水流作用下粉砂海床上人工鱼礁局部冲刷的模型试验与分析

海底条件的变化可能会加剧人工鱼礁的局部冲刷甚至产生掏空,导致人工鱼礁倾覆或掩埋,最终影响人工鱼礁的生态修复功能。为更好地了解人工鱼礁的冲刷特性,明确冲刷地形的形成机制,本研究首先采用物理模型试验的方法,对放置在粉砂底质上的人工鱼礁在不同水流条件下的局部冲刷问题进行了研究,并通过对原型流场进行数值模拟,讨论分析了水流及礁体结构特征对局部冲刷形态的影响机制。模型试验结果显示,0.11 m/s流速对试验选取的模型沙的影响不显著,礁体模型背面冲刷坑的深度仅为0.5 mm,两侧无明显冲刷坑,当流速增加到0.22和0.27 m/s时,沙床表面形成了均匀分布的沙鳞,背面冲刷坑深度分别达到1.0和1.5 mm,两侧冲刷坑的最大深度为4.5 mm,宽度分别为4.0和7.5 cm;流场数值模拟的分析结果显示,原型条件下流场、沙床剪切力和涡量的高值区和模型试验中冲刷强区存在对应关系,礁体的开孔和多柱支撑设计增大了局部冲刷强度。该研究表明,在粉砂底质条件下人工鱼礁的局部冲刷程度随流速的增加而增强,但总体冲刷不严重,未出现掏空或掩埋现象;礁体结构对局部冲刷有较大影响,因此,礁体设计与布局时应综合考虑流场效应、稳定性和冲刷形态等因素。     

马鞍列岛人工鱼礁区海域底质特征及其承载力

人工鱼礁是海洋牧场建设的重要组成部分,科学的选址是人工鱼礁区建设的必要环节。通过对浙江嵊泗马鞍列岛人工鱼礁区备选海域附近采集的底质柱状样品的分析,测得了每个站点底质柱样的粒度、含水率、天然密度等物理性质,以及贯入强度、抗剪强度等力学性质。用谢帕德和福克沉积物分类法分析粒度结果,发现所研究海域的底质由砂、粉砂、黏土构成,粉砂含量最高,主要以砂质粉砂为主。不同区域的底质因其粒度组分、孔隙率、天然密度等不同,其含水率不同,造成底质的承载力也不同。对底质物理性质与力学性质间的相关性分析表明,底质的含水率与贯入强度、抗剪破坏强度均存在较强的线性负相关,相关系数分别为–0.67和–0.64,可作为人工鱼礁投放底质适宜性评估的重要依据。通过建立底泥含水率与粒度间的回归方程可为大面积的底质承载力研究提供科学依据,并大幅降低调查的工程量。     

六边形开口方形人工鱼礁阻力系数数值模拟与模型试验比较研究

为了对4种不同开口大小的六边形开口方形人工鱼礁在4种迎流角度下数值模拟和水槽模型试验的阻力系数进行对比验证,分别利用水槽模型和数值模拟试验方法对4种不同开口比（γ_ty=0.0625,0.14,0.25,0.39）六边形开口方形人工鱼礁在4种迎流角度（θ=0°,15°,30°,45°）状态下的阻力进行测定,并计算两种方法的阻力系数。结果表明：（1）在数值模拟和水槽模型试验中,人工鱼礁模型阻力均随着开口比的增大而减小;礁体迎流角度的变化可改变礁体阻力,且在4种迎流角度下,人工鱼礁阻力在θ=30°时最大。（2）人工鱼礁数值模拟与水槽模型试验中,当θ为15°、30°和45°时,阻力系数均随着开口比的增加而增加,具有明显的线性关系,且阻力系数在迎流角度θ=30°时最大。（3）数值模拟与模型试验阻力的相对误差在0.12%~17.18%,平均误差7.43%;礁体阻力系数的相对误差在0.03%~14.64%,平均误差5.26%。阻力及阻力系数误差均在20%以下。水槽模型试验与数值模拟阻力和阻力系数相关系数R分别为0.99和0.80,P<0.001,具有极强的相关性。因此,利用数值模拟精细化研究人工鱼礁水动力性能是可行的。     

南戴河海域人工鱼礁礁体结构选型及布局

人工鱼礁礁体的选型需考虑拟投礁海域生物种类的习性,以适应不同生物的需要。礁体的高度必须考虑投礁区的水深、底质及船舶的航行安全。根据以往建造人工鱼礁的经验,选择普通花岗岩石材和钢筋混凝土结构的礁体比较合适,因为这2种鱼礁建造成本低,     

南戴河海域人工鱼礁礁体结构选型及布局

<正>1人工鱼礁的选型人工鱼礁礁体的选型需考虑拟投礁海域生物种类的习性,以适应不同生物的需要。礁体的高度必须考虑投礁区的水深、底质及船舶的航行安全。根据以往建造人工鱼礁的经验,选择普通花岗岩石材和钢筋混凝土结构的礁体比较合适,因为这两种鱼礁建造成本低,取材容易,且在海水中性能稳定,具有很强的耐腐蚀功能,长期放置无有害物质扩散,对海域生态环境无污染。此外,石材和混凝土构件鱼礁易被生物附着,可使水域中生     

六边形开口方形人工鱼礁水动力性能模型实验

为了研究六边形开口方形人工鱼礁阻力系数和侧向力系数与迎流角度、开口比之间的关系,利用水槽模型试验对4种开口比（γty = 0.0625、0.14、0.25、0.39）六边形开口方形人工鱼礁在4种迎流角度(θ = 0°、15°、30°、45°)下的阻力、侧向力进行测定,并计算其阻力系数和侧向力系数。结果表明：1. 六边形开口方形礁体模型阻力Fx(30°) > Fx(45°) > Fx(15°) > Fx(0°),侧向力Fy(30°) > Fy(15°) > Fy(45°) > Fy(0°);礁体模型阻力Fx(30°)是Fx(0°)的1.28 ~ 1.72倍,侧向力Fy(30°)是Fy(0°)的2.8 ~ 11.1倍。迎流角度对礁体模型的阻力以及侧向力可产生较大影响。2. 4种开口比和4种迎流角度下,礁体模型阻力系数CD变化范围为0.98 ~ 1.53。阻力系数CD(30°) > CD(15°) > CD(45°) > CD(0°),阻力系数CD(30°)与CD(0°)比值最大可达1.26倍;3. 4种开口比和4种迎流角度下,礁体模型侧向力系数CL变化范围为0.001 ~ 0.21。侧向力系数CL(30°) > CL(15°) > CL(45°) > CL(0°),侧向力系数CL(30°)与CL(0°)相比最大可达3.5倍。4. 当θ = 30°时,不能忽视侧向力对礁体模型的作用力。     

塔型桁架人工鱼礁流场效应及稳定性

本研究利用物理模型试验和粒子图像测速技术,对塔型桁架人工鱼礁模型在6种换算流速0.031 m/s、0.063 m/s、0.095 m/s、0.126 m/s、0.158 m/s和0.190 m/s (实际流速0.2 m/s, 0.4 m/s, 0.6 m/s, 0.8 m/s, 1.0 m/s和1.2 m/s)下产生的流场效应与物理稳定性进行研究。结果表明,流速达到1.2m/s时,礁体不会发生漂移和倾覆,说明该礁型具有良好的稳定性。单体礁在45°和90°迎流方式下,最大上升流流速和上升流平均流速随来流速度增加而递增,90°摆放单体礁最大上升流流速为来流速度的15.6%～21.0%, 45°摆放单体礁最大上升流流速为来流速度的16.3%～23.5%;上升流面积和高度随来流速度的增大先增加后减小,均在来流速度为0.095 m/s时出现最大值;缓流区面积均随来流速度的增加而减小;在相同来流速度下, 45°迎流时礁体缓流区面积大于90°迎流;在45°和90°摆放方式下,缓流区长度与礁高比值均随来流速度的增加呈下降趋势,且下降趋势逐渐平缓;45°迎流时缓流区长度为礁体高度的13～24倍, 90°迎流时缓流区长度为礁体高度的11～22倍。塔型桁架人工鱼礁礁体前后没有涡流形成,但具有较好的缓流作用,在礁体后方形成了较大规模的缓流区。     

人工鱼礁工程技术进展研究

人工鱼礁是实现海洋牧场建设、海域生态调控和海洋生境修复的主要手段之一。人工鱼礁的聚鱼效果主要取决于礁体建造材料、结构造型、流体力学特征及礁体布局等因素。总结了国内外人工鱼礁工程技术的发展历程,阐述了我国人工鱼礁发展存在的问题。通过查阅文献资料,总结了礁体造型和设计方面的研究进展,主要包括:现有人工鱼礁礁体材料的优、缺点,新型复合材料应用空间等;主要礁体构型及现有设计方法;采用流体力学模型试验和数值计算,开展礁体水动力学行为研究的进展;人工诱导流场和人工鱼礁布局主要方法。结合我国人工鱼礁现状,提出人工鱼礁设计与应用的发展趋势和重点研究方向,以期为我国人工鱼礁建造和升级提供参考。     

框架型人工鱼礁布放过程的动力学分析

为解决不当的人工鱼礁布放操作导致的鱼礁碰撞破坏、布置点偏离目标地点过大等问题,对静水环境下框架型人工鱼礁布放的动力学过程进行了研究。基于人工鱼礁下落过程的水动力学模型、鱼礁与海底接触碰撞模型,对现有碰撞力公式进行合理修正,建立了人工鱼礁布放过程的整体动力学方程;采用数值方法对动力学方程进行求解,得到鱼礁下落速度以及不同海底底质条件下的着底冲击力。分析表明,海底底质越硬,着底冲击力越大。采用多体动力学软件ADAMS对鱼礁在不同初始姿态下的布放过程进行模拟,采用有限元软件ANSYS Workbench对鱼礁结构进行强度分析。结果表明,鱼礁初始姿态倾斜角度越大,下落达到的稳定速度越小;棱着底的最大冲击力比面着底的要小,但产生的应力更大;最大应力发生在着底棱的中部。本研究可为合理规划人工鱼礁的布放和人工鱼礁的设计提供参考。     

圆柱镂空型人工鱼礁波流水动力特性数值模拟

研究人工鱼礁在波流作用下的水动力特性,对于人工鱼礁的设计具有重要的意义。基于有限体积法,采用边界造波,利用自由表面捕捉法(VOF)捕捉自由水面,建立了可以分别模拟纯波、均匀流以及波流共同作用下人工鱼礁水动力特性的多功能三维数值波流水槽。基于该数值模型对不同波流工况作用下圆柱型镂空人工鱼礁水动力特性进行数值模拟,并与物理模型试验结果进行比较。结果显示,人工鱼礁数值模拟受力与模型试验结果吻合良好,人工鱼礁所受的波流力最大值随着波高、周期和水流流速的增大而增大;人工鱼礁处于波流场波峰正下方时,背涡流的面积随着水流流速的增大而增大,随着波高、周期增大而减小。对单独均匀流作用、单独波浪作用和波流联合作用下人工鱼礁的水动力特性对比研究表明,人工鱼礁所受的最大波流力比最大波浪力、水流力都大,波流联合作用下的流场效应最显著,在礁体的后部形成了较大规模的漩涡结构。     

关于人工鱼礁礁址选择的探讨

人工鱼礁的礁址选择在整个人工鱼礁建设项目中具有举足轻重的地位,它决定了人工鱼礁建设项目的成败。在投放人工鱼礁时,要受到海域的功能区划的限制,还有包括海域的底质类型、水流、水深、风浪等多种因康的影响,要充分发挥人工鱼礁修复海洋生态环境和增殖渔业资源等功能,必须综合考虑各种有关因素,采用科学的方法和步骤选定人工鱼礁的投放地点。     

10种人工鱼礁模型对黑鲷幼鱼的诱集效果

为了解不同人工鱼礁的集鱼效果,在试验水槽内观察了深圳杨梅坑人工鱼礁区实际投放的10种礁体模型对黑鲷的诱集效果。结果表明,未投放礁体模型时,试验鱼在距离水槽中心40~70 cm的区域出现频次最高,且在试验水槽中分布较为分散。分别将10种礁体模型放入水槽后,对有礁及无礁时试验鱼随距离出现的频次进行曲线趋势回归显示,1-8号礁体模型试验中试验鱼出现频次最大的区域为距离水槽中心20~50 cm,而9号和10号礁为体试验鱼出现频次最大的区域则为距离水槽中心10~40 cm,分别比对照组试验鱼最大出现频次区域向中心点近移了20 cm和30 cm,说明10种礁体模型对试验鱼均有一定的诱集效果。对试验结果做模型礁诱集效率指数显示,模型礁体对试验鱼的诱集效果由强到弱分别为10号礁>9号礁>1号礁>2号礁>7号礁>4号礁>5号礁>6号礁>8号礁>3号礁。     

人工鱼礁的矩形间隙对黑鲷幼鱼聚集效果的影响

为了解人工鱼礁的矩形间隙大小对鱼类行为产生的影响,实验利用特征礁体的不同组合来模拟人工鱼礁矩形间隙的大小,在来流速度分别为19.1、23.4和27.7 cm/s情况下,探讨不同礁体矩形间隙(水平、垂直)的大小对黑鲷幼鱼行为产生的影响,总结出黑鲷幼鱼的喜好流速范围。实验结果表明:当礁体矩形间隙设计为水平38.8 cm时,相对其他情况来说,黑鲷幼鱼具有最大趋礁率43.1%,对应的喜好流速范围为9.6～23.4 cm/s;当礁体矩形间隙设置为垂直20 cm时,黑鲷有最大趋礁率50.1%,对应的喜好流速范围为6.7～27.9 cm/s。总体来说,礁体矩形间隙设计为水平时的集鱼效果要好于礁体矩形间隙设计为垂直时。     

人工鱼礁礁体设计的研究进展

从水动力学、生物学和材料学等角度介绍了人工鱼礁礁体设计的研究进展,探讨了水动力学与礁体设计间的相互作用,并从构筑材料、水动力学、生物因素和配置等方面对人工鱼礁礁体设计研究进行了简要归纳,以期为中国南海区人工鱼礁事业提供参考.     

人工鱼礁材料添加物碳封存能力及其对褶牡蛎(Ostrea plicatula)固碳量的影响

本研究将农渔废弃物(花生秸秆和海湾扇贝壳)作为鱼礁材料添加物,利用礁体自身碳封存增加人工鱼礁碳汇潜能的可行性,并通过研究礁体附着生物的变化特征,探讨礁体材料添加物对人工鱼礁生态系统生物固碳的影响.结果显示,实验海区礁体附着生物的优势种为褶牡蛎(Ostrea plicatula Gmelin),添加了花生秸秆和海湾扇贝壳的人工鱼礁并未显著增加褶牡蛎的附着量(P＞0.05).通过对添加物礁体自身碳封存量的计算,海湾扇贝壳添加物单位实验礁的最小碳封存量为104.13kg,最大碳封存量为260.32kg;花生秸秆添加物单位实验礁的最小碳封存量为296.28kg,最大碳封存量为740.70 kg;实验礁体添加物的总碳封存量达2802.87 kg.以此估算,如将实验所在的66.67 hm2礁区已投放的圆管型混凝土礁材料加入添加物,以海湾扇贝壳替代率为10％计算,至少可完成52040.00 kg碳的封存,以花生秸秆替代率为25％计算,礁体自身的碳封存量可达370350.00kg.     

3种人工鱼礁模型对黑棘鲷的诱集效果研究

为研究箱体礁(M1型)、三角形礁(M2型)、框架礁(M3型) 3种不同构造的人工鱼礁对黑棘鲷(Sparus macrocephlus)的诱集效果,通过室内模拟试验观察了不同人工鱼礁模型对黑棘鲷的活动和分布影响。结果表明:未放置人工鱼礁模型时,黑棘鲷随机分布于各试验区域;放置的3种人工鱼礁模型对黑棘鲷均具有一定的诱集效果,其中以有效空间最大、遮蔽效果最好的M1型人工鱼礁模型对黑棘鲷的诱集效果最佳; M2、M3型人工鱼礁模型对黑棘鲷的诱集效果随着礁体模型有效空间、遮蔽效果的减弱而逐渐降低,但数值分析结果表明,3种人工鱼礁模型对黑棘鲷的诱集效果之间不存在显著性差异(P 0. 05)。3种鱼礁对黑棘鲷的诱集效果差异可能由礁体模型的构造差异和黑棘鲷的习性共同决定。     

人工鱼礁材料添加物碳封存能力及其对褶牡蛎(Ostrea plicatula)固碳量的影响

本研究将农渔废弃物(花生秸秆和海湾扇贝壳)作为鱼礁材料添加物,利用礁体自身碳封存增加人工鱼礁碳汇潜能的可行性,并通过研究礁体附着生物的变化特征,探讨礁体材料添加物对人工鱼礁生态系统生物固碳的影响。结果显示,实验海区礁体附着生物的优势种为褶牡蛎(Ostrea plicatula Gmelin),添加了花生秸秆和海湾扇贝壳的人工鱼礁并未显著增加褶牡蛎的附着量(P0.05)。通过对添加物礁体自身碳封存量的计算,海湾扇贝壳添加物单位实验礁的最小碳封存量为104.13 kg,最大碳封存量为260.32 kg;花生秸秆添加物单位实验礁的最小碳封存量为296.28 kg,最大碳封存量为740.70 kg;实验礁体添加物的总碳封存量达2802.87 kg。以此估算,如将实验所在的66.67 hm2礁区已投放的圆管型混凝土礁材料加入添加物,以海湾扇贝壳替代率为10%计算,至少可完成52040.00 kg碳的封存,以花生秸秆替代率为25%计算,礁体自身的碳封存量可达370350.00 kg。     

复合M型人工鱼礁粒子图像测速二维流场试验研究

为了获得复合M型人工鱼礁的流场效应,为鱼礁的结构设计提供理论依据,选取3个不同水流流速(6.7 cm/s、11.0 cm/s、18.0 cm/s),采用粒子图像测速(PIV)技术,对复合M型人工鱼礁的二维流场进行测试。结果表明:礁体迎流面和背流面分别产生上升流和背涡流,其规模随着来流速度的增加而增大;当鱼礁圆柱孔与流向夹角为90°时所产生的上升流高度为礁高的53%~90%,背涡流面积为迎流面积的0.7~1.3倍;夹角为0°时上升流高度为礁高的33%~83%,背涡流面积为迎流面积的40%~60%;90°工况下上升流平均流速是0°工况时的1.1~2.7倍,背涡流的最大回流速度为0°时的3.0~9.0倍。鱼礁投放时采用鱼礁圆柱孔与水流流向垂直的摆放形式流态较好。     

潮流作用下人工鱼礁山海域泥沙输运的数值模拟研究

为探究人工鱼礁投放后对海域底质的影响,实验基于海洋数值模型FVCOM (finite volume community ocean model)及其泥沙计算模块,对嵊泗马鞍列岛的人工鱼礁山的流场效应、悬沙和底床泥沙冲淤效果进行了数值模拟研究。数值模型中圆台型堆积人工鱼礁山设置为直径100 m、高度10 m,将人工鱼礁山部分简化为密闭空间并减去相应高度的水深,以体现潮流作用下鱼礁山周围的泥沙悬浮、底床冲淤效应。通过对大小潮期间涨急、落急时刻流场的分析,结果发现鱼礁山对流速的影响主要体现在鱼礁山附近,礁体上方及潮流主轴两侧的底层流速增加,背流面一侧流速大幅减弱。鱼礁山投放前后悬浮泥沙含量的差异与流场变化趋势比较接近,最大值不超过0.01 g/L。海床的泥沙冲淤结果在人工鱼礁山周围表现为沿涨、落潮主轴方向淤积,两侧冲刷,冲淤结果在±0.5 m左右,且水平影响范围在鱼礁山2倍直径,即约200 m以内,由人工鱼礁引起的泥沙输运过程是一个局部变化过程。研究表明,为避免局部过度冲刷,需对鱼礁山潮流椭圆短轴侧的附近海底使用特殊护底型礁体进行加固处理。潮流速度过大、且底质易严重冲淤的海域不适合建设人工鱼礁山。     

米字型人工鱼礁流场数值模拟与水槽实验的比较

采用LES(大涡模拟)紊流模式,对定常来流速度下按实际尺寸缩小10倍的米字型人工鱼礁单体附近流场进行三维数值模拟,同时利用相同尺寸的水槽实验验证该数值计算方法的可行性。在数值模拟与水槽实验中分别设置了0.2、0.4、0.6、0.8、1.0以及1.2 m/s 6种来流速度,并比较礁体附近三个方向上流速变化的情况。结果表明,数值模拟中约80%的测点速度与水槽实验结果吻合。而且,具有较大差异的值都发生在礁体上方开口中心位置附近的测点,该位置流场变化强烈且水槽实验测量有一定难度,易产生误差,因此对比结果差异较大是可允许的。综合比较结果,初步认为利用三维数值模拟计算方法模拟人工鱼礁的流场变化是可行的,今后可利用该数值计算方法替代复杂的水槽实验,甚至可以对实际投放礁体的原始规格以及所放置的海域进行等比例模拟,更清晰准确地对人工鱼礁周围流场变化进行详细研究。同时对不同结构的人工鱼礁和人工鱼礁群周围的流场进行系统分析,从而实现人工鱼礁的优化配置。