波浪作用下筏式养殖设施的数值模拟

基于浙江海洋学院提出的新型筏式养殖模型,将浮标简化为质点,将梗绳简化为集中质量构件,建立浮标和梗绳构件受力模型和运动方程,采用4阶Runge-kutta法求解运动方程,对新型筏式养殖系统在波浪作用下的整体运动情况进行模拟,分析浮标在波浪下的运动响应和波浪入射角度对锚绳力的影响,考察梗绳材料对浮标水平位移幅度的影响。结果显示:筏式养殖系统上部浮标在风浪中的水平位移幅度很大,将系统主轴安排与波浪的入射方向一致时,锚绳受力最小,选用PA材料锚绳相对于PE材料锚绳能减小浮标的水平位移幅度。     

网衣波浪水动力特性的数值模拟初步研究

为研究网衣与波浪相互作用机理,以粘性不可压缩Navier-Stokes方程为控制方程,通过VOF方法追踪波面,采用推板造波的方式建立了数值波浪水槽。数值模拟过程中利用多孔介质模型模拟网衣,根据网衣受力的经验公式利用最小二乘法拟合得到相应的多孔介质模型参数。利用该数学模型研究了平面网衣对波浪形态影响及网衣受力情况,并与物理模型试验结果相比较。结果表明,计算获得的网衣受力和波浪透射系数与试验结果相一致,证明了该数值模型研究网衣波浪水动力特性的适用性。     

波浪作用下筏式养殖结构的动力分析

针对筏式养殖设施结构的特点,基于有限元商业软件ANSYS对其进行数学建模,通过数值计算,对不同位置浮标与吊笼的位移和最大锚绳力进行分析。数值模拟研究表明,筏式养殖设施整体结构在波浪作用下呈现周期性的运动趋势,但并未发生浮标或吊笼相互缠绕的现象,说明此筏式结构在波浪作用下能够安全使用。不同位置的浮标与吊笼,由于受到锚绳与筏绳相互牵引的作用,其位移随时间变化的趋势有所不同。两侧锚绳受力变化周期与波浪周期基本一致,迎浪侧锚绳受力明显大于背浪侧,锚绳力最大值约为1000 N。研究结果表明,通过对比不同的波浪工况条件,发现各个浮标和吊笼在水平与垂直方向的位移幅度均随着波高的增加而增大,且垂直方向位移幅度大于水平方向。     

基于拉格朗日法的海藻场有机碎屑离岸输运研究

海藻场在海藻凋落盛期向海洋输送大量有机碎屑,为海藻场外围海域提供大量初级生产力,并在沉降后实现碳汇功能。本研究采用具有拉格朗日质点追踪模块的三维海洋数值模式(Estuarine Coastal Ocean Model, semi-implicit, ECOM-si),结合潮位、流速及漂流浮标轨迹跟踪观测,研究了枸杞岛西北侧天然海藻场有机碎屑输运与沉降的动力学机制及碳汇功能。结果显示,海藻场对周边海域碳汇贡献的空间分布格局呈现为以海藻场为中心的高值区,向西北–东南海域扩展分布并递减。水动力强弱和海藻碎屑粒径差异导致其沉降后的空间分布差异显著。大潮期间,海藻场对邻近海域碳汇贡献最高为699 g C/(hm2·d)。碎屑粒径越小、沉降速度越小的海藻碎屑对外围海域碳汇贡献范围越大。海藻场碳汇功能不局限于邻近海域,不同粒径海藻碎屑每天为海藻场5 km外海域提供有机碳约7.5~33.7 kg C;小潮期间水动力较弱,约90%以上的海藻碎屑沉降至5 km以内海域。海藻场碳汇功能集中于沿岸邻近海域,对邻近海域有碳汇贡献的区域范围小,但强度大,最高为817 g C/(hm2·d)。海藻碎屑脱落时的潮流方向和海藻场所处区位也是影响海藻场有机碎屑输运沉降和碳汇归趋的重要因素。赋予拉格朗日质点单位碳含量后,拉格朗日法在海藻场有机碎屑离岸输运沉降机制研究中具有可行性,可有效评估典型近岸海藻场对周边海域碳汇的贡献及主要动力学因子的作用。本研究可为我国海藻场本底调查及其生态辐射范围评估提供参考。     

基于GAM模型研究金枪鱼围网沉降性能影响因素

金枪鱼围网渔业是现代金枪鱼渔业中捕捞效率最高的方法,研究围网沉降性能与影响因子之间的关系有利于提高围网捕捞效率.利用2011年9-12月金枪鱼围网渔船“金汇7号”在中西太平洋作业时所收集的数据,实验分析了围网沉降深度(H)与放网时间(T),放网速度(V0),括纲(L)及跑纲(L1)的投放长度,10、60和120 m 3个水层流速(V10,V60及V120)等因子之间的关系,并利用广义加性模型(GAM)评价了各因子对沉降深度的影响.结果表明:(1)网具中部沉降深度与时间的关系为H=-0.000 2 t2 +0.408 6 t+1.809 9(R2 =0.999 3);(2)沉降速度随着深度的增加而减小,网具中部沉降速度与时间的关系为V=2.5 ×107 t2-6×104 t +0.4412(R2 =0.985 2);(3)GAM模型中的逐步回归分析表明,T、V60、V120和L4个因子对H影响显著,且影响大小依次为V120、L、T和V60;(4)GAM模型分析表明,沉降深度随放网时间的增加而增大,放网时间集中在500 ～550 s;流速的大小与沉降深度呈负相关;括纲投放长度主要集中在1 800 m左右.     

基于数值模拟的丁字湾海洋环境恢复研究

2011年,山东半岛蓝色经济区上升为国家战略后,丁字湾被定位为海洋旅游文化产业聚集区.然而,目前丁字湾沿岸由于近几十年来养殖和盐田业过度围垦造成海湾面积急剧萎缩,湾内水流不畅,淤积严重,湾内大部分海域水质已不能满足要求,海洋生态环境严重衰退.本文应用数值模型模拟了拆除养殖和盐田堤坝后丁字湾水动力、水交换率和纳潮量的变化.计算结果显示拆除堤坝后湾内水动力条件得到了显著增强,半交换时间明显缩短,纳潮量增加近一倍多,对改善丁字湾海洋环境质量、缓解泥沙淤积、增强污染物稀释能力和增加海洋环境容量具有重要的现实意义.此外,本研究还基于数值模拟结果,探讨了丁字湾海洋环境修复的有关建议.     

网渔具计算机数值模拟的研究进展

对近年来网渔具的计算机数值模拟中使用的几何拓扑分解方法、数学建模思想和模型算法等进行了归纳和系统整理,并探讨了各种算法的稳定性和收敛性。分析认为:刚体有限元法数学建模的优点是模型简化,能基本反映网具粗糙形状,缺点是忽略网线张力,无法精确反映网具的受力和网具的运动状态;基于质量弹簧体系和牛顿力学的柔性有限元法是主流,数值模拟结果更符合网具的实际状况,网形更细腻逼真,计算结果与网具实测拟合较好;显式算法对时间步长较敏感,稳定性和精度不如隐式算法好。NEWTON-RAPHSON和NEWMARK-β算法具有无条件稳定性和收敛性,大部分研究采用了此算法。     

桩网连接方式对桩柱式围网网衣受力的影响

海洋围网养殖是一种新型且具有应用前景的生态养殖模式,主体由桩柱、网衣、纲绳等结构组成。网衣系统安全是决定围网养殖工程安全的关键所在。本研究主要采用集中质量点法建立围网网衣数值模型,利用StokesⅢ阶波波浪理论,研究波浪载荷作用下,桩网连接方式(桩网直接连接和桩网间接连接)对网衣最大偏移量、网线和纲绳最大受力、系缚点受力的影响。研究结果显示,网衣的形变呈不对称分布,在波高小于4 m时,2种连接方式的围网网衣最大偏移量几乎保持一致,当波高大于4 m时,2种连接方式的网衣波峰处位移最大,且波谷处偏移逐渐减小,总体上看桩网间接连接的桩柱式围网偏移量更大;2种连接方式的纲绳和网线受力随波高增加而增大;相同波高条件下,纲绳和网线的最大受力部位均在竖纲连接槽钢处,桩网间接连接方式的围网纲绳和网线受力要小于桩网直接连接的方式;系缚点的最大受力在水平面下0~1 m内,间接连接方式的系缚点最大受力小于直接连接方式。水平网线的受力随着波高的增加而增加,间接连接方式的网线受力要小于直接连接的方式。研究结果可为桩柱式围网网衣系统连接方式的选择与安全评估提供参考。     

固定方式对水流作用下桩柱式围网网片力学特性的影响

采用集中质量点法和网目群化法,结合数值模拟技术探讨了桩柱式围网网片单元在水流作用下的力学特性,着重分析了不同网片宽度和固定方式下网片单元的网线张力分布、节点偏移和网片系缚点受力特性。结果显示,水流作用下,桩柱式围网网片的最大张力主要分布于网片顶部和底部力纲的两侧,最大张力值与网片宽度成正比;网片的最大偏移部位主要分布于网片的上下端,最大偏移量与网片宽度成正比;系缚点最大受力出现在网片的顶端和底部,且其受力在数值上均远远大于中间系缚点;研究发现,随着系缚点数的增加,各系缚点的受力不断下降,网线张力和偏移量也迅速减小;当系缚点超过一定数量时,网线张力和偏移量将不再显著下降,表明存在一个临界系缚点数。本研究可为桩柱式围网工程的设计与安装提供参考。     

基于YOLOv5改进模型的丁香鱼围网作业目标检测研究

为解决目前鳀(Engraulis japonicus)限额捕捞与分类统计不准确的问题,提出一种改进YOLOv5的识别算法。该方法将SENet注意力机制引入到YOLOv5主干网络结构中,通过融合捕捞作业不同时期的目标信息并降低复杂背景的干扰,以提高模型检测精度和实时检测效率。采用实际拍摄的鳀作业视频,将视频转化为图片格式实现前期标注和处理,对获得的5 550幅图像按照8∶1∶1划分训练集、验证集和测试集,设置对照实验,将YOLOv5主干网络替换为MobileNetV2,并引进SENet注意力机制,分别通过4种模型进行对比,结果表明,该识别算法获得平均精度均值(mAP)为99.4%、精度为98.9%、召回率为99.1%,相比原模型分别提高了2.5%、3.7%和2.9%。研究结果可以为鳀围网作业的目标识别提供新的思路,同时也为渔获作业统计提供了一种辅助手段。     

Numerical study on wave attenuation inside and around a square array of biofouled net cages

In this study, waves propagating through a square array of 16 net cages with different levels of biofouling are numerically studied using a three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model. A porous-media fluid model is adopted to simulate both clean and biofouled netting of a cage array in waves. A numerical wave tank is built, and the oscillating-boundary method is adopted to generate waves. The flow motion is solved by the Navier-Stokes equations, and the free water surface is captured using the volume of fluid (VOF) method. The numerical model is validated by comparing the numerical data with corresponding experimental measurements of a net-cage model with clean netting. To analyze wave attenuation, a numerical analysis of wave elevation both inside and around the cage arrays is presented, which considers the effect of biofouling. Based on the results of the present study, the effect of biofouling on wave elevation is noticeable; the damping effect of the cage array increases with increasing level of biofouling. Furthermore, the incident angle of waves has a noticeable effect on the wave field inside and around the cage array.     

浅海围栏牧场中柱桩受力及波浪场分布试验

通过物理模型试验的方法,对浅海围栏牧场设施中柱桩的受力及内部波浪场进行了研究。试验模型整体采用1∶20比尺,试验波要素设定五个波高,原型分别为1、2、2.5、3、3.5m,五个波浪周期分别为5、6、7、8、9s,五个流速分别为0.5、0.76、1、1.25、1.57m/s。测量在不同波流组合以及不规则波单独作用和流单独作用下迎浪侧最前方单根桩柱的受力情况及围栏牧场内波浪场情况。试验结果显示,随着波高和流速的增加,桩柱所受到的波流力逐步增大,在计算柱桩受力时,需要考虑到网衣受力带来的影响。波高及周期越大,围栏设施内的波浪场分布规律越明显,沿着波浪传播方向呈逐渐减小趋势,小波高及短周期时波浪场分布规律不明显。     

基于Ecopath模型的胶州湾生态系统比较研究

文章根据2015–2016年胶州湾渔业资源与生态环境调查数据,并收集20世纪80年代胶州湾渔业资源数据,利用Ecopath with Ecosim 6.5(Ew E)软件构建了由21个功能组组成的胶州湾1980-1982年和2015-2016年两个时期的Ecopath模型,比较分析了不同时期胶州湾生态系统结构和功能变化以及系统发育特征。研究结果显示,与1980-1982年生态系统相比,胶州湾2015-2016年生态系统中大型底层鱼类生物量减少,菲律宾蛤仔(Ruditapes philippinarum)生物量提高,渔获物产出以菲律宾蛤仔为主,渔获平均营养级降低,系统能量转化效率从1980-1982年的15.83%提高到2015-2016年的16.35%,能量流动始终以牧食食物链为主。关键种分析表明,胶州湾生态系统两个时期的关键种均为菲律宾蛤仔。此外,与1980-1982年生态系统相比,2015-2016年胶州湾生态系统整体规模增大,净生产量提高5倍,系统总初级生产量与总呼吸量的比值由1980-1982年的1.267提高到2015-2016年的2.518,系统连接指数、杂食指数与Finn’s循环指数和平均路径长度均减小,说明在过去30多年胶州湾生态系统成熟度和稳定性不断降低,发育过程出现由成熟向幼态的逆行演替现象,目前处于不稳定的幼态阶段。     

基于Ecopath模型的五里湖生态系统营养结构和能量流动研究

根据2006年和2009年对五里湖渔业资源和生态环境调查数据,利用Ecopath with Ecosim软件,构建这两个时期五里湖生态系统能量通道模型,比较分析了实施净水渔业前后生态系统的结构和能量流动特征。模型包括大型、其他食鱼性鱼类、湖鲚、鲤、鲫、野杂鱼、鲢、草食性鱼类、大型虾蟹类、软体动物、其他底栖动物、浮游动物、沉水植物、其他维管植物、浮游植物、碎屑等17个功能组,基本覆盖了能量流动的途径。营养网络分析表明,增殖放养滤食性鱼类和贝类,扩大了五里湖生态系统的规模,增加了生态系统的发育程度和生态系统营养级ⅠⅡ的能量转换效率,滤食性生物与生态系统其他功能组生态位的重叠程度也有所增加。该系统各功能组间的联系加强且系统趋向稳定,但生态系统的物质流转速度和物质再循环的比例有所降低。     

Numerical simulation of the effects of structure size ratio and mesh type on three-dimensional deformation of the fishing-net gravity cage in current

In our previous research, the hydrodynamic behavior of a two-dimensional (2D) plane fishing net in current was simulated. Based on the research, a model of a three-dimensional (3D) net is established by using the lumped mass method. To verify the validity of the numerical model, model test results by other authors are cited and compared with the numerical results. The simulated results are in good agreement with experimental ones. In this paper, the 3D net model is applied to investigate the effects of structure size ratio (RDH) and mesh type on the 3D net deformation of the gravity cage in current. The numerical results indicate that the decrease of RDH is practically feasible in improving the cage net deformation. With a sinker system the net deformation with diamond mesh is greater than that with square mesh. When the bottom-collar sinker system is applied, with an increase in current velocity, the net deformation with diamond mesh is less than with square mesh. The results of this study provide a better understanding of the hydrodynamic behavior of the gravity cage.     

基于Ecopath模型的巢湖生态系统结构与功能初步分析

为分析和掌握巢湖生态系统结构与功能的特征参数,结合2007—2010年巢湖渔业资源调查数据,应用Ecopath with Ecosim 6.1软件构建了巢湖生态系统的食物网模型。模型由16个功能组组成,包括初级生产者、主要鱼类、无脊椎动物和有机碎屑等。结果显示,巢湖生态系统食物网主要由4个整合营养级构成,系统规模总流量、总生产量和总消耗量都较大,分别为41 003.08、17 937.42和4 486.67 t/(km2·a);能量流动主要发生在Ⅱ、Ⅲ营养级间;参照Odum的生态系统成熟程度判定指标发现,巢湖生态系统高的生产量和呼吸比值(TPP/TR)和净初级生产量(NPP),以及较低的系统连接指数(CI)、系统杂食指数(SOI)、Finn's循环指数(FCI)和Finn's平均路径长度(FMPL)都表明:巢湖生态系统结构与功能的特征参数远没有达到成熟生态系统的标准,且劣于富营养化的太湖生态系统。从生态系统结构分析发现,导致巢湖生态系统退化的关键原因是浮游植物生物量、生产量过高,被生态系统利用的效率极低,从而导致生物多样性下降、食物网趋于简单、能量流动不畅。     

海上风机与养殖网箱融合系统中网箱系泊绳张力与导管架基础结构安全性研究

海洋牧场与海上风电融合发展是现代渔业和清洁能源产业融合发展的典型代表,能够构建“海上粮仓+清洁能源”的新产业模式。本文基于福建漳浦六鳌海上风电场风机导管架构建养殖网箱与海上风机融合系统,运用Aqua-FE?有限元工具探究极端波流条件下不同网箱布设深度、波流入射角、生物附着程度对网箱系泊绳张力的影响;采用海洋工程专用设计软件SACS,计算分析风机导管架结构在波流及网箱系泊绳张力作用下的应力分布,评估养殖网箱系泊绳张力对风机导管架基础结构安全性的影响。结果表明,网箱布设深度的增加能够减少网箱系泊绳最大张力,显著改善网箱风机整体结构受力状态;波流入射角的改变对于网箱风机整体结构安全性影响不大;网衣生物附着程度的增加会显著增加网箱系泊绳最大张力,从而造成风机导管架基础杆件大量失效。综上所述,养殖网箱可布设于适当水深以减少受力,同时应及时清理附着生物,适当增加网箱系泊点附近的导管架杆件和导管架底部桩土点杆件的壁厚,以确保养殖网箱与海上风机融合系统结构安全。该结果可为深入研究网箱与风机融合系统的受力,评估该系统的安全性,优化设计养殖网箱与风机融合系统提供数据支撑。     

渔用PP/PA复合单丝和普通PP单丝结构与性能的比较研究

为给渔具设计与材料的合理选配提供科学依据,通过差示扫描量热法(DSC)、广角X射线衍射(XRD)及扫描电镜(SEM)等方法的比较,研究了渔用聚丙烯聚酰胺(PP/PA)复合单丝的结构与性能。结果表明,与普通PP单丝相比,渔用PP/PA复合单丝的断裂强度和结节强度比普通PP单丝分别提高了39.00%和26.48%,而断裂伸长率降低了12.74%;PP/PA复合单丝的结晶度和取向度比普通PP单丝分别增加了13.49%和1.36%;PP/PA复合单丝微晶尺寸稍大于普通PP单丝,而晶胞参数变化很小;SEM照片显示复合单丝的相容性良好。结果分析表明,由于结晶度、取向度的增大,导致了渔用PP/PA复合单丝强度的提高。     

以优化的BP神经网络模型为基础研究山东近海口虾蛄空间分布与环境因子的关系

BP神经网络模型作为一种常用的机器学习方法,被广泛应用于物种分布模型,以解析生物分布与环境因子的关系。与传统回归模型相比,该模型可以灵活处理变量间的非线性关系,但其结构复杂,在参数设置方面存在不确定性,从而影响模型的预测与应用。根据2016—2017年山东近海口虾蛄渔业资源调查与环境数据,利用BP神经网络模型构建口虾蛄资源分布模型,同时利用数据分组处理算法(group method of data handling, GMDH)、遗传算法(genetic algorithm, GA)和自适应算法(adaptive algorithm)分别对模型输入变量、初始权值和隐节点数目3方面进行优化,构建7种不同组合优化模型。结果显示,7种模型的优化效果存在明显差异,单方面和两方面组合优化模型预测性能基本保持一致;而三方面共同优化其均方根误差与残差平方和分别为0.35和1.94,较初始模型的0.52和2.40更小,且相关系数最大为0.45,表明模型优化效果最好。对比优化前后发现,口虾蛄资源密度随纬度和底层盐度变化趋势基本保持一致,而随底层温度的升高,口虾蛄资源密度存在较大差异。此外,最优模型较初始模型增加水深为关键环境因子,对口虾蛄的资源密度具有重要影响。本研究进一步开发了BP神经网络模型参数优化的方法,证明了参数优化对BP模型的预测性能具有重要影响,模型优化对于分析口虾蛄资源密度与环境因子的关系具有重要意义。