王宏 房恩軍 張雪 張晶偉 高燕 曾祥茜

摘要 人工魚(yú)礁是一種設(shè)置在水中的人工構(gòu)筑物，通過(guò)人工魚(yú)礁的建設(shè)，能夠?yàn)轸~(yú)類(lèi)等水生生物營(yíng)造良好的生態(tài)環(huán)境，從而達(dá)到保護(hù)和增殖漁業(yè)資源的目的。根據(jù)刺參自身特點(diǎn)和生長(zhǎng)習(xí)性，設(shè)計(jì)一種刺參增殖礁作為人工附著基，通過(guò)對(duì)刺參增殖礁的水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，分析刺參增殖礁單體結(jié)構(gòu)對(duì)礁體周?chē)鲌?chǎng)效應(yīng)的影響，得出在相同入流速度的情況下刺參增殖礁的受力情況；根據(jù)模擬結(jié)果，計(jì)算出刺參增殖礁上升流體積和背渦流體積，同時(shí)對(duì)刺參增殖魚(yú)礁單體穩(wěn)定性進(jìn)行探討。結(jié)果表明：刺參增殖魚(yú)礁，由于孔徑小、間隙密，上升流區(qū)和背渦流區(qū)的體積均較大。當(dāng)入流流速為0.5 m/s時(shí)，刺參增殖魚(yú)礁抗滑移系數(shù)和抗傾覆系數(shù)均大于1，表明其具有良好的安全性能。運(yùn)用水動(dòng)力模型模擬魚(yú)礁區(qū)的流場(chǎng)效應(yīng)，優(yōu)化魚(yú)礁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，促進(jìn)魚(yú)礁的生物誘集和增殖效應(yīng)最大化，可以為魚(yú)礁區(qū)的建設(shè)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞 刺參；人工魚(yú)礁；流場(chǎng)效應(yīng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào) S95? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A ?文章編號(hào) 0517-6611（2024）06-0196-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.06.043

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Study on Structure Design and Flow Field Effect of Sea Cucumber Breeding Reef

WANG Hong1，2， FANG En-jun1，2， ZHANG Xue1，2 et al

（1. Tianjin Fisheries Research Institute/ Bohai Sea Fisheries Research Center， Chinese Academy of Fishery Sciences， Tianjin 300457;2. Tianjin Marine Ranching Technical Engineering Center， Tianjin 300457）

Abstract Artificial reef is a kind of artificial structure set in the water. Through the construction of artificial reef， it can create a good ecological environment for fish and other aquatic organisms， so as to achieve the purpose of protecting and breeding fishery resources. In this study， according to the characteristics and growth habits of sea cucumber， a sea cucumber breeding reef was designed as an artificial adhesion base. Based on the hydrodynamic test of sea cucumber breeding reef， the influence of the single structure of sea cucumber breeding reef on the flow field effect around the reef was analyzed， and the stress of sea cucumber breeding reef under the condition of the same inflow velocity was obtained. According to the simulation results， the up welling volume and back eddy volume of sea cucumber breeding reef were calculated. At the same time， the monomer stability of sea cucumber breeding reef was discussed. The results showed that due to the small aperture and dense gap， the up welling and back eddy volume of sea cucumber breeding reef were both larger. When the inflow velocity was 0.5 m/s， the anti-slip coefficient and anti-overturning coefficient of sea cucumber breeding reef were both greater than 1， indicating that the sea cucumber breeding reef has good safety performance. Hydrodynamic model was used to simulate the flow field effect in artificial reef area and optimize the structure design of artificialreef to maximize the biological attraction and proliferation effect of the artificial reef， which can provide theoretical guidance and technical support for the construction of artificial reef area.

Key words Sea cucumber;Artificial fish reef;Flow field effect;Structural design

人工魚(yú)礁是一種設(shè)置在水中的人工構(gòu)筑物［1-3］，通過(guò)人工魚(yú)礁的建設(shè)，能夠?yàn)轸~(yú)類(lèi)等水生生物營(yíng)造良好的生態(tài)環(huán)境，從而達(dá)到保護(hù)和增殖漁業(yè)資源的目的［4-6］。在特定海域建造人工魚(yú)礁，對(duì)于保護(hù)、修復(fù)、增殖漁業(yè)資源具有重要意義［7-9］。

建設(shè)人工魚(yú)礁后，周?chē)w環(huán)境在一定范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生改變［10-11］，對(duì)水體擾動(dòng)、上升、擴(kuò)散、交換等物理過(guò)程的影響如下：一是直接影響礁體周?chē)牧鲌?chǎng)效應(yīng)［12-13］；二是影響礁體的物理穩(wěn)定性［14-17］；三是影響礁體周?chē)鸂I(yíng)養(yǎng)鹽和初級(jí)生產(chǎn)力水平［18-19］。

刺參喜歡生活在水流緩慢穩(wěn)定、潮流暢通、水質(zhì)清澈、沒(méi)有大量淡水注入、海藻豐富的巖底或沙質(zhì)區(qū)域，它們喜歡在光線(xiàn)較弱的陰影區(qū)域活動(dòng)，具有晝伏夜出的特殊行為特性。因此，在刺參的增養(yǎng)殖過(guò)程中，經(jīng)常采用添加人工附著基質(zhì)的方法來(lái)減少敵害生物對(duì)刺參及其幼體的侵?jǐn)_，提供夏眠、冬眠以及生長(zhǎng)的棲息場(chǎng)所。國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)不同形狀礁體對(duì)刺參的誘集效果進(jìn)行了相關(guān)研究，秦傳新等［20］探討了不同類(lèi)型附著基對(duì)刺參存活率的影響；張輝等［21］探討了附著基的顏色對(duì)刺參行為的影響；張碩等［22］探討了不同光照條件下，立方體和塔型礁體對(duì)刺參的誘集效果；崔勇等［23］探討了長(zhǎng)方體、圓柱體、星型礁體對(duì)刺參的誘集效果。

目前，相關(guān)研究多是從刺參行為學(xué)角度探討礁體單體結(jié)構(gòu)構(gòu)型對(duì)刺參誘集效果的影響，缺少?gòu)臄?shù)值模型的角度探討礁體單體結(jié)構(gòu)構(gòu)型對(duì)刺參增殖效果的影響。鑒于此，筆者根據(jù)刺參特殊的生活習(xí)性，設(shè)計(jì)一種刺參增殖礁，并運(yùn)用數(shù)值模擬的方法分析了刺參增殖礁單體結(jié)構(gòu)構(gòu)型對(duì)礁體周?chē)鲌?chǎng)效應(yīng)的影響，以期為不同功能性礁體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供新的研究思路。

1 數(shù)值試驗(yàn)與模型建立

1.1 刺參增殖礁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)刺參特殊的生活習(xí)性，刺參增殖礁采用3層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。魚(yú)礁底座作為與長(zhǎng)方框架結(jié)構(gòu)體一體制出的基座而共同構(gòu)成一立方結(jié)構(gòu)體，四面?zhèn)缺谏现朴猩?、中、?層側(cè)壁通孔，每面?zhèn)缺诿繉泳写蟆⑿?個(gè)側(cè)壁通孔，側(cè)壁通孔彼此貫通。在四面?zhèn)缺谏纤频膫?cè)壁通孔均為長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)，且上、中、下3層側(cè)壁通孔為水平平行設(shè)置。底座為：1 200 mm×1 200 mm×150 mm；長(zhǎng)方框架為：1 200 mm×1 200 mm×1 050 mm；側(cè)壁大長(zhǎng)方形導(dǎo)流通孔為：400 mm×250 mm；側(cè)壁小長(zhǎng)方形導(dǎo)流通孔為：200 mm×250 mm。

1.2 計(jì)算區(qū)域設(shè)置

邊界條件包括入口邊界、出口邊界、內(nèi)部邊界、壁面邊界、水槽兩側(cè)面邊界和水槽上面邊界。其中，入口邊界采用入口邊界條件，出口邊界采用出口邊界條件，內(nèi)部邊界和壁面邊界采用壁面邊界條件，上邊界和側(cè)邊界采用對(duì)稱(chēng)邊界條件［24］。刺參增殖礁采用四面體單元非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，其中魚(yú)礁周?chē)木W(wǎng)格尺寸較小，遠(yuǎn)離魚(yú)礁區(qū)域網(wǎng)格尺寸逐漸變大。在計(jì)算刺參增殖礁的流場(chǎng)時(shí)，計(jì)算區(qū)域如圖2所示：x方向尺寸為30.0 m，y方向尺寸為10.0 m，z方向尺寸為7.5 m，刺參增殖礁尺寸為x方向的1/4處［25］。

1.3 控制方程設(shè)置

計(jì)算區(qū)域引入邊界條件，流場(chǎng)環(huán)境模擬采用k-ε湍流模型，物質(zhì)濃度擴(kuò)散采用物質(zhì)輸運(yùn)模型，不考慮內(nèi)能，控制方程包括連續(xù)性方程和動(dòng)量方程［26-27］：

連續(xù)性方程為：

uixi=0（1）

動(dòng)量方程為：

ujuixj=fi-1ρpxi+xj（v+vi）uixj+ujxi（2）

式中：ui（i=1，2，3）分別為x，y，z方向的雷諾平均速度；uj為平均速度；fi為重力；ρ為流體的密度；p為壓強(qiáng)；v為流體的運(yùn)動(dòng)學(xué)粘性系數(shù)，vi=CμK2ε；湍流能量和耗散率的k-ε方程為［28］：

xikui=xjv+viσkkxj+Gkρ-ε

xiεui=xjv+viσεεxj+1ρC1εεkGk-C2εε2k

（3）

式中：C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cu=0.09；k為湍動(dòng)能量；ε為耗散率；湍動(dòng)能量k和耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)分別為σk=1.0和σε=1.3；湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)Gk=-ρu′iu′jujxi。

2 結(jié)果與分析

2.1 單個(gè)魚(yú)礁的流場(chǎng)效應(yīng)

分析流場(chǎng)效應(yīng)時(shí)，在計(jì)算上升流區(qū)域的體積時(shí)，取該區(qū)域的垂向流速大于入流速度的5%，在計(jì)算背渦流區(qū)域的體積時(shí)，取該區(qū)域流速小于入流速度的80%為判據(jù)［24］。入口海流速度依據(jù)渤海灣潮流場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果，取0.5 m/s。如刺參增殖礁礁體附近流場(chǎng)速度的等值線(xiàn)圖（圖3）所示，刺參增殖礁上升流區(qū)域形成于礁體迎流面，渦流區(qū)域形成于礁體內(nèi)部和背流面，刺參增殖礁由于迎流面兩列窗口的大小不一致，水流在礁體兩側(cè)的流場(chǎng)形態(tài)存在一定差異，其迎流面開(kāi)孔率較小，其上升流和背渦流強(qiáng)度較大，在其礁體內(nèi)部也出現(xiàn)了渦流形態(tài)。

2.2 上升流和背渦流影響范圍計(jì)算

刺參增殖礁上升流區(qū)域?yàn)榇瓜蛄魉俅笥谌肓髁魉?%的區(qū)域，背渦流區(qū)域?yàn)橛髅媪魉傩∮谌肓髁魉?0%的區(qū)域［24］。對(duì)刺參增殖礁數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，計(jì)算得出刺參增殖礁上升流區(qū)域和背渦流區(qū)域的體積分別為73.64、77.83 m3。

2.3 刺參增殖礁穩(wěn)定性分析

對(duì)刺參增殖礁進(jìn)行數(shù)值模擬，刺參增殖礁周?chē)膲簭?qiáng)分布如圖4所示。計(jì)算得出在相同入流速度的情況下刺參增殖礁的受力情況，刺參增殖魚(yú)礁受到的水平?jīng)_擊力（Fh）為483.58 N。

魚(yú)礁抗滑移能力可以用抗滑移系數(shù)（S1）來(lái)描述，即當(dāng)礁體模型最大靜摩擦力大于波流作用力的情況下，礁體不產(chǎn)生滑移現(xiàn)象［20］，即必須滿(mǎn)足下列公式：

S1=（Wg-F0）μFmax>1（4）

式中：μ為水泥礁與底部的摩擦系數(shù)，計(jì)算中取值為0.55；W為魚(yú)礁自重；F0為浮力。

魚(yú)礁抗傾覆能力可以用抗傾覆系數(shù)（S2）來(lái)描述，抗傾覆系數(shù)可以用下列公式計(jì)算：

S2=M1M2=（Wg-F0）L1FmaxLmax>1（5）

式中：M1為重力和浮力對(duì)傾覆支邊的合力矩；M2為潮流作用下礁體最大作用力對(duì)傾覆支邊的力矩［28］；L1為水平方向力臂；Lmax為礁高［24］。

在潮流作用下不發(fā)生傾覆的條件為重力和浮力的合力矩M1大于潮流作用下礁體最大作用力矩M2，即S2>1。計(jì)算得出刺參增殖魚(yú)礁的抗滑移系數(shù)S1和抗傾覆系數(shù)S2分別為34.38、19.21。刺參增殖魚(yú)礁礁體的抗滑移系數(shù)和抗傾覆系數(shù)均大于1，表明安全性能表現(xiàn)良好。

3 結(jié)論與討論

刺參喜歡生活在水流緩慢穩(wěn)定、水流通暢的隱蔽區(qū)域，增加刺參增殖魚(yú)礁整體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和通透性，可以減少敵害生物對(duì)刺參及其幼體的侵?jǐn)_；縮小刺參增殖魚(yú)礁礁體孔徑及間隙，能夠?yàn)榇虆⑻峁┯欣陔[蔽的陰影區(qū)域，并且能夠?yàn)榈讞孱?lèi)提供寬闊的生長(zhǎng)區(qū)域；刺參增殖魚(yú)礁礁體產(chǎn)生的上升流和背渦流能夠促進(jìn)礁體周?chē)w和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的交換，能夠?yàn)榇虆⑻峁┏渥愕酿D料。

該研究根據(jù)刺參自身特點(diǎn)和生長(zhǎng)習(xí)性，設(shè)計(jì)一種刺參增殖礁作為人工附著基，通過(guò)對(duì)刺參增殖礁的水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，分析了刺參增殖礁單體結(jié)構(gòu)對(duì)礁體周?chē)鲌?chǎng)效應(yīng)的影響，運(yùn)用Fluent軟件，通過(guò)物理建模、網(wǎng)格劃分、數(shù)值計(jì)算對(duì)刺參增殖魚(yú)礁進(jìn)行數(shù)值模擬，并采用Tecplot軟件對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行處理分析，對(duì)相同水流條件下刺參增殖魚(yú)礁單體所造成的上升流和背渦流的體積進(jìn)行探討。結(jié)果表明：刺參增殖礁上升流區(qū)域形成于礁體迎流面，渦流區(qū)域形成于礁體內(nèi)部和背流面，刺參增殖礁由于迎流面兩列窗口的大小不一致，水流在礁體兩側(cè)的流場(chǎng)形態(tài)存在一定差異，其迎流面開(kāi)孔率較小，其上升流和背渦流強(qiáng)度較大，在其礁體內(nèi)部也出現(xiàn)了渦流形態(tài)。通過(guò)計(jì)算得出，刺參增殖魚(yú)礁上升流區(qū)和背渦流區(qū)的體積分別為73.64、77.83 m3。劉長(zhǎng)根等［25］利用數(shù)值方法對(duì)大窗型、大小窗型、卍（萬(wàn)）字型、雙層貝類(lèi)魚(yú)礁進(jìn)行了流場(chǎng)分析，其中卍（萬(wàn)）字型魚(yú)礁底座尺寸為2.05 m，體積較大，對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)最大，因此其背渦流體積最大。刺參增殖魚(yú)礁由于迎流面兩列窗口的大小不一致，水流在礁體兩側(cè)的流場(chǎng)形態(tài)存在一定差異，其迎流面開(kāi)孔率較大窗型魚(yú)礁和大小窗型魚(yú)礁都小，由于其孔徑小、間隙密，其上升流體積最大。進(jìn)一步分析礁體本身的設(shè)計(jì)對(duì)礁體周?chē)鲌?chǎng)產(chǎn)生的影響有所不同，無(wú)論是上升流還是背渦流都與礁體的形狀、大小、迎流面開(kāi)口大小有關(guān)。該研究對(duì)刺參增殖魚(yú)礁單體穩(wěn)定性進(jìn)行探討，結(jié)果表明：當(dāng)入流流速為0.5 m/s時(shí)，刺參增殖魚(yú)礁抗滑移系數(shù)和抗傾覆系數(shù)均大于1，表明其具有良好的安全性能。

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