Numerical simulation of the forces and deformation of HDPE circular gravity cages
-
摘要:
该研究旨在综合探讨不同网箱周长、浮管管径、网衣高度及网目大小对整体网箱受力变形的影响，为网箱的科学合理选型提供数据参考。设定的网箱周长40~80 m，浮管管径250~630 mm，网衣高度6~20 m，网目大小45~115 mm。通过数值模拟方法对4种规格高密度聚乙烯圆形网箱在不同组合条件下网箱锚绳受力、波流力以及容积损失率进行了数值计算。结果表明，大规格网箱的锚绳受力、波流力更大，容积损失率更小，锚绳数量的增加可以大大降低锚绳受力。相比浮管管径，网衣高度和网目大小对网箱受力变形的影响更显著。整体网箱的受力变形随着网衣高度的增加而增大，随网目的增大而减小。
Abstract:The aim of this study is to comprehensively discuss the effects of cage perimeter, pipe diameter, net height as well as net mesh size on the forces and deformation of deep-water net cages in waves and current, thus provide references to select net-cages scientifically. We simulated HDPE cages with perimeter 40~80 m, pipe diameter 250~630 mm, net height 6~20 m and net mesh size 45~115 mm. With a numerical model previously validated by physical model tests, the mooring line forces, the wave-current forces and the volume reduction rate of the four kinds of HDPE cages are calculated. The simulated results indicate that the mooring line force and wave-current force are greater while the volume reduction rate is smaller for bigger cage. Moreover, the mooring line force of cage could be greatly reduced by adding mooring lines. Compared to pipe diameter, net height and net mesh size have more significant impact on the cage′s force and deformation, which increase with net height increasing, while decrease with net mesh size increasing.
-
Keywords:
- deep-water net cage /
- force and deformation /
- numerical analysis
-
鸢乌贼(Sthenoteuthis oualaniensis)隶属于柔鱼科鸢乌贼属，广泛分布在印度洋、太平洋的赤道和亚热带等海域，以印度洋西北部海域的资源量为最大[1]。前苏联和日本学者[2-3]曾多次对印度洋鸢乌贼资源进行调查，同时根据种类的发光器、形态特征、肥满度等初步分为大型、中型和小型3个群体，主要是侧重于对其资源量的研究；SNYDER[4]曾对阿拉伯海鸢乌贼大型群体进行了生物学的初步研究；杨德康[5]根据中国拖网渔船在亚丁湾海域兼捕的鸢乌贼，从捕捞时间和渔获物的性腺成熟度来分析，认为鸢乌贼由春生群、夏生群和秋生群3个群体组成；我国于2003~2005年对印度洋西北部海域鸢乌贼资源进行调查研究，对其资源密度及其分布、钓捕技术、渔场形成机制与海洋环境因子之间的关系等作了较全面的分析，对其生物学特性也作了初步分析[6-9]，但是对该海域鸢乌贼的种群及其遗传结构没有作出进一步研究。文章是根据2004~2005年2次对印度洋西北部公海海域(13°N~20°N、59°E~64°E)鸢乌贼资源调查中所采集的鸢乌贼肌肉样本，利用随机扩增多态性DNA(random amplified polymorphic DNA，RAPD)检测方法，对该海域鸢乌贼种群及其遗传结构进行研究，为其资源评估、群体数量变动分析提供最基础的资料。
1. 材料和方法
1.1 材料来源
根据2004年9~12月和2005年3~5月2次印度洋西北部公海海域鸢乌贼资源调查结果，在27个站点中共采集鸢乌贼肌肉样本200尾(表 1)，其胴长范围为20.3~53.0 cm，平均胴长为36.7 cm。肌肉样本用75%的酒精固定并保存于4℃的冰箱中备用。根据形态学特征及其空间分布，选取了12个站点48尾鸢乌贼的肌肉样本进行RAPD分析(图 1)。
表 1 印度洋西北部海域鸢乌贼肌肉样品取样时间、地点、样本尾数以及分析的样本尾数Table 1. Sampling localities, sampling dates, total numbers and the numbers used for RAPD analysis ofS.oualaniensis in the northwestern Indian Ocean取样时间
sampling date经度/°N
longitude纬度/°E
latitude尾数/ind
numberRAPD分析尾数/ind
numbers used for RAPD analysis2004-10-11 65.25 12.78 5 0 2004-10-12 63.37 13.45 5 0 2004-10-14 62.55 14.55 5 0 2004-10-15 62.35 16.38 5 4 2004-10-16 62.33 18.93 5 4 2004-10-18 63.00 18.88 5 4 2004-10-21 63.93 18.95 5 4 2004-10-22 63.48 18.47 5 0 2004-10-24 62.83 18.12 5 4 2004-10-25 61.45 17.17 5 0 2004-10-26 61.45 17.72 5 0 2004-10-27 61.50 17.78 10 0 2004-10-31 60.93 16.32 10 4 2004-11-01 60.92 15.57 10 0 2004-11-02 59.42 15.08 10 0 2004-11-06 59.67 13.17 10 4 2004-11-07 60.10 13.33 10 4 2004-11-09 60.92 14.13 10 0 2004-11-10 61.02 14.50 10 4 2004-11-12 60.72 14.42 10 4 2004-11-14 60.78 16.97 10 4 2004-11-15 60.53 16.87 10 0 2004-11-17 60.82 15.87 10 4 2004-11-20 60.45 15.40 10 0 2005-03-27 60.43 13.00 4 0 2005-03-31 60.00 15.00 5 0 2005-04-03 61.05 16.95 6 0 合计 total 200 48 ![]()
图 1 遗传多样性分析的样品采集站点Figure 1. Sampling localities of S.oualaniensis used for RAPD analysis in the northwestern Indian Ocean1.2 试验方法和数据处理
1.2.1 基因组DNA的提取和检测
取肌肉样本25~30 mg加液氮后碾碎，-70℃保存备用。采用基因组DNA纯化试剂盒(SK1252，Sangon公司生产)提取基因组DNA。用Beckman DU-650紫外分光光度计检测DNA的含量，并用1%的琼脂糖凝胶电泳检测基因组DNA的质量。检测后的基因组DNA放置于-20℃冰箱中备用。
1.2.2 PCR-RAPD扩增反应及电泳
PCR-RAPD所采用的随机引物由上海Sangon公司合成。扩增反应中体积为25 μL，其中包括10×Taq buffer 2.5 μL，dNTPs(Fermentas公司生产，25 mol·L-1)0.5 μL，MgCl2(Fermentas公司生产，25 mmol·L-1)2.5 μL，Taq DNA Polymerase(Fermentas公司生产，5 μ·μL-1)0.2 μL，随机引物(Sangon公司生产，50 μmol·μL-1)0.5 μL，基因组DNA 1μL(50~100 ng·μL-1)，ddH2O 17.8 μL。
PCR扩增在GeneAmp PCR System 9700 PCR仪上进行，所有样本对每一个引物都进行1~2次扩增反应。反应条件为经94℃预变性2 min后，接着40个循环，每个循环包括94℃变性15 s，35℃复性60 s，72℃延伸90 s，最后是72℃终延伸10 min，4℃保温。扩增产物用1.5%琼脂糖凝胶电泳分离，EB染色，凝胶成像系统(genius bio imaging system，GENE公司生产)观察、拍照并记录。
1.2.3 数据处理
根据电泳后记录下清晰的扩增条带进行数据统计，在RAPD图谱中相对位置无条带的用“0”表示，在相对位置有条带的用“1”表示，将RAPD图谱转化成0、1矩阵，利用Popgene 1.31软件计算不同站点鸢乌贼样本的遗传相似度(S)和遗传距离(D)。计算公式为：
$$ S=\frac{2 N_\mathtt{x y}}{N_\mathtt{x}+N_\mathtt{y}} ; D=1-S $$ 式中Nxy为X、Y 2个样本共有的扩增条带，Nx、Ny分别为X、Y样本各自拥有的扩增带。
采用PHYLIP(phylogeny inference package，Ver.3.5)软件包中的NEIGHBOR程进行UPGMA(unweighted pair-group method with arithmetic average)聚类分析。参照恽锐等[10]的方法，用Shannon多样性指数计算种群的遗传多样性，其平均值即为种群的遗传多样性。计算公式为：
$$ h=-\sum p_i \log _2 p_i $$ 式中pi为某位点的表型频率，包括有带样本的频率和无带样本的频率，h为该位点的表型多样性，即样本在该位点出现“有带”或“无带”的不确定性。
利用Arlequin 2.0软件进行分子方差分析(analysis of molecular variance，AMOVA)，计算其遗传分化指数(GST)，GST即为种群间的遗传多样性占种群多样性的比例，以检测鸢乌贼种群内和种群间的遗传变异情况的显著性。计算公式为：
$$ G_{\mathrm{ST}}=\frac{H_{\mathrm{T}}-H_{\mathrm{S}}}{H_{\mathrm{T}}} $$ 式中HT为种群的总遗传多样性，HS为种群内平均遗传多样性。
2. 结果
2.1 RAPD扩增结果
PCR-RAPD试验所使用的16个随机引物中，经过筛选，选取扩增条带丰富且稳定性好的8个引物进行分析，引物序列见表 2。每个引物均可得到条带清晰且重复性好的扩增图谱，扩增条带为3~8，其分子量大小为200~1 500 bp。图 2为引物R8的扩增图谱。
表 2 所用的随机引物及其序列Table 2. Primers and their sequence used for RAPD analysis引物
primers序列
sequence引物
primers序列
sequenceR1 5′-ccatcctacc R5 5′-ccatggtgtc R2 5′-acagtaccgcc R6 5′-aaccgcgtcc R3 5′-gatggctgtg R7 5′-ctcaccgtcc R4 5′-ctccccaact R8 5′-acggcgtatg ![]()
图 2 随机引物R8对鸢乌贼肌肉样本的RAPD扩增图谱1~16号样本来源于18°N~20°N海域Figure 2. RAPD electrophoresis pattern of S.oualaniensis muscle samples using primer R8No.1~16 sampled from 18°N~20°N in the northwestern Indian Ocean.2.2 UPGMA分析
将RAPD图谱转化成0、1矩阵，经过POPGENE 1.31处理，根据NEI[11]的方法可得出各个样本间的遗传相似性指数(S)和遗传距离(D)。根据遗传距离，利用PHYLIP软件包中的NEIGHBOR程序进行UPGMA聚类分析，得出48尾鸢乌贼样本的聚类图(图 3)。
![]()
图 3 基于鸢乌贼样本的遗传距离聚类图1~16号样本来源于18°N~20°N海域；17~48号样本来源于13°N~18°N海域Figure 3. Dendrogram revealed by UPGMA analysis of S.oualaniensis using Nei′s (1972) genetic distanceNo.1~16 sampled from18°N~20°N in the northwestern Indian Ocean; No.17~48 sampled from 13°N~18°N in the northwestern Indian Ocean.由图 3可知，18°N~20°N海域4个站点的16尾样本聚集在一起，且样本间的最大遗传距离为0.4858，可以推测认为，该海域的鸢乌贼形成一个种群。而在13°N~18°N海域的8个站点的32尾样本中，除第23号样本外，其余样本都聚集在一起，且样本间的最大遗传距离为0.4767，该海域的鸢乌贼也同样形成一个种群。因此，根据UPGMA聚类分析，可以得出在13°N以北的印度洋西北部海域鸢乌贼存在2个不同种群，且2个种群之间的遗传距离为0.1338，遗传相似性指数为0.8748。
2.3 遗传多样性
利用Shannon多样性指数计算印度洋西北部海域鸢乌贼种群的遗传多样性，其平均值即为种群的遗传多样性。计算结果表明，印度洋西北部海域鸢乌贼种群平均每个位点的多样性指数为0.3676±0.1801，由此可以看出其种群的遗传多样性较高，种群分化较大。
2.4 DNA多态性与遗传分化
根据获得的RAPD扩增带，计算种群间的多态位点比例(表 3)，2个种群多态位点比例分别为68.75%和93.75%，这说明印度洋西北部海域鸢乌贼2个种群均保持较高的遗传多样性。以种群内不同扩增图谱类型之间的遗传差异值为基础，计算种群的遗传多样性，18°N~20°N海域鸢乌贼种群的遗传多样性为0.2072，13°N~18°N海域鸢乌贼种群为0.1656，其平均值为0.1864。
表 3 印度洋西北部海域鸢乌贼种群多态位点比例与遗传多态性Table 3. Proportion of polymorphic loci and genetic diversity of S.oualaniensis populations in the northwest Indian Ocean内容
content18°N~20°N种群
population located in 18°N~20°N13°N~18°N种群
population located in 13°N~18°N多态位点比例/%
proportion of polymorphic loci68.75 93.75 遗传多态性(平均值±标准差)
genetic diversity (Mean±SE)0.2072±0.1928 0.1656±0.1441 GST是用来判断种群间的遗传分化情况，当GST < 0.05时，种群间没有遗传分化；当0.05 < GST < 0.15时，种群间的遗传分化程度为中等；当0.15 < GST < 0.25时，种群间有高度的分化；当GST>0.25时，种群间的分化程度非常高。印度洋西北部12°N以北海域鸢乌贼种群总遗传多样性为0.2375，种群内平均遗传多样性为0.1864，可以得出其种群间遗传分化指数为0.2150，即21.5%的遗传变异来自于种群间，而78.5%来自于种群内。该结果表明，不同种群间在遗传背景上存在较大的差异，且种群内的遗传变异水平较高。
3. 讨论
3.1 关于印度洋西北部海域鸢乌贼种群结构的探讨
通过对印度洋西北部海域鸢乌贼样本的RAPD分析，并根据遗传距离对其进行UPGMA聚类，发现18°N~20°N海域4个站点的16尾鸢乌贼样本聚集在一起，形成了一个种群，而13°N~18°N海域8个站点的32尾鸢乌贼样本聚集在一起，形成了另一个种群。对这2个不同种群的形态学参数进行统计，18°N~20°N海域鸢乌贼胴长为45.4~53.0 cm，平均胴长为48.9±2.81 cm，而13°N~18°N海域胴长为20.3~51.2 cm，平均胴长为36.3±8.03 cm，优势胴长为32.0~42.0 cm。经单因素方差(ANOVA)分析2个种群间的胴长的P=0.00002 < 0.05，差异性显著。陈新军等[12]认为印度洋西北部海域鸢乌贼分为形态特征存在一定差异性的3个种群：大型种群、中型种群和小型种群，其中大型种群主要分布在18°N以北海域，中型种群主要分布在12°N~18°N海域，小型种群主要分布在12°N以南及赤道附近海域，且这3个种群重叠分布；谷津明彦[3]也认为该海域的鸢乌贼存在3个不同体型的种群，此文所得出的种群结构与陈新军、谷津明彦等研究的结果基本一致。因此，印度洋西北部13°以北海域鸢乌贼种群在形态学与遗传上都可以被区分为18°N~20°N、13°N~18°N 2个不同的种群。
3.2 印度洋西北部海域鸢乌贼的遗传多样性
Shannon多样性指数表示种群间的多样性占总多样性的比例，可以用来估测遗传多样性在种群内和种群间的分布，即估测种群的遗传分化程度。利用Shannon多样性指数计算出的印度洋西北部海域鸢乌贼的遗传多样性指数为0.3676±0.1801，为较高的水平。由于其遗传多样性水平较高，种群分化较大，从侧面可以说明印度洋西北部海域鸢乌贼2个种群在形态上差别很大的原因。
另外，此研究结果还揭示，与18°N~20°N海域鸢乌贼种群相比，13°N~18°N海域鸢乌贼种群拥有较高的多态性位点比例，而遗传多态性却相对较低(表 3)，这一结果可能与所选用8条RAPD引物有关；笔者因此推测出13°N~18°N海域鸢乌贼可能所受的捕捞压力相对较大，生长速度较快。基于此研究的分析结果，该海域鸢乌贼2个种群间在遗传背景上存在较大的差异，且种群内的遗传变异水平较高，笔者认为，对该海域鸢乌贼资源的规模性开发还处于较合理水平。
3.3 RAPD结果的分析方法
种以下类群包括亚种、品种及地理种群等，遗传分析的目的在于了解遗传多样性、鉴别种群、分析种群间的差异大小和微进化等，多数学者采用2种方法对RAPD结果进行处理并对上述问题进行探讨[13-15]：(1)寻找种群的特有遗传标记，据此可以鉴别不同的种群；(2)基于遗传相似率的分析，包括相似率比较、遗传距离分析、聚类分析等。此研究在进行RAPD实验过程中未能寻找到用于区分印度洋西北部海域鸢乌贼2个种群的RAPD分子标记，这可能是由于在此次实验中使用引物较少的原因所造成的。因而，此研究选用了第2种分析方法。
RAPD技术能够快速、简便地检测大量基因组DNA的遗传变异，只要采用适当的分析方法，不仅可以用于鉴定头足类资源的品系、种群结构并探讨其进化关系，还可以在探讨头足类种群分化等方面发挥重要作用。
-
![]()
图 2 锚绳质点与构件计算示意图
Figure 2. Schematic diagram of the lumped mass point and the mooring line element for numerical calculations
表 1 不同规格网箱锚绳力和波流力计算结果(H=5 m，T=8 s，U=0.75 m · s-1)
Table 1 Calculated results of the mooring line forces and wave-current forces of the net-cages
网箱周长/m
perimeter of net-cage浮管管径/mm
pipe diameter网衣高度/m
net height网目大小/mm
net mesh size锚绳力/kN
mooring line force波流力/kN
wave-current force40 250 6 45 17.4 33.5 75 15.6 28.3 280 6 45 18.5 34.5 75 16.9 30.1 50 250 6 45 19.9 38.0 75 17.4 31.6 280 6 45 21.3 39.7 75 18.5 32.8 315 8 45 24.0 45.3 75 20.9 37.3 60 280 8 45 23.5 52.7 75 20.6 44.2 315 8 45 25.5 56.8 75 22.1 46.9 420 10 45 29.2 66.2 75 24.4 51.8 80 315 10 75 27.0 58.0 420 12 75 29.3 61.6 115 25.9 51.9 630 20 75 39.3 85.0 115 33.7 70.7 
下载: 导出CSV
表 2 不同规格网箱变形计算结果(H=5 m，T=8 s，U=0.75 m · s-1)
Table 2 Calculated results of the net deformation of the net-cages
网箱周长/m
perimeter of net-cage浮管管径/mm
pipe diameter网衣高度/m
net height网目大小/mm
net mesh size网箱容积/m3
net-cage volume容积损失率/%
volume reduction rate40 250 6 45 331.6 56.6 75 378.2 50.5 280 6 45 315.5 58.7 75 364.4 52.3 50 250 6 45 539.7 54.8 75 600.6 49.7 280 6 45 526.6 55.9 75 591.0 50.5 315 8 45 636.8 60.0 75 708.4 55.5 60 280 8 45 1 070.4 53.3 75 1 196.4 47.8 315 8 45 1 015.4 55.7 75 1 159.8 49.4 420 10 45 1 140.3 60.2 75 1 286.4 55.1 80 315 10 75 2 597.4 49.0 420 12 75 2 994.9 51.0 115 3 379.9 44.7 630 20 75 4 196.6 58.8 115 4 481.8 56.0
下载: 导出CSV
-
[1] 郭根喜, 陶启友, 黄小华, 等. 深水网箱养殖装备技术前沿进展[J]. 中国农业科技导报, 2011, 13(5): 44-49. doi: 10.3969/j.issn.1008-0864.2011.05.07 [2] 黄小华, 郭根喜, 胡昱, 等. 波浪作用下圆形网箱浮架系统的运动特性分析[J]. 水产学报, 2009, 33(5): 878-884. doi: 10.3724/SP.J.00001 [3] 黄小华, 郭根喜, 胡昱, 等. 圆形网衣在水流作用下的运动变形特性[J]. 中国水产科学, 2010, 17(2): 312-319. https://www.fishscichina.com/zgsckx/article/abstract/1017?st=top_cited [4] 黄小华, 郭根喜, 胡昱, 等. 波流作用下深水网箱受力及运动变形的数值模拟[J]. 中国水产科学, 2011, 18(2): 443-450. doi: 10.3724/SP.J.1118.2011.0443 [5] 黄小华, 郭根喜, 胡昱, 等. HDPE圆柱形网箱与圆台形网箱受力变形特性的比较[J]. 水产学报, 2011, 35(1): 124-130. doi: 10.3724/SP.J.1231.2011.17135 [6] 郭根喜, 黄小华, 胡昱, 等. 高密度聚乙烯圆形网箱锚绳受力实测研究[J]. 中国水产科学, 2010, 17(4): 847-852. https://qikan.cqvip.com/Qikan/Article/Detail?id=34630989 [7] 唐宏结. 网箱容积变形改善研究[D]. 台北: 国立中山大学, 2002. [8] FREDRIKSSON D W, SWIFT M R, IRISH J D, et al. Fish cage and mooring system dynamics using physical and numerical models with field measurements[J]. Aquac Engin, 2003, 27(2): 117-146. doi: 10.1016/S0144-8609(02)00043-2
[9] LI Y C, GUI F K, TENG B. Hydrodynamic behavior of a straight floating pipe under wave conditions[J]. Ocean Engin, 2007, 34(3/4): 552-559. doi: 10.1016/J.OCEANENG.2006.01.012
[10] 郑艳娜, 董国海, 桂福坤, 等. 圆形重力式网箱锚碇系统的受力研究[J]. 应用力学学报, 2007, 24(2): 180-185. doi: 10.3969/j.issn.1000-4939.2007.02.003 [11] 郑国富, 黄桂芳, 魏观渊, 等. 波流作用下圆柱形近海抗风浪网箱缆绳的张力特性[J]. 水产学报, 2007, 31(1): 84-89. doi: 10.3321/j.issn:1000-0615.2007.01.012 [12] 黄六一, 梁振林, 万荣, 等. 波流作用下网格锚泊的单个重力式网箱缆绳张力[J]. 中国水产科学, 2011, 18(3): 636-645. doi: 10.3724/SP.J.1118.2011.00636 [13] DECEW J, FREDRIKSSON D W, BUGROV L, et al. A case study of a modified gravity type cage and mooring system using numerical and physical models[J]. IEEE J Oceanic Engin, 2005, 30(1): 47-58. doi: 10.1109/JOE.2004.841400
[14] HUANG C C, TANG H J, LIU J Y. Dynamical analysis of net cage structures for marine aquaculture: numerical simulation and model testing[J]. Aquac Engin, 2006, 35(3): 258-270. doi: 10.1016/j.aquaeng.2006.03.003
[15] HUANG C C, TANG H J, LIU J Y. Effects of waves and currents on gravity-type cages in the open sea[J]. Aquac Engin, 2008, 38(2): 105-116. doi: 10.1016/j.aquaeng.2008.01.003
[16] TSUKROV I, EROSHKIN O, PAUL W, et al. Numerical modeling of nonlinear elastic components of mooring systems[J]. IEEE J Oceanic Engin, 2005, 30(1): 37-46. doi: 10.1109/JOE.2004.841396
[17] ZHAO Y P, LI Y C, DONG G H, et al. A numerical study on dynamic properties of the gravity cage in combined wave-current flow[J]. Ocean Engin, 2007, 34(17/18): 2350-2363. http://www.onacademic.com/detail/journal_1000034030786010_5fdf.html
[18] DECEW J, TSUKROV I, RISSO A, et al. Modeling of dynamic behavior of a single-point moored submersible fish cage under currents[J]. Aquac Engin, 2010, 43(2): 38-45. doi: 10.1016/j.aquaeng.2010.05.002
[19] LEE C W, KIM Y B, LEE G H, et al. Dynamic simulation of a fish cage system subjected to currents and waves[J]. Ocean Engin, 2008, 35(14/15): 1521-1532. doi: 10.1016/J.OCEANENG.2008.06.009
[20] COLBOURNE D B, ALLEN J H. Observations on motions and loads in aquaculture cages from full scale and model scale measurements[J]. Aquac Engin, 2001, 24(2): 129-148. doi: 10.1016/S0144-8609(00)00069-8
[21] BESSONNEAU J S, MARICHAL D. Study of the dynamics of submerged supple nets (applications to trawls)[J]. Ocean Engin, 1998, 25(7): 563-583. doi: 10.1016/S0029-8018(97)00035-8
[22] 苏炜, 詹杰民. 等效网面法在模拟网的水动力特性中的应用[J]. 水动力学研究与进展: A辑, 2007, 22(3): 267-272. https://www.doc88.com/p-4764727594583.html
计量
- 文章访问数:
- HTML全文浏览量:
- PDF下载量:
粤公网安备 44010502001741号
