波浪作用下半潜式养殖网箱水动力特性

半潜式深远海养殖网箱在波浪作用下会发生变形与运动。为保证网箱结构的稳定性,需对其水动力特性进行分析。本研究基于有限元法建立了波浪作用下一种半潜式网箱的数值模型,通过仿真计算求解网箱的锚绳受力与运动情况。首先,将计算机模拟值与物理水槽试验值进行比较,验证数值模型的准确性。然后,分别研究了半潜式网箱在3种压载状态下的动力响应情况,分析比较了不同波浪条件下网箱锚绳张力、垂荡、纵荡和纵摇的计算结果。结果显示,计算值与试验值基本吻合,二者的相对误差在5%左右。当波高一定时,网箱迎浪侧和背浪侧锚绳受力与波浪周期改变无明显关联;当周期一定时,两侧锚绳受力均随波高的增加而增大。网箱的垂荡、纵荡及纵摇值均与波高呈正相关,随着半潜式网箱吃水的增加,网箱的垂荡、纵荡及纵摇值基本呈减小趋势。网箱在3种压载状态下最大垂荡值和纵荡值分别为12.67 m和10.59 m,网箱在空载状态下的最大纵摇值≤15°,表明半潜式网箱结构具有较好的稳定性。研究结果可为我国深远海养殖网箱设计提供理论参考。     

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。     

不同水泥类型混凝土人工鱼礁的生物附着效果

为研究不同水泥类型混凝土人工鱼礁对生物附着效果的影响,本研究在青岛薛家岛海域进行礁体挂板实验,水泥类型包括复合硅酸盐水泥(P.C)、矿渣硅酸盐水泥(P.S)、火山灰质硅酸盐水泥(P.P)、粉煤灰硅酸盐水泥(P.F)和铝酸盐水泥(CA),2015年9月完成海上挂板.结果显示,2015年11月第1次取样,不同材质人工鱼礁上的附着生物量从大到小依次为P.P、P.S、CA、P.F和P.C,生物量分别为888.29、755.43、752.07、620.11和402.01 g/m2;生物种类分别为P.ES上7种,P.F、P.P和CA上各5种,P.C上3种.2016年3月,CA、P.P、P.F、P.EC和ES上的生物量分别为1956.94、1601.44、1453.06、1254.63和1072.43 g/m2;生物种类由多到少为P.F、CA、P.S、P.P、P.C,种类分别为17、15、12、11、8.2015年11月,Pielou均匀度指数J为CA＞P.P＞P.F＞P.C＞P.S;2016年3月为P.S＞P.F＞P.P＞CA＞P.C.2015年1 1月,附着生物Shannon-Wiener多样性指数(H')为CA＞P.P＞P.F＞P.C＞P.S;2016年3月依次为P.S＞P.F＞P.P＞CA＞P.C.研究表明,5种混凝土鱼礁中,铝酸盐水泥(CA)及粉煤灰硅酸盐水泥(P.F)人工鱼礁生物附着效果好,复合硅酸盐水泥(P.C)生物附着效果较差.     

海湾扇贝骨料不同替代率对人工鱼礁物理性能影响及碳汇作用分析

本研究在抗压强度为C25的普通混凝土配合比的基础上,采用粗、细扇贝壳对混凝土中的天然骨料部分替代,并对扇贝壳混凝土配合比进行了研究,比较了粗、细扇贝壳替代天然骨料混凝土的工作性能和基本力学性能,并根据山东省2016~2020年的投礁计划,对利用扇贝壳替换人工鱼礁混凝土中天然骨料的固碳潜能及可清理的废弃扇贝壳堆积面积进行估算。结果显示,随着扇贝壳替换天然骨料比例的增加,混凝土的塌落度呈降低趋势。粗扇贝壳替换天然粗骨料混凝土较细扇贝壳替换天然细骨料混凝土的塌落度降幅大;粗扇贝壳替代混凝土中的天然石时,扇贝壳混凝土的抗压性能与基准混凝土基本接近,粗扇贝壳的最佳替代率为40%,28 d抗压强度较基准混凝土提高了7.3%。用细扇贝壳替代混凝土中的天然砂时,可使混凝土的抗压性能较基准混凝土提高幅度较大,最佳替代率为60%,28 d抗压强度较基准混凝土提高了33.5%;以细扇贝壳替换混凝土天然细骨料替换率为50%~70%估算,山东省2016~2020年计划新建的2043万空方人工鱼礁均用此种混凝土制作,可实现礁体固碳量27.54~38.56万t,可减少废弃贝壳陆地堆积面积5.89~8.24 km2,具有很高的生态潜能。     

青岛石雀滩海域人工鱼礁材料对附着生物群落结构的影响

为研究不同礁体材料对附着生物群落结构的影响,本研究在山东青岛石雀滩海域进行附着生物挂板实验,挂板材料包括普通硅酸盐水泥(P)、添加贝壳粉硅酸盐水泥(S)、钢板(F)。结果显示,共鉴定出附着生物69种,其中,贝壳粉硅酸盐水泥挂板最多(53种),其次是普通硅酸盐水泥挂板(51种),钢板最少(31种)。普通硅酸盐水泥挂板和粉硅酸盐水泥挂板的优势种均为褶牡蛎(Ostrea plicatula)、紫贻贝(Mytilusgallo provincialis)和麦秆虫(Caprella sp.);钢板的优势种为紫贻贝、麦秆虫和青岛板钩虾(Stenothoe qingdaoensis)。9~11月为生物附着高峰期。粉硅酸盐水泥挂板的平均生物量最高,达到4717.50 g/m2,普通硅酸盐水泥挂板次之,为2621.12 g/m2,钢板最小,为163.85 g/m2。附着生物Shannon-Wiener多样性指数(H¢)和Pielou均匀度指数(J)平均值均为钢板＞普通硅酸盐水泥＞粉硅酸盐水泥。研究表明,添加贝壳粉硅酸盐水泥的生物种类和生物量最大,生物附着效果最好。本研究为人工鱼礁附着生物群落特征的研究和人工鱼礁材料的选择提供了参考依据。     

人工鱼礁生态系统碳汇机理及潜能分析

人工鱼礁海区作为典型的浅海人工修复增殖生态系统,其生物群落结构、生态环境均在一定范围内受到人为调控,因此,该系统的碳循环过程和固碳能力很大程度上被人类生产活动所影响。本研究根据人工鱼礁生态系统的结构特征,探讨礁区主要生物固碳因子及其固碳机理,初步提出礁区生物固碳量的计量方法,并讨论通过人工鱼礁建设扩增海洋生物固碳的途径与方法。     

基于灰色–马尔科夫模型评估石雀滩海洋牧场岩礁鱼类碳储量

本研究以石雀滩海洋牧场许氏平鲉(Sebastes schlegelii)、大泷六线鱼(Hexagrammos otakii)、褐菖鲉(Sebasticus marmoratus)、铠平鲉(Sebastes hubbsi)、厚头平鲉(Sebastes pachycephalus)等岩礁鱼类为研究对象,基于2017—2020年地笼网采捕的渔获量数据,采用元素分析法和灰色−马尔科夫模型,统计并预测了岩礁鱼类现存生物量的碳储量(以下简称岩礁鱼类碳储量)。结果显示,岩礁鱼类干样碳含量分布范围为42.95%~50.19%,平均值为(46.11±2.34)%;鲜样碳含量分布范围为11.05%~13.25%,平均值为12.30%。2017年春季、2018年冬季、2019年春季和2020年冬季鱼礁区岩礁鱼类碳储量分别为293.46、104.49、119.40和48.48 t,呈波动式下降趋势;对照区分别为21.64、59.07、6.73和0 t,呈先上升后下降的趋势。灰色−马尔科夫模型验证数据平均相对误差为8%,较GM(1,1)模型预测精度提升了12%。经预测,鱼礁区岩礁鱼类碳储量呈下降趋势,2021年春季、2022年冬季、2023年春季和2024年冬季分别为64.84 、49.84、25.28和19.43 t。研究结果可为评估岩礁鱼类碳汇潜力提供依据,为建立渔业碳汇基础上的海洋牧场岩礁鱼类资源开发策略提供科学参考。     

波浪作用下双层网底鲆鲽网箱水动力特性的数值模拟

根据有限单元法建立了波浪作用下双层网底网箱的受力运动模型,通过数值计算求解双层网底的位移与倾角。先将上层网底与下层网底的计算值进行比较,然后,将双层网底网箱中下层网底与单层网底网箱开展对比分析。计算结果显示,在波浪周期内,双层网底网箱的2层网底能保持相对平行的状态。2层网底的位移与最大倾角随着波高与周期的增大而增加,并且2层网底的倾斜方向一致。在相同波浪条件作用下,下层网底的水平位移大于上层网底,二者垂直位移差异较小,下层网底最大倾角值大于上层网底。研究发现,当波高为15 cm、周期为1.4 s时,双层网底网箱的2层网底的倾角相差最大,但并未发生接触碰撞,网底可以保持相对稳定。此外,双层网底网箱的下层网底的最大位移值小于单层网底网箱,最大倾角值大于单层网底网箱。研究表明,当波浪一定时,双层网底网箱的最大锚绳力均大于单层网底网箱。     

2种新型塑胶环保型网箱养殖褐牙鲆(Paralichthys olivaceus)与大菱鲆(Scophthalmus maximus)效果的评估

以褐牙鲆(Paralichthys olivaceus)和大菱鲆(Scophthalmus maximus)为养殖对象,设计了2种新型的鲆鲽类网箱,即新型塑胶环保型单、双层网箱。通过褐牙鲆和大菱鲆网箱养殖实验来验证2种新型的网箱在实际生产中的可行性。结果显示,褐牙鲆传统木箱养殖组的商品鱼成活率为92.73%,单位面积产量为16.42 kg/m~2;塑胶单层网箱养殖组的成活率为96.37%,单位面积产量为17.42 kg/m~2。2个组的成活率、单位面积产量均存在显著差异(P0.05),单位面积产量同比增产6.10%。小规格大菱鲆传统网箱商品鱼成活率为92.50%,单位面积产量为8.09 kg/m~2;塑胶单层网箱组的商品鱼成活率为92.50%,单位面积产量为8.02 kg/m~2;塑胶双层网箱组的商品鱼成活率为92.00%,单位面积产量为10.53 kg/m~2,与传统网箱、单层塑胶网箱存在显著差异(P0.05),且同比增产分别为30.00%、31.00%。大规格大菱鲆单、双层塑胶环保型网箱养殖的成活率达到95.00%以上,单位面积产量均为14.52–16.32 kg/m~2;大规格大菱鲆双层网箱实验组平均尾重与单层网箱示范组差异显著(P0.05),单位养殖面积产量同比单层网箱示范组增产11.00%。研究表明,新型塑胶环保网箱养殖褐牙鲆效果良好。新型网箱相对于传统木制网箱除了具有节能环保、节约资源、操作便利的特点外,双层网箱养殖可提高有效利用面积,增加养殖效益。     

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.