大规模深远海养殖的三个特点：模块化、专业化、信息化

发展深远海养殖是事关粮食安全的战略问题，是一项为未来创造希望的事业。大规模深远海养殖技术是一项将海工技术服务于深远海养殖的技术，使得海工技术实现了一种跨领域的发展。本文提出了建设海 上防护基础设施作为一种新型大型公共基础设施的理念、基于大规模工业化生产的现代化大规模养殖方式， 并提出了大规模深远海养殖的新模式。
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www.52ocean.cn化服务”体系提供高品质高效率的养殖服务；三是“信息化管理”实现对养殖生产的管理和指挥。
模块化养殖：
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! C  c2 i: F- l3 u, c在一个有遮掩的水域里开展深远海养殖：首先，如何确定养殖水体的适宜占比是一个十分重要的、而且是需要优先解决的具体问题。针对于这个问题团队进行过研究。在大面积遮掩水域内确定养殖水体适宜占比的影响因素包括：第一，与养殖所处海域的海流强度等条件相关；第二，与海域的强浪向和海流流向的耦合关系相关；第三，与海上防护基础设施的透浪率和透水率的优化设计相关；第四，最关键的因素是与在遮掩水域开展养殖所需要或所允许的波浪、海流、水体交换频次，以及满足养殖作业所需要的船舶通道、深水网箱锚固的水下安全空间的控制标准相关。综合已有的研究成果，在大面积遮掩水域内，养殖面积的适宜占比为20%~30%，相应的养殖水体体积的适宜占比为10%~15%。按照这个标准，建设一个大规模深远海养殖基地，平均养殖水体能达到6400万立方米（见表3）。

                               
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其次，未来如何去突破大型柔性深水网箱的锚固将是一大技术难题。即便是处在有遮掩的环境中：一是与近岸的条件相比较，海上工程的经验表明，30米的水深是一个很大的变化，将是一种完全不同的挑战；二是以大型柔性深水网箱和深水锚固系统构建的大规模的柔性结构物的锚固体系的锚固机理是一个尚需要进一步研究的复杂的工程问题；三是在遮掩的环境中，虽然使得海浪和海流的条件得到了控制，但是仍然存在外海环境下大型深水网箱的抗风安全风险问题。归纳以上3点，研究的结论是：即便是有遮掩的深远海条件，它与近岸浅水条件相比，网箱的锚固将会是两种完全不同的体系。更为重要的是还存在两大安全问题：一个是深水网箱高密度分布，会造成多个网箱的锚固系统相互压锚，牵一发而动全身，不仅会增加网箱拆装维护的难度，甚至会存在网箱结构发生意外的安全风险；另一个是高密度网箱以及密集的锚固系统，会成为养殖船舶行驶作业的安全隐患。
, R& M3 W1 J9 w5 e4 Q2017年全国深水养殖水体为1200万立方米，网箱数量达到14000个，一个深远海养殖基地的平均养殖水体为6400万立方米，相当于全国深水养殖水体体积的5倍。如果采用传统的深水养殖方式，就要用数万个网箱在遮掩水域里养殖，显然是不可行的。假如采用大型的深水网箱分散养殖，根据前文对大型柔性深水网箱锚固系统的分析，特别是对两大安全问题的分析，应该也是不适宜的。遮掩水域是一种人造的并且是有限的水域环境，空间高度集中，资源高度集约化，给养殖环境带来了前所未有的改变。在这样一种极为受限的空间中，仍然按照传统的习惯用成千上万的网箱自由地进行养殖是无法设想的。因此，团队提出创建一种模块化组合网箱系统，创新一种模块化网箱连接技术，将10~12个大型深水网箱进行模块化组合，并能实现整体锚固，形成一个个的养殖单元，进而在有限的空间拓展出数千万立方的养殖水体，同时创造一个能够保障养殖工作顺畅有序的工作环境。
2 l2 ?( ~! E6 O  `' Q9 B模块化组合网箱系统由两部分组成：（1）大型深水网箱。比如采用直径60米以上、养殖水深15~20米的大型圆形柔性HDPE深水网箱。结合网箱的透水性能、养殖水体效率的因素、养殖的习惯等，也可以考虑采用矩形、方形以及其他形状。采用HDPE深水网箱的好处在于，这类网箱在我国技术成熟，经济性好，生产制造使用都具备良好的基础条件。（2）关键技术是需要创新一种漂浮式的、柔性的大型深水网箱模块化连接结构体系，也可以简称为深水网箱模块化连接技术。通过这项创新的技术要实现两个功能，并且解决两个重要的问题：一是通过漂浮式的、柔性的模块化连接结构，要能够在未来实现对养殖工作体系的整体锚固的功能；二是依靠模块化连接结构，能够实现将10~12个大型深水网箱连接成为一个整体的养殖单元的功能。这种锚固体系在海中的尺度很大，长度达到数百米，宽度要超过百米。在实际使用时，首先需要在海中组装和锚固好锚固体系，然后再将一个个的大型深水网箱漂浮到锚固体系相应的位置进行连接和固定，这样就完成了整个养殖单元的组装工作。
单个养殖单元的养殖水体大约为100万立方米，每平方公里布设3~4组养殖单元，一个十多平方公里的深远海养殖基地有数十组这样的养殖单元。采用模块化组合网箱系统的技术还具有以下三方面的优势：一是有利于养殖网箱形成标准化的系列产品，二是有利于海上养殖专用船舶实现标准化和系列化的研发制造，三是有利于建立标准化的养殖服务体系。
专业化服务：
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在前文已经介绍过，一个大规模深远海养殖基地，如果一年养殖90万~100万吨鱼，就意味着这个基地需要管理超过50个100万立方米的养殖单元、600多个10万立方米养殖水体的大型深水网箱；一个基地平均每天要新投放200万~300万尾鱼苗；每天要投喂2500吨饲料；每天要捕捞3000吨的鱼等。以上就是所谓大规模深远海养殖的量化的概念。仅就量而言，它就是对现有养殖方式的颠覆。在这样一种认识的基础上，接下来我们对未来大规模深远海养殖的5项重要工作逐一地进行分析。
# g( {- x) L+ `  n) U6 Y5 f/ z第一项重要的工作是大规格鱼苗的海上养殖工作。现在的养殖规模不大，使用的网箱也不大，一般采用小规格鱼苗直接投放到网箱内进行喂养。随着鱼的体型增大，再更换大网眼的网衣。在鱼的生长周期内，大约要更换2~3次网衣。但是养殖工人告诉我们：“在海上养殖，最辛苦、最困难的一项工作就是更换网衣。”目前也有一些直接投放大规格鱼苗，来避免更换网衣的做法。而大规模深远海养殖需要采用的大型HDPE深水网箱，比如达到10万立方米养殖水体规模的网箱，直接投放小规格鱼苗、在鱼的生长过程中多次地更换网衣，这种做法的技术可行性和经济性都存在很大的问题，至少是一个需要在未来结合于养殖实践进一步论证的问题。我们的考虑是：将大规格鱼苗的海上养殖工作列为一项专业性的工作；在养殖基地内专门规划鱼苗养殖区域，或者采用适合于小规格鱼苗养殖生长的网箱，或者采用比如海上循坏水等高效率的鱼苗养殖技术，来解决大规格鱼苗的大批量养殖问题。
第二项重要的工作是网箱系统的安装、更换和维护工作。假如未来采用10万立方米水体的大型圆形柔性HDPE深水网箱，这种网箱的尺度非常大，直径达到80米以上，周长达到240米以上，面积要达到5000平方米，相当于10多个标准篮球场。这种网箱在波浪作用下竖向是一种柔性结构；在海平面上需要依靠漂浮式的支撑体系加上锚固系统来形成一种稳定的结构；沿着水深的垂直方向，如何做到在受到海流、波浪影响时，网衣整体能够保持一种稳固的状态，这一点是一个难题，是未来使用这种大型深水网箱，在装备技术上有待突破的关键技术问题。大型柔性深远海养殖网箱产品实际上是一种包含了复杂工程科技的工业产品。未来在海上养殖中使用这种产品，从工厂生产、产品运输、产品组装、海上组合，一直到拆除更换、维护回收等全过程的工作，都属于专业性、技能性以及对装备都有很高要求的工作。要完成好这些工作，不仅需要形成一整套的专项技术、专用装备，还需要建立专门的标准，培训专业性的作业人员，组建一支专门的团队。
8 e" S& z5 {' u1 r- A. J第三项重要的工作是饲料投喂工作。饲料投喂工作直接影响鱼的生长和养殖成本，饲料加上饲料投喂服务占了养殖成本的六到七成。传统的饲料投喂方式是依靠经验粗放的饲料投喂方式，是一种低效率的生产方式。传统的饲料投喂工作是劳动密集的工作，本质上属于重体力劳动。作者在湛江调研了一家在国内属于规模和管理都比较靠前的养殖企业。该企业每年生产大约4500吨的鱼产品，用30个养殖工人，平均每天大约需要投喂15吨饲料。这些养殖工人反映说：第一，每天都要去搬10多吨的饲料，身体和心理都非常疲劳；第二，常年在风浪条件下喂食，对于人、船和网箱都有很大的安全风险；第三，都知道最好的情况是让鱼吃九分饱，这样鱼不爱得病，残饵少，饲料浪费少，鱼也长得快，但是工人是凭经验投喂饲料，大多数情况都会多喂或者少喂。采用大规模深远海养殖模式，一个基地每天平均需要投喂饲料量要达到2500吨的量级，面对这样一个投喂量，传统的饲料投喂方式已经失去了现实性。如果未来人们能够依靠科学的方法，实现精细化的投喂，一年减少10%的饲料浪费，就可以节约5亿元的成本；如果能够将鱼的生长速度提高5%，一年就可以增加近10亿元的产值收入。但是在调研交流中发现，将来要让养殖企业快速地改变对包括饲料投喂在内的一些习惯做法会有非常大的难度。退一步讲，当面对现实条件限制的时候，我们可能需要采取一些过渡性的方法。但是要十分明确的是，采用传统的和习惯的方法不能发挥出现代化大规模养殖方式的工业化、自动化和高效率的优势。因此，针对于饲料投喂，需要构建通过自动化、智能化最终能够达到精细化、精准化的大系统，并按照这个系统来建立服务于大规模深远海养殖饲料投喂的专业化生产管理体系。
5 N0 U) o7 G  ^! x第四项重要的工作是网衣污损生物的清理工作。根据调研发现，无论对于哪一类的网衣材料，从我国现有的养殖经验来看，网衣的污损生物已经成为了影响海上网箱正常养殖的另一个十分重要的具体问题。因为目前我国近岸养殖的水质环境都有不同程度的海水富营养化现象，形成了比较有利于网衣污损生物生长的生态环境和生长规律。按照一年的养殖周期，在某些季节网衣污损生物的生长速度会变得特别快；按照水深和水流的分层，网衣污损生物的生长会有不同的分布和变化；网箱内的养殖密度和饲料的投喂管理会影响水体的营养成分，也会影响到网衣污损生物的生长等。污损生物的大量附着会阻塞网眼，影响到网箱内外的水体交换，导致网箱内部环境恶化，增加鱼群致病和死亡的风险。未来的大规模深远海养殖是在稳定的洋流环境中进行养殖：第一，有新鲜的海水不断补充，能够实现频繁的水体交换，海水富营养化的现象能够得到大为改善。第二，在有稳定洋流的环境中，海水的温度一年四季也会相对的更加稳定。第三，如果采用大规格的鱼苗以后，能够采用较大网眼的网衣材料，还有利于改善人工养殖形成的富余营养水体在网衣区域的集聚。总体上来讲，大规模深远海养殖网衣污损生物的影响一定会得到改善，但是对于养殖一定仍然是一个重要的影响因素，这一点是不会改变的，而改善的程度还有待在未来做进一步的研究。传统网箱清理污损生物，常常采用更换网衣、通过晾晒再进行清理的方法。对于大规模深远海养殖采用的大型深水网箱，一个网箱如果达到10万立方米的水体，仅网箱里的鱼就有上千吨；网箱本身也很昂贵，更换网衣还需要大量的装备和人力的投入。如果仍然简单地考虑采用更换网衣的方法，从对养殖的鱼产生的影响、从经济上以及管理上都将会形成一系列的难题。如何处理大型深水网箱产生的污损生物，是大规模深远海养殖在未来有待于攻克和解决的一个重大问题。这个问题有多条可能的解决路径，比如第一，从网衣材料上进行突破，研发能抑制污损生物生长的网衣新材料；第二，从装备上进行突破，研发自动化、智能化、高效率的网衣污损生物清理装备；第三，建立基于大规模养殖的网衣污损生物监测管理系统，准确掌握污损生物生长状态，并能及时提供清理信息等。但是，最为重要和最为关键的是要建立一套专业化的管理体系，形成一支网衣污损生物的监测、监控、清理的专业化的管理队伍。
8 c1 I7 Q2 }0 S  t第五项重要的工作是捕捞工作。首先，一个基地的年捕捞量理论上要达到90万~100万吨。就捕捞量而言，这已经是一项远超出正常捕捞能力范围的特殊的捕捞工作。其次，以一个10万立方米养殖水体的大型深水网箱为例，成品的鱼类达到1500吨左右。要在受到柔性网箱制约的环境下完成这个大强度的捕捞工作，不仅需要研发一系列特殊的装备和工具，还需要开发一些特殊的专业化的大型捕捞船舶。第三，对于一个基地，如果每天都需要去完成3000吨的捕捞量，就一定需要建立一支专业的，并且要足够强大的捕捞团队，才有可能完成好这项繁重的工作，担负起重大的责任。
, m+ A8 U% O4 O- a, `根据以上的工作分析进行整合和组织，作者建立了包括海上鱼苗养殖服务、网箱系统维护服务、饲料投喂服务、污损生物管理服务、基地捕捞服务5大专业生产系统，加上资源保障服务、技术支持服务、海上生活社区服务3大专业服务系统的完善的大规模深远海养殖专业化服务体系。按照未来达到自动化、智能化、标准化、流程化的理想组合状态做了预测，一个基地的人员配置大约在120~180人之间。但是这些人员应该都是高素质的专业人员，都是知识型员工。根据粮农组织2018年的报告，全世界渔业养殖从业人数为2050万人，养殖的水产品总量为5000万吨。如果采用大规模深远海养殖模式，每100人每年可以养殖出64万吨的鱼产品（参考表4）。

                               
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按照这个养殖效率，大概仅需要不到1万人，就能实现同样规模的养殖产量。从以上分析结果我们可以做一个判断：采用大规模深远海养殖模式，不仅可以改变海上养殖的资源条件、改变深远海养殖的风险状态、改变养殖生态的可持续性，还极大地解放了海上养殖业的生产力，完全可以媲美甚至超越美国、英国、日本等发达国家的先进农业生产水平和生产方式。如果能够不失时机去发展这种模式，我国的深远海养殖业就一定能够率先实现现代化大农业生产方式的重大突破。
; s- Q+ d4 H; j* l; i$ O% _接下来以饲料投喂服务为例做进一步的分析和说明。与在海上的自然环境中养殖相比，有掩护的环境称得上“风平浪静”，安全是有保障的；饲料投喂服务系统提供的是智能化的精准投喂方式，是对传统人工投喂方式的颠覆。饲料投喂服务系统包括饲料储供中心、智能化喂料船和“供料-投饵”管理系统。这个系统按照专业化分工的原则，创造了一种能够满足大规模深远海养殖的标准化流程服务，本质上就是大规模工业化思想的体现：第一，在每个基地设置1~2个大规模的饲料储供中心，智能化喂料船到储供中心取饲料。饲料供应商可以供应到储供中心，由专业公司负责投喂，也可以负责供料和投喂。第二，系统采用的智能化喂料船是一种具有自动投喂功能、卫星导航自动循迹功能、海上动力定位功能，并且可以选择采用机械输送方式或者空气输送方式实现全自动饲料投喂的专用船舶。第三，“供料—投饵”管理系统是一种智能投喂管理系统，用物联网系统管理投喂指令，由喂料船上的计算机系统执行指令，完全可以做到精准投喂。对于一个大规模养殖基地，饲料投喂服务系统提供的是高品质、高效率和低成本的标准化服务。无论采用哪种养殖生产的组织体系，通过购买服务的形式，这个系统都可以提供无差别的专业化服务。
3 R  ]' d8 @# e! Y3 {4 I: r" p. g0 }& I信息化管理：
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大规模深远海养殖是在海上固定的场所内进行养殖生产，加上有遮掩水域的条件，就能够方便地建立大规模的数据监测和信息管理系统，形成大数据的环境，并建立起大数据平台：有了这种大规模的固定水域，就有了进行长期系统监测和研究的工作条件；大规模养殖还能够提供大量丰富的样本条件，有了这方面的条件就可以方便地开展各种专业性、目的性的监测和研究；进行大规模养殖还提出了组织专门的团队开展长期监测和研究的需求和必要；相应的就需要建立起较为完善的系统设施，形成一套能够进行长期正规化监测研究的基础设施。
, T6 e7 P. M& a! l团队研究规划的这种大规模深远海养殖基地，设置了一个现代化大规模的海上生活社区，社区的面积达到2万平方米。海上防护基础设施上的风电厂，可以提供充足的绿色能源。这就为将来在海上的养殖基地建立高水准的监控信息管理中心创造了条件。考虑这种信息的重要性和价值，未来还需要在陆上的专用港区建立一个具有同样功能的副中心，作为一个备份。沿着养殖基地的一周有十多公里的海上防护基础设施，平均的高程达到10米左右，交通便捷，可以作为建设各种通信基站、布设各种网络和建立各种永久监测设施的基础设施。在海面的部分分布有50~60个、单个投影面积达到7万平方米的海上养殖单元，每个单元有10~12个大型深水网箱，它们是一种被锚固在海床上的大型漂浮结构。利用这些养殖单元可以很方便地建立起各种覆盖养殖全域的系统设施。海面上的监测设施可以就地采用太阳能，通信采用无线通信的方式。海上的高盐、高湿，在南方地区还存在高温的环境，属于一种腐蚀性很强的恶劣环境。未来大规模地布设基站、网络和监测设施，需要高度关注系统设施的耐候性、耐久性和可靠性，需要进行专门的产品开发和特殊设计。以上基于物联网、大数据、智能分析模型，建立的系统是一种为大规模深远海养殖提供直接信息服务的数字化应用技术平台。
  }7 r- K: I; |( I8 G具体来讲：第一，结合物联网等技术实现全覆盖的智能化深远海养殖监控管理；第二，建立全域数据感知采集平台，并在此基础上形成系统的深远海养殖数据库；第三，利用大规模养殖环境参数，结合大数据等技术，建立一个功能齐全的智能数据分析系统。将以上的系统设施进行整合和概括，就构成了一个可以称之为以“一网”、“一库”“一中心”为主体框架的大规模深远海养殖信息化管理、未来能够进一步实现智能化管理的“大脑”和“中枢”的完整的信息化管理系统。

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■ 安源国家级海洋牧场观测网平台

团队分析未来大规模深远海养殖的环境、养殖、维护3个方面的需求，构建了养殖环境监控系统、智能投喂管理系统和养殖设施监控管理系统。
- ~; U& }8 s7 r' B; E（1）养殖环境监控系统是对大规模深远海养殖的环境影响要素进行监测管理。环境监测要素包括采集养殖区域气象、水质、海流、温盐等海洋数据，监测与海洋生物生产力和养殖相关的浮游动植物、自养细菌、微生物、环境水生物、生命基础元素以及水质富营养化信息。利用大数据等技术对海量数据进行特性提取、分类、处理，构建分析与预测模型，做到能够智慧地提供鱼群健康的预警信息、鱼群病害的预防信息、养殖环境维护的决策信息。
% c# |# F+ F6 R# S1 T9 D3 N（2）智能投喂管理系统是对大规模深远海养殖饵料精准投喂进行监测管理。要以鱼的生长效率为主线开展监测和研究。可以基于大规模深远海养殖的稳定环境要素信息的采集条件，以及大量丰富的样本条件，大规模地开展与鱼的生长和摄食相关的单影响因素、组合影响因素等的监测和研究，以获取大量的包括鱼群生长参数、鱼群摄食以及反映鱼群摄食规律的相关参数等。设置比如鱼的生长速度最快、饲料量最少、残饵率最低、经济性最好等多目标优化模型，建立起各种相关性，构建一个以单个网箱为基础单位的大规模深远海养殖鱼群摄食的数据库，结合大数据等先进技术，形成模型和数据分析系统，近似拟合出鱼群生长—投喂饲料—环境因素之间的关系，生成各种鱼群的生长优化曲线，最终实现精确计划投喂方案和实现精准精细的投喂管理。
9 b8 t0 V5 ?/ n（3）养殖设施监控管理系统是对大规模深远海养殖设施的使用和运行状态进行监测管理。设施监测要素包括网衣清洁、模块化组合网箱的连接系统、锚固系统、网箱等设施状态和各种监测硬件设施状态。采用固定监测、抽样监测、随机监测、物理性监测等组合的监测方法，结合物联网、大数据等先进技术，建立运维数据库和分析模型，实现智能化指导制定预防性维养计划，防止养殖系统的损毁、网箱损毁、鱼类逃逸、监测系统失效等各种养殖意外。除此之外，通过养殖信息管理系统，还可以为养殖科研、种苗研究、饲料开发研究、养殖生态研究提供数据和信息服务。这个系统可以将科技服务延伸到养殖生产管理链的最末端，来创造经济效益。做一个保守的预测分析，整体上能创造3%~5%左右的直接经济效益。
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