舒安平，秦際平，2，孫 濤，楊 薇，王夢瑤，朱家品

（1.北京師范大學(xué) 環(huán)境學(xué)院 水沙科學(xué)教育部重點實驗室 水環(huán)境模擬國家重點實驗室，北京 100875；2.云南省環(huán)境科學(xué)研究院 環(huán)境規(guī)劃研究中心，云南 昆明 650034；3.北京市水資源調(diào)度中心，北京 100038）

1 研究背景

近年來，由于受生境退化、近海環(huán)境污染、對魚類資源的過度捕撈和全球氣候變化等因素的影響，全球海洋漁業(yè)資源明顯衰減［1-4］。人工魚礁是人為建造或放置在海底的水下結(jié)構(gòu)物，被認(rèn)為是減輕人類活動對沿海生態(tài)系統(tǒng)的影響，提高漁業(yè)產(chǎn)量的有效措施，并因此而蓬勃發(fā)展［5-6］。人工魚礁投放到海域后，由于其阻礙作用，海水來流會向上抬升形成上升流，部分海水會穿過礁體產(chǎn)生渦流和沉積流等［7］。上升流的存在能促進(jìn)上下層海水交換，增加底表層營養(yǎng)鹽輸運(yùn)，增強(qiáng)餌料效應(yīng)，對魚類有較為明顯的吸引力［8-9］；在礁體背面存在速度較小且平緩穩(wěn)定的渦流區(qū)，有利于營養(yǎng)物質(zhì)的沉積，為魚類等生物提供棲息、避敵和索餌的場所，有較為明顯的集魚效應(yīng)［10-11］。這種流場效應(yīng)被認(rèn)為是影響海洋環(huán)境的主要機(jī)制之一。

目前，針對人工魚礁水動力學(xué)特性研究，前人常用的方法主要有數(shù)值模擬仿真計算［12-13］和水槽［14-15］或風(fēng)洞［16-17］模型實驗，也有部分學(xué)者應(yīng)用了粒子圖像測速技術(shù)［18-19］。分析研究布設(shè)間距對人工魚礁流場效應(yīng)的影響。崔勇等［20］采用數(shù)值模擬方法探究了布設(shè)間距對方形組合礁體流場效應(yīng)的影響，結(jié)果表明兩組礁體之間的最佳布設(shè)間距應(yīng)為礁體尺寸的1 ～ 1.5 倍。王佳浩等［21］采用CFD 技術(shù)，研究了不同布設(shè)間距下多孔方型人工魚礁周圍水流運(yùn)動的規(guī)律，結(jié)果表明布設(shè)間距對2 個魚礁單體間的旋渦數(shù)量、旋渦方向、渦量大小和渦量分布范圍均有影響。于定勇等［22］通過室內(nèi)水槽實驗和數(shù)值模擬技術(shù)，研究了空心梯形臺人工魚礁體布設(shè)間距對水動力特性的影響，發(fā)現(xiàn)雙礁體的上升流規(guī)模、阻力系數(shù)均與垂直水流方向布設(shè)間距成反比，上升流規(guī)模隨平行水流方向布設(shè)間距成正比。關(guān)長濤等［23］采用RNGk-ε湍流模型和SIMPLEC 數(shù)值模擬方法，分析了布設(shè)間距對三圓管型人工魚礁流場效應(yīng)的影響，研究顯示橫向組合時布設(shè)間距等于礁體尺寸時獲得的上升流和背渦流的規(guī)模和強(qiáng)度最大；縱向組合方式時布設(shè)間距為礁體尺寸的1.5 ～ 2.0 倍時流場效應(yīng)最佳。劉洪生等［17］通過風(fēng)洞實驗研究了正方體、金字塔及三棱柱人工魚礁體在4 種縱向布設(shè)間距條件下的水流場，發(fā)現(xiàn)當(dāng)礁體布設(shè)間距為1 ～ 1.5 倍礁長時，流場效應(yīng)差異顯著。綜上分析可見，目前前人對人工魚礁布設(shè)間距的研究大多集中在兩單體礁之間，除了許聯(lián)鋒等［24］近年對渤海灣M 型人工魚礁區(qū)域流場分布特征及海床泥沙起動特征進(jìn)行過分析以外，對于單位魚礁群等較大尺度下的布設(shè)間距的研究則比較少見，特別是缺乏方形魚礁群水動力學(xué)特性研究。同時，對不同人工魚礁流場效應(yīng)優(yōu)劣的比較多停留在根據(jù)實驗現(xiàn)象或數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)描述，缺乏經(jīng)過一定方法進(jìn)行系統(tǒng)評價后得出優(yōu)劣程度的結(jié)論。

為此，本研究應(yīng)用粒子圖像測速技術(shù)（Particle Image Velocimetry，PIV），通過水槽模擬實驗，探討布設(shè)間距對方形生態(tài)礁單位礁流場及紊動效應(yīng)的影響，采用熵值法對實驗結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)評價，以期為單位魚礁內(nèi)間距的選取和魚礁的合理布局提供參考。

2 水槽模擬實驗概況

本實驗在北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院水沙科學(xué)教育部重點實驗室的多功能循環(huán)水槽中進(jìn)行。以遼東灣人工魚礁建設(shè)區(qū)為背景，基于擬投放的典型人工魚礁單位礁原型進(jìn)行合理比尺縮放，采用PIV 技術(shù)進(jìn)行人工魚礁水槽模擬實驗，探討方形多功能復(fù)合型生態(tài)礁（以下簡稱為方形生態(tài)礁）在不同流速條件下及不同單位魚礁內(nèi)間距的水動力學(xué)特性，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行格局優(yōu)化。

2.1 實驗裝置多功能水槽及PIV 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。多功能水槽底部和側(cè)面均為透明玻璃，水槽長25 m，寬0.8 m，高0.8 m；實驗段長4 m，寬0.8 m。水循環(huán)系統(tǒng)由地下水庫、水泵、蝶閥、蓄水池、水槽、尾門、尾水庫、回水渠等組成，實驗水流條件由流量控制系統(tǒng)控制。流量控制系統(tǒng)由綜合控制箱、變頻器、水泵、電磁流量計、計算機(jī)、串口卡和信號數(shù)據(jù)采集卡等組成，可以實時地采集并調(diào)整流量信息、水位信息以及尾門信息等。實驗過程中，通過調(diào)整電磁流量計和變頻器控制實驗流量大小，同時結(jié)合調(diào)節(jié)尾門開度，以保持水深恒定，從而達(dá)到各實驗設(shè)計條件。

圖1 多功能水槽及PIV 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PIV 是一種基于流場圖像互相關(guān)分析的非接觸式二維流場測量技術(shù)，能在不干擾流場的情況下測量瞬時流速場，是研究湍流等復(fù)雜形態(tài)瞬態(tài)流動的有力手段［25-26］。本實驗使用的PIV 系統(tǒng)由Dantec Dynamic 公司生產(chǎn)，其硬件系統(tǒng)主要包括戴爾計算機(jī)、激光發(fā)射器、同步器和高速數(shù)碼相機(jī)（以下簡稱為CCD 相機(jī)），工作軟件為該公司出品的Dynamic Studio 軟件，通過這一款軟件控制激光的發(fā)射、圖像的捕捉以及進(jìn)行后續(xù)流場數(shù)據(jù)的處理。本實驗采用的示蹤粒子為水體中存在的雜質(zhì)粒子，已經(jīng)過反復(fù)測試確定其可以滿足流場測量的需要。

2.2 實驗材料本實驗以遼東灣擬投放的方形生態(tài)礁單位魚礁為原型進(jìn)行實驗設(shè)計（如圖2所示）。方形生態(tài)礁單體礁原型尺寸為長3.5 m，寬3.5 m，高1.5 m ，單位魚礁為五點對稱式排布，四個頂點和中心各投3 個單體礁，單體礁之間間距為1 倍礁長3.5 m，呈品字形排列，15 個單體礁構(gòu)成邊長為50 m 的正方形單位礁，四個頂點上的魚礁組與中心魚礁組的間距約為19.50 m。魚礁模型按照幾何比尺50∶1 進(jìn)行設(shè)計，制作材料為有機(jī)玻璃，則單體礁模型尺寸為長0.07 m，寬0.07 m，高0.03 m。由于水槽寬度限制，不能按完整的單位礁規(guī)格進(jìn)行實驗，因此選擇單位礁原型排布中沿水流方向的三個魚礁組為實驗對象，實驗時單位礁群由9 個單體礁構(gòu)成，每組均為呈品字形排列的3 個單體礁，單體礁之間間距為1 倍礁長70 mm，魚礁組的間距約為390 mm，記為L，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行縮小和擴(kuò)大。

圖2 方形生態(tài)礁單位礁原型及單體礁原型示意

表1 實驗工況

圖3 單位礁構(gòu)成及不同單位礁內(nèi)間距的魚礁擺放示意

2.4 實驗步驟前期準(zhǔn)備：調(diào)試PIV 系統(tǒng)，確定拍攝畫面。按要求連接好電腦、激光和相機(jī)間的各個連接線。將激光放置于水槽底部正下方中央，使其從水槽底部打向水槽縱向中軸面，將CCD 相機(jī)架設(shè)于水槽側(cè)面，鏡頭與片光面垂直。將帶刻度的標(biāo)定板放在中軸面上，調(diào)整相機(jī)參數(shù)拍攝一張清晰的標(biāo)定圖片。圖4 為實驗部分場景照片。

圖4 水槽模擬實驗場景

準(zhǔn)備實驗階段：（1）使用透明雙面膠將所有魚礁模型按照不同的工況固定至水槽底部玻璃板上，使單位礁縱向中軸線與水槽中軸線重合。（2）將ADV 流速儀設(shè)置在魚礁的上游1 ～ 2 m 處位置，用以確定來流速度。（3）啟動計算機(jī)軟件，打開相機(jī)等設(shè)備，預(yù)熱激光。

正式實驗階段：（1）打開水槽流量控制循環(huán)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)流量至設(shè)計值，調(diào)整尾門角度使水位到達(dá)30 cm。（2）待ADV 流速儀測量結(jié)果與設(shè)計流速相近時，打開激光，使用CCD 相機(jī)按既定參數(shù)采集500 幀（每幀包含A、B 兩個畫面）瞬時粒子運(yùn)動圖像，并保存。（3）由于CCD 相機(jī)能拍攝的最大畫面（30 cm×20 cm）較小，本研究選擇分段獲取人工魚礁流場圖像。當(dāng)前一拍攝點的粒子運(yùn)動圖像采集完成后，關(guān)閉激光，將激光發(fā)射器及相機(jī)沿水流方向平移至下一觀測點位進(jìn)行新一輪圖像采集，此過程中需注意兩次拍攝的粒子運(yùn)動畫面需要有部分重合區(qū)域，以便于后期數(shù)據(jù)處理。（4）重復(fù)以上操作至該工況下單位礁粒子運(yùn)動圖像拍攝完畢，隨后關(guān)閉所有設(shè)備，該組次實驗停止。實驗結(jié)束后，利用軟件進(jìn)行圖像分析提取速度場，將同一工況下的不同觀測點的速度矢量圖中數(shù)據(jù)導(dǎo)出，最終對全部實驗資料進(jìn)行整理、對比分析。

3 人工魚礁區(qū)域水沙動力學(xué)特征

人工魚礁投放后的流場效應(yīng)主要表現(xiàn)為在魚礁前方產(chǎn)生的上升流區(qū)域與在魚礁后方形成的背渦流區(qū)域［19］，因此，本研究在分析水動力學(xué)特性時主要考慮礁體周圍的上升流和背渦流分布情況以及前人研究較少的紊動強(qiáng)度變化情況。

3.1 上升流流場特征人工魚礁投放后，來流受到礁體阻礙作用向上抬升形成上升流。上升流能促進(jìn)上下層海水交換，增加營養(yǎng)鹽輸運(yùn)，提高海洋初級生產(chǎn)力，增強(qiáng)礁區(qū)餌料效應(yīng)，因此，通常將上升流的規(guī)模大小作為評價人工魚礁流場效應(yīng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。目前，對于上升流還沒有一個統(tǒng)一的界定標(biāo)準(zhǔn)，本研究綜合借鑒前人研究結(jié)論［12，27-28］，將垂向流速v與來流速度u0之比大于或等于10%的區(qū)域定義為上升流區(qū)域。

不同工況下上升流區(qū)域的分布情況表現(xiàn)出高度的相似性，上升流區(qū)主要集中于每組魚礁的第一個單體礁迎流面上方尖角處，并大致以尖角為中心呈圓形分布，沿水流方向，后方礁體產(chǎn)生的上升流區(qū)的規(guī)模逐漸減小，規(guī)模最大的上升流區(qū)出現(xiàn)在第一個迎流單體礁的前方。但由于方形生態(tài)礁開口率較大，基本呈鏤空的框架式結(jié)構(gòu)，水流容易直接從礁體內(nèi)部通過，阻礙作用較弱，因此產(chǎn)生的上升流區(qū)域不甚明顯。圖5（a）為單位魚礁內(nèi)魚礁組間距為1.25L時不同工況下的上升流區(qū)域情況，圖5（b）為對應(yīng)工況下單體礁A-1 產(chǎn)生的上升流情況。

2018年是高考改革的過渡時期，高考數(shù)學(xué)試題設(shè)計嚴(yán)格遵循《考試大綱》和《課程標(biāo)準(zhǔn)》，沒有片面或者過度追求創(chuàng)新，試題簡潔明快、自然清新，閱讀量小，在平和中見新意，在樸實中見靈動，重視基礎(chǔ)知識、基本技能和基本思想方法的考查，堅持能力立意，突出對高中數(shù)學(xué)主干內(nèi)容的考查，滲透直觀想象、邏輯推理、數(shù)學(xué)文化、創(chuàng)新意識、數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)學(xué)建模等方法的考查，幾乎沒有偏題和怪題，對中學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)有很好的導(dǎo)向作用。

圖5 方形生態(tài)礁單位魚礁不同工況上升流分布

以每個工況下上升流區(qū)域的長度、高度、面積等作為特征值進(jìn)行比較分析，其中，采用最大上升流速度vmax和上升流平均速度vave兩個指標(biāo)來衡量上升流的強(qiáng)度，采用上升流最大高度Hupmax、上升流最大長度Lupmax和上升流總面積Sup來表征上升流的規(guī)模大小。上升流高度以魚礁底部為零點計算。

圖6 顯示的是各組次不同工況下上升流特征值的變化情況?？傮w而言，4 種間距下的各項上升流特征值均呈現(xiàn)出隨著流速的增加而增加的趨勢，與前人的研究結(jié)論一致［17-20，27］。而在同一流速下，上升流特征值隨間距變化并無明顯變化。各間距下的上升流強(qiáng)度差異不顯著，上升流最大流速約為來流速度的22.96% ～ 34.54%，與張碩等［14］的研究結(jié)論接近，大于虞聰達(dá)等［27］的研究結(jié)果。上升流平均流速約為來流速度的9.98% ～ 15.98%。上升流最大高度呈現(xiàn)出隨著間距的增加先增大后減小的趨勢，大致表現(xiàn)為1.00L>1.25L>0.75L>1.50L，約為單體礁礁高的1.15 ～ 1.50 倍，與崔勇等的研究結(jié)果較為一致［13-14，27］，而與關(guān)長濤等的研究結(jié)果略有差異［18，20］。上升流最大長度約為單體礁礁高的0.71 ～ 1.09 倍，大致表現(xiàn)為1.25L≈1.00L>0.75L>1.50L。上升流總面積整體表現(xiàn)為1.25L≈1.00L>0.75L>1.50L。

圖6 不同流速條件下的上升流特征值隨魚礁群間距變化

3.2 背渦流流場特征人工魚礁投放后，部分來流會穿過礁體在其背面產(chǎn)生速度較小且平緩的區(qū)域，由于其中有大量漩渦存在，故稱之為背渦流區(qū)域。該區(qū)域渦流結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，有利于營養(yǎng)物質(zhì)的沉積，為魚類等生物提供棲息、避敵和索餌的場所。背渦流的規(guī)模大小也是評價人工魚礁流場效應(yīng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。本研究將背渦流區(qū)域定義為在單體礁背面或內(nèi)部形成的有漩渦存在的緩流區(qū)。

各組次不同工況下背渦流區(qū)域的分布情況也表現(xiàn)出高度的相似性，背渦流區(qū)主要集中于每組魚礁的第一個單體礁背面，但基本沒有大漩渦出現(xiàn)，整個流場內(nèi)共產(chǎn)生3 個背渦流區(qū)，沿水流方向，背渦流區(qū)規(guī)模變化較小。單體礁內(nèi)部也會有較小的渦流產(chǎn)生，但較整體而言規(guī)模過小，因此可忽略不計。圖7 為單體礁A-1 后部不同工況下產(chǎn)生的背渦流情況。

圖7 方形生態(tài)礁單位魚礁內(nèi)第一個礁體后部不同工況下背渦流區(qū)域

采用背渦流最大高度Hbmax、背渦流最大長度Lbmax和背渦流總面積Sb來表征背渦流的規(guī)模大小，背渦流高度以魚礁底部為零點計算。對每個工況下的背渦流特征值進(jìn)行比較分析。

圖8 顯示的是不同工況下背渦流特征值的變化情況?？傮w而言，4 種間距下的各項背渦流特征值均呈現(xiàn)出隨著流速的增加而增加的趨勢，與前人的研究結(jié)論相似［17-18，27］。而在同一流速下，背渦流特征值整體上表現(xiàn)為隨間距的增加先增大后減小，均在間距為1.00L時達(dá)到最大值，大致表現(xiàn)為：1.00L>1.25L>0.75L>1.50L。背渦流最大高度約為單體礁礁高的0.76 ～ 0.86 倍，背渦流最大長度約為單體礁礁高的1.91 ～ 2.0 倍，兩指標(biāo)均略小于張碩等［15］的研究結(jié)論，不同間距間差異均不顯著。

圖8 不同流速條件下的背渦流特征值隨魚礁間距變化

3.3 紊動強(qiáng)度及其對泥沙起懸的影響水流的脈動結(jié)構(gòu)主要是指紊動強(qiáng)度的分布，紊動強(qiáng)度是常用來描述紊流流場特性的一個重要指標(biāo)，也是水流結(jié)構(gòu)的重要性質(zhì)。水流紊動與泥沙起動、擴(kuò)散、懸浮和輸運(yùn)有密切聯(lián)系。紊動與含沙量分布關(guān)系密切，近底的小尺度紊動是促使床沙懸浮的原動力，而遠(yuǎn)離的大尺度紊動是轉(zhuǎn)運(yùn)泥沙的重要因素，泥沙濃度和紊動強(qiáng)度沿垂線的分布有很大的內(nèi)在聯(lián)系［29］。水流的紊動結(jié)構(gòu)在最小尺度上控制著魚礁與周圍海水的化學(xué)和物理相互作用［30］，另外，紊動結(jié)構(gòu)的存在會改變泥沙顆粒的沉降速度，進(jìn)而改變懸浮泥沙濃度，湍流對于泥沙輸移和海床演變非常重要［31-32］。不同魚類對水體紊動強(qiáng)度的喜好不同，投放魚礁使紊流特征發(fā)生變化，亦能起到集魚的作用。

紊動強(qiáng)度

式中：ui為i點上縱向瞬時流速；N為采樣統(tǒng)計的個數(shù)。垂向紊動強(qiáng)度的表達(dá)式與上式類似。為了討論方便，將紊動強(qiáng)度除以來流平均流速u無量綱化處理為縱向相對紊動強(qiáng)度σ′u和垂向相對紊動強(qiáng)度σ′v。計算出每個工況下整個實驗區(qū)域的平均相對紊動強(qiáng)度，計算結(jié)果如圖9所示。各組次不同工況下平均縱向紊動強(qiáng)度均大于平均垂向紊動強(qiáng)度，同一間距條件均大致呈現(xiàn)出隨流速增加而減小的趨勢。投放魚礁后平均縱向、垂向紊動強(qiáng)度均大于無魚礁時，說明投礁后水流條件變得更加復(fù)雜，能夠起動和懸浮的泥沙和餌料顆粒增多，多樣性的水流結(jié)構(gòu)也為海洋生物的生活提供了更多選擇。

圖9 方形生態(tài)礁單位魚礁各組次不同工況下平均相對紊動強(qiáng)度隨流速變化關(guān)系

4 人工魚礁布局方案優(yōu)化的探討

為了更好地判斷方形生態(tài)礁單位魚礁在何種布設(shè)間距下產(chǎn)生的流場效應(yīng)最優(yōu)，本文選取能體現(xiàn)流場效應(yīng)優(yōu)劣的上升流和背渦流的特征值，與水流條件密切相關(guān)的紊動強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)成本等11 個指標(biāo)為評價指標(biāo)，采用熵值法賦權(quán)，計算出各個工況下每個間距的流場效應(yīng)評價得分，最后利用簡單加權(quán)法計算出每個間距的綜合得分，其值最大的為最優(yōu)方案。

4.1 熵值優(yōu)化方法熵值法的基本思想是從指標(biāo)熵的角度來反映指標(biāo)對評價對象的區(qū)分程度，某指標(biāo)的熵值越小，說明提供的有用信息量越多，相應(yīng)的權(quán)重也就越大；反之，熵值越大，表明指標(biāo)越不重要［33-34］。

熵值法是一種客觀賦權(quán)法，可以克服人為的主觀因素，客觀反映各指標(biāo)的效用值，自提出以來，被廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域問題的評價［35-38］以及多工況優(yōu)化［39］、不同方案優(yōu)選分析［40-42］中，對指標(biāo)數(shù)量沒有限制，實用性強(qiáng)，適用范圍較廣［34］。

熵值法的具體步驟［38］為：采用極值法將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，并評價對象的特征比重或貢獻(xiàn)度（pij），再計算各項指標(biāo)的熵值（ej）和差異系數(shù)（gj），對差異系數(shù)歸一化，計算第j項指標(biāo)的權(quán)重（Wj）：

最后，計算第i個評價對象的各項指標(biāo)的綜合得分（Yi）：

4.2 優(yōu)化評價指標(biāo)權(quán)重的確定建立兩個評價指標(biāo)體系，其中，第一個只考慮水動力學(xué)指標(biāo)，第二個同時考慮水動力和經(jīng)濟(jì)成本指標(biāo)，以探討在魚礁建設(shè)中生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)成本的平衡問題。對于經(jīng)濟(jì)成本指標(biāo)，通過前期現(xiàn)場調(diào)查和文獻(xiàn)調(diào)研等，了解到方形生態(tài)礁單體礁占據(jù)的空方量和每空方造價，但如果直接以每空方造價作為經(jīng)濟(jì)成本指標(biāo)，則所有設(shè)計間距下該指標(biāo)的數(shù)值均相等，此時該指標(biāo)在綜合評價中不起作用［42］。為了提高評價指標(biāo)的合理性，通過采用單位魚礁總造價和其所占面積，提出單位魚礁每平方米造價指標(biāo)，將其作為經(jīng)濟(jì)成本指標(biāo)，具體結(jié)果如表2所示。

表2 方形生態(tài)礁單位魚礁流場效應(yīng)經(jīng)濟(jì)成本評價指標(biāo)

按照熵值法計算出5個流速下各評價指標(biāo)的權(quán)重，為了使權(quán)重更合理，采用各指標(biāo)在5個流速下權(quán)重的算術(shù)平均值作為最終權(quán)重，具體如表3所示。由表可知，兩個指標(biāo)體系下各類型指標(biāo)權(quán)重變化較小，排名均為：上升流>背渦流>紊動強(qiáng)度。經(jīng)濟(jì)成本指標(biāo)權(quán)重為7.99%，在所有指標(biāo)中排名第九，權(quán)重較小。

表3 方形生態(tài)礁單位魚礁流場效應(yīng)評價指標(biāo)權(quán)重體系

4.3 評價結(jié)果分析根據(jù)確定的指標(biāo)權(quán)重體系，按照式（3）計算出5 個設(shè)計流速下每個間距的得分，為了便于對不同間距的流場效應(yīng)評價結(jié)果進(jìn)行對比分析，最后采用5 個流速的算術(shù)平均值作為每個間距的綜合得分Y，兩個指標(biāo)體系的綜合得分分別記為Y1和Y2。

圖10 顯示了4 種間距下方形生態(tài)礁單位魚礁流場效應(yīng)的最后得分。僅考慮水動力指標(biāo)時，綜合得分表現(xiàn)為：1.25L>1.00L>0.75L>1.50L，1.25L和1.00L的得分顯著高于0.75L和1.50L，但1.25L僅比1.00L差距很小，兩者處于持平的位置。同時還可以發(fā)現(xiàn)，繼續(xù)增加間距，綜合得分明顯下降，可能是因為方形生態(tài)礁從本質(zhì)上看是一個框架式結(jié)構(gòu)，其空隙率較大，透水性很強(qiáng)，當(dāng)魚礁組間距過遠(yuǎn)時，不能充分地發(fā)揮魚礁間的協(xié)同效應(yīng)等，因此在投放時單位魚礁規(guī)模不宜過大。納入成本指標(biāo)后，綜合得分表現(xiàn)為1.25L>1.00L>1.50L>0.75L，而且1.25L與1.00L得分差距較小，兩者之間擬合在1.15L處存在相對極值，而0.75L和1.50L之間的結(jié)果互換了，這說明，經(jīng)濟(jì)成本對不同規(guī)模大小的方形生態(tài)礁單位魚礁有較大影響，雖然在整個評價指標(biāo)體系中經(jīng)濟(jì)成本只占8%的權(quán)重，但在實際建設(shè)大規(guī)模人工魚礁群時經(jīng)濟(jì)投入是巨大的，在決定投放規(guī)模時要綜合考慮魚礁投放后所能產(chǎn)生的流場效應(yīng)和建設(shè)成本。所以建議在實際投放方形生態(tài)礁單位魚礁時在原設(shè)計間距的基礎(chǔ)上擴(kuò)大15%。

圖10 方形生態(tài)礁單位魚礁流場效應(yīng)評價綜合得分

5 結(jié)論

（1）各組次不同工況下的流場，模擬實驗結(jié)果表明，總體而言，不論是上升流特征值還是背渦流特征值，同一間距下各項特征值均呈現(xiàn)出隨著流速的增加而增加的趨勢；同一流速下上升流特征值隨間距變化并無明顯變化，而背渦流特征值整體上表現(xiàn)為隨間距的增加先增大后減小，均在間距為1.00L時達(dá)到最大值，大致表現(xiàn)為1.00L>1.25L>0.75L>1.50L。

（2）各個工況下，平均縱向紊動強(qiáng)度均大于平均垂向紊動強(qiáng)度，同一間距下大致呈隨流速增加而減小的趨勢。投礁后平均紊動強(qiáng)度均有所增大，表明能夠起動和懸浮的泥沙和餌料顆粒增多，有利于提高海洋生物生產(chǎn)量。

（3）采用熵值法，基于水動力學(xué)特性和經(jīng)濟(jì)成本對4 種間距下方形生態(tài)礁的流場效應(yīng)進(jìn)行了兩次評價。僅考慮水動力指標(biāo)時，流場效應(yīng)綜合得分表現(xiàn)為1.25L>1.00L>0.75L>1.50L，但1.25L與1.00L持平，差距很??；繼續(xù)增加單位魚礁間距，綜合得分呈明顯的下降趨勢，因此在投放方形生態(tài)礁時單位礁規(guī)模不宜過大。納入成本指標(biāo)后，綜合得分表現(xiàn)為1.25L>1.00L>1.50L>0.75L。但1.25L與1.00L得分差距較小，經(jīng)精細(xì)化模擬得出在1.15L處存在相對極大值，在綜合考慮生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)成本，建議在實際投放方形生態(tài)礁單位魚礁時在原設(shè)計間距的基礎(chǔ)上擴(kuò)大15%。

本文通過人工魚礁水槽模擬實驗對方形生態(tài)礁單位礁流場效應(yīng)的上升流與背渦流特征以及紊動與泥沙起懸關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了分析，并采用熵值法基于水動力和成本指標(biāo)評價體系進(jìn)行了綜合評價，綜合考慮生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)成本，建議在實際投放方形生態(tài)礁單位魚礁時在原設(shè)計間距的基礎(chǔ)上擴(kuò)大25%，為人工魚礁建設(shè)提供了參考依據(jù)。然而，由于本文選取的評價指標(biāo)體系還不夠全面，評價結(jié)果仍具有一定局限性，在未來的研究中尚需進(jìn)一步完善。