An experimental study on the effects of soft biofouling on the hydrodynamic characteristics of the net cage

本研究由中国海洋大学水产学院海洋渔业技术研究室团队完成。研究室在读博士生孙名山为本文第一作者，毕春伟教授为本文通讯作者。合作者包括研究室在读博士生张远茂、硕士毕业生刘融萍以及黄六一教授。

创新点

本研究针对海水养殖网箱中柔性生物污损引起的水动力性能变化问题，以典型水螅类污损生物为研究对象，结合海区网衣挂片实验获取的实际生物形态参数，采用人工材料模拟不同生长阶段和空间分布特征的柔性污损生物，构建了包含不同污损长度、丰度及垂向分布的重力式网箱物理模型。研究设置了8种污损网箱工况和1种清洁网箱对照工况，通过水流和规则波条件下的物理模型实验，系统分析了生物污损对网箱阻力、结构变形、容积损失、系泊绳张力及运动响应的影响。与以往主要通过增加网线直径、改变网衣密实度或采用规则遮挡结构模拟污损的研究不同，本研究充分考虑了软质污损生物的形态特征、柔性变形以及沿网箱水深方向的非均匀分布特点。同时，将网箱浮框、网衣和底圈作为相互耦合的结构组成部分，分别分析其纵荡、垂荡和纵摇运动响应，进一步揭示不同污损条件下网箱整体水动力载荷与局部结构运动之间的关系。研究发现，柔性生物污损不仅会显著增加网箱阻力和容积损失，还会改变波浪作用下不同结构部件的运动响应。研究结果表明，网箱水动力性能不仅取决于污损生物的附着量，还与污损长度及垂向分布密切相关，为养殖网箱结构安全评估、污损风险识别和运行维护优化提供了实验依据与工程参考。

导读

随着海水养殖向深远海、大型化和规模化发展，网箱在复杂海况下的结构安全与运行稳定性日益受关注。网衣既围护养殖鱼类，又影响箱内水体交换和整体水动力性能，但长期浸没易附着水螅、藻类、贝类等污损生物。污损不断积累会减小网衣有效过水面积，降低过流能力，进而增大网箱阻力、加剧结构变形、减小有效养殖容积；在波浪作用下，还会改变网箱运动与系泊受力，增加运行风险。因此，准确评估不同污损条件下网箱水动力响应，是结构优化、安全设计和污损管理的重要基础。

已有研究多关注污损网片阻力、网箱变形和波浪载荷，证实污损显著改变网衣水动力性能。但网箱整体水动力研究中，传统方法常以增大网线直径或网衣密实度表征污损，难以反映真实软质污损生物的形态及其在水流、波浪下的变形。同时，污损附着具有明显时空异质性，不同水深处种类、长度和丰度差异较大。现有研究对污损垂向非均匀分布关注不足，尤其缺乏对不同污损分布下浮框、网衣、底圈和系泊系统耦合响应的系统认识，制约了污损网箱载荷预测与结构安全评估的准确性。

针对上述问题，本研究以圆形重力式养殖网箱为对象，依据现场采集的水螅形态参数，采用聚酰胺（Polyamide, PA）模拟软质污损生物，设置10、30和50 mm三种污损长度，并通过不同附着丰度和上下分布比例构建均匀与非均匀污损模型。通过多工况对比，分析污损长度、丰度和垂向分布对网箱水动力性能的影响，并探讨各结构部件间的运动耦合与载荷传递特征。研究成果可为养殖网箱污损风险评估、结构安全设计和运维管理提供参考。

结论

本研究通过物理模型实验，揭示了软质污损长度、丰度和垂向分布对重力式网箱水动力特性的影响。水流条件下，污损显著增大网箱阻力并加剧变形和容积损失：阻力较清洁网箱增加18%–270%，50 mm高丰度工况增幅最大；容积损失最大增加28%。污损长度和丰度越大，网衣堵塞、水动力载荷和网箱收缩越明显；非均匀污损可一定程度减小容积损失，但对阻力影响有限。规则波条件下，污损显著改变网箱运动与系泊受力：纵荡增强、垂荡受抑，纵摇受丰度、垂向分布和结构部件影响。上部高丰度工况（B5-3-1）系泊张力最大，达15.5 N，较清洁网箱增加56%；下部高丰度污损对底圈运动抑制更明显。结果可为网箱结构优化、系泊安全评估及分区污损监测与清洗提供依据；未来需进一步考虑混合污损、不规则波、波流共同作用及不同网箱形式。

柔性附着生物网箱模型设计以及实验照片

期刊介绍

Biosystems Engineering是 Elsevier 出版的生物系统工程领域国际学术期刊，重点关注工程技术与生物系统的交叉研究，涵盖农业工程、生物生产系统、工程装备设计、结构力学、环境控制、数值模拟和智能化技术等方向。该期刊强调通过实验研究、理论分析和工程建模解决生物生产系统中的实际问题，在农业与生物系统工程领域具有较高的学术影响力。 期刊2025年度影响因子为 7.8，JCR分区为农业工程（Agricultural Engineering）Q1、农业综合（Agriculture, Multidisciplinary）Q1；2025版中科院分区为农林科学2区（Top期刊）。

引用信息

Sun, M.-S., Bi, C.-W., Zhang, Y.-M., Liu, R.-P., & Huang, L.-Y. An experimental study on the effects of soft biofouling on the hydrodynamic characteristics of the net cage. Biosystems Engineering, 2026, 272, 104584.https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2026.104584