一种深水网箱的近岛礁单点系泊系统

摘要

本发明公开了一种深水网箱的近岛礁单点系泊系统，它及其所系泊的深水网箱设置于岛礁的洋流方向、潮流方向和波浪方向的分布重叠区之内，设有海床部、高刚度柔性缓冲臂和连接缆绳，海床部设有大抓力锚和海床部缆索，高刚度柔性缓冲臂由缓冲臂配重、缓冲臂缆索和浮筒组成；大抓力锚锚抓在海床上，海床部缆索连接在大抓力锚与缓冲臂配重之间；缓冲臂配重置于海床上，浮筒浮于海面上，缓冲臂缆索的下端部连接缓冲臂配重、上端部连接在浮筒的底面上；连接缆绳的一端部与缓冲臂缆索的上端部连接、另一端部用于连接深水网箱。本发明缩小了深水网箱在一般海况状态和极限海况下所需占据的海域面积，并提高了高刚度柔性缓冲臂在极限海况状态下的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种深水网箱的近岛礁单点系泊系统。

背景技术

近年来，我国网箱养殖产业发展迅速，以广东为例其沿海西线是网箱发展较为集中地带，它们大多依托岛礁而建，由于海洋环境与气候条件因素，网箱基本布置于岛礁西侧，且以多点系泊方式为主。多点系泊系统由于其效率低且经济性不突出的固有特点在网箱高速发展过程中不断被放大，也急需新型系泊系统对行业进行补充。在前期研究的高刚度单锚腿单点系泊系统的前提上，依据粤西的地理与海洋环境因素，对其安装方式进行改进设计。

传统认知会认为单点系泊系统由于其风标效应，始终会将系泊浮体停留于合力最小的方位上，因此海床部分的布置与施工可以随意摆放。而结合广东粤西的地理、海洋等环境要素分析后，发现不能草率处理。由于粤西属于不规则半日潮区域，除正常的潮流外同时还会有粤西地带特有的沿岸流，结合该区域的风玫瑰图与波浪玫瑰图分析后基本可确定各岛礁西侧的潮流、沿岸流、波浪与风构成的极端环境力方向为东南向(对应的西北向合力小于东南向，同时由于岛礁对东向风的阻挡作用，因此该向风的影响变小)。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种深水网箱的近岛礁单点系泊系统。

解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种深水网箱的近岛礁单点系泊系统，其特征在于：所述的近岛礁单点系泊系统及其所系泊的深水网箱设置于岛礁的洋流方向、潮流方向和波浪方向的分布重叠区之内；

并且，所述的近岛礁单点系泊系统设有海床部、高刚度柔性缓冲臂和连接缆绳，其中，所述海床部设有大抓力锚和海床部缆索，所述高刚度柔性缓冲臂由缓冲臂配重、缓冲臂缆索和浮筒组成；

所述大抓力锚锚抓在海床上，所述海床部缆索连接在所述大抓力锚与缓冲臂配重之间；

所述缓冲臂配重置于海床上，所述浮筒浮于海面上，所述缓冲臂缆索的下端部连接所述缓冲臂配重、上端部连接在所述浮筒的底面上；并且满足：F_23MAX>W₂₁+W₂₂以及F_23High<W₂₁+W₂₂，所述缓冲臂缆索的长度使得：在所述近岛礁单点系泊系统及其所系泊的深水网箱不受环境合力作用的情况下，所述缓冲臂缆索在所述近岛礁单点系泊系统所在海域的水位在平潮水位以上时处于张紧状态、在所述近岛礁单点系泊系统所在海域的水位低于平潮水位时处于松弛状态，其中，最大净浮力F_23MAX为所述浮筒完全浸入海水时受到的浮力与其自身重力的合力，最高水位净浮力F_23High为所述浮筒在所述近岛礁单点系泊系统所在海域处于最高水位时受到的浮力与其自身重力的合力，海水中重量W₂₁为所述缓冲臂配重自身重力与其完全浸入海水时受到的浮力的合力，海水中重量W₂₂为所述缓冲臂缆索自身重力与其完全浸入海水时受到的浮力的合力；

所述连接缆绳的一端部与所述缓冲臂缆索的上端部连接、另一端部用于连接被所述近岛礁单点系泊系统所系泊的深水网箱。

作为本发明的优选实施方式：所述大抓力锚锚抓在海床上的锚抓力方向垂直于所述近岛礁单点系泊系统所在位置在极限海况下的环境合力方向。

作为本发明的优选实施方式：在所述近岛礁单点系泊系统的初始安装状态下，所述海床部缆索的延伸方向垂直于所述近岛礁单点系泊系统所在位置在极限海况下的环境合力方向。

作为本发明的优选实施方式：所述的海床部还设有海床部配重，所述海床部缆索分为第一海床部缆索和第二海床部缆索两段；所述海床部配重置于海床上，所述第一海床部缆索的一端部和所述第二海床部缆索的一端部均连接在所述海床部配重上，所述第一海床部缆索的另一端部连接所述大抓力锚，所述第二海床部缆索的另一端部连接所述缓冲臂配重；并且，满足F_23MAX<W₂₁+W₂₂+W₁₃，其中，海水中重量W₁₃为所述海床部配重自身重力与其完全浸入海水时受到的浮力的合力。

作为本发明的优选实施方式：所述的近岛礁单点系泊系统还设有系泊连接部，该系泊连接部由连接部缆索和浮球组成，所述浮球浮于海面上，所述连接部缆索的一端部连接所述缓冲臂缆索的上端部、另一端部连接所述浮球，使得所述连接缆绳的端部能够通过所述系泊连接部与所述缓冲臂缆索的上端部连接，即所述连接缆绳的端部连接在所述连接部缆索与所述浮球连接的端部上。

作为本发明的优选实施方式：所述的连接缆绳为轻质浮缆。

作为本发明的优选实施方式：所述近岛礁单点系泊系统的任意两个相连接的组成部件之间均通过转环连接。

作为本发明的优选实施方式：所述缓冲臂配重为球体。

作为本发明的优选实施方式：所述浮筒为圆柱体，且该圆柱体的高度高于底面直径。

作为本发明的优选实施方式：所述第一海床部缆索、第二海床部缆索和缓冲臂缆索为锚链或钢缆。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，参见图1至图4，本发明设有海床部、高刚度柔性缓冲臂和连接缆绳，使得：

在一般海况状态下，本发明能够利用高刚度柔性缓冲臂刚度随浮筒在水平方向上相对平衡位置P1的偏移量增大而增大的特性，为浮筒返回平衡位置P1提供随环境合力增大而增大的回复力，从而尽可能减小深水网箱5偏离平衡位置P1的距离，即缩小了深水网箱5在一般海况状态下所需占据的海域面积；

在极限海况状态下，本发明能够利用F_23MAX>W₂₁+W₂₂的关系避免高刚度柔性缓冲臂因其刚度超过其所能够承受的极限而产生断裂损坏，并能够利用大抓力锚进行锚泊，在确保近岛礁单点系泊系统能够正常工作的同时提高了高刚度柔性缓冲臂的可靠性，并且，利用缓冲臂配重的重力作用限制了深水网箱5在极限海况状态下所需占据的海域面积；

并且，在极限海况状态下，利用近岛礁单点系泊系统及其所系泊的深水网箱5所处的岛礁6的洋流方向、潮流方向和波浪方向的分布重叠区的环境合力特性，本发明进一步将缓冲臂配重21的最大水平移动范围限制在弦D2平行于环境合力方向V1的半圆形区域之内，从而进一步限制了深水网箱5在极限海况状态下所需占据的海域面积；

另外，将缓冲臂缆索的长度选定为符合“所述近岛礁单点系泊系统及其所系泊的深水网箱5不受环境合力作用的情况下，所述缓冲臂缆索在所述近岛礁单点系泊系统所在海域的水位在平潮水位以上时处于张紧状态、在所述近岛礁单点系泊系统所在海域的水位低于平潮水位时处于松弛状态”的条件，能够避免选择过低的水位作为确定缓冲臂缆索长度的依据而存在的“高刚度柔性缓冲臂的刚度在较高水位超过了其所能够承受的极限而产生断裂损坏”的问题以及选择过高的水位作为确定缓冲臂缆索长度的依据而存在的“深水网箱5在一般海况状态因高刚度柔性缓冲臂刚度过小而占据较大的海域面积、在低水位状态因缓冲臂缆索长度过大而占据较大的海域面积”的问题，因此，本发明中缓冲臂缆索长度的选定条件是经过大量实验反复验证后而在大范围的水位范围中得到的能够平衡高刚度柔性缓冲臂安全可靠性和深水网箱5占据海域面积的结果。

第二，本发明通过大抓力锚(11)的锚抓力方向(F₁₁)设置为垂直于近岛礁单点系泊系统所在位置在极限海况下的环境合力方向(V1)，能够在极限海况下避免海床部缆索12对大抓力锚11产生与大抓力锚11的锚抓力方向F₁₁反向的作用力分量，以避免大抓力锚11在极限海况下产生走锚的情况。

第三，本发明通过设置海床部配重，确保该海床部配重在极限海况状态始终在海床上，以此确保第一海床部缆索始终处于躺卧在海床上的状态，令大抓力锚不会产生上拔力而走锚，从而提升了近岛礁单点系泊系统的安全与工作稳定性。

第四，本发明通过增设系泊连接部，利用浮球将连接部缆索的端部露出水面，使得更换连接缆绳时无需在水下进行施工，增强了近岛礁单点系泊系统的使用便利性。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

图1为本发明的近岛礁单点系泊系统在平衡状态下的示意图；

图2为本发明的近岛礁单点系泊系统在一般海况状态下的示意图；

图3为本发明的近岛礁单点系泊系统在海床部配重13未移动的极限海况状态下的示意图；

图4为本发明的近岛礁单点系泊系统在海床部配重13发生了移动的极限海况状态下的示意图。

具体实施方式

如图1至图4所示，本发明公开的是一种深水网箱的近岛礁单点系泊系统，其发明构思为：近岛礁单点系泊系统及其所系泊的深水网箱5设置于岛礁6的洋流方向、潮流方向和波浪方向的分布重叠区之内。

并且，近岛礁单点系泊系统设有海床部1、高刚度柔性缓冲臂2和连接缆绳4，其中，海床部1设有大抓力锚11和海床部缆索12，高刚度柔性缓冲臂2由缓冲臂配重21、缓冲臂缆索22和浮筒23组成。

大抓力锚11锚抓在海床上，海床部缆索12连接在大抓力锚11与缓冲臂配重21之间。

缓冲臂配重21置于海床上，浮筒23浮于海面上，缓冲臂缆索22的下端部连接缓冲臂配重21、上端部连接在浮筒23的底面上；并且满足：F_23MAX>W₂₁+W₂₂以及F_23High<W₂₁+W₂₂，缓冲臂缆索22的长度使得：在近岛礁单点系泊系统及其所系泊的深水网箱5不受环境合力作用的情况下，缓冲臂缆索22在近岛礁单点系泊系统所在海域的水位在平潮水位以上时处于张紧状态、在近岛礁单点系泊系统所在海域的水位低于平潮水位时处于松弛状态，其中，最大净浮力F_23MAX为浮筒23完全浸入海水时受到的浮力与其自身重力的合力，最高水位净浮力F_23High为浮筒23在近岛礁单点系泊系统所在海域处于最高水位时受到的浮力与其自身重力的合力，海水中重量W₂₁为缓冲臂配重21自身重力与其完全浸入海水时受到的浮力的合力，海水中重量W₂₂为缓冲臂缆索22自身重力与其完全浸入海水时受到的浮力的合力。

连接缆绳4的一端部与缓冲臂缆索22的上端部连接、另一端部用于连接被近岛礁单点系泊系统所系泊的深水网箱5。

从而，本发明的近岛礁单点系泊系统将工作在以下状态之一：

一、平衡状态

如图1所示，平衡状态即：近岛礁单点系泊系统所在海域的水位在平潮水位以上，并且，近岛礁单点系泊系统及其所系泊的深水网箱5不受环境合力作用(即仅受重力和海水浮力作用)；在此状态下，由于满足F_23High<W₂₁+W₂₂条件，因此，在平衡状态下，近岛礁单点系泊系统及其所系泊的深水网箱5处于静止状态，并且，缓冲臂配重21保持在海床上，缓冲臂缆索22处于张紧状态并沿竖直方向延伸；其中，将缓冲臂缆索22和浮筒23此时所在的位置称为平衡位置P1。

二、一般海况状态

如图2所示，一般海况状态即：近岛礁单点系泊系统所在海域的水位在平潮水位以上，并且，近岛礁单点系泊系统及其所系泊的深水网箱5受到的环境合力作用未超过环境合力阈值，其中，该环境合力阈值即将缓冲臂配重21从海床上向上提起所需最小的环境合力；在此状态下，缓冲臂配重21保持在海床上，由于深水网箱5在环境合力的作用下会将浮筒23带离平衡位置P1，而环境合力作用于深水网箱5后通过连接缆绳4对浮筒23产生的作用力F₄是一个接近于水平或者水平略向上倾斜的力，这就使得环境合力越大，浮筒23在水平方向上相对于平衡位置P1产生的偏移就越大，但由于缓冲臂缆索22的限制，浮筒23在水平方向上产生偏移的同时也会向下沉，这就使得浮筒23产生的净浮力F₂₃也会随之增大，而高刚度柔性缓冲臂2这种柔性系统的刚度是随浮筒23的净浮力F₂₃增大和缓冲臂配重21的海水中重量W₂₁增大而增大的，在缓冲臂配重21固定即保持在海床上的情况下，浮筒23随高刚度柔性缓冲臂2刚度的增大而越难以在水平方向上产生的偏移，即浮筒23的下沉对其水平方向上的偏移产生了负反馈的作用；因此，在一般海况状态下，本发明能够利用高刚度柔性缓冲臂2刚度随浮筒23在水平方向上相对平衡位置P1的偏移量增大而增大的特性，为浮筒23返回平衡位置P1提供随环境合力增大而增大的回复力，从而尽可能减小深水网箱5偏离平衡位置P1的距离，即缩小了深水网箱5在一般海况状态下所需占据的海域面积(图2中，圆周C1表示在一般海况状态下，浮筒23受缓冲臂缆索22限制所能达到的最大水平移动范围)。

三、极限海况状态

如图4所示，极限海况状态即：近岛礁单点系泊系统所在海域的水位在平潮水位以上，并且，近岛礁单点系泊系统及其所系泊的深水网箱5受到的环境合力作用超过环境合力阈值，其中，该环境合力阈值即将缓冲臂配重21从海床上向上提起所需最小的环境合力；在此状态下，由于F_23MAX>W₂₁+W₂₂，在相对于一般海况状态更大的环境合力作用下，浮筒23相对于平衡位置P1在水平方向上的偏移量和下沉深度突破一般海况状态下的界限，浮筒23产生的净浮力F₂₃超过了缓冲臂配重21的海水中重量W₂₁与缓冲臂缆索22的海水中重量W₂₂之和，使得缓冲臂配重21被从海床上提起，避免高刚度柔性缓冲臂2因其刚度超过了其所能够承受的极限而产生断裂损坏，而此时，高刚度柔性缓冲臂2和深水网箱5通过大抓力锚11产生的锚抓力锚泊，而在缓冲臂配重21的重力作用下，浮筒23偏离平衡位置P1的距离也会受到限制，即限制了深水网箱5在一般海况状态下所需占据的海域面积；而且，由于本发明将近岛礁单点系泊系统及其所系泊的深水网箱5设置于岛礁6的洋流方向、潮流方向和波浪方向的分布重叠区之内，公知的，在极限海况下，且在岛礁6的洋流方向、潮流方向和波浪方向的分布重叠区之内，环境合力方向V1是沿岛礁6的岸线延伸方向的变化的，因此，使得缓冲臂配重21的最大水平移动范围被限制在弦D2平行于环境合力方向V1的半圆形区域之内(参见图4，r2为该半圆形区域的半圆弧)，从而限制了深水网箱5在极限海况状态下所需占据的海域面积，因此，在极限海况状态下，本发明能够利用F_23MAX>W₂₁+W₂₂的关系避免高刚度柔性缓冲臂2因其刚度超过其所能够承受的极限而产生断裂损坏，并能够利用大抓力锚11进行锚泊，在确保近岛礁单点系泊系统能够正常工作的同时提高了高刚度柔性缓冲臂2的可靠性，并且，利用缓冲臂配重21的重力作用以及近岛礁单点系泊系统及其所系泊的深水网箱5所处的岛礁6的洋流方向、潮流方向和波浪方向的分布重叠区的环境合力特性限制了深水网箱5在极限海况状态下所需占据的海域面积。

四、低水位状态

低水位状态即：近岛礁单点系泊系统所在海域的水位低于平潮水位；在此状态下，由于海况级别较低，近岛礁单点系泊系统及其所系泊的深水网箱5有可能受到的环境合力较小，而且，在不受环境合力作用时，缓冲臂缆索22是处于松弛状态的，因此，在低水位状态下，浮筒23在缓冲臂缆索22处于张紧状态时所在的位置即为其相对于平衡位置P1的最大偏移量，使得深水网箱5在低水位状态下所需占据的海域面积也较小。

另外，将缓冲臂缆索22的长度选定为符合“近岛礁单点系泊系统及其所系泊的深水网箱5不受环境合力作用的情况下，缓冲臂缆索22在近岛礁单点系泊系统所在海域的水位在平潮水位以上时处于张紧状态、在近岛礁单点系泊系统所在海域的水位低于平潮水位时处于松弛状态”的条件，能够避免选择过低的水位作为确定缓冲臂缆索22长度的依据而存在的“高刚度柔性缓冲臂2的刚度在较高水位超过了其所能够承受的极限而产生断裂损坏”的问题以及选择过高的水位作为确定缓冲臂缆索22长度的依据而存在的“深水网箱5在一般海况状态因高刚度柔性缓冲臂2刚度过小而占据较大的海域面积、在低水位状态因缓冲臂缆索22长度过大而占据较大的海域面积”的问题，因此，本发明中缓冲臂缆索22长度的选定条件是经过大量实验反复验证后而在大范围的水位范围中得到的能够平衡高刚度柔性缓冲臂2安全可靠性和深水网箱5占据海域面积的结果。

在上述发明构思的基础上，本发明采用以下优选的结构：

作为本发明的优选实施方式：大抓力锚11锚抓在海床上的锚抓力方向F₁₁垂直于近岛礁单点系泊系统所在位置在极限海况下的环境合力方向V1。从而，能够在极限海况下避免海床部缆索12对大抓力锚11产生与大抓力锚11的锚抓力方向F₁₁反向的作用力分量，以避免大抓力锚11在极限海况下产生走锚的情况。

作为本发明的优选实施方式：在近岛礁单点系泊系统的初始安装状态下，海床部缆索12(包括第一海床部缆索121和第二海床部缆索122)的延伸方向垂直于近岛礁单点系泊系统所在位置在极限海况下的环境合力方向V1。从而，最大限度的减小深水网箱5在初始安装状态后第一次遭遇极限海况时所需占用的海域面积。另外，可以通过在每次遭遇极限海况后将近岛礁单点系泊系统恢复到初始安装状态的方式来确保深水网箱5在极限海况时所需占用的海域面积达到最小。

作为本发明的优选实施方式：海床部1还设有海床部配重13，海床部缆索12分为第一海床部缆索121和第二海床部缆索122两段；海床部配重13置于海床上，第一海床部缆索121的一端部和第二海床部缆索122的一端部均连接在海床部配重13上，第一海床部缆索121的另一端部连接大抓力锚11，第二海床部缆索122的另一端部连接缓冲臂配重21；并且，满足F_23MAX<W₂₁+W₂₂+W₁₃，其中，海水中重量W₁₃为海床部配重13自身重力与其完全浸入海水时受到的浮力的合力。从而，由于满足F_23MAX<W₂₁+W₂₂+W₁₃条件，且环境合力作用于深水网箱5后通过连接缆绳4对浮筒23产生的作用力F₄是一个接近于水平或者水平略向上倾斜的力，即环境合力仅对近岛礁单点系泊系统产生很小的向上作用力，使得：出现极端海况时即在极限海况状态下，只会出现缓冲臂配重21离开海床的情况，而海床部配重13始终在海床上，以此确保第一海床部缆索121始终处于躺卧在海床上的状态，令大抓力锚11不会产生上拔力而走锚，提升了近岛礁单点系泊系统的安全与工作稳定性。其中，如图3所示，在海床部配重13未移动的极限海况状态下，缓冲臂配重21的最大水平移动范围被限制在弦D1平行于环境合力方向V1的半圆形区域之内(参见图3，r1为该半圆形区域的半圆弧)，从而进一步限制了深水网箱5在级别较低的极限海况状态下所需占据的海域面积。

另外，图3中，圆周C2表示在海床部配重13未移动的极限海况状态下，浮筒23受缓冲臂缆索22限制所能达到的最大水平移动范围；圆弧r1表示在海床部配重13未移动的极限海况状态下，缓冲臂配重21受第二海床部缆索122限制所能达到的最大水平移动范围；图4中，圆周C3表示在海床部配重13发生了移动的极限海况状态下，浮筒23受缓冲臂缆索22限制所能达到的最大水平移动范围；圆弧r2和圆弧r3分别表示在海床部配重13发生了移动的极限海况状态下，缓冲臂配重21受第二海床部缆索122限制所能达到的最大水平移动范围和海床部配重13受第一海床部缆索121限制所能达到的最大水平移动范围。

作为本发明的优选实施方式：近岛礁单点系泊系统还设有系泊连接部3，该系泊连接部3由连接部缆索31和浮球32组成，浮球32浮于海面上，连接部缆索31的一端部连接缓冲臂缆索22的上端部、另一端部连接浮球32，使得连接缆绳4的端部能够通过系泊连接部3与缓冲臂缆索22的上端部连接，即连接缆绳4的端部连接在连接部缆索31与浮球32连接的端部上。从而，利用浮球32将连接部缆索31的端部露出水面，使得更换连接缆绳4时无需在水下进行施工，增强了近岛礁单点系泊系统的使用便利性。

作为本发明的优选实施方式：连接缆绳4为轻质浮缆。从而，最大程度的确保深水网箱5仅承受水平系泊力，提升深水网箱5安全性的同时，便于连接缆绳4更换拆解，有利于深水网箱5的转场或者维修等后续维护等事宜开展。

作为本发明的优选实施方式：近岛礁单点系泊系统的任意两个相连接的组成部件之间均通过转环连接。从而，增强了近岛礁单点系泊系统安装的便利性，并避免了安装过程中发生打结等事故。

作为本发明的优选实施方式：缓冲臂配重21优选为球体；选用密度尽可能大的材料制成。

作为本发明的优选实施方式：浮筒23为圆柱体，且该圆柱体的高度高于底面直径。

作为本发明的优选实施方式：第一海床部缆索121、第二海床部缆索122和缓冲臂缆索22的蠕变强度应足够高，以确保它们在近岛礁单点系泊系统的服役期限内能够保持工作、免于维护，它们可以为锚链或钢缆等蠕变强度高的金属材料或者具有足够高的蠕变强度的非金属材料。

本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之中。