中国常用人工鱼礁流场效应的比较分析

人工鱼礁是建设现代化海洋牧场的基础设施,为了研究在不同海域流速下,迎流角度对人工鱼礁的影响,实验基于Ansys-Fluent平台,采用RNG $ k - \\varepsilon $的湍流模型,进行数值水槽模拟,对结构边长为3 m的立方对角面开孔鱼礁在3种来流速度 (0.5、1.0和1.5 m/s)、4种迎流角度 (0°、15°、30°和45°)下的上升流体积、背涡流体积、阻力、倾覆力矩等水动力特性进行比较分析。结果显示,人工鱼礁内部和周围存在具有显著特征的上升流区域和背涡流区域;流场规模的大小基本不受来流速度的影响;流速是影响立方对角面开孔人工稳定性的主要因素,流速越大,作用在礁体上的阻力和倾覆力矩相应变大,礁体的稳定性越差;迎流角度是影响人工鱼礁流场效应的主要因素,鱼礁的流场效应规模在迎流角度为30°~45°时达到最优,礁体为45°迎流时上升流体积和背涡流体积都达到最大值。利用权重赋值法,引入人工鱼礁建设效果综合评价模型,通过综合评价分析,在不考虑海底底质淤积、风浪等条件下,投放人工鱼礁时宜选取最大流速不超过1 m/s的海域,且迎流角在30°至45°范围内,鱼礁的建设效果最佳。

     

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。     

基于高精度声学图像的海洋牧场海床类型识别

人工鱼礁作为海洋牧场建设的基础生态工程,在海洋生态环境修复和渔业资源增殖方面起着重要作用。随着人工鱼礁的大量投放,海洋牧场海床逐步转变为高度异质性的底栖生境,底栖生态变化会直接影响到底栖及底层生物的栖息与繁衍。针对传统调查方法在海洋牧场中的局限性,聚焦天津海洋牧场,基于侧扫声纳后散射数据和多波束测深数据,从侧扫图像亮度、图像纹理及地形起伏度等3个维度,探索了天津海洋牧场海床类型识别、分类和面积量化的新方法。研究表明,天津海洋牧场共发现人工鱼礁、牡蛎类、淤泥类、蛤仔泥混类、牡蛎泥混类及碎贝泥混类等6种海床类型,基于声学图像特征的海床类型识别方法准确率达90%,可满足海洋牧场底栖生态研究的需求;通过对比分析,天津海洋牧场本底淤泥类海床消退为58.19%,贝类海床增至7.96%,贝类资源增殖效果明显;人工鱼礁周边新生牡蛎礁0.246 km2,并伴有0.303 km2的牡蛎泥混海床待发育为牡蛎礁,海洋牧场建设对牡蛎礁具有重要的修复作用。本研究探索了适宜于海洋牧场的海床声学分类方法,探讨了声学技术对传统底栖调查方法的补充与完善作用,明确了海床类型与声学图像特征的紧密联系,验证了海洋牧场对牡蛎礁的修复作用,成果可有效应用于近岸海域生境修复、贝类资源量精准评估及牡蛎礁演化机理等领域的研究。     

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。     

规模化透水性人工鱼礁阻流效应的数值模拟

为在大尺度海洋模型中合理体现透水性人工鱼礁组合，基于海洋数值模式FVCOM（finite volume community ocean model）模拟了大陈岛拟建人工鱼礁区的水动力情况，比较了阻滞力法、实心礁法和附加底摩擦法在投礁前后的垂向流速、礁顶平面流速、水体向上输运通量和背涡流体积的差异，并根据投礁前后的流速差异，应用经验公式预测了投礁一年后底床泥沙冲淤情况。数值模拟结果表明，礁体组合迎流面产生上升流，礁体背流面流速减小，涨急时刻所形成缓流区长度在礁体组合长度20倍以上，年底床淤积厚度约0.05 m。阻滞力法以减少来流的动态功率密度来模拟礁体对水流的阻滞作用，可有效合理地实现对透水性人工鱼礁流场效应的模拟，避免了实心礁法在透水性鱼礁模拟中过高估计流场效应的问题，也没有附加底摩擦法只适用于低矮礁体的缺陷。阻滞力法可根据透水性礁体的造型、迎流面积、组合个数、布放方式和所处水层而设置各向和各水层的阻流参数，不仅适用于置底型透水性鱼礁，也适用于浮鱼礁。阻滞力法的建立、完善和应用对于今后的人工鱼礁水动力学和生态动力学研究具有重要意义。     

布设间距对多孔方型人工鱼礁流场效应影响的数值模拟研究

采用计算流体动力学(CFD)技术,研究了不同布设间距下,多孔方型人工鱼礁周围水流运动的规律,旨在为深入研究人工鱼礁的集鱼原理和海洋牧场建设中人工鱼礁的投放和布设提供更多参考。本研究采用了4种布设间距,分别为0.5、1、1.5和2倍鱼礁高度,基于计算机数值模拟技术,模拟了速度为0.8m/s的水流流经2个礁体的过程,分别观察鱼礁周围水流运动情况。结果显示,多孔方型人工鱼礁内部和周围存在缓流区、背涡流区、上升流区、死水区等有显著特征的区域;多孔方型人工鱼礁上升流的最大速度与来流速度的比值约为0.95倍;多孔方型人工鱼礁周围上升流最大抬升高度与鱼礁高度之比约为2.1;多孔方型人工鱼礁的结构在一定程度上为鱼礁周围的流态多样性提供了较有利的作用;多孔方型人工鱼礁的布设间距对2个鱼礁单体间的旋涡数量和旋涡方向有较大影响,也对涡量大小和涡量分布范围产生影响。研究表明,在一定范围内,布设间距越大,涡量越大,分布范围越广,但超过一定范围后,涡量不再增大,分布范围也不再扩大;多孔方型人工鱼礁的布设间距越大,背涡流在X方向和Y方向的影响面积越大。研究结果清晰地展现了不同布设间距下的人工鱼礁的流场效应,对在特定条件下进行人工鱼礁投放和布设具有重要意义。     

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。     

基于单位鱼礁规模的米字型人工鱼礁流场效应定量研究

流场效应是人工鱼礁发挥其生态效应的基础,流场效应强弱受单位鱼礁规模影响,同时是衡量人工鱼礁建设模式优劣与规划人工鱼礁建设模式的重要参考因素,流场体积是表征流场效应强弱的重要指标。本研究基于数值实验方法,分析米字型人工鱼礁在4种布设模式下28种单位鱼礁规模的流场体积变化规律,并建立上升流、背涡流流场体积与人工鱼礁建设规模指标的多元非线性模型。结果表明,单位鱼礁建设一级指标投放量(T_a)、布设间距(L_d)及目标速度比(R_u)与上升流体积分别呈线性、三次函数及幂函数关系,建立上升流体积回归模型为V_u=T_a×(0.002L_r~2-0.055L_r-2.429V_R×R_u+0.011R_u~(-1.833)+0.227L_d+0.437),回归拟合R~2为0.957,相对误差为18.61%。与背涡流体积分别呈幂函数、三次函数及指数函数关系;结合单位鱼礁建设二级指标相对边长(L_r)、容积率(V_R),背涡流体积回归模型为V_b=R_u×(-0.543L_r~2+2.388L_r)–51.779V_R~2+75.045V_R+1.449×10~(-4)T_a×e~(12.049 Ru)+1.620L_d×T_a,回归拟合R~2为0.938,相对误差为10.09%。该流场体积回归模型可用于规划指导均匀布设模式的人工鱼礁建设,为"减量增质提效"的人工鱼礁建设策略提供参考。     

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。     

现场海域人工鱼礁分布状态聚类分析

人工鱼礁的流场营造、鱼类诱集等建设目标,一般是通过单位鱼礁、鱼礁群等不同规模的形式实现的;实际投放的成千上百个人工鱼礁处于何种分布状态、它们是否满足单位鱼礁等规模要求,是非常值得关注的课题。本文利用空间聚类分析,借助基于划分的算法、基于层次的算法和基于约束的算法对投放后的鱼礁进行划分、归类或剔除,并选择单位鱼礁的重心、影响面积、鱼礁单体数量以及礁体间距4个指标进行比较分析,探讨人工鱼礁实际的组合聚类模式。结果显示3种空间聚类算法误差的排列顺序为：约束算法<划分算法<层次算法。通过对比分析,在基于约束的聚类算法下,最能反映人工鱼礁的实际集聚情况。     

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。     

人工鱼礁生态诱集技术的机理及研究进展

人工鱼礁是用于营造海洋牧场、调控和优化海洋生态环境、增殖渔业资源的人工设施。人工鱼礁所形成的环境可以作为鱼类良好的栖息、庇护和产卵场所,有利于鱼类的生存和繁殖,因此对鱼类具有良好的诱集效应。本文从多个角度论述了人工鱼礁生态诱集技术的机理以及鱼类行为和生态诱集技术的研究进展,探讨了目前人工鱼礁生态诱集技术研究所面临的问题和主要发展方向,旨在为我国沿海人工鱼礁建设提供一定的理论基础。     

Artificial reef placement: a red snapper,Lutjanus campechanus,ecosystem and fuzzy rule‐based model

Abstract This study on reef placement involves two aspects: (1) the development of a bioenergetics model for red snapper, Lutjanus campechanus (Poey), in Gulf of Mexico waters off the coast of Alabama, where significant numbers of artificial reefs are thought to exist, and (2) a fuzzy rough set model by which parameters determined from the bioenergetics model can provide a decision tool for optimally spacing artificial reefs during deployment. The bioenergetics and consumption rates of L. campechanus by age class foraging on artificial reefs in the Gulf of Mexico off the coast of Alabama provided input into the fuzzy rule‐based model. After conducting multiple simulations, highest certainty in optimal reef spacing was achieved for reef distances between 0.50 and 0.95 km such that no more than two fit within a 1‐km² area. Results can inform fisheries managers about placement of artificial reefs to affect the health and survival of reef‐associated species.     

南麂列岛海域两种框型人工鱼礁水动力性能试验

为改良南麂列岛海域投放的人工鱼礁礁体存在的沉陷、位移现象,试验研究了人工鱼礁水动力性能,并进行对比验证.采用水槽试验方法,对两种框型人工鱼礁模型在5种水流速度(0.15、0.20、0.25、0.30、0.35 m/s)和4种迎流角(0°、15°、30°、45°)条件下的阻力进行测定,并计算阻力系数.以水槽试验所测得的阻...     

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。     

大亚湾混凝土鱼礁和铁质鱼礁附着生物群落结构的季节变化

人工鱼礁上升流是流场区水体垂向交换、混合、循环的主要驱动因素之一,是人工鱼礁环境功能实现的基本环节。该研究通过数值实验方法获得4种投放量、7种布设间距共28种建设模式下米字型鱼礁上升流流场数据,提取并分析了代表流场作用能力的3个性能指标来评估上升流流场效应并准确定位上升流区,包括上升流,强度,范围及位置参数,进而为合理规划单位人工鱼礁建设模式提供参考。结果表明,4种投放量在0~1.5倍鱼礁单体边长(S_la) 的布设间距下相对体积效率最佳,布设间距为0~1.5 S_la、投放量为432空m³时上升流平均相对速度最高;0与1.5 S_la布设间距下单位体积贡献率较高;1.0~3.0 S_la布设间距的上升流相对面积较高,对应相对面积高度基本相同,为0.5~1.0。进一步以不同海域上升流作用形式差异为出发点,指出确定上升流区的新思路,并提出以上升流流场最佳效应为前提的最优单位人工鱼礁建设模式选择方法。

     

粤东柘林湾溜牛人工鱼礁建设选址生态基础评价

采用层次分析法,构建了基于生态系统效应的资源保护型人工鱼礁建设选址评价方法,通过选择水文、水质、底质和浮游生物、鱼卵仔鱼、大型底栖动物、游泳动物、初级生产力、潮间带大型底栖动物等30个海洋环境与海洋生物因子,建立了人工鱼礁建设选址生态评估模型;以柘林湾溜牛人工鱼礁区选址区域为例,对所选因子进行了春、夏、秋、冬4个季度的跟踪监测,探讨了该海区进行人工鱼 礁建设的适宜性,根据该模型计算得出各季度人工鱼礁建设选址生态基础评价指数分别为0.65、0.71、0.63、0.64,平均为 0.66,计算结果表明,该区域建礁生态基础良好,适宜选址开展人工鱼礁建设,其中生态基础最优的季节为夏季。     

人工鱼礁结构设计原理与研究进展

为了解侧板结构对八棱柱型人工鱼礁流场效应的影响,实验基于计算流体力学方法 (computational fluid dynamics, CFD),利用大涡模拟 (LES)对4种不同侧板结构的八棱柱型人工鱼礁周围流场变化进行数值模拟,并以上升流体积、背涡流体积和向上输运通量等为流场效应指标进行了分析,同时利用水槽实验对数值模型进行验证。结果显示,水槽实验流速与2种尺寸数值模拟流速的均方根误差最大不超过0.065。0°垂直迎流时,2种来流速度下,A型、C型和D型礁的上升流体积较B型礁最大分别高35.6%、244.1%和80.1%,背涡流体积较B型礁最大分别高193.5%、115.8%和88.8%。C型和D型礁的向上输运通量均大于A型礁,且C型礁最大向上输运通量是D型礁的1.29倍。不同迎流角度下,C型礁和D型礁的上升流体积和背涡流体积在4种角度下差异显著,且迎流面投影面积和上升流体积及背涡流体积之间相关系数较小。研究表明,实验所采用的数值模拟准确可靠;侧板数量增加对于提升八棱柱型人工鱼礁流场效应尤其是上升流效应作用明显;下层侧板固定时,上层为倾斜侧板有利于提升礁体的上升流效应,上层为垂直侧板时有利于提升礁体的背涡流效应;不同的侧板组合会影响礁体对迎流角度的适应性。本研究结果可为鱼礁单体的优化设计以及大尺度海洋数值模型中阻力参数设定提供参考。

     

青岛市崂山湾公益性人工鱼礁建设的探索与实践

人工鱼礁建设是指在自然海区营造适宜于水产经济生物生长繁殖的环境,从而吸引野生或人工放养的海洋生物定居,促进水生生态系统健康发展与海洋渔业资源的增殖与养护。青岛崂山湾公益性人工鱼礁区位于崂山湾南部海域,建设周期三年（2012年~2015年）,工程建设采用了混凝土和废旧渔船两类鱼礁体,共建设三处人工鱼礁群,每处人工鱼礁群使用海域200 hm2。项目建设期间需要采取多项安全防治和环保治理措施,后期管理工作也要同步展开。该项目建成后具有显著的生态效益、经济效益和社会效益,并将为修复海洋生态环境和渔业资源、发展生态休闲渔业、实现渔业可持续发展发挥重要的促进作用。     

Artificial Reefs, the Attraction-production Issue, and Density Dependence in Marine Ornamental Fishes

Artificial reefs may provide a useful tool to enhance production of marine ornamentals and to divert detrimental harvesting activities from sensitive natural habitat. The efficacy of this strategy depends, in part, on the extent to which artificial reefs contribute to new production (vs. attract fishes from natural habitat) and therefore benefit harvested populations on a local and regional basis. Here the attraction and production hypotheses and their application to marine ornamentals are presented. Specifically, it is discussed how the strength and timing of density dependence can affect the response of fish population dynamics to artificial reefs. In addition to this discussion, examples of density dependence in marine ornamentals and related reef fishes are provided. Based on this information, a simple conceptual model is presented to clarify the role of density dependence, and this is followed by a discussion on the use of artificial reefs in the management and production of marine ornamentals. Finally, unresolved scientific issues that remain to be addressed are provided.