席楊，田濤、2、3*，楊軍、2，吳忠鑫、2、3，劉敏，高東奎、2、3，陳勇

(1.大連海洋大學(xué) 遼寧省海洋牧場工程技術(shù)研究中心，遼寧 大連 116023；2. 設(shè)施漁業(yè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023；3. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州)，廣東 廣州 511458)

人工魚礁是人為在海中設(shè)置的構(gòu)造物，科學(xué)地在海中建設(shè)人工魚礁，可起到修復(fù)和改善海域生態(tài)環(huán)境的作用，為魚類等海洋生物的聚集、索餌、繁殖、生長、避敵等提供必要、安全的棲息場所，以達(dá)到保護(hù)和增殖漁業(yè)資源的目的，同時(shí)也是海洋牧場建設(shè)中的基礎(chǔ)生態(tài)工程[1-3]。由于人工魚礁所產(chǎn)生的流場效應(yīng)，會(huì)改變原有海域的流場，如在迎流面產(chǎn)生上升流和背部形成背渦流，進(jìn)而促進(jìn)上下層水體的交換，加快海底營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)，因此，上升流和背渦流規(guī)模是衡量人工魚礁流場效應(yīng)的重要指標(biāo)，對人工魚礁物理環(huán)境影響研究具有重要意義[4-6]。目前，關(guān)于人工魚礁的研究除了礁區(qū)資源評價(jià)外，多是針對人工魚礁周圍流場效應(yīng)所進(jìn)行的模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬或風(fēng)洞試驗(yàn)，數(shù)值模擬主要集中在對不同結(jié)構(gòu)特性、不同工況和放置條件下人工魚礁所在海域流場分布進(jìn)行分析，模型試驗(yàn)主要分為水槽集魚效果試驗(yàn)、PIV模型試驗(yàn)等。日本學(xué)者上北征男等[7-9]對人工魚礁著底沖擊力和海底各種地形產(chǎn)生的涌升流進(jìn)行了研究。黃遠(yuǎn)東等[10-11]選取方型和三棱柱型礁體進(jìn)行模擬，分析其在不同流速影響下上升流和背渦流的分布情況。唐衍力等[12]利用CFX軟件，對6類礁型18種常用魚礁進(jìn)行模擬，比較分析上升流和背渦流的差異性。劉鴻雁等[13]采用模型試驗(yàn)方法研究了大型海藻和人工魚礁對魚類的誘集作用。目前，人工魚礁數(shù)值模擬研究中多以單礁及組合礁的流場、布設(shè)研究為主，分析其上升流和背渦流效果。流場的變化直接影響魚類在魚礁周圍的行為和分布，但目前多數(shù)魚礁誘集試驗(yàn)都是在室內(nèi)靜水條件下分析試驗(yàn)魚對礁體的反應(yīng)，分析不同礁體之間的誘集效果差異，對流場作用下的魚類行為響應(yīng)研究未見報(bào)道。

許氏平鲉Sebastesschlegelii是中國北方沿海重要的巖礁性經(jīng)濟(jì)魚類，同時(shí)也是北方沿海增殖放流種類之一。本研究中，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)理論，運(yùn)用Fluent流體動(dòng)力學(xué)軟件[14-17]分析北方沿海4種典型礁型的流場特性，同時(shí)通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究許氏平鲉幼魚的行為特征及在礁區(qū)周圍不同流場區(qū)域的分布情況，以期為人工魚礁投放海域合理選址、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生態(tài)誘集效果分析提供參考依據(jù)，通過掌握苗種放流后的對礁行為和環(huán)境適應(yīng)能力，為增殖放流提供更好的指導(dǎo)[18]。

1 材料與方法

1.1 魚礁的選擇

選取中國北方4種常見魚礁礁型：立方體框架式魚礁(簡稱框架礁)，規(guī)格為1.5 m×1.5 m×1.5 m，礁體棱壁厚0.4 m；圓柱型魚礁(簡稱圓柱礁)，由規(guī)格為長1.5 m、直徑0.8 m、管壁厚0.1 m的3個(gè)圓柱型魚礁堆疊；三角型框架式魚礁(簡稱三角礁)，規(guī)格為1.5 m×1.5 m×1.5 m，礁體兩側(cè)壁上分別有6個(gè)直徑為0.2 m的圓形通孔，柱壁厚0.2 m；立方體實(shí)心礁(簡稱實(shí)心礁)，規(guī)格為1.5 m×1.5 m×1.5 m的實(shí)心立方體(圖1)。

1.2 人工魚礁流場的數(shù)值模擬

1.2.1 模型方程 人工魚礁繞流可視為不可壓縮流動(dòng)，本研究中控制方程為連續(xù)性方程和定常、不可壓縮流動(dòng)下的N-S方程，而湍流模型則采用常用的RNGk-ε模型，壓力與速度耦合采用SIMPLEC算法，方程離散采用QUICK格式[19]。

1.2.2 邊界條件與網(wǎng)格劃分 考慮到人工魚礁的實(shí)際投放海域流速一般不超過0.8 m/s，同時(shí)結(jié)合所測得的許氏平鲉幼魚臨界游速范圍(18.83～31.89 cm/s)，選擇來流速度v0=0.5 m/s作為模擬最大流速，采用0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m/s 5種來流速度進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

計(jì)算區(qū)域尺寸設(shè)定為31.5 m×7.5 m×15 m，其中計(jì)算域進(jìn)口面至魚礁迎流面距離為5倍礁體長度，出口面至魚礁背流面距離為15倍礁體長度，兩側(cè)固壁面至礁體中心距離均為2.5倍礁體寬度，高度為10倍礁體高度[20]，如圖2所示。對人工魚礁和計(jì)算流域進(jìn)行四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格離散圖見圖3。

邊界條件：(1)入口邊界選取速度入口，設(shè)置來流速度，計(jì)算邊界上湍動(dòng)能k與湍動(dòng)耗散率ε；(2)出口邊界為壓力出口，相對壓強(qiáng)設(shè)定為0 Pa；(3)計(jì)算域的頂面設(shè)置為對稱邊界；(4)計(jì)算域底面和礁體表面選擇壁面，設(shè)置為光滑和無滑移邊界。

1.2.3 魚礁周圍流場區(qū)域的建立 為描述不同礁型在數(shù)值模擬環(huán)境下的三維繞流流場，設(shè)定了魚礁內(nèi)部區(qū)域、上升流區(qū)域、背渦流區(qū)域、迎流區(qū)域、側(cè)流區(qū)域和魚礁影響外區(qū)域6個(gè)空間區(qū)域。區(qū)域建立方法如下： (1) 取魚礁自身所占空方體積作為魚礁內(nèi)部區(qū)域(Ⅰ)； (2) 取礁體正前方水流X方向上速度絕對值小于80%來流速度v0的水域定義為迎流區(qū)域(Ⅱ)； (3) 取礁體正后方水流X方向上速度絕對值小于 70% 來流速度v0的水域定義為背渦流區(qū)域[21](Ⅲ)； (4) 取水流的垂向速度分量Y與來流速度v0之比大于或等于5%的水域定義為上升流區(qū)域[22](Ⅳ)； (5) 取礁體兩側(cè)水流X方向上與來流速度交界處之后小于來流速度v0的水域定義為側(cè)流區(qū)域(Ⅴ)； (6) 取上述區(qū)域以外區(qū)域作為魚礁影響外區(qū)域(Ⅵ)。以框架礁為例，區(qū)域劃分如圖4所示，下文中均由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ表示各流場區(qū)域。

由于各區(qū)域體積不易計(jì)算，選擇其在縱向中軸斷面和水平面的面積進(jìn)行研究。數(shù)值計(jì)算中，假定坐標(biāo)原點(diǎn)位于Y軸中心，來流方向沿X軸方向，Z軸為豎直方向。

1.3 室內(nèi)循環(huán)水槽試驗(yàn)

1.3.1 試驗(yàn)用魚 試驗(yàn)用許氏平鲉幼魚1000尾，取自大連天正實(shí)業(yè)有限公司2019年用于增殖放流的魚苗，體長為(4.44±0.29)cm，體質(zhì)量為(2.78±0.51)g。試驗(yàn)于2019年7—9月在遼寧省海洋牧場工程技術(shù)研究中心進(jìn)行，試驗(yàn)前將試驗(yàn)魚在循環(huán)水槽中暫養(yǎng)，暫養(yǎng)期間水溫為(20.0±0.5) ℃，鹽度為33.0±1.0，pH為7.35±0.20，24 h不間斷供氧。每天早晚各投喂一次餌料，投餌量為魚體質(zhì)量的2%～3%，1 h后采用虹吸的方式清除殘餌和糞便保持槽內(nèi)清潔，每天換水一次。

1.3.2 試驗(yàn)裝置 室內(nèi)流場模擬在垂直循環(huán)回流水槽中進(jìn)行(圖5)。試驗(yàn)區(qū)域(長×寬×高)尺寸為100 cm×25 cm×25 cm，試驗(yàn)段區(qū)域用黑色馬克筆在水槽底部劃分單位為5 cm的網(wǎng)格線，使用三維點(diǎn)式流速儀(6 MHz VECTOR)測量流速，通過調(diào)整電機(jī)頻率得到相對應(yīng)的流速。在水平和豎直方向各架設(shè)一臺(tái)高清攝像頭(DS-2CD3T2)，視頻數(shù)值實(shí)時(shí)傳輸至云端服務(wù)器。試驗(yàn)所用礁型為數(shù)值模擬礁型的等比例縮放95%，采用3D打印機(jī)(Zortrax M200)進(jìn)行制作。利用三維點(diǎn)式流速儀對試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)流速與數(shù)值模擬流速對比，兩者的誤差在合理范圍內(nèi)，仿真的方法可以應(yīng)用于人工魚礁的水動(dòng)力學(xué)分析。

1.3.3 試驗(yàn)方法 每次試驗(yàn)開始前從暫養(yǎng)水槽中隨機(jī)選取20尾許氏平鲉幼魚進(jìn)行試驗(yàn)，移至垂直循環(huán)水槽中的試驗(yàn)區(qū)，試驗(yàn)區(qū)域水溫、鹽度、pH等與暫養(yǎng)水槽保持一致。試驗(yàn)分為24組，分別為4種礁型在6種流速條件下的模擬研究。在開始流速試驗(yàn)前，試驗(yàn)魚在放置魚礁模型的試驗(yàn)區(qū)域靜水適應(yīng)1 h，以消除其應(yīng)激反應(yīng)，試驗(yàn)時(shí)間為每天9:00—12:00、14:00—17:00，每次試驗(yàn)持續(xù)3 h，依次分別進(jìn)行0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m/s的流速試驗(yàn)，試驗(yàn)期間每隔10 min拍照記錄一次試驗(yàn)幼魚在各區(qū)域的分布情況，試驗(yàn)過程全程視頻錄像。每種礁型持續(xù)3 d，4種礁型流速模擬試驗(yàn)共計(jì)12 d，共進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)。為了避免試驗(yàn)魚對魚礁模型和水流速度產(chǎn)生適應(yīng)性反應(yīng)，每次試驗(yàn)結(jié)束后更換20尾試驗(yàn)魚，并在養(yǎng)殖水槽中單獨(dú)暫養(yǎng)。試驗(yàn)過程連續(xù)且試驗(yàn)期間不投餌，盡可能減少各種外部環(huán)境的影響。

1.3.4 統(tǒng)計(jì)與分析方法 平均分布率(mean distribution rate, MDR)[23-24]表示某觀察區(qū)試驗(yàn)魚的平均分布數(shù)量與試驗(yàn)魚總數(shù)量的比值，計(jì)算公式為

其中：Mi為試驗(yàn)魚第i次在某區(qū)域的分布數(shù)量(ind.)；M為試驗(yàn)魚總數(shù)量(ind.)；m為觀察次數(shù)。

使用 SPSS 17.0軟件對測定結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析和Tukey檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性分析和多重比較，顯著性水平設(shè)為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)值模擬的流場分析

本文中選取來流速度v0=0.4 m/s時(shí)的數(shù)值模擬示意圖，圖5為4種礁型在中軸斷面(XOZ)Z方向的速度云圖，圖6為4種礁型在中軸斷面(XOZ)X方向的速度云圖，圖7為4種礁型在水平面(Z=0.75 m)X方向的速度云圖。根據(jù)數(shù)值速度云圖計(jì)算得出4種單體礁在不同工況下的上升流最大速度(vmax)、上升流高度(HS)、背渦流長度(LB)、迎流區(qū)長度(LY)和側(cè)流區(qū)寬度(WC)，結(jié)果如表1所示。因篇幅所限，其他來流速度的數(shù)值模擬圖略。

從表1和圖6可知：礁體的上升流高度幾乎不隨來流速度的變化而改變，三角礁的上升流平均高度為礁體高度(1.5 m)的2.91倍，其次是實(shí)心礁，為2.56倍，框架礁為1.95倍，圓柱礁為1.91倍；而從上升流最大速度來看，實(shí)心礁最大上升流速度(0.3856 m/s)達(dá)到來流速度的77.12%，其次是三角礁(68.22%)和圓柱礁(57.95%)，最后是框架礁(36.45%)；圓柱礁和實(shí)心礁的上升流區(qū)域都在礁體上方呈現(xiàn)弧形分布，而框架礁和三角礁由于其結(jié)構(gòu)通透性，其大小逐漸向礁體斜上方減小，三角礁出現(xiàn)最大的上升流區(qū)域。

從表1和圖7可知：隨著來流速度的增加，礁體的背渦流長度整體呈現(xiàn)遞增趨勢，在0.1 m/s來流速度下，三角礁背渦流區(qū)域長度是礁體長度(1.5 m)的5.95倍，而實(shí)心礁、圓柱礁、框架礁分別為3.15、2.67、1.04倍，隨著流速的增加，在0.5 m/s來流速度下，實(shí)心礁背渦流區(qū)域明顯增加，區(qū)域長度是礁體長度的7.82倍，而三角礁、圓柱礁、框架礁分別為4.13、2.29、1.26倍；迎流區(qū)長度隨著來流速度的變化無顯著性改變，其中來流速度為0.1、0.5 m/s時(shí)，實(shí)心礁迎流區(qū)平均長度為礁體長度(1.5 m)的1.80倍，三角礁、圓柱礁、框架礁分別為1.62、1.41、1.20倍，而來流速度為0.2、0.3、0.4 m/s時(shí)，框架礁迎流區(qū)平均長度為礁體長度的0.65倍，圓柱礁、三角礁、實(shí)心礁分別為0.80、1.08、1.28倍。

從表1和圖8可知：流體在碰到礁體表面時(shí)由于礁體阻礙作用導(dǎo)致兩側(cè)速度疊加形成一片弧狀區(qū)域，側(cè)流區(qū)最大寬度除實(shí)心礁外，其余3種礁型最大寬度基本不隨來流速度的變化而變化，約為礁體寬度(1.5 m)的0.5倍，實(shí)心礁側(cè)流區(qū)寬度隨著來流速度的增加呈現(xiàn)遞增趨勢，最大達(dá)到礁體寬度的1.5倍。

表1 不同工況下4種礁型流場基本數(shù)值Tab.1 Basic values of flow field in four reef types under different working conditions

2.2 許氏平鲉幼魚在流場環(huán)境下的行為觀測

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)幼魚在放入水槽中會(huì)迅速游向水槽邊緣及光線較弱的角落區(qū)域，活躍性下降，適應(yīng)10～30 min后，個(gè)別幼魚會(huì)向礁體做試探性的游動(dòng)，隨著時(shí)間的延長，角落和陰暗處的幼魚在試驗(yàn)區(qū)域活動(dòng)數(shù)量逐漸增多，且各個(gè)水層均有分布。隨著流速的引入，在0.1、0.2 m/s低流速環(huán)境下，超過80%的許氏平鲉幼魚表現(xiàn)出迎流游泳行為，在試驗(yàn)區(qū)前段(圖5試驗(yàn)區(qū)左側(cè))、魚礁模型前端頂流游動(dòng)，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長，部分試驗(yàn)魚運(yùn)動(dòng)到Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)，剩余試驗(yàn)魚在其他區(qū)域內(nèi)隨機(jī)游動(dòng)，除了Ⅰ區(qū)，其余區(qū)域內(nèi)的試驗(yàn)魚保持游泳姿態(tài)，Ⅰ區(qū)內(nèi)試驗(yàn)魚相對保持靜置，并無尾鰭擺動(dòng)；隨著流速的增加，當(dāng)流速超過試驗(yàn)魚巡航游速范圍后，試驗(yàn)魚在試驗(yàn)剛開始時(shí)迅速游動(dòng)至前段迎流處，表現(xiàn)出極為吃力的游泳狀態(tài)，30～60 min后，試驗(yàn)魚向Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ 3個(gè)區(qū)域聚集，高流速狀態(tài)下，試驗(yàn)魚在Ⅲ區(qū)內(nèi)主要集中在礁體背后，緊貼礁體壁，在正常流速區(qū)域內(nèi)，基本不存在試驗(yàn)魚正常游動(dòng)，在Ⅵ區(qū)域的試驗(yàn)魚主要是由于許氏平鲉幼魚自身背棘堅(jiān)硬且魚體粗糙，緊貼角落和尾端區(qū)域，表現(xiàn)出聚集行為，并無尾鰭擺動(dòng)現(xiàn)象，在Ⅰ區(qū)的試驗(yàn)魚數(shù)量達(dá)到相對飽和后，內(nèi)部個(gè)體開始阻止外來個(gè)體進(jìn)入，表現(xiàn)出明顯的領(lǐng)域行為。

2.3 許氏平鲉幼魚的區(qū)域分布

2.3.1 平均分布率 從圖9可以看出：在框架礁試驗(yàn)中，隨著流速的增大，試驗(yàn)魚在Ⅰ和Ⅵ區(qū)的分布率呈增加趨勢，在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)的分布率呈減少趨勢，在Ⅴ區(qū)分布率基本保持不變，流場效應(yīng)下礁體誘集率由63.06%減少到52.50%；在圓柱礁試驗(yàn)中，隨著流速的增大，試驗(yàn)魚在Ⅰ、Ⅲ和Ⅴ區(qū)的分布率呈增加趨勢，在Ⅱ、Ⅳ和Ⅵ區(qū)的分布率呈減少趨勢，流場效應(yīng)下礁體誘集率由43.06%增加到59.44%；在三角礁試驗(yàn)中，隨著流速的增大，試驗(yàn)魚在Ⅰ和Ⅲ區(qū)的分布率呈增加趨勢，在Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ區(qū)的分布率呈減少趨勢，流場效應(yīng)下礁體誘集率由39.17%增加到83.61%；在實(shí)心礁試驗(yàn)中，隨著流速的增大，試驗(yàn)魚在Ⅱ和Ⅲ區(qū)的分布率呈增加趨勢，在Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ區(qū)的分布率呈減少趨勢，流場效應(yīng)下礁體誘集率由49.72%增加到70.28%。

2.3.2 礁體間區(qū)域分布率 從表2可見：靜水條件下(0 m/s)，6個(gè)區(qū)域均有試驗(yàn)幼魚分布，其中占比最大的區(qū)域是Ⅵ區(qū)，幼魚分布數(shù)量總體為三角礁>圓柱礁>實(shí)心礁>框架礁，其次是Ⅲ區(qū)，分布數(shù)量總體為框架礁>實(shí)心礁>圓柱礁>三角礁；在0.1 m/s流速下，框架礁在Ⅰ、Ⅱ區(qū)試驗(yàn)魚聚集數(shù)量比其他3種礁效果好，實(shí)心礁在Ⅴ區(qū)表現(xiàn)效果好；在0.2 m/s流速下，圓柱礁在Ⅰ區(qū)明顯低于框架礁和三角礁，框架礁在Ⅴ區(qū)明顯低于其他3種礁；在0.3 m/s流速下，實(shí)心礁在Ⅲ區(qū)高于圓柱礁和三角礁，框架礁最低，而框架礁在Ⅵ區(qū)，高于圓柱礁和三角礁，實(shí)心礁最低；在0.4 m/s流速下，Ⅲ區(qū)聚集數(shù)量為實(shí)心礁>三角礁>圓柱礁>框架礁，Ⅵ區(qū)框架礁和圓柱礁高于三角礁和實(shí)心礁；在0.5 m/s流速下，框架礁在Ⅰ區(qū)聚集數(shù)量明顯低于圓柱礁和三角礁，實(shí)心礁在Ⅲ區(qū)明顯高于其他3種礁。

表2 許氏平鲉幼魚區(qū)域分布數(shù)量隨流速的變化(3 h)Tab.2 Changes in number of regional distribution of juvenile Sebastes schlegelii with flow velocity(3 h)

注：同列中標(biāo)有不同小寫字母者表示同一礁型同一區(qū)域不同流速組間有顯著性差異(P<0.05)，同行中標(biāo)有不同字母者表示同一礁型同一流速不同區(qū)域組間有顯著性差異(P<0.05)，標(biāo)有相同字母者表示組間無顯著性差異(P>0.05)

Note：the means with different letters within the same reef type and the same region are significantly in different flow velocity groups at the 0.05 probability level, the means with the same capital letters within the same reef type and the same flow velocity are significant in differences region groups; and the means with the same letters are not significantly different in the groups at the 0.05 probability level

3 討論

3.1 不同礁型流場效應(yīng)特征

水流在運(yùn)動(dòng)到礁體迎流面時(shí)，水體向上抬升轉(zhuǎn)向而形成上升流，由于流動(dòng)分離，水體在魚礁頂部形成一小片漩渦區(qū)(上升流區(qū)域)，同時(shí)水體在礁體兩側(cè)后方流速減緩并向外脫落形成小漩渦(側(cè)流區(qū)域)，在礁體后方產(chǎn)生一大渦旋形成緩流區(qū)(背渦流區(qū)域)，同時(shí)由于礁體自身的阻礙作用，對來流方向會(huì)產(chǎn)生一定程度上的阻緩作用形成小渦旋(迎流區(qū)域)，由于魚礁本身結(jié)構(gòu)的不同，穿過礁體內(nèi)部的水流受到礁體壁面的作用，形成小部分緩流區(qū)域(魚礁內(nèi)部區(qū)域)。本研究中，迎流區(qū)長度、最大上升流高度及側(cè)流區(qū)寬度大小與來流速度大小不相關(guān)，對應(yīng)其區(qū)域體積與來流速度大小也不相關(guān)，而最大上升流流速與來流速度呈正相關(guān)關(guān)系，這與黃遠(yuǎn)東等[10-11]對最大上升流流速和高度的研究結(jié)論基本一致。 本研究中， 隨著流速的增加，Ⅲ區(qū)幼魚分布數(shù)量總體呈遞增趨勢(表2)；綜合分析數(shù)值模擬結(jié)果，在低流速(0.1～0.3 m/s)時(shí)，魚礁所營造的上升流高度依次為三角礁>實(shí)心礁>框架礁>圓柱礁，在高流速(0.4、0.5 m/s)時(shí)，上升流高度依次為實(shí)心礁>三角礁>圓柱礁>框架礁，這與唐衍力等[12]研究中國常用人工魚礁流場效應(yīng)的比值分析中采用比混凝土體積法評價(jià)得出的三角礁營造的流場面積最大、框架礁最小的結(jié)論相類似。說明魚礁的空間結(jié)構(gòu)差異會(huì)對其流場效應(yīng)帶來顯著影響，在4種礁型結(jié)構(gòu)中三角型框架結(jié)構(gòu)的流場效應(yīng)最好。

3.2 許氏平鲉幼魚在流場環(huán)境下的行為特征

對人工魚礁漁場的魚類生態(tài)研究表明，魚群總是不斷運(yùn)動(dòng)的，魚群群體的形狀、結(jié)果、空間分布等都是處于不斷變化的狀態(tài)。魚群在遇到障礙物或外界環(huán)境變化時(shí)(風(fēng)浪、潮汐、地震等)，魚群的空間結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，可分為回避、驅(qū)趕聚集、爆炸式擴(kuò)散、巡航、分裂、合攏并入等行為[25]，而幼魚的行為主要是逃避敵害、索餌和嬉戲。根據(jù)本試驗(yàn)中對許氏平鲉幼魚在不同流場環(huán)境下的行為觀察，許氏平鲉幼魚喜歡出現(xiàn)在魚礁內(nèi)部和魚礁周圍，它們利用魚礁所產(chǎn)生的流場效應(yīng)來躲避高流速狀態(tài)下所帶來的負(fù)面影響，利用魚礁為屏障，躲在其內(nèi)部和周圍(特別是后方)，這與對其他一些巖礁性魚類的研究結(jié)果相一致[13,26-32]。本試驗(yàn)中觀察到在未引入流速狀態(tài)時(shí)，許氏平鮋幼魚大部分分布在試驗(yàn)水槽的邊緣和角落區(qū)域，這與巖礁性魚類的趨觸性及水槽角落的陰影利于躲避有關(guān)；在引入流速條件后，參考許氏平鮋幼魚的巡航游速范圍，在來流速度大于0.3 m/s時(shí)，試驗(yàn)魚明顯向礁體內(nèi)部區(qū)域和尾流區(qū)域聚集靠攏，以此來抵抗高流速所帶來的影響。

3.3 不同流速下人工魚礁各區(qū)域分布率的差異

姜少杰等[33]利用Fluent軟件對正六棱柱式魚礁進(jìn)行數(shù)值模擬，同時(shí)通過水槽試驗(yàn)與模擬結(jié)果相互驗(yàn)證，證明數(shù)值模擬結(jié)果的有效性。本研究中通過循環(huán)水槽試驗(yàn)分析許氏平鲉幼魚在不同魚礁模型和不同來流速度下的區(qū)域分布率，結(jié)果表明，對魚礁流場效應(yīng)所帶來的分布率變化，框架礁的誘集率由63.06%減少到52.50%，圓柱礁由43.06%增加到59.44%，三角礁由39.17%增加到83.61%，實(shí)心礁由49.72%增加到70.28%，魚礁在高流速(0.4、0.5 m/s)環(huán)境下對巖礁性魚類的誘集效果顯著提高，在每種礁5個(gè)區(qū)域幼魚出現(xiàn)的頻率總體上為Ⅲ區(qū)>Ⅴ區(qū)>Ⅰ區(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅳ區(qū)，其中在0.5 m/s流速下，三角礁礁體內(nèi)部Ⅰ區(qū)分布率高達(dá)58.61%，4種礁型中以內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的三角型框架式魚礁對試驗(yàn)魚的誘集效果最好。說明在流速不斷增高的情況下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的三角型框架式魚礁對許氏平鮋幼魚的誘集效果更好，其中代表區(qū)域?yàn)榻阁w內(nèi)部區(qū)域和背渦流區(qū)域。

4 結(jié)論

綜合分析數(shù)值模擬結(jié)果和循環(huán)水槽試驗(yàn)結(jié)果，4種礁型的背渦流區(qū)域面積隨著來流速度的增加均呈現(xiàn)遞增趨勢，其中三角礁流場效應(yīng)的誘集效果最好，在高流速環(huán)境下，試驗(yàn)魚聚集區(qū)域主要集中在Ⅲ區(qū)和Ⅰ區(qū)，對應(yīng)區(qū)域流速遠(yuǎn)小于來流速度，為魚類提供良好的庇護(hù)場所，在今后的魚礁設(shè)計(jì)中，應(yīng)多考慮背渦流場和內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合餌料效果和陰影效應(yīng)，更好地發(fā)揮人工魚礁的誘集效果。此外，試驗(yàn)魚的選擇和室內(nèi)魚礁模型尺寸與實(shí)際海域相比存在一定差異，今后應(yīng)利用潛水觀察、定點(diǎn)攝像等技術(shù)手段實(shí)地對人工魚礁區(qū)的誘集效果進(jìn)行觀察，確定海域流場環(huán)境下魚群的分布規(guī)律，同時(shí)與室內(nèi)各種礁型組合誘集試驗(yàn)相結(jié)合，為人工魚礁礁體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。