81Gμ (2)

式中:G 为推杆和输送鱼体的质量(kg);μ 为摩擦

因数。

该分级通道设计长度为 1 985 mm,进鱼导向

槽为三通道,以养殖鲫鱼为样本,初选按照分级平

均鱼体质量为 0. 3 kg,鱼体高即鱼背鳍起点处到

腹面的垂直距离为平均 65 mm,设计分级通道上

最大载鱼数量为 90 条,输送鱼最大质量 27 kg,推

杆质量为 5 kg。 根据参考文献中淡水鱼体不同部

位摩擦角试验数据[25-27]

,由于鱼类分级过程中主

要为鱼躯干和导鱼板接触,带水喷淋输送,初选鱼

体与金属导鱼板的摩擦因数为 μ = 0. 6。 将参数

代入上面公式(2),计算得到:F1

= 9. 81×32×0. 6

= 188. 4 N。 输送装置所需的功率为:

PW

= (T1

+ F1 )v × 10

-3

(3)

Pm

=

PW

η1η2

(4)

式中:PW 为输送链所需要的功率(kW);v 为链条

输送线速度(m / s),设计值一般为 0. 15 ~ 0. 25,取

最大值 0. 25; η1 为电机的效率,此处取值为 0. 9;

η2 为链条传动效率,此处取值为 0. 95。

PW

= (282. 8 + 188. 4) × 0. 25 = 117. 8 W

(5)

计算得到带动一侧链轮所需要的功率为

117. 8 W,所以带动左右两侧输送链所需要的功

率为 235. 6 W,计算所需的电机功率:

Pm

=

235. 6

0. 9×0. 95

= 275. 6 W

为了更好控制分级动作,动力装置采用变频

电机驱动,方便分级速度调节,设计该分级装置主

要参数如下:设计功率 370 W;电制 380 V、0 ~ 50

Hz;起动方式为直接起动;分级通道间距调节范

围 0~60 mm。

2. 2 分级通道间距设计

分级过程中需要根据不同鱼体厚度进行间距

大小调节,合理设定前后端分级通道之间距离,才

能有效进行活鱼规格分级,因此,分级通道间距调

节非常关键。

根据鱼体厚和体质量特征关系,随机购买大小

不同的鲫鱼 90 条,对鲫鱼体质量和体厚进行数据

采集,得出鲫鱼的体厚、体质量的关系如图 4 所示。

3

渔 业 现 代 化 2024 年

















     

NN

图 4 鱼体质量与体厚关系曲线

Fig. 4 Relationship between fish weight and body thickness

运用幂函数方法拟合鱼体体厚与体重关系模

型,得到体质量 W 与体厚 b 的幂回归方程式。 回

归方程为 W = 0. 003 7 b

3. 109

,关系系数为 R

2 =

0. 967 7。 由回归方程式可以确定出某一体质量

的鱼对应的体厚值,以此作为调节分级间距的

依据。

图 5 为分级通道结构图,一个固定导鱼板和

一个活动导鱼板为一组分级通道,共 3 组。 分级

通道前后各设一组拉杆及手轮,固定导鱼板通过

连接杆固定在机架上,活动导鱼板通过拉杆连接

在一起,调节手轮和拉杆通过丝杆连接,旋转调节

手轮,即可以带动活动导鱼板同时向一侧移动,从

而调节活动导鱼板和固定导鱼板之间的距离,前

后拉杆可以单独调节,控制分级通道间距。

3 试验与结果

对分级装置开展了活鱼分级性能试验,分级

装置进口连接 6 英寸(15. 24 cm) 吸鱼泵,转速

200 ~540 r/ min,最大流量 230 m

3

/ h。 根据上述测

量值鱼体厚度范围在 30 ~ 39 mm 之间,设定合适

的分级通道间距,部分试验活鱼规格参数如表 1

所示。

ffiffi

Qffi

\"Qffi

Effi ffi A7D

ffiffi

图 5 分级通道间距调节结构图

Fig. 5 Structure diagram for adjusting the spacing between graded channels carp

表 1 鲫鱼体质量和体厚测量数据

Tab. 1 Weight and body thickness data of crucian carp

项目

样本号

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

体厚/ mm 30 32 34 36 36 35 35 38 33 38 37 32 33 39 38

体质量/ g 146 176 212 258 268 218 223 280 185 309 285 178 199 330 312

初设分级通道入口间距为 28 mm,以扩展有

效分级长度,分级通道出口间距为 40 mm,分级通

道从入口到出口间距逐渐增大。 活鱼和水混合进

入进鱼斗后,水通过进鱼斗内格栅滤出,活鱼通过

导向槽进入不同的分级通道,驱动装置带动链条

环形转动,推杆随链条一起推动活鱼沿分级通道

向前滑动。 在分级过程中,通过水泵辅助在每个

分级通道上进行喷淋,保证分级鱼体鲜活度。 当

被分级鱼体厚度小于分级通道间距时,鱼体分别

落入对应规格的集鱼槽中,通过出鱼口排出,整个

试验过程如图 6~图 9 所示。

图 6 分级装置试验

Fig. 6 Grading device experiment

4

第 3 期 王志勇等:导向式活鱼分级装置设计及试验

图 7 进鱼斗入鱼

Fig. 7 Fish entering into hopper

图 8 活鱼分级通道输送

Fig. 8 Live fish transmission in grading channel

图 9 集鱼槽出鱼

Fig. 9 Fish discharge from collection tank

在进鱼量保持连续稳定情况下,分级过程主

要受分级速度即链条推杆进鱼速度影响,分别采

用 3 种不同分级速度 0. 15、0. 20、0. 25 m / s 进行

活鱼分级试验,测试不同分级速度对分级效果的

影响。 出口 1、出口 2、出口 3 分别对应小规格、中

规格和大规格鱼类,3 个出鱼口收集活鱼试验数

据如表 2 所示。 由表 2 试验数据,进入分级装置

鱼斗内的所有活鱼都从不同规格集鱼槽出口排

出,在 3 种分级速度中,分级速度为 0. 2 m / s 时分

级准确率最高,速度最小时分级准确率最低。 这

是因为当速度小时,分级通道前端鱼类还未达到

分级间距进入集鱼槽时,后续鱼体进入分级槽而

堆叠在一起,鱼体没有及时分级落入相应规格集

鱼槽,在更大间距集鱼槽落下。 出口 3 在分级通

道末端,由于分级通道末端与机架之间有一定的

距离,在推杆驱动作用下到达分级通道末端后,未

正常分级的鱼体以及厚度大于设计上限的鱼体也

会在通道末端落入集鱼槽,从出口 3 排出,不会积

聚在分级通道上。 但在分级过程中要根据鱼体规

格及时调节入口和出口间距,保证不同规格的鱼

类精准分级,提高分级效果。

表 2 活鱼分级试验结果

Tab. 2 Results of live fish grading test

分级速度

分级数量/ 尾

出口 1 出口 2 出口 3

准确率

η/ %

分级

时间/ s

0. 15 m/ s 35 32 23 90. 0 87

0. 20 m/ s 38 30 22 93. 4 70

0. 25 m/ s 36 29 25 91. 1 62

该分级装置整体结构采用不锈钢制作,分级

通道和集鱼槽内部设计为光滑结构,在喷淋管辅

助作用下,活鱼在分级通道流畅滑动并落入对应

集鱼槽,滑动过程中无卡阻现象。 集鱼槽出口中

心位置与分级通道垂直距离为 175 mm,从试验结

果看到,落入集鱼槽的鱼体表面并无损伤,鱼体鲜

活度良好,集鱼槽内活鱼在冲淋辅助下快速排出,

无积压滞留。 该分鱼准确率是在特定鱼种试验条

件下数据,对于不同鱼种,不同分级数量的鱼,其

准确率也会有差异,需要根据鱼类形体及特性合

理调整进鱼量、分级间距大小等参数。 该分级装

置作为试验,只设计有 3 组分级通道,如果需要更

高的分级需求,可以增加分级通道,提高单位时间

分级量。

4 讨论

4. 1 分级间距调节和分级效果

根据分级试验效果分析,当分级间距正确调

整时,小规格鱼落入入口处的集鱼槽,中规格鱼落

入中间的集鱼槽,大规格鱼到达通道的末端。 如

果入口处的分级通道间距太小,小规格鱼不能在

分级通道的开始处掉落,就会横着堆积在分级通

道入口处,推杆不能接触并推动鱼体滑动,分级装

置无法有效分选活鱼,需要逐步增大分级通道入

口间距来调节。 如果分级通道出口间距调节过

大,导致最大规格的鱼没有到达分级通道末端落

下,活鱼在通道中短距离进行分类,中等规格和大

规格的鱼混入一起,导致低质量分级,此时需要逐

渐缩小分级通道出口间距。 入口和出口调整之间

5

渔 业 现 代 化 2024 年

的差异取决于分级鱼类批次的同质性,如果批次

非常不均匀,则入口和出口之间增大间距。 如果

需要分级活鱼批次比较均匀,则入口和出口之间

的间距相对缩小。 另外,分级过程中适当调节机

架的倾斜角度,有利于待分级鱼体顺利在分级通

道上滑动,可有效提高分级效果。

相比辊式分级和格栅式分级装置,辊式分级

在高密度鱼类通过时,导辊间可能会发生堵塞,特

别是当鱼类规格差异大或鱼体带有杂质时,影响

分级效率和设备的连续运转。 对于格栅式分级装

置,固定的格栅设计无法满足多样化分级需求,灵

活性不足,快速或强制通过狭窄格栅间隙时,会对

鱼类的健康和存活率造成影响,另外,分级速度相

对较慢[28-29]

。 综上所述,分级间距调节对导辊式、

格栅式和导向式分级装置都是至关重要的,适当

的间距可以确保鱼类顺利通过,避免堵塞和阻碍,

能够确保分级的准确性、效率和稳定性,从而提高

养殖鱼类的分级质量和产量。

在分级之前初步确定分级鱼体体形参数,合理

设定分级通道入口和出口间距,可以更有效地对养

殖鱼类进行分级,减少无效分级和对鱼类影响。 虽

然幂函数拟合方法在描述生物体型数据之间的关

系时具有一定的优势,但还存在不足之处,幂函数

可能会对数据进行过度拟合,尤其是在数据量较少

或数据分布不均匀的情况下。 因此,鱼类体型参数

关系方程只是作为参考,在分级应用过程中需要结

合实际情况进行综合考虑和实时修正。

4. 2 机械分级对鱼类健康影响考虑

该导向式分级装置可以满足养殖过程中分级

饲养,提高养殖效率和减少人工成本,但不当的操

作可能对鱼类造成一些负面影响。 在分级装置

中,鱼类通常需要通过狭窄的通道或格栅,设计不

当可能限制它们的自由移动,导致鱼类受到挤压

和碰撞,造成鱼类身体的损伤,甚至可能造成内部

器官的受伤,分级过程中的振动和环境变化有时

也会引起鱼类的应激反应,这些都可能影响鱼类

的生长速度和健康状况,使其在后续养殖环境中

适应能力下降,进而影响后续养殖效果[30-31]

。 在

后续进行养殖的情况下,需要考虑分级对活鱼健

康和适应性的影响。

因此,分级过程中尽量采取措施保护鱼类免受

损伤,针对不同习性鱼类,通过调整适宜进鱼量和

导向输送速度,控制温和的喷淋水流,旨在最小化

对鱼类的物理伤害。 此外,分级后的养殖阶段需加

强管理和监控,包括定期监测鱼类的行为习性、生

长指标及健康状况,及时调整养殖策略,例如通过

调控养殖密度及改善水体环境,以确保鱼类能够快

速适应新的养殖环境,从而最大化养殖效益。

5 结论

该分级装置导向结构能确保活鱼在分级过程

中受到较小的物理伤害,分级通道上方喷淋装置

辅助实现全过程带水分级,通过平缓的水流和适

宜的导向槽引导鱼体,避免鱼体堆叠造成分级不

均。 另外减少活鱼之间碰撞造成损伤,分检率准

确。 导向式分级装置配备了间距调节旋钮,可以

根据鱼的大小和品种快速调整分级标准,适应不

同分级需求,提高了设备的灵活性和适用范围。

可以实现快速而准确地按鱼体大小进行分类,提

高分级效率和精度。 导向式分级装置能够自动完

成活鱼的导入、分级、输送等过程,减少了人工干

预,降低了劳动强度。 可以选择在进、出鱼口分别

搭载吸鱼泵和计数装置使用,可更为广泛应用于

网箱平台、养殖工船或工厂化养殖过程中鱼类的

分级分养,进一步提高养殖过程自动化管理水平。

□

参考文献

[1] 王书林. 草鱼分级养殖新技术[J]. 渔业致富指南,2010(5):

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Design and testing of a guided live fish grading device

WANG Zhiyong

1,2

,XU Zhiqiang

1

,ZOU Haisheng

1

(1 Fishery Machinery and Instrument Research Institute,Chinese Academy of Fishery Sciences,Shanghai 200092,China;

2 Key Laboratory of Ocean Fishing Vessel and Equipment,

Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Shanghai 200092,China)

Abstract: The size grading during fish farming benefits growth management and feed control, improving

aquaculture efficiency. A guided live fish grading device was designed to solve the problem of high labor intensity

and low efficiency in domestic live fish grading. The structural composition and working principle of the grading

device were introduced,and the mechanical analysis and parameter design of the fish conveying mechanism were

carried out. Based on the relationship between fish body mass and body shape parameters,the morphological data

of experimental crucian carp were measured. Meanwhile,the power function fitting method was used to obtain the

equation of the relationship between crucian body thickness and body weight,which serves as the basis for setting

the distance between grading channels. When grading,the spacing between the guide plates on both sides of the

grading channel is adjusted,and the grading channel is set to meet the fish specification requirements so that fish

's body through the grading channel. Live fish grading performance experiment was carried out,with fish weight

range of 0. 14-0. 33 kg and thickness range of 30-39 mm. Grading tests and effect analysis were conducted under

three conditions of fish conveying speeds of 0. 15 m/ s,0. 20 m/ s,and 0. 25 m/ s. The experimental results show

that the grading accuracy can reach over 90% under normal conditions,and the appropriate grading speed and

grading channel setting have higher efficiency. This guided grading device can quickly and accurately grade live

fish,improving the efficiency of mechanized operations in the breeding process.

Key words:live fish grading;guided;fish morphology; scraper;chain conveying

7

第 51 卷第 3 期 渔 业 现 代 化 Vol. 51 No. 3

2024 年 6 月 FISHERY MODERNIZATION Jun. 2024

DOI:10. 3969 / j. issn. 1007-9580. 2024. 03. 002 开放科学(资源服务)标识码(OSID):

张志博,吴燕玲,张怡宁,等. 绿光辐照度对红鳍东方鲀视网膜、视蛋白基因及氧化应激的影响[J]. 渔业现代化,2024,51(3):8-16.

收稿日期:2024-01-22

基金项目:国家自然科学基金项目(32202961);辽宁省科学技术计划资助项目(2021JH2 / 10200011);大连市优秀青年科技人才资助项目

(2023RY016);大连市领军人才资助项目(2019RD12);国家贝类产业技术体系岗位科学家项目(CARS-49)

作者简介:张志博(1999—),男,硕士研究生,研究方向:光环境与水生生物互作机理。 E-mail:ZZB991212@ 163. com

通信作者:马贺(1986—),女,博士,副教授,研究方向:环境与水生生物互作机理。 E-mail:mahe@ dlou. edu. cn

绿光辐照度对红鳍东方鲀视网膜、视蛋白基因及氧化应激的影响

张志博1,2

,吴燕玲1,2

,张怡宁1,2

,蔡皓玮1

,赵欣宇1,2

,

张小龙1,2

,孙 研1,4

,刘 鹰1,3

,马 贺1,2

(1 设施渔业教育部重点实验室(大连海洋大学),辽宁 大连,116023;

2 大连海洋大学海洋科技与环境学院, 辽宁 大连,116023;

3 浙江大学生物系统工程与食品科学学院,浙江 杭州,310058;

4 佛照(海南)科技有限公司,海南 海口,528000)

摘要:为探讨红鳍东方鲀(Takifugu rubripes)在室内养殖中的适宜光照条件,将其分别置于 5 种绿光辐照度

(G1 ∶300 mW/ m

2

、G2 ∶500 mW/ m

2

、G3 ∶750 mW/ m

2

、G4 ∶1 000 mW/ m

2 和 G5 ∶1 500 mW/ m

2

)及白光(W)和黑

暗(D)环境下,进行为期 60 d 的养殖试验,观察其视网膜结构,并测定视网膜厚度、视蛋白基因的表达及抗

氧化酶活性的变化。 结果显示:不同绿光辐照度未对幼鱼的视网膜结构产生明显影响。 视网膜厚度变化在

不同区域之间呈现不同趋势,其中 G3 组幼鱼的感光层占比(PRos/ is/ TT)最高(P<0. 05),外网层占比(OPL/

TT)显著高于除 G1 组外的其他各组(P<0. 05);G2 和 G3 组幼鱼的外核层占比(ONL/ TT)显著高于 G1 和 G4

组(P<0. 05)。 视蛋白基因表达方面,W 组和 D 组的视杆视蛋白(Rod opsin)基因表达量最高(P<0. 05);G3

组的短波蓝色敏感视蛋白(SWS2)基因表达量最高(P<0. 05);视蛋白 3(Opsin3)在 W 组和 G5 组的基因表达

量最高(P<0. 05)。 对于抗氧化酶活性,绿光处理组的超氧化物酶( SOD)、过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽过

氧化物酶(GPX)活性随辐照度增加而升高。 研究表明,在室内养殖环境中建议选用表面白色的养殖载体,

并采用绿光光照条件养殖红鳍东方鲀幼鱼,控制辐照度在 500~ 750 mW/ m

2 范围内。

关键词:红鳍东方鲀;辐照度;视网膜;视蛋白;氧化应激

中图分类号:S965 文献标志码:A 文章编号:1007-9580-(2024)03-0008-009

硬骨鱼类的视觉系统能够引导多种生理行

为,包括对抗竞争、趋光行为、摄食及交配等[1-3]

。

视网膜是视觉系统的重要器官,其包含多层神经

元,负责将接收到的光信号转换为神经信号并发

送至大脑进行处理[4-5]

。 硬骨鱼类的视网膜中含

有多种类型的视蛋白,这些视蛋白在个体发育过

程中以不同的方式调节视觉系统,以适应特定的

需求和光照条件的变化[6-7]

。

光是一种重要且复杂的环境因素,关系到鱼

类的摄食、生长发育、成熟和繁殖等行为[8-10]

。 不

同的光照强度能够对硬骨鱼类的视觉系统产生影

响,研究表明黑线鳕( Melanogrammus aeglefinus)

的视网膜色素层在适当强度[1. 8 mol / (s·m

2

)]

的蓝光照射下可以被更好地激发,从而促进其摄

食量[11]

;而在高辐照度(51 ~ 380 W/ m

2

) 的照射

下,欧洲鲈鱼( Dicentrarchus labrax) 与大西洋鲑

(Salmo salar) 的视网膜都出 现 了 不 同 程 度 的

损伤[12]

。

红鳍东方鲀(Takifugu rubripes)肉质细腻,味

道鲜美,被视为中国最重要的水产养殖品种之

一[13]

。 目前,中国北方地区红鳍东方鲀的海水养

殖普遍采用“陆-海接力” 养殖模式[14]

。 在实践

中,循环水产养殖系统(RAS)可以作为该模式的

一部分,用于种苗培育和初级养殖阶段。 RAS 通

第 3 期 张志博等:绿光辐照度对红鳍东方鲀视网膜、视蛋白基因及氧化应激的影响

过循环利用经过处理的水,提高水和空间的利用

效率, 并 减 少 环 境 不 利 影 响 以 维 持 水 质 稳

定[15-16]

。 研究发现,在 RAS 中应用适当的人工照

明条件对鱼类的生长具有重要意义,2 000 Lux 的

光照 强 度 能 够 促 进 尼 罗 罗 非 鱼 ( Oreochromis

niloticus)幼鱼的生长[17]

,维持低于 500 Lux 的光

照强度可以改善星突江鲽(Platichthys stellatus)的

生长性能[18]

。 此外,前期研究发现在室内条件

下,分别用 5 种不同 LED 光谱(红、黄、蓝、绿、白)

照射红鳍东方鲀幼鱼 30 d 后,绿光照射下的幼鱼

具有更好的生长性能[13]

,也曾有研究发现绿光能

够降低硬骨鱼类的应激水平[19-21]

。 然而,目前对

于长期照射不同辐照度的绿光对红鳍东方鲀视觉

系统影响的研究较少。

本研究以红鳍东方鲀为试验对象,在海水室

内养殖条件下,分析不同 LED 绿光辐照度对其视

网膜结构、各层厚度、视蛋白基因的表达及抗氧化

酶活性的影响。 筛选出在 RAS 和室内养殖中适

宜红鳍东方鲀视觉发育的辐照度阈值,为优化红

鳍东方鲀室内养殖的光照条件提供重要的理论

依据。

1 材料与方法

1. 1 试验用鱼

红鳍东方鲀幼鱼来自大连市天正红鳍东方

鲀人工养殖基地,幼鱼运送至实验室后,先暂养

在圆柱形水箱进行为期一周的驯化,以适应试

验环境。 暂养期间使用商业沉性饲料进行投

喂,每日 08:30、12:30、16:30 各投喂一次直至

饱食,在投喂 30 min 后进行吸底两次,以清理残

饲粪便。一周后选取 1 260 尾均匀健康的红鳍

东方鲀幼鱼进行后续试验。

1. 2 试验设计与样本采集

试验共设置 7 个处理组,将 5 种不同绿光辐

照度 ( 300 mW/ m

2

、 500 mW/ m

2

、 750 mW/ m

2

、

1 000 mW/ m

2

、1 500 mW/ m

2

) 分别命名为 G1、

G2、G3、G4、G5 组、对照组白光(500 mW/ m

2

) 和

黑暗无光分别命名为 W 和 D 组,光周期设定为

12L ∶12D(由电子定时器进行控制),黑暗组除外。

各个处理组之间使用遮光布进行隔离形成封闭隔

间,以防止光源之间的交叉污染,在地面与天花板

之间使用遮光布进行全面遮盖,以杜绝漏光。 每

个封闭隔间内采用 LED 灯(压铸式养殖灯,佛山

(海南)科技公司) 作为试验光源,灯具包括两种

光谱,分别为白光(λ400~780 nm)和绿光(λ525 ~

530 nm)。 光源安装在每个养殖桶水面正上方的

1 m 处,每个处理组内设置 3 个平行( 3 个养殖

桶),养殖桶为 PE 材质白色圆柱型桶(直径 80

cm,内高 60 cm,有效水体积约为 250~260 L)。

试验开始时,在每个养殖桶内随机投放 60 尾

经过驯化的红鳍东方鲀幼鱼,其体长为( 7. 51 ±

0. 70)cm,体质量为(15. 30±3. 72) g,共计 1 260

尾,试验 周 期 为 60 d。 试 验 期 间 每 日 08: 30、

12:30、16:30 各投喂一次直至饱食,每次投喂时

均需称量饵料,确保每个养殖桶内投喂的饵料总

质量为试验用鱼总质量的 2%。 每天在投喂 30

min 后进行吸底两次,以清理残饲粪便。 每日采

用光谱照度计(SRI 2 000 UV,尚泽光电股份有限

公司)进行辐照度的测量和校正。 试验期间采用

24 h 流水养殖,水温保持在 19~ 23 ℃ 之间,pH 控

制在 7. 0~ 8. 0 之间,盐度维持在 27~ 30 之间,同

时,进行连续曝气以保持水体中溶氧>6 mg / L。

试验第 60 天进行样本采集,每个处理组各随

机选取 30 尾鱼的眼组织用于切片试验,30 尾鱼

的眼组织用于 RT-qPCR 测定视蛋白基因的表达,

30 尾鱼的眼组织用于测定抗氧化酶活性。

1. 3 组织学切片与观察

每个处理组各随机选取 30 尾鱼并在麻醉剂中

进行麻醉(MS-222 200 mg / L),随后迅速将其放置

在冰盘上进行解剖,收集眼组织后置于 4%多聚甲

醛普通组织固定液中进行固定,固定时间为 24~48

h,之后将样品转移到 70%乙醇中直至进行下一步

处理。 在一系列梯度的乙醇(70% ~ 100%)中进行

脱水处理,随后使用二甲苯清除,最终将样本包埋

在石蜡中以制备组织切片,切片厚度为 4 μm。 对

切片使用苏木精和曙红染色后,使用 Leica DM

4 000 B LED 荧光显微镜对切片进行检查和观察,

保存相关图像并测量视网膜各层厚度。

1. 4 实时荧光定量 PCR

每个处理组各随机选取 30 尾鱼并在麻醉剂

中进行麻醉(MS-222 200 mg / L),随后迅速将其

放置在冰盘上进行解剖并提取眼组织,将眼组织

储存于冻存管中,并迅速放入液氮。 所有样本取

9

渔 业 现 代 化 2024 年

样完成后转移到-80 ℃ 下进行冷冻,以备用于后

续 RNA 的提取。 内参基因和引物序列见表 1,参

考自文献[32]

。 首先进行总 RNA 的提取,提取后

使用紫外分光光度计测定各样本中 RNA 的浓度

以及 OD260 / OD280。 使用反转录试剂盒(塞维尔

生物科技有限公司,武汉,中国) 将 RNA 反转录

为 cDNA,反应体系包括:5×SweScript All-in-One

SuperMix for qPCR 4 μl,gDNA Remover 1 μl,Total

RNA/ mRNA 0. 1 ng - 5 μg / 10 pg - 0. 5 μg,

Nuclease-Free Water Add to 20 μL。 反转录条件

如下:25 ℃ 5 min,42 ℃ 30 min,85 ℃ 5 s。 以上

步骤由 PCR 仪(力康生物医疗科技控股有限公

司,上海,中国)完成,得到的 20 μL cDNA 样本可

置于-20 ℃保存或用于后续试验。 根据荧光定量

PCR 试剂盒(塞维尔生物科技有限公司,武汉,中

国)配制反应体系:2 × SYBR Green qPCR Master

Mix 10 μl,上游引物 0. 4 μl,下游引物 0. 4 μl,

cDNA 2 μl,ddH2O 7. 2 μl,Total 20 μl。 置 PCR

仪器(力康生物医疗科技控股有限公司,上海,中

国),设置 PCR 热循环参数: 95 ℃ 30 s, 95 ℃

15 s, 60 ℃ 30 s,循环 40 次,采用 2

-ΔΔCT 法计算

mRNA 的相对表达量。

表 1 本研究中用于 qPCR 的引物

Tabl. 1 Primers used for qPCR in the present study

基因名称 引物 引物序列 引物长度/ bp

Rod opsin

Forward

Reverse

GGGGAGAATCACGCAATCA

GAGGAAGTGGCAGACGAACA

195

SWS2

Forward

Reverse

GGGACACCATTTGATCTGAGAC

AGCGGAACTGTTTATTGAGGAC

106

Opsin3

Forward

Reverse

CAGCGTCCCAGTCTTTCAGT

TCAGGCGTCTTCTTCCATTT

190

β-actin

Forward

Reverse

AACCAAATGCCCAACAACTTC

GATCCCCAGATGCAACAGAAC

213

注:本试验选用的定量引物参考 Zhang 等[32]的研究

1. 5 酶活性的测定

准确称 取 眼 组 织 质 量, 按 质 量 ( g) ∶ 体 积

(mL) = 1 ∶ 9 的比率,加入九倍体积的生理盐水,

冰水浴条件下机械匀浆,2500 r/ min,离心十分

钟,稀释为百分之十的组织匀浆,取上清液待测。

采用总蛋白(TP)测定试剂盒(南京建成生物工程

研究所,南京,中国)对处理后的眼组织中蛋白的

浓度进行测定,以便进行后续酶活性的计算。 使

用商业测定试剂盒(南京建成生物工程研究所,

南京,中国)测定超氧化物歧化酶( SOD)、过氧化

氢酶( CAT) 和谷胱甘肽过氧化物酶 ( GPX) 的

活性。

1. 6 统计分析

试验中所有数据均以平均值±标准差(Mean±

SD)表示,采用 SPSS 26. 0 对试验数据进行单因

素方差分析(ANOVA),利用 Duncan 多重比较分

析不同处理组之间的差异,以 P<0. 05 为差异的

明显水平。 分析所得数据用 GraphPad Prism 8. 0

软件进行绘图。

2 结果

2. 1 视网膜微观结构

通过光学显微镜观察,脊椎动物视网膜的

所有主要层在红鳍东方鲀中均能够明确区分

(图 1) ,各处理组幼鱼的组织学切片没有显示出

明显的差异。 此外,所有处理组中的视网膜都

发生了不同程度的黑色素迁移。 具体而言,G1

组和 D 组的黑色素颗粒呈较为聚集的状态,而

在 G4 和 G5 处理组中,黑色素颗粒的密度相对

较大。

2. 2 视网膜各层厚度

使用图像分析软件对组织切片进行视网膜测

量,结果显示不同处理组的视网膜总厚度(TT)存

在显著差异(表 2),其中 G1 和 D 组的 TT 显著高

于其他处理组(P<0. 05),并且 TT 随着绿光辐照度

的增高而降低。 进一步分析视网膜各层厚度与总

厚度的比值,结果显示 G3 组幼鱼的感光层占比

10

第 3 期 张志博等:绿光辐照度对红鳍东方鲀视网膜、视蛋白基因及氧化应激的影响

(PRos/ is/ TT)显著高于 G1、G2、 G4 和 G5 组(P<

0. 05),G2 和 G3 组幼鱼的外核层占比(ONL/ TT)

显著高于 G1 和 G4 组(P<0. 05),G3 组幼鱼的外网

层占比(OPL/ TT)显著高于除 G1 组外的其他各组

(P<0. 05),D 组幼鱼的内核层占比(INL/ TT)显著

高于其他处理组(P<0. 05)。 不同处理组幼鱼的色

素上皮层占比(RPE/ TT) 和神经节细胞层占比

(GCL/ TT)的差异均无统计学意义(P>0. 05)。

& ' (

\" # $ %

注:A,G1(300 mW/ m

2

);B,G2(500 mW/ m

2

);C,G3(750 mW/ m

2

);D,G4(1 000 mW/ m

2

);E,G5(1 500 mW/ m

2

);F,W(500 mW/ m

2

);

G,D;RPE,色素上皮层;PRos/ is,感光层;ONL,外核层;OPL,外网层;INL,内核层;IPL,内网层;GCL,神经节细胞层;GFL,神经纤

维层;比例尺= 100 μm

图 1 不同绿光辐照度下红鳍东方鲀视网膜的组织学切片

Fig. 1 Histological sections of the retina of Takifugu rufugu under different green light irradiance

表 2 不同绿光辐照度下红鳍东方鲀视网膜各层厚度占比

Tab. 2 The proportion of retinal thickness of each layer of Takifugu rufugu under different green light irradiance

处理组 TT / μm RPE/ TT / % PRos/ is/ TT / % ONL / TT / % OPL / TT / % INL / TT / % IPL / TT / % GCL / TT / % GFL / TT / %

G1 467. 57±10. 81

a

19. 08±0. 53 28. 91 ±0. 62

c

8. 09 ±0. 51

c

12. 72±0. 50

ab

14. 45±0. 25

b

20. 42±0. 42

bc

5. 79±0. 65 9. 63±0. 84

ab

G2 403. 61±13. 60

b

20. 12±1. 35 31. 29 ±1. 82

b

10. 06 ±0. 85

a

10. 28±0. 48

c

10. 90±1. 81

b

19. 38±1. 79

c

6. 47±0. 21 11. 62±1. 60

a

G3 369. 37±5. 63

c

21. 22±0. 87 35. 86 ±0. 80

a

10. 49 ±0. 55

a

13. 18±0. 92

a

7. 31±0. 65

c

17. 32±1. 17

d

7. 07±1. 08 8. 77±1. 33

bc

G4 317. 12±8. 25

d

20. 31±0. 77 31. 26 ±0. 39

b

8. 51 ±0. 73

bc

11. 35±1. 03

bc

9. 38±0. 95

bc

22. 18±1. 43

ab

7. 66±0. 66 9. 65±1. 18

ab

G5 300±4. 05

e

20. 12±0. 31 31. 76 ±1. 62

b

9. 76 ±1. 30

ab

10. 67±0. 78

c

8. 71±1. 02

bc

22. 21±0. 83

ab

7. 50±1. 30 8. 10±0. 79

bc

W 309. 46±3. 57

de

19. 81±1. 43 29. 7 ±1. 21

ab

10. 34 ±0. 67

a

10. 33±0. 55

c

14. 54±1. 68

b

22. 27±0. 30

ab

5. 83±0. 55 6. 99±0. 88

cd

D 459. 46±9. 46

a

19. 81±0. 33 29. 71 ±0. 42

ab

9. 11 ±0. 60

abc

9. 63±1. 65

c

16. 84±1. 76

a

22. 94±0. 37

a

6. 07±0. 78 5. 70±1. 29

d

2. 3 视蛋白基因的表达水平

不同光照条件照射下,红鳍东方鲀幼鱼视蛋

白基因的表达量如图 2 所示。 其中视杆视蛋白

(Rod opsin)在 W 和 D 组中的基因表达量最高,且

显著高于绿光处理组(P<0. 05)。 相比其他绿光

处理组,G4 和 G5 处理组的 Rod opsin 基因表达量

显著减少(P<0. 05)。 G3 处理组的短波蓝色敏感

视蛋白(SWS2)基因表达量最高(P<0. 05),而 G2

和 G4 处理组的 SWS2 基因表达量最低且两组间

无显著差异(P>0. 05)。 W 和 D 组的 SWS2 基因

表达量也无显著差异(P>0. 05)。 在不同处理组

中,视蛋白 3(Opsin3) 的基因表达量呈现不同的

趋势,其中 G5 和 W 组的 Opsin3 基因表达量最高

且显著高于其他各组(P<0. 05),G2 和 G4 处理组

的 Opsin3 基因表达量最低 (P<0. 05)。

2. 4 眼组织中的抗氧化酶活性

不同绿光辐照度射下,红鳍东方鲀幼鱼眼

组织中抗氧化酶的活性存在显著差异( 图 3) 。

超氧化物歧化酶( SOD)的活性与绿光辐照度呈

现出正相关的关系,即随着辐照度水平的提高,

SOD 的活性也随之增加。 其中 G5 组的 SOD 活

性最高( P<0. 05) ,G1、G2 和 W 组的 SOD 活性

较低,彼此之间不存在显著差异( P>0. 05) 。 过

氧化氢酶(CAT)的活性变化与 SOD 呈现出一致

11

渔 业 现 代 化 2024 年

的趋势,即随着绿光辐照度的不断升高,CAT 的

活性也随之增加。 此外,W 和 G5 组的 CAT 活

性显著高于其他处理组( P < 0. 05) ,而 D 组的

CAT 活性与 G2、G3 和 G4 处理组相比没有显著

差异(P>0. 05) 。 与 SOD 和 CAT 的活性变化相

似,谷胱甘肽过氧化物酶( GPX) 的活性也随辐

照度的升高不断增加。 其中,G5 组和 W 组的

GPX 活性显著高于其他各组( P< 0. 05) 。 GPX

活性由高到低依次为 W 组、G5 组、G4 组、G3

组、G2 组、G1 组、D 组。

\"

3PE PQTJO #

484 $

0QTJO

 \" # $















( ( ( ( ( 8 %

  

( ( ( ( ( 8 % ( ( ( ( ( 8 %

图 2 不同绿光辐照度下红鳍东方鲀 Rod opsin(A)、SWS2(B)和 Opsin3(C)的基因表达量

Fig. 2 The genes expression levels of Rod opsin(A),SWS2(B) and Opsin3(C) of Takifugu rufugu under different

green light irradiance

\"

40% #

$\"5 $

(19

\" # $

( ( ( ( ( 8 %

  

( ( ( ( ( 8 % ( ( ( ( ( 8 %





















40

%



6NHQSPU

















(19



6NHQSPU







$\"5



6H)C

图 3 不同绿光辐照度下红鳍东方鲀 SOD (A)、CAT (B)和 GPX (C)的活性

Fig. 3 The activity of SOD (A),CAT (B) and GPX (C) of Takifugu rufugu under different green light irradiance

3 讨论

3. 1 不同 LED 绿光辐照度对红鳍东方鲀视网膜

结构的影响

虽然光照是影响视觉发展的关键因素,但可

见光对视网膜可能具有潜在的影响,长时间暴露

在强光下可能会干扰视觉并导致光感受器死

亡[22-23]

。 在本研究中,经过 60 d 不同绿光辐照度

的照射后,并未发现不同处理组红鳍东方鲀的视

网膜组织结构存在明显损伤,这可能归因于红鳍

东方鲀的视网膜结构在发育完成后受到辐照度影

响较小,主要受到遗传因素调控。 然而,在 G1 和

D 组中,幼鱼视网膜色素上皮层(RPE)的黑色素

呈现出一定程度的聚集现象,在对银鲳(Pampus

argenteus) 的研究中发现,弱光条件下银鲳 RPE

中的黑色素颗粒呈现聚集现象[24]

。一项对蓝鳃

太阳鱼(Lepomis macrochirus)的研究报道,在夜间

或弱光条件下,其视网膜的黑色素颗粒在 RPE 中

的位置会发生变化[25]

。 在本试验中,观察到弱光

条件下(D、G1 和 G2 组)红鳍东方鲀幼鱼 RPE 中

的黑色素颗粒发生了一定程度的聚集。 相反,在

G4 和 G5 处理组中,黑色素颗粒发生了迁移。 这

12

第 3 期 张志博等:绿光辐照度对红鳍东方鲀视网膜、视蛋白基因及氧化应激的影响

种黑色素颗粒的重新定位可被视为鱼类视网膜的

一种保护机制[26-27]

,当鱼类受到光刺激时,黑色

素颗粒在 RPE 中向顶端方向迁移,形成一层保护

光感受器的屏障,从而有效地保护视网膜免受强

光的伤害[28-29]

。 此外,除了迁移现象,G4 和 G5

处理组的黑色素颗粒密度也高于其他处理组,在

大西洋鲑( Salmo salar)的研究中发现,黑色素密

度随着辐照度的增加而增加[30]

,这与本研究的结

果相一致。 本研究中观察到的 G4 和 G5 处理组

RPE 中黑色素颗粒的迁移现象和高密度特征可

能有助于红鳍东方鲀幼鱼更有效地保护视网膜。

3. 2 不同 LED 绿光辐照度对红鳍东方鲀视网膜

各层厚度的影响

鱼类的眼睛被认为是接受光线的主要器官。

通过测定红鳍东方鲀视网膜各层厚度的变化,发

现在不同绿光辐照度照射下,幼鱼的视网膜总厚

度(TT)存在显著差异(P<0. 05),随着辐照度的

不断升高,幼鱼的 TT 逐渐减小。 TT 的减小说明

感光细胞的数量或排列可能发生了变化,进而可

能影响鱼类的视觉功能和视觉适应能力。 在各处

理组中,G3 处理组的感光层占比(PRos/ is/ TT) 、

外核层占比(ONL / TT) 和外网层占比(OPL / TT)

最高 (P<0. 05)。 之前有研究报道,明亮条件下

尖齿胡鲶(Clarias gariepinus)的 PRos/ is 厚度显著

减少[31]

。 此外,有研究发现对大西洋鲑鱼(Salmo

salar)、大西洋鳕鱼( Gadus morhua) 和欧洲黑鲈

(Dicentrarchus labrax) 进行持续的强光照射会导

致其 PRos/ is 和 ONL 厚度下降并诱导视网膜损

伤[12]

。 在本研究中,G3 组的 PRos/ is/ TT、ONL /

TT 和 OPL / TT 高于 G4 和 G5 组,表明过高的辐照

度(1 000 mW/ m

2 及以上) 可能对红鳍东方鲀幼

鱼的视网膜造成损伤。 在试验过程中也发现 500

~750 mW/ m

2的绿光能够促进红鳍东方鲀的生长

性能,进一步证明了过高的辐照度(1 000 mW/ m

2

及以上)并不适宜于该鱼类的生长。 此外,视网

膜各层的光敏性不同,这可能导致光引起的视网

膜厚度变化在不同视网膜区域之间呈现不同趋

势[12]

。 然而,D 组的内核层占比( INL / TT) 显著

高于其他处理组(P<0. 05),有关光环境影响硬骨

鱼类视网膜的机制仍需进一步研究。

3. 3 不同 LED 绿光辐照度对红鳍东方鲀视蛋白

基因表达的影响

在硬骨鱼类的视网膜中,存在两种主要类型

的光感受器,分别为视杆细胞和视锥细胞。 视杆

细胞主要与低光条件下的视觉有关,被认为是对

弱光环境的一种适应机制。 在大多数硬骨鱼类

中,视杆细胞无法区分颜色,但其能够感知光照强

度的差异[30,32]

。 其中,视杆视蛋白(Rod opsin)对

于视网膜变性后视觉功能的恢复至关重要,其突

变可能导致神经退行性失明和视网膜色素变

性[32]

。 在本试验中,黑暗条件下 Rod opsin 的基

因表达量最高(P<0. 05),在辐照度较低的 G1 和

G2 组中也表现出较高的表达水平,这可能与杆状

细胞负责昏暗条件下的视觉能力有关,这种变化

可能是为了增加昏暗条件下鱼类视网膜的光敏

性,从而提高鱼类的视觉能力[7]

。 短波蓝色敏感

视蛋白(SWS2)是对蓝色敏感的视蛋白[24,32]

。 在

本试验中,G3 处理组的 SWS2 基因表达量最高

(P<0. 05),与横带刺尾鱼( Acanthurus triostegus)

的研究结果不同,在恒定的明亮光照下,横带刺尾

鱼的 SWS2 基因表达量增加[7]

。 本研究中测定的

视蛋白中对绿光波长的峰值最敏感的视蛋白基因

是 SWS2(395 ~ 490 nm),因此在绿光的持续照射

下,推测红鳍东方鲀可能表达更多的 SWS2 以适

应光环境的变化。 研究发现视蛋白 3(Opsin3)在

黑色素细胞中表达,且在没有光刺激条件下能够

调控黑色素的生成[33]

。 在本研究中,Opsin3 在 W

和 G5 处理组中的基因表达量显著高于其他各组

(P<0. 05),基于 Opsin3 细胞中的功能,其可能参

与了对黑色素生成的调控。 此外,Opsin3 还具有

调节代谢稳态的功能[34]

,W 组和 G5 组的光环境

可能激发了 Opsin3 更多地参与调节代谢稳态的

机制。 本研究不同处理组中红鳍东方鲀视蛋白等

基因的差异表达可能是其适应光环境的一种

结果。

3. 4 不同 LED 绿光辐照度对红鳍东方鲀氧化应

激的影响

氧化应激是由于活性氧的产生和抗氧化剂防

御之间的不平衡造成的[35]

。 面对外在因素引起

的氧化应激,包括硬骨鱼类在内的脊椎动物会启

动自身的抗氧化机制以清除活性氧(ROS)

[19]

。

抗氧化酶在这一过程中发挥着重要作用,它们能

13

渔 业 现 代 化 2024 年

够中和 ROS 造成的氧化损伤[36]

。 本试验对不同

绿光辐照度下红鳍东方鲀眼组织中超氧化物歧化

酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽过氧化

物酶(GPX) 的活性进行了测定与分析。 结果表

明,不同绿光辐照度对红鳍东方鲀眼组织中的抗

氧化酶活性产生了显著影响,G5 处理组的 SOD、

CAT 和 GPX 活性最高且显著高于 G1、G2 和 G3

处理组(P<0. 05)。 此外,这 3 种抗氧化酶的活性

均与辐照度呈现出正相关的趋势,即随着辐照度

的升高,抗氧化酶的活性也相应增加。 在黄尾鰤

(Seriola lalandi)的研究中发现,当红光辐照度从

0. 3 W/ m

2 增加到 0. 5 W/ m

2 时,SOD 与 CAT 的

活性也随之增加,而绿光辐照度对 SOD 和 CAT

的活性没有显著影响[37]

。 另一项研究发现,在红

光照射下,褐牙鲆(Paralichthys olivaceus) 的 SOD

和 CAT 活性显著增加,并且随着红光辐照度的升

高而增加,但在绿光照射下,辐照度对这两种抗氧

化酶活性的影响并不显著[20]

。 本研究中红鳍东

方鲀幼鱼的 SOD、CAT 和 GPX 活性随着绿光辐照

度的逐渐升高呈现规律性的增加,未出现极端下

降的现象。 因此,在绿光环境下,红鳍东方鲀体内

的抗氧化防御系统可能通过调节抗氧化酶活性以

对抗应激环境。

4 结论

本研究结果表明,在300 mW/ m

2

、500 mW/ m

2

、

750 mW/ m

2

、1 000 mW/ m

2 和 1 500 mW/ m

2 的绿

光辐照度范围内,红鳍东方鲀的视觉系统未显示

出明显的损伤现象。 当辐照度超过 750 mW/ m

2

时,幼鱼的感光层及部分层厚度下降,并且其氧化

应激程度随着辐照度的升高而加剧。 然而,通过

观察红鳍东方鲀视网膜的微观结构和视蛋白基因

的变化,推测其视觉系统有能力针对不同辐照度

的绿光环境进行适应性的调整。 因此,结合生长

性能建议在室内养殖环境中选用表面白色的养殖

载体,采用绿光养殖红鳍东方鲀幼鱼并控制辐照

度在 500~750 mW/ m

2 范围内。 这些结果为优化

红鳍东方鲀人工养殖过程中的光照条件提供了重

要的理论依据。 本研究仅通过组织学方法评估了

视网膜的损伤程度,未来的研究可以使用其他技

术来进一步评估视网膜的具体损伤情况。 此外,

对于更高辐照度的绿光照射是否会对红鳍东方鲀

的视觉系统造成不可逆的损伤以及硬骨鱼类视蛋

白之间的转化机制,还需要进一步的深入研究。

□

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15

渔 业 现 代 化 2024 年

Effects of green light irradiance on retinal,opsins genes and

oxidative stress of Takifugu rubripes

ZHANG Zhibo

1,2

,WU Yanling

1,2

,ZHANG Yining

1,2

,CAI Haowei

1

,ZHAO Xinyu

1,2

,

ZHANG Xiaolong

1,2

,SUN Yan

1,4

,LIU Ying

1,3

,MA He

1,2

(1 Key Laboratory of Environment Controlled Aquaculture (KLECA),Ministry of Education,Dalian 116023,China;

2 College of Marine Technology and Environment,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China;

3 College of Biosystems Engineering and Food Science (BEFS),Zhejiang University,Hangzhou 310058,China;

4 Foshan Electric Lighting (Hainan) Co. ,Ltd. ,Foshan,China. Haikou,Hainan 570311,China)

Abstract:This study aimed to estimate the optimal light conditions for indoor cultivation of juvenile tiger puffer

(Takifugu rubripes),The juvenile fish were exposed to five irradiance of green light (G1 ∶300 mW/ m

2

,G2 ∶

500 mW/ m

2

,G3 ∶750 mW/ m

2

,G4 ∶1 000 mW/ m

2

and G5 ∶1 500 mW/ m

2

),white light (W) and dark (D)

for 60 days. At the end of the experiment, the retinal structure of the juvenile fish was observed, and

measurements were taken for retinal thickness,expression of visual protein genes,and changes in antioxidant

enzyme activity. The results showed that different irradiance of green light had no significant effect on the

retinal structure of juvenile fish. Different degrees of melanin migration occurred in the retina of all treatment

groups. Melanin granules were more aggregated in the G1 and D groups,while in the G4 and G5 treatment

groups,the density of melanin granules was relatively high. The total retinal thickness ( TT) decreased with

increased green light irradiance. The ratio of the thickness of each retinal layer to the total thickness was further

analyzed. The results showed that the changes in retinal thickness showed different trends among different

regions,with the G3 group having the highest proportion of the photoreceptor layer (PRos/ is/ TT) (P<0. 05).

The proportion of the outer plexiform layer ( OPL / TT) was significantly higher than those in other groups

except G1 (P<0. 05). The proportion of outer nuclear layer (ONL / TT) of juvenile fish in the G2 and G3

groups was significantly higher than that in the G1 and G4 groups ( P < 0. 05). There was no significant

difference in the proportion of pigment epithelium ( RPE / TT) and ganglion cell layer ( GCL / TT) among

different treatment groups (P>0. 05). Regarding the expression of opsin genes,Rod opsin expression was the

highest in groups exposed to white light (W)and dark conditions (D)(P<0. 05). SWS2 expression in the G3

group was the highest (P<0. 05). The expression of Opsin3 was the highest in the W group and the G5 group

(P<0. 05). For antioxidant enzymes,the activities of Superoxide Dismutase ( SOD),Catalase ( CAT) and

Glutathione Peroxidase (GPX) in the green light treatment groups increased regularly with the increase of light

irradiance,and there was no extreme decrease. In view of the effects of different light irradiance on retinal

thickness and oxidative stress in eye tissues of juvenile tiger puffer in this study,it is recommended to use a

white- colored cultivation substrate and green light in indoor cultivation environments. Additionally,it is advised

to control the light irradiance within the range of 500 to 750 mW/ m

2

.

Key words:Takifugu rubripes; light irradiance; retina; opsin; oxidative stress

16

第 51 卷第 3 期 渔 业 现 代 化 Vol. 51 No. 3

2024 年 6 月 FISHERY MODERNIZATION Jun. 2024

DOI:10. 3969 / j. issn. 1007-9580. 2024. 03. 003 开放科学(资源服务)标识码(OSID):

葛善,黄六一,刘晓,等. 短波紫外线辐照对近江牡蛎眼点幼虫存活及附着的影响[J]. 渔业现代化,2024,51(3):17-24.

收稿日期:2024-02-10

基金项目:山东省重点研发计划(2021SFGCO701);青岛市科技计划(23-1-3-hysf-2-hy)

作者简介:葛善(1999—),女,硕士研究生,研究方向:网箱网衣生物污损。 E-mail:geshan@ stu. ouc. edu. cn

通信作者:黄六一(1970—),男,博士,教授,研究方向:渔具渔法和设施渔业工程水动力学等。 E-mail:huangly@ ouc. edu. cn

短波紫外线辐照对近江牡蛎眼点幼虫存活及附着的影响

葛 善,黄六一,刘 晓,刘啟庆

(中国海洋大学水产学院,山东 青岛 266003)

摘要:近江牡蛎 (Crassostrea ariakensis) 是海洋中主要污损生物之一,对海上养殖设施以及海洋工程装备存

在较大的影响。 波长短能量大的短波紫外线(UV-C,波长 200~ 280 nm)辐照能够损伤贝类幼虫的 DNA 和蛋

白质结构,影响其存活和附着,可用于防治生物污损。 本研究选用二倍体近江牡蛎附着变态期的眼点幼虫为

研究对象,采用单一变量法,研究不同强度和剂量 UV-C 的眼点幼虫致死响应,以及不同 UV-C 辐照频率和

辐照距离下眼点幼虫的附着率差异性。 研究结果表明,10 W 短波紫外线灯辐照试验中部分处理组和对照组

在观测时间段内存在显著差异 (P<0. 05),24 h 后所有处理组试验单元内无存活幼虫,此时对照组存活率为

(26. 3±1. 9)%;20W 短波紫外线灯辐照试验中处理组和对照组在所有观测时间段的存活率均存在显著差异

(P<0. 05),24 h 后所有处理组试验单元内没有存活幼虫,此时对照组存活率为 (22. 3±1. 3)%;辐照频率达 5

min / h 时,平均附着率从 (12. 83±1. 17)% 降低至 (3. 31±0. 69)%,显著地降低了附着率;装置距离网衣 15

和 20 cm 对附着率的辐照效果无显著差异,与对照组相比均能有效减少附着。 本研究可为 UV-C 防治生物

污损的装备设计提供参考。

关键词:近江牡蛎;UV-C;存活率;附着率;生物污损

中图分类号:S972. 5 文献标志码:A 文章编号:1007-9580-(2024)03-0017-008

中国是世界第一渔业生产大国,2022 年全国

水产品总产量 6 865. 91 万 t,比上年增长 2. 62%,

其中,养殖产量 5 565. 46 万 t,同比增长 3. 17%。

海水养殖是可持续利用海洋资源的重要方式,为

社会提供了大量优质食物[1]

。 海水养殖除了养

殖环境复杂、养殖成本高外,还存在海洋防治污损

生物的难题,是制约其快速发展原因之一。 海洋

污损生物是指附着或固着在海洋设施上,对人类

开展经济活动可能带来巨大损失的海洋生物,包

括海洋微生物和海洋动植物[2-3]

。 防治生物污损

是全世界海洋水产业面临的重要难题[4-7]

。 污损

生物除了会与养殖生物形成竞争关系,争抢资源

如生长必需的营养物质、氧气等,还会堵塞网衣网

目,降低养殖设施内外的水体交换率从而造成局

部水质恶化,给养殖对象的健康状况和品质带来

负 面 影 响[3,8-9]

。 近 江 牡 蛎 ( Crassostrea

ariakensis)隶属于双壳纲 ( Bivalvia),珍珠贝目

(Pterioida),牡蛎科 (Ostreidae),巨蛎属,是中国

近海主要硬质污损生物之一。 对于养殖设施,牡

蛎等硬质生物的附着会增加网衣质量导致水动力

负荷急剧增加,降低养殖设施使用寿命,甚至磨断

纲索、网衣等材料,造成养殖对象逃逸,带来重大

经济损失[1-3,8-9]

。 国内外对硬质污损生物的防污

方法包括物理、化学和生物多个方向[8-12]

。 物理

防污法是指通过物理手段清除和抑制生物的附

着,主要有机械清除法、喷射流除污法和超声波防

污法等[8,10]

;化学防污涂料法通过在设备表面涂

装防污涂料,这种防污涂料可以缓慢释放出对污

损生物幼虫具有抑制作用的化学物质,使其无法

在设备表面附着和生长[8,10-13]

;生物防污法是通

过混养一定比例的清污鱼类等来防除养殖网箱设

备上的污损生物。 但由于化学涂料法存在使用寿

命限制,生物防污法操作难度较大,目前国内对网

衣使用最为广泛的防污方法仍以人工和机械物理

渔 业 现 代 化 2024 年

清除法为主。 这种方法费时费力且较为被动,随

着人们对海洋资源的深入开发利用,开发经济、便

捷、长寿的网衣防污方法将是重要的研究方向。

紫外线 (Ultraviolet,UV) 作为一种高效低耗、经

济主动的消毒技术,已被广泛应用于各领域的消

毒防污。 波长短能量大的 UV-C (波长 200 ~ 280

nm),通过损伤水生生物的 DNA 和蛋白质从而影

响水生生物的存活[14]

。 UV-C 辐照在海洋传感器

等仪器上的防污使用已被国内外较多研究证明有

效[15-17]

。 兰卉等[15]在温深盐传感器上安装紫外

线装置,海试结果表明,该装置在生物污损爆发的

夏季渤海近岸海域获得了较好的防生物附着效

果;MacKenzie 等[16]通过海试探究了周期性 UV-C

光照对海洋设备污损附着的影响,结果表明除了

UV-C 辐照的区域之外,仪器的其他表面都出现了

大量污损。 对于双壳类硬质污损生物来说,附着变

态期是其生命阶段中一个非常重要且特殊的阶段,

该阶段幼虫存在许多剧烈的形态学变化,消耗大量

能量[18-20]

。 这些幼虫将能量资源投入到快速发育

产生形态学变化以达到定居能力的同时,对免疫能

力存在着潜在的能量妥协[21]

,此阶段采用紫外辐

照对幼虫的存活和附着更容易产生影响。

本研究选用自然海域中广泛存在的二倍体近

江牡蛎附着时期的眼点幼虫,在室内试验水箱中研

究不同强度和剂量 UV-C 辐照对其存活的影响,以

及不同 UV-C 辐照频率和辐照距离下的附着率差

异,以期为 UV-C 防治生物污损的装备设计提供

参考。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

试验在山东莱州市润海育苗厂车间内进行,选

择二倍体近江牡蛎眼点幼虫(壳长 300 ~ 370 μm)

作为试验对象。 试验环境温度 27 ~ 29 ℃,养殖水

体温度 24~26 ℃,盐度 28~29。

1. 2 试验设备与布设

在 UV-C 对存活率的影响试验,参考已有的研

究采用试验灯源功率为 10 W 和 20 W 波长 254 nm

的 UV-C 照灯[22]

,使用 TTE35078 UV-C 辐照计监

测两组不同功率照灯在试验环境下的稳定输出辐

照度分别为 50 μW/ cm

2 和 100 μW/ cm

2

。 试验装

置采用准直光束装置(图 1),将装有眼点幼虫的 40

mL 试验单元烧杯以随机顺序放置于准直光束下,

距离灯源 10 cm。 计算辐照剂量公式如下[22]

:

F =

I × T

1 000

(1)

式中:F 辐照剂量 (mJ/ cm

2

) 是每个辐照单元内

幼虫获得的总累积能量;I 辐照度是在试验环境

下辐照计监测的稳定输出值 ( μW/ cm

2

);T 辐照

时间是 UV-C 处理的秒数 (s)。

图 1 准直光辐照试验装置

Fig. 1 Collimated light irradiation device

UV-C 对附着率的影响试验中,在 304 不锈

钢材质框架(近距离组长 30 cm×宽 30 cm×高 30

cm,远距离组长 40 cm×宽 40 cm×高 30 cm)四周

固定养殖设施中常用的绿色聚乙烯网衣(网目 25

mm,直径 1 mm),放置于白色塑料水箱(长 50 cm

×宽 40 cm×高 70 cm)内。 在框架中心固定 UV-C

光源以保证 4 个试验组网衣受到相同条件下的

UV-C 辐照 (图 2)。 每个水箱内幼虫密度控制在

2~3 个/ mL,设置一个气石充气。 试验期间每天

换水 1 / 3,投喂 2 ~ 3 次饵料,主要为角毛藻,辅之

金藻。

图 2 UV-C 辐照对附着率的影响试验装置

Fig. 2 Experimental device for UV-C irradiation of

settlement rate

18

第 3 期 葛善等:短波紫外线辐照对近江牡蛎眼点幼虫存活及附着的影响

1. 3 试验方法

1. 3. 1 UV-C 对存活率的影响试验

设置 3 个试验组,一个空白对照组和两个辐

照强度处理组,其中 10WUV-C 常压灯为低辐照

度,20WUV-C 常压灯为高辐照度。 其中,空白对

照组不设置 UV-C 处理,低辐照度试验处理组设

置 5 个辐照时间 (30 ~ 480 s),累积辐照剂量在

1. 5~24 mJ/ cm

2

;高辐照度试验处理组设置 3 个

辐照时间 (60~240 s),累积的辐照剂量在 6 ~ 24

mJ/ cm

2 [17-18]

,详见表 1。 对照组和所有处理组直

至取样分析前均使用漂浮架放置在恒温养殖池内

水浴保温。 定时观察辐照处理后 1、2、3、6、12、

24、48 h 后的存活率,在试验单元内水面以下不

同位置 2 ~ 3 cm 处多次抽取 1 mL 水体进行存活

个数的判定,未沉底或显微镜下观察有游动情况

即判定存活,每个试验工况下设置 5 组重复。 计

算平均存活率公式如下:

Z

-

=

∑

N

i = 1

Xi

Yi

n

× 100%,i = 1,2,3…n (2)

式中:Z

-

表示某试验单元的平均存活率 (%);X

表示某试验单元在一次试验中存活的数量 (个);

Y 表示某试验单元的总数量 (个);n 表示试验平

行次数,本研究试验平行次数 n = 5。

表 1 试验工况

Tab. 1 Conditions

试验工况 辐照度 辐照时间/ s 辐照剂量/ (mJ/ cm

2

)

Ⅰ — — —

Ⅱ 低 30 1. 5

Ⅲ 低 60 3

Ⅳ 低 120 6

Ⅴ 低 240 12

Ⅵ 低 480 24

Ⅶ 高 60 6

Ⅷ 高 120 12

Ⅸ 高 240 24

1. 3. 2 UV-C 对附着率的影响试验

对照组(CG)不设置 UV-C 光源;远距离辐照

组(LD)为 UV-C 光源距离网衣 20 cm,近距离设

置 UV-C 光源距离网衣 15 cm; 低频率辐照组

(LF)为 UV-C 辐照频率为 2. 5 min / h,高频率辐

照组(HF) 为 UV-C 辐照频率为 5 min / h

[17-18,23]

;

每天辐照 6 h,持续 3 d,具体参数设置见表 2,每

组设置 4 组重复。 试验单元水体中无游离幼虫认

为附着过程结束。 计算平均附着率公式如下:

A

-

=

∑

N

i = 1

ai

bi

N

× 100%,i = 1,2,3…N (3)

式中:?A 表 示 某 试 验 组 附 着 基 的 平 均 附 着 率

(%);a 表示某试验组中附着基附着的幼虫数量

(个);b 表示试验中所附着的幼虫总数量(个);N

表示试验平行次数,本研究试验平行次数 N= 4。

表 2 辐照频率和距离设定

Tab. 2 Radiation frequency and distance settings

试验组别 辐照频率/ (min / h) 辐照距离/ cm

对照组 CG — —

远距离辐照组 LD 2. 5 20

低频率辐照组 LF 2. 5 15

高频率辐照组 HF 5 15

1. 4 数据分析

采用独立样本 T 检验比较不同辐照度和辐

照剂量条件下,UV-C 处理组与对照组两组间幼

虫平均存活率的差异性,采用单因素方差分析比

较附着率试验中对照组和不同处理组多组间的平

均附着率差异。 数据分析利用 SPSS 25. 0 和

GraphPad Prism 9. 0. 0,以 P<0. 05 表示差异显著。

结果用平均值±标准误 (mean±SEM) 表示。

2 结果

2. 1 UV-C 辐照下的幼虫存活率

如图 3a 所示,在低辐照度处理组中,除了最

低剂量组 1. 5 mJ/ cm

2 在 1 h 观察时间点存活率

与对照组无显著差异外 (P>0. 05),其余各观测

时间点和对照组均存在显著差异 (P<0. 05)。 在

前 3 h 内,对照组与处理组存活率间存在显著差

异 (P<0. 05);6 h 后所有处理组存活率均降低至

30%以下,此时对照组存活率超过 50%;12 h 后,

所有处理组存活率均降低至 20%以下,3 mJ/ cm

2

以上剂量的处理组降低至 10%以下;24 h 后所有

处理组试验单元内无存活幼虫,此时对照组存活

率为 ( 26. 3 ± 1. 9)%;48 h 后对照组存活率为

(22. 3±2. 3)%。

19

渔 业 现 代 化 2024 年

如图 3b 所示,在高强度处理组中,处理组和对

照组在所有观测时间点的存活率均存在显著差异

(P<0. 05)。 6 mJ/ cm

2

、12 mJ/ cm

2 和 24 mJ/ cm

2

在 2~6 h 时内的观测时间点内与对照组存活率

均存在显著差异 (P<0. 05),在 6 h 后所有处理组

的存活率降低至 20%以下,此时对照组存活率超

过 50%。 12 h 后所有处理组存活率低于 3%,此

时对照组存活率为 (36. 8±4. 0)%,24 h 后所有紫

外处理组单元内没有存活幼虫,此时对照组存活

率为 (22. 3 ± 1. 3)%,48 h 后存活率为 (19. 7 ±

2. 5)%。

结果显示,相同辐照度下不同剂量组存活率

在不同观测时间点随着剂量增加而降低,不同观

测时间点下的不同剂量处理组和对照组间的存活

率变化存在显著差异 (P<0. 05)。 低强度和高强

度不同辐照剂量下的幼虫存活率(Z) 随处理时

间 (T) 变化拟合关系为(Z = a+b T

C

/ ( d

C + T

C

),

a、b、c、d 为常数),拟合公式见表 3。

I



I

ffi

             

























 ffi

图 3 低辐照度和高辐照度 UV-C 下不同剂量组的幼虫存活率

Fig. 3 Survival rate of larvae in different UV-C dose treatment groups under low and high radiation intensity

表 3 不同工况下幼虫存活率曲线的拟合方程

Tab. 3 Fitting equations of survival rate curves in different conditions

辐照度 辐照剂量/ (mJ/ cm

2

) 拟合方程 R

2

对照组

— Z = 0. 133+0. 756T

-1. 285

/ (6. 266

-1. 285 +T

-1. 285

) 0. 90

1. 5 Z = -0. 037+0. 882T

-1. 23

/ (5. 172

-1. 23 +T

-1. 23

) 0. 86

3 Z = 0. 002+0. 574T

-1. 242

/ (3. 2

-1. 242 +T

-1. 242

) 0. 95

低

6 Z = -0. 008+0. 609T

-2. 304

/ (4. 223

-2. 304 +T

-2. 304

) 0. 95

12 Z = -0. 004+0. 678T

-3. 14

/ (1. 13

-3. 14 +T

-3. 14

) 0. 90

24 — —

高

6 Z = -0. 0003+0. 579T

-2. 308

/ (2. 943

-2. 308 +T

-2. 308

) 0. 95

12 Z = -0. 039+0. 889T

-1. 372

/ (1. 115

-1. 372 +T

-1. 373

) 0. 90

24 Z = -0. 002+0. 275T

-4. 276

/ (1. 807

-4. 276 +T

-4. 276

) 0. 86

在 6 mJ/ cm

2 剂量处理组中,不同辐照度对幼

虫的死亡率影响并不大,观测 6 个时间点下的存

活率均无显著差异 (P>0. 05),24 h 后该辐照剂

量下幼虫全部死亡(图 4a)。 12 mJ/ cm

2 剂量处理

组中,不同辐照度下幼虫的存活率在 2 ~ 3 h 内均

存在显著差异 (P<0. 05),此时高强度辐照下的

存活率低于低强度辐照下的存活率;6 h 后两个

组存活率均值均降低至 10%以下,12 h 后该辐照

剂量下幼虫全部死亡(图 4b);24 mJ/ cm

2 处理组

中,不同辐照度组幼虫的存活率在 1 h 内无显著

差异,2 h 内存在显著差异 (P<0. 05),3 h 后两个

组存活率均值均降低至 10%以下, 6 h 后该辐照

剂量下幼虫全部死亡(图 4c)。

20

第 3 期 葛善等:短波紫外线辐照对近江牡蛎眼点幼虫存活及附着的影响

J J J

图 4 不同辐照剂量和强度下的 UV-C 辐照度下的幼虫存活率

Fig. 4 Survival rate of larvae under different dose and UV-C irradiation intensities

2. 2 UV-C 辐照下的牡蛎幼虫附着率

图 5 为眼点幼虫在不同处理组网衣上的附着

数量和附着率。



$( )' -' -%









fl





fl





fl

B fl

B

C

C C

C

C

C

图 5 幼虫在不同处理组网衣上的附着数量

和附着率

Fig. 5 The number and rate of juveniles attaching to the

netting in different treatment groups

由图 5 可知,对照组的平均附着量与所有试

验组间存在显著差异 (P<0. 05),试验组间平均

附着量无显著差异 (P<0. 05),对照组平均附着

量是试验组的 2. 4 ~ 3. 9 倍。 对照组和试验组的

附着率存在显著差异 (P<0. 05),对照组平均附

着率为 (12. 83±1. 17)%,高频率试验组平均附着

率为 (3. 31±0. 69)%,低频率试验组的平均附着

率为 (3. 47±0. 38)%,远距离试验组的平均附着

率为 (5. 38±0. 78)%。 试验组与对照组间附着率

均存在显著差异 (P<0. 05),远距离辐照组和近

距离辐照组间无显著差异 (P>0. 05)。

3 讨论

3. 1 UV-C 对幼虫存活率的影响

试验结果说明,UV-C 辐照会对近江牡蛎幼

虫的存活率在短时间内产生显著影响,辐照剂量

越高,存活率下降越快;同时,近江牡蛎幼虫的存

活率也受辐照的影响。 在低剂量下提高辐照度对

幼虫 存 活 率 没 有 显 著 影 响, 如 在 辐 照 剂 量

6 mJ/ cm

2 时,不同辐照度下幼虫存活率无显著差

异;但在较高辐照剂量下,提高辐照度能在一段时

间内显著降低幼虫的存活率。 当辐照剂量达到

12 mJ/ cm

2 时,高辐照度组存活率在处理后 6 h 内

显著低于低辐照度组(P<0. 05);当辐照剂量达到

24 mJ/ cm

2 及以上时,幼虫存活率在 2 h 内同样存

在显著差异(P<0. 05)。

Scott 等[21]使用了 384 mJ/ cm

2 以上较大剂量

的 UV-C 对入侵生物双壳类斑马贻贝幼虫进行辐

照试验,发现在较短时间内幼虫即达到 100%的

死亡率;Alecia 等[21] 将 UV-C 应用于入侵生物双

壳类条纹贻贝的治理中,结果表明功率 50 W 的

高强度 UV-C 灯源累积辐照 26. 2 mJ/ cm

2 的剂量

下可使临近附着期的条纹贻贝幼虫在处理后 72 h

内存活率比对照组降低近 30%。 本研究的 UV-C

对近江 牡 蛎 眼 点 幼 虫 存 活 率 的 影 响 试 验 中,

24 mJ/ cm

2 处辐照剂量下,20 W 高辐照度组幼虫

的存活率在 1 h 后即与对照组间开始存在显著差

异 (P<0. 05),3 h 后存活率均值降低至 10%以

下,6 h 后该辐照剂量下处理组内幼虫全部死亡,

此时对照组存活率超过 50%。 不同物种对 UV-C

辐照响应的结果说明,UV-C 的辐照处理对双壳

类污损生物的存活率均产生显著影响,但即使是

生物分类和发育时期上类似的物种,对紫外线的

耐受程度也存在差异。 此外在本次试验中,除

UV-C 处理组的处理期间,其他时间所有试验单

元均置于养殖水池内恒温避光暂养,避免了自然

界紫外线强度对试验结果的影响,但与前人试验

21

渔 业 现 代 化 2024 年

中试验单元和光源的距离,水体的浊度等参数的

不同都可能导致结果产生一定的差异性[21-22]

。

3. 2 UV-C 降低附着率的原因

本试验在养殖工程中常见的 PE 网衣附近布

设了 UV-C 装置,在较低的辐照频率下达到了较

好的防附着效果。 眼点幼虫附着期间设置距离网

衣 15cm 频率 5 min / h 的 UV-C 辐照将附着率降

低至 3. 31%,相比较对照组的平均附着率减少了

74. 2%。 UV-C 辐照降低附着率根本的原因可能

有:(1)UV-C 对幼虫的直接毒理损伤会使得幼虫

主动远离网衣。 有研究表明,UV-C 不仅会在较

短的时间内产生的环丁烷嘧啶二聚体 (CPDs) 等

DNA 光产物严重影响遗传物质的复制转录过

程[23-24]

,还可通过调控 PLOD2 基因表达下调诱

导水生生物形态产生畸变以及调控细胞膜细胞通

路等影响生物的生理功能[25-27]

;(2)UV-C 辐照可

能通过影响附着基表面生物膜从而影响污损生物

附着。 已有较多文献提到不同的生物膜情况对于

双壳类的附着生物有着不同的诱导附着效果,如

生物膜上的细菌密度,菌群组成以及胞外产物都

是影响其附着定居的重要因素,不同的生物膜情

况对于双壳类幼虫的附着变态和定居有着不同程

度的诱导和影响[28-32]

,其背后具体的诱导效果还

需进一步探究。

3. 3 UV-C 在网衣污损生物防治上面临的问题

UV-C 防污性能受到多种因素的影响,其中

包括光源的特性,如辐照剂量、强度和持续时间

等。 本试验结果表明,辐照剂量越大,UV-C 对贝

类幼虫的存活率影响越大,而相同辐照剂量不同

辐照度下的响应也有所不同。 此外,光源和网衣

之间的距离也会影响 UV-C 防污性能,距离越近,

防污效果也越好。 因此,在使用 UV-C 光源进行

防污处理时,需要根据具体的防污目标调整光源

的辐照度、持续时间和距离等参数,以达到最佳的

防污效果。 在实际海域应用中,UV-C 防污技术

的效果不仅受到光源特性的影响,还会受到环境

水体浊度的制约,环境水体的浊度会直接影响紫

外线的穿透能力和防污效果。 以 254 nm 的 UVC 辐照为例,在浊度为 50 mg / L 的悬浊液中距离

光源 1 cm 会有约 20%的能量被水体中的悬浮颗

粒吸收[33]

。 除此之外,污损生物的群落特性也可

能会对 UV-C 防污效果产生影响。 例如在早期附

着过程中,被囊动物比苔藓类生物对 UV-C 的辐

照更敏感[28]

,这种差异意味着 UV-C 防污技术在

应对不同种类和生命阶段的污损生物时,效果可

能会有所不同。 因此,为了确保 UV-C 防污技术

在实际应用中的有效性,必须结合具体海域情况

以及养殖网箱的污损生物群落特性来确定合适的

辐照方式以制定更有效的防污策略。

4 结论

随着全球海水养殖业的蓬勃发展,养殖网箱

规模的扩大和养殖时间的延长,网箱网衣污损附

着的问题日益凸显。 作为一种极具发展潜力的防

污方法,研究 UV-C 辐照对牡蛎等硬质生物存活

率及网衣附着率的影响具有重要意义。 本文研究

结果表明,不同辐照度和辐照剂量的 UV-C 辐照

会对近江牡蛎眼点幼虫存活率产生显著影响;

UV-C 装置在距离网衣 15 cm 和 20 cm 辐照频率

达 5 min / h 时,与对照组相比有效减少了网衣上

污损生物平均附着率。 本研究为 UV-C 防治生物

污损的装备设计提供了参考,为网箱防污的研究

提供了新思路。 □

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23

渔 业 现 代 化 2024 年

Effects of Ultraviolet-C on the larvae survival rate and

settlement rate of Crassostrea ariakensis

GE Shan,HUANG Liuyi,LIU Xiao,LIU Qiqin

(College of Fisheries,Ocean University of China,Qingdao 266003,Shandong,China)

Abstract:Crassostrea arakensis is one of the main fouling organisms in the ocean,which has a significant

impact on marine aquaculture facilities and marine engineering equipment. Short wavelength and high- energy

ultraviolet radiation (UV-C,200-280 nm) can damage the DNA and protein structure of shellfish larvae,

affecting their survival and attachment. They can be used to prevent biological fouling. This study selected the

larvae of Crassostrea arakensis as the research object. The single variable method was used to study the lethal

response of larvae under different intensities and doses of UV-C,as well as the differences in attachment rates

of larvae under different UV-C irradiation frequencies and distances. The research results showed significant

differences (P<0. 05) between some treatment groups and the control group during the observation period in

the 10 W shortwave UV-C irradiation experiment. After 24 hours, there were no surviving larvae in all

treatment groups in the experimental units,and the survival rate of the control group was (26. 3±1. 9)%; In

the 20W UV-C irradiation test,there was a significant difference in survival rates between the treatment group

and the control group at all observation periods (P<0. 05). After 24 hours,there were no surviving larvae in all

treatment groups in the experimental units,and the survival rate of the control group was (22. 3±1. 3)%; when

the irradiation frequency reached 5 minutes/ h,the average adhesion rate decreased from (12. 83±1. 17)% to

(3. 31±0. 69)%,significantly reducing the adhesion rate; There was no significant difference in the irradiation

effect of the attachment rate between the distance of 15 and 20 cm, and both groups were able to reduce

attachment compared to the control group effectively. This study can provide references for the design of

equipment for UV-C prevention and control of biological fouling.

Key words:Crassostrea ariakensis; UV-C; survival rate; settlement rate; bio-fouling

24

第 51 卷第 3 期 渔 业 现 代 化 Vol. 51 No. 3

2024 年 6 月 FISHERY MODERNIZATION Jun. 2024

DOI:10. 3969 / j. issn. 1007-9580. 2024. 03. 004 开放科学(资源服务)标识码(OSID):

程果锋 ,程翔宇,周宏亮,等. 罗非鱼养殖尾水絮凝去除效果研究[J]. 渔业现代化,2024,51(3):25-32.

收稿日期:2023-12-03

基金项目:海南省重点研发计划“罗非鱼池塘养殖尾水生态工程化处理技术研究与示范(ZDYF2021XDNY276)”;国家现代农业产业技术

体系(CARS-46)

作者简介:程果锋(1981—),男,硕士,副研究员,研究方向:池塘水域生态修复。 E-mail:chengguofeng@ fmiri. ac. cn

通信作者:刘兴国( 1965—),男,博士,研究员,研究方向:水域生态修复。 E-mail:liuxingguo@ fmiri. ac. cn

罗非鱼养殖尾水絮凝去除效果研究

程果锋1

,程翔宇2

,周宏亮3

,刘兴国1

,高小婷4

,刘士坤1

,宋志奇4

(1 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,上海 20092;

2 上海海洋大学水产与生命学院,上海 201306;

3 北京水产集团有限公司,北京 100071;

4 东华大学环境学院,上海 201620)

摘要:罗非鱼养殖尾水中含有大量的残饲和粪便等颗粒悬浮物,这些物质是氮、磷营养元素的主要载体。 将

养殖尾水外排会导致周边水体富营养化。 当前常见的尾水处理方式具有占地面积大、投资高、效率低等缺

点,影响其推广使用。 为解决这一问题,探索采用絮凝工艺对罗非鱼养殖尾水进行处理,选取聚合硫酸铁、三

氯化铁、壳聚糖和碳酸镁等 4 种絮凝剂,通过比较浊度、总悬浮物和化学需氧量的去除效果,筛选出适合用于

养殖尾水处理的絮凝剂。 结果显示:聚合硫酸铁的效果优于其他 3 种絮凝剂。 在投加量 0. 4 g / L、pH = 8、絮

凝时间 15 min 时,聚合硫酸铁对养殖尾水的浊度、总悬浮固体颗粒物(TSS)和化学需氧量(COD)的去除率分

别达到了 96. 7%、92. 6%和 95. 1%。 对絮凝后絮体评价发现,絮体的沉降高度与浊度去除率具有一定相关

性,絮体的成长受成核作用的影响。 尾水处理前后的 zeta 电位说明聚合硫酸铁通过破坏尾水中的悬浮物的

稳定结构而净化尾水。 研究表明,在罗非鱼养殖尾水处理时,可选择聚合硫酸铁作为絮凝剂。

关键词:罗非鱼;养殖尾水;聚合硫酸铁;絮凝;尾水处理

中图分类号:S959 文献标志码:A 文章编号:1007-9580-(2024)03-0025-008

罗非鱼(Tilapia)是中国重要淡水经济鱼类,

2020 年全国总产量达到 165. 54 万 t,主要分布在

广东、海南、广西等地[1-2]

。 目前,罗非鱼池塘养

殖普遍采用高放养密度、高投饲量的精养模式,排

放尾水中含有较高氮、磷、有机质,尤其是富含残

饲和粪便等颗粒悬浮物成为营养元素的主要载

体,尾 水 外 排 会 导 致 周 边 水 体 富 营 养 化[3-5]

。

2019 年,《关于加快推进水产养殖业绿色发展的

若干意见》

[6]促使养殖尾水治理模式推广行动成

为全国水产健康养殖“五大行动”之一,水产养殖

尾水处理已是迫在眉睫。

为了解决水产养殖尾水的处理问题,科研人

员已经开发了许多水处理方法。 目前具有代表性

的处理手段有:生物处理[7-9]

、氧化还原[10-13]

、膜

分离[14-17]等处理方法,这些方法存在效率低、净

化效果不稳定、投资和运行成本高、养殖户难以承

受等缺点。 常用的“三池两坝”、复合人工湿地为

代表的多级净化模式[18]

,在多地得到推广应用,

但存在占地面积大(占养殖水面面积 10%以上),

投资成本高等问题,且无法满足鱼类集中上市高

峰排水需求。 絮凝法通过絮凝剂将水体中的悬浮

物和有机污染物聚集成絮凝物并沉降,实现尾水

的固液分离,具有占地面积小、投资低、处理效果

稳定、适用范围广等优点,已经广泛用于制药、造

纸和纺织等行业,但在水产养殖尾水处理方面还

缺少研究[19-25]

。一般来说,常规的铝系絮凝剂

(例如聚合硫酸铝) 的使用会对水产产生严重

影响[25]

。

本研究选取聚合硫酸铁、三氯化铁、壳聚糖和

碳酸镁作为研究对象,重点针对罗非鱼养殖尾水

渔 业 现 代 化 2024 年

的处理,旨在探究不同絮凝剂的絮凝性能和絮体

特性,以选取罗非鱼养殖尾水处理最为适宜的絮

凝剂,为尾水治理提供重要参考。

1 材料与方法

1. 1 试剂与仪器

聚合硫酸铁、三氯化铁、壳聚糖、碳酸镁和氢

氧化钠等药品均为分析纯,来自国药集团。 六联

电动磁力搅拌器( IKA RM 20),能够同时控制 6

个搅拌器,其搅拌速度精度在±1%以内。 便携式

浊度计(Hach Lambda 35),能够快速测量液体浊

度,精度在±2%以内。 热鼓风干燥箱型号(Binder

TD 80 / 300),其温度控制精度在± 1℃ 以内。 紫

外-可见分光光度仪(Shimadzu UV-2700),其光谱

仪器的分辨率和校准精度误差在± 0. 5% 以内。

高温消解仪(Thermo Fisher CEM Mars 6),消解温

度控制精度在±1℃以内。

1. 2 养殖尾水

水产养殖尾水采自上海市松江区某罗非鱼水

产养殖基地。 经过初步水质检测,试验尾水的平

均温度为 ( 24. 60 ± 0. 10)℃ , 平均 pH 为 6. 5 ±

0. 03,平均浊度为(102. 800±4. 511)NTU,平均总

悬浮颗粒物(TSS)为(32. 251±1. 351)mg / L,平均

化学需氧量(CODcr)为(70. 206±2. 514)mg / L,平

均 NH

+

4

-N 为 1. 059±0. 031 mg / L。

1. 3 方法

将 6 个 1000 mL 的烧杯置于磁力搅拌器上,

在每个烧杯中添加 500 mL 的养殖尾水水样。 用

0. 1 mol / L HCl 或 NaOH 调节初始水样的 pH,直

至达到试验所需要的 pH。 然后按如下步骤进行

絮凝试验:在杯中加入预设剂量的絮凝剂,同时调

节磁力搅拌器为快速搅拌(200 r/ min)模式,保持

1 min,使絮凝剂充分混匀,然后调节为慢速搅拌

(60 r/ min)模式并保持 15 min。 结束后迅速将其

倒入 500 mL 的量筒中静置沉降 30 min, 每隔

5 min,测量絮体堆积的高度,最后于水样液面下 3

~5 cm 处取上清液用于测定浊度、TSS 和 CODcr

的浓度。 通过对比不同絮凝剂的沉降性能而选取

出一种最优的絮凝剂,进一步考察投加量、pH 以

及搅拌时间对絮凝剂絮凝性能的影响,从而探索

一种简单实用的絮凝方法用于水产养殖尾水回用

领域。 所有试验均进行 3 次平行。

1. 4 分析方法

本研究所采用的检测方法如下:采用便携式

浊度仪 测 定 浊 度; 采 用 纳 氏 试 剂 分 光 光 度 法

(HJ535—2009)

[26]测定水体的氨氮,采用 HJ828-

2017《水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》

[27] 测

定水体的化学需氧量,采用 GB11901-89《水质悬

浮物的测定重量法》

[28] 测定水体的悬浮物,利用

光学显微镜观察絮体的形态变化,利用 zeta 电位

分析仪测定絮凝过程 zeta 电位的变化情况。 絮凝

试验中各个指标的去除率见式(1):

η = [(C0

- Ct) / C0 ] × 100% (1)

式中:η 为去除率;C0 为各指标在水体中的初始

数值;Ct 为 t 时刻各指标在水体的数值。

2 结果

2. 1 不同絮凝剂的污染物去除效果

图 1 对比了聚合硫酸铁、三氯化铁、壳聚糖、

碳酸镁 4 种絮凝剂的絮凝试验对比浊度,TSS 和

CODcr 的去除的影响。 絮凝试验在恒定 pH(pH =

6. 5)条件下进行,絮凝剂投加量为 0. 4 g / L,搅拌

总时长为 15 min,如图 1 所示。



  



















fl



# TSS COD

图 1 不同的絮凝剂对养殖尾水中污染物的

去除率的对比

Fig. 1 Comparison of removal rates of pollutants from

aquaculture tailwater by different flocculants

聚合硫酸铁的投加对养殖尾水中的污染物

(浊度、TSS 和 CODcr) 去除率分别为: 93. 9% ±

3. 5%、90. 6%±3. 9%和 92. 6% ±2. 9%;三氯化铁

的投加对养殖尾水中的污染物 ( 浊度、 TSS 和

CODcr) 去除率分别为:85. 6% ± 2. 1%、84. 6% ±

5. 2%和 84. 5%±3. 4%;壳聚糖的投加对养殖尾水

26

第 3 期 程果锋等:罗非鱼养殖尾水絮凝去除效果研究

中的污染物(浊度、TSS 和 CODcr)去除率分别为:

5. 0%±1. 2%、14. 0%±1. 9%和 7. 6%±0. 9%;碳酸

镁絮凝剂的投加对养殖尾水中的污染物(浊度、

TSS 和 CODcr)去除率分别为:2. 0%±1. 5%、5. 0%

±2. 0%和 12. 4%±1. 6%。 综上,聚合硫酸硫酸铁

絮凝剂的效果最佳。

2. 2 投加量的影响

当聚合硫酸铁的投加量为 0. 1 g / L 时,养殖

尾水中的浊度、 TSS 和 CODcr 去 除 率 分 别 为:

57. 1%±4. 2%、42. 0%±5. 0%和 53. 4%±5. 2%;当

聚合硫酸铁的投加量 0. 2 g / L 时,养殖尾水中的

浊度、 TSS 和 CODcr 去 除 率 分 别 为: 83. 1% ±

5. 0%、89. 9%±4. 8%和 86. 5%±3. 7%; 当聚合硫

酸铁的投加量 0. 3 g / L 时,养殖尾水中的浊度、

TSS 和 CODcr 去 除 率 分 别 为: 90. 9% ± 3. 5%、

90. 6%±3. 9%和 87. 6% ±2. 9%;当聚合硫酸铁的

投加量 0. 4 g / L 时,养殖尾水中的浊度、TSS 和

CODcr 去 除 率 分 别 为: 93. 9% ± 3. 5%、 90. 6%

±3. 9%和 92. 6%±2. 9%;当聚合硫酸铁的投加量

0. 5 / L 时,养殖尾水中的浊度、TSS 和 CODcr 去除

率分别为:91. 0%±4. 5%、85. 9%±3. 6%和 84. 8%

±4. 1%; 当聚合硫酸铁的投加量 0. 6 g / L 时,养

殖尾水中的浊度、TSS 和 CODcr 去除率分别为:

71. 2%± 5. 7%、65. 5% ± 3. 3% 和 79. 0% ± 5. 4%。

可以发现投加量在 0. 4 g / L 附近,去除效率较好。

不同投加量对养殖尾水中污染物的去除的影响如

图 2 所示。

      0

10

20

30

40

50

60

70

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100

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120



fl



 H-

# TSS COD

图 2 不同投加量对养殖尾水中污染物的

去除的影响

Fig. 2 Effect of different dosage on the removal of

pollutants in aquaculture tailwater

2. 3 pH 的影响

pH 在絮凝过程中的影响是不容忽视的,它通

过影响絮凝剂的水解进而影响絮凝剂在水处理过

程中的组成及存在形态。 在上述最佳的聚合硫酸

铁絮凝剂投加量下(0. 4 g / L),考察了不同 pH(2、

4、6、8 和 10)对絮凝过程中的去除率的影响,搅拌

模式同先前一致,不同 pH 对养殖尾水中污染物

的去除率的影响如图 3 所示。

     

























fl



pH

# TSS COD

图 3 不同 pH 对养殖尾水中污染物的

去除率的影响

Fig. 3 Effect of different pH on the removal of pollutants

in aquaculture tailwater

由图 3 可知,当尾水 pH = 2 时,养殖尾水中的

浊度、 TSS 和 CODcr 去 除 率 分 别 为: 34. 8% ±

2. 5%、40. 2% ± 2. 8% 和 29. 3% ± 1. 8%; 当尾水

pH = 4 时,养殖尾水中的浊度、TSS 和 CODcr 去除

率分别为:75. 0%±1. 6%、67. 7%±4. 1%和 32. 4%

±3. 6%; 当尾水 pH = 6 时,养殖尾水中的浊度、

TSS 和 CODcr 去 除 率 分 别 为: 93. 9% ± 3. 5%、

90. 6%±3. 9% 和 92. 6% ± 2. 9%; 当尾水 pH = 8

时,养殖尾水中的浊度、TSS 和 CODcr 去除率分别

为:96. 6% ± 2. 6%、 92. 6% ± 1. 9% 和 95. 1% ±

4. 2%;当尾水 pH = 10 时,养殖尾水中的浊度、TSS

和 CODcr 去 除 率 分 别 为: 90. 3% ± 2. 6%、

89. 0%±3. 2%和 95. 8% ±3. 1%。 显然,尾水呈现

偏碱性时,各种污染物的去除率较高。

2. 4 搅拌时间的影响

搅拌时间是絮凝过程中的一个重要的指标,

它会影响絮体的形成过程,从而影响絮凝剂的絮

凝效果。 因此在最佳絮凝剂投加量和 pH 的条件

27

渔 业 现 代 化 2024 年

下,探究了搅拌时间(5、10、15、20、25 和 30 min)

对聚合硫酸铁的絮凝效果,试验结果如图 4 所示。

      20

30

40

50

60

70

80

90

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110

120



fl



NJO

# TSS COD

图 4 不同搅拌时间对养殖尾水中污染物的

去除率的影响

Fig. 4 Effect of different mixing time on the removal

of pollutants in the aquaculture tailwater

如图 4 可知,当搅拌时间为 5 min 时,养殖尾

水中的浊度、TSS 和 CODcr 去除率分别为:78. 0%

±4. 8%、79. 8% ±4. 1%和 73. 3% ±5. 3%; 当搅拌

时间为 10 min 时,养殖尾 水 中 的 浊 度、 TSS 和

CODcr 去除率分别为:92. 1%±4. 2%、90. 6%±2. 7%

和 86. 5%±5. 8%;当搅拌时间为 15 min 时,养殖

尾水中的浊度、 TSS 和 CODcr 去 除 率 分 别 为:

94. 2% ± 3. 8%、95. 2% ± 3. 9%和 88. 9% ± 2. 7%;

当搅拌时间为 20 min 时,养殖尾水中的浊度、TSS

和 CODcr 去除率分别为:93. 2% ±4. 4%、95. 3% ±

2. 4%和 84. 8%±4. 3%;当搅拌时间为 25 min 时,

养殖尾水中的浊度、TSS 和 CODcr 去除率分别为:

91. 9%±2. 5%、90. 3%±2. 6%和 77. 2%±5. 3%;当

搅拌时间为 30 min 时,养殖尾水中的浊度、TSS 和

CODcr 去除率分别为: 85. 0% ± 3. 3%、 87. 5% ±

2. 7%和 50. 5%±8. 9%。 显然,搅拌时间为 15 min

时,各种污染物的去除率较高。

2. 5 絮凝后的沉降高度

絮凝后的沉降高度是评估絮凝剂效果的重

要指标之一,可用于评判水产养殖尾水处理过

程中絮体的性能。 图 5 中( A) ( B) 和( C) 分别

代表不同投加量、搅拌时间和 pH 条件下絮凝后

絮体高度随时间的变化。 从图中可以发现絮凝

处理后的沉淀高度变化规律是相似的。 在最初

的 0 ~ 5 min 内,沉淀高度增加到一个最高值,然

后随着时间增加,絮体逐渐堆积,密实度增加,

高度降低至平稳。

       









fl

ffi



DN



flNJO 

flNJO 

flNJO

0.1 g/L

0.2 g/L

0.3 g/L

0.4 g/L

0.5 g/L

0.6 g/L

\" # $

      

pH = 2

pH = 4

pH = 6

pH = 8

pH = 10

      

 NJO

 NJO

 NJO

 NJO

 NJO

 NJO

图 5 (A)絮凝剂投加量、(B)pH 和(C)搅拌时长对絮凝后沉降高度的影响

Fig. 5 Effect of (A) flocculant dosage,(B) pH and (C) mixing duration on settling height after flocculation

2. 6 絮体的微观结构

为了进一步对絮凝效果进行评价,分别对不

同投加量条件下(0. 1 、0. 2 和 0. 4 g / L)沉降 30

min 的絮体进行显微镜观察,光学显微镜下的絮

体的微观结构(放大倍数:40 倍)如图 6 所示:投

加量越大,絮体的体积越大,更加密集。 此外,在

低去除率的体系中凝结的絮体几乎没有核,但在

高去除率的体系中凝结的絮体可产生核体。

2. 7 水体 zeta 电位的变化

图 7 所示,最佳投加量和 pH 条件下,聚合硫

酸铁絮凝剂在不同时间点的 zeta 电位。 聚合硫酸

铁絮凝剂的加入使得养殖尾水的 zeta 电位迅速升

高,在最初的 5 min 从初始的-12. 52 mV 升高至

-10. 28 mV,随着搅拌时间的延长,在搅拌时间为

15 min 时,体系的 zeta 电位上升至-2. 56 mV,此

时绝对值最低,15 min 为最佳的搅拌时间。

28

第 3 期 程果锋等:罗非鱼养殖尾水絮凝去除效果研究

\"

 H- #

 H-

$

 H-

图 6 光学显微镜下的絮体的微观结构

Fig. 6 Microstructure of flocculent under optical microscope

NJO

[FUB

N

7

      

图 7 反应前后水体 zeta 的变化

Fig. 7 Changes in water zeta before and after reaction

3 讨论

3. 1 絮凝材料的选择

从图 2 中可以很明显看出,壳聚糖和碳酸镁

絮凝剂对养殖尾水中污染物去除效果欠佳。 壳聚

糖由于在水中溶解性不大,所以可利用率较低,其

对污染物的最佳去除率不足 20%。 熊晓莉等[32]

以硫酸铁和壳聚糖复配才实现实际废水 TSS 去除

率达 90%以上,表明该技术不利于该养殖尾水的

回收利用。 碳酸镁在原水的 pH 条件下,通过水

解转化为氢氧化镁的过程受到了阻碍,这不利于

实现后续的絮凝沉淀过程,因此,在养殖尾水的处

理中也并不适用。 反观聚合硫酸铁和三氯化铁两

种铁盐絮凝剂,他们在絮凝过程中效果是十分明

显的, 各 污 染 物 的 去 除 率 都 达 到 了 77. 5% ~

94. 0%。 相比于三氯化铁,聚合硫酸铁对各种污

染物的去除效率更佳,浊度、TSS 和 CODcr 的去除

率分别为 94. 0%、90. 6%和 92. 6%,其原因可能在

于聚合硫酸铁分子中氢氧根离子的存在为整个体

系增加了的碱度,促进了胶体的生成,有利于絮凝

过程的推进[10]

。 王鑫等[31] 使用壳聚糖与生物絮

凝剂复配对养殖污水的 CODcr 的去除率最高为

85%,显然,本研究中使用的聚合硫酸铁的处理效

能更高。

虽然壳聚糖和碳酸镁被认为是环境友好的絮

凝剂[20]

,但其较差的去除效果,不适宜应用于养

殖尾水的处理。 虽然聚合硫酸铁和三氯化铁具有

一定毒性,但这种毒性影响是在过量使用时才引

起的[19]

。 其次,聚合硫酸铁的成本相对较低,仅

为 30 元/ kg。 壳聚糖、碳酸镁和三氯化铁的生产

成本较高。 因此从絮凝效果、经济成本和绿色环

保角度,建议选取聚合硫酸铁絮凝剂作为养殖尾

水絮凝剂。

3. 2 聚合硫酸铁絮凝养殖尾水的研究

3. 2. 1 加量的影响

图 2 展示了不同聚合硫酸铁的投加量对尾水

中各种污染的去除效果。 总的来说,聚合硫酸铁

的投加量对去除效果影响较大。 聚合硫酸铁的投

加量对浊度和 TSS 的去除具有一致性,当投加量

为 0. 1 g / L 时,浊度和 TSS 的去除率不足 60%,随

着投加量增加至 0. 2 g / L,浊度和 TSS 的去除率显

著上升至 80%以上,当投加量增加至 0. 4 g / L 时,

两者的去除率达到最优,去除率超过 90%,但是

随着投加量增加至 0. 5 g / L 时,去除率开始下降。

这可能是因为絮凝剂投加过多时,水中胶体可能

会重新带正电而导致排斥力增加,使得脱稳胶体

重新稳定化,导致污染物去除率有所降低[19]

。 在

CODcr 的去除中也发现了相似的规律,随着絮凝

剂投加量的增加,污染物的去除先增加后减少。

因此通过一系列试验,选择 0. 4 g / L 投加量来进

行后续的絮凝试验。

3. 2. 2 pH 的影响

如图 3 所示,可以发现,随着 pH 从 2 增加至

29

渔 业 现 代 化 2024 年

10,浊度、TSS 和 COD 的去除率随着 pH 增大而呈

现先上升后下降的趋势,当絮凝体系为酸性时,絮

凝效果较差,各污染物的去除率较低。 其原因在

于酸性条件下,主要产生了 Fe(OH)

2+

,Fe

3+等,缺

少多核 Fe(OH)

3+的吸附电中和作用,导致去除效

率降低[21]

。 随着 pH 升高至碱性,污染物的去除

效率显著上升,可能由于碱性条件下,聚合硫酸铁

絮凝剂水解形成带正电的多核络合离子与养殖尾

水中带负电荷的悬浮物微粒产生压缩双电层等混

凝作用,故污染物去除效果较好[22]

。 当 pH = 8

时,4 种污染物的去除是最佳的,其浊度、TSS 和

CODcr 去除率分为:96. 7%、92. 6%和 95. 1%。 但

随着 pH 的进一步增加,Fe

3+主要以 Fe(OH)3 沉

淀形式存在,电中和作用性能下降,导致污染物的

去除率有一定程度下降。 综上所述,pH = 8 是聚

合硫酸铁处理养殖尾水的最佳 pH 条件。

3. 2. 3 搅拌时间的影响

如图 4 所示,随着搅拌时间延长至 10 min,絮

凝效果显著提升,各种污染物指标的去除率均达

到 90%左右。 当搅拌时间进一步增加至 15 min

时,浊度, TSS 和 CODcr 的 去 除 率 分 别 达 到 了

94. 2%、95. 2%、88. 9%。 若搅拌时间进一步增

加,浊度和 CODcr 的去除率呈现下降趋势,在搅

拌时间为 30 min 时,CODcr 降至 50. 5%。 导致这

一现象的原因可能是絮凝反应刚开始时,搅拌能

够促进絮凝剂的沉淀网捕等一系列絮凝作用[29]

,

因此前 15 min 的搅拌促进了絮凝剂对各种污染

物的去除,去除率显著提升。一旦搅拌时间过长,

搅拌作用对形成的絮体有一定的机械破碎作用,

因此导致了絮体破碎,部分污染物重新释放出来,

导致水体中各污染物的去除效果降低。 所以合适

的搅拌时间不仅能够提高污染物去除率,同时也

能够节约能源,降低能耗。 因此,15 min 是聚合硫

酸铁处理本养殖尾水的最佳搅拌时间。

3. 2. 4 各因素对絮凝后沉降高度的影响

如图 5A 所示,当投加量为 0. 1 g / L 时,絮体

高度随时间的变化增幅较小且后续未出现絮体密

度增加的现象,表明此时絮凝效果较差,絮团也较

为松散,这印证了此时污染物的去除率较低的现

象。 当投加量为 0. 5 g / L 时,沉降高度最高,表明

此时产生了大量的絮体。 但试验的最佳投加量为

0. 4 g / L,这证明絮体的沉降能力是污染物去除的

影响因素但不是决定性因素。 对于不同搅拌时间

的影响,在搅拌时间为 15 min 时,沉降高度最高,

这也说明去除率越高,沉降高度越高。 针对不同

pH 处理后的尾水,当 pH = 8 时,沉降高度最大,而

pH 为 2 时几乎不产生絮体,这与不同 pH 条件下

污染物的去除效果存在相关性。一般而言,越接

近最佳试验参数,絮体的沉降性能越好。

3. 3 絮体性能的评价

3. 3. 1 絮体的微观结构

如图 6 所示,可以很明显发现,去除率越高,

其絮体的体积越大,更加密集,这说明了聚合硫酸

铁在该条件下的沉淀网捕、吸附电中和等一些絮

凝作用更强。 不仅如此,从图 6 中也可以看出,在

低去除率的体系中凝结的絮体几乎没有核,但在

高去除率的体系中凝结的絮体可产生核体。 核体

的形成增强了絮凝作用,使得絮体体积变大,促使

二次结团,聚集成更密实体积更大的絮体,这有利

于絮凝作用的发挥而使得絮体快速沉降,从而促

进污染物的去除[23]

。

3. 3. 2 反应前后水体 zeta 电位的变化

zeta 电位是一种评价体系稳定性的方法,其

绝对值越大说明体系中的胶体和悬浮物越稳定。

反之 zeta 电位绝对值越小,水中的悬浮物和胶体

稳定性降低,说明絮凝去除率越高[30]

。 如图 7 所

示,聚合硫酸铁絮凝剂的加入使得养殖尾水的

zeta 电位迅速升高。 在搅拌时间为 15 min 时,体

系的 zeta 电位上升至- 2. 56 mV,此时绝对值最

低,恰好 15 min 为最佳的搅拌时间。 这说明聚合

硫酸铁絮凝剂破坏了养殖尾水中悬浮物体系的稳

定性,使悬浮颗粒失稳并借助絮凝剂的电中和作

用使其沉降而去除[21]

。 搅拌时间进一步延长,

zeta 电位的绝对值开始增大,此时体系中的胶体

和悬浮物变得稳定,不易去除,这印证了过度延长

搅拌时间会降低污染物的去除率。

4 结论

对 4 种絮凝剂(聚合硫酸铁、三氯化铁、壳聚

糖、碳酸镁) 在养殖尾水处理上絮凝效果初步对

比,以及不同因素对聚合硫酸铁絮凝剂絮凝效果

影响的详细探索,得出以下结论:聚合硫酸铁是处

理水产养殖尾水的优秀絮凝剂,能有效去除浊度

和 TSS,去除率超过 90%。 最佳处理条件为投加

量 0. 4 g / L,pH 为 8,搅拌 15min。 絮体的微观结

30

第 3 期 程果锋等:罗非鱼养殖尾水絮凝去除效果研究

构和 zeta 电位的测定说明了聚合硫酸铁是一种可

用于水产养殖尾水处理的絮凝剂。 絮体的微观结

构和 zeta 电位的测定说明了聚合硫酸铁是一种可

用于水产养殖尾水处理的优异絮凝剂。 □

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31

渔 业 现 代 化 2024 年

Study on the flocculation removal effect of tilapia farming effluent

CHENG Guofeng

1

,CHENG Xiangyu

2

,ZHOU Hongliang

3

,LIU Xingguo

1

,

GAO Xiaoting

4

,LIU Shikun

1

,SONG Zhiqi

4

(1 Fishery Machinery and Instrument Research Institute,Shanghai 201306,China;

2 Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China;

3 Beijiang Fisheries Group Co.,Ltd.,Beijing 100071,China;

4 Donghua University,Shanghai 201306,China)

Abstract:Tilapia farming effluent contains a large amount of suspended particles such as uneaten feed and

feces, which are the main carriers of nitrogen and phosphorus nutrients. Discharging the effluent into

surrounding water bodies can lead to eutrophication. The common effluent treatment methods currently have

disadvantages such as large land occupation, high investment, and low efficiency, affecting widespread

adoption. To address this issue, this paper explores useing the flocculation process to treat tilapia farming

effluent,selecting four flocculants: polyferric sulfate, ferric chloride, chitosan, and magnesium carbonate. By

comparing the removal effects on turbidity, total suspended solids ( TSS ), and chemical oxygen demand

(COD), a suitable flocculant for effluent treatment is selected. The results show that polyferric sulfate

outperforms the other three flocculants (ferric chloride,chitosan,and magnesium carbonate). With a dosage of

0. 4 g / L,pH = 8,and flocculation time of 15 minutes,polyferric sulfate achieved removal rates of 96. 7% for

turbidity,92. 6% for TSS,and 95. 1% for COD. Evaluation of the flocculated flocs revealed that the height of

floc settling has a certain correlation with the turbidity removal rate,and the growth of the flocs is affected by

nucleation. The zeta potential before and after effluent treatment suggests that polyferric sulfate purifies the

effluent by disrupting the stable structure of suspended particles in the water. Therefore,polyferric sulfate can

be selected as a flocculant in treating tilapia farming effluent.

Key words:tilapia; farming tailwater; ferrous sulfate; flocculation; tailwater treatment

32

第 51 卷第 3 期 渔 业 现 代 化 Vol. 51 No. 3

2024 年 6 月 FISHERY MODERNIZATION Jun. 2024

DOI:10. 3969 / j. issn. 1007-9580. 2024. 03. 005 开放科学(资源服务)标识码(OSID):

孔令蔚,杨蕖,马超,等. 波浪作用下半潜式网箱浮架结构的参数敏感性分析[J]. 渔业现代化,2024,51(3):33-45.

收稿日期:2024-01-01

基金项目:国家自然科学基金面上项目“风浪流联合作用下漂浮式光伏与网箱一体结构动力响应特性(32373188)”

作者简介:孔令蔚(1999—),男,硕士研究生,研究方向:深远海养殖工程与装备。 E-mail:a1149224784@ 163. com

通信作者:赵云鹏(1980—),男,教授,研究方向:深远海养殖工程与装备、海洋牧场工程设计与信息化、海上新能源、海岸工程水动力学。

E-mail :ypzhao@ dlut. edu. cn

波浪作用下半潜式网箱浮架结构的参数敏感性分析

孔令蔚,杨 蕖,马 超,赵云鹏

(大连理工大学,海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁 大连 116024)

摘要:为了探究半潜式网箱在波浪作用下的力学性能,针对该网箱构件的外径进行参数敏感性分析,采用边

界元方法建立了一种半潜式网箱的水动力数值计算模型,在验证模型准确性后,引入有限元方法计算了网箱

的应力分布。 随后基于拉丁超立方抽样法抽取样本方案并计算了各个设计参数的 Spearman 系数,依据该系

数对各设计参数的敏感性进行了整体分析。 随后进一步单独分析了参数的敏感性,给出了这些参数在结构

优化时的推荐取值范围。 结果显示,半潜式网箱的各设计参数在其取值范围内与网箱最大应力呈负相关关

系。 其中:下支撑管外径的敏感性最高,而其他参数的敏感性较接近。 上弧管和下弧管外径推荐的取值范围

较大,分别为 36~ 56 cm 和 46 ~ 76 cm;中弧管、斜管和细立柱外径推荐的取值范围较小,分别为 23 ~ 28 cm、

38~ 40 cm 和 50~ 60 cm;下支撑管和上支撑管外径的取值不得低于 70 cm 和 50 cm。 研究结果可为半潜式网

箱在波浪作用下的结构优化提供参考。

关键词:半潜式网箱;参数敏感性;结构强度分析;水动力数值计算

中图分类号:S969. 19 文献标志码:A 文章编号:1007-9580-(2024)03-0033-012

在远离大陆的深远海水域发展大型网箱养

殖,已成为缓解近海养殖环境压力、突破资源受限

和空间制约问题的重要举措[1]

。 2016 年,中国成

功承建了国际上首个半潜式深远海养殖网箱项

目———“Ocean Farm 1”,这一项目目前被认为是

全球最大的深远海养殖网箱。 深远海养殖被视为

支持鱼类工业化养殖与可持续发展的关键举措,

有着前所未有的发展机遇。

半潜式深远海养殖网箱通常布置于开放海

域,面对多变的海洋环境。 为确保网箱结构的

安全性,必须特别关注网箱浮架结构的强度,确

保在海浪和洋流的荷载作用下不发生结构破

坏。 因此,对半潜式网箱的力学性能进行分析

显得尤为重要。 国内外学者对此进行了许多相

关研究,Zhao 等[2] 参考 Ocean Farm 1 设计了一

种半潜式网箱,并通过物理模型实验研究了该

网箱在波浪作用下的水动力响应。 崔勇等[4] 建

立了波浪作用下一种半潜式网箱的数值模型,

并通过仿真计算求解了 3 种压载工况下网箱的

锚绳受力与运动情况。 Cifuentes 等[5] 使用莫里

森力模型对波浪和流荷载联合作用下的网箱进

行了分析,预测了浮架上的载荷以及网衣上的

阻力。 刘海阳等[6]对中国当前应用的圆型深水

网箱和六三型深水网箱护栏进行了弹塑性阶段

的力学试验和有限元分析。 Li 等[7] 采用数值模

型分析了沉管质量对网笼变形和均布荷载的影

响,数值模拟结果与实验结果吻合较好。 Lader

等[8]进行了一系列物理模型实验,研究了在均

匀流动 中 不 同 重 量 圆 形 网 笼 的 受 力 和 变 形。

Yao 等[9]开发了一种新的混合体积方法,考虑流

固相互 作 用 来 模 拟 网 架 上 的 水 流 负 载。 Liu

等[10]基于有限单元法分析了一种单点系泊浮架

呈现三角形的深水网箱强度。 国内外学者对网

箱的力学性能进行了较为充分的研究,对于网

渔 业 现 代 化 2024 年

箱设计参数敏感性的相关研究相对较少。 然

而,设计参数敏感性的研究对于工程设计至关

重要。 这项研究有助于确定影响结构性能的关

键设计参数,并能在设计阶段有针对性地进行

结构优化。 通过了解参数的敏感性,可以更有

效地利用资源,降低工程风险,并指导实际制造

过程。 为了深化对结构行为和工程系统的科学

理解,促进相关领域的进步,有必要首先进行网

箱设计参数敏感性分析的相关研究。

本研究针对半潜式网箱浮架结构特点,使用

有限元方法对半潜式网箱浮架结构进行了力学分

析,并基于拉丁超立方的采样方法,以 Spearman

相关系数为评价指标,对浮架结构的设计参数进

行了敏感性分析。 定量地给出了半潜式网箱浮架

结构优化设计建议,为半潜式网箱浮架结构优化

设计参数的选取提供了参考。

1 基本理论及求解方法

1. 1 水动力响应求解方法

对于网箱浮筒及粗立柱,采用势流理论忽略

流体粘性进行简化求解,联立流体域内、波面条

件、水底条件、结构物表面和无穷远处辐射条件,

即可解出拉普拉斯方程。 具体的控制方程和边界

条件[4]如下。

拉普拉斯方程:

Δφ =

∂

2

φ

∂X

2

+

∂

2

φ

∂Y

2

+

∂

2

φ

∂Z

2

= 0 (1)

自由表面:

∂

2

φ

∂t

2

+ g

∂φ

∂Z

= 0 (2)

湿表面条件:

∂φ

∂n

=?UJ·?nj (3)

水底条件:

∂φ

∂n

Z = -H

= 0 (4)

无穷远处辐射条件:

lim

R→∞

R

∂φ

∂R

( - ikφ) = 0 (5)

式中:g 为重力加速度,m / s

2

; t 为时间,s; U 为湿

表面某处速度,m / s; n 为湿表面某处法线方向,H

为海底距水面距离,m; R 为空间内一点到分析处

的距离,m; k 为波数,m

-1

。

利用源项分布法[4] 得到网箱湿表面上每一

个水动力网格上的速度势:

φi

= ∑

N

j = 1

βijσj,j = 1,2,3,…,N (6)

式中:βij 为影响系数,σj 为分布源密度。

求得湿表面上的速度势后,可利用动量方程

得到作用在网箱表面上的动压力值:

P(xi,yi,zi,t) = ρ

∂φ

∂t

(7)

由湿表面上的压力积分便可得到作用在网箱

结构上的波浪力的水平、垂直及力矩:

Fx

= ∫∫P(x,y,z)nxdS

Fy

= ∫∫P(x,y,z)nydS

Mz

= ∫∫P(x,y,z)(xny

- znx)nxdS

ì

î

í

ï

ï

ï

ï

ï

ï

(8)

式中,nx 为某处法线方向沿 x 轴的分量,ny 为某

处法线方向沿 y 轴的分量,S 为任意曲面。

对于其余结构,采用 Morison 方程计算,细杆

件中黏性的影响要大于惯性的影响,如果采用统

一的势流理论就忽视黏性的影响,不能很好地描

述细杆件的受力和运动[11]

。 表达式如下:

F?= F?ND

+ F?NI

=

1

2

ρCDAN?VR?VR

+ ρCm∀N

∂?VR

∂t

+ ρ∀N

∂?V

∂t

(9)

式中:F?ND 表示拖曳力,N;F?NI 表示惯性力,N; CD

表示拖曳力系数;Cm 为附加质量系数;AN 为构件

在流速方向上的投影面积,m

2

;?VR 为水质点与构

件的相对运动速度,m / s;∀N 为构件排开水的体

积,m

3

。

线弹性系泊缆的锚绳拉力表示如下:

T =

k(L - L0 ) L > L0

0 L ≤ L0 { (10)

式中:T 为锚绳拉力,k 为系泊缆刚度,L0 为锚绳

初始长度,L 为锚绳拉伸后的长度。

浮体的时域运动方程[11]

:

34

第 3 期 孔令蔚等:波浪作用下半潜式网箱浮架结构的参数敏感性分析

(Mjk

+ mjk)x

¨

k(t) + ∫

t

-∞

x

˙

k(τ)Rjk(t - τ)dτ +

Kjk

xk(t) = FEXk(t) + Gk(t) (11)

式中:Mjk 为浮体的质量,kg;mjk 为浮体的附加质

量,kg;Rjk(t-τ)为速度脉冲响应函数,xk( t)为浮

体的位移,m; FEXk(t)为浮体受到的波浪激励力,

N; Gk(t)为作用在浮体上的其他外力,N。

1. 2 结构应力求解方法

半潜式网箱在水中会受到水动力压力及静水

压力。 在流体动力学衍射分析中计算的入射、衍

射、辐射和静水压力变化分量的实部和虚部用于

评估指定入射波振幅和相位角下每个结构节点处

的总流体动力学压力:

Pθ

= a(Pr

cosθ + Pi

sinθ) (12)

式中:Pθ 是所需相位角 θ 下的总水动力压力,Pa;

当入射波峰经过结构重心时,θ = 0°;是指定的入

射波振幅;Pr 和 Pi 分别是总的流体动力学(入

射、衍射、辐射和流体动力学变化)压力分量的实

部和虚部。

当静水压力也包括在内时,总压力 P 是流体

动力学部分和静水力学部分的总和:

P = Pθ

+ PS (13)

求解应力时,使用有限元法对结构进行离散

化,并在每个有限元上求解应力。 在线性弹性问

题中,应力通常通过以下方式计算:

σ = Eε (14)

式中:σ 为应力,Pa; E 为材料的弹性模量,Pa;ε

为应变。

通过比较 Mises 应力和材料的屈服极限,可

以评估结构元件的强度。 Mises 应力的计算原理

基于线弹性材料的屈服准则,通常使用下述的

公式:

σVM

=

1

2

[(σ1

- σ2 )

2 + (σ2

- σ3 )

2 + (σ3

- σ1 )

2

] + 3(τ

2

12

+ τ

2

23

+ τ

2

31 ) (15)

式中:σ1 ,σ2 ,σ3 是材料点上的主应力,Pa; τ12 ,

τ23 ,τ31 是剪应力,Pa。

1. 3 参数敏感性求解方法

拉丁超立方抽样(Latin Hypercube Sampling)

是一种为参数空间提供均匀采样的统计技术,通

常用于在多维参数空间中生成代表性的设计

点[12]

。 该方法需要为每个参数划分取值范围,可

以通过将每个参数的范围等间隔地划分为子区域

来确保划分是均匀的,子区域的数量通常等于所

需的设计点的数量。 抽样时,对于每个参数,都从

相应的子区域中随机选择一个值,各行和各列都

包含一次每个子区域的取值,保证每个参数在整

个参数空间内都有代表性的值。 同时对每个子区

域内的选择进行约束,即在选择各行和各列的值

时,需要确保已选择的值不与该行或该列中已有

的值重复,这样能够确保已经选择的值在每一行

和每一列上都不重复。 该方法生成的抽样点可以

直接用于问题的数值模拟、实验设计、参数研究等

分析。 这些设计点在参数空间内提供了相对均匀

的采样,有助于分析者更全面地了解参数对系统

行为的影响。

斯皮 尔 曼 秩 相 关 系 数 ( Spearman ' s rank

correlation coefficient) 是一种用于衡量两个变量

之间的单调关系的统计指标[13-14]

,计算过程基于

秩次,使得该系数受数据分布的影响较小,适用于

非线性关系的评估,其取值范围在-1 到 1 之间,

-1 表示完全的负相关,1 表示完全的正相关,0 表

示无相关,相关系数越接近 1 或-1,表示相关性

越大。 Spearman 相关系数的计算需要对每个变

量的数据进行排序并分配秩次,计算时采用下述

的公式:

ρ = 1 -

6∑d

2

i

n(n

2 - 1)

(16)

式中:di 为秩次差,n 为样本数。

Spearman 相关系数不依赖于数据的分布,该

系数测量的是变量之间的单调关系,同时适用于

线性和非线性数据,因此可以作为衡量本文参数

敏感性的指标。

1. 4 整体分析流程

本文首先采用边界元方法计算出半潜式网箱

所受的波浪力和锚绳力,再将波浪力和锚绳力数

35

渔 业 现 代 化 2024 年

据传递至有限元模型中进行应力分析,随后分别

对设计参数对网箱的最大应力进行单独敏感性分

析和整体敏感性分析。

简要分析流程如图 1 所示。







fl 

 









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4QFBSNBO



图 1 简要分析流程

Fig. 1 Brief analysis process

2 数值模型及验证

2. 1 参数化建模

本研究以 Zhao 等[2] 研究的一种半潜式网箱

为例,建立结构参数化模型,并根据该文献中的物

理模型实验结果来验证该数值模型的有效性。 该

半潜式网箱主要由浮筒、立柱、支撑管和弧管组

成。 使用面板单元建立网箱的浮筒和粗立柱,管

单元建立网箱的细立柱、弧管和支撑管,网格划分

完毕后的模型如图 2 所示。

将上弧管、下弧管、支撑管、上支撑管、中弧

管、细立柱和斜管的外径和内径作为参数,对网箱

最大应力进行敏感性分析。 控制外径与内径的差

即壁厚在计算时保持不变。 半潜式网箱各设计参

数位置如图 3 所示。



fl

图 2 半潜式网箱网格模型

Fig. 2 Semisubmersible cage element model



















图 3 半潜式网箱设计参数位置

Fig. 3 The positions of design parameters in the semisubmersible cage

2. 2 数值模型设置

网箱采用 4 点紧绷锚泊形式,锚绳长度为

360 m,根据 Zhao 等[2] 试验测得所选用锚绳的伸

长量与拉力之间的关系,计算得出模拟线性锚绳

的弹性系数。 锚定方式如图 4 所示。

数值模拟水池长 8 000 m、宽 240 m、深 120 m,

36

第 3 期 孔令蔚等:波浪作用下半潜式网箱浮架结构的参数敏感性分析

网箱吃水 43. 2 m,海水密度为 1 025 kg / m

3

。 时域

分析中时间步长设为 1 s,时长为 300 s,浪向角

为 0°。

图 4 半潜式网箱锚定方式

Fig. 4 Mooring method of the semisubmersible cage

为提升计算效率,在 AQWA 求解器中添加额

外阻尼以模拟装配网衣的情况,添加的额外阻尼

值根据 Zhao 等[3] 的模拟结果计算得出。 为方便

结果验证,数值模拟的规则波工况选取 Zhao 等[2]

研究中采用的工况。 具体数值见表 1。

表 1 半潜式网箱规则波试验工况

Tab. 1 Regular wave experimental conditions for the

semisubmersible cage

工况序号 波高/ m 波浪周期/ s

1 12. 0 10. 95

2 12. 0 13. 15

3 12. 0 15. 34

2. 3 数值模型验证

将求解结果与 Zhao 等[2] 水槽模型试验的结

果进行比较分析,水槽试验中采用的半潜式网箱

模型按照 1 ∶ 120 的比尺进行制作。 基于相似准

则,将物理模型试验结果数据转换为与原型实物

网箱相对应的数据,然后与本文针对原型网箱的

数值模拟结果进行对比。 图 5 为不同工况下,半

潜式网箱水动力响应计算机模拟值与试验值的比

较情况。

  















N

T T

  

2

3

4

5

6



N

ffi



ffi



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 #





\" #

T T

  













 c

$

  

 

 

 

 

 

 

 

 





L/

%

$



 %





ffi



ffi



图 5 波高 12 m 不同波浪周期下网箱水动力响应对比

Fig. 5 Wave height 12 m,comparison of hydrodynamic response of net cage under different wave periods

37

渔 业 现 代 化 2024 年

通过对比试验值和数值模拟结果时间历程曲

线可知,锚绳力、纵荡运动、升沉运动和纵摇运动

的试验值与数值结果基本保持一致。 通过计算可

知垂荡、纵荡、纵摇和锚绳力的相对误差分别为

4. 2%、3. 8%、8. 0%和 13. 1%。 锚绳力误差较大

的原因,考虑是忽略了网衣的质量,导致网箱惯性

偏小,从而使纵摇等偏大,引起锚绳力偏大。 但曲

线走势基本相同,采用该数值模型可以反映规则

波作用下半潜式养殖平台的动力响应,包括锚绳

力和运动响应。

3 分析结果及讨论

3. 1 网箱边界条件及应力分布

本研究考虑的荷载包括结构自重、波浪力和

锚绳拉力。 波浪工况为波高 H = 12 m,波浪周期

为 15. 34 s 的规则波,该工况下的平均锚绳拉力

较其他工况更大,对网箱结构优化更有参考意义,

锚绳拉力取该工况下单个周期内锚绳拉力的最大

值。 在网箱与锚绳的连接段添加铰链连接,该连

接类型只允许连接轴法向平面内的旋转,可以较

好地模拟锚绳与网箱的连接方式。

半潜式网箱锚绳连接方式如图 6 所示。

图 6 半潜式网箱锚绳连接方式

Fig. 6 Semi-submersible cage anchor rope connection

实际工程中,网箱浮筒内部有结构支撑,在波

浪荷载下形变较小,因此在分析时视为刚体;锚绳

与地面连接处添加固定约束。 计算结果见图 7。

如图所示,将浮筒视为刚体的情况下,网箱的最大

应力出现在粗立柱和斜管的连接处,同时另一侧

的粗立柱和斜管连接处也产生了较大的应力,这

是由于这两个粗立柱下端连接着锚绳,受锚绳拉

力的影响较大。

\"

  #

  $

 

图 7 波高 12 m、波浪周期 15. 34 s 工况下半潜式网箱应力分布云图

Fig. 7 Stress distribution nephogram of semisubmersible net cage under wave height 12 m,wave period 15. 34 s conditions

3. 2 参数敏感性分析

3. 2. 1 敏感性分析流程

进行敏感性分析时,首先需输入半潜式网箱整

体的结构模型、网箱所采用材料的特性以及力学分

析时的边界条件如波浪作用和锚绳拉力等。 随后

参数化网箱的管径,采用拉丁超立方抽样方法在网

箱管径的参数集中生成若干组不同的设计方案,从

这些设计方案中选择一组作为敏感性分析的输入

参数,计算该设计方案的网箱在波浪和锚绳力等边

界条件作用下的最大应力,之后储存计算结果并再

38

第 3 期 孔令蔚等:波浪作用下半潜式网箱浮架结构的参数敏感性分析

计算另一组设计方案的网箱最大应力,直到所有的

设计方案都计算完毕。 最后针对这些方案的计算

结果计算各设计参数对网箱最大应力的 Spearman

相关系数,计算得到的 Spearman 相关系数可以作

为设计参数敏感性的评价指标。 半潜式网箱设计

参数敏感性分析的流程如图 8 所示。







 

 



/

fi



/4QFBSNBO











 

/ 



  

  

图 8 半潜式网箱设计参数敏感性分析流程

Fig. 8 Sensitivity analysis process of design parameters in semisubmersible cage

3. 2. 2 参数抽样情况

网箱管径参数在输入时需设置合理的取值范

围,其中,上弧管、下弧管、下支撑管和上支撑管的

取值范围为 50~110 cm,中弧管的取值范围为 15

~50 cm,斜管的取值范围为 30 ~ 50 cm。 细立柱

的取值范围为 50~130 cm。 采用拉丁超立方抽样

方法在上述各参数的取值范围下生成不同的设计

方案。 采样时把各参数的取值范围均匀划分为

200 个子区间,并在子区间内生成随机的数值,确

保每个参数的取值在整个样本集中都是唯一的,

生成的随机数保留一位小数。 样本共计 200 个,

由于样本数量较多,此处只展示部分样本设计方

案,如表 2 所示。

表 2 部分设计方案

Tab. 2 Partial design schemes

工况

序号

上弧管

外径

/ cm

下弧管

外径

/ cm

下支撑

管外径

/ cm

上支撑

管外径

/ cm

中弧管

外径

/ cm

细立柱

外径

/ cm

斜管

外径

/ cm

1 89. 1 101. 0 98. 6 94. 8 44. 1 128. 4 46. 8

2 103. 3 89. 8 94. 8 102. 7 49. 5 109. 2 46. 4

3 95. 9 76. 8 89. 5 57. 2 47. 4 95. 3 48. 1

4 73. 3 94. 8 69. 5 65. 2 30. 8 71. 4 31. 9

5 51. 1 51. 3 82. 2 69. 4 35. 9 105. 2 39. 3

6 64. 4 100. 7 102. 6 100. 0 47. 2 78. 9 35. 4

3. 2. 3 参数敏感性整体分析

基于上述条件,首先对网箱设计参数进行整

体敏感性分析,半潜式网箱各构件外径对网箱最

大应力的 Spearman 相关系数的计算结果为:上弧

管 ρUA

= -0. 19,下弧管 ρLA

= -0. 17,下支撑管 ρLB

= - 0. 97,上支撑管 ρUB

= - 0. 26,中弧管 ρMA

=

-0. 13,细立柱 ρTC

= -0. 17,斜管 ρIC

= -0. 21。

结果显示,在综合分析中,半潜式网箱各设计

参数在其取值范围内与网箱最大应力的关系均为

负相关,即管件的外径降低时,网箱的最大应力增

大。 其中,下支撑管外径的 Spearman 系数达到了

-0. 97,远大于其他设计参数,这是因为下支撑管

位于网箱的底部,连接网箱中心立柱和网箱周围

的浮架,与网箱和锚绳的连接点基本位于同一水

平高度,要承受大部分的锚绳力,在结构优化时需

要更细分该参数的取值并增加该参数的设计点数

量。 上支撑管外径的 Spearman 系数为-0. 26,与

网箱最大应力的敏感性仅次于下支撑管。 这是因

为上支撑管同样连接中心立柱和网箱周围的浮

架,但所处水平位置较高,承受的锚绳力也相对较

小,而且数量只有 6 根,远小于支撑管的 16 根。

上弧管外径的敏感性同样较高, Spearman 数为

-0. 19,高于下弧管外径的-0. 17,这是因为上支

39

渔 业 现 代 化 2024 年

撑管的数量太少,导致上弧管需要承受的锚绳力

大 于 下 弧 管。 斜 管 外 径 的 Spearman 系 数 为

-0. 21,细立柱外径的 Spearman 系数为-0. 17,斜

管与细立柱一同连接网箱框架上部和下部,防止

网箱发生垂直方向上的变形,因此两者外径对网

箱最大应力有一定的敏感性。

3. 3 参数敏感性单独分析

单独分析时,仅改变其中一个参数外径的取

值,其余参数保持初始值不变。 通过分析单个参

数不同取值下求得的网箱最大应力变化趋势,确

定相应参数在结构优化研究时的取值范围。 上弧

管和下弧管外径初始值为 96 cm,上支撑管和下

支撑管外径初始值为 95 cm,中弧管和斜管外径

初始值为 48 cm,细立柱外径初始值为 120 cm。

以 10 cm 为变化幅度,分析计算了上弧管外

径取值范围在 26 ~ 96 cm 下的共计 8 个设计方

案。 结果曲线见图 9。

       



















.

1B

 DN

图 9 网箱最大应力随上弧管外径的变化曲线

Fig. 9 Curve of maximum stress in the net cage as a function of

the outer diameter of the upper arch pipe

如图所示,上弧管的外径在 26 ~ 36 cm 范围

内时,网箱最大应力随上弧管外径的增大而减小,

且减小速度较大,上弧管的外径在 36 ~ 56 cm 范

围内时,网箱最大应力随上弧管外径的增大几乎

不变,外径在 56~96 cm 范围内时,最大应力随上

弧管外径的增大而增大,且随着外径的增大,最大

应力变化的速度变低。

以 10 cm 为变化幅度,分析计算了下弧管外

径取值范围在 26 ~ 96 cm 下的共计 8 个设计方

案。 结果曲线见图 10。

        





















.

1B

 DN

图 10 网箱最大应力随下弧管外径的变化曲线

Fig. 10 Curve of maximum stress in the net cage as a function of

the outer diameter of the lower arch pipe

如图所示,下弧管的外径在 26~56 cm 范围内

时,网箱最大应力随下弧管外径的增大而减小,且

随着下弧管外径的增大,网箱最大应力减小的速度

变低,下弧管的外径在 56~96 cm 范围内时,网箱最

大应力随下弧管外径的增大而增大,且变化速度随

着下弧管外径的增大几乎不变,下弧管外径每增大

10 cm,网箱的最大应力就增大约 0. 6 MPa。

以 5 cm 为变化幅度,分析计算了下支撑管外

径取值范围在 60 ~ 95 cm 下的共计 8 个设计方

案。 由于下支撑管外径在较低时引起的应力过

大,难以观测到拐点,因此又以 0. 5 cm 为变化幅

度,计算了下支撑管外径取值范围在 91. 5~95 cm

下的共计 8 个设计方案,结果曲线见图 11。 如图

所示,下支撑管的外径在 60 ~ 93. 5 cm 范围内时,

网箱最大应力随外径的增大而减小,且变化速度

随着外径的增大而减小。 此时下支撑管应力即为

网箱最大应力,且外径增大时,增大波浪力的效果

小于减小自身应力的效果。 下支撑管的外径在

93. 5~95 cm 范围内时,网箱最大应力随外径的增

大而增大,且变化速度较慢。

以 5 cm 为变化幅度,分析计算了上支撑管外

径取值范围在 60 ~ 95 cm 下的共计 8 个设计方

案。 结果曲线见图 12,上支撑管的外径在 60 ~ 90

cm 范围内时,网箱最大应力随上支撑管外径的增

大而减小。 其中,上支撑管的外径在 60 ~ 85cm 范

围内时,最大应力的变化速度较高,且变化速度随

着上支撑管外径的减小几乎不变,上支撑管外径

40

第 3 期 孔令蔚等:波浪作用下半潜式网箱浮架结构的参数敏感性分析

每减少 5 cm,网箱最大应力就减小约 1. 9 MPa;上

支撑管的外径在 60 ~ 85 cm 范围内时,最大应力

的变化速度较低。 外径在 90 ~ 95 cm 范围内时,

网箱最大应力随上支撑管外径的增大而增大。

       













 DN  DN

       

















.

1B







.

1B

\"

  DN_ DN #

  DN_ DN

图 11 网箱最大应力随下支撑管外径的变化曲线

Fig. 11 Curve of maximum stress in the net cage as a function of the changing outer diameter of the lower brace

60 65 70 75 80 85 90 95





















.1B

 DN

图 12 网箱最大应力随上支撑管外径的变化曲线

Fig. 12 Curve of maximum stress in the net cage as a function of

the changing outer diameter of the upper brace

以 5 cm 为变化幅度,分析计算了中弧管外径

取值范围在 13 ~ 48 cm 下的共计 8 个设计方案。

结果曲线见图 13。 如图所示,中弧管的外径在 13

~23 cm 范围内时,网箱最大应力随中弧管外径的

增大而减小,中弧管的外径在 23 ~ 48 cm 范围内

时,网箱最大应力随中弧管外径的增大而增大。

其中,外径在 23~28 cm 范围内时,网箱最大应力

变化的速度较低,外径在 28 ~ 48 cm 范围内时,变

化的速度较高,且随着中弧管外径的增大变化速

度几乎不变,中弧管外径每增大 5 cm,网箱最大

应力就增大约 0. 5 MPa。

以 10 cm 为变化幅度,分析计算了细立柱外

径取值范围在 50 ~ 120 cm 下的共计 8 个设计方

案。 结果曲线见图 14。

       





















.1B

 DN

图 13 网箱最大应力随中弧管外径的变化曲线

Fig. 13 Curve of maximum stress in the net cage as a function of

the outer diameter of the middle arch pipe

        



















.

1B

 DN

图 14 网箱最大应力随细立柱外径的变化曲线

Fig. 14 Curve of maximum stress in the net cage as a function of

the outer diameter of the thin column

41

渔 业 现 代 化 2024 年

如图所示,细立柱的外径在 50 ~ 120 cm 范

围内时,网箱最大应力随细立柱外径的增大而

增大。 其中,细立柱的外径在 50 ~ 90 cm 范围内

时,最大应力的变化速度随着细立柱外径的增

大几乎不变,细立柱外径在 90 ~ 120 cm 范围内

时,最大应力的变化速度随着细立柱外径的增

大而变高。

以 5 cm 为变化幅度,分析计算了中弧管外径

取值范围在 13 ~ 48 cm 下的共计 8 个设计方案。

由于斜管在取值较低时引起的应力过大,难以观

测到拐点,因此又以 2 cm 为变化幅度,计算了斜

管外径取值范围在 34~ 48 cm 下的共计 8 个设计

方案。 结果曲线见图 15。 如图所示,斜管的外径

在 13~38 cm 范围内时,网箱最大应力随斜管外

径的增大而减小,且最大应力减小的速度随着斜

管外径的增大而变低。 斜管的外径在 38 ~ 48 cm

范围内时,网箱最大应力随斜管外径的增大而增

大。 其中,外径在 38~40 cm 范围内时,网箱最大

应力变化的速度较低,外径在 40 ~ 48 cm 范围内

时,变化的速度较高,且随着斜管外径的增大变化

速度几乎不变,斜管外径每增大 2 cm,网箱最大

应力就增大约 0. 4 MPa。

       





















.

1B







.

1B

 DN  DN

       















\"

 _ DN #

 _ DN

图 15 网箱最大应力随斜管外径的变化曲线

Fig. 15 Curve of maximum stress in the net cage as a function of the outer diameter of the inclined pipe

4 分析与讨论

4. 1 最大应力曲线中拐点出现的原因

网箱的最大应力直接关系到网箱的结构安

全,分析网箱设计参数对最大应力的敏感性至关

重要。 研究表明,除细立柱外,随着网箱各个构件

外径的增大,网箱的最大应力值呈现出先减小后

增大的趋势,与黄小华等[21] 的研究结果有所不

同。 这是由于半潜式网箱构件数量较多,构件的

外径减小时,自身的应力将会增大,但仍小于此时

网箱上的最大应力,同时由于构件外径的减小,构

件在波浪方向上的投影面积减小,网箱整体所受

波浪力也会减小[28]

,造成其他构件的应力减小,

因此网箱最大应力会随构件外径的减小而减小。

当构件的外径减小至一定值时,该构件上的应力

将超过网箱上原本的最大应力,该构件上的应力

成为网箱上的最大应力,此时若继续减小构件外

径,最大应力将随着构件外径的减小而增大,因此

变化曲线呈现出先减小后增大的趋势。 而由于细

立柱的厚度较高,外径在取值范围内变化时,其自

身应力始终小于网箱的最大应力[18]

,因此外径增

大时,只能增大波浪力并造成最大应力的增大,因

此网箱最大应力随细立柱外径的增大而增大。

4. 2 其余参数取值对单独参数分析的影响

其余参数的取值对单独参数的分析可能有不

同程度的影响,影响的程度与参数的拐点值、参数

的敏感性及参数的取值等因素有关。 构件的外径

减小不仅会使构件自身的刚度降低,也会导致网

箱整体结构刚度的降低,敏感性较高的构件,其自

身刚度对网箱整体刚度的影响较大,反之则影响

较小,这与 Lu 等[30]

、Zhang 等[34] 的研究结果一

致。 由于单独分析曲线显示,参数取值在大于拐

点时,网箱的应力始终随参数的减小而减小,可以

判断单个参数在取值大于其拐点时,外径降低造

成波浪力减小的效果要大于网箱整体刚度减小的

42

第 3 期 孔令蔚等:波浪作用下半潜式网箱浮架结构的参数敏感性分析

效果。 因此当另一个参数的取值在大于其拐点的

范围内减小时,会使单独参数分析的最大应力值

减小。 当单个参数取值小于其拐点时,由于此时

网箱最大应力已位于该构件上,单独分析曲线只

能反映出该构件外径降低时,减小波浪力的效果

小于降低构件自身刚度的效果,难以判断该构件

减小网箱整体刚度的效果与降低波浪力效果的关

系。 且网箱多个构件的外径同时减小时,不同敏

感性的构件其自身刚度对网箱整体刚度的影响也

不同[30]

,因此对单独分析参数的影响更难以预

测,需要开展相关实验来确定。

4. 3 各个构件外径推荐的取值范围

确定各个构件参数的取值范围是网箱的结构

优化工作的前提条件。 与王晗栋等[25]

、余云燕

等[26]

、Li 等[29]的研究相比,本研究通过对各个参

数的单独敏感性分析,给出了各参数推荐的取值

范围,定量地为以后结构优化的研究提供了参考。

由于在曲线拐点处,网箱的最大应力最低,因此在

确定取值范围时一般考虑在拐点附近。 其中,上

弧管外径在 36 ~ 56 cm 时应力最小,且有效降低

了构件质量,是结构优化时的最佳范围。 下弧管

外径取 46 cm 时最大应力仍较小,但继续降低外

径则应力会显著增大,在外径值小于 76 cm 时,网

箱的最大应力仍较小,因此推荐下弧管外径取值

为 46 ~ 76 cm。 中弧管在取值范围为 23 ~ 28 cm

时,网箱的最大应力较低,且变化速度也较低,因

此确定为中弧管的最佳取值范围。 由于斜管在外

径较低时网箱的最大应力较高,且变化速度较快,

因此斜管的取值范围为确定为 38 ~ 40 cm。 下支

撑管为网箱的主要受力构件,其外径对于网箱最

大应力的敏感性很高,外径降低时会造成网箱应

力的急剧升高,因此属于结构优化时的重点参数,

为保证网箱的安全性,该参数的取值且不得低于

70 cm。 上支撑管虽拐点值较高,但在外径取值较

低时网箱最大应力值仍较低,因此在结构优化时

可以适当减小其取值,但不得低于 60 cm。 细立

柱外径的增大,将导致网箱最大应力的增加,因此

细立柱外径的理想取值范围为 50~60 cm。

5 结论

本研究利用边界元方法构建了一种半潜式深

远海养殖网箱的水动力数值计算模型。 首先验证

了该数值模型的准确性,随后采用有限元方法对

网箱的应力分布进行了计算。 并通过拉丁超立方

抽样的方法,抽取不同的设计样本,针对这些样本

计算 了 各 设 计 参 数 与 网 箱 最 大 应 力 之 间 的

Spearman 相关系数,进一步分析了半潜式网箱部

分设计参数与网箱最大应力的相关性。 针对这部

分设计参数,采用控制变量法进行了单独的分析,

定量地给出了这部分设计参数在结构优化时的理

想取值范围,为该半潜式网箱结构在波浪环境下

的优化提供了指导。 在实际海况中,网箱受到海

流和波浪的综合作用。 在考虑海流的情况下,网

箱的网衣对拉力的贡献也变得重要,特别是在开

放海域中高速海流会给网箱带来额外的压力。 在

未来的研究中,将进一步深入考虑海流对网箱的

影响,为实际工程应用提供更多的参考。 □

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44

第 3 期 孔令蔚等:波浪作用下半潜式网箱浮架结构的参数敏感性分析

Sensitivity analysis of parameters in semi-submersible cage floating

frame structure under wave action

KONG Lingwei,YANG Qu,MA Chao,ZHAO Yunpeng

(State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of

Technology,Dalian 116024,Liaoning,China)

Abstract:In order to investigate the mechanical performance of semi-submersible net cages under wave

action,a parameter sensitivity analysis was conducted on the outer diameter of the cage components. A

numerical hydrodynamic model of the semi-submersible net cage was established using the boundary element

method,and after validating the accuracy of the model,a finite element method was introduced to calculate the

stress distribution of the net cage. Subsequently, based on the Latin hypercube sampling method, sample

schemes were extracted, and the Spearman coefficient of each design parameter was calculated to

comprehensively analyze the sensitivity of each design parameter. Further individual analysis of parameter

sensitivity was conducted,and recommended ranges for these parameters during structural optimization were

provided. The results showed that the design parameters of the semi-submersible net cage were negatively

correlated with the maximum stress within their range of values. Specifically, the sensitivity of the outer

diameter of the lower support pipe was the highest,while the sensitivity of other parameters was relatively

close. The recommended ranges for the outer diameter of the upper and lower arch pipes were relatively large,

ranging from 36 cm to 56 cm and from 46 cm to 76 cm,respectively. The recommended ranges for the outer

diameter of the middle arch pipe,inclined pipe,and slender columns were relatively small,ranging from 23 cm

to 28 cm,38 cm to 40 cm,and 50 cm to 60 cm,respectively. The outer diameter of the lower support pipe and

upper support pipe should not be less than 70 cm and 50 cm,respectively. The research results can provide

reference for the structural optimization of semi-submersible net cages under wave action.

Key words:semi-submersible cage; parameter sensitivity; structural strength analysis;

hydrodynamic numerical computation

45

第 51 卷第 3 期 渔 业 现 代 化 Vol. 51 No. 3

2024 年 6 月 FISHERY MODERNIZATION Jun. 2024

DOI:10. 3969 / j. issn. 1007-9580. 2024. 03. 006 开放科学(资源服务)标识码(OSID):

孙衍谦,李子介,赵云鹏. 基于加速度分量测量的水下网衣破损定位方法[J]. 渔业现代化,2024,51(3):46-60.

收稿日期:2024-01-29

基金项目:国家自然科学基金面上项目“风浪流联合作用下漂浮式光伏与网箱一体结构动力响应特性(32373188)”

作者简介:孙衍谦(1991—),男,博士研究生,研究方向:深远海养殖工程、海上新能源水动力学。 E-mail:yanqiansun@ cpecc. net

通信作者:赵云鹏(1980—),男,教授,研究方向:深远海养殖工程与装备、海上新能源、海岸工程水动力学。 E-mail:ypzhao@ dlut. edu. cn

基于加速度分量测量的水下网衣破损定位方法

孙衍谦1,2

,李子介2

,赵云鹏2

(1 中国电力工程顾问集团有限公司,北京 100011;

2 大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁 大连 116024)

摘要:为防止网衣发生破损时造成严重的经济损失,有必要对网衣进行破损定位检测。 为了获得网衣破损位

置的精准识别和实时监测,将网衣物理试验与数值模拟计算结合,提出了一种基于加速度分量测量的网衣破

损定位建模方法。 该方法增大了破损区域与非破损区域监测点的数据差异,从而确定网衣破损的位置。 结

果显示:监测点的位置选择、参数指标的选取是影响网衣破损定位效果的主要因素。 将网目节点作为监测点

可以增加监测点感知破损的能力,选用加速度分量作为指标参数,可以增大各个监测区域的数据差异,提升

模型对破损的定位能力。 在特定的规则波工况下,使用人工神经网络对破损定位的准确率高达 97. 9%。 本

研究为养殖网箱水下网衣破损位置的识别提供了新方法。

关键词:水下网衣;破损定位;物理模型试验;数值模拟; 加速度

中图分类号:S969. 19 文献标志码:A 文章编号:1007-9580-(2024)03-0046-015

网衣是养殖网箱系统中的重要组成部分,为鱼

群提供安全的栖息环境。 然而,在养殖实践中网衣

易发生破损,导致鱼群大量逃逸,对养殖业造成巨

大的经济损失[1-3]

。 因此,网衣破损检测和及时修

复在深远海渔业养殖领域尤为重要[4]

。 人工检测

方法资金消耗严重,在工作中存在人身安全隐

患[5]

。 因此,非人工的检测方法研究开始兴起。

目前,国内外的研究学者主要开发了 3 种非

人工的网衣破损检测方法:埋线探测法、声呐检测

法以及图像分析法。 Wang 等[6] 利用嵌入金属导

线的水产养殖网箱形成了检测终端,通过无线网

络传输至便携式监测终端,实现对网衣的破损检

测。 叶盛等[7] 在网衣中编入导线使网衣形成检

测电路,与单片机、开关矩阵和手机模块组成网衣

破损检测系统。 Knudsen 等[8] 利用回声探测仪来

监测网衣破损状态。 Bjerkeng 等[9]

、Horne 等[10]

利用水声法监测网衣是否发生破损。 Lee 等[11]

在自主式水下潜器(AUV) 上配备了各种传感器

对基于网箱的水产养殖系统环境执行有效和广泛

的监测任务。

近年来,智慧渔业正成为渔业发展的主导趋

势。 随着计算机视觉的发展,基于视觉的网衣破损

检测繁多。 俞国燕等[12]使用改进的 YOLOv7 算法

对网衣进行破损检测,郭铁铮等[13] 提出一种以仿

生机器鱼为载体的网箱破损视觉检测方法,不仅可

以准确检测网箱破损还可以实现破损位置的定位;

Labra 等[14]提出一种利用 ROV 采集的视频信息进

行实时处理的网衣系统的损伤检测综合算法,可以

适应水下照明变化、漂浮物遮挡等不利情形下的识

别。 然而,图像识别法对摄像头的像素质量有较高

要求,并且不适用于水质较差的情况。 对比水面目

标检测[15]水下环境通常比较复杂,图像质量会受

噪声和失真等影响,可见度低,这就为基于视觉的

破损检测研究发展带来了阻碍。 目前,数字孪生技

术对结构物的状态监测和故障分析方面表现出

色[16-17]

。 Kim 等[18]成功开发了底刺网的数字孪生

模型,该模型通过识别网组件上的信号变化,有效

检测出破损缆绳的位置。 连栗楷等[19]通过滑动平

第 3 期 孙衍谦等:基于加速度分量测量的水下网衣破损定位方法

均值的方式增大完整与破损状态下拉力的差异,实

现了对平面网衣的破损检测。 Su 等[20] 利用无线

传感器技术,创建了网箱的数字孪生体系,实现了

对网箱的实时监测。 总体而言,海洋水产养殖系统

和养殖鱼类的数字孪生实施仍处于研究阶段[21]

。

由上述可知,目前网衣破损检测研究集中于先进的

测量仪器和算法,增加破损状态下所测参数的差

异,相对而言,对以网衣自身结构为基础的网衣破

损检测模型的研究较少,良好的建模能够提高监测

点在网衣完整和破损状态下的数据差异,降低计算

成本,应用在网衣数字孪生技术中可以提高破损识

别的准确率。

本研究从网衣建模的角度,提出一种基于加

速度分量的网衣破损定位建模方法。 该方法将网

目节点作为监测点,使用加速度分量作为指标参

数,增大了网衣完整及破损状态下的数据差异。

应用数值模拟获得的数据对人工神经网络进行训

练,训练后的模型可对网衣进行破损定位检测。

此研究为网衣破损检测的相关研究提供了建模依

据,为网衣的数字孪生技术提供了新的建模方向。

1 材料与方法

1. 1 网衣破损定位检测研究框架

网衣破损定位检测的研究框架如图 1 所示。

















 



















图 1 研究框架

Fig. 1 Research framework

首先建立网衣数值模型,然后根据数值模型

建立等比的网衣物理实体,对网衣数值模型进行

验证。 利用验证后的网衣数值模型进行数值模

拟,深入探讨影响网衣破损定位检测建模的影响

因素,根据所得结论提出基于加速度分量的网衣

破损定位检测模型。 收集网衣不同破损情况下的

仿真数据对算法识别模型进行训练,算法模型训

练完成后,使用收集的传感数据作为测试数据,对

算法模型的破损定位检测能力进行检验。

1. 2 网衣物理模型

网衣包含 18×18 个网目,由两根有机玻璃柱

固定,网衣参数列在表 1 中,物理试验在大连理工

大学海岸和近海工程国家重点实验室波浪流水槽

内进行。

表 1 网衣参数

Tab. 1 Mesh parameters

序号 组件 参数 尺寸

1 长度 L 0. 9 m

2 宽度 W 0. 9 m

3 密实度 Sn 0. 28

4 网线直径 Dw 4 mm

网衣的物理实体模型如图 2 所示。

图 2 网衣物理实体

Fig. 2 Netting physical entity

本试验使用的传感器为陀螺仪,陀螺仪布

置如图 3a 所示,将 4 个陀螺仪固定在网目节点

处。 陀螺仪的固定方法如图 3b 所示,使用 706

硅胶和 热 熔 胶 对 陀 螺 仪 进 行 防 水 处 理, 通 过

USB 数据线与水槽外的电脑连接。 数据线由铁

丝固定在有机玻璃柱上,调整铁丝的松紧度使

数据线保持松弛状态,确保不会干扰网衣在规

则波作用下的运动。

47

渔 业 现 代 化 2024 年

B





C





图 3 传感器布置

Fig. 3 Sensor arrangement

1. 3 网衣数值模型

本研究采用商业软件 OrcaFlex 建立的网衣等

效数值模型如图 4 所示,软件使用线单元构建网

衣,并采用集中质量法对线单元的动力响应进行

求解[22]

,集中质量点力学模型主要用于计算柔性

网箱和渔具在洋流和海浪中受到的水动力荷

载[23-25]

。 所有线单元的附加质量系数被固定为

1. 0,拖曳力系数设置为 1. 2

[26]

。 网目节点使用

3D 浮标构建,红线对应物理试验中固定网衣的有

机玻璃柱。 网目的群化比例为 4 ∶1,比尺为 20 ∶1。

图 4 网衣数值模型

Fig. 4 Mesh numerical model

整个模型的运动方程可描述为:

M(p,a) + C(p,v) + K(p) = F(p,v,t) (1)

式中:M(p,a)为惯性力矩阵;C( p,v)为阻尼力矩

阵;K(p)为刚度力矩阵;F(p,v,t)为外力矢量,即

本研究中的水动力。 符号 p、v、a 和 t 分别表示位

置、速度、加速度和时间。

水流和波浪对运动物体的水动力是通过莫里

森方程计算得到的。 对于圆柱形物体,单位长度

的水动力可表示为:

Fw

= Cm

ρ

πD

2

4

μ

· - Ca

ρ

πD

2

4

a +

1

2

ρCdD μ - ν (μ - v) (2)

式中: Cm 、Ca 、Cd 分别表示惯性、附加质量和拖曳

力系数。 其中 D、ρ 分别为圆柱体外径和海水密

度。 μ

·、μ 分别为流体水质点的加速度和速度。

1. 4 网衣数值模型有效性验证

网衣破损定位数值模型如图 5 所示,在网衣

数值模型的基础上,将网衣划分成 4 个监测区域,

并选取各个监测区域的几何中心的网目节点作为

监测点,对应网衣物理实体布置传感器的位置。

此模型通过对比 4 个监测点的数据差异,确定网

衣破损所发生的区域。





/PEF





/PEF





/PEF





/PEF

图 5 破损定位模型

Fig. 5 Damage location model

为了验证数值模型的有效性,选择在波高为

0. 08 m,周期为 1. 1 s 的 Stokes 五阶波作用下,分

别进行物理试验和数值模拟。 试验水槽长 69 m、

宽 2 m、高 1. 8 m,最大设计水深为 1 m,配备推板

48