The theoretical study on suitable spacing between of light purse seine vessels for chub mackerel (Scomber japonicus)
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摘要:
使用点光源海面照度计算方法，对一组鲐鱼(Scomber japonicus)灯光围网渔船(主灯船、副灯船、网船的集鱼灯总功率分别为180 kW、120 kW和40 kW)的有效光诱距离和合适作业间距进行计算。结果表明，适宜照度为0.01 lx时围网渔船的有效光诱距离为872.0 m，主灯船与副灯船之间的最小作业距离为1 650.4 m，副灯船与网船之间的最小作业距离为1 585.7 m，主灯船与网船之间的最小作业距离为1 669.7 m，2个灯光围网渔船船组间的合适作业距离为1 744.0 m；适宜照度为14.00 lx时围网渔船的有效光诱距离为138.3 m，主灯船与副灯船之间的最小作业距离为262.9 m，副灯船与网船之间的最小作业距离为249.4 m，主灯船与网船之间的最小作业距离为263.1 m，2个灯光围网渔船船组间的合适作业距离为276.6 m。
Abstract:Based on point source model of illumination on sea surface, we calculated the effective light distance and analyzed the optimal distance between light vessels in a chub mackerel purse seine fishing group, in which the total power of main light vessel, secondary light vessel, net vessel were respectively about 180 kW, 120 kW and 40 kW. The results show that when appropriate illumination being 0.01 lx, effective light distance is 872.0 m, minimum operating distance is 1 650.4 m between main light vessel and secondary vessel, 1 585.7 m between secondary light vessel and net vessel, and 1 669.7 m between main light vessel and net vessel. Optimal distance between two groups of purse seine vessels is 1 744.0 m. When appropriate illumination being 14.00 lx, effective light distance is 138.3 m, minimum operating distance is 262.9 m between main light vessel and secondary vessel, 249.4 m between secondary light vessel and net vessel, and 263.1 m between main light vessel and net vessel. Optimal distance between two groups of purse seine vessels is 276.6 m.
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灯光罩网是南海外海渔业发展的重点。罩网网口纲的沉降性能，如沉降速度、最大沉降深度等是决定罩网捕捞性能的主要因素之一。近年来，学者们已对灯光罩网沉降性能进行了研究[1-2]，晏磊等[1]建立了罩网网口最大沉降深度与放网时间、绞收时间等操作因素，海流、风等环境因子间相互关系的模型，发现放网时间、风力、绞纲时间、海流速度和风流向夹角对最大沉降深度有显著影响。实际上，网具沉降性能除受到操作因素、渔场环境因子的影响外，还与其网具自身结构和配置，包括网衣材料、网型结构、沉力配重等[3]有着直接关系。其中沉力配重一直是渔具沉降性能研究的重点。围网[3-13]沉降性能的研究与罩网相比更加成熟，诸多学者均对不同下纲质量下围网沉降性能[10-13]进行过研究，但罩网不同配重对沉降性能影响的研究却未见报道。
基于海上实测数据的罩网沉降性能的研究有利于确定不同作业条件下影响罩网沉降性能的主要因子，该研究于2015年3月于南海南沙海域进行了罩网沉降性能对比试验，分析影响罩网沉降性能的各种因素，确定影响罩网沉降性能的主要因子及其水平，以期为实际作业提供参考。
1. 材料与方法
1.1 试验概况
试验船为广东电白县博贺渔港的“粤电渔42212”灯光罩网渔船，钢质，船长44.42 m，型宽7.80 m，型深4.30 m，设计排水量816.9 t，4根撑杆长度都为40 m。渔船主机2台，总功率318 kW，发电机4台，总容量720 kW；渔船配500盏金属卤化物集鱼灯(×1 kW)；船员11人。试验时间2015年3月9日~3月21日，试验海域11°15′N~11°44′N、114°28′E~114°38′E。
1.2 试验网具
试验罩网是在南海渔民常用网型基础上优化改进而来，网具主尺度为303.00 m×87.66 m，即结附网衣的网口纲(沉子纲)长度303.00 m，网衣纵向拉直高度87.66 m(图 1)。试验罩网整体呈锥形，采用多段圆周递减的直筒型网衣缝合而成；网身分为5段，材料为PA(白胶丝)，网囊也分为5段，材料为PE；罩网网身最大网目尺寸35 mm，网囊最小网目尺寸20 mm。网具网口纲均匀装配1.25 kg的沉铅1 212个，合计1 515 kg。
1.3 试验方法
试验中所需安装的沉铅与网具网口纲原有沉铅同一规格，每个1.25 kg，沉铅分别装配到网口的4个网角沉纲处(图 2)。试验中考虑到过大的配重不利于网具绞收，故将额外增加的最大配重设计为300 kg，且额外配重由小到大分别为0 kg、100 kg、200 kg与300 kg，故试验中网口纲配重分别为1 515 kg、1 615 kg、1 715 kg和1 815 kg共4个水平。每个水平获得的有效数据网次分别为20网、21网、23网和20网，共84网次。
1.4 测量仪器与方法
测量仪器为日本FUSION公司生产的SDKN-500型网位仪，尺寸ϕ60 mm×270 mm，质量3 kg。分为母机和子机，母机带有SD数据卡，可自动记录和存储数据；测距方式为相互应答式，测量参数包括距离、深度、温度。其中距离测量范围为0~500 m、精度为1 cm，深度测量范围为0~600 m、精度1%，温度测量范围为-5~30 ℃、精度±0.1 ℃。测量时间间隔为1 s。
因为罩网网具撑开后，网口纲近似呈矩形，为避免船底对测试声波的干扰，试验期间将SDKN-500型网位仪的母机和子机分别捆绑在渔船左舷前后网角沉纲上进行海上实时数据的测量(图 2)。
利用SDKN-500型网位仪记录罩网入水后网口深度随时间的变化数据，利用渔船上的多功能卫星导航仪记录罩网放网时的经纬度，利用风速计记录风速，利用罗盘判断大致风向，同时记录罩网放网时间、绞收时间等操作数据。
1.5 数据处理
1.5.1 影响网口最大沉降深度的因子
利用多元线性回归模型来分析网口最大沉降深度D与各变量因子(配重W、放网时间Ts、绞收时间Th、漂移速度Sd、风速Sw、风向与漂移方向的夹角α)之间的关系。其中，放网时间为放网开始至开始绞收的时间；绞收时间为开始绞收至绞收结束的时间；漂移速度由相邻2次作业的下网经纬度、下网时间计算得出；漂移方向由相邻两次作业的下网经纬度得出。然后对该模型进行逐步回归分析，对影响网口最大沉降深度的变量因子进一步遴选，以AIC信息统计量为准则，AIC相对较小的模型为最适合的模型，以此达到删除和增加变量的目的[14]，根据AIC确定对网具最大沉降深度影响最为显著的因子，得到最优回归方程。
多元线性回归模型的表达式为:
$$ Y=\beta_0+\beta_1 X_1+\cdots+\beta_p X_p+\varepsilon $$ (1) 其中ε~N(0，σ2)，β0，β1，βp和σ2是未知参数，X，…，Xp为变量因子，p≥2。
利用学生化残差的Q-Q图结合异常值检测(Outlier test)，判断模型数据集中是否存在离群点[15]，离群点若是由于放网、绞收时机器故障造成，则应删除。
模型变量因子间多重共线性的问题与统计假设没有直接关联，却对于解释回归结果非常重要[15]。对于p(>2)个自变量，如果存在常数c0，c1，…，cp，使得公式(2)成立，则表示p个变量存在多重共线性。
$$ \mathrm{c}_1 X_1+c_2 X_2+\cdots+\mathrm{c}_p X_p=C_0 $$ (2) 度量多重共线性严重程度的一个重要指标是矩阵XTX的条件数，即公式(3)。条件数刻画了XTX特征值的大小，一般情况下κ＜100，则认为多重共线性的程度很小；若100≤κ≤1 000，则认为存在中等程度或较强的多重共线性，若κ>1 000，则认为存在严重的多重共线性。
$$ \begin{aligned} & \quad\quad\quad K\left(X^T X\right)=\left\|X^T X\right\| \cdot\left\|\left(X^T X\right)^{-1}\right\|= \\ & \frac{\lambda_{\max }\left(X^T X\right)}{\lambda_{\min }\left(X^T X\right)} \end{aligned} $$ (3) 其中λmax(XTX)，λmin(XTX)分别表示矩阵XTX的最大、最小特征值[14]。
1.5.2 模型的预测能力
根据多元线性回归模型的表达式得出网口最大沉降深度的预测值，使用Shapiro-Wilk检验判断网口最大深度的观测值与模型预测值是否符合正态分布；在2组数据不满足正态分布的前提下，应采用非参数检验的方法——Wilcoxon秩和检验[15]，若2组数据间无显著性差异，则说明模型的预测效果较为理想。
1.5.3 自变量的相对重要性
它反映的是排除其他变量的影响后，自变量与因变量之间的相关程度，没有单位，故偏相关系数的绝对值大小也常用于表示各变量的相对重要性，取值在-1和+1之间。当自变量超过2个时，建议采用偏相关系数来判断自变量的相对重要性[16]。偏相关系数计算公式如下[17]：
$$ \gamma_{i j}=\frac{C_{i j}^{\prime}}{\sqrt{C_{i i}^{\prime} C_{i j}^{\prime}}} $$ (4) 其中γij为偏相关系数；Cij′为各变量相关系数矩阵的逆矩阵中的第i行、第j列的元素。
1.5.4 不同配重下的最大沉降深度与沉降速度
利用箱型图进行异常值检测，由SDKN-500型网位仪读出网口最大沉降深度及沉降时间，两者相除得到沉降速度。利用单因素方差分析研究试验罩网4组配重下的网口最大沉降深度、沉降速度的差异性。
以上数据分析的方法均通过R软件(Version 3.0.0)进行。
2. 结果
2.1 影响网口最大沉降深度的因子
以网口最大沉降深度D为因变量，配重W、放网时间Ts、绞收时间Th、漂移速度Sd、风速Sw、风向与漂移方向的夹角α等6个因素为自变量，建立多元回归模型。多元回归分析中各因素统计结果见表 1。模型结果表明，配重W、放网时间Ts、绞收时间Th、漂移速度Sd、风速Sw均对网口最大沉降深度D产生了显著的影响(P＜0.05)，而风向与漂移方向的夹角α对网口最大沉降深度D的影响不显著(P=0.808 6＞0.05)。为提高回归模型的预测精度，得到更优的回归模型，以AIC信息统计量为准则，运用逐步回归法剔除影响程度较小的变量α。模型结果见表 2，剩余5个变量的影响均显著，且模型残差的标准差(residual standard error)有所下降(4.362减至4.336)，相关系数的平方(R2)有所上升(0.809 6升至0.811 9)，说明逐步回归后的模型更为合理。
表 1 多元回归分析中各因素统计表Table 1. Various factors in multivariate regression analysis最小值
minimum value最大值
maximum value平均值
average value标准差
standard deviation网口最大深度/m maximum depth 66.17 106.85 85.05±2.14 9.99 放网时间/s shooting duration 71 206 120.24±4.51 21.10 绞收时间/s hauling duration 299 550 419.60±12.60 58.91 漂移速度/m·s-1drift speed 0.023 0.323 0.164±0.015 0.068 风速/ m·s-1 wind speed 6.7 10.9 8.5±0.28 1.33 风向与漂移方向夹角/° angle between the direction of wind and drift 1.92 216.98 39.61±7.27 33.99 表 2 逐步回归计算的统计结果Table 2. Statistical results calculated by stepwise regression因子
item估计值
estimated valuet P AIC P residual standard error R2 截距intercept -90.435 94 -5.448 5.74e-07* 252.22 ＜2.2e-16 4.336 0.811 9 配重W 0.072 40 9.062 8.17e-14* 放网时间Ts 0.135 03 5.361 8.18e-07* 绞收时间Th 0.065 94 7.695 3.66e-11* 漂移速度Sd -18.963 78 -2.650 0.009 75* 风速Sw 1.660 43 2.603 0.011 07* 注：*. 显著相关(P＜0.05)
Note：*. significant correlation (P＜0.05)利用学生化残差的Q-Q图(图 3)结合异常值检测来判断模型数据集中是否存在离群点。由图可见，所有的点均落在95%置信区间带内，且异常值检测所得Bonferonnip为0.703 36>0.05，说明模型数据没有离群点。
由变量因子生成的相关矩阵XTX的条件数表明，配重W等5个变量因子之间不存在多重共线性(κ=14.984＜100)。综上，认为该模型为预测网口最大沉降深度的最优模型。
2.2 模型的预测能力
利用多元回归分析得到的网口最大沉降深度D与配重W、放网时间Ts、绞收时间Th、漂移速度Sd、风速Sw之间的回归方程为：
$$ \begin{aligned} & \;\;\;\;\;\;D=0.072\;4W+0.135 T_s+0.065\;9T_h-18.964 S_d \\ &+1.660 S_w-90.436 \end{aligned} $$ (5) 由回归方程可知，网口最大沉降深度D与配重W、放网时间Ts、绞收时间Th及风速Sw呈正相关，与漂移速度Sd呈负相关。利用模型回归方程所得预测值与观测值之间的走势大体一致(图 4)。对2组数据分别进行Shapiro-Wilk检验来判断数据是否符合正态分布，发现观测值(W=0.975，P=0.101 8)符合正态分布，而预测值(W=0.957 4，P=0.007 232)不符合正态分布。在此情况下，对2组数据进行Wilcoxon秩和检验，发现2组数据间无显著性差异(P= 0.872 7)，说明模型的预测效果较为理想。
2.3 自变量的相对重要性
计算上述模型中因变量与各自变量间的偏相关系数见表 3。偏相关系数的绝对值由大到小分别对应的变量因子为配重W、绞收时间Th、放网时间Ts、漂移速度Sd及风速Sw。
表 3 因变量与自变量的偏相关系数Table 3. Partial correlation coefficient of dependent variable and independent variable配重W
weight放网时间Ts
shooting duration绞收时间Th
hauling duration漂移速度Sd
drift speed风速Sw
wind speed最大沉降深度D maximum depth 0.716 0.519 0.657 -0.287 0.283 由表 3可知，配重与网口最大沉降深度之间的偏相关系数的绝对值最大(0.716)，放网时间与网口最大沉降深度也呈正相关，但其影响的相对重要性(偏相关系数的绝对值为0.519)要弱于配重，且通过延长放网时间的方式来增加沉降深度时会产生一定的负面影响，罩网在沉降至最大深度时网口仍未完全闭合，放网时间变长时，网口绞收闭合的过程就会相对滞后，对网口闭合不利，而网口快速闭合对防止鱼群逃逸至关重要。故认为增加配重是比延长放网时间更加实用有效的增大网口沉降深度的方法。
2.4 不同配重下的最大沉降深度与沉降速度
通过箱型图对不同配重下网口最大沉降深度与沉降速度的数据进行异常值检测，发现数据并无异常值(图 5)。4个配重下最大沉降深度与沉降速度的平均值见表 4。最大沉降深度与沉降速度的平均值均随配重的增加而增大。图 5-a中1 715 kg配重组网口最大沉降深度的中位数要小于1 615 kg配重组，这可能与1 715 kg配重组放网时间(平均117 s)要小于1 615 kg配重组(平均121 s)有关。对4个配重水平的最大沉降深度进行单因素方差分析，发现不同配重下网口最大沉降深度存在显著性差异(P=2.39e-13＜0.05)；对4个配重水平的沉降速度进行单因素方差分析，发现不同配重下沉降速度存在显著性差异(P=3.69e-06＜0.05)。
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图 5 不同配重下最大沉降深度和沉降速度的箱型图Figure 5. Box-plots of the maximum depths and sinking speed for different weights表 4 试验罩网不同配重试验测试结果Table 4. Basic results of experiment配重/kg
weight网次
net沉降深度平均值/m
average sinking depth沉降速度平均值/m·s-1
average sinking speed1 515 20 77.5 0.303 1 615 21 81.5 0.318 1 715 23 83.7 0.342 1 815 20 97.9 0.349 3. 讨论
3.1 影响网口最大沉降深度的因子
由模型可得，网口最大沉降深度与配重、放网时间、绞收时间及风速呈正相关，晏磊等[1]在研究罩网沉降性能时发现网具最大沉降深度与放网时间、风力、绞纲时间成正比，与该研究的结果相一致。在影响网口最大沉降深度的所有因子中，配重相对最为重要，这可能与配重的增加会对沉降速度产生显著影响有关。放网时间内，网口纲对网口基本无拉力作用，网具在海水中近似于自由沉降状态。之后，绞收网口纲在网口上产生了垂直方向阻碍沉降的分力[2]。因此，放网时间的延长有利于网具的沉降。罩网起网过程中，每次作业间绞收网口纲的速度变化不大，故绞收时间可在一定程度上反映罩网最大沉降深度的大小，与其成正比。风速与网口最大沉降深度呈正相关，但两者之间的偏相关系数的绝对值最小，仅为0.283，说明当排除其他因素的影响时，风速与网口最大沉降深度的相关程度最小。这可能是因为风对较深层海流影响较小，网具沉降至一定深度后风的影响会显著下降。漂移速度反映海流流速的大小，海流流速变大时网衣所受的水动力变大，竖直方向上阻碍沉降的水阻力便会随之变大，对沉降产生不利影响。
3.2 不同配重下的最大沉降深度与沉降速度
配重增加有利于罩网沉降性能的提升。诸多学者在不同下纲质量下围网沉降性能[10-12]的研究中发现网具平均沉降速度均随下纲质量增加而递增，这与该研究的结果一致。
配重不断增加是否会持续提升罩网的沉降深度和速度是一个值得关注的问题。李灵智等[12]在围网不同质量的下纲沉降速度的研究中提出围网下纲沉降速度不会随配重的增加而持续增大，也不会出现下纲质量超过临界值后下纲平均沉降速度随下纲质量的增加而递减[18-19]的情况，认为当网衣沉降阻力占下纲重力比例非常小甚至可以忽略时，围网下纲平均沉降速度达到最大值，此后下纲平均沉降速度不再随着下纲质量增加而递增，而是趋于一个定值，这个定值即极限平均沉降速度。这一结论可为不同配重下罩网沉降性能的研究提供参考。
4个配重组下网口沉降速度分别为0.303 m ·s-1、0.318 m · s-1、0.342 m · s-1和0.349 m · s-1，随着配重的增加，沉降速度的增长率分别为4.95%、7.55%、2.05%，沉降速度的增长率呈现出先变大后变小的规律。结果初步显示出配重增加到一定程度后，沉降速度的增加会趋于变缓[13]，但这一结论需要在今后的研究中通过继续增加配重来进行更好的验证。
3.3 最优配重
试验中，网口最大沉降深度与沉降速度均随配重的增加而增大。1 715 kg与1 815 kg配重组沉降速度相差不大且明显高于前2个配重组，故认为最优配重应在1 715 kg与1 815 kg之间选择。对1 715 kg与1 815 kg配重下网具的沉降性能进行比较，两者最大沉降深度依次为83.7 m、97.9 m，沉降速度依次为0.342 m · s-1、0.349 m · s-1。沉降速度差异很小而最大沉降深度差异较大可能是由于1 815 kg配重组放网时间(平均135 s)长于1 715 kg配重组(平均117 s)造成的；两者沉降速度的平均值差异很小，为0.007 m · s-1，且1 715 kg配重组的沉降速度的中位数(0.337 m ·s-1)要小于1 815 kg配重组(0.347 m · s-1)，但差距不大，仅为0.010 m · s-1(图 5-b)。此外，较大的沉降速度的最大值出现在1 715 kg配重组。综上，1 815 kg配重组沉降性能与1 715 kg相比并没有明显的优势。考虑到配重较小时网具的绞收会更便利更节能，特别是能提高不良海况下的作业安全性，故认为1 715 kg为4个配重组中的最优配重。
该研究基于4组配重对罩网沉降性能进行研究，为更细致的分析配重对罩网沉降性能的影响，今后的研究中不同配重的选择可跨度更大且相邻之间差距更小。此外，还可构建不同的模型，如GAM模型[20]等分析网口最大沉降深度的影响因素。
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图 2 灯光围网渔船合适作业间距示意图
Figure 2. Available distance between two light purse seine vessels
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图 4 2组灯光围网渔船的合适照度间距示意图
Figure 4. Available distance between one group light purse-seine vessels and another
表 1 灯光围网渔船船基本参数
Table 1 Basic parameters of light purse seine vessels
船名vessel name 总吨/t tonnage 总长/m length 主机功率/kW main engine power 副机功率/kW secondary engine power 水上灯个数number of lights 灯高/m height of lights 网船-苏渔812 net vessel 210 42.65 600 292.9 20 8.8 副灯船-苏渔310 secondary light vessel 100 27.50 520 277.5 60 4.8 主灯船-苏渔324 main light vessel 100 27.60 520 277.5 90 4.8 
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表 2 不同照度下围网船的有效光诱距离
Table 2 Effective distance of inducing light under different illumination on sea surface
照度/lx illumination (E) 0.01 0.05 0.10 0.50 1.00 5.00 10.00 14.00 距离/mdistance (Ly) 872.0 581.8 488.6 324.1 271.7 180.2 150.8 138.3
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表 3 不同照度下围网船组内部各船间灯光互不干扰的最小距离
Table 3 Non-interference minimum distance between the seiners within ship group under different illumination
照度/lx illumination (E) 距离/m distance (L1) 距离/m distance (L2) 距离/m distance (L3) 0.01 1 650.4 1 585.7 1 669.7 0.05 1 101.0 1 056.5 1 112.7 0.10 924.5 886.6 933.9 0.50 615.5 589.0 620.7 1.00 516.2 493.4 520.0 5.00 342.5 326.1 343.8 10.00 286.8 272.3 287.3 14.00 262.9 249.4 263.1
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表 4 不同照度下2船组间主灯船的合适作业距离
Table 4 Appropriate operating distance between two main lightships under different illumination
照度/lx Illumination (E) 0.01 0.05 0.10 0.50 1.00 5.00 10.00 14.00 距离/m distance (Ls) 1 744.0 1 163.6 977.2 648.2 543.4 360.4 301.6 276.6
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