人工鱼礁结构设计原理与研究进展

人工鱼礁的结构设计目前尚无明确的原理和依据。本文从流场效应、生物效应、遮蔽效应的角度阐述人工鱼礁结构设计的基本原理,举例说明了相关的依据和方法,总结分析了适合不同海域类型的人工鱼礁区建设模式及其未来发展,以期为人工鱼礁的结构设计和海洋牧场规划提供参考。     

人工鱼礁对中小型浮游动物昼夜变化的影响

浮游动物有明显的昼夜垂直移动现象,这种生态习性会导致摄食浮游动物的某些鱼类昼夜垂直移动。为分析人工鱼礁对中小型浮游动物昼夜变化的影响,于2018年11月在防城港人工鱼礁区及附近海域进行了1个昼夜的中小型浮游动物采样,获取了14份样品。结果显示:(1)礁区和非礁区浮游动物种类组成相似度高、更替率低,且主要优势种相同,属于同一生态类型;(2)在人工鱼礁流场效应的作用下,礁区浮游动物的数量和多样性高于非礁区;(3)非礁区浮游动物数量的昼夜变化明显,呈明显的正弦曲线,以16:00数量最高,8:00最低,其垂直运动规律明显,可分为4:00～20:00的运动期和20:00～次日4:00的稳定期;(4)在礁体上方流速较快的水平层的阻隔作用下,礁区浮游动物数量始终处于波动状态,没有明显的昼夜垂直变化规律,在礁区上层保持较高的数量,可提升集鱼效果、促进生产力转换;(5)聚类分析和排序表明,礁区浮游动物为一个群落类型。而非礁区中小型浮游动物可分2个群落类型,一个是白天随浮游植物而上浮的以植食性种类为主要特征种的群落类型,另一个是晚上植食性种类下沉后以肉食性种类为主要特征种的群落类型。     

两种人工鱼礁单体模型静态堆积效果

我国人工鱼礁建设呈规模大型化和结构多样化的发展趋势,并开始向深水区域拓展。本研究采用静态堆积实验,类比研究了我国近海框架型鱼礁单体与HUT型鱼礁单体在堆积建设单位鱼礁时的成堆效果与堆积表现。从鱼礁单体结构形态的角度,分别比较了两种单体模型在成堆过程中的空方增长率、空方体积比及其高度贡献率随单体数量的变化。结果显示:①在相同的单体使用量下,框架型单体鱼礁的空方增长率高于HUT型单体,形成单位鱼礁的规模和底面积相对较大,适用于海流较缓、水深较浅的海域;HUT型单体形成单位鱼礁的空方体积比框架型鱼礁高,形成单位鱼礁形态较为高耸且透空、透水性较好,适用于水深相对较大的海域。②从单体对单位鱼礁高度的贡献率角度考量,同时使得两种单体特性的差异充分展现,建议使用框架型单体进行单位鱼礁建设,堆积数量应超过28个,选用HUT型鱼礁单体时,堆积数量则应超过40个。     

波浪作用下箱网式浮鱼礁水动力特性研究

人工鱼礁可分为沉鱼礁和浮鱼礁,人工鱼礁投放是海洋牧场建设的重要工程基础。浮鱼礁主要用于诱集和保护中上层鱼类,投放受底质条件限制较小,尤其在淤泥底质的海域具有良好的适应性。浮鱼礁主体结构处于中上层位置,受波浪等动力环境影响较大,鱼礁的结构安全性和稳定性是设计和投放中需要重点关注的问题。本研究集合鱼礁集鱼、护鱼和养殖的功能,提出了一种多功能箱网式浮鱼礁结构设计,并建立了水动力数值模型,分析探讨了波高和入水深度对两种锚定形式(单锚绳和多锚绳)的浮鱼礁安全性和稳定性的影响。研究结果表明,相同条件下,单根锚绳固定形式下的锚绳受力总体约为四根锚绳固定时的锚绳受力总和,但网衣网线受力较四根锚绳固定时小。波高对单根锚绳固定的浮鱼礁最大偏转角度影响较大,但四根锚绳固定时,可以显著地降低浮鱼礁最大偏转角度,有效地提高浮鱼礁的稳定性,而且波高越大,效果越明显。波高不变的情况下,随着入水深度的增加,浮鱼礁水平最大偏移迅速减小。当浮鱼礁入水深度为波高的2倍以上时,两种固定方式下的浮鱼礁运动差别可以忽略。     

海上养殖设施与人工鱼礁融合布局流场分析

为拓展人工鱼礁的聚群功能,实现网箱及筏架多层次养殖的现代海洋牧场新模式,在网箱附近构建一定形态的人工鱼礁群,采用CFD软件并进行二次开发,模拟往复潮流,对鱼礁区流场分析。结果显示:网箱附近放置部分鱼礁,在海底流速为1 m/s的情况下,礁区内布置的网箱(围栏)养殖区域内的流速为0. 60～0. 80 m/s;在礁区后方形成较大范围的涡流区,流速在0. 2～0. 67 m/s。根据大型网箱、围栏的投饲情况,分析了礁区内往复海流对养殖固形物携带能力。验证了人工鱼礁群、网箱及养殖筏架综合布局新模式的可行性。研究表明:人工鱼礁群落对内部放置的网箱具有一定的阻流作用,在鱼礁群落的后侧,适合贝类及藻类的筏架养殖。该研究为现代化海洋牧场生态环境构建提供了理论依据。     

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。     

Characteristics of effective marine protected areas in Hawaiʻi

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一种圆台型人工鱼礁非线性波浪作用受力分析

为探求人工鱼礁水平波浪受力的非线性影响因素,获取更接近实际水平波浪力的数值计算方法,以校核验证鱼礁在海底的力学稳定性。本研究基于二阶Stokes波浪理论,借助无量纲化方法对计算水平波浪力的Morison方程进行非线性因素分析。以一种圆台型人工鱼礁为例,采用计算流体力学方法实施边界造波,建立求解鱼礁波浪力的三维非线性波浪数值水槽模型。依据数值计算结果,采用回归分析方法,求得鱼礁在二阶Stokes波浪作用下,正向最大受力(Fmax)与波陡(δ)最佳关系方程：Fmax=?0.89+110.44δ,相关系数(R2)为0.9795;最大负向受力(F–max)与波陡(δ)最佳关系方程：F?max=?0.10?83.52δ,相关系数(R2)为0.9899。圆台型鱼礁在本研究中给定最小与最大波陡波浪下的不漂移安全系数与不翻滚安全系数分别为3.45、2.11与7.54、3.96。研究表明,影响人工鱼礁波浪受力的主要非线性因子为波陡项,随着波陡的增加,非线性作用逐渐加强。鱼礁水平波浪力值随波浪运动做周期性正、负变化,同一时刻,其受力值随着波陡值的增加而增大;鱼礁正、负向最大波浪力与波浪波陡值分别呈正、负线性增长关系;圆台型式人工鱼礁抗滑移与抗翻滚特性较好,在大波陡波浪作用下具有良好的安全稳定性。     

防城港人工礁区内5种恋礁鱼类的声学标志跟踪

为了解人工鱼礁区鱼类的活动特点及使用超声波遥测方法进行人工鱼礁区鱼类研究的可行性, 2017年7月7日至9月8日于防城港人工鱼礁区利用Vemco定位系统(Vemco position system, VPS)对5种北部湾沿海常见的野生恋礁性鱼类共9尾[体长(21.7±3.8) cm,体重(314±186) g]进行超声波标志遥测跟踪。结果表明, 9尾鱼中的3尾定位效果较为理想(1749～9591个定位结果),活动范围较小,其中100%最小凸多边形(minimum convex polygon, MCPs)范围为12687.6～17123.2 m^2。而50%和95%核心利用分布(Kernelutilizationdistribution,KUDs)范围为5788.1～8708.9 m^2和10240.5～16463.7 m^2。另6尾鱼未取得理想的定位效果(0～14个定位结果),接收机接收回的定位数据可以被检测,表明鱼依然在礁区附近活动。在游离检测范围28～51 d后又有信号返回,说明样本鱼对人工鱼礁环境有一定的偏好性,研究期间样本鱼表现出一定的活动深度变化规律,在15:00～22:00时段活动深度相对较浅,主要集中于人工鱼礁礁体上方(距水底5 m以上)。研究表明,应用超声波遥测技术可以了解鱼类在自然生活状态下的活动特点,可作为鱼类研究的有效手段加以应用。     

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。