海洋网箱养殖业的兴起
20世纪70年代末，因过度捕捞近海渔业资源严重衰退，因此我国渔业发展战略调整为以养为主，大力推进海水养殖业发展，并成长为世界最大的水产养殖国家。
年，我国海水养殖年度总产量首次超过海洋捕捞年度总产量，占海水水产品年度总产量的50%以上。网箱养殖是我国主要海水养殖方式之一（海水养殖包含工厂化循环水养殖、网箱养殖和围网养殖），据《中国渔业统计年鉴》统计，截至年底，全国海水养殖面积为.万公顷，其中，普通网箱养殖面积.20公顷，深水网箱.46万立方米；全国海水养殖总产量为.70万吨，其中，海水网箱养殖产量为70.23万吨，占全国海水养殖产量的3.51%。海水网箱养殖已形成一定的规模，并逐步成为我国海水养殖的主体[1]。
传统网箱养殖存在的问题
长期以来我国海水网箱主要使用的是内湾浮排式竹、木结构网箱（普通木制网框）、近海用普通的重力式网箱等传统近岸网箱（指放置在沿海近岸、内湾或岛屿附近，水深不超过15m的中小型网箱）。然而，随着传统网箱养殖使用量越来越大，暴露出的问题也日益明显，其主要问题如下：
近海水域养殖密集
目前近海养殖可以按照0-15米水深、15-40米水深和40米以上水深进行划分，0-15米水域的养殖密度已经趋近饱和，考虑到养殖病害和对海洋环境的影响已经不适合再开发利用，而相比之下15米-40米水域的利用率还很低，40米以上水深有丰富的养殖资源可供开发利用。
病害问题严重
因高度集约式养殖方式，出现的鱼类疾病对养殖鱼群的影响更加明显，高传染率和死亡率对于网箱养鱼有着严重的威胁。
海洋生态环境污染
一方面，网箱养殖向周围海域排放溶解无机氨磷与悬浮颗粒有机物等废物，加剧了海水富营养化，减弱养殖生物对于赤潮和病害的抵抗能力[2]。养殖时有20%-30%的饵料不能被鱼类利用，以及养殖生物的粪便排放，使大量氮磷进入水体，引发水体及底质富营养化、藻类水华暴发。另一方面，因风浪和海流对养殖环境影响大，海水网箱多在近岸或内湾，而近岸自净能力较弱，对环境的负面影响容易更集聚，改变原有的生态环境。
网箱容积小、抗风浪能力差、使用周期短
目前养殖网箱对于流速的变化十分敏感，当处于高流速的海域时，网衣的漂移变形十分明显，随之造成将养殖容积减少和养殖鱼类擦伤，使得养殖死亡率增加。我国沿海常受到台风影响，传统网箱无法抵抗台风袭击，极易造成较大损失。
海洋网箱养殖业发展趋势
随着我国近海海水养殖业逐渐超过生态环境的承载，近海养殖区水质开始不断恶化，生态环境破坏及水产品疾害频发，威胁着海水水产养殖业的可持续发展。而深远海海域水质好，水交换率高，污染物扩散快，对环境的影响更小，利于近海生态环境恢复和保护，因此发展深远海水养殖是我国海水养殖业的必然发展趋势，深海网箱养殖成为我国渔业转方向调结构的重要方式。我国深远海水产养殖空间巨大，在现有条件的基础下，大力发展深海网箱养殖，可以使优质鱼类产量达万吨，相当于全世界渔业资源的10%以上，如果深海养殖网箱技术足够成熟，可以在同等面积的情况下，在现有产量的基础上翻一倍[3]。
党的十八大确立了海洋强国战略和全国海洋经济发展规划，海洋经济、生态等一系列产业建设获得了推进。年国务院出台了《关于促进海洋持续健康发展的若干意见》，主要提出坚持资源利用和环境保护相结合，坚持转变发展方式和创新体制机制相结合，提高深海养殖设施装备的水平和组织化程度。年5月，国务院出台了《中国制造》，其中指出，要大力发展深海资源的探测、开发及其相关设备。
各地政府也相继出台众多利好离岸深远水养殖的政策，山东、广东、海南等省份根据国务院相关政策和指导精神，针对深海养殖业发展，已推出了相应政策法规和发展规划。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和年远景目标纲要》专门有一章提出培育壮大海洋工程装备、海洋生物医药产业，推进海水淡化和海洋能规模化利用，提高海洋文化旅游开发水平，优化近海绿色养殖布局，建设海洋牧场，发展可持续远洋渔业。建设一批高质量海洋经济发展示范区和特色化海洋产业集群，全面提高北部、东部、南部三大海洋经济圈发展水平，以沿海经济带为支撑，深化与周边国家涉海合作。从国家推出的一系列政策中也可以看出，未来的深海养殖装备向深海化、大型化发展是大势所趋。
深海网箱的发展情况
深海网箱，即离岸网箱，是指设置在相对较深海域（相对近岸网箱而言，通常海区深度大于20m），养殖容量较大，具有较强的抗风浪性、流性能的养殖网箱。与普通网箱相比，深水网箱采用了新材料、新技术与新装备，极大提高了抗风浪性能与产业水平[4]。
国外深海网箱的发展情况
近几十年，挪威作为海洋网箱养殖最成功的代表之一，其大型深海网箱养殖发展迅猛，取得了显著的经济和环境效益。挪威海岸线长2.1万公里，渔场众多，渔业资源丰富，养殖及捕捞鱼的90%用于出口，10%国内消费，其海产品出口已成为挪威四大主要出口产业之一。挪威是渔业立法较早的国家，相关渔业法律制度和规范设计也较全面，也是大型网箱养殖业研发最早，发展最先进的国家之一，从年初的周长为40米的深海网箱发展到现在周长为米，米，米的多型号多尺度的网箱，并不断向其他国家出口网箱建造和深海渔业生产养殖技术。
美国开始探索深海养殖至今已有二十多年历史，在海洋网箱养殖中使用了大量的蝶形、拟蝶形、球型等刚性网箱。此外日本，希腊，丹麦，智利，爱尔兰，英国，印度等国也在积极发展深海网箱养殖，深水网箱养殖产业和技术发展迅猛。现目前，国外典型深海网箱有挪威AKVA公司HDPE圆形网箱、日本的浮绳式网箱和美国的碟形网箱。
国内深海网箱的发展情况
与美国、挪威、丹麦等发达国家相比，中国海水养殖起步晚也落后。二十世纪七十年代中国开始发展海水养殖业，主要以近岸浅水养殖网箱为主，网箱结构形式简单，安全性能差，抗风浪性能差。至年海南省振东方公司从挪威瑞发（Refa）公司引进了一套深水网箱，深海网箱的研究和设计才得到重视和发展。到年，中国才启动深水网箱装备技术自主研发科技攻关计划，在引进挪威、美国、日本等国深水网箱装备的基础上进行吸收、消化和再创新，于年创制出我国第一套全国产化具有自主知识产权的高密度聚乙烯（HDPE）双浮管升降式深水网箱。
但我国应用的网箱依然存在很多问题，未能满足大尺度多型号并适应于各地特殊海况的需求。与挪威等国周长米的大型深海抗风浪网箱相比，应用于我国的网箱体积更小，可供养殖的空间更少；同时我国网箱系统的研发、设计和管理能力较弱，从国外进口的网箱，布置安装在我国的东南沿海之后，由于设计海况环境的不同，地形地貌各异，破坏现象时有发生[5]。
深海网箱的研究热点与难点
现目前，国内外深海网箱研究主要集中在以下方面[4]：
网箱容积大型化
国外先进的深海网箱养殖系统，依靠现代化科技，正朝大型化、规模化发展。挪威的HDPE圆形网箱最大容积为m3，最大网箱周长为80～m，深度为20m，单个网箱产量为0t。网箱尺寸以及养殖规模增大，有利于提高养殖企业的经济效益。
抗台风、海浪能力
挪威的HDPE圆形网箱能承受5m高的海浪冲击和12级的风力。美国的碟形网箱，抗流能力强，在流速为2～3kN的冲击下，箱体也不发生变型。以色列的柔性网箱能承受15m的高台风与海浪冲击，被用于水深60m的深海养殖。
高新科技、高新材料的发展与应用
金属网衣材质的铜合金以及锌铝合金网箱，具有抗菌、耐腐蚀性能，能有效防止网衣附着物的生长。使用防污涂料以及防污损技术，可以延长网箱的使用寿命。
网箱水动力特性与数值模拟研究
如水流作用下网衣的流固耦合计算，研究金属网衣多孔小直径网状结构的水动力响应特性；以及在波流逆向和波流同向作用下，重力式网箱的受力、运动和网衣变形进行了数值模拟研究。
对于我国来讲，深海网箱技术还存在以下难点[6]：
网箱装备结构尚未定型
网箱装备的结构定型对产业发展具有重要意义，因为相关的配套设施均需要围绕网箱型式进行研发。国外已基本形成了特有的几种网箱类型。我国推广的网箱主要是挪威的HDPE网箱和日本的浮绳式网箱，约占深水网箱总数量的90以上。然而，这两类网箱均属于重力式网箱，并没有很好的适应我国的海域特点，我国在自己的网箱装备结构尚待定型。
网箱抗风浪、抗流性能及结构安全研究理论有差距
从国外引进网箱在没有得到充分理论和试验论证的前提下就大范围推广，缺少研究基础，试验技术和科学理论都比较匮乏。虽然近几年我国在网箱的抗风浪和抗流性能研究方面取得了长足进步，目前已基本突破各类网箱结构的模型试验技术，但在其它型式的网箱数值模拟理论研究方面仍比较落后。
新型专用网箱材料技术仍未突破
我国沿海多数海域浪高流急，应用最广的HDPE网箱和浮绳式网箱并不太适合我国的海况特征，新型网箱结构和网箱材料尚待研发。我国钢质网箱用钢材的防腐蚀技术常采用喷铝或喷锌结合环氧漆涂抹技术，防腐性能有限。
配套设施与技术研究落后
网箱装备的发展在很大程度上依赖于配套设施的强力支持，如投饵机、网衣清洗机、换网机械、鱼类起捕装置等需要围绕网箱型式进行研发，否则网箱装备无法推广应用。国内受产业基础的限制，已有的网箱制造公司并没有过多的涉及配套设施产品的研发，也未能找到合适的配套设施合作企业。
附海洋养殖网箱的种类
目前全世界的深海网箱结构和形式复杂多样，主要有重力式网箱、金属双重网箱、碟形网箱、张力腿网箱、半潜式养殖平台、浮柱型升降网箱、塔式深水网箱、方形组合网箱、浮绳式网箱、全潜式网箱等[7]。从网箱的外观形式来看，有矩形、方形、碟形、球形和圆柱形等。从结构形式来看，主要有柔性网箱和刚性网箱[8]。从工作水层来看，主要有浮式网箱、沉式网箱和升降式网箱[9]。
年强台风袭击海南，使当地深水网箱养殖业遭到毁灭性打击，损失惨重。其中约70%的受灾深水网箱因被台风破坏锚泊系统而被吹走，约30%的受灾深水网箱被风浪损毁或击沉。因此在海洋网箱技术研究过程中抗风浪性是研究的重要课题之一。根据网箱抗浪分为被动抗浪和主动抗浪。被动抗浪是指在台风大浪等恶劣海况时，网箱利用自身框架的结构强度和锚系结构抵抗风浪的一种方式。主动抗浪是一定程度内的风浪，网箱依靠自身结构强度和海底锚系结构抵御风浪并正常作业；如风浪超过一定程度时，网箱则下潜到水下一定深度躲避风浪，减小风浪对网箱的影响，保证网箱的安全[10]。
被动抗浪柔性结构网箱—HDPE重力式全浮网箱
柔性结构网箱中，以挪威制造的重力式全浮网箱最为著名，其主框架由高密度聚乙烯（HDPE）材料制成，网衣材料选择无结尼龙网衣和聚乙烯网衣[11]，具有一定的抗风浪能力。这种网箱抗风能力最大10级，适用于水深15m左右、流速小于1m/s、水质较好海浪最高在5m左右的半开放海区。优点是比较便于日常管理和维护，是目前世界上最普遍使用的一种深海养殖设备；缺点是容量有限、强度差和抗风浪能力低等，阻碍其向大型化及深海方向发展。
被动抗浪刚性结构网箱—日本全金属网箱
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，能依靠自重抵抗一定强度的风浪。日本全金属网箱为抗流抗风浪网箱[12]，包含金属网箱框架和锌铝合金网衣，框架大多采用特种镀锌管材焊接成三角钢架结构，有很强的力学抗击能力，网箱框架经强抗腐蚀能力的超陶喷涂技术进行镀锌管表面防腐处理，在高腐蚀的海水环境中十几年不易生锈。网衣经特殊电镀工艺制造的锌铝合金制成，有很强的抗腐能力。网箱的规格主要有10m×10m和15m×15m两种，深度一般在5m-15m之间。
金属网箱具有以下优点：
养殖容量大。规格为10m×10m×8m的金属网箱仅网衣部分就重达2.5t左右，金属网箱在水流较急的海域尤其适用，网箱成型好，在流速高达1.2m/s的水域基本不变形，而现有传统的木制小网箱和HDPE塑料深水大网箱一般在流速0.4m/s的海域变型率基本在50%以上。
很强的抗风浪能力。可抗击12级以上台风和5m以上风浪，可在深海使用；
易清洗。金属网衣有较强的抗附着能力，网衣可利用机械或潜水员高压水枪清洗方式进行清洗；鱼病浸泡药物及起鱼收获等都非常容易。
布置合理，美观环保等特点。网箱养殖区可采用分散型的纵向组合排列，网箱水流交换通畅，避免水体交换差，水质污染严重等弊端。
日本金属网箱的这些优点也是目前网箱养殖业所面临的最大问题，是目前传统木制小网箱和HDPE塑料深水大网箱无法解决和比拟的优势。
缺点是金属网箱造价较为昂贵，一个10m×10m×8m的金属网箱包括框架和网衣就要高达十几万元人民币。
碟形网箱
碟形网箱是一种双锥形钢结构框架网箱。该网箱由直径1m、长16m的钢管作为中央立柱，十二边形的中间浮环由12根钢管组成，周长80m、直径25.5m，采用高分子聚乙烯网衣材料，用绳索将浮环与立柱两端拉紧后呈双锥碟形，特点是容积可保持基本不变，可在水深25m以外的开放性海域使用，可控制下潜深度大于5m，在15—20min以内潜至预定深度，抗水流能力达1.5m/s[13]。
碟形网箱的升降原理，利用中央立柱的充排空气与海水，和底部悬挂配重来实现快速升降。抗风浪能力较强，具有自动化的操作平台，由框架承受主要载荷，网衣受力和网箱体积相对稳定。并且这种网箱与风、浪、流作用方向的接触面均为倾斜面，承受的载荷远小于圆柱形网箱。缺陷在于换网和收鱼比较困难，养殖的操作过程复杂，对于技术管理要求较高；网箱结构较为复杂，相比其他类型网箱有效养殖体积小（仅为圆柱形的1/3），在我国沿海地区没有得到大面积推广使用[14]。
张力腿网箱
TLC网箱（TensionLegcage）可在完全开放性的海域使用，由挪威Refa集团公司研制。张力腿网箱由坛子形网箱、张力腿和锚固系统组成，坛子形网箱是主体，呈正六角棱柱体，网箱肩颈部由高密度聚乙烯材料的浮性圆形环管和圆柱形网衣组成，顶部有盖网；肩部是六面体圆锥形网衣。肩颈部依靠浮性圆形环管的浮力作用漂浮于海面。网身呈正六角柱体，设有软性上纲绳和下纲绳，其中：上纲绳的6个角上各系有一个塑料大浮筒，以便在水中支挂网身和固定形状；下纲绳的6个角通过悬挂在其下方的张力腿的吊举结构与下锚浮筒相连接。张力腿是6条可伸长的绳索，将网身与锚桩牵连在一起；下锚浮筒的作用是支挂张力腿绳索和固定网身下纲绳的形状[15]。
在遇到较大风浪时，依靠水流顺流偏移，从而自动下沉到水面以下，减轻波浪的冲击。此网箱造价相比普通网箱要贵，养殖经济价值较高的鱼类可收回投资。这种网箱最大优点是可设置在完全开放的海区，年时挪威Refa集团公司的Tcl网箱已经过11.7m浪高的考验[16]。海区的深度至少要25m以上时才可以使用这种网箱[17]。
半潜式养殖平台
挪威GlobalMaritimeAS公司设计，中船重工武船集团制造的“海洋渔场1号”是世界首座半潜式大型智能渔业养殖平台。凭借其自动化、智能化、大型化的优势，突破了传统近海养殖设备局限性，拓展了海上养殖经济新空间。集先进的养殖技术、绿色环保理念和顶尖的海洋工程设计于一体，直径米，总高69米，浸没深度45米，空船重量吨，整体容量超过25万m3，适用水深-米，可抗12级台风，设计使用年限25年。
主动抗浪网箱—升降式网箱
升降式网箱平时与浮式网箱一样浮于水面上，当有台风来临时，可以迅速深入水中，一般可以下沉于水面下6-8m，可抵御超过10m的海浪。这种网箱可设置在较为开放性的海域，但设备的成本造价较高，价格一般要超过浮式网箱50%。由于这种网箱平时也是浮于海面之上，日常管理与维护基本与浮式网箱相同。
网箱沉降的深度可据风浪等级及网箱所在位置水域的深度进行调整。网箱下潜的关键技术在于保证网箱下潜过程的平稳性，防止网箱倾覆。不同类型的网箱有不同的升降系统，如对张力腿式网箱，可通过收缩锚链的方式实现网箱下潜。大部分网箱通过网箱浮体进水排气来实现网箱的升降。缺点是主动升降抗浪方式受养殖水域深度等海况的限制，一般需在水深30m以上的深度，网箱下潜10m以上才能躲避12级左右的台风或5-6级大浪；水深太浅起不到作用，如20m内的海域，遇到台风大浪时，海底的浪流相当巨大，即使网箱下沉，也难以有效抵御台风大浪。
浮柱型升降式网箱
浮柱型升降式网箱由4根15m长的钢质圆柱和网箱上下底边缘8条80m长的纲丝绳张紧网衣围成圈养空间，圆柱靠锚和网衣牵引拉紧直立固定。常态下网箱静止不动，但在恶劣海况下，整个网箱通过改变圆柱的浮力，实现网箱升降，操作简单，效率高，缺点是必须依靠工作船操作，而且换网和收鱼比较困难，不适合离岸较远的深水区域使用。
塔式深水网箱
瑞典公司研制的可升降塔式深水网箱，结构分为上下两部分，水面以上为塔形钢结构，水下部分由塔底环形钢管用绳索连接到网箱底部，在箱体底部的沉管里设有平衡装置，在强流作用下网衣仍可保持一定养殖容积。该网箱采用重型三点锚泊系统，提高系泊定位性能。不足在于网箱造价贵，维护困难。
方形组合网箱
方形组合网箱由防腐蚀材料组成的箱架，每组6个，每个15×15m方型网箱。箱与箱之间走道宽分别为3m、2m、lm三种规格。固定点在一头，可以o旋转，需要10倍于网箱面积的海面，可抗浪高4.3m。日本石桥公司开发的方型、多边型网箱用富有弹性的橡胶材质制成，可用螺丝组装，不需焊接。
浮绳式网箱
浮绳式网箱由绳索、箱体、浮力及铁锚等构成，是一个柔韧性的结构，可随风浪的波动而波动，具有“以柔克刚”的作用。其次，网箱是一个六面封闭的箱体，不易被风浪淹没而使鱼逃逸。柔性框架由两根主缆绳，多根副缆绳连接成一组若干个网箱软框架，再用直径1cm的尼龙绳（或聚乙烯绳）作浮子绳，用于固定浮力，并将其固定于框架的主、副缆绳上。浮子的间距为50~l00cm，并在主缆的两端各固定一个大浮体。
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作者：山东产研先进材料研究院研发工程师李金风
山东产研院秉持“创新科技、赋能产业、造福山东”的使命，面向国际产业技术前沿，面向山东经济社会发展，面向区域创新体系建设，成立博正战略咨询研究院（博正智库），开展产业技术战略研究，致力于建设高水平产业智库，为政府科学决策提供咨询。
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