薛大文，龐聰利，潘 昀

(浙江海洋大學(xué)船舶與海運(yùn)學(xué)院，浙江 舟山 316022)

隨著生活水平的日益提高，人們對(duì)海產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來(lái)越高，由于過(guò)度捕撈、海洋生態(tài)環(huán)境惡化、“海洋荒漠化”現(xiàn)象頻發(fā)，漁業(yè)資源在不斷衰退，建設(shè)海洋牧場(chǎng)成為解決現(xiàn)實(shí)困境的途徑之一。海洋牧場(chǎng)的建設(shè)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，包含多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域，其中首要環(huán)節(jié)是進(jìn)行生境修復(fù)，而生境建設(shè)主要通過(guò)投放人工魚(yú)礁實(shí)現(xiàn)。人工魚(yú)礁是相對(duì)于自然魚(yú)礁而言的，經(jīng)過(guò)科學(xué)選址、合理規(guī)劃后投放于海底的人工構(gòu)造物，是海洋牧場(chǎng)生境修復(fù)的重要技術(shù)手段之一。布設(shè)人工魚(yú)礁后，由于礁體對(duì)流體產(chǎn)生阻礙作用，礁體的上部和背部形成上升流和背渦流區(qū)域，這為魚(yú)類(lèi)等海洋生物提供了避敵、索餌、棲息生長(zhǎng)的場(chǎng)所，實(shí)現(xiàn)了漁業(yè)資源增殖和生態(tài)效益[1]。Granneman 等[2]通過(guò)定量評(píng)估南加州海灣人工礁和天然礁，發(fā)現(xiàn)了人工礁在聚集魚(yú)類(lèi)密度和生物數(shù)量方面優(yōu)于天然礁。隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展和商用軟件的推廣，數(shù)值模擬技術(shù)由于具備成本低、效率高、可解決復(fù)雜問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用于人工魚(yú)礁領(lǐng)域。

人工魚(yú)礁水動(dòng)力特性直接決定其流場(chǎng)效應(yīng)及其穩(wěn)定性。張碩等[3]研究了不同高度的魚(yú)礁水動(dòng)力特性，得出上升流效應(yīng)與礁高不呈正相關(guān)，但背渦流長(zhǎng)度、高度、面積與礁高成正比。于定勇等[4]研究了不同開(kāi)口比的單體人工魚(yú)礁流場(chǎng)，結(jié)果表明上升流和背渦流范圍隨開(kāi)口比的增大而減小。王佳浩等[5]研究了不同布設(shè)間距下人工魚(yú)礁流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，渦量及流場(chǎng)效應(yīng)受布設(shè)間距的影響較明顯。

除了流場(chǎng)效應(yīng)，在穩(wěn)定性方面，張世東[6]通過(guò)數(shù)值模擬和水槽實(shí)驗(yàn)，對(duì)比研究了4 種不同開(kāi)口大小和迎流角度下的方形人工魚(yú)礁受力特征，結(jié)果表明水槽實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬所得阻力系數(shù)誤差較小，驗(yàn)證了數(shù)值模擬研究人工魚(yú)礁水動(dòng)力性能的可行性和準(zhǔn)確性。許柳雄等[7]、關(guān)長(zhǎng)濤等[8]、唐衍力等[9]、葉功照等[10]對(duì)不同結(jié)構(gòu)、不同雷諾數(shù)和波況、不同迎流角度條件下的人工魚(yú)礁受力特征進(jìn)行了深入研究。張碩等[11]通過(guò)數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)對(duì)比研究了不同形狀開(kāi)口大小的方形人工魚(yú)礁，得到了4 種迎流角度下人工魚(yú)礁阻力系數(shù)與迎流角度的關(guān)系，指出迎流角度對(duì)礁體的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。

總結(jié)上述研究發(fā)現(xiàn)，在工魚(yú)礁流場(chǎng)效應(yīng)評(píng)價(jià)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要考慮魚(yú)礁的開(kāi)口比、布設(shè)間矩、礁體高度、礁體頂部有蓋無(wú)蓋等因素的影響，但對(duì)人工魚(yú)礁體流場(chǎng)效應(yīng)隨迎流角度的變化情況研究較少。在人工魚(yú)礁的迎流方式方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者主要研究了方形人工魚(yú)礁下迎流面形狀與迎流面角度對(duì)魚(yú)礁穩(wěn)定性的影響，尚未涉及交叉型魚(yú)礁在不同迎流角度下的流態(tài)效應(yīng)?；诖?，實(shí)驗(yàn)以舟山海域水文條件為基礎(chǔ)，選取3 種來(lái)流速度和4 種迎流角度的立方對(duì)角面開(kāi)孔型魚(yú)礁，通過(guò)數(shù)值模擬的方法，定量研究其水動(dòng)力特性，旨在探究礁體上升流規(guī)模、背渦流規(guī)模、阻力和傾覆力矩等隨迎流角度的變化規(guī)律，以期為實(shí)際海域投放人工魚(yú)礁提供理論參考。

1 數(shù)值模擬方法及計(jì)算模型

1.1 控制方程和湍流模型

根據(jù)流動(dòng)分離和旋渦的演變發(fā)展，假設(shè)人工魚(yú)礁附近所在的流場(chǎng)為典型的非定常、黏性不可壓縮流體，因海水溫度變化較小，因此能量方程可以忽略。在三維笛卡爾坐標(biāo)中，其連續(xù)性方程和雷諾時(shí)均Navier-Stokes 方程：

式中，μ為動(dòng)力黏度；ui(i=1,2,3)分別為x、y、z方向的雷諾平均速度；p為平均壓強(qiáng)；代表未知的雷諾應(yīng)力項(xiàng)。

由于計(jì)算條件的有限性，本實(shí)驗(yàn)采用由Launder 和Spalding 提出的RNGk -ε模型，該模型基本形式簡(jiǎn)單，精度適中，適用于高雷諾數(shù)模型，且廣泛應(yīng)用于工程流場(chǎng)計(jì)算中[12]。

湍動(dòng)能k方程：

湍流耗散率ε方程：

式中，兩方程的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)分別取值為Cl=1.44，C2=1.92，Cμ=0.99，δk=1.0，δε=1.3。

1.2 魚(yú)礁結(jié)構(gòu)及計(jì)算區(qū)域

我國(guó)東海區(qū)投放的人工魚(yú)礁尺寸范圍一般在2～4 m，以3 m×3 m×3 m 正方形礁體居多[13]，因此本研究采用了方形礁體的框架，為了擴(kuò)大魚(yú)礁的生物附著面積、增強(qiáng)礁體的通透性，在方形框架的基礎(chǔ)上設(shè)置了交叉型導(dǎo)流板并進(jìn)行了開(kāi)孔設(shè)計(jì)。魚(yú)礁模型的邊長(zhǎng)為3 m，棱柱寬0.3 m，中間交叉的導(dǎo)流板厚0.1 m，導(dǎo)流板上開(kāi)有6 個(gè)直徑為0.4 m 的圓孔 (圖1)。數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域尺寸為30 m××12 m×10 m，來(lái)流方向從左至右，坐標(biāo)原點(diǎn)置于礁體底面中心，礁體底部緊貼計(jì)算域 (圖2)。對(duì)魚(yú)礁模型模擬4 種不同迎流方式下的流場(chǎng)，以魚(yú)礁底部原點(diǎn)為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，分別為0°、15°、30°和45°。

圖1 人工魚(yú)礁模型三維圖(a)及魚(yú)礁對(duì)角面特征尺寸(b)Fig.1 3D model of artificial reef (a) and diagonal surface and opening size of reef (b)

圖2 計(jì)算區(qū)域Fig.2 Computational domain

1.3 邊界條件

舟山海域是我國(guó)著名的強(qiáng)潮海域，根據(jù)虞聰達(dá)[14]對(duì)舟山漁場(chǎng)的環(huán)境調(diào)查，舟山海域適宜投放魚(yú)礁的最大流速為1.6 m/s，平均流速為1.13 m/s，這與許強(qiáng)[15]舟山市海域大潮底層最大流速范圍為0.4～1.6 m/s、平均流速范圍為0.2～0.8 m/s 相一致。從養(yǎng)殖和生態(tài)效應(yīng)角度而言，人工魚(yú)礁區(qū)既需要一定的流速以減少自身的污染也應(yīng)避免流速過(guò)大損害魚(yú)礁設(shè)施，影響?hù)~(yú)類(lèi)增殖生長(zhǎng)，綜合考慮理論依據(jù)和舟山海域?qū)嶋H流速，本研究分別選取0.5、1.0 和1.5 m/s 的來(lái)流速度作為速度入口邊界條件(velocity inlet)，計(jì)算區(qū)域出口邊界設(shè)置為壓力出口(pressure outlet)計(jì)算域的兩側(cè)設(shè)置為對(duì)稱(chēng)邊界(symmetry)，礁體及海底為剛性固體，因此與海水接觸的面設(shè)定為壁面邊界條件，并采用無(wú)滑移壁面(wall)。

2 數(shù)值模擬可靠性驗(yàn)證

2.1 計(jì)算模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本研究所采用的數(shù)值方法、湍流模型及相關(guān)參數(shù)設(shè)置模擬人工魚(yú)礁流場(chǎng)效應(yīng)的有效性和準(zhǔn)確性，基于張碩等[11,16]所做的六邊開(kāi)口方形魚(yú)礁水槽實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬為驗(yàn)證算例，對(duì)比驗(yàn)證不同水流速度條件下礁體阻力及其變化。礁體邊長(zhǎng)為20 cm×20 cm×20 cm，壁厚為5 mm，除頂面不作開(kāi)口處理，其余5 個(gè)面均開(kāi)有相同的六邊形。本研究選擇開(kāi)口比為0.25 的六邊開(kāi)口方形魚(yú)礁展開(kāi)模擬對(duì)比分析，模擬所得阻力與張碩等[16]的實(shí)驗(yàn)及模擬數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)圖3 與表1。從圖3 可得，模擬結(jié)果和文獻(xiàn)結(jié)果在變化趨勢(shì)上一致，并且與文獻(xiàn)的數(shù)值及實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合；由表1 可知，本模擬結(jié)果與張碩等[11]的物理實(shí)驗(yàn)的相對(duì)誤差值在5.166%～9.903%，與張碩等[16]的數(shù)值實(shí)驗(yàn)相對(duì)誤差值在0.739%～7.936%。綜上表明，本研究的數(shù)值模擬可行，所選模型能夠利用Fluent 軟件通過(guò)數(shù)值模擬得到較為準(zhǔn)確的流場(chǎng)分布及阻力特征。

表1 礁體阻力對(duì)比結(jié)果Tab.1 Comparison result of reef resistance

圖3 礁體阻力的實(shí)驗(yàn)值與模擬值的比較Fig.3 Comparison of experimental and simulated values of reef resistance

2.2 網(wǎng)格尺寸及時(shí)間步長(zhǎng)敏感性分析

數(shù)值模擬計(jì)算中，網(wǎng)格尺寸及分布對(duì)模擬的精度及效率有重要影響，因此對(duì)網(wǎng)格敏感性的分析可以保證數(shù)值模擬結(jié)果與網(wǎng)格尺寸無(wú)關(guān)，以此驗(yàn)證模擬的科學(xué)準(zhǔn)確性。本研究以迎流角度為0°，來(lái)流速度為1.0 m/s 的工況為例，采用不同的網(wǎng)格尺寸對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行劃分，最大網(wǎng)格尺寸分別為0.2、0.1 和0.05 m，以礁體所受阻力作為參量進(jìn)行網(wǎng)格敏感性分析。由圖4 可以看出，當(dāng)最大網(wǎng)格尺寸為0.2 m 時(shí)，流動(dòng)時(shí)間在前50 s 內(nèi)礁體所受的阻力波動(dòng)較大，而最大網(wǎng)格尺寸為0.1 m 和0.05 m 的波動(dòng)幅度大致相同，隨著流動(dòng)時(shí)間的增加，3 種網(wǎng)格尺寸下礁體所受的阻力都趨于穩(wěn)定，最大網(wǎng)格尺寸為0.2 m 時(shí)阻力值稍大，另2 種網(wǎng)格下阻力值基本接近。考慮節(jié)約計(jì)算資源和保證計(jì)算精度，選取最大網(wǎng)格尺寸為0.1 m 作為后續(xù)計(jì)算網(wǎng)格。

圖4 不同網(wǎng)格尺寸模擬結(jié)果Fig.4 Simulated results with different gird sizes

在瞬態(tài)計(jì)算中，時(shí)間步長(zhǎng)的選取影響計(jì)算的收斂性及計(jì)算總時(shí)耗。為兼顧計(jì)算的穩(wěn)定性和收斂速度，根據(jù)庫(kù)朗數(shù)選取時(shí)間步長(zhǎng)為0.100、0.005、0.002 和0.001 s 進(jìn)行時(shí)間步長(zhǎng)敏感性分析，對(duì)比不同時(shí)間步長(zhǎng)條件下礁體阻力系數(shù)結(jié)果如表2 所示，可知，隨時(shí)間步長(zhǎng)減小，礁體阻力系數(shù)值趨于穩(wěn)定，當(dāng)時(shí)間步長(zhǎng)低于0.002 s 時(shí)，阻力系數(shù)值基本不變，因此本研究在后續(xù)數(shù)值計(jì)算時(shí)設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為0.002 s。

表2 不同時(shí)間步長(zhǎng)模擬結(jié)果Tab.2 Smulation results at different time steps

3 結(jié)果

流場(chǎng)效應(yīng)是表征人工魚(yú)礁水動(dòng)力特性的重要方面，而人工魚(yú)礁的流場(chǎng)效應(yīng)主要體現(xiàn)在魚(yú)礁前方產(chǎn)生的上升流和后方產(chǎn)生的背渦流。因此，本研究以上升流體積和背渦流體積為指標(biāo)來(lái)衡量魚(yú)礁體的流場(chǎng)規(guī)模。在定義上升流范圍和背渦流范圍時(shí)，參考李珺等[17]的取值方法并依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究采用的方法，上升流定義為水流z 方向(即垂直地面方向)速度與來(lái)流速度之比大于或等于20%的水域，背渦流定義為水流x 方向上速度分量與來(lái)流速度之比絕對(duì)值小于70%的區(qū)域?；谏鲜鰯?shù)值方法，選取3 種不同流速的工況，模擬不同迎流角度立方對(duì)角面開(kāi)孔人工魚(yú)礁體周?chē)乃鲌?chǎng)。

3.1 礁體流場(chǎng)效應(yīng)分析

不同流速條件對(duì)魚(yú)礁流場(chǎng)效應(yīng)的影響 如圖5 所示為迎流角度為0°時(shí)，Z=1.5 m 高度處橫向斷面流速分布。從中可知，對(duì)于單體魚(yú)礁而言，由于水流的抬升作用，魚(yú)礁前方形成了垂向流速較大的區(qū)域，即為上升流區(qū)域；而在礁體的背流面，鈍體繞流影響以及孔狀透水結(jié)構(gòu)形成了流速較小的背渦流區(qū)域。對(duì)比可知，不同來(lái)流速度下礁體周?chē)牧鲌?chǎng)結(jié)構(gòu)基本相似，流動(dòng)受到礁體影響流速減小，在礁體前部抬升并形成繞流，在礁體兩側(cè)流速增加，礁體內(nèi)部交叉隔板及孔洞結(jié)構(gòu)使下游流速減小并形成尾流區(qū)。圖6、圖7 分別為不同流速條件下魚(yú)礁上升流體積和背渦流體積隨時(shí)間變化情況，由圖可知，3 種流速下礁體的上升流體積和背渦流體積發(fā)展趨勢(shì)基本類(lèi)似。流動(dòng)初期上升流體積的曲線呈現(xiàn)劇烈振蕩，表明流場(chǎng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，隨著時(shí)間增加逐漸趨于穩(wěn)定，曲線保持平緩；對(duì)于背渦流體積曲線，在流動(dòng)初期，曲線呈現(xiàn)近線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，背渦流體積不斷增大，最終趨于平緩，表明流場(chǎng)逐漸穩(wěn)定。結(jié)合以上分析，本研究基于計(jì)算穩(wěn)定后的流場(chǎng)數(shù)據(jù)，得到上升流體積Vx和背渦流體積(圖8)。比較3種不同來(lái)流速度下的流場(chǎng)規(guī)模，上升流體積和背渦流體積均無(wú)較大差距，表明隨來(lái)流速度的增大，魚(yú)礁的流場(chǎng)規(guī)模并無(wú)明顯增加。

圖5 迎流角度為0°，Z=1.5 m 高度橫向斷面上的速度分布Fig.5 Upstream angle is 0°,the velocity distribution on transverse section Z=1.5 m

圖6 不同流速下，魚(yú)礁上升流體積變化Fig.6 Variation of upwelling volume with different velocities

圖7 不同流速下，魚(yú)礁背渦流體積變化Fig.7 Variation of upwelling volume with different velocities

圖8 不同流速、不同迎流角度下，魚(yú)礁流場(chǎng)規(guī)模上升流體積(a)及背渦流體積(b)對(duì)比Fig.8 Comparison of upwelling (a) and back eddy volume (b) at different flow velocities and inflow angles

不同迎流角度對(duì)魚(yú)礁流場(chǎng)效應(yīng)的影響 基于上升流和背渦流定義，利用速度等值面顯示方法可直接刻畫(huà)其區(qū)域范圍及體積大小。如圖9 和圖10 所示為不同來(lái)流速度條件下，立方對(duì)角面開(kāi)孔魚(yú)礁在4 種迎流角度下的上升流區(qū)域和背渦流區(qū)域顯示?？梢?jiàn)，隨迎流角度增加，上升流“拖尾”區(qū)域明顯增加，而背渦流形態(tài)無(wú)明顯改變，結(jié)合圖11 上升流體積和背渦流體積數(shù)據(jù)分析可知，在相同迎流角度下，流速變化對(duì)上升流及背渦流體積影響不大，但隨著迎流角度變化，上升流及背渦流體積變化明顯，上升流體積和背渦流體積隨迎流角度的增加而顯著增大。

圖9 流速為1.0 m/s 時(shí)，不同迎流角度下魚(yú)礁上升流體積Fig.9 Upwelling volume of the reef at different inflow angles with velocity 1.0 m/s

圖10 流速為1.0 m/s 時(shí)，不同迎流角度下魚(yú)礁背渦流體積Fig.10 Back eddy volume of the reef at different inflow angles with velocity 1.0 m/s

圖11 迎流角度變化時(shí)，魚(yú)礁的上升流體積(a)及背渦流體積(b)Fig.11 Upwelling volume (a) and back eddy volume (b)of the reef under the change of the angle of attack

3.2 礁體物理穩(wěn)定性分析

人工魚(yú)礁投放后具有良好的穩(wěn)定性有助于魚(yú)礁得到較好的生態(tài)效益和流場(chǎng)效應(yīng)，其穩(wěn)定性會(huì)直接影響礁體功能的發(fā)揮，為保證人工魚(yú)礁建設(shè)能夠取得預(yù)期效果，有必要研究礁體在水流作用下的阻力和力矩。人工魚(yú)礁投入海底后，會(huì)受到海流的沖擊和侵?jǐn)_，主要考慮礁體沿水流流動(dòng)方向受到的阻力和使礁體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的傾覆力矩。因此在對(duì)魚(yú)礁進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，同時(shí)對(duì)魚(yú)礁的阻力和傾覆力矩進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。如圖12 所示魚(yú)礁所受的作用力變化趨勢(shì)基本相同，當(dāng)來(lái)流速度逐漸增大時(shí)，阻力和傾覆力矩隨之增大；當(dāng)礁體迎流角度增大時(shí)，阻力和傾覆力矩也逐漸增大。

圖12 不同迎流角度下礁體阻力(a)和傾覆力矩(b)隨流速變化Fig.12 Variation of resistance (a) and overturning moment (b) acting on the reef under different inflow angles

4 討論

4.1 流速及迎流角度對(duì)魚(yú)礁流場(chǎng)效應(yīng)的影響

人工魚(yú)礁的流場(chǎng)效應(yīng)是人工魚(yú)礁發(fā)揮生態(tài)效益、生境營(yíng)造的重要手段之一，是評(píng)價(jià)人工魚(yú)礁性能的主要因素，人工魚(yú)礁所形成的上升流和背渦流，促進(jìn)了水體之間的交換，使底層營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)上涌，吸引魚(yú)類(lèi)聚集，從而達(dá)到提高漁獲量、增殖漁業(yè)資源的目的。魚(yú)礁投放的不同海域、擺放角度影響?hù)~(yú)礁建設(shè)的作用效果，合理選擇投放海域、設(shè)置迎流角度對(duì)人工魚(yú)礁的優(yōu)化起到重要作用。本研究對(duì)一種立方對(duì)角面開(kāi)孔形式的魚(yú)礁進(jìn)行了12 組數(shù)值實(shí)驗(yàn)，對(duì)其產(chǎn)生的流場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行分析，得到不同流速和不同迎流角度下人工魚(yú)礁的流場(chǎng)特征規(guī)律。根據(jù)流速和迎流角度與流場(chǎng)效應(yīng)間的相互聯(lián)系，提出以流場(chǎng)效應(yīng)體積優(yōu)先為目標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)方法。當(dāng)魚(yú)礁的迎流角度相同時(shí)，隨著流速的增加，上升流體積和背渦流體積沒(méi)有明顯增大，說(shuō)明魚(yú)礁在潮流速度大的海域和潮流速度小的海域均可產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的流場(chǎng)效應(yīng)，流場(chǎng)規(guī)模與來(lái)流速度相關(guān)性不大，這一研究結(jié)果與唐衍力等[1]、黃遠(yuǎn)東等[18]和蘭孝政等[19]研究結(jié)果相一致。但對(duì)于單體魚(yú)礁，改變迎流角度卻能導(dǎo)致礁體周?chē)牧鲌?chǎng)效應(yīng)有較大變化。對(duì)比不同迎流角度下流場(chǎng)可知，在迎流角度為30°～45°時(shí)立方對(duì)角面孔魚(yú)礁的流場(chǎng)效應(yīng)較好，礁體為45°迎流時(shí)上升流體積和背渦流體積都達(dá)到最大，分析可知此時(shí)礁體內(nèi)部導(dǎo)流板與來(lái)流方向垂直，魚(yú)礁受到的作用力更大，水體向上抬升作用更強(qiáng)，受導(dǎo)流板的阻隔作用，透水率降低，礁體背后形成更大的背渦區(qū)。公丕海等[20]計(jì)算結(jié)果也顯示在相同來(lái)流速度下，塔型衍架魚(yú)礁45°擺放的緩流區(qū)面積大于90°迎流。以流場(chǎng)規(guī)模為評(píng)價(jià)基準(zhǔn)，在實(shí)際投放中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注潮流流向，將礁體布設(shè)為45°迎流，可以形成較大體積的上升流區(qū)和背渦流區(qū)域。

4.2 人工魚(yú)礁建設(shè)效果的綜合評(píng)價(jià)

當(dāng)人工魚(yú)礁投入海中時(shí)，礁體產(chǎn)生流場(chǎng)效應(yīng)的同時(shí)還受到的流體阻力作用而發(fā)生平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)，因此在保證魚(yú)礁能夠產(chǎn)生流場(chǎng)效應(yīng)的前提下，還應(yīng)確保魚(yú)礁能正常發(fā)揮作用，即礁體在水流的作用下不發(fā)生滑移和傾覆?；诖?，將上升流體積、背渦流體積、礁體阻力和傾覆力矩作為綜合評(píng)價(jià)交叉型魚(yú)礁建設(shè)效果評(píng)價(jià)的指標(biāo)，各指標(biāo)權(quán)重賦值采取主觀賦值方法，其中主觀權(quán)重賦值采取專(zhuān)家打分的形式，即德?tīng)柗品╗21]。專(zhuān)家打分主要是通過(guò)專(zhuān)家問(wèn)卷，專(zhuān)家判斷各項(xiàng)因子對(duì)魚(yú)礁建設(shè)生態(tài)效果的影響程度來(lái)打分。影響不顯著貢獻(xiàn)1 分，影響較低貢獻(xiàn)2 分，影響一般貢獻(xiàn)3 分，影響較高貢獻(xiàn)4 分，主要影響因素貢獻(xiàn)5 分。最后用每一項(xiàng)因子得分和比上所有因子總分之和，就能得到每一項(xiàng)因子的主觀權(quán)重wi。依據(jù)專(zhuān)家打分結(jié)果各項(xiàng)指標(biāo)賦予權(quán)重如表3 所示，由表3 可知上升流體積的權(quán)重值為0.35，背渦流體積的權(quán)重值為0.35，阻力的權(quán)重值為0.15，傾覆力矩的權(quán)重值為0.15。

表3 魚(yú)礁建設(shè)效果評(píng)價(jià)各指標(biāo)權(quán)重賦值Tab.3 Weight value of each index for evaluation of reef construction effect

在確定權(quán)重值 w1，w2，w3，w4的基礎(chǔ)上，計(jì)算魚(yú)礁綜合評(píng)價(jià)值的公式：

式中，F(xiàn)為綜合評(píng)價(jià)值。

通過(guò)上述方法得到的在不同流速和迎流角度下的綜合評(píng)價(jià)值如表2 所示，綜合評(píng)價(jià)值的范圍在(0,1)區(qū)間內(nèi)，越接近于1 說(shuō)明該模式下的魚(yú)礁越能達(dá)到理想的建設(shè)效果。從表4 可以看出，來(lái)流速度對(duì)魚(yú)礁的建設(shè)產(chǎn)生重要影響。當(dāng)流速為0.5 m/s 時(shí)，綜合評(píng)價(jià)值接近于1；流速為1.0 m/s 時(shí)的綜合評(píng)價(jià)值整體大于流速為1.5 m/s 時(shí)的綜合評(píng)價(jià)值，即投放人工魚(yú)礁時(shí)宜選取流速不超過(guò)1.0 m/s 的海域，流速較小時(shí)魚(yú)礁的穩(wěn)定性較好，且能形成較優(yōu)的流場(chǎng)規(guī)模，這與劉心媚等[22]的研究結(jié)果相一致。魚(yú)礁投放的迎流角度是影響?hù)~(yú)礁建設(shè)效果的關(guān)鍵因素，在3 種不同的流速下，迎流角度為45°時(shí)，其綜合評(píng)價(jià)值為最大，30°迎流角的綜合評(píng)價(jià)值接近于45°，即投放人工魚(yú)礁時(shí)宜將迎流角度控制在30°～45°之間。在實(shí)際投放時(shí)，不考慮海底底質(zhì)淤積、風(fēng)浪等條件下，僅對(duì)魚(yú)礁流場(chǎng)效應(yīng)及礁體穩(wěn)定性而言，投放人工魚(yú)礁時(shí)宜選取最大流速不超過(guò)1.0 m/s 的海域，且迎流角在30°至45°范圍內(nèi)投放，魚(yú)礁的建設(shè)效果最佳。

表4 魚(yú)礁建設(shè)效果綜合評(píng)價(jià)值Tab.4 Comprehensive evaluation value of reef construction effect

5 結(jié)論

（作者聲明本文無(wú)實(shí)際或潛在的利益沖突）