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2020 , Vol. 8 >Issue 5: 440 - 446

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.2095-560X.2020.05.013

Technology Status and Development Trend of Ocean Engineering Aquaculture Cage

  • Kun-xin CHEN 1, 2, 3 ,
  • Song-wei SHENG , 1, 2 ,
  • Ya-qun ZHANG 1, 2 ,
  • Kun-lin WANG 1, 2 ,
  • Zhen-peng WANG 1, 2 ,
  • Hong-jun LIN 1, 2
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  • 1. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China
  • 2. CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou 510640, China
  • 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Received date: 2020-06-05

  Request revised date: 2020-07-28

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版权所有 © 《新能源进展》编辑部
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Abstract

Traditional aquaculture mainly focuses on near shore aquaculture. In recent years, the space for coastal fishery aquaculture is almost saturated and the water pollution is getting worse, so it has become an inevitable trend for aquaculture place in the deep-sea. In this paper, the domestic and foreign aquaculture cage technology development process were reviewed, from the original fishing rafts to the sea-cage, and then to the ocean engineering deep-sea aquaculture cage. The situation of several typical offshore aquaculture cage technology and equipment at home and abroad were analyzed and compared, it was found that the aquaculture water is undersize capacity, single function, and environmental pollution. It is pointed out that aquaculture cage will develop in the direction of large scale, platform, intelligence and environmental protection in the future. Also the combination of renewable energy represented by wave energy and aquaculture cage is an important direction of future development.

Key words： ocean engineering; deep-sea aquaculture; wave energy; aquaculture cage

Cite this article

Kun-xin CHEN , Song-wei SHENG , Ya-qun ZHANG , Kun-lin WANG , Zhen-peng WANG , Hong-jun LIN . Technology Status and Development Trend of Ocean Engineering Aquaculture Cage[J]. Advances in New and Renewable Energy, 2020 , 8(5) : 440 -446 . DOI: 10.3969/j.issn.2095-560X.2020.05.013

0 引言

全球人口持续增长、环境问题日益恶化,陆地资源已难以满足社会发展的需求,人类对高品质海产品的需求日益旺盛,3.6亿km2的浩瀚海洋是人类食物的重要来源和获取高端食品及优质蛋白的“蓝色粮仓”[1,2]。
据我国2019年渔业统计年鉴[3],2014年至2018年我国海洋水产捕捞量从1 403.86万t减少到1 270.21万t,海洋渔业养殖产量从1 732.4万t增加至2 031.22万t。数据显示,自然渔业资源在明显减少,而海水养殖的产量和海产品的需求量都在增加。但值得注意的是,海水养殖产量增长比例从2014年的4.07%减小为2018年的1.53%,一定程度上说明传统海湾养殖空间已趋于饱和,发展受限。因此,扩展海洋渔业发展空间、提高质量、降低污染[4],开发新型海洋渔业养殖技术与装备,使海水养殖由港湾和近海走向开阔海域,已成为发展的必然选择。

1 传统网箱养殖技术发展历程

养殖网箱技术发展至今已有100多年,从早期的木排网箱到今天现代化网箱,在网箱的材料性能、结构设计、锚泊系统、装备自动化程度以及能源供给等方面都取得了巨大进展。
有关网箱养殖的最早文字记载出现在我国宋代,周密的《癸辛杂识》中便记载了当时使用竹子与布兜制成网箱养殖鱼苗的方式。此外,1876年柯卜斯克（Kopsck）在《江西的养鱼业》一文中,也记录了我国九江地区使用密眼网箱养殖鱼苗的场景[5]。从文献记载来看,我国古代用网兜养殖鱼苗的方式虽与现代网箱养殖模式相近,但由于鱼苗养殖只是季节性暂养,与当今食用养殖存在明显差异,其技术传播不够广泛,对全球的水产业影响微弱[6]。
多数学者认为,现今使用的网箱养鱼模式起源于19世纪末的柬埔寨等东南亚国家,而后传往世界各地。20世纪60年代,日本开始探索抗风浪深水网箱养殖模式,随后,渔业发达国家纷纷开始实践新型养殖网箱技术,开发了柔性结构和刚性结构的深水网箱。柔性结构网箱中,以挪威制造的重力式全浮网箱（见图1）最为著名,其主框架由HDPE材料制成,具有一定的抗风浪能力。刚性结构网箱中,日本研制出了框架与网衣均采用金属的网箱（见图2）,能依靠自重抵抗一定强度的风浪。刚性结构网箱中还有美国以及澳大利亚等国家研制的蝶形网箱和笼形网箱,也具有较好的抗风浪能力[7,8]。
Fig. 1 “HDPE” gravity full floating cage

图1 “HDPE”重力式全浮网箱

Fig. 2 Metal aquaculture cage[8]

图2 金属养殖网箱[8]

我国台湾地区自1971年便开始了水库网箱养殖活动,我国大陆于1973年率先在广东省惠阳县和珠海市开展网箱养殖试验,1982年广东省阳江市拥有第一座海水网箱鱼排,由此进入规模化生产经营[9,10]。至20世纪80年代,经过不断尝试和推广,我国沿海地区的海水网箱养殖已具备较大规模[11]。但是这一时期通常在港湾内布置由木材和泡沫浮子制作的传统结构形式网箱,称为鱼排。由于其结构简单,养殖水体有限,抗风浪性能差,只能用于近岸水流平稳的湾内养殖,而且木材和泡沫易损坏,鱼排的整体使用寿命较短。
我国海水鱼类养殖从湾内走向湾外始于1998年从挪威引进重力式全浮网箱[10],并快速实现国产化。国产化的重力式全浮网箱由于价格低且质量有保障,成为我国使用广泛的装备,其形状可根据需要制作成圆形或者方形,重力式全浮网箱的养殖水体得到很大的扩充,鱼群在网箱内的活动空间更大,成活率和肉质也都得到了提高[12]。重力式全浮网箱无论是在漂浮性、抗腐蚀性还是在抗风浪方面相较于传统的鱼排养殖都有显著的提升。但使用该类型网箱的养殖工作仍然需要大量人工完成,劳动强度较大,且当较大风浪来临时不仅鱼群损失严重,甚至连网箱也会遭到摧毁。

2 海工型养殖网箱技术现状

随着人民生活水平的快速提升,日益增长的优质海产品需求[13]与海洋养殖环境日益恶化的生态压力,驱使海洋养殖业不断向外扩展[14]。但深远海养殖面临台风等恶劣海况威胁、远距离输送物资困难、人员生产生活缺乏陆地保障等诸多问题,只有按照海洋工程理念设计的养殖网箱才能在上述海域工作,海洋养殖装备面临一次深刻的技术转型升级机遇。近10年,海工型网箱技术层出不穷,欧洲国家率先开展海工型深远海养殖网箱设计和建造,我国随即也开展了多种海工型养殖装备的研发工作。本文介绍几种典型的海工型网箱,同类技术不再重复。

2.1 Ocean Farm 1

2017年,由挪威萨玛尔（SALMAR）集团设计研发、中船重工武船集团建造的世界首座深海半潜式智能网箱“Ocean Farm 1”（海洋渔场1号）[15,16],开启了全球大规模深远海智能化网箱建设的序幕。“Ocean Farm 1”深远海养殖网箱（见图3）融合了先进的养殖技术、环保理念和现代化海工设计于一体。该网箱总高69 m,直径110 m,净重7 700 t,有效养殖水体超过25万m3。12根巨大的柱子均匀分布在网箱周围,位于底部的6个锥形压载舱和中心浮筒提供整座网箱所需的浮力,可在水深100 ~ 300 m的开放海域使用,抗风等级12级。该网箱采用了特制的渔网骨架,可使16张渔网拥有10 t的预紧力,以抵御大型鱼类的攻击;配备了2万多个智能传感器、100多个监控设备、100多个生物光源,仅需3 ~ 7个人便可胜任150万条三文鱼的养殖任务;此外,还有一个旋转门系统,具有渔网清洁、活鱼自动驱赶和捕捉、底部死鱼收集、防虱等功能[17]。
Fig. 3 “Ocean Farm 1” deep-sea aquaculture cage[18]

图3 “海洋渔场1号”深远海养殖网箱[18]

2.2 HAVFARM 1

“HAVFARM 1”（见图4）是目前为止容量最大的深远海养殖网箱。由挪威Nordlaks公司与挪威NSK 船舶设计公司联合设计[19],2020年3月在烟台中集来福士建造完毕并被命名为“JOSTEIN ALBERT”[20]。据报道,“JOSTEIN ALBERT”船长385 m、宽59.5 m、有效养殖水体高达40 万m3,可养殖1万t的三文鱼。虽然“JOSTEIN ALBERT”外形像船,但实质上也是网箱结构,该装置在船长方向搭载着6座独立的深水网箱。该船由外转塔通过单点系泊方式进行固定,并配有全世界最先进的三文鱼自动化养殖系统,可以实现鱼苗自动输送、饲料自动投喂、水下灯监测、水下增氧、死鱼回收、成鱼自动搜捕等功能。
Fig. 4 Norwegian “HAVFARM 1” deep-sea mariculture vessel[20]

图4 挪威“HAVFARM 1”深远海养殖工船[20]

2.3 长鲸1号

“长鲸1号”是钢结构坐底式网箱[21]（见图5）,由中集来福士为长岛弘祥海珍品有限责任公司设计建造,于2019年4月25日在山东烟台正式交付。该网箱采用坐底式四边形钢结构形式,最大设计吃水30.5 m,养殖水体可达6万m3,设计年养鱼产量1 000 t。该装置平台搭载了网衣自动提升、自动投饵、水下监测等自动化装备,4名工人可完成全部养殖活动[22]。然而,坐底式设计也制约了该类型平台走向更深海域。
Fig. 5 “Long Whale 1” deep-sea aquaculture cage[22]

图5 “长鲸1号”深远海养殖网箱[22]

2.4 振渔1号

“振渔1号”（见图6）是我国首座旋转笼式深远海网箱,2019年由上海振华重工（集团）股份有限公司和福州力美水产科技有限公司联合研发。该网箱主要由浮体平台、养殖框架、旋转机构三部分组成,养殖框架呈橄榄球形,装置总长60 m,型宽30 m,有效养殖水体约1.3万m3,设计年养鱼产量120 t。“振渔1号”的自动旋转笼是其最大亮点,可有效解决海上养殖业的网箱附着物难题[23]。
Fig. 6 “Zhen Yu 1” deep-sea aquaculture cage[23]

图6 “振渔1号”深远海养殖网箱[23]

2.5 海峡1号

“海峡1号”（见图7）是我国首台单柱半潜式深远海养殖网箱,于2020年3月22日建造完成。该装置由荷兰迪马仕公司负责设计,美国ABS公司负责监审,我国福建省马尾造船股份有限公司负责建造,福鼎市海鸥水产食品有限公司负责运营,主体直径139 m、高度40 m,设计养殖深度10 m,可提供15万m3的养殖水体。“海峡1号”配备了铜合金网衣、环境检测系统、压载系统等渔业养殖相关设备;工作状态下通过中心柱体和浮力套筒打压载水实现装置的下潜;台风来临时,主体下潜至水面下,并依靠7点钢制悬链系泊系统抵御风暴。“海峡1号”计划开展仿大黄鱼的野生养殖[24,25]。
Fig. 7 “Channel 1” deep-sea aquaculture cage[24]

图7 “海峡1号”深远海养殖网箱[24]

2.6 澎湖号

“澎湖号”（见图8）是由中国科学院广州能源研究所研建的全球首台半潜式波浪能养殖旅游平台样机,该平台于2018年12月20日在招商局重工深圳公司开工建造,2019年6月30日交付使用。“澎湖号”长66 m、宽28 m、高16 m,工作吃水12 m,可提供1.5万m3的养殖水体,能够在15 ~ 100 水深的海域使用,设计寿命20年。平台搭载了自动投饵、鱼群监控、水体监测、活鱼传输和制冰等现代化渔业生产设备,在海洋可再生能源驱动下实现智能化养殖,2019年12月底第一批养殖的海鱼成功上市。“澎湖号”养殖示范期间,仅需一人即可承担平台上所有养殖任务,大大降低了人力成本,平台搭载的监控设备不但能实时观察“澎湖号”自身养殖情况,也监控着整个养殖基地。“澎湖号”的设计解决了深远海养殖所面对的缺抗风浪装备、缺搭载平台、缺清洁能源供给等系列问题,成功实现了深远海养殖、养殖工船、清洁能源、通讯导航、休闲渔业系统集成,形成了由绿色能源支持的新型深远海养殖旅游平台,其设计方案获中国、欧盟、日本、加拿大发明专利授权[26,27]。
Fig. 8 “Peng Hu” wave power-aquaculture-tourism platform

图8 “澎湖号”波浪能发电-养殖-旅游平台

“澎湖号”的半潜船型和方形的围网设计也为维修提供了便利。该平台红色养殖部分工作时下潜在水中,需要拖航、检修、保养、网箱清理和消毒时,则可以上浮,方便工作[28,29];拖航时仅需一条拖轮牵引即可在海上航行,这不仅具有很好的便利性,还可以大大减少网箱海上拖航的成本。除“澎湖号”外,中国科学院广州能源研究所正在设计并研建规模更大的半潜式波浪能养殖旅游平台,具体参数如表1所示。
Table 1 Main parameters of the wave power-aquaculture-tourism platforms currently in use and under development of Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences

表1 中国科学院广州能源研究所已投入使用及在研波浪能发电-养殖-旅游平台主要参数

规格
（长×宽×高）		 工作吃水 / m 波浪能装机 / kW 太阳能装机 / kW 储能总量 / kW∙h 备用柴油机 / kW 基本养殖水体 / m3
66 m × 28 m × 16 m （澎湖号） 12 100 120 500 120 15 000
80 m × 30 m × 16m 12 100 150 500 170 23 000
100 m × 35 m × 20 m 15 120 180 800 230 42 000
130 m × 35 m × 20 m 15 120 220 1 000 250 55 000

注：装置底部可下挂网衣,养殖水体可根据实施地水深进一步加大。

2.7 各装置对比分析

根据以上几种海工型深远海养殖网箱的现状,进行分析对比,各装置的主要情况如表2所示。根据表2,除了“长鲸1号采用了坐底式”结构,其余装置都采用了半潜式结构,这是由于半潜式结构除了能给平台提供很好的稳定性、让装置能在更深的海域工作,还有一个突出的特点就是具备较强的抗风浪能力[30];“海峡1号”和“澎湖号”就是依靠半潜式结构再加上先进的系泊方式,使得装置具备较强的抗风暴能力。除了“海峡1号”外,目前国内投入使用的海工型深远海养殖网箱的基本养殖水体均小于10万m3,其规模化产生的经济性与国外相比仍有差距。以上装置的能源供给大部分都是采用传统的柴油发电,但是这种方式在海上使用不仅昂贵、补给困难,而且还会产生废气、废水、噪声等污染;“澎湖号”采用了波浪能、太阳能加储能的方式为海上渔业平台提供充足、稳定的电力来源。近年来,“养殖+旅游”这种新型的休闲渔业模式开始慢慢发展起来,“澎湖号”及“长鲸1号”这种有旅客接纳能力的新型网箱正广受市场关注。
Table 2 Basic situation of ocean engineering aquaculture cages

表2 海工型渔业养殖网箱基本情况

装置名称 工作状态 养殖水体 / 万m3 适用海域 装置发电使用的能源 装置用途 使用地点
Ocean Farm 1 半潜式 25 远海 柴油 养殖 挪威
HAVFARM 1 半潜式 40 远海 柴油 养殖 挪威
长鲸1号 坐底式 6 近海 柴油 养殖+旅游 烟台
振渔1号 半潜式 1.3 远海 柴油 养殖 福州
海峡1号 半潜式 15 远海 柴油 养殖 舟山
澎湖号 半潜式 1.5 远海 波浪能+太阳能 养殖+旅游 珠海

3 海工型养殖网箱发展趋势

3.1 大型化

目前国内的海工型养殖网箱可提供的有效养殖水体并不大,大多装置的养殖水体都在10万m3以下。为充分发挥规模化养殖的经济效益和降低单位养殖水体的成本,大型化是今后海工型养殖网箱发展的一个重要趋势。

3.2 平台化

深远海养殖所处海域远离大陆,船运生产生活物资成本高,受恶劣天气影响大,海工型网箱需具备一定的物资存储空间和能力,以降低运输成本;同样在开阔海域开展养殖活动,养殖工人难以获得陆地和岛屿支撑,人员食宿问题必须在海上解决,因此海工型养殖网箱应具备搭载人员,并提供较为舒适的生活环境;随着养殖辅助设备的不断开发,大量先进的养殖装备若能搭载在深远海养殖网箱上,将有效提高生产效率,降低劳动强度。因此海工型养殖网箱应平台化,网箱平台应稳定且具备搭载物资、设备和人员的能力,还应可搭载旅客开展休闲渔业旅游活动。

3.3 智能化

海工型养殖网箱体积大、结构牢固、搭载能力强、能源供给充足,具备在海上开展智能化养殖的条件。海工型深远海养殖网箱配置吊机、投饵机、收鱼机等设备,可实现养殖自动化;配置水上水下监控设备可实时掌握水质和鱼类生长状况;配置通信设备,可实现养殖数据实时远距离传输,海上设备远程化操作,提高海洋渔业生产技术自动化水平,最终实现智能养殖,提高养殖质量和效益。

3.4 环保化

开发海工型深远海养殖网箱的主要目的是让海水养殖业由港湾和近海走向开阔海域,解决海洋养殖缺空间和污染严重的问题,因此海工型养殖网箱的设计应从各个方面考虑环境保护问题。养殖应降低密度,提高鱼类活动空间;饵料投喂实施精准控制,降低饵料扩散和沉底造成的环境问题;设置鱼类排泄物收集系统,集中环保处理;配置人员生活污水处理系统,按环保要求处理生活废弃物;养殖平台制定循环转场计划,定期移动位置,降低长期存在某一位置造成局部污染的可能。目前大部分网箱平台发电使用到的柴油不仅补给运输困难,使用时还会产生大量污染,采用以波浪能为代表的海洋可再生能源发电技术,能提供便捷和清洁环保的深远海养殖网箱能源。

4 结论

（1）人们日益增长的优质海产品需求和全社会环境保护意识的逐步提高,促使传统近海养殖走向开阔海域,海洋养殖装备面临一次巨大的转型升级机遇,欧洲各国和中国正在积极开展海工型养殖网箱的研发工作,发展势头迅猛。
（2）大型化、平台化、智能化和环保化是海工型养殖网箱技术的发展趋势,随着研发的逐步深入和新技术的不断采用,相对落后的海洋渔业生产将会迎来一次技术提升热潮,智能化海洋养殖将很快成为现实。在优良的海水环境下养殖出优质的海产品正在成为现实。
（3）全球海鱼产品消费市场广阔,深远海养殖的发展空间巨大。通过与国外的对比,我国在深远海养殖网箱领域的研究与开发能力处于世界领先地位。我国具有独立开发自主知识产权的海工型深远海养殖网箱的能力,极大促进了海水养殖和海洋渔业装备两个产业的发展。
（4）养殖企业使用海工型养殖网箱积极性高,但该类网箱一次投入成本大,建设资金筹措难度大,影响了海工型养殖网箱的快速发展。建议政府加大扶持力度、建立健全商业贷款和融资租赁机制,进一步促进海工型养殖网箱的发展。

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