目前我国可供养殖的近海水域资源容量已趋于饱和，近海养殖区域水质污染问题日益严重，导致养殖鱼类生长减慢、病害流行，使得近海渔业越来越难以健康持续的发展，推动海水养殖从近海沿岸向深远海拓展，是优化海水养殖空间布局、促进海水养殖业转型升级的必然选择，而且潜力巨大，对保障食物安全、改善国民膳食结构，实施健康中国战略具有重大意义。

当前我国传统渔业正处于全面现代化转型的关键阶段，由于近岸水域养殖资源有限，世界上一些水产养殖大国都在尝试向深远海养殖方向发展，但深远海风高浪急，环境复杂，只有大型或超大型养殖工船才能保证养殖安全并降低单位养殖成本，因此安全、高效的大型养殖工船成为渔业转型升级向深远海发展的关键设施之一，例如世界海水养殖大国挪威就陆续新建了各种大型的深远海养殖工船，我国近年来也加大了对深远海养殖装备的投入，国信一号、德海一号等多艘大型养殖工船陆续下水。

纵观目前已有的养殖工船主要分为两种形式，一种为封闭式养殖工船船载舱养模式、一种是桁架式养殖工船开放式养殖模式，这两种养殖工船有各自的优点，但也都存在一些问题，主要体现在；

1. 封闭式养殖工船：

主要利用船舶内部空间作为养殖舱，此类深远海养殖工船优点是可以自主航行，可在不同季节、不同纬度、不同水域追寻最适宜的养殖环境，其游弋式的特点使其能够有效的躲避台风、赤潮等灾害，大大减少了自然灾害给养殖业带来的风险，但是为了能够保持舱内水体的新鲜，船舶需配备大型海水泵，用于养殖舱与工船外部海水的交换，封闭船舱养殖模式的可养殖水体容积受船体空间的限制，大的养殖水体容积意味着昂贵的船舶造价，由于养殖水体交换依靠大功率、大流量海水泵，因此日常所需的电力主要由内燃机带动的大中型发电机提供，仅发电燃油成本就高达1.5-2元/度左右，日常养殖过程中的能源消耗、设备折旧及维护费用很高,大大提高了运营成本。

2. 桁架式养殖工船：

该养殖工船由于是漂浮式桁架结构悬挂养殖网箱，养殖箱内外水体可以利用洋流条件进行交换，无需使用海水泵，解决了封闭式养殖工船在日常养殖时因水体使用机械交换带来的能耗问题，但由于该种形式的养殖工船，船体外侧几乎是全敞开的，带来的问题是工船在带动网箱航行时的阻力非常大，与封闭式养殖工船相比，在相同的推进功率下，该类型的养殖工船的航速将非常低，无法有效躲避台风和突发的自然灾害,且存在网箱日常维修更换和清污难度大、外界风浪及强洋流对网箱内部养殖鱼类的影响难于控制、鱼病防治难等问题。

本文提供了一种新型的“可游弋于各种复杂海况的超级节能深远海养殖工船方案”，它采用移动式换水方式，既兼顾封闭与开放型养殖工船的优点，又克服了现有封闭船舱养殖工船和桁架式养殖工船的缺点，具有结构相对简单，能够对不同时期养殖鱼类所需的水流溶氧环境进行控制,且具有船体不同部位水流比较均匀、水体交换量巨大、内部养殖环境安全、可控，各类设施更换维护方便、产量高、易捕捞、与船载舱养模式相比超级节能等优点。

以下对这种新型可游弋于各种复杂海况的超级节能深远海养殖工船方案”做详细介绍；

一养殖工船的主体结构（见图一）

该养殖工船内置两端对外部海水开放的养殖舱，养殖舱主要部分设计成长方形水槽形状以尽量减少其内外部水流阻力。在养殖舱沿着船体移动方向直通的两端开设进水口与排水口，养殖舱的进水口在水中处于养殖工船移动方向的迎水面，排水口在水中处于养殖工船移动方向的背水面，养殖舱除进排水口采用金属拦鱼网封堵以防止内部养殖鱼类逃逸外，其壳体的其余部分均由光滑的板材制做而成，以最大限度的减小内外部船体对水流的摩擦阻力，金属网片的特点是法向阻水系数明显小于纤维类网片并具有抗浪流、耐腐蚀、轻附着、低污染等优点。

在船体横向两端侧舷设置有浮体舱，具有类似于双体船的作用，增强了船的稳定性。双层船底舱兼做压水舱，需要的时候可灌入一定量的海水来稳定进排水口与水面的距离，浮体舱内部可以储存各种生产生活物资（图二）。

养殖工船的船艏吃水线以下设置有百叶式进水节流门，每个门百叶均由计算机单独控制，其功能是；能够根据外部风浪和洋流情况及内部海水流速的需要控制进水口不同位置的钢百叶开启的大小程度来调节进入养殖舱内的海水流速，以保证养殖舱内部不同部位水流均匀，流速适宜。在养殖工船前方迎水面吃水线以上建造有较高的防浪船艏用以减少迎面巨浪及浪涌对养殖舱水面产生较大波动影响。

进水节流门后设置有进水口金属拦鱼网，其形状与船艏基本吻合，之所以如此设置主要有以下目的；1增加养殖舱面积，2减少沿着船行方向在养殖舱内的金属网片对船体向前运行时产生的阻力，金属拦鱼网放置在养殖舱前后端的双排插槽内，方便将来在鱼体生长过程中更换不同规格的拦鱼网或对拦鱼网取出进行修补和清理时不影响鱼类的正常生活。

在养殖舱的上部设置太阳能光伏板阵列，光伏板阵列的铺设规模至少应保证发电量能够满足养殖工船日常连续工作时的能量需要。

工作楼可用于养殖工船正常的生产生活及日常管理。

船艉排水口金属拦鱼网的形状需考虑排水及水下推进器对水流的要求，养殖工船的船艉吃水线以下设置有百叶式排水节流门，每个门百叶也由计算机单独控制，其功能是；能够根据船的航行速度和内部水流情况及船艉螺旋桨推进情况适度控制各个百叶门的开启程度以满足不同部位对排水速度的不同要求，减少船艉涡流阻力的影响并优化推进器的水动力性能，船艉采用可变向螺旋桨门阵列，可通过门的转动改变推水方向实现船的转向（图三）。

二养殖工船工作原理

养殖舱内外水体的交换采用的是移动式换水原理，方法是；利用动力装置驱动养殖工船在海水中向前移动，由于养殖舱内部与外界相通的大量海水具有巨大的惯性，而养殖舱前后的拦鱼网对水产生的推动力（对船舶来说是阻力）及养殖舱内壁对水的摩擦作用只会带动养殖舱内部海水相对外部海水向前进行轻微的运动，但养殖工船自身却能在船舶动力的作用下相对于外部水体向前进行较为快速的移动，因此在船舶移动的过程中，养殖工船移动前方的海水通过进水口不断被移入养殖舱内，同时养殖舱内部的养殖废水则通过排水口不断移出养殖舱外，从而完成养殖舱内外部的海水交换。养殖舱内外海水的交换速度取决于船舶的移动速度，养殖工船的移动速度越快，养殖舱与进入养殖舱内的水体的相对速度越快，相当于进入养殖舱内的海水流速越快亦即养殖舱内外海水的交换速度越快。

此种换水方法在表面上与在陆地大水面中采用的流水槽养鱼模式有类似之处，但却有自身独特的优点：

1.养殖舱内外可以像大型开放式网箱一样有巨量的水体交换和均匀的水体流速，在养殖期间由于养殖工船处于慢速航行状态，船体内部产生的阻力主要是静止的海水对运动中的拦鱼网产生的阻力及运动中的内外船体对海水产生的摩擦阻力，这两种阻力的大小近似与船体运行速度的平方成正比，正常情况下养殖工船海水节流门根据养殖舱内部养殖鱼类的需要，进排水速度一般控制在0.4米／秒上下，在后面所展示的理论和试验数据中可以看到此时由拦鱼网及养殖舱内部的运动所产生的海水阻力并不很大，水在船体外部对船体产生的阻力则只与养殖工船的航行速度有关，鱼群跟随船舶向前游动推动水流向后运动，也有利于减小船舶驱动功率，与抽水方式换水方法相比节省大量动力消耗。

2.将来随着鱼体的生长，养殖舱内鱼的密度会不断增加，但鱼体规格越大对海水流速的适应力也越强，更换大网眼网片后拦鱼网的阻力也会相应减少，可通过加快养殖工船的航速来加大养殖舱内外水体的交换量或者在强洋流中将船舶抛锚静止，依靠调节进水口海水节流门百叶的开启程度来控制养殖舱内外水体的交换量，以满足密度不断增大的养殖鱼类对溶氧的需求，因此养殖舱容积可以不受限制的做大，可以容易的根据养殖的需要大幅提高单位水体鱼产量，同时总产量也就更大。

3虽然从整体上看养殖舱内水体交换量巨大，但由于流速均匀，水体的平均流速并不快，由于在对养殖舱内部的鱼类进行高速投饲时通常在进水口一侧投饲，因此饲料不会很快在排水口处随着水流漂流出养殖舱，且由于养殖舱侧壁与底部与外部隔绝，饲料也不会通过养殖舱底部和侧面漏到养殖舱外部，因此基本不存在饲料流失损失，与网箱养鱼相比可进一步加快投饲速度，降低饲料系数，减少养殖成本。设置在养殖舱内部的水流传感器可以感知水流速度并根据需要以此控制船体的运行速度或海水节流门百叶的开启程度来满足养殖鱼类对最适水流速度及溶氧的需求，由于养殖舱内海水流速始终控制在养殖鱼类的最佳适应范围内，因此该种换水方式对鱼的应激作用也比较小。

三养殖鱼类耐流性

鱼类耐流性试验数据表表一

注：bl=鱼体长度

根据表一可以看出，适当的水流速度有利于鱼类的生长及健康，由于养殖舱内的鱼类是跟随养殖工船向前移动的，类似于流水槽养殖中养殖鱼类在流水槽中的逆水游动，依据相似原理可以推断养殖舱内养殖鱼类是完全可以正常生长生活的。

四养殖工船船行阻力及能源消耗

在养殖工况下（船体航行速度不大于0.6m/s）养殖工船的航行阻力主要是船舶运动前方的海水对内部养殖舱前后的金属拦鱼网产生的阻力及内外部海水对养殖工船产生的摩擦阻力。

陈昌平王文等在大连理工大学船模试验水槽中采用80*80cm的框架锌铝合金网衣，用3种不同网目大小、网线直径及不同流速条件通过拖曳模拟对网衣平面受力情况做了试验，

受力计算公式为网衣受力试验值=框架与网衣总体受力试验值-单独框架拖曳受力试验值。

本文选取其中网目为45mm，网线直径为4mm，拖曳速度分别为0.2m、0.4m、0.6m、0.8m、1.0m一组数据为例，展示该网衣在不同拖曳速度下的受力情况，（见图四）

根据图四可以列出以下网片阻力与拖曳速度之间的关系表

表二

由表二中可以看出网衣拖曳速度（相当于水的流速）与网衣的受力大小呈现近似于平方的关系，因此减少流经网衣的海水速度有利于减少网衣所受到的海水阻力。

为方便计算，以装备宽40米、长100米、吃水线以下深度20米水槽形养殖舱、船艏、船艉形状为45o等边三角形的养殖工船为例（见图五）

养殖舱两端设置有贴合于船艏艉形状的金属拦鱼网，拦鱼网网衣面积等于养殖舱水下横截面积的2倍，在正常养殖过程中，可控制进排水口不同位置的钢百叶开启的大小程度使各处进水尽量按近似于垂直方向以相同流速均匀的流过拦鱼网衣，这时流经网衣的海水流速相当于流经养殖舱中部横截面的海水流速的1／2，网衣沿着船体移动方向所受到的海水阻力等于网衣所受总阻力乘以cos45º。

在本例中船舶内外吃水线总长度合计720米、船舶内外浸水总面积合计24662m²、养殖水体100000米³，低速行驶的养殖工船在海水中受到的摩擦阻力可按以下公式计算；

Rf=[0.075/(logUL/v - 2)² ＋ 0.4×10﹣³]ρU²S/2 。

Rf=船舶内部或外部摩擦阻力U=船速L=(船舶吃水线总长度)/2粘性系数v=0.0000011883ρ=海水密度 S=（船舶浸水总面积）/2。

本例中限制垂直流经金属网衣的海水最大流速为0.3m/s，在不同航速下金属网衣沿着船体移动方向所受到的海水阻力和养殖工船在不同航速其船舶内外部所受摩擦阻力计算结果如下（见表三）

表三

根据表三所列数据可以看出，船舶在慢速航行，尤其是船速不大于0.6m/s时船舶所受到的这两种阻力并不很大，且因船速较慢因而动力消耗较少，而0.6m/s的船速已能满足养殖舱内高密度养鱼的换水需要。在此航行过程中所消耗的能量用450m2太阳能板发电及配备相应的储能电池即可满足其供电需要。在养殖工船尾部设置电驱动螺旋桨既起到推动船舶运动的功效还起到帮助排水的效果，可以进一步降低养殖舱换水所需的能量。

五养殖鱼类的养殖密度及产量预计

在养殖密度方面，以我国东南部外侧海区当年12月-次年1月为例进行测算，该季节东南部外侧海区平均溶氧为5.8克/米³，按350克/尾大黄鱼计算，该种规格大黄鱼耗氧量为0.2083克/千克*小时，在船速0.2m/s的情况下，按当前养殖舱40m×20m水流横截面积的养殖工船计算，每小时进水量为800×0.2×3600=576000米³，按进水溶氧量5.8克/米³，出水溶氧量4.8克/米³计，其减少的溶氧量可供576000米³×(5.8克-4.8克)/0.2083克/千克*小时=2765242千克=2765吨大黄鱼使用，如果船速增加到0.4m/s产量还可翻倍，由此可以看出，该种养殖工船所蕴藏的巨大产能潜力。

六不同工况时养殖工船的应对方式

1当海面风平浪静、海水流速较慢、静止的船舶养殖舱内外水体交换速度不足以满足养殖舱内部养殖鱼类的溶氧需求时可以开动养殖工船以经济速度（小于0.6m/s）向前移动，此时将养殖舱前面的海水节流门百叶按相对于船行方向45º角打开，新鲜海水在惯性的作用下通过，向前移动的养殖工船船艏进水口移入船体内部并在节流门百叶的引导下垂直流过金属拦鱼网进入养殖舱内，为所养殖的鱼类提供充足的溶氧，同时不断将低溶氧的养殖废水按照计算机所分配的不同流量通过船艉不同部位百叶式排水口及螺旋桨推进器排出，在满足换水需要的前提下最大限度的减少船艉涡流阻力，增加推进效率。（见图六）

2 当存在一定流速的洋流且洋流流速稳定在养殖鱼类适宜流速范围内，能够满足养殖舱内鱼类对溶氧的需求时，可将船舶面向洋流抛锚停泊，此时将养殖舱前后的海水节流门百叶按与水流方向成45º角打开，新鲜海水在洋流的作用下通过船艏进水口均匀流入养殖舱内，为所养殖的鱼类提供充足的溶氧，同时不断将低溶氧的养殖废水通过排水口排出。类似于浮动式桁架养殖工船悬挂的网箱在洋流中的开放工作模式或放置在河流中的养殖水槽使其横截面迎着水流方向的流水养鱼模式，但自身不消耗能源（见图七）

3 如果存在较高流速的洋流且洋流流速超出养殖鱼类适宜流速范围内时可将船舶面向洋流抛锚停泊，适当开启养殖舱进水口的海水节流门，使较高流速的洋流一部分新鲜海水通过船艏进水口均匀流入养殖舱内，多余的部分绕过船艏流走，既为所养殖的鱼类提供充足了的溶氧，排除了低溶氧的养殖废水，又使得养殖舱内的水流速度不超过鱼类适宜范围，从而不影响鱼类的正常生长。（见图八）

4 特殊情况需要临时停泊，静止的养殖舱内外水体交换量不足时可打开养殖舱进水口海水节流门，关闭排水口海水节流门，根据需要使用螺旋桨推进器抽入新鲜海水，排出养殖废水，由于不存在扬程压差，可以实现养殖舱内部水体低功率大排量交换（见图九）

5 当养殖工船转场或躲避台风等自然灾害需要快速航行时，由于船艏迎水速度很快，进水节流门百叶需要在计算机的控制下大幅减少开启程度，同时适当开启不同部位的排水节流门百叶以保证养殖舱内的水流速度既不超过鱼类的适宜范围，又要尽可能减少船尾部涡流对船高速航行的影响，也避免了高速航行对鱼群的惊扰（见图10）

6当遭遇强风暴需要大功率顶风行驶时，在满足养殖舱内溶氧的需要的同时尽可能减少进水节流门的开启程度，同时关闭排水节流门，在螺旋桨推进器推动船舶前行的同时兼具抽入新鲜海水，排出养殖废水的功能，以避免养殖舱水面高度因海浪的起伏作用而大起大落（见图十一）

7特殊情况下需要对鱼类进行鱼病防治时还可以将养殖工船前后的海水节流门暂时关闭，阻断养殖舱与外部的水体交换，方便于在养殖仓内泼洒药物对鱼体疾病进行消毒治疗，（见图十二）

该养殖工船结构与船载舱养的养殖工船相比简单 节能，可以由全钢材料制作，因此坚固耐用，由于养殖鱼类在养殖舱内饲养，与开放式网箱养殖相比，大大减少了因为网具破损而产生的养殖鱼类逃逸以及由于急流、巨浪的冲击造成的养殖鱼类大量死亡等现象，使养殖鱼类始终生活在一个稳定、安全的养殖环境内，对鱼类的生长十分有利。

当船舶以中高速行驶时，可以通过计算机适度减少各个海水节流门百叶开启程度时，此时流过船体内部的海水速度相对外部可以大大减少并保持恒定，船体内部养殖舱设置的金属拦鱼网衣所受到的海水阻力也趋于恒定，船体在去除内部恒定的阻力后其外部所受到的海水阻力与正常的中低速船舶类似，因此可以具备较快的航速来躲避台风、赤潮及各种突发的自然灾害。

根据该养殖工船的特点可以方便的制成具有较强抗风浪能力的大型游弋式养殖工船，其大面积的养殖舱上部可以做成露天开放形式，面积大、池水透明高及养殖鱼类的高密度等特点使其在平时及喂鱼时都具有很强的观赏性，还方便垂钓，有利于发展休闲渔业，既是养殖船又可以对外开放兼做休闲渔业观光平台，既扩大了收入来源又满足了部分民众对旅游及休闲观光的需要。