2024

中文核心期 刊

中国科技核心期 刊

中国科学引文数据库(CSCD) 来源期刊

第51卷 第5期 202 4年10 月

中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所

ISSN 1007-9580

CN 31-1737/S

渔 业 现 代 化

YUYE XIANDAIHUA

第 51 卷 第 5 期

2024 年 10 月

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综述与专论

基于被动声学的对虾摄食行为研究进展 …………………………………………………………… 刘慧仪,田昌凤,刘晃,车轩,王晓萌 ( 1 )

Progress in the study of the feeding behaviour of the shrimp based on passive acoustics

………………………………………………………………………… LIU Huiyi,TIAN Changfeng,LIU Huang,CHE Xuan,WANG Xiaomeng ( 1 )

鱼肉切割技术的发展现状与展望 …………………………………………………………………………………… 肖哲非,马田田,沈建 ( 9 )

Development status and prospect of fish- cutting technology …………………………………………… XIAO Zhefei,MA Tiantian,SHEN Jian ( 9 )

水产养殖工程

对虾养殖环境脱氮脱硫复合菌的构建与效能分析 …………………………………………… 李梓路,刘畅,李腾,王俏俏,窦乐,潘鲁青 (18)

Construction and efficiency analysis of denitrifying desulfurizing compound bacteria in shrimp culture environment

………………………………………………………………………… LI Zilu,LIU Chang,LI Teng,WANG Qiaoqiao,DOU Le,PAN Luqing (18)

横摇晃荡对矩形工船养殖舱内流场与颗粒物去除的影响 ……………………………………… 吉泽坤,刘晃,崔铭超,牛诗雨,刘胜男 (28)

Effect of transverse rolling on flow field and particle removal in the rectangular aquaculture tank

……………………………………………………………………………… JI Zekun,LIU Huang,CUI Mingchao,NIU Shiyu,LIU Shengnan (28)

湾外底层延绳式养鲍系统水动力特性 ……………………………………………………………… 康慧楠,蔡卓君,扈喆,张晓莹,郭军 (38)

Study on hydrodynamic characterization of long-line abalone culture system in the bottom outside the bay

…………………………………………………………………………… KANG Huinan,CAI Zhuojun,HU Zhe,ZHANG Xiaoying,GUO Jun (38)

大型养殖工船氧锥设计与运行效果试验 ……………………………………………… 林礼群,马凤爽,张耀明,徐志强,邹海生,王云杰 (48)

Engineering design and performance experiment of speece cone for the aquaculture vessel

…………………………………………………… LIN Liqun,MA Fengshuang,ZHANG Yaoming,XU Zhiqiang,ZOU Haisheng,WANG Yunjie (48)

黄河三角洲盐碱地稻蟹共作系统水质和底栖生物群落 …………………………… 徐婵,刘峰,李娴,董俊,苗静,高云芳,董文,闫法军 (56)

Study on the dynamic changes of water quality and benthic community of rice- crab co- cropping model in saline- alkali land of Yellow River Delta

………………………………………………………………… XU Chan,LIU Feng,LI Xian,DONG Jun,MIAO Jing,DONG Wen,YAN Fajun (56)

渔业信息化

基于轻量级非线性无激活网络的水下图像增强 …………………………………………………………………………… 黄宏涛,袁红春 (63)

Underwater image enhancement based on lightweight non-linear activation free network ………………… HUANG Hongtao,YUAN Hongchun (63)

基于改进 YOLOv8n 损失函数的克氏原螯虾体特征识别算法

…………………………………………… 耿春新,王爱民,阎天宇,郁傲男,张昊轩,张武肖,阳程,刘兴国,朱浩,顾夕章,李进峰,邵鹏 (72)

Research on the identification algorithm of crayfish body features based on the improved YOLOv8n loss function

………………………………………………………… GENG Chunxin,WANG Aimin,YAN Tianyu,YU Aonan,ZHANG Haoxuan,ZHANG Wuxiao,

YANG Cheng,LIU Xingguo,ZHU Hao,GU Xizhang,LI Jinfeng,SHAO Peng (72)

基于 Prune-YOLOv5s 的养殖鱼类缺氧风险评估方法 …………………………………………… 陈庭槿,黄耀波,陈炫辛,周纪军,刘英 (81)

Anoxic risk assessment method for cultured fish based on Prune-YOLOv5s

………………………………………………………………………… CHEN Tingjin,HUANG Yaobo,CHEN Xuanxin,ZHOUJijun,LIU Ying (81)

基于注意力机制的 DM-BCNN 鲨鱼种群细粒度分类方法 ………………………………………… 蒋飞,李皞,李雅琴,肖松宴,刘天玮 (90)

Research on fine-grained classification method of shark population based on DM-BCNN with attention mechanism

……………………………………………………………………………………… JIANG Fei,LI Hao,LI Yaqin,XIAO Songyan,LIU Tianwei (90)

渔船与捕捞

基于 CFD 的某远洋围网渔船纵倾节能技术 …………………………………………………………………………………… 李纳,高瑞 (102)

Research on trim energy-saving technology of purse seiner based on CFD ………………………………………………… LI Na,GAO Rui (102)

水产品加工

蒸煮过程中南极磷虾虾青素降解动力学研究 …………………………………………………………… 马田田,肖哲非,欧阳杰,沈建 (110)

Study on astaxanthin degradation kinetics of Antarctic krill during cooking process

………………………………………………………………………………………… MA Tiantian,XIAO Zhefei,OUYANG Jie,SHEN Jian (110)

第 51 卷第 5 期 渔 业 现 代 化 Vol. 51 No. 5

2024 年 10 月 FISHERY MODERNIZATION Oct. 2024

DOI:10. 3969 / j. issn. 1007-9580. 2024. 05. 001 开放科学(资源服务)标识码(OSID):

刘慧仪,田昌凤,刘晃,等. 基于被动声学的对虾摄食行为研究进展[J]. 渔业现代化,2024,51(5):1-8.

收稿日期:2024-03-20

基金项目:中国水产科学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金(2024GH03)

作者简介:刘慧仪(1998—),女,硕士研究生,研究方向:鱼类行为研究。 E-mail:1131928223@ qq. com

通信作者:田昌凤(1985—),女,副研究员,研究方向:渔业装备与工程。 E-mail:tianchangfeng@ fmiri. ac. cn

基于被动声学的对虾摄食行为研究进展

刘慧仪1,2

,田昌凤1

,刘 晃1

,车 轩1

,王晓萌1,2

(1 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,上海 200092;

2 上海海洋大学水产与生命学院,上海 201306)

摘要:被动声学监测(Passive acoustic monitoring,PAM)技术可在对水生生物不造成干扰或损害的情况下获取

水生生物的声音信息,并利用这些信息进行各种生态研究和养殖活动管理。 随着对虾养殖技术的不断提高

和进步,对虾的养殖密度持续增加,但是饲料利用率低、水质恶化等问题严重制约对虾养殖的快速发展。 利

用被动声学监测技术可实现智能化的自动投饲,提高饲料利用率和缓解水质恶化。 文章主要阐述了对虾的

摄食过程及其影响因素,总结了近年来被动声学监测技术在对虾摄食声信号的研究进展和应用情况,分析了

被动声学监测技术的优缺点,并针对存在的问题提出未来的发展趋势,以期为自动投饲系统走向智能化提供

参考。

关键词:被动声学监测技术;对虾;摄食;发声信号

中图分类号:S 966. 12;S 968. 22 文献标志码:A 文章编号:1007-9580(2024)05-0001-008

被动声学监测( Passive acoustic monitoring,

PAM)技术通过在所在的环境中安装声音传感器

(水听器),收集环境中动物的声音信号并进行记

录。 该技术主要研究环境中声音相互作用,广泛

应用于海洋哺乳动物的远程观测[1-3]

。 PAM 技术

通过利用水下目标的辐射噪声,然后对目标进行

探测、识别、定位以及跟踪,采集的信号主要包含

了探测目标的特征,这些特征表达目标的运动等

行为。 近几年在虾塘中使用 PAM 技术来控制饲

料的投喂,可以检测对虾在摄食饲料时产生的声

音信号特征。 因对虾对饲料的摄取速度很慢,主

要是通过观察饲料托盘上的残饲量来估算对虾的

摄食情况,而虾塘水体环境浑浊复杂以及对虾的

底栖性质,养殖人员很难通过直接观察或者观看

录像去准确判断对虾的摄食情况以及生长时的状

态,经常出现过度喂食或投饲不足的现象。 目前

有各种技术用于监测水生动物的活动,但这些技

术在现场观察对虾的摄食行为可能会面临相当大

的挑战。 PAM 技术可以利用水听器在复杂的虾

塘环境中获取对虾摄食饲料中的声音信号,再通

过特定的算法计算出对虾的饲料需求量,从而提

高饲料的利用率[4-7]

。 PAM 技术目前已经作为研

究甲壳动物行为的主要技术之一,研究人员会使

用 PAM 技术对不同类型甲壳动物发出的声音进

行研究并分辨该声音的特征[8-10]

。

对虾养殖业是一个快速增长的行业,对虾肉

质鲜美、营养丰富,成为重要的水产养殖品种之

一,为水产品市场提供了大量优质蛋白。 2022 年

对虾养殖产量为 574. 23 万 t

[11]

,是一种具有较高

经济价值的养殖种类。 对虾在养殖中进行投喂管

理是一个复杂的工序,科学投放饲料会受到很多

因素的影响,如水质环境、对虾的活动范围、天气

等[12-13]

。 投饲不当会导致出现饲料利用率低下、

水质恶化等问题。 PAM 技术可以应用于广泛饲

养环境条件来评估对虾的摄食行为,有学者使用

PAM 技术来了解对虾摄食行为,帮助养殖户们解

决饲料利用率低、水质恶化等问题,实现更好的饲

料利用率和可持续性的发展[13]

。

渔 业 现 代 化 2024 年

本研究梳理了对虾摄食的过程及影响对虾摄

食行为的因素,详细阐述了 PAM 技术在监测对虾

摄食发声信号的研究进展及应用情况,总结了该

技术发展面临的挑战,同时提出了未来的发展趋

势,以期为 PAM 技术在对虾养殖中的应用和推广

提供参考。

1 对虾摄食及影响因素

1. 1 摄食过程

对虾是底栖杂食性动物,对虾的摄食行为是

通过食欲、激发、寻找、吞咽、饱食以及饥饿一系列

的连锁反应完成的[14-16]

。 对虾消化系统的储存

能力非常有限,需要不断摄食少量的饲料。 对虾

的摄食行为受到嗅觉和味觉的影响,嗅觉感受器

是第一触角,味觉感受器是口器处的附肢和步足。

对虾主要是依靠化学信息来定位虾塘底部的食

物,在寻找食物时,会使用前 3 对的步足去搜索食

物,发现食物之后,立即使用步足将食物抱住,然

后送至口器中。 对虾可以直接吞食小颗粒的食

物,通过第 3 颚足抱持大颗粒的食物,然后进行撕

扯和切割后进行摄入[15]

。

1. 2 影响摄食的因素

(1)饲料。 饲料的种类和品质会影响对虾的

摄食、生长及饲料系数[17-18]

。 不恰当地采用植物

蛋白替代动物蛋白,氨基酸的组成结构不合理,钙

质含量不高以及微量元素未添加的饲料都会导致

对虾吸收的营养不够全面,可能会出现厌食的现

象[19-20]

。 还有在养殖过程中突然变更饲料的品

种或者颗粒大小,对虾在味觉上会产生短暂的不

适应和拒绝摄食的现象。

(2)水质环境。 虾塘底质恶化会影响对虾的

摄食、生长以及饲料系数。 氨氮、亚硝酸盐、pH、

重金属以及硫化氢等指标都会影响到对虾的摄

食[21]

。 当溶氧不足,或者氨氮、亚硝酸盐以及硫

化氢等有毒有害物质严重超标时,均会使对虾产

生应激反应,引起对虾摄食量下降。 水体环境温

度的变化也直接影响对虾的摄食情况。 温度、气

压、晴雨天以及风向的变化都会导致对虾产生应

激反应,从而影响摄食[22]

。

(3)其他因素。 高密度养殖会增加对虾生存

空间和生物饲料的竞争,引起水质恶化和应激等

现象出现,从而导致对虾的摄食行为减少、饲料利

用率降低等[23]

。 除此之外,在虾苗投放时,虾苗

在虾塘分布中会比较均匀,随着对虾不断增长以

及污染物不断积累,会导致虾塘中央的对虾较少,

分布到四周的对虾较多,在应激状态、患病等情况

下,对虾摄食也会减少[24]

。

2 对虾摄食声特征

2. 1 摄食声特点

水生动物发出声音是水生生物行为或者活动

的一种信息反馈和表现。 很多的甲壳动物可以通

过利用不同的机理发出与特定情况相应的声

音[25-28]

。 Lillis 等[29]研究发现当领地受到入侵时

甲壳类动物通过快速闭合特殊的爪子发出声音。

Hamilton 等[30]在同样类似的环境中发现龙虾通

过位于触角基部的搅动系统发出咂咂声。 甲壳动

物不仅在领地行为、性行为和社会行为中发出声

音,在其他的活动中也会发出声音[31-33]

。 与对虾

行为相关的 PAM 技术检测报告显示,最初是在墨

西哥湾捕鱼区的白滨对虾(Litopenaeus setiferus)种

群产生的声音,被描述为“煎炸” 声[34]

。 斑节对

虾 ( Penaeus monodon )

[4] 和 凡 纳 滨 对 虾

(Litopenaeus vannamei)

[35]的视频与水听器同步记

录并分析证实,当下颚相互碰撞和刮擦时会发出

“咔咔”声,主要是与下颚的钙化作用密切相关,

可更加有效地撕碎食物。

(1)声音频率。 Hunt 等[36] 发现,凡纳滨对虾

生长过程中产生的脉冲信号频率主要是在 2 ~

8 kHz,该频率与进食存在一定的相关性,其发声

波形是存在一定的规律。 张丽珍等[27] 研究了凡

纳滨对虾进食前后发声信号特点以及规律,发现

进食前后的发声信号有着明显的区别,投饲后摄

食频率范围约在(5~15) kHz 之间。

(2)持续时间。 对虾摄食的声音会呈现出短

促的脉冲特征,不同体长的凡纳滨对虾摄食颗粒

饲料时,单个声音脉冲持续时间各有不同,反映了

虾类摄食行为的随机性。 Peixoto 等[37]研究发现,

两次试验声音持续时间结果一致,均为 2. 7 ms 左

右;但 Silva 等[35] 研究发现不同规格的凡纳滨对

虾在人工饲养过程中的声音持续时间为 4. 7 ms

左右。 两者间存在明显的差异性,可能对虾的试

验环境、饲料类型和对虾的规格等因素而造成。

2

第 5 期 刘慧仪等:基于被动声学的对虾摄食行为研究进展

2. 2 影响因素

2. 2. 1 饲料特性的影响

不同质地和规格的饲料会导致对虾摄食时产

生的声音强度有一定差异性,随着饲料的硬度增

大,对虾通过增加咬合的次数来分解饲料,摄食产

生的声音强度也随之增加。 不同质地和规格的饲

料会影响下颚在切割饲料颗粒时施加的咬合力,

从而影响进食过程中产生的声学信号特征[38]

。

饲料的硬度和水分会影响摄食声信号特征,与膨

化饲料相比,颗粒饲料的稳定性和物理耐久性较

低。 Soares 等[38] 研究发现不同体长凡纳滨对虾

摄食颗粒饲料和膨化饲料时,体长较大的凡纳滨

对虾在摄食频率和摄食声音强度上均高于体长较

小的凡纳滨对虾。 Peixoto 等[39] 也对凡纳滨对虾

摄食颗粒饲料和膨化饲料进行研究,结果显示摄

食膨化饲料的声音强度高于颗粒饲料,然而在峰

值频率上,摄食颗粒饲料高于膨化饲料。 Peixoto

等[37]发现,颗粒饲料的长度与对虾的摄食次数有

关,影响到单颗饲料的发声次数,而且饲料消耗和

每个粒径的颗粒饲料所产生的声能间有着显著的

相关性。 然而,国外在养殖凡纳滨对虾中使用的

颗粒饲料不完全适用于中国情况。 曹正良等[40]

研究发现,凡纳滨对虾摄食沙蚕与不同粒径颗粒

饲料时,声学信号特征有明显差异,在摄食不同粒

径的颗粒饲料时产生的频率是相似的。 王秀

秀[41]研究发现凡纳滨对虾摄食 4 种不同质地的

饲料(颗粒饲料、沙蚕、鱿鱼以及虾壳)时,发声信

号特征不同,频率范围相近,但峰值频率与主峰频

率存在着明显的差异。

目前国内外的研究人员利用 PAM 技术对对

虾摄食不同性质的饲料进行研究,确定了对虾摄

食不同性质的饲料时发声信号的特征具有差异

性,并有效评估了对虾的摄食行为及其摄食频率。

这些研究有助于为对虾养殖投喂饲料提供参考依

据,可使用 PAM 技术来预测饲料的消耗量,从而

提高饲料利用率,这也为 PAM 技术在对虾摄食行

为的研究奠定了基础。 从国内外研究情况来看,

大多数集中在不同粒径的颗粒饲料,在实际养殖

中不同生长阶段的凡纳滨对虾摄食的颗粒饲料会

有所不同,因此,未来的研究应聚焦于深入探索对

虾在摄取不同类型饲料时的差异是如何反映在声

音信号特征的变化上的。

2. 2. 2 养殖密度的影响

养殖密度是影响摄食活动声学参数的重要因

素之一,高密度的放养会导致对虾在摄食时相互

干扰,摄食声音会变得杂乱。 Reis 等[34] 研究表

明,在不同的养殖环境、饲养条件以及放养密度不

同的情况下都可以采集到对虾的摄食发声信号。

Costa 等[42] 研究发现,处于不同放养密度的凡纳

滨对虾的行为会表现出明显的差异性,随着放养

密度的逐渐增加,池塘中的凡纳滨对虾的生长环

境随之发生变化,导致生长和存活率下降,这些都

与生存 空 间 和 竞 争 有 一 定 的 关 联 性。 Bardera

等[43]研究并分析在不同密度下凡纳滨对虾的摄

食行为,发现凡纳滨对虾在高密度的情况下摄食

得更多,并且高密度养殖中的优势和劣势个体的

摄食行为表现出明显的差异性。 Hamilton 等[44]

研究不同规格以及放养密度的凡纳滨对虾在摄食

声学的信号特征分析得到,随着对虾规格和放养

密度的增加,对虾在摄食活动中发声的次数显现

显著渐进增加。

对虾在摄食时的发声次数随着放养密度的增

加而显著增加,且这种增加趋势在最低密度到最

高密度之间表现出明显的渐进性。 目前对于对虾

摄食发声研究均在实验室中进行的,而在不同虾

塘中放养密度会有所不同。 因此,在未来的研究

中可以进一步确定不同放养密度的对虾在摄食时

的声音能量和摄食量的变化情况,以及对不同养

殖环境的放养密度的摄食发声进行研究。 另外,

PAM 技术还没有被广泛地应用于研究放养密度

对对虾摄食行为的影响,通过使用 PAM 技术可以

更好地了解到在不同的放养密度下的对虾摄食声

音,从而有助于估计在浑浊的虾塘中对虾的种群

密度。

2. 2. 3 对虾规格的影响

不同体长的对虾大颚咀嚼的咬合力会有所不

同,大颚会随着对虾的生长不断地发育成熟,从而

使得对虾在摄食饲料时声音信号存在显著差异。

Hamilton 等[44]研究不同规格以及放养密度的凡

纳滨对虾在摄食声学的信号特征,摄食时凡纳滨

对虾的摄食次数会随着对虾的规格的增大而增

加,且规格较大的,总体的“咔哒”声也有所增加。

还有其他研究表明,对虾的规格大小对摄食活动

的声学参数产生一定的影响,例如:在摄食发声

3

渔 业 现 代 化 2024 年

中,虾苗(0. 04 g)与幼虾或者成虾(1 ~ 12 g)对比

发现,虾苗显示出更高的频率峰值和频带更低的

能量[45]

。 Silva 等[35]通过对 3 种不同体长的凡纳

滨对虾进行研究发现,不同体长的凡纳滨对虾在

声学的信号特征上没有明显的差异性,但在摄食

行为上,体长较大的凡纳滨对虾的摄食速度会比

体长较小的摄食速度要快得多,且摄食的次数稳

定。 曹正良等[46]研究发现不同体长(2~3、4~5、6

~7、8~9、9~ 10 cm)凡纳滨对虾摄食颗粒饲料和

虾壳的发声信号特征有着明显的差异性,较大体

长的对虾摄食频率和摄食强度均高于较小体长的

对虾,主要表现为声学信号的频率和强度更高。

在不同体长的对虾摄食颗粒饲料时,峰值频

率随着体长的增加而降低。 规格较小的对虾发声

信号频率高而振幅小,规格较大的对虾信号频率

低而振幅大。 研究人员可根据对虾摄食的发声信

号来判断对虾的规格。 然而,目前对于不同规格

的对虾在摄食声学方面的研究不足以概括出对虾

整个生长阶段。 因此,在未来的研究中,声音信号

与对虾大小之间的关系仍然有待验证,需进行对

照试验,才能更好地表达从幼虾到成虾阶段的摄

食发声次数和摄食行为的声学特征。 另外,还应

关注对虾在应激和蜕壳情况下的声音信号特征。

及时调整饲料投喂策略以适应不同生长阶段的对

虾,实现实时评估对虾的健康状况,及时发现问题

解决问题。

3 PAM 技术应用情况

PAM 技术在自动投饲系统中的应用主要体

现在监测和分析水生生物的声音,了解水生生物

的摄食行为,并根据所提供数据调整投饲时间和

投饲量。 澳大利亚的被动声学投喂系统( AQ1

Systems)是近期开发并应用在对虾养殖中的基于

声学传感器的饲料控制系统,该系统是使用 PAM

技术 进 行 控 制 投 喂 次 数 和 投 饲 量[34]

。 Bador

等[47]使用声学控制系统在不同池塘以及不同对

虾物种进行了试验,通过实时监测对虾摄食行为

来动态调整投喂策略,与传统的定时投喂方法进

行对比,使用声学控制系统的池塘表现出更高的

饲料转化率,显著提高了对虾的生长率,所有物种

的平均产量提高了 25% ~ 30%。 Napaumpaipom

等[48]研究比较了 3 种不同的饲养管理技术(人工

投喂、自动定时投喂器和 AQ1 系统)在凡纳滨对

虾集约化养殖中的应用效果,使用 AQ1 系统的饲

料转化率降低,对虾的存活率和产量更高,水质也

得到了改善。 除了投喂方法,自动投饲系统还可

以增加 每 日 投 喂 频 率 和 每 日 饲 料 的 输 入 量。

Ullman 等[49-50]对比不同的投喂策略在凡纳滨对

虾池塘养殖中的应用效果,结果显示,使用 AQ1

系统可以优化投喂策略,在更短的培养周期内实

现高的经济效益,与其他投喂策略相比,在养殖中

使用 AQ1 系统的投喂量可达 160 kg / ( hm

2·d),

投喂量再次显著增加。 AQ1 系统比其他投喂技

术更具有明显的优势,生长情况、饲料转化率、产

量以及经济效益均优于人工投喂。 Reis 等[51] 通

过改进自动定时投喂器和 AQ1 系统来提高对虾

的生长性能和产量,设置 4 种投喂策略,3 种固定

投喂处理使用自动定时投喂器,一种按需处理使

用 AQ1 系统,使用 AQ1 系统可以显著提高对虾

的生长性能和产量,在饲料管理中使用 AQ1 系统

是实现精准投喂、提高养殖效率的重要途径;同

时,该研究也为未来饲料自动化技术的改进和发

展提供了有价值的参考。

声学投喂系统研究虽然已经取得了一定的成

果,但还存在一些局限性。 AQ1 系统会受到外部

噪声的影响,增加了声学信号的提取和分析的难

度。 该系统成本较高,设备的安装和维护较为复

杂,增加了长期维护的成本。 除此之外,不同水产

生物的声学信号差异显著,会导致该系统难以精

准地监测对虾的摄食行为。 随着 PAM 技术的不

断发展和完善,使用该技术的研究可能会进一步

深入对虾养殖中,从而进一步提高对虾的生长和

饲养系统效率,相信该技术将在未来的对虾养殖

研究中发挥更加重要的作用。

4 讨论和展望

4. 1 PAM 技术优势与局限性分析

PAM 技 术 在 对 虾 养 殖 中 具 有 明 显 的 优

势[34]

。 该技术能够实时精准地监测对虾的摄食

行为,提供实时数据,能够准确地掌握对虾摄食需

求,根据对虾的实际需求进行精准投喂,可以防止

过度投喂或投喂不足。 这种精准投喂方式可以显

著提高饲料的利用率,降低饲料浪费,从而降低养

4

第 5 期 刘慧仪等:基于被动声学的对虾摄食行为研究进展

殖成本。 另外,PAM 技术监测到的对虾摄食行为

数据可以指导养殖户调整饲料配方和投喂策略,

从而优化对虾的生长环境,降低水质污染。 除此

之外,通过结合 PAM 技术的自动投饲系统可以实

现对虾养殖的全方位监测和管理,提高养殖中的

自动化和智能化水平,促进可持续发展[45]

。

PAM 技术实现难度高,设备成本高,引入该

技术需要养殖场的管理人员具备一定的声学知识

和操作技能。 对于许多小型养殖场来说引入该技

术面临着一定的门槛。 另外,养殖环境复杂,存在

各种自然和人为的噪声,会干扰对虾摄食以及行

为监测。 水质变化也可能影响对虾声音的传播和

采集[34]

。 还有处于不同生长阶段的对虾在摄食

行为上可能存在差异。 因此 PAM 技术的识别能

力还不能满足在不同情况下的监测需求。 截至目

前,PAM 技术在试验环境下取得了显著成果,但

在实际养殖中的应用和推广仍然面临诸多挑战,

许多养殖户对 PAM 技术的认知度不够,持怀疑态

度。 在实际应用中,需要充分发挥 PAM 技术的优

势并克服其局限,不断去推广和普及。

4. 2 PAM 技术发展趋势

PAM 技术在对虾的研究应用中不断发展,该

技术的应用大大提高了饲料的管理和利用效

率[52]

。 在过去的 20 年里,水产养殖在智能投饲

技术的研究取得了一定的成果,成为了研究的主

要趋势之一[51-53]

。 PAM 技术可监测对虾的摄食

行为,可与自动投饲系统相结合,实现按需投喂,

避免过度投喂,并提高饲料利用率。 PAM 技术不

仅可用于饲料管理,还能通过监测对虾的声学活

动,以确定对虾的健康状况和行为异常。 PAM 技

术随着无线通信技术和人工智能的进步,正朝着

智能化和高效化的方向发展[34]

。 实时监测与预

警系统的发展是该技术在对虾养殖中的应用中一

个重要的趋势,实时传输和分析声学数据,能够进

一步精准地掌握对虾的养殖状况。 PAM 技术与

人工智能相结合,研究人员可以开发更精准的模

型来进行信号处理与分析,可更高效地提取有效

信息。 PAM 技术的相关设备将逐渐实现小型化

和便携化,这将使得 PAM 技术更加易于在养殖环

境中进行部署和使用,降低养殖成本。 数据共享

与开放平台是推动 PAM 技术发展的重要方向,建

立开放性的数据平台,研究人员可以更方便地访

问和利用全球范围内的声学数据资源。 这些趋势

不仅推动了 PAM 技术在对虾研究中的应用,还为

对虾养殖提供了重要的技术支持。 随着技术的进

一步发展和完善,PAM 技术将推动对虾养殖行业

的科技进步和可持续发展[45]

。

4. 3 展望

PAM 技术在对虾养殖中发展中发挥重要作

用。 目前国内关于对虾摄食声学研究处于起步阶

段,需要进一步了解和认识对虾的摄食行为及其

他行为的声音信息。 将 PAM 技术作为监测对虾

摄食活动的替代方法,从而实现实时按需投喂,自

动投饲系统由机械化转变为智能化。 但这项技术

在实际生产的应用上还存在着一些挑战,需要进

一步地深入研究。 如在对虾摄食不同类型的饲料

是否会存在差异性,不同放养密度的对虾在摄食

时的声音强度和摄食量的变化情况,以及不同养

殖环境的放养密度的摄食发声机理等。 针对不同

生长阶段的对虾摄食声音信号的特征进行研究,

在水产养殖中应用摄食声音来实现自动投喂,减

少过度投喂对环境的影响,从而促进对虾养殖业

可持续发展。 □

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7

渔 业 现 代 化 2024 年

Progress in the study of the feeding behaviour of

the shrimp based on passive acoustics

LIU Huiyi

1,2

,TIAN Changfeng

1

,LIU Huang

1

,CHE Xuan

1

,WANG Xiaomeng

1,2

(1 Fishery Machinery and Instrument Research Institute,Chinese Academy of

Fishery Sciences,Shanghai 200092,China;

2 College of Fisheries and Life Sciences,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)

Abstract:Passive acoustic monitoring (PAM) technology enables the acquisition of acoustic information from

aquatic organisms without causing disturbance or harm, facilitating various ecological studies and aiding in the

management of aquaculture activities. As shrimp aquaculture technology advances, the industry’ s scale and

density are increasing. However, challenges such as low feed utilization and water quality deterioration have

severely constrained the rapid development of the industry. PAM technology can be used to study sound in the

environment by using it to understand shrimp feeding behaviour, guide feeding decisions, and implement

intelligent automated feeding systems, thereby improving feed utilization and mitigating water quality

deterioration problems. This article primarily discusses how shrimp feed, the factors affecting their feeding,

and the acoustic characteristics of the feeding process, and reviews the latest research progress and application

of PAM technology in detecting acoustic signals of shrimp feeding, as well as the challenges faced by the

technology in its development. The advantages and limitations of PAM technology in shrimp aquaculture are

analyzed, and the future development direction is proposed to address the problems of this technology. To

provide a reference for the automatic feeding system to move towards intelligence, to promote the sustainable

development of shrimp aquaculture.

Key words:passive acoustic monitoring; shrimp; feeding; vocal signals

8

第 51 卷第 5 期 渔 业 现 代 化 Vol. 51 No. 5

2024 年 10 月 FISHERY MODERNIZATION Oct. 2024

DOI:10. 3969 / j. issn. 1007-9580. 2024. 05. 002 开放科学(资源服务)标识码(OSID):

肖哲非,马田田,沈建. 鱼肉切割技术的发展现状与展望[J]. 渔业现代化,2024,51(5):9-17.

收稿日期:2024-01-14

基金项目:国家重点研发计划(2023YFD2100904);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金(2024YJS002)

作者简介:肖哲非(1989—),女,硕士,助理研究员,研究方向:水产品加工技术与装备、图像处理与机器视觉研究。 E-mail:xiaozhefei@

fmiri. ac. cn

通信作者:沈建(1971—),男,研究员,研究方向:水产品加工技术与装备研究。 E-mail:shenjian@ fmiri. ac. cn

鱼肉切割技术的发展现状与展望

肖哲非,马田田,沈 建

(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;

3 国家水产品加工装备研发分中心,上海 200092)

摘要:切割在鱼类产品初加工中占据着至关重要的地位。 人工使用金属刀具由于效率低、精度不高、易滋生

细菌等缺点,难以满足市场对鱼肉切割制品高精度、高质量的要求。 因此,使用新型切割技术代替金属刀具,

加入智能化控制代替一部分人力是必然趋势。 综述了绿色新型切割技术中水刀和超声刀的研究进展及其在

鱼肉和食品切割中的应用现状,横向对比了两种技术目前的优缺点以及适用场景和适用对象;概述了智能化

技术在鱼肉切割中代替人工的可能性,如机器视觉代替人眼规划切割路径,质构和仿真技术代替人手调整切

割工艺参数,多传感器数据融合代替人脑做出切割决策,并归纳了 3 种技术目前面临的挑战和优化方向;总

结了新型切割技术和智能化系统的未来发展方向,通过技术的更新和升级,提高智能化技术的稳定性和鲁棒

性,推动鱼肉切割的智能化和数字化发展。 研究成果可为相关研究人员和企业提供参考,以促进新型切割方

式在鱼肉产品加工行业中的发展,提高鱼肉切割的自动化和智能化水平,实现鱼类产品的高效、多样化、优质

生产,以满足不断增长的市场需求。

关键词:鱼肉切割;水刀;超声刀;机器视觉;质构分析;多传感器数据融合; 人工智能

中图分类号:S985. 1 文献标志码:A 文章编号:1007-9580(2024)05-0009-009

鱼肉是人类饮食中重要的蛋白质来源之一。

由于现代生活节奏的加速,越来越多的人选择购

买经过加工的鱼肉产品。 鱼类的初加工程序包括

放血、去鳞、去头、去内脏、鱼片修整、切片与切块

等步骤[1-4]

。 其中,去头、修整、切片与切块均涉

及切割,因此,研究和探讨新型切割技术对水产品

加工行业具有重要意义。

目前的鱼肉切割主要采用金属刀具[5]

。 然

而,金属刀具在切割鱼肉时,刀片需要不断地与鱼

肉接触,容易滋生微生物[6]

。 即使每次使用后都

使用蒸汽杀菌,也不能完全避免食品安全问题。

此外,刀片长时间使用后会变钝,导致鱼肉产生较

大的形变,影响切割效率和精度[7]

。 更为关键的

是,金属刀具的轨迹相对单一,难以完成复杂的切

割路径。 因此,为了实现高品质的鱼肉切割,如针

对鱼体的不同部位选域分切,鱼肉的定宽、定量等

高精度切割,以及对鱼柳、鱼排等产品异物去除、

外形修整等,需要发展不易滋生细菌、高精度、可

智能规划复杂路径的新型切割方法,以实现提高

生产效率、增加切割过程中的鱼肉得率、提高鱼肉

产品质量等目的。

鱼类切割仍然属于劳动密集型行业,工作环

境差,潮湿、低温,并且需要接触锋利的切割工具,

工人很容易受伤或患上职业病[8]

,既降低了生产

效率,又增加了企业的人力成本。 因此,目前的产

业发展趋势是使用自动化、智能化设备代替部分

人工[9-10]

。 然而,由于鱼的大小、种类各异,无法

采用统一的模式和路径进行切割。 不同部位的鱼

肉质地和特性也存在差异,很难定义统一的切割

工艺参数。 因此,使用新型切割方式,并采用智能

渔 业 现 代 化 2024 年

化技术识别鱼体形态,为切割提供路径、参数等指

导,是提高鱼肉切割自动化、智能化水平的有效

方式。

本研究首先介绍两种新型切割技术的特点及

研究现状,讨论其在鱼肉切割中的适用性及未来

发展方向。 其次,介绍智能化技术,包括机器视觉

规划切割路径、质构和仿真确定切割参数,以及多

传感器融合综合多方数据做出切割决策,为新型

切割技术提供参数指导,在鱼肉切割过程中做出

决策。 最后,分析上述技术的未来发展方向。

1 新型切割方法

1. 1 水刀

水刀通过高压系统将机械能转化为水的压力

能,使水流携带相当大的冲量,从而撞击材料完成

切割[11-12]

。 水刀不与待切割物体接触,避免了细

菌滋生,并有效防止切割过程中因产生热量而引

起食物变质[13]

,从而保证了食品安全。 结合机器

视觉等感知技术和自动化数控技术,水刀可实现

金属刀具难以完成的复杂切割路径[14]

。 流动的

液体使水刀在切割时同时清洁食物[3]

,省去额外

的加工步骤,降低设备成本。

一般来说,一套完整的智能化水刀切割设备

应由以下几个部分构成:高压泵系统,提供切割所

需的足够水压;可承受高压的水刀操作台;智能化

控制系统,包括工业电脑、运动控制器、工业相机

或三维扫描仪等,以及相应的软件,通过传感器的

数据规划切割路径和切割参数;固定水刀喷嘴的

末端执行机构,通常由机械臂或三轴直线模组构

成,由运动控制器驱动以完成切割路径;处理废水

的过滤系统,用于收集切割过程中产生的废水和

残渣。 此外,磨料添加设备( 如流速计、磨料仓

等)也可作为可选设备纳入其中。 带磨料的水刀

结构如图 1 所示[14]

。













ffi

ffi







图 1 带磨料的水刀结构

Fig. 1 Structure of abrasive water jet

当鱼肉中包含鱼骨或纤维等硬度较大的物体

时,纯水切割的强度难以达到满意效果。 为了提

高切割深度和切割质量,可以在水流中加入一定

量的磨料[12]

。 利用磨料的硬度,可以使射流产生

更大的动量,从而提高切割效果。 常见用于食品

切割 的 磨 料 包 括 糖[13]

、 冰 粒[14] 和 盐 粒[15] 等。

Pogrebnyak 等[16]研究了鸡柳、鳕鱼和牛肉的水刀

切割工艺,发现加入可食用增稠剂聚环氧乙烷

(PEO)后,切割速度和深度都有了明显提升,切

割表面更加光滑。 Wang 等[15]在水刀切割带骨肉

类时,发现加入盐粒作为磨料后,产生的刀口宽度

仅为 1 mm,减少了切割过程中的肉类损失。 切割

深度显著增加,当盐粒流量为 3. 5 g / s,水刀移动

速度为 20 mm / s 时,能够切割 44 mm 厚的牛肋

骨。一般来说,磨料流量越大,撞击到表面的颗粒

越多,产生的冲量也越大,但也需考虑进料管路和

喷嘴的承受能力,避免因磨料过多而导致堵塞。

主要水刀切割工艺参数对鱼肉切割质量的影

响如表 1 所示。

表 1 水刀工艺参数对鱼肉切割质量的影响

Tab. 1 Influence of waterjet parameters on the quality of fish cuts

工艺参数 切割力 鱼肉损失率 切面平滑度

水压 随着水压增大而增大 随着水压增大而先降低后保持平缓 随着水压的增大先提高后降低

喷嘴直径 随着直径增大而减小 随着直径增大而增大 随着直径增大而降低

切割速度 随着速度加快而降低 随着速度加快而提高 随着速度加快而先提高后降低

磨料流量 随着流量增加而提高 随着流量增加而降低 随着流量增加而提高

在实际生产中,广泛应用水刀切割鱼类之前,

需要明确切割工艺。 水刀切割过程中存在许多可

调参数,主要包括水压、喷嘴直径、移动速度、喷嘴

与物料之间的距离、喷嘴与物料之间的夹角、磨料

10

第 5 期 肖哲非等:鱼肉切割技术的发展现状与展望

材质、磨料直径和磨料流量等。一些学者已经研

究水刀切割鱼肉的工艺参数。 马田田等[17]研究了

水刀切割鲐鱼的参数,发现当鱼片厚度为 13 mm、

水刀压力为 50 MPa、切割时间为 2. 0 s 时,鲐鱼鱼

片的切割率为 99. 8%,鱼肉损失率为 0. 133%。

Kasperowicz 等[18]研究了在 6 种喷嘴直径和切割

速度下水刀切割红鳟鱼所需的水压值。

水刀切割参数的选择需要综合考虑多个因

素。 出于设备成本的考虑,水压一般选择能切断

鱼肉的最低水压;是否添加磨料及其流量需根据

设备的规划、管路和喷嘴的承受能力来确定;决定

切割速度的主要因素是生产效率。 目前,国内外

已有将成熟水刀设备应用于食品切割的案例,如

冰岛 Valka 公司将水刀射流应用于鲜鱼切片和剔

骨,结合 3D 图像识别技术,可实现鱼片的精准切

割[19]

;有企业将高压水切割技术应用于肉类、蔬

菜等食品,能够根据预先设定的程序将食品加工

成各种形状[20]

。

随着食品加工业的不断进步,水刀切割技术

也在持续发展和优化。 考虑到鱼肉特性及其对切

割技术的要求,水刀鱼肉切割技术的发展方向主

要包括以下 4 个方面:

1)研发针对鱼肉的水刀切割工艺:相比于畜

禽肉类,鱼肉的肌基质蛋白质含量较少,水分较

高,组织柔软细腻[21]

。 然而,鱼体中可能包含肌

间刺和中骨等硬物。 使用较大水压可能会导致鱼

肉损失率增加,而较小水压又不足以切断鱼肉。

不同种类鱼肉的切割参数可能有所不同,因此需

要进一步探明不同鱼种的水刀切割工艺参数。

2)降低成本:现有水刀设备普遍价格偏高,

一套高压水刀设备的售价基本在 10 万元以上,一

般食品加工企业难以负担。 而且水刀切割技术需

要大量的水,这也增加了一定的使用成本。 未来

的发展方向之一是通过技术优化和升级,降低设

备造价和维护成本,例如改进喷嘴设计、提高水压

利用率等,从而减少水的消耗,提升市场使用率。

3)提高生产效率:水刀切割速度受限于执行

机构,普通三轴机构难以满足企业对生产效率的

要求,而蜘蛛手等执行机构价格昂贵。 因此,需要

进一步研发新的执行机构,加快水刀切割速度,进

一步提升生产效率。

4)增加切割过程的智能化:随着人工智能技

术的发展,未来的水刀切割系统可能会更加智能

化和自动化。 例如,通过图像识别技术自动根据

鱼肉的大小和形状规划切割路径、调整切割参数,

从而实现无人化操作。

在当前倡导高效、智能、绿色环保的大环境

下,水刀切割技术仍具有可观的应用前景。

1. 2 超声刀

频率超过 20 kHz 的声波称为超声波[22]

。 超

声刀切割通过将超声波的振动能量与传统刀片运

动叠加,以减小切割力并提高产品的切割效率和

质量[11]

。 超声刀食品切割系统通常包括超声波

发生器、换能器、变幅杆和切刀[23-24]

,其将电能转

化为机械能,并传递到切刀,使其产生预定频率的

振动。

影响超声刀切割效果的参数包括振动频率、

振动方向、振动幅度、切割速度和食品特性等[26]

。

Yildiz 等[27-28] 使用 30%、40%和 50%的振幅切割

奶酪和苹果,发现 50%振幅的切割质量最好,同

时获得较长的保质期。 此外,较高的振动速度和

较低的切割速度也能保证更好的切割质量,但切

割速度必须低于振动速度[11]

。 刀片的倾斜角度

和振动方向对切割质量的影响并不明显[25-26]

。

然而,高振动速度可能导致较高的功率需求,增加

超声波在材料转移过程中的吸收和空化,从而导

致材料质量损失的风险[29]

。 食品的特性在很大

程度上决定了超声刀参数的选择[30-31]

。

超声刀切割更适合具有高弹性、高压缩性和

易粘连的食品,能实现切割表面光滑,减少破损、

挤压和碎片,并能够切割出传统方法难以达到的

厚度为 1 mm 的薄片[24]

。 此外,超声刀产生的振

动有助于防止食物粘附在刀片上,减少表面微生

物的生长,实现刀片的自清洁[22]

。

超声刀作为一种新型切割方法,已有一些产

品应用于食品切割,例如 Cheersonic 公司研发的

超声刀切肉机[32]

,可将香肠等肉类食品直线切

割;杭州功律公司研发的 20 kHz 超声刀可用于切

割蛋糕、三明治等食品[33]

。 尽管在鱼肉加工领域

超声刀的实际应用仍不多,但其自清洁能力和适

用于黏弹食品的特点预示了在鱼肉切割中的巨大

应用潜力。 超声刀在鱼肉切割中的发展方向可能

集中在以下 4 个方面:

1)探明针对鱼肉的切割参数:进一步研究针

11

渔 业 现 代 化 2024 年

对鱼肉的超声刀切割参数,如振动频率和振幅,以

达到良好的切割效果,并进一步提高切割效率,减

少加工时间,同时提高切割精度。

2)保持食品品质:研发新型超声刀头和切割

工艺,减少切割过程中产生的热量,以保持鱼肉的

质地、口感和营养价值。

3)降低设备成本:通过现有技术的升级进一

步降低设备成本,提高设备的耐用性和可靠性,减

少维护频率,从而提高超声刀设备的市场占有率。

4)集成智能化技术:与机器视觉、人工智能

等技术集成,实现自动识别、自动定位、自适应调

整参数等功能,进一步提高生产效率和加工质量。

1. 3 两种切割方法的对比

表 2 从 4 个方面对水刀和超声刀两种技术进

行横向对比。

表 2 水刀和超声刀技术横向对比

Tab. 2 Comparison of water jet cutting and ultrasonic cutting

项目 水刀 超声刀

适用原料

不适用于刺身等追求高品

质口感的原料

适用于新鲜且黏弹

的鱼肉[24]

适用场景

可实现复杂切割路径,适

用于修整、修边等场景[14]

适用于刀具往复运

动的鱼肉切片

使用成本

成本较高,水为耗材,维护

和保养相对简单

成本相对较高,维护

保养成本相对较高

环境影响

产生废水,对环境有一定

负面影响

对环境无明显负面

影响

综上所述,水刀和超声刀技术在鱼肉切割方

面各有优势。 水刀适用于切割质地较硬的鱼肉,

超声刀则更适用于黏弹粘连的鱼肉。 在选择合适

的切割技术时,需要根据具体的加工需求、使用成

本以及环境影响等因素进行综合考虑。

2 智能化技术在鱼肉切割中的应用

2. 1 机器视觉

机器视觉在鱼肉自动化加工中扮演着关键的

传感器技术角色。 较为常见的机器视觉系统利用

CMOS 或者 CCD 图像传感器,获取一维或者二维

图像矩阵[34]

。 这些系统应用图像处理算法从众

多图像数据中提取必要信息。 机器视觉的应用范

围包括鱼类识别[35-36]

、体质量估计[37-39]

、头尾定

位[40]

、大小分级[41- 43]

、残留物检测[44]

、喂入量监

测[45]及加工效果评估[46] 等,能在一定程度上代

替人工操作,提升生产效率,并减少对鱼肉的直接

接触,保证食品安全。

智能化鱼肉切割系统面临的挑战之一是根据

鱼的形态、尺寸和位置自适应地确定落刀点和规

划切割路径。 目前,机器视觉已在辅助鱼肉切割

方面有所应用。 2D 图像获取平面信息,3D 图像

则获取空间信息,而 X 光和高光谱等技术能够获

取更深层的图像信息。 Azarmdel 等[47] 通过分析

RGB 图像中的 B 通道,判断鱼体的头尾和腹背,

实现了 100%的准确率;此外,他们还使用 T 检验

和方差分析区分有鳍区域和非鳍区域,并确定切

割点,适用于个体差异较大的鳟鱼加工。 肖哲非

等[48]采用改进的 Mask R-CNN 深度学习模型对

输送带上的鲐鱼鱼片进行实例分割,根据识别结

果规划切割路径,并使用带有高压水喷嘴的三轴

直线模组执行切割作业。

Steen 等[49]使用 3D 相机扫描鱼体,采用预训

练的线性回归模型确定头尾方向以及放血点位置。

计算机将这些位置信息转化为模拟信号,传输至 4

个双轴气动执行器的放血机器人,以执行鲑鱼和虹

鳟鱼的放血及屠宰工作。 3D 相机能够有效检测重

叠鱼体区域的“山谷效应”,从而提高识别精度。

Misimi 等[50]开发的多模态视觉系统结合 RGB 图

像和深度信息,利用 CIELab 和 RGB 色彩空间中的

L、G 和 B 通道数据,通过支持向量机模型在 3D 图

像中分割和定位放血点,准确率高达 96%。

X 光技术不仅适用于人类医学,也适合材料

的无损检测。 在鱼肉切割中,X 光有助于检测鱼

骨位置,避免骨刺残留[51]

。 Urazoe 等[52] 研发的

基于卷积神经网络的鱼骨检测方法,利用合成 X

光图像扩大数据集,其训练后的模型 F1 值达到

0. 747。 高光谱技术广泛应用于检测食物的脂肪

和水分含量。 Xu 等[53]使用随机森林模型对冷冻

后的三文鱼高光谱图像进行分析,以识别冻伤部

分,模型初步正确分类率为 90. 5%,在选择有效

波长进行优化后,分类率提升为 91. 4%。 表 3 列

出了多个图像传感器在鱼肉切割领域的应用实例

及其优势、挑战和优化方向。

2. 2 质构分析与仿真

质构分析可用于建立鱼肉模型并仿真切割过

程,研究变形、切割力和摩擦力的变化,以优化切

割工艺,实现自适应调节切割参数。 在切割弹性

12

第 5 期 肖哲非等:鱼肉切割技术的发展现状与展望

固体时,大部分切割力会因摩擦力而耗散[60]

。 因

此,减少摩擦力及其导致的不可逆形变是提高切

割精度的关键之一。一般肉类的线性黏弹性可以

用广义麦克斯韦方程进行模拟[61]

;对于非线性或

更复杂的机械行为,可以考虑使用有限元分析。

Ageev 等[62]使用 Maxwell-Thomson 流变学模型模

拟鱼肉,分析切割过程中断裂阻力和摩擦阻力与

切割速度、刀具锋利度和物料温度之间的关系。

冯帆等[63]使用 ABAQUS 对鱿鱼切割进行有限元

分析,探讨刀具切割鱿鱼时的力学反应,为切割刀

具的优化提供依据。 表 4 中总结了鱼肉仿真的 4

种建模方法。

表 3 图像传感器在鱼肉切割设备上的应用案例

Tab. 3 Applications of camera in fish cutting machine

文献来源 设备型号 传感器 介绍 优势 缺点 优化方向

Marel 等[54] FleXiCut X 光 通过 X 光 检 测 并 定 位 碎

骨,可评估每块鱼片的重

量,从而确定最佳的切割配

置和切割角度

能 够 穿 透 鱼

肉, 准 确 检 测

鱼骨位置

成本 较 高, 对

鱼肉可能有辐

射影响

降低成本,研究降低 X

光辐射强度的方法,确

保符合食品安全和辐射

防护标准

Marel 等[55]

I-Cut

610

激光

视觉

通过激光扫描鱼体,可按照

固定质量或固定长度切分

高精度检测鱼

肉轮廓

成本 较 高, 数

据 庞 大, 计

算慢

开发更先进的算法,去

除冗余数据,提高计算

精度

Baader 等[56] BAADER

988

图像

传感器

通过图像传感器检测鱼片

的颜色、长度、宽度和姿态,

计算切割路径

成本较低 可能存在误判 与其他技术结合,形成

多模态检测技术,提高

检测精度

马骏骁等[57]

/ 线激光

扫描仪

利用线激光扫描得到的鱼

体轮廓数据和鱼体质量随

体长的分布数据,构建鱼体

定重切段模型

可 实 现 定 重、

等重切割

切割误差随给

定质量增大而

提高

可采用机械式快速落刀

切割以及增加样本数来

进一步提升定量切段的

精度

姜凯友等[58]

/ 3D

扫描仪

通过 3D 扫描仪得到鱿鱼

白片的外形信息,实现鱿鱼

白片的定重定对角线切割

可 定 重 定 对

角线

仅 针 对 鱿 鱼

白片

扩展设备加工对象,可

切割外形更为复杂的鱼

体,如鱿鱼胴体

倪锦等[59]

/ 图像

传感器

通过图像传感器拍摄鱼体

图像,由三轴执行机构控制

刀头,完成鱼头尾切割

根据鱼头尾形

状 规 划 路 径,

提高得肉率

加工效率低 将三轴执行机构升级为

蜘蛛手或机械臂,提高

运动速度

表 4 鱼肉仿真方法对比

Tab. 4 Fish modelling methods

文献来源 原料 仿真模型 建模原理 模型参数 优点

Corzo 等 [64] 沙丁鱼片 一级反应动力学 质地的发展与质地特性

成正比

坚 固 性、 硬 度、 应 力

松弛

求解简单

Jain 等[69] 野鲮鱼 广义麦克斯韦方程 弹簧和阻尼器组成的机

械模型

应力松弛、硬度 能够准确描述材料的

非线性行为

Ageev 等[62] 金枪鱼 Maxwell-Thomson

流变模型

由弹性元件和流性元件

串联而成的模型

流变常数、延迟弹性模

量、无量纲切割速度

能够形象地反映应力

松弛过程

冯帆等[63] 鱿鱼 有限元模型 基于微观结构的基本力

学模型

机械性能 可精确地描述物体的

几何形状和物理性质

鉴于鱼类种类繁多且结构复杂,以及质构特性

测量仪器和方法的多样性[5]

,建立适用的鱼肉通用

模型极具挑战性。 尽管如此,质构分析和仿真过程

仍对精确高效地切割鱼肉具有重要指导意义。

2. 3 多传感器融合

熟练的工人在切割鱼肉时,可利用嗅觉判断

新鲜度,借助视觉观察肉质纹理,并通过触觉感知

切割力度。 工人结合这些实时数据,迅速做出自

适应切割的决策。 为模拟这一过程,鱼肉切割设

备在鱼肉受力变形时需要及时调整切割路径,这

要求使用多传感器[64]

,例如视觉传感器提供鱼肉

图像信息,X 光用于确定鱼骨位置,力传感器感知

13

渔 业 现 代 化 2024 年

切割力,以及红外传感器定位执行末端。 系统对

这些信息进行过滤、整理,做出最终决策。

在肉类切割过程中,常见的多传感器系统通

常由视觉传感器和力传感器组成。 视觉传感器提

供路径指令,力传感器修正刀具位姿[65]

。 Wang

等[66]提出了一种由力和视觉相互反馈组成的控

制器,其末端执行机构能够以设定的力接触空间

中精确定位。

然而,在鱼肉切割行业应用多传感器仍面临

着一些挑战。 首先,无法直接或实时获得数据的

传感器,如质构仪不适合于高效率生产线[67]

。 其

次,考虑到每个传感器可能有不同的采样周期,需

要统一采样频率或在多频率下实现数据融合[68]

。

最后,面对可能包含大量冗余信息的数据,快速处

理并获得有效结论,以便设备实时反馈和调整,对

数据融合算法是一大挑战。 面对这些挑战,鱼肉

切割中的多传感器技术可向以下 3 个方向加深

研究:

1)开发新型传感器技术:针对现有传感器的

局限性,研究和开发新的传感器技术,实现快速检

测,以满足实时、准确的监测需求。

2)优化数据融合算法:针对多传感器采样频

率不同、数据冗余的挑战,研究更加高效准确的数

据融合算法,例如多模态深度学习算法,提高数据

融合的准确度和速度。

3)强化数据分析能力:针对大量冗余信息的

挑战,研究和开发更加高效的数据处理和分析方

法。 例如,通过引入大数据、物联网等先进技术,

将传感器的数据传入互联网中,由云服务器处理

采集的海量数据, 分析、 处理并输出最优切割

参数。

3 分析与展望

3. 1 通过技术更新和升级降低设备成本

新型切割技术的缺点之一是必要设备的价格

较高,例如水刀的高压系统和超声刀的转换器,其

市场售价通常在 10 万至 20 万及以上。 同时,与

传统切割设备相比,新型切割技术在大批量连续

加工方面仍存在一定困难。 这是因为水刀的蓄能

器、增压器和超声刀的发生器等设备需要定期保

养。 通过技术更新与升级,降低水刀和超声刀设

备及各种传感器的使用成本,以及设备的维修保

养成本,将为新型切割技术在鱼肉切割中的广泛

应用提供前提条件。 研发针对鱼肉的水刀和超声

刀切割设备,提升多种技术的集成,将多种切割方

式和多模态数据整合到一个系统中,形成低成本、

多功能、高效率的切割平台。 根据鱼肉的不同特

性和用户的特定需求,自动选择最优的切割方案,

实现最佳生产效果。

3. 2 持续开发新的传感器以及人工智能算法

由于鱼类在个体大小和形态上的差异,精细

化的切割必然需要传感器的辅助,为每个单体规

划不同的切割路径,其中最常用的是视觉传感器。

然而,在机器视觉广泛应用之前,还需解决一些问

题。 鱼类加工环境通常潮湿且复杂,空气中的水

分可能影响传感器的寿命;鱼鳞、碎肉、血迹等可

能降低识别精度。 因此,需要开发可在高湿环境

中持续工作的硬件,研发具有鲁棒性的算法,以应

对复杂环境中的水渍、血污等因素,进一步提高识

别的精度和速度,以满足企业的高速加工需求。

三维传感系统,如激光扫描仪和深度相机,可

以获取更全面的细节,从而更好地指导鱼肉切割。

但由于获取的数据量较大,需要继续开发数据处

理方法,去除冗余信息,提高计算速度。

引入人工智能、机器学习和深度学习等技术,

使鱼肉切割设备具备更强的自主学习和决策能

力。 深度学习可以处理多维度信息,提升决策能

力,根据实时的生产数据优化切割路径、自适应调

整切割参数,并做出切割决策,提供最优反馈信

息,以预防生产过程中可能出现的问题。 这样,可

以进一步实现机器决策代替人工,实现自动化、智

能化的生产过程,提高生产效率,确保食品安全。

3. 3 继续推动智能化和数字化技术的发展

开发高效且适应性强的控制系统,针对多源

传感信息和复杂的加工环境,探索先进的分析算

法和鲁棒控制策略,以实现柔性化生产,能够快速

调整以应对原料、切割要求和产品规格的变化。

建立补偿系统,根据实际加工环境的温度和湿度

等因素,提供准确的切割参数。

继续推动智能化和数字化技术在鱼肉切割行

业的发展,将生产中获取的各项数据上传至云端

进行存储和分析,为生产线优化和运行提供指导

建议。 同时,开发远程监控、自主决策和安全保护

等程序,将原本零散的多项技术模块化,便于用户

14

第 5 期 肖哲非等:鱼肉切割技术的发展现状与展望

使用或根据生产需求进行定制,以增加智能化技

术在产业中的实例,促进技术的发展与升级。

□

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Development status and prospect of fish-cutting technology

XIAO Zhefei,MA Tiantian,SHEN Jian

(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;

3 National R&D Branch Center for Aquatic Product Processing Equipment,Shanghai 200092,China)

Abstract:Cutting is a pivotal step in the initial processing of fish products,encompassing beheading,trimming,

slicing,and dicing. Traditional metal-knife cutting methods are marred by inefficiency, imprecision, and a

propensity for bacterial growth, failing to meet market demands for precision and quality. Additionally, the

reluctance of workers to perform manual labor in wet conditions exacerbates labor shortages and inefficiency.

Adopting innovative cutting technologies,complemented by intelligent controls,is thus imperative. This study

reviews the advancements and applications of waterjet and ultrasonic knives in sustainable cutting methods

within the fish and food industries. It evaluates their respective merits and demerits,noting that waterjets excel

in cutting hard-textured fish. At the same time,ultrasonic knives are adept at handling fish’s viscous,elastic,

and adhesive properties. The abstract further explores the integration of intelligent technologies in fish cutting,

such as machine vision for precise cutting paths,simulation technology for adjusting process parameters,and

multi-sensor data fusion for decision-making,which could potentially replace human labor. The study also

addresses the current challenges and future directions for these technologies, highlighting the potential of

artificial intelligence,machine learning,and deep learning to enhance the autonomy and robustness of fishcutting equipment. By reducing operational and maintenance costs and integrating advanced technologies,the

study envisions a future where fish cutting is more automated,intelligent,and capable of producing high-quality

products efficiently to satisfy escalating market demands. This research is a valuable reference for industry

professionals and researchers aiming to innovate in fish product processing,thereby enhancing the automation

and intelligence of fish-cutting processes.

Key words:fish-cutting;water jet;ultrasonic cutting;computer vision;texture analysis;multi-sensor fusion;

artifical intelligence

17

第 51 卷第 5 期 渔 业 现 代 化 Vol. 51 No. 5

2024 年 10 月 FISHERY MODERNIZATION Oct. 2024

DOI:10. 3969 / j. issn. 1007-9580. 2024. 05. 003 开放科学(资源服务)标识码(OSID):

李梓路,刘畅,李腾,等. 对虾养殖环境脱氮脱硫复合菌的构建与效能分析[J]. 渔业现代化,2024,51(5):18-27.

收稿日期:2024-05-30

基金项目:广东省重点领域研发计划项目“海水池塘生态工程化养殖技术与模式(2020B0202010009)”

作者简介:李梓路(1999—),男,硕士研究生,研究方向:水产品绿色健康养殖技术。 E-mail:1909645194@ qq. com

通信作者:潘鲁青(1966—),男,教授,研究方向:对虾环境生理学,贝类环境毒理学,水产品绿色健康养殖技术。 E-mail:panlq@ ouc. edu. cn

对虾养殖环境脱氮脱硫复合菌的构建与效能分析

李梓路,刘 畅,李 腾,王俏俏,窦 乐,潘鲁青

(中国海洋大学海水养殖教育部重点实验室,山东 青岛 266003)

摘要:随着对虾集约化养殖的快速发展,由于追求高产量和过量投饲等原因导致养殖水体中氨氮(NH

+

4

-N)、亚

硝酸盐氮(NO

-

2

-N)和硫化物污染加重,严重危害对虾生长和生理功能。 本研究利用自对虾养殖环境中筛选出

的异养硝化-好氧反硝化菌(HHVEN1 和 SDVEA2)和硫氧化菌(GHWS3 和 GHWS5),成功构建了两种高效脱氮

脱硫复合菌 NS1-1 和 NS2-2,并研究其脱氮、脱硫能力。 结果显示:复合菌 NS1-1 对 NH

+

4

-N、NO

-

2

-N 和硫化物

去除率均达到 95%以上,NS2-2 的去除率分别为 90. 27%、97. 38%和 89. 62%,且均优于单一菌株;复合菌 NS1-

1 和 NS2-2 在温度 20 ℃ ~35 ℃、碳氮比(C/ N) 5~20、盐度 20~30 和以葡萄糖或琥珀酸钠为碳源的培养条件下

均能发挥最大脱氮脱硫效能,两者最适 pH 范围不同,分别为 7. 5~8. 0 和 7. 0~8. 5。 复合菌 NS1-1 和 NS2-2 在

水产养殖尾水中各菌株之间具有良好的共存性,在实际养殖尾水中 NH

+

4

-N、NO

-

2

-N、硫化物去除率分别为 78.

75%、75. 09%、79. 61%和 81. 44%、62. 68%、72. 64%。 研究表明,复合菌 NS1-1 和 NS2-2 具有高效脱氮脱硫的

去除效能和优异的环境适应能力,研究成果为水产养殖环境消除氮、硫污染提供了科学支持。

关键词:对虾养殖;脱氮脱硫菌株;复合菌;条件优化;效能解析;降解应用

中图分类号:S917. 1 文献标志码:A 文章编号:1007-9580(2024)05-0018-010

随着对虾集约化养殖的快速发展,为追求快

速生长和高产量,采用高密度养殖和过量投饲的

方式极易导致养殖环境中残饲、粪便等大量积累,

经微生物氨化分解后,养殖水体中氨氮( NH

+

4

-

N)、亚硝酸盐氮(NO

-

2

-N)污染加重,并伴随硫化

物的积累和池底还原性的增强,这些污染物不仅

严重损害水产动物的生理代谢,还会影响其生存

和生长,极易诱发病害发生,造成严重的经济损

失[1-2]

;同时水产养殖尾水的排放,也会对水域生

态系统和水生生物安全造成潜在的威胁[3-4]

。 因

此,采取有效方法消除水产养殖环境中的氮、硫污

染物对于保障水产养殖业绿色健康发展至关重

要。 微生物脱氮脱硫已成为水产养殖环境净化的

主要技术手段,目前通过筛选具有脱氮脱硫能力

的高效有益菌株,构建脱氮脱硫复合菌已成为水

产养殖微生态控制研究的重要方向[4-6]

。 已有研

究显示异养硝化-好氧反硝化细菌(Heterotrophic

nitrifying-aerobic denitrification,HN-AD) 和硫氧

化菌( Sulphur -oxidizing bacteria,SOB) 具有高效

去除养殖水体中氨氮、亚硝酸盐氮和硫化物的能

力而受到广泛关注[5,7-9]

。 目前 HN-AD 和 SOB

菌株的研究主要集中于生活污水和工业废水方

面,而从水产养殖环境中分离进行原位脱氮脱硫应

用的研究较为匮乏[10-12]

;鉴于菌株的生态适应性

和潜在的致病风险等因素,从水产养殖环境中分离

筛选得到高效脱氮、脱硫益生菌株,并进行“土著土

用”具有重要意义。 然而,在脱氮脱硫菌株和复合

菌的研究应用中多集中于解析菌株的最适环境条

件,较少考虑到影响菌株氮、硫去除能力的主要环

境因素[4,7,13]

。 水产养殖环境温度、pH、盐度等关

键因素不仅影响菌株的生理活性和代谢过程,还在

很大程度上决定了其对污染物的去除效率[11]

。 因

此,为全面提升益生菌株脱氮脱硫的效率,有针对

性地识别影响益生菌株的关键环境因素显得尤为

第 5 期 李梓路等:对虾养殖环境脱氮脱硫复合菌的构建与效能分析

重要,Plackett-Burman 试验作为能够快速地从诸

多因素中筛选出主要影响因子的经典试验设计方

法,已成为筛选影响微生物生长和代谢的主要环境

因素优选的重要技术方法[14]

。

本研究利用从对虾养殖环境中筛选出的高效

HN-AD 菌和 SOB 菌,构建脱氮脱硫复合菌,分析

了不同环境因素对复合菌的脱氮脱硫效能的影响,

采用 Plackett-Burman 试验设计,探究了影响复合

菌脱氮脱硫效率的主要环境因素,解析了复合菌对

水产养殖尾水的降解效果,以期通过结合实际养殖

环境条件,更有针对性地对复合菌进行选择和应

用,从而为水产养殖环境污染控制与绿色水产养殖

业的健康发展提供有力的技术支撑。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

使用的 2 株 HN-AD 菌(HHVEN1、SDVEA2)

和 3 株 SOB 菌(GHWS3、GHWS5、SDSWS8) 均保

存于中国海洋大学水产动物环境生理学研究室菌

种库。 经 16S rDNA 同源性和生理生化特性分

析,菌 株 HHVEN1 鉴 定 为 太 平 洋 杨 慧 芳 氏 菌

(Yangia pacifica)、菌株 SDVEA2 为烟草谷氨酸杆

菌(Glutamicibacter nicotianae)、菌株 GHWS3 为假

单胞菌(Pseudomonas sp. )、菌株 GHWS5 为鞘氨

醇杆菌( Sphingobacteriums sp. )、菌株 SDSWS8 为

海杆菌(Marinobacter sp. )。

所用培养基如下:

硝化 培 养 基: ( NH4 )2SO4 0. 096 g、 C6H12O6

0. 25 g、K2HPO4 0. 050 g、 MgSO4 · 7H2O 0. 25 g、

FePO4·4H2O 0. 01 g、抽滤海水(pH 7. 5)1 000 mL。

反硝化培养基:NaNO2 0. 10 g、C6H12O6 0. 25 g、

K2HPO4 0. 050 g、MgSO4 ·7H2O 0. 25 g、FePO4·

4H2O 0. 01 g、抽滤海水(pH 7. 5)1 000 mL。

硫化物培养基:Na2 S·9H2O 0. 75 g、C6H12O6

0. 25 g、NaHCO3 2. 0 g、K2HPO4 0. 1 g、KNO3 0. 072

g、MgCl

2·6H2O 0. 2 g、FePO4·4H2O 0. 01 g、抽

滤海水(pH 7. 5)1 000 mL。

培养基上方封 0. 5 ~ 1. 0 cm 液体石蜡,L-半

胱氨酸盐酸盐和刃天青分别作为除氧剂和氧气指

示剂[15]

,灭菌后的培养基于厌氧培养箱中冷却静

置待培养基无色后使用。

所有培养基于 115 ℃ 灭菌 30 min,2216E 培

养基(青岛海博生物科技限公司) 于 121 ℃ 灭菌

15 min,(NH4 )2 SO4 、Na2 S·9H2O 使用 0. 22 μm

的滤膜过滤灭菌。 所有试验均设置 3 个平行组。

1. 2 菌株相容性试验

采用牛津杯法测定菌株间的拮抗作用[16]

。

在 28 ℃ 、160 r/ min 条件下,将备选的 HN-AD 菌

和 SOB 菌于 2216E 液体培养基中活化 24 h。 HN

-AD 菌的 100 μL 菌悬液均匀涂布在 2216E 固体

培养基后放置无菌的牛津杯,然后向牛津杯中加

入 100 μL SOB 菌的菌悬液。 30 ℃ 条件下培养

24~48 h,观察是否出现抑菌圈。

菌株活化后,从 2 株 HN-AD 菌和 3 株 SOB 菌

中各选一株,按照 1 ∶1 的比例进行两两组合,分别

为 NS1-1(HHVEN1+GHWS3)、NS1-2(HHVEN1

+GHWS5)、NS1 - 3(HHVEN1 +SDSWS8)、NS2 - 1

(SDVEA2+GHWS3)、NS2-2(SDVEA2+GHWS5)、

NS2-3(SDVEA2+SDSWS8)。 菌株离心后用灭菌

过滤海水将组合物浓度调整为 1. 0×10

8 CFU/ mL,

以 1%的接种比例分别接种到硝化、反硝化及硫

化物培养基中,28 ℃ 、160 r/ min 条件下培养 48 h

后测定 NH

+

4

-N 和 NO

-

2

-N 去除率。 于厌氧培养

箱中 30 ℃静置培养 72 h 后测定硫化物去除率。

筛选 NH

+

4

-N、NO

-

2

-N 和硫化物去除率最高的复

合菌用于后续试验。 样品于 8 000 r/ min 离心 10

min 后取上清液,分别采用海洋监测规范第 4 部

分:海水分析的次溴酸盐氧化法、萘乙二胺分光光

度法(GB 17378. 4—2007)

[17] 和水质硫化物的测

定亚甲基蓝分光光度法(GB / T 16489—1996)

[18]

测定 NH

+

4

-N、NO

-

2

-N 和硫化物浓度。

1. 3 单一菌株与复合菌脱氮脱硫能力的比较

将构建的复合菌和单一菌株活化后离心,用

灭菌过滤海水将菌浓度调整为 1. 0×10

8 CFU/ mL,

以 1%的比例分别接种至相应的硝化、反硝化和

硫化物液体培养基中,由预试验可知硫化物在试

验环境中可能存在氧化问题,为消除误差的影响,

硫化物处理组以不接种益生菌组为对照组,后续试

验均采取相同的处理方式。 于 30 ℃、160 r/ min 培

养 72 h,其中硫化物培养基静置培养。 每 6 h 或

12 h 取 1 次菌悬液样品, 离 心 取 上 清 液 测 定

NH

+

4

-N、NO

-

2

-N 和硫化物浓度。

1. 4 复合菌培养条件的优化

1. 4. 1 不同环境因素对复合菌脱氮脱硫效能分析

通过单因素试验探究不同环境因素对复合菌

NH

+

4

-N、NO

-

2

-N 和硫化物去除能力的影响。 将筛

选出的两种高效复合菌组合的所有菌株分别活化

19

渔 业 现 代 化 2024 年

24 h 后,转移到含有 20 mL 相应培养基的 50 mL 锥

形瓶/ 顶空瓶中,保持初始菌浓度为 1. 0×10

6 CFU/

mL。 在温度(10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35

℃),pH (6. 5、7. 0、7. 5、8. 0、8. 5、9. 0),碳氮比

(Carbon nitrogen ratio,C/ N) (0、2. 5、5、10、15、20),

盐度(0、5、10、20、30、40)和碳源(无水葡萄糖、柠檬

酸钠、乙酸钠、蔗糖和琥珀酸钠)的不同水平下进行

高效复合菌株的测试,其中通过改变碳源含量对

C/ N 进行调整。 除试验条件外,其他条件为温度

28 ℃、pH = 7. 5、C/ N = 5、盐度 30、碳源为葡萄糖。

培养 48 h 或 72 h 后取样,离心取上清液测定 NH

+

4

-

N、NO

-

2

-N 和硫化物浓度。

1. 4. 2 复合菌脱氮脱硫的主要影响因素分析

为探究复合菌脱氮脱硫的主要环境影响因

素,通过 Plackett - Burman 试验,对影响复合菌

NH

+

4

-N、NO

-

2

-N 和硫化物去除率的培养条件进行

主因素分析。 试验设计如表 1 所示,基于培养条

件优化的单因素试验结果,复合菌 NS2-2 除 C / N

的-1 和 1 水平分别为 2. 5 和 10 外,其他环境因

素的水平与表 1 相同。 试验数据经软件 Design

Expert 13. 0 分析后通过各因素的 F 值和 P 值筛

选影响复合菌脱氮脱硫能力的主要环境因素。

表 1 复合菌 NS1-1 和 NS2-2 Plackett-Burman 设计的

各因素与水平

Tab. 1 Factors and levels in the Plackett-Burman design for

bacteria combinations NS1-1 and NS2-2

因素

水平

-1 1

A(温度/ ℃ ) 25 35

B(pH) 7 8

C(C/ N) 5 15

D(盐度) 20 40

E(碳源) 1 2

注:碳源的水平中“1”代指葡萄糖;“2”代指琥珀酸钠

1. 5 复合菌对水产养殖尾水脱氮脱硫效果分析

1. 5. 1 复合菌在养殖尾水中共存性分析

菌株活化 24 h 后,离心收集菌株并用灭菌过

滤海水调整菌株浓度。 将复合菌和单一菌株分别

接种于灭菌的实际养殖尾水中,保持初始菌浓度

为 1. 0×10

6 CFU/ mL。 每 12 h 取样一次,分别取

100 μL 样品,经无菌海水稀释后,均匀涂布于

2216E 固 体 培 养 基, 30 ℃ 恒 温 培 养 箱 中 培 养

48 h,计数菌落数。

1. 5. 2 复合菌对水产养殖尾水的降解效果

养殖尾水和底泥取自凡纳滨对虾养殖池塘,

4 ℃保存备用。 经检测,养殖尾水 pH 为 8. 02 ±

0. 04,盐度为 25,将尾水和底泥以 9 ∶1 的比例混合,

形成尾水-底泥混合物,其 TN、NH

+

4

-N、NO

-

2

-N 和

硫化物质量浓度分别为 18. 62 mg / L、8. 23 mg / L、

7. 90 mg / L 和 122. 16 mg / L。 菌株活化 24 h 后离

心,用灭菌过滤海水将构建的复合菌浓度调整为

1. 0×10

8 CFU/ mL,以 1%的比例接种于 100 mL 尾

水-底泥混合物中,在 30 ℃ 、160 r/ min 条件下进

行培养,定期取样,测定 NH

+

4

-N、NO

-

2

-N 和硫化

物浓度,以非接菌组为对照组。

1. 6 数据处理及统计分析

试验结果以 3 个平行组数据的平均值±标准

差(Mean±SD)表示。 通过方差齐性检验,验证数

据的统计学分析可行性后,进行单因素方差分析

和 Duncan 检验,在 P < 0. 05 时考虑有显著性差

异。 所 有 数 据 均 采 用 SPSS 26. 0 进 行 统 计;

Plackett-Burman 试验经软件 Design Expert 13. 0

进行数据处理与分析。

2 试验结果

2. 1 脱氮脱硫复合菌的构建与筛选结果

菌株相容性试验表明,2 株 HN-AD 菌与 3 株

SOB 菌之间均无明显的拮抗作用(图 1)。

 

8

 8 

B

C

注:图中“1”代指 HHVEN1,“W3”代指 GHWS3;

“2”代指 SDVEA2,“W5”代指 GHWS5

图 1 菌株 HHVEN1、GHWS3(a)和菌株 SDVEA2、

GHWS5(b)间的拮抗试验结果

Fig. 1 Experimental results of antagonism between strains

HHVEN1,GHWS5(a) and strains SDVEA2,

GHWS5(b)

由表 2 可知,菌株 HHVEN1、GHWS3 构建的

复合菌 NS1-1 对 NH

+

4

-N、NO

-

2

-N、硫化物去除率

分别 达 到 95. 21%、 95. 87% 和 95. 69%; 菌 株

SDVEA2、GHWS5 组成的复合菌 NS2-2 对 NH

+

4

-

N、NO

-

2

- N、 硫 化 物 去 除 率 分 别 为 90. 27%、

20

第 5 期 李梓路等:对虾养殖环境脱氮脱硫复合菌的构建与效能分析

97. 38%和 89. 62%。 经综合比较,复合菌 NS1-1

和 NS2-2 表现出更加优异的 NH

+

4

-N、NO

-

2

-N、硫

化物去除能力。

表 2 不同复合菌对 NH

+

4

-N、NO

-

2

-N 和硫化物的去除率

Tab. 2 Removal rates of NH

+

4

-N,NO

-

2

-N and sulfide in different compound bacteria combinations

组合

NH

+

4

-N 去除率/ %

48 h

NO

-

2

-N 去除率/ %

48 h

硫化物去除率/ %

对照 72 h

NS1-1 95. 21±2. 53 95. 87±2. 64 26. 92±3. 30 95. 69±3. 45

NS1-2 22. 49±2. 47 98. 54±3. 91 27. 84±2. 00 91. 94±3. 61

NS1-3 55. 50±1. 33 85. 18±2. 91 28. 90±2. 58 100. 00±0. 04

NS2-1 34. 95±2. 57 66. 46±3. 36 27. 01±0. 94 90. 06±2. 71

NS2-2 90. 27±1. 39 97. 38±3. 66 32. 47±1. 91 89. 62±2. 00

NS2-3 72. 10±1. 62 26. 48±2. 76 28. 73±1. 35 100. 00±0. 07













I

             













 NH-













 NH-















 NH-











































 NH-







 NH-

))7&/

()84

/4

4%7&\"

()84

/4

I I















 NH-

))7&/

()84

/4

      

             

I

I

B B B B

B

B B

B

B B B C

C

B

B

B C

C

C

C

D

D

D D D

D

E D

             

             

      

I

B B B B B

B

B

B C B B B B C

B C

C

D

C

B

D

D

E

C

C D D

D

B

E

C

F

D

G

图 2 HHVEN1、GHWS3、复合菌 NS1-1(a~c)和 SDVEA2、GHWS5、复合菌 NS2-2(d~f)脱氮脱硫能力比较

Fig. 2 Comparison of denitrification / desulfurization ability of HHVEN1,GHWS3,compound bacteria NS1-1(a-c) and

SDVEA2, GHWS5 and compound bacteria NS2-2(d-f)

21

渔 业 现 代 化 2024 年

2. 2 单一菌株与复合菌脱氮脱硫能力的比较

图 2 表明, 单一菌株 HHVEN1、 GHWS3 和

SDVEA2、GHWS5 对 NH

+

4

-N 均具有较高的去除

效率,在 72 h 内复合菌 NS1-1 和 NS2-2 的 NH

+

4

-

N 去除率分别优于单一菌株(图 2a、d);在 24 h

内,复合菌 NS1-1、NS2-2 的 NO

-

2

-N 去除率分别

达到 94. 86%、97. 27%,具有比单一菌株更高的

NO

-

2

- N 去 除 效 率 ( 图 2b、 e ); 单 一 脱 硫 菌 株

GHWS3、GHWS5 表现出良好的硫化物去除能力,

单一脱氮菌株 HHVEN1、SDVEA2 脱硫效率不佳,

而复合菌 NS1-1、NS2-2 在 72 h 时硫化物去除率

分别为 99. 31% 和 98. 46%,与单一脱硫菌株相

比,复合菌 NS1-1 和 NS2-2 具有更快的硫化物去

除速率(图 2c、f)。

  

 

  

 

     

     

     

     

     

     

     

     









fl











fl





fl





fl



B

C

注:图中 NaOAc 为乙酸钠;NaPyr 为丙酮酸钠;NaCit 为柠檬酸钠;SuC 为蔗糖;Glu 为葡萄糖;NaSUCC 为琥珀酸钠

图 3 不同环境因素对复合菌 NS1-1(a)和 NS2-2(b) NH

+

4

-N、NO

-

2

-N 和硫化物去除率的影响

Fig. 3 Effects of different environmental factors on the removal rates of NH

+

4

-N,NO

-

2

-N and sulfide of

compound bacteria NS1-1(a) and NS2-2(b)

2. 3 复合菌培养条件的优化结果

2. 3. 1 不同环境因素对复合菌脱氮脱硫能力的

影响

如图 3 所示,复合菌 NS1-1、NS2-2 在 20~35

℃时,对 NH

+

4

-N、NO

-

2

-N 和硫化物的去除率均高

于 70%,30 ℃时达到 88%以上;复合菌 NS1-1 在

pH 7. 5~8. 0 内,脱氮脱硫效率均达到 91%以上,

NS2-2 在 pH 7. 0~8. 5 时,去除率达到 75%以上,

在 pH = 7. 5 时,3 种污染物的去除率分别达到

92. 15%、96. 76%和 88. 21%;在 C / N≥5 条件下,

复合菌 NS1-1、NS2-2 的脱氮效率均高于 92%,

NS1-1 脱硫效率在 90%以上,而 NS2-2 在 C / N =

5 时硫化物去除率最高(88. 02%),随 C / N 的升

高去除率显著降低。 0 ~ 30 盐度范围内,复合菌

22

第 5 期 李梓路等:对虾养殖环境脱氮脱硫复合菌的构建与效能分析

NS1-1、NS2-2 脱氮效率随盐度的升高呈逐渐上

升的趋势,且在 20 ~ 30 时脱氮率均在 80%以上,

而两种复合菌脱硫效率不受盐度的影响,均在

80%以上。 以葡萄糖和琥珀酸钠为碳源,复合菌

NS1-1 和 NS2-2 的 NH

+

4

-N 和 NO

-

2

-N 去除率均

高于 91%,在葡萄糖为碳源的条件下,复合菌 NS1

-1 和 NS2-2 硫化物去除率最高,分别为 94. 46%

和 86. 79%。

2. 3. 2 复合菌脱氮脱硫的主要影响因素的分析

结果

由表 3 的 Plackett-Burman 结果可见,复合菌

NS1-1 的 NH

+

4

-N 去除率受环境因素影响顺序

为:温度>pH>碳源>C / N>盐度,NO

-

2

-N 去除率顺

序为:C / N>盐度>温度>碳源>pH,硫化物去除率

为:pH>碳源>温度>盐度>C / N。 复合菌 NS2-2

的 NH

+

4

-N、NO

-

2

-N、硫化物去除率的影响顺序分

别为:C / N>pH>盐度>温度>碳源、盐度>碳源>C /

N>温度>pH、pH>C / N>盐度>碳源>温度。

2. 4 复合菌对水产养殖尾水脱氮脱硫的实际

降解效果

如图 4a、b 显示,复合菌 NS1 - 1 ( HHVEN1、

GHWS3)和复合菌 NS2-2( SDVEA2、GHWS5) 两

种组成菌株在养殖尾水中作用 48 h,其菌浓度均

呈现逐渐升高趋势,之后复合菌 NS1-1 中两种菌

株趋于稳定,而复合菌 NS2-2 中两种菌株表现为

下降趋势,复合菌 NS1-1、NS2-2 组成菌株未表

现出较大差异,表现出较好的共存性。

由图 4c、d 所示,复合菌 NS1-1 在 72 h 内,将

养殖尾水的 NH

+

4

-N、NO

-

2

-N 和硫化物质量浓度

分别降至 1. 98、2. 04 和 25. 49 mg / L,去除率分别

为 78. 75%、75. 09%和 79. 61%;复合菌 NS2-2 在

72 h 内,将 NH

+

4

-N、NO

-

2

-N 和硫化物质量浓度分

别降为 1. 34、2. 87 和 32. 07 mg / L,去除率分别为

81. 44%、62. 68%和 72. 64%。 对水产养殖尾水表

现出高效脱氮脱硫效能。

3 讨论

3. 1 脱氮脱硫复合菌的构建

随着水产养殖业快速发展,水产养殖环境中

NH

+

4

-N、NO

-

2

-N、硫化物污染已成为诱发病害的

重要因素。 目前单一菌株的微生态脱氮或脱硫方

面已取得一些研究成果[7,19-20]

。 但是复合菌具有

更高效的脱氮脱硫效果,如 Feng 等[21] 构建的复

合菌能够去除水产养殖水体中 88. 7%的总氮和

71. 3% 的硫化物, 且效果明显优于单一菌株;

Watsuntorn 等[22]研发的复合菌消除废水中的氮、

硫污染物,远超单一菌株脱氮脱硫的效果。 本研

究选取两株 HN-AD 菌和三株 SOB 菌,经配伍筛

选获得的复合菌 NS1 - 1 和 NS2 - 2 具有高效的

NH

+

4

-N、NO

-

2

-N 和硫化物去除能力,且脱氮脱硫

效果均优于单一菌株,这与上述研究结果类似,由

此说明复合菌在脱氮脱硫方面具有明显的优势和

应用潜力,是消除水体氮、硫污染的重要技术手

段,复合菌 NS1-1 和 NS2-2 能否应用于水产养殖

尚需进一步研究证实。

3. 2 不同环境因素对高效复合菌脱氮脱硫效

能分析

菌株培养条件的优化是菌株发酵生产和高效

应用的重要前提。 已有研究指出在对虾养殖环境

中,温度通常在 18 ~ 30 ℃ 、盐度在 0 ~ 35、pH 在

7. 0~9. 0 的范围内波动,C / N 通常低于 5

[19,23-24]

。

为提高复合菌在水产养殖环境中的应用范围,要

求复合菌在温度、盐度、pH、C / N 等环境因素的适

应方面与水产养殖环境相符为宜。 养殖环境的波

动性往往限制了菌株脱氮脱硫潜能的充分发挥,

这主要是因为不同菌株对环境的适应性存在差

异,仅通过培养条件的优化难以全面考虑这些差

异。 如 Huang 等[4] 报道复合菌 MCH 与 MAH 在

温度 20~30 ℃ ,C / N 15 ~ 20,蔗糖为碳源的条件

下具有较强的脱氮能力,但当盐度在 2 ~ 50 的范

围内变动时,其氮去除率下降至 70%以下,这说

明在复杂多变的养殖环境下,单纯依赖培养条件

的优化来评估菌株的适应性是不够的。 本研究采

用 Plackett-Burman 试验方法,探究了不同环境因

素对复合菌 NS1-1 和 NS2-2 氮、硫去除能力的差

异化影响。 结果显示,同一环境因素对不同复合

菌氮、硫去除能力的影响不尽相同,如 C / N 对复

合菌 NS1-1 的 NO

-

2

-N 去除率有显著影响,而对

复合菌 NS2-2 的 NH

+

4

-N 去除率有显著影响。 这

是因为菌株对不同的环境因素具有独特的适应

性[25-27]

,而这种适应性主要受到复合菌间协同作

用、竞争代谢等多种复杂机制的综合影响,使得菌

株在 不 同 环 境 条 件 下 展 现 出 独 特 的 适 应 策

略[25-26]

。 本研究的复合菌不仅具有高效的氮、硫

去除能力,对养殖环境理化因子的波动也表现出

卓越的调整和适应能力。

23

渔 业 现 代 化 2024 年

表 3 复合菌 NS1-1 和 NS2-2 的 Plackett-Burman 试验各因素显著性分析

Tab. 3 Significance analysis of factors in the Plackett-Burman experiment for compound bacteria combination NS1-1 and NS2-2

复合菌 响应值 来源 自由度 平方和 均方 F 值 P 值 影响顺序

NS1-1

NH

+

4

-N 去除率

模型 5 117. 75 23. 55 12. 86 0. 003 7

A 1 97. 64 97. 64 53. 31 0. 000 3 1

B 1 13. 08 13. 08 7. 14 0. 036 9 2

C 1 3. 34 3. 34 1. 82 0. 225 7 4

D 1 0. 004 4 0. 004 4 0. 002 4 0. 962 5 5

E 1 3. 69 3. 69 2. 01 0. 205 9 3

误差 6 10. 99 1. 83

合计 11 128. 74

NO

-

2

-N 去除率

模型 5 1 025. 64 205. 13 5. 63 0. 028 8

A 1 41. 00 41. 00 1. 13 0. 329 7 3

B 1 0. 625 6 0. 625 6 0. 017 2 0. 900 0 5

C 1 510. 65 510. 65 14. 01 0. 009 6 1

D 1 450. 19 450. 19 12. 35 0. 012 6 2

E 1 23. 19 23. 19 0. 636 3 0. 455 5 4

误差 6 218. 64 36. 44

合计 11 1 244. 28

硫化物去除率

模型 5 911. 87 182. 37 12. 58 0. 003 9

A 1 197. 72 197. 72 13. 64 0. 010 2 3

B 1 359. 82 359. 82 24. 82 0. 002 5 1

C 1 43. 97 43. 97 3. 03 0. 132 2 5

D 1 93. 02 93. 02 6. 42 0. 044 5 4

E 1 217. 35 217. 35 14. 99 0. 008 2 2

误差 6 86. 99 14. 50

合计 11 998. 86

NS2-2

NH

+

4

-N 去除率

模型 5 410. 94 82. 19 7. 57 0. 014 3

A 1 16. 52 16. 52 1. 52 0. 263 4 4

B 1 137. 50 137. 50 12. 67 0. 011 9 2

C 1 216. 92 216. 92 19. 99 0. 004 2 1

D 1 30. 53 30. 53 2. 81 0. 144 5 3

E 1 9. 47 9. 47 0. 872 8 0. 386 2 5

误差 6 65. 10 10. 85

合计 11 476. 04

NO

-

2

-N 去除率

模型 5 931. 83 186. 37 6. 19 0. 023 1

A 1 28. 00 28. 00 0. 930 1 0. 372 1 4

B 1 7. 07 7. 07 0. 234 8 0. 645 2 5

C 1 63. 07 63. 07 2. 10 0. 197 9 3

D 1 506. 61 506. 61 16. 83 0. 006 3 1

E 1 327. 09 327. 09 10. 87 0. 016 5 2

误差 6 180. 62 30. 10

合计 11 1 112. 45

硫化物去除率

模型 5 258. 94 51. 79 9. 09 0. 009 1

A 1 5. 69 5. 69 0. 9976 0. 356 5 5

B 1 165. 61 165. 61 29. 06 0. 001 7 1

C 1 49. 69 49. 69 8. 72 0. 025 5 2

D 1 28. 34 28. 34 4. 97 0. 067 3 3

E 1 9. 61 9. 61 1. 69 0. 241 7 4

误差 6 34. 20 5. 70

合计 11 293. 14

24

第 5 期 李梓路等:对虾养殖环境脱氮脱硫复合菌的构建与效能分析













 NH-

))7&/ ()84 ))7&/ ()84 ))7&/ ()84 ))7&/ ()84 ))7&/ ()84 ))7&/ ()84 4%7&\" ()84 4%7&\" ()84 4%7&\" ()84 4%7&\" ()84 4%7&\" ()84 4%7&\" ()84

 I  I  I  I  I  I  I  I  I  I  I  I

 ))7&/ ()84 4%7&\" ()84 



























 NH-







 NH-

     

I

     

I

B

C

D

E

))7&/ ()84 ))7&/ ()84 ))7&/ ()84 ))7&/ ()84 ))7&/ ()84 ))7&/ ()84 4%7&\" ()84 4%7&\" ()84 4%7&\" ()84 4%7&\" ()84 4%7&\" ()84 4%7&\" ()84

 I  I  I  I  I  I  I  I  I  I  I  I

 ))7&/ ()84 4%7&\" ()84 



























 NH-







 NH-

     

I

     

I

B

C

D

E







 NH-

图 4 复合菌 NS1-1、NS2-2 在养殖尾水中的菌株丰度变化(a、b)与降解效果(c、d)

Fig. 4 Strain abundance change(a,b) and degradation effect(c,d) of compound bacteria NS1-1 and NS2-2 in

actual aquaculture tail water

3. 3 复合菌对水产养殖尾水脱氮脱硫的降解效果

已有研究指出群体感应( Quorum Sensing,

QS)是细菌用来响应细胞群体密度波动的细胞

间通信方式。 细菌能够通过 QS 系统分泌和感

应特定的信号分子来调控相关基因的表达水

平,进 而 影 响 硝 化、 反 硝 化 和 硫 氧 化 等 过

程[28-29]

。 这一机制揭示了不同菌株之间良好的

共存性对于高效脱氮和脱硫过程的重要性。 例

如,Huang 等[23] 的研究展示了菌株间良好共存

性的重要性,其构建的复合菌组合 MCH、MAH

和 MAC,因其出色的共存性和高效协同作用,在

氮去除效率上显著高于单一菌株。 本研究也进一

步证实了这一点,复合菌 NS1-1 与 NS2-2 在水产

养殖尾水中 72 h 内不仅表现出良好的菌株共存

性,而且具有显著的 NH

+

4

-N、NO

-

2

-N 和硫化物去

除效果,这表明良好的共存性促进了菌株之间的

协同作用,从而提高了脱氮和脱硫的效率,也进一

步证明了菌株间良好的共存性是提升菌株氮、硫

去能力的关键条件。

评估复合菌在实际养殖环境中的氮、硫去除

效果,是决定其应用潜力的关键。 然而,实际养殖

环境错综复杂,离子平衡和微生物群落的动态变

化给微生物的定殖和存活带来了挑战[29]

。 实际

应用表明,利用土著菌构建的复合菌在复杂多变

的养殖 环 境 中 能 够 展 现 良 好 的 氮、 硫 去 除 效

果[4,30]

;另有研究指出向养殖环境中引入一定数

量的复合菌可以有效改变原生环境中微生物的群

落结构和丰度,一旦形成优势菌群,还能促进原生

环境中的氮、硫代谢强度,从而在养殖环境内形成

良性循环,进一步改善水质条件[31-32]

。 本研究构

建的复合菌 NS1-1 和 NS2-2 在实际养殖环境下

依然具有显著的脱氮与脱硫效能。 外源菌被引入

新环境能否适应和存活并发挥效能是一个必须重

视的科学问题,在大力倡导水产养殖绿色发展的

大背景下,应尽量使用“土著菌”构建的微生态制

剂。 这不仅能增强益生菌的环境适应性,还能提

升脱氮、脱硫效率,对于维护水产养殖环境的清洁

具有重要的意义。

25

渔 业 现 代 化 2024 年

4 结论

本研究利用自对虾养殖环境中筛选出的异养

硝化-好氧反硝化菌(HHVEN1 和 SDVEA2)和硫

氧化菌(GHWS3 和 GHWS5),成功构建了两种高

效脱 氮 脱 硫 复 合 菌 NS1 - 1 和 NS2 - 2, 通 过

Plackett-Burman 试验方法,建立了识别影响益生

菌株发挥效能的关键环境因素的技术方案;并发

现复合菌 NS1-1 和 NS2-2 在水产养殖尾水中具

有良好的共存性和高效的脱氮脱硫能力。 研究认

为水产养殖复合菌微生态控制技术,必须明确哪

些环境因素显著影响复合菌的氮、硫去除能力,要

注重复合菌使用的环境条件,以全面提升复合菌

消除 污 染 物 的 效 率。 本 研 究 通 过 Plackett -

Burman 试验的方法,精确识别了影响益生菌株发

挥效能的关键环境因素,为水产养殖环境清洁建

立了新的技术方案。 □

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compound bacteria in shrimp culture environment

LI Zilu,LIU Chang,LI Teng,WANG Qiaoqiao,DOU Le,PAN Luqing

(Key Laboratory of Mariculture,Ministry of Education,

Ocean University of China,Qingdao 266003,Shandong,China)

Abstract:With the rapid development of intensive culture of shrimp,the pursuit of high yield coupled with

excessive feeding leads to the aggravation of NH

+

4

-N,NO

-

2

-N,and sulfide pollution in the aquaculture water,

which seriously harms the growth and physiological function of shrimp. This study used heterotrophic

nitrification-aerobic denitrifying bacteria (HHVEN1 and SDVEA2) and sulfur-oxidizing bacteria (GHWS3

and GHWS5 ) screened from shrimp aquaculture environment to successfully construct two efficient

denitrification / desulfurization bacterial consortia NS1 - 1 and NS2 - 2,and explored their denitrification and

desulfurization capabilities. The results showed the NS1-1 consortium displayed removal rates exceeding 95%

for NH

+

4

-N,NO

-

2

-N,and sulfide,and NS2 - 2 exhibited removal rates of 90. 27%,97. 38%,and 89. 62%,

respectively,all of which were superior to a single strain. The bacterial consortia NS1-1 and NS2-2 can exert

maximum denitrification / desulfurization efficiency under the culture conditions of temperature 20 - 35 ℃ ,

carbon-nitrogen ratio (C / N) 5-20,salinity 20-30,and utilizing glucose or sodium succinate as the carbon

source. The optimum pH ranges of the two consortia were different,with NS1-1 favoring 7. 5-8. 0 and NS2-2

preferring 7. 0-8. 5. The bacterial consortia NS1-1 and NS2-2 had good coexistence among various strains in

aquaculture tailwater. NS1-1 and NS2-2 displayed effective removal rates of 78. 75%,75. 09%,79. 61%,and

81. 44%,62. 68%,72. 64% for NH

+

4

-N,NO

-

2

-N-and sulfide in practical aquaculture tailwater,respectively.

The research shows that the bacterial consortia NS1 - 1 and NS2 - 2 have high - efficiency denitrification

desulfurization removal efficiency and exceptional environmental adaptability,providing scientific support for

eliminating nitrogen and sulfur pollution in aquaculture.

Key words:shrimp culture; denitrifying desulfurizing strain; compound bacteria; conditional optimization;

efficiency analysis; degradation application

27

第 51 卷第 5 期 渔 业 现 代 化 Vol. 51 No. 5

2024 年 10 月 FISHERY MODERNIZATION Oct. 2024

DOI:10. 3969 / j. issn. 1007-9580. 2024. 05. 004 开放科学(资源服务)标识码(OSID):

吉泽坤,刘晃,崔铭超,等. 横摇晃荡对矩形工船养殖舱内流场与颗粒物去除的影响[J]. 渔业现代化,2024,51(5):28-37.

收稿日期:2024-06-13

基金项目:青岛海洋科技中心山东省专项经费(2022QNLM030001-3)

作者简介:吉泽坤(1998—),男,硕士研究生,研究方向:船舶与海洋工程。 E-mail:jizekun6339@ 163. com

通信作者:刘晃(1973—),男,研究员,硕士生导师,研究方向:水产养殖工程。 E-mail:liuhuang@ fmiri. ac. cn

横摇晃荡对矩形工船养殖舱内流场与颗粒物去除的影响

吉泽坤1,2

,刘 晃1

,崔铭超1

,牛诗雨1,2

,刘胜男1,2

(1 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,上海 200092;

2 大连海洋大学航海与船舶工程学院,辽宁 大连 116023)

摘要:深远海养殖工船游弋式养殖是现代海洋渔业发展的一个重要的方向。 基于 FLOW-3D 软件探究了横

摇运动对舱内流场特征的影响,并在此基础上计算了不同横摇工况下流场中废弃颗粒物的去除情况。 结果

显示:控制横摇周期一定,随着横摇角度从 0°增加到 2°,舱内流速略有增加。 而当横摇角度从 2°增加到 7°

时,舱内流速出现大幅增加,v50%从 0. 171 m/ s 增加到 0. 477 m/ s;同时横摇角度的增大也使流速的整体分布

更加离散。 横摇角度幅值 2°以内工况的流动均匀性指数主要集中在 0. 8 ~ 0. 85,当横摇角度幅值增加到 3°

后,养殖舱流动均匀性显著降低,养殖舱内水体流动均匀性指数均小于 0. 8。 当横摇角度幅值一定时,横摇

周期缩短,养殖舱内流速急剧增大,各工况流速的 v50%与其他分位数呈线性增长趋势而舱内水体的流动均匀

性变化并不显著。 对于养殖舱内废弃固体颗粒物的去除,在横摇周期和颗粒物自身属性一定时,整个过程分

为效果相反的前后两个阶段:从颗粒物投放进入流场至投放后的 1 000 s 内,横摇角度幅值越小,其去除速率

越高;此后直至整个算例的计算结束,横摇角度越大,颗粒物去除速率越高。 而横摇周期对养殖舱内颗粒物

的去除排出基本没有影响,各个工况颗粒物去除的达标时间极为接近。

关键词:养殖工船; 养殖舱; 流场; 颗粒物; 数值仿真

中图分类号:S969. 3 文献标志码:A 文章编号:1007-9580(2024)05-0028-010

近年来,中国水产养殖行业发展迅速,在确保

粮食供给的同时,保障水产品有效供给,向江河湖

海要食物,宜渔则渔,全方位、多途径、高质量、可

持续地开发渔业食物资源,为消费者提供更加安

全、更加丰富多样、更加营养健康的水产品[1]

。

水产养殖产品在改善居民膳食结构、供给优质蛋

白等方面作用突出,为保障中国粮食安全做出了

重要贡献[2-3]

。 传统的陆地和浅海养殖,面临着

土地资源有限、环境污染等问题,而深远海养殖则

是解决以上问题的一条重要途径,并且走向深远

海对提高水产养殖的质量与效益、保障中国粮食

安全、实现渔业现代化和水产养殖业的可持续发

展具有重要意义[4-5]

。

深远海养殖工船是一种可移动的海上养殖平

台,具有自主航行能力,可根据需求游弋于合适的

养殖水域,以及躲避台风等自然灾害侵袭[6-8]

。

其用于深远海鱼类养殖,能够减小环境污染、提高

水产品质量,是离岸养殖业发展的一个新方向。

养殖工船舱内养殖水体环境质量的好坏主要

取决于残饲与粪便等颗粒物去除效率的高低,而

颗粒物的去除效率与水体的流速、流动的均匀程

度息息相关[9-10]

。 具有适当流速的养殖水体不仅

可以使溶氧在有限的养殖空间内均匀分布,还有

利于养殖舱中由残饲、排泄物和次级代谢物所构

成的颗粒物的去除排出[11-13]

。 在静态养殖条件

以及养殖舱内不同特性颗粒物的去除效果的基础

上[14-15]

,加入实际养殖工况中由海上风浪所引起

的横摇晃荡因素,是工船养殖舱舱内养殖环境相

关研究中亟待解决的问题。 深远海养殖工船要求

具备良好的耐波性以获得适合鱼类生长的环境,而

外界环境激励下的液舱晃荡是其不可忽略的影响

因素,船舶与液舱的横摇晃荡运动研究一直以来都

第 5 期 吉泽坤等:横摇晃荡对矩形工船养殖舱内流场与颗粒物去除的影响

是国内外业界的研究热点[16-18]

。 Cui 等[19]

、Guo

等[20]针对养殖工船养殖舱适渔性问题进行了舱内

水环境的数值仿真计算,并采用概率统计方法分析

了舱内流速分布和滞留时间等特性,发现基于概率

的移动距离随横摇角度幅值的增大几乎呈线性增

长,且速度量级随角度的增大比移动距离的增大更

快。 经过对养殖工船中间试验船[21]与“国信 1 号”

的横摇角度与周期的实测,发现工船横摇角度幅值

在 0°~7. 3°间,且多集中在 0°~2°。 因此,利用 CFD

软件数值仿真计算不同工况下横摇晃荡运动对 30

万 t 级养殖工船养殖舱内流场特征及颗粒物去除

的影响变得格外重要,将使得对养殖工船养殖舱内

的研究更加系统化与体系化。

1 材料与方法

1. 1 矩形工船养殖舱

1. 1. 1 矩形工船养殖舱模型参数

本研 究 针 对 30 万 吨 级 养 殖 工 船 ( 船 长

342. 60 m,型宽 66. 00 m,型深 32. 00 m),共 12 个

养殖舱,选其中 1 个。 养殖舱舱长 42 m、宽 29. 2

m、高 19. 5 m,舱内最大水深为 16 m。 其中舱体

在 4 个壁面转角位置各设置 4 个进水口,全舱共

16 个进水口。 4 个出水口在舱体底部等距排布,

养殖舱三维模型如图 1 所示。

fl

fl

ZN        

[N

图 1 养殖舱三维模型及模型侧视尺寸图

Fig. 1 Three-dimensional model of aquaculture tank and dimension of the model in side view

1. 1. 2 矩形工船养殖舱一阶固有周期

当载液船舶的液舱面对海上风浪所引起的船

舶横摇运动时,会遇到外部激励的周期接近液舱

固有频率时而发生共振,使得液舱内的水体运动

更加剧烈的问题。 液舱横向晃荡的固有周期一般

可按下式进行计算[22]

:

Tn

=

2π

gπ

b

tanh

πh

b

( )

(1)

式中:n 为阶数,本研究仅计算一阶频率,因此 n =

1;b 为液舱运动方向自由液面长度,b = 29. 2 m;h

为液舱有效载液深度,h = 16 m;g 为重力加速度。

计 算 得 到 横 摇 方 向 一 阶 固 有 周 期

为 6. 318 s

[23-24]

。

1. 2 数值仿真模型

1. 2. 1 控制方程

在本研究的数值仿真中,养殖工船船载养殖

舱内流体为三维不可压缩流体,控制方程为连续

性方程、雷诺平均 Navier-Stokes 方程(RANS);湍

流模型选择 RNG k-ε 湍流模型。 养殖舱内水体

为不可压缩流体,其连续性方程为:

∂ui

∂xi

= 0 (2)

其动量方程为:

∂(ρui)

∂t

+

∂(ρujui)

∂xj

= -

∂p

∂xi

+ μ

∂

2

ui

∂xj∂xj

+ Fi (3)

式中:u 为速度,m / s;ρ 为密度,kg / m

3

;μ 为运动黏

性系数,kg / (m·s);F 为体力,kg / (m

2·s

2

);p 为

压强,kg / (m·s

2

)。

湍流模型采用 RNG k-ε 湍流模型,湍动能 kT

和湍流耗散率 εT 的输运方程为:

∂kT

∂t

+

1

VF

uAx

∂kT

∂x

+ vAy

∂kT

∂y

+ wAz

∂kT

∂z

( ) =

PT

+ Dk

T

- εT (4)

∂εT

∂t

+

1

VF

uAx

∂εT

∂x

+ vAy

∂εT

∂y

+ wAz

∂εT

∂z

( ) =

c1

PT εT

kT

+ Dε

T

- c2

ε

2

T

kT

(5)

29

渔 业 现 代 化 2024 年

式中:PT 为湍动能生成项;Dk

T为湍动能扩散项;

Dε

T为湍流耗散扩散项;c1 ,c2 为系数,在经典的

k-ε 湍流模型中,c1

= 1. 44,c2

= 1. 92。

1. 2. 2 数值方法与网格收敛性验证

所构建的数值方法验证基于 Liu 等[25] 的试

验结果,水箱长 0. 57 m、宽 0. 31 m、高 0. 3 m,初

始液面高度 0. 15 m,水箱内水体的固有频率 ω0

=

6. 06 s

-1

;水箱布置了 3 个监测仪器,用来监测自

由液面的高度。 监测 3 处监测仪器位置处液面波

高的变化,对比数值计算得到的液面波高变化与

Liu 等[25]的试验结果。 发现在 3 个监测仪器位置

处,计算结果与试验数据吻合度较高,说明所建立

的数值方法可以应用于工船养殖舱舱内流场特性

的数值仿真计算。

基于工船养殖舱实体计算模型,采用横摇周

期为 7 s、横摇角度为 5°的横摇晃荡工况进行网格

收敛性验证。 模型采用均匀网格划分,网格尺寸

分别为 0. 2 m、0. 3 m、0. 4 m,网格数量分别在 320

万、100 万和 43 万;用于流速监测的固定点为(0,

4. 25,11)点,计算时长为 1 800 s。 分析网格收敛

性验证的计算结果,发现在 650 s 以后速度幅值

达到稳定的周期性变化状态。 以网格尺寸为 0. 2

m 工况的流速幅值和平均动能为基准,计算 0. 3

m 和 0. 4 m 两种网格尺寸下的流速幅值。 综合考

虑计算精度和效率,后续计算均采用分辨率为 0.

3 m 的模型网格尺寸。

1. 3 养殖舱计算模型

1. 3. 1 仿真工具

数值仿真通过 FLOW - 3D

[26] 软件完成,在

FLOW-3D 中,数值模型基于笛卡尔网格坐标系

统,采用面积和体积孔隙函数解析计算区域边界

和区域类型,该方法称为 FAVOR

TM 方法[27]

。 颗

粒物 Particles 的种类选择具有运动特性的质量

Mass 粒子。

1. 3. 2 颗粒物投放设置

本研究对不同的工况进行数值计算,分析不

同横摇角度幅值 A 与横摇周期 T 对舱内流场特

征的影响,并在此基础上探究角度与周期对养殖

舱内颗粒物的去除效果。 工厂化养鱼产生的固体

废弃物量大且颗粒物分布范围较广,大部分粒径

为 0. 1~1. 0 mm,密度为 1. 05~1. 19 g / cm

3 [28]

;由

于本研究主要探究横摇角度幅值 A 和横摇周期 T

对养殖舱中颗粒物去除的情况,因此综合考虑算

例计算时长与实际养殖工况,将计算中颗粒物的

半径设置为去除速率较高的 1. 0 mm;密度设置为

与养殖水体密度较为接近的 1. 05 g / cm

3

。 为使数

值仿真模型更好地模拟实际工况中残饲、排泄物

组成的颗粒物的分布情况,颗粒物的生成方式设

置为粒子源(Particle source) 生成,并均匀设置 4

处粒子源,粒子源的截面位置如图 2 所示,z 轴高

于净水面 0. 5 m;每个粒子源释放速率(Rate of

generation)为每秒钟释放 200 颗,4 个粒子源持续

5 s 共生成 4 000 个颗粒物。

 

 

fl fl

f

fl fl

图 2 颗粒物投放源俯视示意图(m)

Fig. 2 Top view of particle sources(m)

1. 4 试验分组

主要研究横摇角度幅值 A 和横摇周期 T 对

工船养殖舱流场特性与舱内颗粒物的影响。 对于

养殖工船养殖舱横摇晃荡角度幅值与周期的设

定,通过对 3 000 吨级养殖工船“国信 101”中间

试验船与“国信 1 号”10 万吨级养殖工船进行实

测。 采集的船体横摇运动数据经过分析处理后发

现工船横摇运动的周期在 4~10 s 之间;角度幅值

在 0~7. 3°间,且多集中在 0 ~ 2°

[21]

。 因此,将本

数值仿真计算的将横摇角度幅值的范围设定为

0~7°;由于所建立的 30 万吨级养殖工船养殖舱

的横摇方向一阶固有周期为 6. 318 s,因此将后续

数值计算的横摇周期范围设定为 7~10 s。

本研究通过养殖舱内流场流速与水体流动均

匀性来描述不同工况下横摇运动对工船养殖舱流

场特性的影响。 因此,基于控制变量思想,研究不

同横摇角度幅值和横摇周期下工船养殖舱内流速

的变化,具体工况如表 1 所示。

30

第 5 期 吉泽坤等:横摇晃荡对矩形工船养殖舱内流场与颗粒物去除的影响

表 1 仿真工况分组

Tab. 1 Grouping of simulation conditions

组别 D0 / E0 D1 D2 D3 D4 E1 E2 E3 E4

横摇运动

角度幅值 A/ (°) 0 2 3 5 7 5

周期 T/ s 0 10 7 8 9 10

颗粒物性质

粒径/ mm 1

密度/ (kg / m

3

) 1 050

注:在上述工况中,工船养殖舱的 16 个进水口和 1 个出水口均处于开启状态;字母 D 代表控制横摇周期不变,依次递增横摇角度

幅值的工况;字母 E 代表控制横摇角度幅值不变,依次递增横摇周期的工况

1. 5 数据处理

1. 5. 1 流动均匀性

主要研究横摇运动对养殖舱舱内流场的影

响,衡量流场特性的指标设定为流速大小和流动

均匀性,其中,水体流动的均匀程度通过流动均匀

性指数来量化,公式[29]如下:

γ = 1 -

1

2S∑

n

i = 1

Vi

- V

-

V

-

Si (6)

式中:γ 为某截面上水体流动的均匀性指数,γ∈

[0,1],γ 越大,水体流动的均匀性越好;S 为截面

面积,n 为截面上的计算单元个数,Vi 和 Si 分别

为计算单元 i 的流速和面积,?V 为截面上所有计

算单元的平均流速。

1. 5. 2 统计方法

对于工船养殖舱的流场分析,仅通过监测点、

线或平面上流速大小的变化不能代表整个舱内流

场的特征;因此,本研究通过概率密度(Probability

density)对整个养殖舱的流速进行统计分析。 为避

免因进出水口附近出现过大流速的干扰而无法掌

握舱内流场的整体情况,故而取 v95%代表流速数据

的 95%分位数;v50%代表流速数据的中位数。 在本

研究中,数据的处理通过 Matlab R2021a 完成。

2 结果

2. 1 横摇运动对舱内流速的影响

2. 1. 1 横摇角度幅值对舱内流速的影响

当横摇周期 T 不变时,随着横摇角度幅值从

0°增加到 2°,养殖舱流速略有增加,v95% 从 0. 203

m / s 增加到 0. 342 m / s;v50% 从 0. 113 m / s 增加到

0. 171 m / s。 而当横摇角度幅值从 2°增加到 7°

时,养殖舱流速出现了大幅的增加,v95% 从 0. 342

m / s 增加到 1. 052 m / s,增幅为 207. 6%; v50% 从

0. 171 m / s 增加到 0. 477 m / s,增幅约为 178. 9%,

如图 3 所示。

    









  c



 NT

图 3 不同横摇角度下养殖舱内流速分布箱线图

Fig. 3 The box plot of flow velocity distribution in the aquaculture

tanks under different transverse rolling angles

当横摇周期 T 一定时,0~3° 3 种工况数据的箱

体偏窄,说明流速离散分布较为集中,流速数据波动

性小且较为稳定;而 5~7° 2 种工况箱体大幅增宽,

说明流速数据波动性较大,流速离散分布较广。

不同横摇角度幅值下舱内流速概率密度分布

如图 4 所示。





        

  NT



















 ffc

 ffc

 ffc

 ffc

 ffc

图 4 不同横摇角度幅值下舱内流速概率密度分布

Fig. 4 Probability density of velocity in the tank for different

amplitudes of transverse rolling angle

当总进出水流量与横摇周期 T 不变时,横摇

31

渔 业 现 代 化 2024 年

角度分别为 0°和 2°的 D0、D1 两种工况舱内流速

主要集中在 0~ 0. 3 m / s 之间;角度为 3°的 D2 工

况舱内流速主要集中在 0~0. 5 m / s;角度为 5 ~ 7°

的 D3、D4 2 种工况舱内流速主要分布在 0 ~

0. 8 m / s。 利用流速的概率密度能更加直观地反

映出不同横摇角度幅值的工况下养殖舱内水体流

速的具体数值分布情况。

2. 1. 2 横摇周期对舱内流速的影响

通过 E0、E1、E2、E3、E4 5 种工况下舱内流速

的整体分布,分析在横摇角度幅值 A 一定时,横

摇角度对养殖舱内流速的影响。 当横摇角度幅值

不变时,从 E0 至 E4 工况,随着横摇周期从 0 s 增

加到 10 s 时,养殖舱舱内总体流速急剧增加。

v95%从 0. 203 m / s 增加到 0. 751 m / s,增幅约为

270%;v50%从 0. 113 m / s 增加到 0. 338 m / s,增幅

约为 199. 1%。 而当横摇周期从 10 s 锐减至 7 s

时,养 殖 舱 舱 内 流 速 的 增 长 速 度 放 缓, v95% 从

0. 751 m / s 增加到 1. 385 m / s,增幅为 84. 4%;v50%

从 0. 338 m / s 增 加 到 0. 662 m / s, 增 幅 约

为 95. 9%。

不同横摇周期下养殖舱内流速分布箱线图如

图 5 所示。

    

T























 NT

图 5 不同横摇周期下养殖舱内流速分布箱线图

Fig. 5 The box plots of flow velocity distribution in the

aquaculture tank under different transverse

rolling periods

由图 5 可知,当横摇角度幅值 A 一定时,从

E0 至 E4 工况,横摇周期从 0 s 增加至 10 s,代表

流速数据分布的箱体宽度大幅增加,说明流速数

据由集中转变为离散,数据波动性变大;而从 E4

至 E1 工况,横摇周期从 10 s 至 7 s 依次递减,E4、

E3、E2、E1 4 种工况的数据箱体宽度呈现依次增

加的趋势,且增加幅度较缓。 证明在横摇角度幅

值一定时,横摇周期越短,舱内流速数据离散程度

越高、数据分布范围越广,其稳定性越小。

不同横摇周期下舱内流速概率密度分布如图

6 所示。

ff T

ff T

ff T

ff T

ff T

          

  NT























图 6 不同横摇周期下舱内流速概率密度分布

Fig. 6 Probability density distribution of flow velocity in the

tank under different transverse rolling periods

由图 6 所知,当总进出水流量与横摇角度幅

值 A 不变时,横摇周期为 0 s 的 E0 工况舱内流速

主要集中在 0~0. 2 m / s 之间;周期依次为 8~10 s

的 E2~ E4 3 种工况舱内流速主要集中在 0 ~ 0. 9

m / s;横摇周期为 7 s 的 E1 工况,舱内流速主要集

中在 0~1. 0 m / s 之间。 因此,当横摇角度一定且

横摇周期不再为 0 s 时,横摇周期对流速数值的

具体分布影响较小。

2. 2 横摇运动对舱内水体流动均匀性的影响

2. 2. 1 横摇角度幅值对舱内水体流动均匀性的

影响

为分析横摇角度幅值 A 对养殖舱内水体流

动均匀性的影响,在 5 种工况下对比分析养殖舱

不同水深处水平截面的流动均匀性指数 γ,如图 7

所示。 5 种工况对比,发现当横摇周期 T 不变时,

随着横摇角度幅值从 0°增加到 2°,养殖水体的流

动均匀性略有降低,D1 工况下 6. 9 ~ 16. 0 m 水深

区域内流动均匀性指数仍大于 0. 8;而当横摇角

度幅值增加到 3°后,养殖舱流动均匀性显著降

低,D2、D3、D4 工况下养殖舱内水体流动均匀性

指数均小于 0. 8,且明显低于 D0 的静态工况。

32

第 5 期 吉泽坤等:横摇晃荡对矩形工船养殖舱内流场与颗粒物去除的影响

      





















ffi

)N

%c %c %c %c %c

图 7 不同横摇角度幅值下养殖舱内水体

流动的均匀性

Fig. 7 Uniformity of water flow in aquaculture tank with

different amplitudes of transverse rolling angle

综合分析各个工况的流动均匀性指数,发现

D0 无横摇角度的静态工况,曲线整体保持稳定且

集中在 0. 8 ~ 0. 85 之间,只在每层进水口与底部

出水口的位置略有起伏。 当横摇角度幅值在 2° ~

7°时,发现养殖舱从 6. 0 ~ 12. 0 m 水深区域流动

均匀性指数由小变大,且趋势向好。 整体观察四

条有横摇角度的曲线,可以观察到养殖舱内下半

部分整体优于上半部分。 纵观整个养殖舱基本符

合当横摇周期一定时,横摇角度幅值越大,流动均

匀性指数越小,水体的流动均匀性越差。

2. 2. 2 横摇周期对舱内水体流动均匀性的影响

为分析横摇周期 T 对养殖舱舱内水体流动

均匀性的影响,在 E0、E1、E2、E3、E4 5 种工况下

对比分析养殖舱不同水深处水平截面的流动均匀

性指数 γ,如图 8 所示。 5 种工况对比发现,当横

摇角度幅值 A 不变时,随着横摇周期从 0 s 增加

到 10 s,养殖舱流动均匀性大幅降低,流动均匀性

指数均小于 0. 8,且明显低于 E0 静态工况。 综合

分析 E1、E2、E3 和 E4 这 4 个横摇周期依次增加

的工况,发现 0. 0 ~ 9. 2 m 的水深区域,线条趋势

较为杂乱无序,此时横摇周期对水体流动的均匀

性影响较小。 而在养殖舱 9. 2 ~ 16. 0 m 水深区

域,水体的流动均匀性整体优于 9. 2 m 以上的部

分,且代表各个工况的线条分布较为规律,基本符

合在横摇角度幅值一定,横摇周期越短,流动均匀

性指数越小,水体的流动均匀性越差。 整体观察

横摇周期为 7 ~ 10 s 的 E1 ~ E4 4 个工况,发现 4

条曲线所代表的流动均匀性指数分布较为集中,

且都聚集在 0. 7~0. 8 之间。

& T & T & T & T & T

      





















ffi

)N

图 8 不同横摇周期下养殖舱内水体流动的均匀性

Fig. 8 Uniformity of water flow in aquaculture tanks under

different transverse rolling periods

2. 3 横摇运动对舱内颗粒物去除效果的影响

2. 3. 1 横摇角度幅值对舱内颗粒物去除效率的

影响

为探究横摇角度幅值 A 对养殖舱内颗粒物

去除效果的影响,控制横摇周期 T 为 10 s、颗粒物

密度为 1 050 kg / m

3

,粒径为 1 mm;各工况算例总

计算时长为 9 000 s,统一设置为在算例开始计算

2 000 s 后投放颗粒物。 如图 9 所示,颗粒物自身

属性相同的情况下,整个过程主要分为两个阶段:

从颗粒物投放进入流场开始到投放后 1 000 s(算

例的第 3 050 秒)左右,横摇角度幅值越小,养殖

舱内颗粒物数量下降越快,颗粒物去除速率越高;

从算例的 3 050 s 直至整个计算的结束,横摇角度

幅值越大,舱内颗粒物数量下降越快,颗粒物去除

速率越高;横摇角度对舱内流场中颗粒物去除排

出的前后两段过程具有显著的相反效果。

从不同横摇角度幅值的各工况来分析,在颗

粒物投放后的前 120 s(约为算例的 2 120 s)内 D1

~D4 4 种工况中舱内的残余颗粒物数量基本保持

不变;从颗粒物投放后的 120 ~ 1 050 s(约为算例

的 2 120 ~ 3 050 s)内,由于颗粒物自身的沉降与

扩散,其残余数量开始逐步减少,各工况舱内颗粒

物数量的减少在这一时间段保持一个较大且稳定

33

渔 业 现 代 化 2024 年

的速率,且 4 种工况的颗粒物排出速率较为相近;

从投放后约 1 050 s(约为算例的 3 050 s)开始,横

摇角度幅值分别为 2°和 3°的 D1 与 D2 工况的颗

粒物数量曲线逐步趋于平稳,颗粒物去除速率缓

慢减小而横摇角度幅值为 5°和 7°的 D3 与 D4 工

况依然保持与上阶段接近的较大下降速率。

 

 

 

 

 

 

 

 







fl



fl

               

T

 ffc

 ffc

 ffc

 ffc

图 9 不同横摇角度幅值下残余颗粒数随

时间的变化

Fig. 9 Variation of residual particles number with time for

different amplitude of transverse rolling angle

以占总量 95%的颗粒物(3 800 个)排出养殖

舱所需时间为标准,D1 工况的颗粒物排出达标需

要约 4 180 s,约 69. 7 min;D2 工况需要约 3 364

s,约 56. 1 min; D3 工 况 需 要 约 2 615 s, 约

43. 6 min;D4 工况需要约 2 318 s,约 38. 6 min。

观察颗粒物排出的完整过程发现,在横摇周期一

定的情况下,横摇角度幅值越大,颗粒物在养殖舱

内的去除效果越好。

2. 3. 2 横摇周期对舱内颗粒物去除效率的影响

为探究横摇周期 T 对养殖舱内颗粒物去除

效果的影响,统一控制横摇角度幅值为 5°、颗粒

物密度为 1 050 kg / m

3

,粒径为 1 mm,各工况设置

为在算例计算 2 000 s 后开始投放颗粒物。 如图

10 所示,发现 E1~ E4 4 个工况颗粒物的数量曲线

的起始与末尾部分较为杂乱无序,而在颗粒物投

放后约 252~2 028 s(约为算例的 2 252~4 028 s)

内,数量曲线开始遵循随着横摇周期增加,养殖舱

内颗粒物去除速率越小的规律。 综合观察各工况

养殖舱内颗粒物的去除排出情况,发现在横摇角

度幅值一定时,横摇周期越短,养殖舱内颗粒物排

出速率越大。

以占总量 95%的颗粒物(3 800 个)排出养殖

舱所需时间为标准,横摇周期为 7 s 的 E1 工况的

颗粒物排出达标需要约 2 688 s,约 44. 8 min;周

期为 8 s 的 E2 工况需要约 2 813 s,约 46. 9 min;

周期为 9 s 的 E3 工况需要约 2 624 s,约 43. 7

min;周期为 10 s 的 E4 工况需要约 2 615 s,约

43. 6 min;E1 ~ E4 4 个不同横摇周期的工况在横

摇角度幅值一定时,颗粒物去除排出的达标时间

极为接近。

ff T

ff T

ff T

ff T

 

 

 

 

 

 

 

 







fl



fl

               

T

图 10 不同横摇周期下残余颗粒数随时间的变化

Fig. 10 Variation of residual particles number with time at

different transverse rolling angle periods

3 讨论

3. 1 横摇运动对舱内流场的影响

养殖工船在日常作业中常处于锚泊状态,工

船与其内的养殖舱会因受到海上风浪而发生横摇

晃荡。 养殖舱舱内流场主要受到进水推流与横摇

晃荡的共同作用,而横摇运动主要分为横摇角度

幅值与横摇周期两大因素。 在横摇周期与总进出

水流量不变的条件下,分析横摇角度幅值对养殖

舱舱内流速和流动均匀性的影响,数值计算所得

出的结果与崔铭超等[30] 数值计算的结论大致相

符:横摇角度幅值对工船养殖舱舱内流场具有显

著影响,随着横摇角度幅值的增大,流场流速出现

一定程度的增大,各工况流速的 v50% 与其他分位

数呈线性增长趋势;并且随着横摇角度的增大,流

速数据波动性增强,流速的整体分布更加离散

化[31]

。 水体流动均匀性的优劣一般通过流动均

匀性指数来判断,通常以数值 0. 8 为衡量标准,水

体的流动均匀性指数≥0. 8,则认为水体的流动均

匀性较好。 在其他条件保持不变时,养殖舱内水

体的流动均匀性指数与横摇角度幅值呈负相关关

34

第 5 期 吉泽坤等:横摇晃荡对矩形工船养殖舱内流场与颗粒物去除的影响

系,横摇角度幅值越大,舱内养殖水体的流动均匀

性指数越小,水体的流动均匀性越差。 经过对横

摇角度幅值的实船测量,工船养殖舱横摇角度幅

值分布在 0 ~ 7. 3°之间,且主要集中在 0 ~ 2°间。

横摇角度幅值 A 在 0~2°时,养殖舱流动均匀性指

数基本大于 0. 8;而当横摇角度幅值增加到 3°及

以上后,养殖舱流动均匀性显著降低,养殖舱内水

体流动均匀性指数均小于 0. 8。 因此在养殖工船

日常横摇角度 2°以内的锚泊作业中,舱内的流动

均匀性较为优良,以上结论也印证了秦康等[32] 对

“国信 101”中间试验船养殖舱舱内水体流动均匀

性计算所得出的结论。

锚泊状态下船体横摇运动的周期与船舶固有

属性有关,无法如横摇角度一样因外界激励作用

而发生较大的变化。 通过分析 10 万吨级超大型

养殖工船的实测数据,发现横摇周期多集中在 7~

10 s 之间。 当横摇角度幅值一定时,横摇周期越

短,养殖舱内流速显著增大,各工况流速的 v50%与

其他分位数呈线性增长趋势;周期越短,流速数据

离散程度越高,其稳定性越小;且横摇周期对流速

数值的具体分布影响较小。 横摇周期对养殖舱内

水体流动均匀性的影响以 z = 9. 2 m 为分界线,0~

9. 2 m 水深区域的流动均匀性指数曲线较为杂乱

无序;而 9. 2 ~ 16 m 水深区域符合横摇周期越短,

流动均匀性指数越小,水体的流动均匀性越差的

规律。 如图 8 所示,E1~ E4 工况 4 条曲线所代表

的流动均匀性指数分布全部聚集在 0. 7 ~ 0. 8 之

间,说明横摇周期的变化对养殖舱整体的流动均

匀性影响较小。 综合观察养殖舱舱内水体的流动

均匀性,D0~D4 与 E0 ~ E4 所有工况都出现了舱

体下半部分水深区域整体优于上半部分水深区域

的现象。

3. 2 横摇运动对舱内颗粒物去除效率的影响

养殖舱内的废弃颗粒物主要由未消化的饲料

残渣和排泄物等组成。 随着舱内颗粒物不断积

累,会产生如水质恶化等各类不利的影响。 因此

本研究在控制总进出水流量的条件下分别探究横

摇角度幅值与横摇周期对养殖舱舱内颗粒物去除

排出的影响,结果表明,横摇角度幅值 A 对舱内

颗粒物的去除有着极为显著的影响,而横摇周期

T 对颗粒物的去除影响较小。 横摇角度对舱内流

场中颗粒物的去除排出分为具有明显相反作用的

前后两段过程。 从颗粒物投放进入流场到投放后

1 000 s 左右(约为算例的 3 050 s 后),横摇角度

幅值 A 越小,养殖舱内颗粒物数量下降越快,颗

粒物去除速率越高;而从算例的 3 000~3 050 s 直

至整个算例的计算结束,横摇角度幅值 A 越大,

舱内颗粒物数量下降越快,颗粒物的去除速率越

大。 纵观颗粒物去除的整个过程发现,在横摇周

期一定的情况下,横摇角度幅值越大,颗粒物在养

殖舱内的去除效果越好。 横摇角度幅值为 0 ~ 3°

的工况会使养殖舱内有颗粒物残余,超过 3°以上

的工况在算例计算结束后舱内颗粒物全部去除。

以 E2 工况(T = 8 s,A = 5°)为例,当颗粒物开始投

放至投放后 1 000 s(算例的约 3 050 s),流场中的

颗粒物去除主要依靠进水射流的作用在流场中随

水流做逆时针转动;此时过大的横摇角度幅值会

阻碍进水推流与出水口对流场中颗粒物的去除排

出,因此,前期横摇角度幅值 A 越小,颗粒物的去

除效率越高。 而从算例的 3 000 ~ 3 050 s 左右直

至整个算例的计算结束,大量颗粒物跟随水流运

动至舱体的中下部分,会在养殖舱的侧壁区域与

底部 4 个出水口附近形成大量堆积。 此时较大的

横摇角度幅值 A 会对舱内堆积的大量颗粒物起

到晃荡运动的作用,加速舱体中下部分颗粒物的

去除排出,因此,后期横摇角度幅值 A 越大,颗粒

物的去除效率越高。

4 结论

对处于海上风浪等外部激励条件下的工船养

殖舱,当总进出水流量(24 h 内换水次数一定)与

横摇周期一定时,随着横摇角度的增大,养殖舱舱

内流速大幅增加,舱内流速数据波动性增强;且横

摇角度幅值越大,水体的流动均匀性越差。 当横

摇角度幅值一定时,横摇周期减小,养殖舱内流

速显著增大、舱内流速数据离散程度越高,其稳

定性越小;并且养殖舱水体下半部分水深区域

整体明显优于上半部分水深区域。 因此,当日

常养殖作业中出现过大横摇角度幅值时,可以

采用增加养殖舱的进水射流与进出水口数目等

方法来减摇制荡,以此达到降低舱内流速,增加

水体流动均匀性的目的。 当颗粒物自身属性与

横摇周期 T 相同的情况下,横摇角度幅值 A 整

个过程主要分为两个阶段:前期横摇角度幅值

35

渔 业 现 代 化 2024 年

越小,养殖舱内颗粒物数量下降越快,颗粒物去

除速率越高;中后期横摇角度幅值越大,舱内颗

粒物数量下降越快,颗粒物去除速率越高;横摇

角度对舱内流场中颗粒物去除排出的前后两段

过程具有显著的相反效果。 而横摇周期 T 对养

殖舱内颗粒物的去除影响极小。 □

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36

第 5 期 吉泽坤等:横摇晃荡对矩形工船养殖舱内流场与颗粒物去除的影响

Effect of transverse rolling on flow field and

particle removal in the rectangular aquaculture tank

JI Zekun

1,2

,LIU Huang

1

,CUI Mingchao

1

,NIU Shiyu

1,2

,LIU Shengnan

1,2

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

2 School of Navigation and Naval Architecture,Dalian Ocean University,Dalian 116023,Liaoning,China)

Abstract:Cruise-type aquaculture on deep-sea aquaculture vessels is an important direction for developing of

modern marine fisheries. The article explored the effect of transverse rolling motion on the flow field

characteristics in the tank based on FLOW-3D software,and calculated the removal of waste particles in the

flow field under different transverse rolling conditions on this basis. The results showed that when controlling

the period of transverse rolling,the flow velocity in the aquaculture tank increased slightly as the amplitude of

the transverse rolling angle increased from 0° to 2°. When the amplitude of the transverse rolling angle was

increased from 2° to 7°, the flow velocity in the aquaculture tank showed a large increase, and the v50%

increased from 0. 171 m / s to 0. 477 m / s; the increase of the transverse rolling angle also made the overall

distribution of the flow velocity more discrete. The flow uniformity index of the conditions with the transverse

rolling angle amplitude of 2° or less is mainly concentrated in 0. 8-0. 85,while when the transverse rolling

angle amplitude is increased to 3°,the flow uniformity of the aquaculture tank decreases significantly. The flow

uniformity indices of the water in the aquaculture tank are all less than 0. 8. When the amplitude of the

transverse rolling angle is certain,the transverse rolling period is shortened,the flow velocity in the aquaculture

tank increases sharply,and the v50% of the flow velocity of each condition and the other quartiles show a linear

growth trend while the uniformity of the flow of the water in the tank does not change significantly. For the

removal of waste solid particles in the aquaculture tank,the whole process is divided into two phases with

opposite effects when the period of transverse rolling and the properties of particles themselves are certain.

From the time when the particles were released into the flow field to the 1 000 s after the release,the smaller

the amplitude of the transverse rolling angle was,the higher the removal rate was; thereafter,until the end of

the calculation of the whole example,the larger the transverse rolling angle was,the higher the removal rate of

the particles was. The period of transverse rolling did not effect the removal of particles in the aquaculture

tanks,and the time to reach the standard for particles removal was very close for each condition.

Key words:aquaculture vessel; aquaculture tank; particle; flow rate; numerical simulation

37

第 51 卷第 5 期 渔 业 现 代 化 Vol. 51 No. 5

2024 年 10 月 FISHERY MODERNIZATION Oct. 2024

DOI:10. 3969 / j. issn. 1007-9580. 2024. 05. 005 开放科学(资源服务)标识码(OSID):

康慧楠,蔡卓君,扈喆,等. 湾外底层延绳式养鲍系统水动力特性[J]. 渔业现代化,2024,51(5):38-47.

收稿日期:2024-06-03

基金项目:国家自然科学基金面上项目(52371321);福建省自然科学基金(2021J01840)

作者简介:康慧楠(1999—),男,硕士研究生,研究方向:养殖装备水动力分析。 E-mail:2530736355@ qq. com

通信作者:扈喆(1988—),男,教授,博士,研究方向:船舶与海洋工程水动力性能。 E-mail:huzheok@ 126. com

湾外底层延绳式养鲍系统水动力特性

康慧楠,蔡卓君,扈 喆,张晓莹,郭 军

(1 集美大学轮机工程学院,福建 厦门 361021;

2 厦门市海上养殖装备重点实验室,福建 厦门 361021)

摘要:湾外底层延绳式养鲍系统是一种新型养殖设施,利用波浪在水下的衰减效应,实现较好的抗风浪性能,

为了确保养鲍系统的存活率和结构安全性,研究延绳式养鲍系统的动力特性具有重要意义。 基于相似准则,

在波流水槽实验室开展了模型试验;基于集中质量模型,建立了底层延绳式养鲍系统动力响应数值模拟方

法,验证了数值模拟方法的准确性;针对福建省罗源湾外实际海况,在不同的波浪及海流作用下,对底层延绳

式养鲍系统的动力特性进行数值模拟,分析了波高、流速及流向对养鲍系统受力情况及运动轨迹的影响。 结

果显示:梗绳和锚绳的受力分布存在明显差异,最大受力段不在锚绳上,而是位于梗绳中部区域;波高与系统

最大受力和鲍鱼笼的运动幅值近似呈线性关系;当流速增大时,迎流侧锚绳的张力出现非线性陡增,背流侧

锚绳的张力明显减小;当流向角度增大时,系统前部梗绳的张力减小,支绳张力基本保持相对稳定。 该研究

结果可为类似底层延绳式养鲍系统的结构设计提供参考。

关键词:底层延绳式养鲍系统;集中质量法;数值模拟;模型试验;水动力特性

中图分类号:S969 文献标志码:A 文章编号:1007-9580(2024)05-0038-010

延绳式养殖采用浮筒、缆绳等在海面形成浮

筏,并通过锚绳将其端部固定在海床上,将藻类及

固着动物幼体附着在浮筏上悬吊养殖[1-3]

,是一

种常见的养殖方式。 中国现有延绳式养殖多位于

20 m 以下的浅水区[4]

,主要养殖牡蛎、鲍鱼、海带

等水产品[5-6]

。 近年来,湾内养殖接近饱和,过度

养殖不但引发病害导致减产,还会造成近海生态

环境破坏[7-10]

,因此发展湾外养殖设施势在必行。

但由于缺乏海湾保护,湾外延绳式养殖系统面临

着大风大浪的挑战,风浪下的剧烈运动会对养殖

对象的生长产生影响,在台风等极端天气情况下

影响更为显著[11-13]

。 因此,研究湾外延绳式养殖

系统水动力特性具有重要意义。

针对延绳式养殖的水动力特性研究方面,国

内外研究大多集中在系统结构和波流耦合上,主

要通过海洋实测、模型试验和数值模拟 3 种方法

进行研究。 海上实测方面,Stevens 等[14] 通过实

测研究了延绳式养殖的动态响应,研究发现不同

浮子的养殖绳有不同的运动。 Stevens 等[15] 详细

观测了蚌类延绳式养殖的运动,以确定流-结构

相互作用的主要模式。 Diaz 等[16] 通过实测研究

不同结构参数对养殖物生长的影响,确定了合适

的布置间距。 Gagnon 等[17] 在某公海研究了延绳

式贻贝养殖系统的受力和运动状况,发现缆绳张

力与阻塞效应、攻角等有关。 模型试验方面,赵云

鹏等[18]研究了带有养殖笼的延绳式养殖系统,通

过模型试验发现减小入射波角,增加布置深度,采

用交错布置形式,可以降低较长波浪周期情况下

的缆绳张力。 刘庄等[19] 研究了可升降式筏式养

殖系统的水动力特性,结果表明波高和周期的变

化对浮筏运动特性造成不同程度的影响。 桂福坤

等[20]利用数值模拟和模型试验分析了波高、波浪

周期对筏式养殖系统水动力性能的影响。 冯德军

等[21]通过模型试验和数值模拟研究了养殖单元

质量和入射波角对延绳式养殖系统的影响,结果

发现养殖单元质量的增加导致迎浪测最大缆绳张

第 5 期 康慧楠等:湾外底层延绳式养鲍系统水动力特性

力减小,缆绳张力随着入射波角的增大先增大后

减小。 程文婉等[22] 通过物理模型试验研究了延

绳式养殖的动态响应,研究发现波高、养殖密度对

缆绳受力造成影响。 数值模拟方面,Grant 等[23]

为桑沟湾的筏式养殖系统建立了循环流动的有限

元模型,发现忽略与养殖结构相关的摩擦效应,会

高估系统的承载能力。 程文婉等[24] 开发了一个

动态模型来评估柔性养殖单元的柔度,通过实测

结果验证了数值模型能够有效地模拟养殖结构的

受力和运动状况。 崔勇等[25-26] 将浮球和吊笼视

为管形构件进行模拟,并在 ANSYS 中模拟了筏式

养殖系统在波流作用下的运动响应与动力特性。

张光发等[27-28]基于静力假定,对外海延绳式养殖

系统的受力和失效模式进行了分析,研究了结构

尺寸、波流方向、锚固方式和波浪周期对系统抗风

浪能力的影响,并针对结构参数提出了相应的优

化设计方法。 以上研究者多是采用物理模型试验

和数值模拟研究延绳式养殖的水动力特性,从系

统结构、布置角度以及环境参数等多个角度分析,

得到波高、波浪周期、波流方向、结构等因素都会

对延绳式养殖系统造成显著影响,并根据结果为

结构优化提出系统性的建议。 以上研究大多针对

海面延绳式养殖系统,而底层延绳式养殖系统的

水动力特性仍待研究。

底层延绳式养鲍系统利用波浪在水下的衰减

效应,实现较好的抗风浪性能,在湾外海域应用前

景广阔。 本研究以底层延绳式养鲍系统为研究对

象,采用集中质量模型求解其在波浪和水流作用

下的动力响应方程,分析环境参数对底层延绳式

养鲍系统受力特性及运动的影响。 研究结果可为

类似养殖系统的设计和安全性评估提供参考。

1 模型试验

1. 1 试验模型

以福州罗源海域应用的底层延绳式养鲍系统

为研究对象,该系统由 36 个鲍鱼笼、36 个鲍鱼笼

浮球、2 个标记浮球、2 根锚绳、36 根支绳、1 根梗

绳和 11 个配重组成。 在福建省福州市蓝色经济

产业园波流水槽实验室中的水槽开展试验,水槽

长 55 m、宽 1. 5 m、高 2 m。 考虑实验室设备及仪

器情况,选定缩尺比为 1 ∶15。 底层延绳式养鲍系

统示意图如图 1 所示,原型和模型养殖设施的结

构尺寸见表 1。

   



 ffiffi

       

 ffiffi 

9

:

图 1 底层延绳式养鲍系统示意图

Fig. 1 Schematic diagram of bottom longline abalone system

表 1 原型和模型结构尺寸

Tab. 1 Structural dimensions of prototype and model

结构参数

原型

材质 长度/ m 直径/ mm 质量/ kg

模型

材质 长度/ m 直径/ mm 质量/ g

锚绳 尼龙 33. 75 30. 0 109. 74 尼龙 2. 25 2. 0 32. 5

梗绳 尼龙 105 22. 5 192. 04 尼龙 7. 00 1. 5 56. 9

支绳 尼龙 1. 5 7. 5 0. 300 尼龙 0. 10 0. 5 0. 1

鲍鱼笼 尼龙 1. 2 525 26. 325 0 树脂 0. 08 35 7. 8

标记浮球 聚乙烯 - 600 9. 112 5 乒乓球 - 40 2. 7

鲍鱼笼浮球 聚乙烯 - 600 9. 112 5 乒乓球 - 40 2. 7

锚绳压重 水泥 - - 1 350 铅块 - - 400

配重 水泥 - - 675 铅块 - - 200

39

渔 业 现 代 化 2024 年

1. 2 试验布置

模型试验布置图如图 2 所示,试验水深为

1. 5 m,沿波浪传播方向布设一系列的电阻型浪高

仪,全部布置在水槽中纵剖面上,采集时间为 40 倍

波浪周期。 锚绳张力由水下测力传感器测量,传感

器安装于养殖筏锚绳上,锚绳张力与波面高度数据

同步采集。 模型左端位于距离造波板 20 m 的位置

处,整个模型布置在水槽中纵剖面上。 为了保证鲍

鱼笼的稳定性,配重位置不移动[29]

。 如图 3 所示

采用高速相机连续采集 A 位置鲍鱼笼浮球的运动,

A 处为第 12 个鲍鱼笼浮球,采用团队开发的软件

分析采集的浮球运动图像。





ffi  ffi



 N  N

 N  N

N

图 2 模型试验布置图

Fig. 2 Model test layout diagram



 N



\"

ffi

ffi

图 3 高速相机捕捉布置图

Fig. 3 High-speed camera capture layout diagram

2 数值模拟

2. 1 计算理论

(1)绳索

本模型将锚绳、主梗绳和支绳均作为柔性绳

索结构进行计算,采用集中质量法模拟。 如图 4

所示,将绳索离散为绳索单元,假定单元的质量集

中在节点上,将各单元所受的力,分摊给相应的节

点,从而得到节点受力。

a)重力和浮力

绳索单元 j 的重力 Gj 和浮力 FBj 分别为:

Gj

= ρkVjg (1)

FBj

= ρVjg (2)

式中:ρk 和 ρ 分别为绳索和水的密度;Vj 为绳单

元 j 的体积;g 为重力加速度。

b)绳索张力

作用于节点 i 的张力 Ti 包含由各相邻构件

产生的力,表示为:

Ti

= Tj

ej

- Tj-1

ej-1 (3)

式中:ej 和 ej-1 分别为绳单元 j 和单元 j-1 张力的

单位方向向量。

c)流体动力

流体动力可采用 Morison 公式进行计算。 流

体动力 Fj 表示为:

Fj

=

1

2

ρCDjAjuRj uRj

+ ρVj

∂uwj

∂t

+ ρVjCMj

∂uRj

∂t

(4)

式中:Aj 为绳单元 j 的投影面积;CDj 为单元 j 的阻

力系数,可根据 Webster 的建议[30] 利用雷诺数求

得;CMj 为单元 j 的附加质量系数;uRj 为流体与单

元 j 之间的相对速度;uwj 表示单元 j 中点的水质

点速度。

40

第 5 期 康慧楠等:湾外底层延绳式养鲍系统水动力特性



图 4 绳索受力分析示意图

Fig. 4 Schematic diagram of rope force analysis

(2)鲍鱼笼和浮球

鲍鱼笼和浮球的受力考虑浮力、重力、支绳对

鲍鱼笼和浮球的拉力和流体动力。 浮力为 FB

=

ρgVk,其中 Vk 为构件的浸没体积;重力为 G = mg;

鲍鱼笼和浮球还受到绳索拉力 T 的作用;鲍鱼笼

和浮球的直径远小于波长,可通过 Morison 方程

来计算流体动力[31]

。 表达式如下:

F = 0. 5ρCDAk(u - v) u - v + ρVk

̇v +

ρCM Vk(

̇u - ̇v) (5)

式中:u 和 ̇u 分别为水质点速度和加速度;v 和 ̇v

分别为构件速度和加速度;Ak 为构件浸没部分在

各个方向上的投影面积;CD 为构件的阻力系数;

CM 为构件的惯性力系数。

按照集中质量理论,把各个力累积到对应的

集中质量点,即可建立运动方程:

miR

¨

i

= ∑Fi (6)

运动方程采用 4 阶 Runge-Kutta 方法进行求

解,可获得各时刻各质点的运动状态和受力情况。

2. 2 计算模型

在计算中,把梗绳划分成 70 个单元,锚绳划

分成 10 个单元,支绳划分成 2 个单元,梗绳配重

划分成 2 个单元,浮球划分成 12 个单元,总共

640 个单元和 717 个节点。 为了反映整个系统鲍

鱼笼的运动情况,选取 8 个鲍鱼笼,每隔 4 个鲍鱼

笼选取 1 个,从前到后依次编号为 1~8 号。

2. 3 模型试验验证

数值模拟验证选取波高分别为 0. 1 m、0. 2 m

和 0. 3 m,浪向为 0°,周期为 1. 8 s 的工况,同步开

展模型试验。 迎浪侧最大缆绳张力的试验结果与

模拟结果对比如图 5 所示,其最大相对误差为

8. 33%,最小相对误差为 4. 84%。 浮球 A 在波高

0. 1 m 工况下的运动轨迹模拟结果和试验结果对

比如图 6 所示,其水平运动和垂直运动峰值的平

均相对误差分别为 5. 23%和 8. 92%。



ffi

ffiN

    





















/

图 5 迎浪侧缆绳最大张力对比

Fig. 5 Comparison of maximum tension in forward anchor

9DN

;DN













   



ffi

图 6 A 目标运动轨迹对比(H= 0. 1 m)

Fig. 6 Comparison of trajectories in A(H= 0. 1 m)

结合以上结果,数值模拟的缆绳受力及浮球

运动与试验结果偏差较小,说明本研究的数值模

拟方法准确,能够用于分析底层延绳式养鲍系统

在波流作用下的水动力特性。

41

渔 业 现 代 化 2024 年

2. 4 计算工况

参照福建省罗源湾潮流设置了以下流速工

况,以缩尺比为 1 ∶15 开展数值模拟,模拟水深为

22. 5 m,数值模拟工况见表 2 所示。 计算时间步

长为 0. 001 s,时步个数为 1. 2×10

5

。

表 2 模拟工况

Tab. 2 Simulated working conditions

流向/ (°) 浪向/ (°) 流速/ (m/ s) 波高/ m 周期/ s

- 0 - 1. 5 6. 9

- 0 - 3. 0 6. 9

- 0 - 4. 5 6. 9

- 0 - 6. 0 6. 9

0 - 0. 39 - -

0 - 0. 77 - -

0 - 1. 16 - -

0 - 1. 55 - -

30 - 0. 77 - -

60 - 0. 77 - -

90 - 0. 77 - -

3 结果与分析

3. 1 波高对底层延绳式养鲍系统受力与运动的

影响

养鲍系统梗绳张力峰值随波高的变化如图 7

所示。



















L/

ffi N

ffi N

ffi N

       

图 7 波高对梗绳张力峰值的影响

Fig. 7 Effect of wave heights to the maximum tension of

longline

随着波高的增加,两端的梗绳受力没有明显

变化,中部梗绳的张力峰值变大,最大梗绳张力位

于梗绳中部的节点挂重处。 梗绳的受力整体上呈

现拱形的状态,且每隔一段梗绳,梗绳受力会出现

极值。 这是系统结构所导致,因为系统在海底受

到各个力后,梗绳会呈现出向上且向中间靠拢的

趋势,又因为配重底端位置固定不动,配重绳就会

呈现出以中间配重绳为对称轴,近似对称的形状,

越靠近两端,配重绳倾斜角度越大,从而导致在每

个配重节点处,配重绳也承受了水平方向的力,倾

斜角度越大,承受水平方向的力就越大,即配重节

点两边梗绳水平方向受力不连续,梗绳受力就会

呈现拱形。 配重节点处的梗绳在垂直方向受力发

生明显变化,从而导致梗绳受力呈现锯齿状。

养鲍系统支绳张力峰值随波高的变化如图 8

所示。





















L/

ffi N

ffi N

ffi N

      

图 8 波高对支绳张力峰值的影响

Fig. 8 Effect of wave heights to the maximum tension of rope

支绳张力峰值随波高的增大而增大,其最大

张力峰值出现在迎浪侧的鲍鱼笼支绳上。 当波高

较小时,支绳受力整体上比较均匀。 随着波高每

增加 1. 5 m,支绳的平均张力峰值增加 10%,且相

邻支绳张力峰值变化越大。 这是配重导致支绳张

力峰值呈现锯齿状。

养鲍系统锚绳张力峰值随波高的变化如图 9

所示。 随着波高的增大,锚绳受力也随之增加。

当波高为 1. 5 m 时,前后锚绳最大张力峰值相当。

随着波高每增加 1. 5 m,前后锚绳的最大张力峰

值差距越来越大。 这是因为前锚绳受到波浪的飘

移效应,这种效应会随着波高的增大而增强,而后

锚绳不会受到这种飘移效应,从而导致前后锚绳

张力峰值差距愈发明显。 整个系统绳索的最大受

力段并不在锚绳上,而是位于梗绳中部区域。

42

第 5 期 康慧楠等:湾外底层延绳式养鲍系统水动力特性





ffiN















L/

     

图 9 波高对锚绳张力峰值的影响

Fig. 9 Effect of wave heights to the maximum tension of anchor

不同波高下鲍鱼笼位移变化量见表 3。 无论

是横向还是垂向,各鲍鱼笼的运动幅度均随波高的

增大而增大。 在迎浪侧,1 号鲍鱼笼的横向运动幅

度较小,与被前锚绳所束缚有关。 2 号、4 号、5 号

和 7 号鲍鱼笼垂向运动幅度较小,是由于其运动受

到挂重向下拉力的影响,限制了其垂向的运动幅

度,而 3 号和 6 号鲍鱼笼距离挂重绳较远,其垂向

运动幅度受到较小影响。 背浪侧 8 号鲍鱼笼相较

于迎浪侧 1 号鲍鱼笼,其垂直方向的运动幅度和横

向的运动幅度更大。 这是因为前锚绳承受飘移力

的作用而绷紧,但是背浪侧后锚绳没有受到飘移

力,变得比较松散,限制作用也就不明显。

表 3 不同波高下鲍鱼笼位移变化量

Tab. 3 Variation of abalone cage displacement under different wave heights

养殖笼

编号

H= 1. 5 m

横向最大位移/ m 垂向最大位移/ m

H= 3. 0 m

横向最大位移/ m 垂向最大位移/ m

H= 4. 5 m

横向最大位移/ m 垂向最大位移/ m

1 0. 258 0. 327 0. 442 0. 580 0. 656 0. 850

2 0. 487 0. 094 0. 874 0. 177 1. 251 0. 278

3 0. 493 0. 173 0. 930 0. 369 1. 336 0. 594

4 0. 386 0. 097 0. 837 0. 206 1. 265 0. 328

5 0. 284 0. 105 0. 711 0. 216 1. 166 0. 339

6 0. 335 0. 188 0. 667 0. 408 1. 038 0. 655

7 0. 521 0. 086 1. 019 0. 196 1. 510 0. 326

8 0. 437 0. 399 0. 988 0. 843 1. 567 1. 324

3. 2 流速对底层延绳式养鲍系统受力与运动的影响

养鲍系统梗绳张力峰值随流速的变化如图

10 所示。 随着流速增加,在迎流侧的前半部分梗

绳张力增大,而在后半部分梗绳张力略微变小。

这是由于来流方向与养鲍系统布置方向一致,当

流速增大时,迎流侧的梗绳承受拉力增大,而配重

绳下端位置不变;当流速较小时,背流侧配重绳向

中间偏移,随着流速的增大,配重绳向后方偏移,

导致背流侧配重绳分担了更多的拉力,梗绳受力

变小。 梗绳整体的张力最大值出现在编号为 15

的梗绳单元。

养鲍系统支绳张力峰值随流速的变化如图

11 所示。 随着流速的增加,支绳张力略微增大,

流速 0. 77 m / s 的支绳张力较流速 0. 39 m / s 增长

了 0. 16%, 流速 1. 16 m / s 的支绳张力较流速

0. 77 m / s 增大了 0. 69%,整体上看支绳的张力增

幅很小,且每个支绳张力相同,可表明流速对支绳

的张力影响较小。 这是因为支绳张力主要来源于

流力和鲍鱼笼对支绳的拉力,鲍鱼笼对支绳的拉

力远大于支绳所受到的流力,因此随着流速的增

加,流力的增幅对支绳张力影响不大。

 NT  NT  NT





















L/

       

图 10 流速对梗绳张力峰值的影响

Fig. 10 Effect of flow velocities to the maximum

tension of longline

43

渔 业 现 代 化 2024 年

 NT

 NT

 NT

















L/

      

图 11 流速对支绳张力峰值的影响

Fig. 11 Effect of flow velocities to the maximum

tension of rope

养鲍养殖系统锚绳张力峰值随流速的变化如

图 12 所示。

 NT

























L/

     





图 12 流速对锚绳张力峰值的影响

Fig. 12 Effect of flow velocities to the maximum

tension of anchor

随着流速从 0. 39 m / s 增加到 1. 55 m / s,迎流

侧锚绳张力增大了 51. 54%,背流侧锚绳张力缩

小了 42. 69%;当流速为 0. 39 m / s 时,前后锚绳受

力相当;当流速为 0. 77 m / s 时,前锚绳张力为后

锚绳张力的 1. 3 倍;当流速为 1. 16 m / s 时,前后

锚绳张力比值约为 1. 78 倍;当流速为 1. 55 m / s

时,前后锚绳的受力比值约为 2. 8 倍。 表明流速

的增加对养殖系统所产生的作用力更多地施加在

迎流侧前锚绳上。 这是因为来流方向与养鲍系统

布置方向一致,随着流速的增大,整个系统往流速

方向愈发倾斜,前锚绳愈发绷紧,后锚绳也相对变

得更加宽松,则前锚绳张力变大, 后锚绳张力

变小。

3. 3 流向对底层延绳式养鲍系统受力及运动的

影响

养鲍养殖系统梗绳张力的峰值随流向角度的

变化如图 13 所示。















L/

       

c c c c

图 13 流向对梗绳张力峰值的影响

Fig. 13 Effect of flow directions to the maximum

tension of longline

随着流向角度的增大,前半部分梗绳的受力

略微减小,后半部分梗绳的受力缓慢增大。 这也

是因为配重绳的偏移角度导致梗绳受力发生变

化。 当流向为 90°时,整个系统受力对称。 这是

因为整个系统结构关于中间对称。

养鲍养殖系统支绳张力峰值随流向角度的变

化如图 14 所示。









L/

c c c c

      







图 14 流向对支绳张力峰值的影响

Fig. 14 Effect of flow directions to the maximum

tension of rope

流向为 0°和 90°的支绳张力峰值相同,流向

为 30°和 60°的支绳张力峰值相同,流向为 0°和

44

第 5 期 康慧楠等:湾外底层延绳式养鲍系统水动力特性

90°的支绳张力峰值较流向为 30°和 60°增大了

0. 06%,则整体上看不同流向下的支绳张力峰值

基本相同。 这是因为流向角度的改变,流速不变,

支绳受到鲍鱼笼的拉力不变,所受到的流力也不

变,所以支绳张力峰值没有随着流向角度的改变

而改变。

养鲍养殖系统前后锚绳张力峰值随流向角度

的变化如图 15 所示。





  c





















L/

   

图 15 流向对锚绳张力峰值的影响

Fig. 15 Effect of flow directions to the maximum

tension of anchor

随着流向角度的增大,前部锚绳的受力逐渐

减小,而后部锚绳的受力逐渐增大。 当流向为 0°

时,前部锚绳受力为后部锚绳受力的 1. 3 倍;当流

向为 30°时,前后锚绳的受力比值约为 1. 2 倍;当

流向为 60°时,前后锚绳的受力比值约为 1. 1 倍;

当流向为 90°时,由于养殖系统的对称性,前后锚

绳的受力相同。 整个系统的最大受力位置在梗绳

编号为 15 的单元。

4 结论

基于相似准则对延绳式养鲍系统进行了模型

试验,采用集中质量模型对底层延绳式养鲍系统

在深海的动力响应进行了数值模拟,试验结果与

模拟结果基本相符,说明本数值模型可以得到准

确的结果。 在不同的波浪及海流作用下,对底层

延绳式养鲍系统的动力特性进行数值模拟,分析

了波高、流速及流向对养鲍系统受力情况及运动

轨迹的影响,得到以下结论:

(1)波高对延绳式养鲍系统的影响。 波高对

鲍鱼笼的运动存在正相关关系,波高越大,其横向

和垂向运动幅值越大。 梗绳中部、支绳和锚绳张

力皆随着波高的增大而增大,且整个系统的受力

最大值在梗绳中部位置。 建议在设计类似的深海

养殖系统时注意梗绳承载能力,以防养殖系统

失效。

(2)流速对延绳式养鲍系统的影响。 随着流

速的增大,迎流侧梗绳张力增加,背流侧梗绳张力

逐渐减小,张力峰值出现在前半部分;前锚绳的张

力峰值显著增加,后锚绳的张力逐渐减小,流速的

增加对养殖系统所产生的作用力更多地施加在迎

流侧锚绳上。

(3)流向角度对延绳式养鲍系统的影响。 随

着流向角度的增大,前半部分梗绳和锚绳张力减

小,后半部分梗绳和锚绳张力增大,养殖系统后半

部分梗绳张力增大趋势更为明显,支绳张力基本

保持不变。 □

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46

第 5 期 康慧楠等:湾外底层延绳式养鲍系统水动力特性

Study on hydrodynamic characterization of long-line abalone

culture system in the bottom outside the bay

KANG Huinan,CAI Zhuojun,HU Zhe,ZHANG Xiaoying,GUO Jun

(1 School of Marine Engineering,Jimei University,Xiamen 361021,Fujian China;

2 Xiamen Key Laboratory of Mariculture Equipment,Xiamen 361021,Fujian China)

Abstract:The long-line abalone culture system in the bottom waters outside the bay is a new type of aquaculture

facility that utilizes the underwater attenuation effect of waves to achieve better wind and wave resistance.

Currently, most of the research on long-line aquaculture systems is aimed at the sea surface, and the research

on the seabed is still pending. Therefore, to ensure the abalone culture system’ s survival rate and structural

safety, it is of great significance to study the dynamic characteristics of the long-line abalone culture system in

the bottom waters. Based on the similarity criterion, a model test was carried out in the wave-current flume

laboratory; a numerical simulation method of the dynamic response of the long-line abalone culture system in the

bottom waters was established based on the centralized mass model, and the accuracy of the numerical simulation

method was verified. In view of the actual sea conditions off Luoyuan Bay, Fujian Province, the dynamic

characteristics of the long-line abalone culture system in the bottom waters were numerically simulated under the

action of different waves and currents to analyze the effects of the wave heights, current velocities and flow

directions on the stresses on the abalone culture system and the structural safety of the system. The effects of

wave height, current speed, and flow direction on the force and trajectory of the system were analyzed. The

results show that the numerical model is consistent with the model test results: the maximum relative error of the

maximum cable tension measured against the waves is 8. 33%, the minimum relative error is 4. 84%, and the

average relative error of the peak horizontal and vertical motions of the float A is 5. 23% and 8. 92%

respectively, which proves that the numerical simulation method used in this paper is accurate and reliable;

there is a significant difference in the distribution of the force of the long-line and the anchor rope, and the

force curve of the long-line shows an arch of the force. The force distribution of the long-line and the anchor

rope has obvious differences; the force curve of the long-line shows an arch shape and a sawtooth shape, and

the maximum force section is not on the anchor rope but located in the middle region of the long-line; the wave

height has a linear relationship with the maximum force of the system and the motion amplitude of the abalone

cage, i. e. , the higher the wave height is, the larger the transverse and vertical motion amplitude of the system

is, and the larger the maximum tension in the middle part of the long-line, the supporting rope and the anchor

rope is, and the peak tension curve of the supporting rope shows a sawtooth shape; the maximum tension of the

anchor rope in the headward side appears nonlinearly when the velocity of the current is increasing, the

maximum tension of the anchor rope in the headward side appears nonlinearly. When the flow velocity increases,

the maximum tension of the anchor rope on the headwater side shows a nonlinear steep increase. The maximum

tension of the long-line on the headwater side increases slowly, and the maximum tension of the anchor rope and

the long-line on the backwater side decreases significantly. In contrast, the maximum tension of the branch

ropes does not increase significantly with the flow velocity, and the maximum tension of each branch rope is

the same; when the flow direction increases, the maximum tension of the system’s anterior part of the longline and the anchor rope decreases. The posterior part of the long-line and the anchor rope increases, and the

branch ropes’ tensions remain relatively stable. The results of this study can provide a reference for the

structural design of similar long-line abalone culture systems in the bottom waters.

Key words: long - line abalone culture system in the bottom waters; lumped mass method; numerical

simulation; model test; hydrodynamic characteristic

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第 51 卷第 5 期 渔 业 现 代 化 Vol. 51 No. 5

2024 年 10 月 FISHERY MODERNIZATION Oct. 2024

DOI:10. 3969 / j. issn. 1007-9580. 2024. 05. 006 开放科学(资源服务)标识码(OSID):

林礼群,马凤爽,张耀明,等. 大型养殖工船氧锥设计与运行效果试验[J]. 渔业现代化,2024,51(5):48-55.

收稿日期:2024-06-20

基金项目:山东省重点研发计划项目“深远海设施渔业科技示范工程(2021SFGC0701)”;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:林礼群(1986—),硕士,副研究员,研究方向:渔业工程装备。 E-mail:linliqun@ fmiri. ac. cn

通信作者:徐志强(1984—),博士,研究员,研究方向:渔业工程装备。 E-mail:xuzhiqiang@ fmiri. ac. cn

大型养殖工船氧锥设计与运行效果试验

林礼群,马凤爽,张耀明,徐志强,邹海生,王云杰

(中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,农业农村部渔业装备与工程技术重点实验室,上海 200092)

摘要:保证养殖水体适宜的溶氧浓度对养殖鱼类的健康生长至关重要。 为满足养殖工船超大封闭水体及高

密度养殖的需氧要求,以氧锥作为研究对象,建立氧锥尺寸模型,根据双膜理论与菲克定律以及增氧机增氧

能力试验标准,开展氧锥增氧性能试验。 结果显示:氧锥出口的溶氧质量浓度能达到 40 mg / L,超饱溶氧接

近 400%,实现超高溶氧饱和度;在氧气进气量为 7. 6 m

3

/ h,氧锥操作压力为 0. 07~ 0. 25 MPa 条件下,增氧能

力受操作压力影响不明显,但是最佳进气量范围受操作压力影响显著。 操作压力越大,当氧气进气量增大

时,越不容易形成大气泡析出水面,从而保持较高的氧气利用率;在氧气进气量大于 6. 5 m

3

/ h,操作压力为

0. 07~ 0. 25 MPa,每个养殖舱配置 1 个氧锥能满足养殖舱氧量需求。 该研究为大型养殖工船增氧设备的工

程设计及稳定高效运行提供了基础数据。

关键词:养殖工船;高密度养殖;氧锥;增氧能力;操作压力

中图分类号:S951. 3 文献标志码:A 文章编号:1007-9580(2024)05-0048-008

在水产养殖生产中,养殖水体的溶氧浓度水

平影响着养殖动物的生存、生长和繁殖,是影响养

殖成败和养殖效益的关键[1-3]

。 当水体溶氧低于

一定水平时,需要通过人工增氧方式对水体进行

增氧,以维持充足和持续的溶氧浓度,满足水生动

物的生长需求[4-5 ]

。 近年来,随着中国水产养殖

不断向深远海拓展,集约化养殖取得良好发展,其

中,大型养殖工船集约化养殖是建设“海上粮仓”

的典型代表[6]

。 养殖工船由于养殖密度高,增氧

显得极为重要。 氧锥增氧因具有较高的氧转移速

率,混合后水体溶氧饱和度高,特别适合于超高密

度养殖的增氧需求[7-8]

。

氧锥于 20 世纪 70 年代发明[9]

,常用于湖泊

与水库曝气增氧,解决溶氧分层问题,以改善水

质。 Mcginnis 等[10] 构建了氧锥内气泡动力学和

氧气转移的预测模型,但未开展相关试验验证,预

测模型对初始气泡尺寸很敏感,缺乏适用性;陈有

光[11]试验研究了采用纯氧气源的氧锥增氧规律,

推算了氧锥的氧气利用率关系式,为氧锥工作时

设置合理的氧气输入量和水流量提供了理论依

据;Ashley 等[12] 针对某固定结构尺寸的氧锥,采

用水池增氧试验研究了气液流速、气液流速比及

氧源种类对氧锥增氧性能参数的影响,得出氧锥

最佳溶氧性能的进水流速范围及氧气流量与水流

量比值;杨菁等[13]运用物质平衡等原理对氧锥气

液流量运行参数进行设计,试验表明设计的气液

流量满足了循环养殖系统需氧量,并有效降低系

统运行能耗;王君等[14]通过在养殖工船氧锥进气

结构引入微孔曝气射流装置,形成二次射流效果,

试验表明加装曝气管的氧锥增氧速度较快。

以上研究更多关注了氧气源(纯氧或空气)、

进气结构及方式、气液流量参数对特定结构尺寸

的氧锥增氧性能的影响,在氧锥尺寸放大优化、操

作压力影响方面缺乏研究。 由于大型养殖工船养

殖工况(养殖水体容量、水循环方式、水体品质

等)与陆基循环水养殖存在不小差异,对增氧需

求及设备运行条件也存在诸多不同,因此,本研究

基于大型养殖工船高密度养殖氧锥增氧模式,以