姜少杰,劉海敵*,吳 偉,王世明,2

(1. 上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306；2. 上海海洋大學(xué) 海洋工程研究所,上海 201306)

一種人工魚礁的水動(dòng)力學(xué)研究與建設(shè)效果評(píng)價(jià)

姜少杰1,劉海敵*1,吳 偉1,王世明1,2

(1. 上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306；2. 上海海洋大學(xué) 海洋工程研究所,上海 201306)

針對(duì)舟山群島的海洋環(huán)境和漁業(yè)資源等情況，設(shè)計(jì)了一種正六棱柱式人工魚礁用于改善當(dāng)?shù)氐暮Ｑ笊鷳B(tài)和漁業(yè)資源。選用反映魚礁通透性的ε值和反映魚礁附著能力的η值兩個(gè)參數(shù)對(duì)人工魚礁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的正六棱柱式人工魚礁在具有良好通透性的情況下還能夠?yàn)楹Ｑ笊锾峁└蟮母街娣e，滿足設(shè)計(jì)需求。使用Fluent軟件對(duì)魚礁進(jìn)行CFD仿真，發(fā)現(xiàn)魚礁迎流面前部上升流的最大高度隨來(lái)流速度的增加而增加，魚礁后方背渦流的長(zhǎng)度約為魚礁高度的9.3～9.6倍，表明其具有很好的水動(dòng)力特性。為進(jìn)一步驗(yàn)證魚礁的水動(dòng)力學(xué)性能，在相同尺寸、相同水域環(huán)境下對(duì)魚礁模型設(shè)計(jì)了水槽實(shí)驗(yàn)，與仿真結(jié)果相互驗(yàn)證，證明了正六棱柱式人工魚礁水動(dòng)力性能的有效性。最后采用實(shí)地調(diào)查的方法對(duì)正六棱柱式魚礁礁區(qū)與箱形魚礁礁區(qū)進(jìn)行建設(shè)效果的對(duì)比評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)兩種魚礁均能對(duì)各自所處的海洋環(huán)境起到增殖作用，正六棱柱人工礁區(qū)的平均生物密度大于對(duì)比礁區(qū)的生物密度，證明了其良好的水動(dòng)力特性對(duì)增殖效果的有效性。

人工魚礁；上升流；背渦流；CFD仿真；水槽實(shí)驗(yàn)；效果評(píng)價(jià)

0 引言

人工魚礁是人為在水中設(shè)置的構(gòu)造物，主要為魚類等海洋生物提供索餌、繁殖和生長(zhǎng)發(fā)育等場(chǎng)所，從而修復(fù)、改善和優(yōu)化水生生物棲息環(huán)境，達(dá)到保護(hù)、增殖資源和提高漁獲量的目的，是保護(hù)和增殖近海漁業(yè)資源的一項(xiàng)有效措施[1]。人工魚礁在潮流的作用下，其前方的迎流面會(huì)產(chǎn)生上升流，所產(chǎn)生的上升流海區(qū)成為魚類較為活躍的區(qū)域，海洋中的浮游生物由于動(dòng)力學(xué)原因往往被聚集在魚礁后方的渦流區(qū)，以此為餌料的魚類常在此覓食。因此，經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的魚礁不僅會(huì)為藻類等海洋生物提供較為寬闊的附著面積，為魚類提供大量的食物來(lái)源，而且其交錯(cuò)的結(jié)構(gòu)又能為魚類提供避敵的場(chǎng)所，使不同種類的海洋生物在魚礁附近聚集，極大促進(jìn)了該海域內(nèi)物種的豐富度和活躍性，人工魚礁對(duì)于改善漁業(yè)生態(tài)和資源起到了重要的作用[2]。

目前，人工魚礁的研究主要分為穩(wěn)定性研究和流場(chǎng)效應(yīng)研究?jī)蓚€(gè)方面。人工魚礁的穩(wěn)定性研究主要是為了保證人工魚礁建設(shè)取得預(yù)期效果而進(jìn)行的設(shè)計(jì)方面的科學(xué)計(jì)算，研究?jī)?nèi)容主要包括著地沖擊強(qiáng)度、抗滑移系數(shù)、抗傾覆系數(shù)等，研究的方法多采用理論計(jì)算[3-6]和CFD仿真[7]，總體來(lái)說(shuō)魚礁穩(wěn)定性的研究相對(duì)比較成熟，本文在研究魚礁穩(wěn)定性方面僅作驗(yàn)證將不作贅述。人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)的研究多采用水槽實(shí)驗(yàn)和風(fēng)動(dòng)實(shí)驗(yàn)[8-10]或采用CFD仿真[11-14]的方法，也有一些學(xué)者正在嘗試采用PIV試驗(yàn)方法[15]。單純的水槽實(shí)驗(yàn)并不能全面直觀地反映魚礁周圍的流態(tài);CFD仿真由于不同的邊界條件產(chǎn)生的結(jié)果誤差較大；而PIV的方法需要專業(yè)的設(shè)備，實(shí)驗(yàn)成本較高并不適用于普通研究機(jī)構(gòu)的研究，且以上研究?jī)H為理論研究，并未進(jìn)行實(shí)地考察來(lái)驗(yàn)證魚礁水動(dòng)力特性與建設(shè)效果的關(guān)系，即其實(shí)際增殖效果并未得到驗(yàn)證。因此本文針對(duì)一種用于改善舟山群島的海洋生態(tài)和漁業(yè)資源的正六棱柱式人工魚礁，采用CFD的方法對(duì)魚礁單體進(jìn)行三維模擬，同時(shí)進(jìn)行水槽實(shí)驗(yàn)相互驗(yàn)證，證明正六棱柱式人工魚礁水動(dòng)力學(xué)性能的有效性，最后通過(guò)實(shí)地調(diào)查對(duì)魚礁的建設(shè)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，驗(yàn)證魚礁的可行性。

1 魚礁的結(jié)構(gòu)

圖1 正六棱柱式人工魚礁Fig.1 Positive six prism type artificial reef

人工魚礁的結(jié)構(gòu)主要取決于投礁的目的和礁址的地質(zhì)條件[16]。本文中魚礁設(shè)計(jì)的目的主要是為了改善舟山群島的海洋環(huán)境，較其他形式的人工魚礁，正六棱柱式具有較穩(wěn)定的幾何結(jié)構(gòu)、較大的附著面積以及較廣的內(nèi)部容積，由此形成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和多樣的流動(dòng)形式來(lái)達(dá)到增殖魚類和保護(hù)海洋的目的。根據(jù)舟山群島的海況、水深、底質(zhì)等情況綜合考慮，礁體材料為鋼筋混凝土，魚礁高度為水深的1/5～1/10。魚礁為六棱柱形(圖1)。底座加斜支撐腳，其下沉后可插入海底，能有效防止魚礁的滑移和側(cè)翻，又可降低魚礁在使用過(guò)程中由于下陷而被泥沙掩埋的速度。腔體的設(shè)計(jì)原則是在保證礁體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，盡量節(jié)約成本。魚礁的內(nèi)腔設(shè)置有多層內(nèi)支撐，既增加了魚礁的強(qiáng)度，又增加了魚礁的附著面積，有利于藻類植物的附著，內(nèi)部交錯(cuò)的結(jié)構(gòu)能為魚類提供避敵場(chǎng)所；魚礁?jìng)?cè)壁設(shè)有向上傾斜的引流板，海流流經(jīng)魚礁后，在魚礁前方更容易形成上升流，在其后方形成背渦流。

為了與其他結(jié)構(gòu)形式的魚礁進(jìn)行對(duì)比，以達(dá)到礁體選型的目的，本文選出目前比較成熟的3種人工魚礁并對(duì)每一種礁體進(jìn)行了尺寸的統(tǒng)一設(shè)計(jì)，礁體壁厚為15 cm。為了方便比較，設(shè)空方體積/混凝土體積=ε，表面積/混凝土體積=η。ε值的大小與流態(tài)效應(yīng)有關(guān)，ε值越大說(shuō)明魚礁的通透性越好，流態(tài)效應(yīng)也就越好；η值與附著面積有關(guān)，η值越大，表明其附著面積越大。

表1 各類魚礁參數(shù)匯總

由表1可知，正六棱柱式礁體的ε值略高于除框架形外的其他結(jié)構(gòu)形式的魚礁，屬于正常水平，穩(wěn)定性較好；框架形礁體的ε值最大，但其穩(wěn)定性較差。正六棱柱式礁體η值在這幾類礁體中最大，能夠?yàn)楦嗟纳锾峁└街娣e，從而能更好地發(fā)揮魚礁修復(fù)漁業(yè)資源的效果，由此說(shuō)明正六棱柱式人工魚礁礁體結(jié)構(gòu)的合理性。

2 人工魚礁流場(chǎng)的模擬

由于人工魚礁的繞流是典型的非定常、不穩(wěn)定、具有劇烈分離的流動(dòng)，一般的方法很難直觀地表達(dá)出魚礁周圍的流態(tài)，采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的方法對(duì)魚礁進(jìn)行仿真具有成本低，方便快捷等優(yōu)點(diǎn)[17]，故選用Fluent軟件進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)仿真以達(dá)到直觀分析人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)的目的，并為后續(xù)的水槽實(shí)驗(yàn)提供重要的理論依據(jù)。

2.1 計(jì)算域參數(shù)設(shè)置

由于魚礁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，計(jì)算域采用四面體非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格以確保所畫網(wǎng)格的質(zhì)量并在魚礁周圍對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。壓力與速度耦合采用SIMPLEC算法，其控制方程采用連續(xù)性方程和不可壓縮流動(dòng)的N-S方程，湍流模型采用K-epsilon。模型的計(jì)算流體的入口采用速度入口邊界條件，出口采用自由出口邊界條件，計(jì)算精度控制殘差值為10-6。根據(jù)舟山群島附近的水文情況，其海流速度不宜超過(guò)1.5 m/s，本文選取0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.2和1.4 m/s七種來(lái)流速度進(jìn)行仿真。

2.2 魚礁周圍流場(chǎng)分析

為了分析魚礁周圍流場(chǎng)的分布情況，選擇來(lái)流速度為1 m/s的魚礁周圍的流場(chǎng)進(jìn)行分析。流場(chǎng)YZ平面上的豎直速度分布云圖和速度流線圖如圖2和圖3所示。當(dāng)水流經(jīng)過(guò)魚礁時(shí)流速變緩，在魚礁的前方形成一片滯留區(qū)；當(dāng)水流遇上魚礁壁面時(shí)，流向會(huì)發(fā)生改變，在魚礁迎流面前部，會(huì)形成上升流和側(cè)向流，在魚礁后方的背流面產(chǎn)生背渦流。對(duì)于上升流的高度用高度方向上的速度分量表示，以水流的豎直速度分量與來(lái)流速度之比大于或等于5%的水域作為上升流區(qū)域[18]，得到上升流的最大高度約為魚礁高度的2.85倍左右。從仿真的數(shù)據(jù)來(lái)看，正六棱柱式人工魚礁的上升流高度略高于梯形人工魚礁和箱形人工魚礁的上升流高度(梯形人工魚礁和箱形人工魚礁所產(chǎn)生的上升流高度與魚礁高度比值分別為2.49和2.63[11])。從圖2可以看出，礁體迎流面上方的尖角為流動(dòng)分離點(diǎn)，由于流動(dòng)分離，在礁體迎流面的尖角處形成上升流的加速區(qū)，而在礁體的下游位置Z向速度為負(fù)，即在該區(qū)域水流在豎直方向上向下運(yùn)動(dòng)，說(shuō)明水流流經(jīng)魚礁時(shí)產(chǎn)生上升流，流經(jīng)魚礁后在魚礁的后方上升流又慢慢下降。魚礁的存在確實(shí)能夠產(chǎn)生上升流，促進(jìn)上下海域內(nèi)水體的物質(zhì)交換。而在礁體的背流面下游形成尾渦區(qū)(背渦區(qū))，取水流方向上速度小于來(lái)流速度大小的70%作為背渦區(qū)[5]，其長(zhǎng)度約為礁高的9.3～9.6倍左右，且越靠近礁體部分渦區(qū)越大(圖3)。

圖2 流場(chǎng)豎直速度分布云圖Fig.2 The contours of the vertical velocity of flow

為了分析不同迎流面積、不同來(lái)流速度下魚礁所產(chǎn)生的上升流和背渦流情況，在最大迎流面積和最小迎流面積下分別選取了7種不同的來(lái)流速度進(jìn)行CFD仿真，得到了不同來(lái)流速度下各流態(tài)的速度。其中上升流速度隨著來(lái)流速度的增大而增大，幾乎成線性關(guān)系，因此上升流的最大高度與來(lái)流速度也大致呈線性關(guān)系，即上升流的高度隨來(lái)流速度的增大而增大。由魚礁所產(chǎn)生的最大流速代表了魚礁的水動(dòng)力特性的豐富性，即最大流速越大，其越能滿足適應(yīng)不同流速魚類的需求，集魚效果也就越好。從仿真結(jié)果來(lái)看，在最小迎流面積下最大流速與來(lái)流速度之比為1.13左右，在最大迎流面積下最大流速與來(lái)流速度之比為1.16左右，說(shuō)明最大流速與來(lái)流速度呈線性關(guān)系，即最大流速隨來(lái)流速度的增大而增大，而且迎流面積越大，所產(chǎn)生的水動(dòng)力特性越豐富。7種不同來(lái)流速度工況下的背渦流區(qū)尺寸長(zhǎng)度大致相同，雖然背渦流區(qū)內(nèi)的渦旋結(jié)構(gòu)與來(lái)流速度大小相關(guān)，但從仿真的結(jié)果來(lái)看，背渦流的最大長(zhǎng)度基本不隨來(lái)流速度的增加而變化，由于多孔的存在，在靠近魚礁后方的背流面形成的透水區(qū)內(nèi)的水流速度方向與來(lái)流速度方向相一致。

3 水槽方案設(shè)計(jì)

以海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)水槽為實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)水槽可以模擬海水流速，水槽上面設(shè)有行車，行車以給定的速度行走，這相當(dāng)于魚礁與行車相對(duì)靜止，水流以給定的速度流過(guò)，測(cè)量?jī)x器掛于行車下方來(lái)測(cè)定參數(shù)，以此來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)的海洋狀況?，F(xiàn)以相同的人工魚礁模型，不同的來(lái)流速度引起的上升流速度和最大流速為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)水槽實(shí)驗(yàn)方案。

魚礁模型采用塑料板制作，將其安裝于水槽行車下方的底板上，底板與水槽底部接近但不接觸，其相對(duì)于行車靜止，并假設(shè)底板不受摩擦力和縫隙水流的作用。在魚礁的后方安裝一個(gè)測(cè)力計(jì)，測(cè)力計(jì)所測(cè)的數(shù)據(jù)為模型在迎流方向上的受力值，每組測(cè)量值測(cè)量5次求取平均值[19-22]。將3個(gè)相互垂直的流速儀制成流速傳感器總成用于測(cè)量魚礁周圍各測(cè)量點(diǎn)上的3個(gè)方向的速度。傳感器總成安裝在一個(gè)腳手架上，可以在X、Y、Z三個(gè)方向上移動(dòng)，用于測(cè)量魚礁周圍的流場(chǎng)情況[23]。實(shí)驗(yàn)圖如圖4和圖5所示。

A：流速數(shù)據(jù)采集儀；B：壓力信號(hào)采集裝置；C：計(jì)算機(jī)主機(jī)；D：顯示器；1：流速傳感器總成；2：壓力傳感器鋼板；3：固定樁圖4 實(shí)驗(yàn)原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of experimental principle

圖5 魚礁模型及水槽實(shí)驗(yàn)圖Fig.5 Fish reef model and flume experiment

由于不同的迎流面積對(duì)流態(tài)的影響不同，因此實(shí)驗(yàn)選取最大迎流面積和最小迎流面積兩種情況來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。來(lái)流速度垂直于正六棱柱的一個(gè)測(cè)面為最大迎流面積，來(lái)流速度平行于正六棱柱的一個(gè)側(cè)面為最小迎流面積。在最大迎流面積和最小迎流面積下分別選取了7種不同的來(lái)流速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到了不同來(lái)流速度下各流態(tài)的速度。兩者的關(guān)系如圖6和圖7所示，從圖中可以看出，魚礁所產(chǎn)生的最大流速、最大上升流速和最小上升流速的實(shí)驗(yàn)值和仿真值都隨著來(lái)流速度的增大而增大，實(shí)驗(yàn)值和仿真值都能夠體現(xiàn)出魚礁上方能夠產(chǎn)生上升流，兩者數(shù)值吻合較好。

圖6 最大迎流面積下各速度的關(guān)系圖Fig.6 The relationship among different velocities under the maximum meeting area of flow

圖7 最小迎流面積下各速度的關(guān)系圖Fig.7 The relationship among different velocities under the minimum meeting area of flow

使用Fluent軟件模擬了模型分別在最大迎流面積和最小迎流面積兩種情況下的受力值，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較(圖8)，雖然仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值之間的差距隨著來(lái)流速度的增加而增加，但兩者之間的誤差在合理范圍內(nèi)。說(shuō)明仿真的方法可以應(yīng)用于人工魚礁的水動(dòng)力學(xué)分析，實(shí)驗(yàn)與分析兩者之間可以相互對(duì)比，并最終為魚礁性能的評(píng)價(jià)提供重要的參考意義。

圖8 不同迎流面積下魚礁受力圖Fig.8 Impact force of reef under different meeting area of flow

4 魚礁的建設(shè)效果評(píng)價(jià)

從以上的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，本文中的正六棱柱式人工魚礁具有良好的水動(dòng)力特性。一般來(lái)說(shuō)，魚礁的水動(dòng)力特性越好，其建設(shè)效果也就越好。為了研究其實(shí)際的增殖效果和對(duì)海洋環(huán)境的改善作用，本文以正六棱柱式魚礁作為單體礁在舟山海域投放30個(gè)，

形成魚礁群帶，同時(shí)在附近海域投放相同規(guī)模的箱形魚礁作為對(duì)比，投放魚礁一段時(shí)間后對(duì)水質(zhì)、環(huán)境生物、漁業(yè)資源進(jìn)行實(shí)地調(diào)查并進(jìn)行潛水觀察與拍攝，對(duì)其建設(shè)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，檢驗(yàn)人工魚礁的增殖效果和環(huán)境功能，具體結(jié)果如下。

4.1 水質(zhì)

舟山海域是全國(guó)著名的強(qiáng)潮海區(qū)，海水平均流速為1 m/s左右，最高流速可達(dá)2.5 m/s,當(dāng)?shù)夭ɡ俗罡哌_(dá)5 m左右。以長(zhǎng)江徑流為主體連同錢塘江等多支入海河流匯聚到舟山海域，每年有大量的泥沙隨江河流入近岸海域, 泥沙的沉積使近岸底質(zhì)類型多為粉砂質(zhì)黏土及黏土質(zhì)粉砂[24-25]，水質(zhì)相對(duì)渾濁，透明度不高，水中葉綠素含量不高，生產(chǎn)力水平一般，由于捕撈作業(yè)等活動(dòng)，出現(xiàn)污染現(xiàn)象，部分水質(zhì)參數(shù)超標(biāo)[26]。本文按照《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》[27]規(guī)定的方法進(jìn)行水質(zhì)采樣，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用國(guó)家海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的二類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，調(diào)查顯示，本礁區(qū)與對(duì)比礁區(qū)在水質(zhì)改善上均起到了一定的效果，均好于投放前的海區(qū)，但兩區(qū)的水質(zhì)參數(shù)基本一致。

4.2 環(huán)境生物

環(huán)境生物主要是指浮游植物、浮游動(dòng)物、底棲生物和魚卵等，具體調(diào)查結(jié)果如表2所示。

表2 舟山海域的海洋生物調(diào)查結(jié)果

注：A為正六棱柱式人工魚礁區(qū)，B為箱形人工魚礁對(duì)比礁區(qū)

從表2可以看出，環(huán)境生物的種類數(shù)與本底調(diào)查結(jié)果相比有所增加，但年際變化都不大，正六棱柱礁區(qū)和對(duì)比礁區(qū)的各生物種類數(shù)相差不大，變化趨勢(shì)基本一致；生物的平均密度基本呈現(xiàn)逐月增加的趨勢(shì)，尤其是魚卵的密度增加最顯著，這表明人工魚礁建設(shè)對(duì)海洋增殖效果十分明顯。由于正六棱柱式礁體η值比箱形人工魚礁大，能夠?yàn)楦嗟纳锾峁└蟮母街娣e，所以從表中可以看出，正六棱柱人工魚礁區(qū)的平均生物密度均大于對(duì)比礁區(qū)的生物密度，驗(yàn)證了之前的魚礁結(jié)構(gòu)合理性的假設(shè)。

4.3 漁業(yè)資源

本文采用蝦拖網(wǎng)調(diào)查法對(duì)漁業(yè)資源(主要針對(duì)游泳生物)進(jìn)行調(diào)查(表3)。在游泳生物方面，正六棱柱礁區(qū)游泳生物的魚獲種類數(shù)是同期對(duì)比礁區(qū)的1.34倍，分別是第二次跟蹤調(diào)查、第一次跟蹤調(diào)查和本底調(diào)查的1.05倍、1.18倍和1.62倍。

從表3可以看出，正六棱柱礁區(qū)游泳生物的資源密度和尾數(shù)資源密度一直升高，但從第1次6個(gè)月的調(diào)查后升幅變小，接近飽和，表明建礁后游泳生物的資源密度比建礁前有大幅提高，但建礁一段時(shí)間后礁區(qū)內(nèi)游泳生物資源密度和尾數(shù)資源密度保持較穩(wěn)定的高水平。各次調(diào)查顯示在投礁后礁區(qū)游泳生物的資源密度和尾數(shù)資源密度均比同期對(duì)比礁區(qū)高，證明了正六棱柱魚礁設(shè)計(jì)的有效性。

表3 各次蝦拖網(wǎng)調(diào)查游泳生物魚獲情況統(tǒng)計(jì)

注：A為正六棱柱式人工魚礁區(qū)，B為箱形人工魚礁對(duì)比礁區(qū)

4.4 潛水觀察和下水拍攝

潛水調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在投放的30個(gè)魚礁中除個(gè)別魚礁出現(xiàn)破損或側(cè)翻外，絕大部分魚礁保存完好，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)的有效性。投礁6個(gè)月后，礁體表面有生物附著，覆蓋率約為35%左右，比對(duì)比礁區(qū)覆蓋率(30%)略大，其中主要是藻類植物和荔枝螺、覆瓦小蛇螺等螺科動(dòng)物附著以及褐菖鲉、標(biāo)志條石鯛等魚類活動(dòng)(圖9)。投礁12個(gè)月后有大量藻類植物和覆瓦小蛇螺、厚殼貽貝附著以及三線磯鱸魚群、絲背細(xì)鱗鲀、條石鯛群等魚類活動(dòng)，證明其具有良好的增殖效果(圖10)。

圖9 魚礁投放6個(gè)月后生物附著情況Fig.9 The fish reefs were attached by the marine attaching organism after 6 months

圖10 魚礁投放12個(gè)月后魚類活動(dòng)情況Fig.10 Fish activity around the reefs after 12 months

5 結(jié)論

針對(duì)舟山群島的海洋環(huán)境和漁業(yè)資源等情況設(shè)計(jì)的正六棱柱式人工魚礁在具有良好通透性的情況下還能夠?yàn)楹Ｑ笊锾峁┹^大的附著面積，滿足增殖漁業(yè)資源的設(shè)計(jì)需求。通過(guò)Fluent軟件對(duì)魚礁周圍的流場(chǎng)進(jìn)行CFD仿真，發(fā)現(xiàn)魚礁所產(chǎn)生的上升流的最大高度隨來(lái)流速度的增加而增加，背渦流的長(zhǎng)度約為魚礁高度的9.3～9.6倍，表明其具有很好的水動(dòng)力特性。根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)魚礁的水動(dòng)力效果進(jìn)一步進(jìn)行水槽實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)得的結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，仿真和水槽實(shí)驗(yàn)都能驗(yàn)證魚礁具有良好的水動(dòng)力學(xué)特性。為了驗(yàn)證魚礁的水動(dòng)力特性與增殖效果的關(guān)系，通過(guò)實(shí)地調(diào)查并進(jìn)行潛水觀察與拍攝，對(duì)其建設(shè)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，全面掌握了礁體投放后對(duì)礁區(qū)水環(huán)境的理化要素、環(huán)境生物和漁業(yè)資源的影響，檢驗(yàn)了人工魚礁的集魚效果和環(huán)境功能，證明了其對(duì)海洋資源增殖效果的有效性。本文中人工魚礁的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法能夠?yàn)橐院篝~礁的設(shè)計(jì)提供重要的參考。

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Study on hydrodynamics and effect evaluation for constructing of an artificial reef

JIANG Shao-jie1, LIU Hai-di*1, WU Wei1, WANG Shi-ming1,2

(1.CollegeofEngineeringScienceandTechnology,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China;2.InstituteofMarineScience,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)

A positive six prism type artificial reef was designed to improve the marine fisheries habitat of the Zhoushan Archipelago. Two parameters ofεandηwere used to evaluate the structure of artificial reefs, the valueεreflects the water permeability of artificial reefs and the valueηreflects the adhesion ability of artificial reefs. The positive six prism type artificial reef was found to have a good permeability, and could also provide a larger area for the attachment of marine organisms. The design objectives were met. Based on the Fluent software, the CFD simulation of the fish reef was carried out, it was found that the maximum height of the upwelling increased with the flow velocity, and the length of the back vortex was about 9.3-9.6 times of the height of the fish reef, which indicated that it had a good hydrodynamic performance. In order to validate the performance of simulation further, flume experiment was conducted, which yielded consistent results as the simulation study. This further proved the validity of the hydrodynamic performance of the positive six prism artificial reef. The field experiment was also conducted at the end to evaluate the effect of the positive six prism reefs and to compare with the regular artificial reefs. Both the reefs could improve marine environment, but the average of density and biomass in the area of the positive six prism type artificial reef was higher than those in the control reef area, showing that the positive six prism artificial reef tended to have better hydrodynamic characteristics leading to more efficient in improving local habitats.

artificial reef; upwelling current; wake vortex; CFD simulation; flume experiment; effect evaluation

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.02.006.

2016-11-15

2016-12-03

農(nóng)業(yè)部2013年漁業(yè)資源和海洋環(huán)境保護(hù)項(xiàng)目資助(D8005-13-0296)

姜少杰(1965-)，女，上海市人，副教授，主要從事漁業(yè)機(jī)械研究。E-mail：sjjiang@shou.edu.cn

*通訊作者：劉海敵(1991-)，男，主要從事漁業(yè)機(jī)械研究。E-mail：liu_haidy@163.com

S953.1

A

1001-909X(2017)02-0053-08

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.02.006

姜少杰，劉海敵，吳偉，等.一種人工魚礁的水動(dòng)力學(xué)研究與建設(shè)效果評(píng)價(jià)[J].海洋學(xué)研究,2017,35(2):53-60,

JIANG Shao-jie，LIU Hai-di，WU Wei, et al. Study on hydrodynamics and effect evaluation for constructing of an artificial reef[J].Journal of Marine Sciences,2017,35(2):53-60, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2017.02.006.