留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于上升流效应的单位鱼礁建设模式研究

郭禹 章守宇 林军

引用本文:
Citation:

基于上升流效应的单位鱼礁建设模式研究

    作者简介: 郭 禹 (1990—),女,博士研究生,研究方向为人工鱼礁与海洋牧场。E-mail: guoyu25895177@163.com;
    通讯作者: 章守宇, syzhang@shou.edu.cn
  • 中图分类号: S 953.1

Study on unit reef construction mode based on upwelling effects

    Corresponding author: Shouyu ZHANG, syzhang@shou.edu.cn ;
  • CLC number: S 953.1

  • 摘要: 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(Sla) 的布设间距下相对体积效率最佳,布设间距为0~1.5 Sla、投放量为432空m3时上升流平均相对速度最高;0与1.5 Sla布设间距下单位体积贡献率较高;1.0~3.0 Sla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。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。
  • 图 1  米字型人工鱼礁

    Figure 1.  Mi-zi shape artificial reefs

    图 2  单位人工鱼礁水槽实验计算域示意图

    Figure 2.  Schematic diagram of calculation domain of unit artificial reef flume experiment

    图 3  单位人工鱼礁上升流区选定

    Figure 3.  Upwelling area of unit artificial reef

    图 4  上升流流场体积空间结构示意图

    Figure 4.  Space structure sketch of upwelling volume

    图 5  上升流面积选取位置 (a) 和上升流流场面积正面示意图 (b)

    Figure 5.  Location sketch (a) and area front view sketch (b) of upwelling area

    图 6  上升流流速主轴位置

    Figure 6.  Spindle location of upwelling velocity

    图 7  28种单位鱼礁建设模式下上升流相对体积效率

    Figure 7.  Relative volume efficiency for upwelling under 28 types of unit reef construction modes

    图 8  28种单位鱼礁建设模式下上升流平均相对速度

    Figure 8.  Average relative velocity for upwelling under 28 types of unit reef construction modes

    图 9  28种单位鱼礁建设模式下上升流单位体积速度贡献率

    Figure 9.  Velocity contribution rate of unit volume for upwelling under 28 types of unit reef construction modes

    图 10  28种单位鱼礁建设模式下上升流相对面积及对应高度

    Figure 10.  Relative area and corresponding height of upwelling under 28 types of unit reef construction modes

    图 11  28种单位鱼礁建设模式下上升流主轴发生位置

    Figure 11.  Spindle position of upwelling under 28 types of unit reef construction modes

  • [1] KIM D, WOO J, YOON H S, et al. Efficiency, tranquillity and stability indices to evaluate performance in the artificial reef wake region[J]. Ocean Eng, 2016, 122: 253-261. doi:  10.1016/j.oceaneng.2016.06.030
    [2] YOON H S, KIM D, NA W B. Estimation of effective usable and burial volumes of artificial reefs and the prediction of cost-effective management[J]. Ocean Coast Manag, 2016, 120: 135-147. doi:  10.1016/j.ocecoaman.2015.12.007
    [3] LANGHAMER O. Artificial reef effect in relation to offshore renewable energy conversion: state of the art[J]. Sci World J, 2012: 1-8.
    [4] 张伟, 李纯厚, 贾晓平, 等. 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[J]. 南方水产科学, 2015, 11(1): 9-17.
    [5] HUANG X Y, WANG Z J, YING L, et al. On the use of blast furnace slag and steel slag in the preparation of green artificial reef concrete[J]. Constr Build Mater, 2016, 112: 241-246. doi:  10.1016/j.conbuildmat.2016.02.088
    [6] DONGHA K, SOMI J, JONGKYU K, et al. Efficiency and unit propagation indices to characterize wake volumes of marine forest artificial reefs established by flatly distributed placement models[J]. Ocean Eng, 2019, 175: 138-148. doi:  10.1016/j.oceaneng.2019.02.020
    [7] de TROCH M, REUBENS J T, HEIRMAN E, et al. Energy profiling of demersal fish: a case-study in wind farm artificial reefs[J]. Mar Environ Res, 2013, 92: 224-233. doi:  10.1016/j.marenvres.2013.10.001
    [8] AJEMIAN M J, WETZ J J, SHIPLEY-LOZANO B, et al. An analysis of artificial reef fish community structure along the northwestern gulf of Mexico shelf: potential impacts of "Rigs-to-Reefs" Programs[J]. PLoS One, 2015, 10(5): e0126354. doi:  10.1371/journal.pone.0126354
    [9] ZHENG Y X, LIANG Z L, GUAN C T, et al. Numerical simulation and experimental study of the effects of disposal space on the flow field around the combined Three-Tube reefs[J]. china ocean eng, 2015, 29(3): 445-458. doi:  10.1007/s13344-015-0031-1
    [10] 郭禹, 章守宇, 林军. 以数值实验为基础的米字型鱼礁布设模式差异下的流场效率[J]. 水产学报, 2019, 43(9): 2025-2038.
    [11] KIM D, WOO J, YOON H S, et al. Wake lengths and structural responses of Korean general artificial reefs[J]. Ocean Eng, 2014, 92: 83-91. doi:  10.1016/j.oceaneng.2014.09.040
    [12] 肖荣. 镂空型人工鱼礁流场效应及营养盐输运的数值模拟研究[D]. 上海: 上海海洋大学, 2015: 36-43.
    [13] 姜少杰, 刘海敌, 吴伟, 等. 一种人工鱼礁的水动力学研究与建设效果评价[J]. 海洋学研究, 2017, 35(2): 53-60.
    [14] 江涛, 朱烨, 崔铭超, 等. 海上养殖设施与人工鱼礁融合布局流场分析[J]. 渔业现代化, 2019, 46(1): 27-34.
    [15] 王亮根, 李亚芳, 杜飞雁, 等. 大亚湾人工鱼礁区和岛礁区浮游动物群落特征及对仔稚鱼的影响[J]. 南方水产科学, 2018, 14(2): 41-50.
    [16] 袁小楠, 梁振林, 吕振波, 等. 威海近岸人工鱼礁布设对生物资源恢复效果[J]. 海洋学报, 2017, 39(10): 54-64.
    [17] 李珺, 章守宇. 米字型人工鱼礁流场数值模拟与水槽实验的比较[J]. 水产学报, 2010, 34(10): 1587-1594.
    [18] 林军, 章守宇, 叶灵娜. 基于流场数值仿真的人工鱼礁组合优化研究[J]. 水产学报, 2013, 37(7): 1023-1031.
    [19] 张硕, 孙满昌, 陈勇. 不同高度混凝土模型礁上升流特性的定量研究[J]. 大连海洋大学学报, 2008, 23(5): 353-358.
    [20] 庞运禧. 人工鱼礁流场效应数值模拟研究[D]. 湛江: 广东海洋大学, 2017: 18-31.
    [21] 王佳浩, 刘莉莉, 蔡新晨, 等. 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[J]. 渔业科学进展, 2019, 24(6): 1-10.
    [22] 姜昭阳, 郭战胜, 朱立新, 等. 人工鱼礁结构设计原理与研究进展[J]. 水产学报, 2019, 43(9): 1881-1889.
    [23] 崔勇, 关长涛, 万荣, 等. 布设间距对人工鱼礁流场效应影响的数值模拟[J]. 海洋湖沼通报, 2011(2): 59-65.
    [24] 黄远东, 付登枫, 何文荣. 人工鱼礁开口比对流场效应影响的三维数值模拟研究[J]. 水资源与水工程学报, 2014, 25(4): 39-43.
    [25] 于定勇, 杨远航, 李宇佳. 不同开口比人工鱼礁体水动力特性及礁体稳定性研究[J]. 中国海海洋大学学报 (自然科学版), 2019, 49(4): 128-136.
    [26] 朱子晨, 张莞君, 胡泽建, 等. 半日潮流作用下悬移质泥沙的运动特征及其影响因素研究[J]. 海洋学报, 2019, 41(6): 37-47.
    [27] 张存勇. 连云港近岸海域沉积物再悬浮及悬沙动力研究[D]. 青岛: 中国海洋大学, 2011: 43-72.
    [28] 李国胜, 王海龙. 黄河入海泥沙悬移输送机制的控制实验[J]. 地理研究, 2009, 28(3): 571-552.
    [29] WIBERG P L, DRAKE D, CACCHIONE D A. Sediment resuspension and bed armoring during high bottom stress events on the northern California inner continental shelf: measurements and predictions[J]. Cont Shelf Res, 1994, 14(10/11): 1191-1219.
    [30] 雷坤, 杨作升, 郭志刚. 东海陆架北部泥质区悬浮体的絮凝沉积作用[J]. 海洋与湖沼, 2001, 32(3): 288-295.
    [31] 向军, 逢勇, 李一平, 等. 浅水湖泊水体中不同颗粒悬浮物静沉降规律研究[J]. 水科学进展, 2008, 19(1): 111-115.
    [32] 黄建维. 粘性泥沙在静水中沉降特性的试验研究[J]. 泥沙研究, 1983, 2(2): 74-78.
    [33] 罗含思, 沈敏, 林军, 等. 马鞍列岛人工鱼礁区海域地质特征及其承载力[J]. 水产学报, 2019, 43(2): 441-453.
    [34] 单红仙, 王伟宏, 刘晓磊, 等. 海水盐度对沉降泥沙固结过程影响研究[J]. 海洋工程, 2015, 33(2): 50-57, 76.
    [35] 罗含思, 沈敏, 林军, 等. 马鞍列岛人工鱼礁区海域底质特征及其承载力[J]. 水产学报, 2019, 43(2): 441-453.
    [36] 公丕海, 郑延漩, 李娇, 等. 塔型桁架人工鱼礁流场效应及稳定性[J]. 中国水产科学, 2019, 26(5): 1021-1028.
    [37] 吉牟田长生, 吕晓明. 鱼礁规模与投放条件[J]. 国外水产, 1985(2): 37-41.
    [38] 唐衍力, 龙翔宇, 王欣欣, 等. 中国常用人工鱼礁流场效应的比较分析[J]. 农业工程学报, 2017, 33(8): 97-103.
    [39] JIANG Z Y, LIANG Z L, ZHU L X, et al. Numerical simulation of effect of guide plate on flow field of artificial reef[J]. Ocean Eng, 2016, 116: 236-241. doi:  10.1016/j.oceaneng.2016.03.005
  • [1] 丁玲唐振朝张钟哲 . 人工鱼礁最大静摩擦系数影响因素的试验研究. 南方水产科学, doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2018.01.010
    [2] 佟飞唐振朝贾晓平陈丕茂 . 基于侧扫声纳方法的框架式人工鱼礁测量. 南方水产科学, doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2018.01.013
    [3] 沈裕鑫张硕吴立珍路吉坤伏光辉 . 灰色拓扑模型在海州湾人工鱼礁区水质预测的应用. 南方水产科学, doi: 10.12131/20190171
    [4] 王佳美唐振朝丁玲贾晓平张钟哲 . 基于水槽模型试验的人工鱼礁局部冲淤研究. 南方水产科学, doi: 10.12131/20200074
    [5] 李跃飞陈蔚涛夏雨果杨计平朱书礼李新辉 . 人工鱼巢材料选择及实施效果影响因素分析. 南方水产科学, doi: 10.12131/20190198
    [6] 张林宝陈海刚田斐孙伟张喆蔡文贵 . 三唑磷对翡翠贻贝神经毒性与氧化损伤效应性别差异研究. 南方水产科学, doi: 10.12131/20200097
    [7] 刘志强许柳雄唐浩胡夫祥周成 . 不同工作姿态下立式双曲面网板水动力及周围流场特性研究. 南方水产科学, doi: 10.12131/20190221
    [8] 任开元沈修俊王明云石小涛刘国勇 . 人工饲养倒刺鲃幼鱼的野化训练. 南方水产科学, doi: 10.12131/20190227
    [9] 牛莹月区又君蓝军南温久福李加儿李俊伟周慧 . 人工培育四指马鲅鳃组织结构及其早期发育. 南方水产科学, doi: 10.12131/20200028
    [10] 陈建林苏泽杰鲁义善徐亮张红莲夏立群 . 鰑鱼诺卡氏菌HYD基因的克隆及亚细胞定位研究. 南方水产科学, doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2018.01.005
    [11] 王晓臣吕彬彬邢娟娟李丹王彩宁任胜杰 . 黄河上游2种裂腹鱼感应流速及其与体长的关系. 南方水产科学, doi: 10.12131/20190249
    [12] 王成龙关文志李永强刘峰 . 17β-雌二醇诱导黄颡鱼雌性化的研究. 南方水产科学, doi: 10.12131/20200001
    [13] 蔡研聪黄梓荣李佳俊许友伟孙铭帅陈作志刘维达 . 南海北部近海新记录种——苏门答腊金线鱼资源分布特征. 南方水产科学, doi: 10.12131/20200064
    [14] 宋利明李轶婷 . 金枪鱼延绳钓力学性能研究进展. 南方水产科学, doi: 10.12131/20190183
    [15] 黄小林杨育凯李涛虞为黄忠林黑着舒琥 . 池塘养殖黄斑篮子鱼初次性成熟性腺发育研究. 南方水产科学, doi: 10.12131/20200051
    [16] 胡玉婷江河段国庆周华兴凌俊汪焕 . 安徽两水系黄颡鱼的微卫星遗传多样性分析. 南方水产科学, doi: 10.12131/20200063
    [17] 范秀梅杨胜龙张胜茂朱文斌崔雪森 . 基于栖息地指数的阿拉伯海鲐鱼渔情预报模型构建. 南方水产科学, doi: 10.12131/20190255
    [18] 韩叶郑伟康学会闫春梅李忠强刘慧吉李秀颖柳鹏陈伟强 . 基于微卫星标记的图们江大麻哈鱼亲子鉴定技术研究. 南方水产科学, doi: 10.12131/20200029
    [19] 韩霈武李楠方舟陈新军 . 基于线性混合模型的不同群体柔鱼胴长体质量关系的异质性研究. 南方水产科学, doi: 10.12131/20200117
    [20] 侯娟周为峰樊伟张衡 . 基于集成学习的南太平洋长鳍金枪鱼渔场预报模型研究. 南方水产科学, doi: 10.12131/20200022
  • 加载中
图(11)
计量
  • 文章访问数:  8
  • HTML全文浏览量:  2
  • PDF下载量:  0
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-15
  • 录用日期:  2020-04-30
  • 网络出版日期:  2020-09-29

基于上升流效应的单位鱼礁建设模式研究

    作者简介:郭 禹 (1990—),女,博士研究生,研究方向为人工鱼礁与海洋牧场。E-mail: guoyu25895177@163.com
    通讯作者: 章守宇, syzhang@shou.edu.cn
  • 上海海洋大学海洋生态与环境学院,上海 201306

摘要: 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(Sla) 的布设间距下相对体积效率最佳,布设间距为0~1.5 Sla、投放量为432空m3时上升流平均相对速度最高;0与1.5 Sla布设间距下单位体积贡献率较高;1.0~3.0 Sla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。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。

English Abstract

  • 人工鱼礁为具有目的性的人工建造或放置于海床上的水下结构[1],用于效仿天然礁石达到保护、再生、聚集和增殖海洋生物资源及促进人工鱼礁区水生栖息地生成、恢复与保护等功能[2-3]。人工鱼礁建设之初仅通过投放简单的木料和石料达到渔获型建礁目标,面对渔业资源量逐年下降与生态环境过度消耗的现象,人工鱼礁材料逐渐向钢筋混凝土和钢结构发展[3],建设类型也向资源增殖与生态修复型延伸[4]。目前,人工鱼礁在日本、美国、韩国、中国等国均有投放[6],其作用主要为改善海域生态环境 (生物多样性或生态系统管理、水质改善等)[7]、养护海洋生物资源[8](诱集、增殖、产卵保护、幼鱼保护等)、促进旅游和休闲活动[9] (钓鱼、潜水、海底观光等) 等。

    人工鱼礁作为海洋牧场建设的重要设施基础,近年来在我国投放量逐年增加,投放面积逐渐增多,考虑自然海域改变与鱼礁投放量间的利弊关系,我国提出“减量提质增效”的人工鱼礁建设模式[10],因此人工鱼礁建设需具有明确的目标性,其前提为确定各建设模式下人工鱼礁的建设效果与作用形式。流场效应是人工鱼礁建设的直接效果,高效人工鱼礁建设不仅需要在整个空间范围内使流场效率达到最佳,还需满足流场区内强度的有效性和位置的适宜性[11]。伴随鱼礁投放的广泛性与针对性,不同建设海域对人工鱼礁的流场主体效应需求存在差异,其中上升流作为鱼礁前部产生的促进垂向流体及营养物质交换与混合的流场区[12],对优化水质环境、丰富生物资源作用显著,合理营造与充分利用上升流是实现高效建礁模式的基本理念[13]

    我国人工鱼礁建设的相邻海域常伴有规模化的筏式和网箱等海水养殖区,此时人工鱼礁上升流通过垂直向上的流动控制区域内饵料残渣及排泄物等的沉降特性,减缓碎屑沉降速度,努力使碎屑在沉降中逐渐分解或悬浮;另外,转移养殖碎屑的沉降区域,因碎屑在沉降中悬浮被携带至其他海域,有效改善、优化养殖海域水体环境,提高养殖效率[14]。开阔海域内上升流以水体流动为载体携带底层沉积物等向上运动,混合垂向不同水层的营养盐及颗粒物质,增加海域内悬浮营养物质含量,进而达到营养物质充分交换、生物资源增殖的作用[15-16]。因此,上升流作用能力是评价人工鱼礁环境效应强弱的关键指标。本研究以上升流强度、范围和中心位置3个指标作为上升流作用能力评价因子,构建以上升流效应为目标的单位人工鱼礁最优建设模式方法流程,为合理规划、高效建设人工鱼礁奠定理论基础。研究中流场数据采用ANSYS 16.1软件的大涡模拟模型获得,模拟数据通过验证切实可用。

    • 以实际投放海域中人工鱼礁流场特性为依据,数值实验中假设流体为不可压缩、非定常、黏性流动,为保证对流场的模拟精度,本文在湍流模型上选择大涡模拟方法 (Large-eddy simulation, LES)。LES方程通过空间域N-S方程滤掉时间项得出,用瞬时的N-S方法直接模拟湍流中的大尺度涡,有效滤掉比过滤网格小的涡旋,小涡对大涡的影响通过近似的模型获得,从而得到大于网格尺度涡的动量方程[17],根据过滤尺寸G得出过滤后的瞬时变量$\bar \phi $的计算表达式:

      $\bar \phi = \int\limits_D {\phi (x')G\left( {x,x'} \right)} {\rm{d}}x'$

      $G\left( {x,x'} \right) = \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {1/V,x' \in v} \\ {0,x' \notin v} \end{array}} \right.$

      $\bar{\phi}=\frac{1}{V} \int\limits_{D} \phi\left(x^{\prime}\right) {\rm{d}} x^{\prime}$

      其中$x' $为过滤前流动区域中的空间坐标,x为过滤后大尺度空间坐标,ϕ为流动变量,D为流体计算域,V为计算单元体积,G表示滤波函数,用来定义可解尺度湍流的空间尺度。经过滤波函数处理的不可压缩流体、瞬时状态下的N-S方程与连续方程分别为:

      $\frac{{\partial \rho }}{{\partial t}} + \frac{\partial }{{\partial {x_i}}}\left( {\rho {{\bar u}_i}} \right) = 0$

      $\frac{\partial }{{\partial t}}\left( {\rho {{\bar u}_i}} \right) + \frac{\partial }{{\partial {x_i}}}\left( {\rho {{\bar u}_i}{{\bar u}_j}} \right) = - \frac{{\partial \bar p}}{{\partial {x_i}}} + \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left( {\mu \frac{{\partial {{\bar u}_i}}}{{\partial {x_j}}}} \right) - \frac{{\partial {\tau _{ij}}}}{{\partial {x_j}}}$

      式中ρ为流体密度 (kg·m−3);${{{\bar u}_i}}$, ${{{\bar u}_j}}$ (i, j=1, 2, 3, ij) 为过滤后的空间坐标系下XYZ 3个方向的平均流速 (m·s−1);$\bar p$为过滤后的平均压强 (Pa);μ为动力黏度 (Pa·s);τij为亚格子应力项,τij的定义为:

      ${\tau _{ij}} = \rho \overline {{u_i}{u_j}} - \rho {\bar u_i}{\bar u_j}$

    • 实验中人工鱼礁采用米字型礁体,礁体结构见图1。鱼礁呈正方体结构,单体边长(Sla)为3 m,礁体内部的交叉型结构有助于流场营造,鱼礁体制作简单且应用较广。为分析均匀布设模式下单位人工鱼礁流场强度,单位人工鱼礁区设为规则正方形,投放量分别为108 (4个)、243 (9个)、432 (16个) 和675 (25个) 空m3共4种,每种投放量鱼礁布设方式为2×2、3×3、4×4、5×5,每种布设方式的鱼礁单体间距以鱼礁单体边长的倍数表示,分别为0、0.5、1.0、1.5、2.0、3.0和4.0 Sla,共构成28种单位鱼礁建设模式。单位人工鱼礁的数值实验中,数值水槽入流面至单位鱼礁的长度为3倍单位鱼礁边长(Slu),即3 Slu,单位鱼礁尾至出流面15 Slu,鱼礁左、右至水槽壁面均为3 Slu,根据人工鱼礁高度为水深的1/10时上升流流场效应显著的特点,数值水槽高度设为10 Sla,来流方向垂直于礁体组合正向,来流速度取实际海域符合人工鱼礁投放要求的速度值,本研究取值为0.5 m·s−1

      图  1  米字型人工鱼礁

      Figure 1.  Mi-zi shape artificial reefs

      数值模拟中,入口边界条件设为速度入口,出口边界条件设为速度出口 (速度为来流速度负值),计算域底面与人工鱼礁表面设为壁面边界条件,采用无滑移边界参数,侧面与上顶面设为对称边界条件。模拟中流体密度设定为海水典型密度1 024 kg·m−3,重力参数为9.81 m·s−2图2为数值实验中1.0 Sla间距的单位人工鱼礁水槽实验计算域示意图,其中礁体颜色深浅程度分别表示单位人工鱼礁的4种布设模式。本研究米字型人工鱼礁数值实验已通过数值水槽实验验证,所有模型构建、网格划分与数值模拟实验均在ANSYS 16.1中完成。

      图  2  单位人工鱼礁水槽实验计算域示意图

      Figure 2.  Schematic diagram of calculation domain of unit artificial reef flume experiment

    • 人工鱼礁流场效应是指由于礁体阻隔作用而使原有稳定流场在礁体附近发生局部改变,形成一定范围的新流场形式,根据新流场的形态特征与作用形式,上升流位于单位人工鱼礁迎流面向,由于礁体阻隔而产生的沿鱼礁迎流面向上的流场作用区。上升流区域的选定标准主要根据人工鱼礁的投放目标而定。本文选取的米字型礁体常投放于东海区用于增殖养护岩礁性鱼类,如黑鲷 (Sparus macrocephalus) 等,因此以已有实验中黑鲷在人工鱼礁海域生活栖息习性为依据,确定上升流流场区域选择标准,选取礁体前端垂向流速vz大于0.05倍来流速度的区域为上升流区,即垂向速度大于0.025 m·s−1 的区域为上升流区[18]图3为5×5布设模式、1.0 Sla间距的单位人工鱼礁上升流区选取示意图,图中红色线内为上升流区。

      图  3  单位人工鱼礁上升流区选定

      Figure 3.  Upwelling area of unit artificial reef

    • 上升流作用能力是用于评价人工鱼礁建设效果强弱的重要指标,主要包括上升流强度、上升流范围及位置说明,其中上升流强度指流场区域内流体自身扰动和对颗粒物抗沉降能力的大小,主要以流速为依据;上升流范围指水平方向上升流产生的最大作用范围的垂向面积,说明流场的空间特点;上升流位置指上升流区域内垂向速度的主轴位置,即上升流区的主体发生位置,是合理选择投礁位置的重要依据。

    • 上升流强度指标包括流场效应的相对体积效率Irve、平均相对速度Iarv和单位体积速度贡献率IvcrIrve指实际满足速度要求的流场体积与满足速度要求区整个外围包络面体积之比,用于说明流场效应的空间密集程度 (空间强度);Iarv指流场区特定方向速度平均值与入口速度之比,用于说明流场效应的扰动与交换能力;IvcrIarv所占实际流场单位相对体积的量值,该指标从整体上说明流场速度强度规律。

      图4为人工鱼礁上升流流体结构图。图中红线围成的体积为上升流区内满足速度要求的整个外围包络面体积,记为上升流流场合体积Vut,黑线构成体积为流场区内实际满足速度要求的区域体积,记为上升流流场分体积Vup,相对体积效率Irve=Vup/Vut;平均相对速度为上升流区流速vu与来流速度vi比值的平均值,Iarv=Mean(vu/vi);单位体积速度贡献率Ivcr= Iarv/Vup

      图  4  上升流流场体积空间结构示意图

      Figure 4.  Space structure sketch of upwelling volume

    • 上升流范围指标包括流场效应的相对面积Ar和相对面积高度HraAr指上升流区水平向最大作用面积,用于说明水平向上升流的辐射范围;Hra指上升流最大作用面积处的位置高度,作为衡量人工鱼礁适宜投放水深的参考,高度取值基准面为人工鱼礁上底面。图5-a为上升流面积选取位置,图5-b为对应人工鱼礁上升流流场面积正面示意图。

      图  5  上升流面积选取位置 (a) 和上升流流场面积正面示意图 (b)

      Figure 5.  Location sketch (a) and area front view sketch (b) of upwelling area

    • 上升流区自鱼礁迎流面礁体前端生成流场中心区,沿中心区向外流速逐渐减小,随着鱼礁投放量与布设模式差异,上升流区垂向速度主轴发生位置不同,因此整个上升流区产生位置不同,图6为上升流区流速主轴位置选择示意图。

      图  6  上升流流速主轴位置

      Figure 6.  Spindle location of upwelling velocity

    • 通过对上升流合体积、分体积、平均速度3种上升流直接参数的提取,进一步计算并分析各流场强度指标的变化规律,其中上升流Irve体现流场的空间强度;上升流Iarv体现流场的作用强度;上升流Ivcr体现流场的速度强度。

    • 图7是4种布设模式7种布设间距的单位人工鱼礁上升流Irve对比图。相同人工鱼礁投放量,上升流Irve随布设间距逐渐减小,布设间距为0~1.5 Sla时,体积效率减小趋势缓慢,集中分布介于90%~100%;2.0 Sla布设间距为体积效率的转折点,此时4种投放量鱼礁的上升流相对体积效率均降至约72%;布设间距大于2.0 Sla时,相对体积效率呈现骤降趋势,主要分布介于32.5%~57.2%。同时,布设间距为0~2.0 Sla时,不同投放量、相同布设间距的上升流相对体积效率基本相同,流场空间强度相近;布设间距大于2.0 Sla时,相同布设间距下,人工鱼礁投放量越大,相对体积效率越小,流场空间密集程度越低,空间强度越弱。

      图  7  28种单位鱼礁建设模式下上升流相对体积效率

      Figure 7.  Relative volume efficiency for upwelling under 28 types of unit reef construction modes

      结合上升流流场体积空间结构分布实际,当布设间距为4.0 Sla时,上升流流场间出现一定范围的间距,使单位鱼礁上升流间无协同效应,与单位鱼礁建设目标不符,因此本文以4.0 Sla布设间距的Irve值作为衡量符合单位鱼礁上升流效应的最低标准,得出对应4种投放量 (108、243、432和675空m3) 下Irve最低标准依次为44.1%、35.5%、34.8%和32.5%。

    • 图8为4种人工鱼礁投放量的上升流Iarv随布设间距变化图。4种投放量人工鱼礁上升流Iarv均随布设间距增加呈现骤降后缓增的趋势。布设间距为2.0 Sla时,Iarv出现最低值,0 Sla布设间距处Iarv最大,0.5 Sla布设间距处次之;布设间距小于1.5 Sla时,4×4布设模式的上升流Iarv最大,其次为3×3、2×2布设模式,5×5布设模式Iarv最低,说明此布设间距下,以4×4的布设模式规划人工鱼礁,其上升流的扰动、传递与交换能力等作用强度效果最佳;布设间距为1.5~4.0 Sla时,3×3布设模式的Iarv明显高于其他3种布设模式,说明此布设间距下,若仅以上升流扰动强度即Iarv为人工鱼礁建设目标时,3×3的布设模式为最优。

      图  8  28种单位鱼礁建设模式下上升流平均相对速度

      Figure 8.  Average relative velocity for upwelling under 28 types of unit reef construction modes

    • Ivcr表示上升流实际作用体积内速度分布的密集程度。图9为4种投放量人工鱼礁Ivcr随布设间距的变化图。4种投放量鱼礁的Ivcr随布设间距的增加呈现先降后增再降的趋势,最大值位于0 Sla布设间距处,其次为1.5 Sla处,1.5 SlaIvcr由降转增的拐点,说明此间距下上升流速度强度较高。4种投放量上升流Ivcr随布设间距的变化趋势相同,投放量越少,Ivcr越大,说明越少投放量,鱼礁单体对上升流作用贡献越突出。

      图  9  28种单位鱼礁建设模式下上升流单位体积速度贡献率

      Figure 9.  Velocity contribution rate of unit volume for upwelling under 28 types of unit reef construction modes

    • 图10为4种投放量下上升流Ar及其对应高度随布设间距变化图。布设间距相同时,投放量越少上升流Ar越大;随着投放量增加,Ar降低量逐渐减小。4种投放量人工鱼礁的Ar随布设间距增加呈现先增后降的趋势。布设间距为1.5~2.0 Sla时,上升流Ar最大,说明此布设间距上升流影响面积最广,鱼礁的水平空间作用效果最强,是以流场面积为建礁标准的最佳鱼礁布设模式。布设间距为0~0.5 Sla时,相同投放量的Hra基本相同;布设间距大于0.5 Sla时,Hra迅速降低;布设间距为0.5~3.0 Sla时,Hra随布设间距增加逐渐降低;布设间距为4.0 Sla时,4种投放量人工鱼礁上升流Hra降至相同高度,Hra约为0.5,主要原因为当布设间距为4 Sla时,上升流间无协同作用,Hra可近似为鱼礁单体所产生的上升流相对高度,因此不受人工鱼礁投放量影响,此结果也说明在规划单位人工鱼礁建设模式时,鱼礁间布设间距应小于4 Sla

      图  10  28种单位鱼礁建设模式下上升流相对面积及对应高度

      Figure 10.  Relative area and corresponding height of upwelling under 28 types of unit reef construction modes

    • 上升流强度与作用范围是充分发挥鱼礁流场功效、合理规划人工鱼礁建设的重要判断指标,准确、高效利用上升流区是流场强度与范围指标充分发挥的前提,经过对上升流区流速特征分析,上升流区流速以迎流面礁体前端为中心,向外围逐渐减小,对流场内流速的等值线分析,将速度等值线最高处作为上升流流速主轴线,整个上升流区以主轴位置为中心向外分布,图11为4种投放量下7种布设间距的单位人工鱼礁上升流流速主轴分布位置。上升流主轴位置主要分布于迎流面鱼礁正上方1 m范围内。其中4种投放量下,上升流主轴位置随布设间距增加,逐渐向鱼礁前方移动,说明随布设间距增加,上升流区逐渐由鱼礁区后方向前方移动;同时,随着人工鱼礁投放量增加,上升流流速主轴位置逐渐向鱼礁后方移动,说明随鱼礁投放量增加,上升流区逐渐向鱼礁区正上方移动。在规划人工鱼礁建设中,需要考虑人工鱼礁投放区位置,进一步使上升流区得到充分利用,达到“提质增效”的鱼礁建设模式。

      图  11  28种单位鱼礁建设模式下上升流主轴发生位置

      Figure 11.  Spindle position of upwelling under 28 types of unit reef construction modes

      此外,鱼礁投放量相同时,随布设间距增加,上升流区相对高度逐渐降低;布设间距为0~0.5 Sla时,随着鱼礁投放量的增加,上升流相对高度逐渐增大;布设间距为1.0~2.0 Sla时,3×3与4×4布设模式上升流相对高度较高;布设间距为3.0~4.0 Sla时,随着鱼礁投放量增加,上升流相对高度逐渐降低。

    • 上升流是人工鱼礁产生流场的主要类型之一,当人工鱼礁投入海中,来流受鱼礁体的阻流作用产生流动分离,向上抬升形成上升流,上升流促进了上下层海水交换,加快了底层和表层海水沉积物与营养物质运输速度,提高海洋初级生产力水平,吸引了其他次级海洋生物,增强了鱼礁区的饵料效应,对水体环境和鱼类产生了较为明显的优化和诱集效应[19-20]。目前,鱼礁以单位人工鱼礁为基础进行有计划的投放,人工鱼礁流场效应受单位人工鱼礁建设模式 (投放量、布设间距) 影响,因此上升流流场特性与单位人工鱼礁建设模式息息相关[21]。本研究发现,上升流Irve主要受单位鱼礁布设间距控制,受鱼礁投放量影响较小,上升流HraIarv受单位鱼礁投放量与布设间距共同影响,布设间距为2.0 Sla时,Iarv最小,0 Sla布设间距处,Iarv最大,且布设模式为4×4、投礁量为432空m3时上升流Iarv最大,说明当以速度指标为鱼礁建设目标时,此模式下建设效果最佳。不同投放量人工鱼礁上升流Ar最大值位于1.5~2.0 Sla处,受礁体内部结构差异影响[22],尺寸相同的实体鱼礁上升流影响面积最大值位于1.0 Sla[23],同时说明人工鱼礁透空率不同,上升流Ar最大时单位人工鱼礁布设间距存在差异[24-25]。此外,本文首次对上升流Hra和上升流主体位置进行了探讨,结果表明,投礁量越多,上升流Hra越大;随布设间距增加,Hra逐渐降低,对应上升流相对高度也随之降低;随着人工鱼礁投放量增加,整个上升流区由迎流面礁体前端向礁体正上方移动,高度与位置的补充研究为以充分利用上升流区而准确选择人工鱼礁投放位置和适宜水深提供了参考。

    • 目前,普遍认为上升流作用是通过不同水层物质的交换,改变海水中营养物质等的含量,进而改变水体环境,增加生物资源。实际中,上升流发挥作用的形式与原理及区域的确定随建设目标与海域的不同而发生变化,我国人工鱼礁建设目标按照功能与区域特性可分为近岸海域和养殖海域,两种区域内上升流作用形式与原理各不相同,优化模式选择依据亦不相同。

      近岸海域是人工鱼礁投放的常选区,人工鱼礁上升流发挥有益效应过程即沉积物的再悬浮运动,再悬浮过程受沉积物粒径影响[26]。沉积物一般为黏性颗粒,在上升流作用下,颗粒间受黏结力出现絮凝结合,以絮凝密度差异产生悬水或悬沙运动[27]。发生运动的前提为上升流流速引起的起动作用力大于絮凝团粒保持稳定的作用力,促使沉积物颗粒起动的力包括推力、上举力和惯性力,使沉积物颗粒保持稳定的作用力包括颗粒在水中的自重、黏结力和附加静水压力[28-29]。不同海域流速及沉积物颗粒粒径不同,上升流区所能带动的沉积物颗粒大小、悬浮浓度与规模不同,上升流速度取值标准亦不相同。

      养殖区海域上升流作用过程研究即碎屑的沉降过程,根据沉降颗粒物特征,将此过程视为无黏性沉降[30]。粒子沉降时受下沉力为重力,抗沉降力包括颗粒物浮力及上升流垂向速度所产生的向上作用力,当抗沉降力大于沉力时,只有深度范围足够,颗粒物可能出现匀速或悬浮状态,否则颗粒物将沉至海底[31-32]。枸杞岛海域沉积颗粒物粒径小于2 000 μm,其中大部分为3.9~62.5 μm,粒子密度约1.7 g·cm−3[33],以本文中上升流速度为标准 (>0.025 m·s−1),上升流可使最大粒径为142 μm的粒子沉降过程发生改变,因此需根据所改变颗粒物的粒径大小,选择合适的上升流速度标准。颗粒物减缓或停止沉降产生悬浮的过程是否可以分解与自身物质构成和水体性质有关,有研究表明,海水盐度越高,黏性颗粒的絮凝程度越大,不利于颗粒物分解[34]。当颗粒物处于悬浮过程中,受上升流区水平向流速影响将被携带或转移至其他海域。可见深度和垂向速度直接影响养殖海域颗粒物沉降过程的变化状态与作用规模,因此该海域人工鱼礁投放要密切关注建设区水深、流速及预期上升流速度,同时准确评价上升流作用能力,保证鱼礁投放的有效性。

    • 上升流是人工鱼礁产生的主要流场形式之一,为实现“减量增效提质”的人工鱼礁投放目标,必须满足科学布局、因地制宜的原则。根据本研究对均匀布设模式的人工鱼礁上升流流场特征研究过程,提出以上升流为建设目标的人工鱼礁规划流程为:1) 明确人工鱼礁建设目标,主要以鱼礁建设于近岸或养殖区进行区分;2) 合理选择人工鱼礁建设位置,建设位置选择涉及人工鱼礁选址问题,主要考虑投放海域底质承载力、水深及流场流向[35-37],及单位鱼礁所产生的上升流位置;3) 确定上升流区选定标准,上升流区选择主要以垂向流速为准,根据不同建设目标确定速度值大小[38-39];4) 选取上升流流场评价指标,评价指标不仅涉及流场空间范围 (包括体积、面积、高度、长度),还应增加对流场作用强度 (包括IrveIarvIvcr) 及发生位置等的分析;5) 上升流流场特征分析,分析均匀布设模式下单位人工鱼礁各建设参数 (投放量与布设间距) 的上升流流场特征变化规律;6) 规划人工鱼礁建设模式,根据流场特征变化规律,选择满足鱼礁投放目的的最佳流场效应下的人工鱼礁建设模式,以此为鱼礁布设方案。

      根据以上流程,本研究分析得出单位鱼礁为4×4、布设间距为1.5 Sla条件下,鱼礁的上升流效应最佳。实际中,鱼礁投放海域水深需以上升流相对高度为参考,水深太深,上升流效应无法达到效果,水深太浅,上升流效应无法充分利用,造成鱼礁浪费;同时,若鱼礁建设于近岸海域,只需将鱼礁投放于底质承载力相当且鱼礁正面与迎流面为90°夹角处;若鱼礁建设于养殖区,除兼顾上述两点外还应考虑鱼礁引起的上升流位置。

    • 本文通过上升流作用说明人工鱼礁的流场效应,进一步提出以上升流效应为标准的最优单位鱼礁建设模式,为后续合理规划人工鱼礁建设提供理论基础。实际中,背涡流作为人工鱼礁流场效应的另一特征流场形式,能有效改善鱼礁后方水体环境,促进近底层水域营养物质交换与传递,其在不同海域的特征变化有待未来继续研究探讨。

参考文献 (39)

目录

    /

    返回文章
    返回