一种人工鱼礁的水动力学研究与建设效果评价

姜少杰,刘海敌*,吴 伟,王世明,2

(1. 上海海洋大学 工程学院,上海 201306；2. 上海海洋大学 海洋工程研究所,上海 201306)

一种人工鱼礁的水动力学研究与建设效果评价

姜少杰1,刘海敌*1,吴 伟1,王世明1,2

(1. 上海海洋大学 工程学院,上海 201306；2. 上海海洋大学 海洋工程研究所,上海 201306)

针对舟山群岛的海洋环境和渔业资源等情况，设计了一种正六棱柱式人工鱼礁用于改善当地的海洋生态和渔业资源。选用反映鱼礁通透性的ε值和反映鱼礁附着能力的η值两个参数对人工鱼礁的结构进行评价，通过比较发现所设计的正六棱柱式人工鱼礁在具有良好通透性的情况下还能够为海洋生物提供更大的附着面积，满足设计需求。使用Fluent软件对鱼礁进行CFD仿真，发现鱼礁迎流面前部上升流的最大高度随来流速度的增加而增加，鱼礁后方背涡流的长度约为鱼礁高度的9.3～9.6倍，表明其具有很好的水动力特性。为进一步验证鱼礁的水动力学性能，在相同尺寸、相同水域环境下对鱼礁模型设计了水槽实验，与仿真结果相互验证，证明了正六棱柱式人工鱼礁水动力性能的有效性。最后采用实地调查的方法对正六棱柱式鱼礁礁区与箱形鱼礁礁区进行建设效果的对比评价，发现两种鱼礁均能对各自所处的海洋环境起到增殖作用，正六棱柱人工礁区的平均生物密度大于对比礁区的生物密度，证明了其良好的水动力特性对增殖效果的有效性。

人工鱼礁；上升流；背涡流；CFD仿真；水槽实验；效果评价

0 引言

人工鱼礁是人为在水中设置的构造物，主要为鱼类等海洋生物提供索饵、繁殖和生长发育等场所，从而修复、改善和优化水生生物栖息环境，达到保护、增殖资源和提高渔获量的目的，是保护和增殖近海渔业资源的一项有效措施[1]。人工鱼礁在潮流的作用下，其前方的迎流面会产生上升流，所产生的上升流海区成为鱼类较为活跃的区域，海洋中的浮游生物由于动力学原因往往被聚集在鱼礁后方的涡流区，以此为饵料的鱼类常在此觅食。因此，经过精心设计的鱼礁不仅会为藻类等海洋生物提供较为宽阔的附着面积，为鱼类提供大量的食物来源，而且其交错的结构又能为鱼类提供避敌的场所，使不同种类的海洋生物在鱼礁附近聚集，极大促进了该海域内物种的丰富度和活跃性，人工鱼礁对于改善渔业生态和资源起到了重要的作用[2]。

目前，人工鱼礁的研究主要分为稳定性研究和流场效应研究两个方面。人工鱼礁的稳定性研究主要是为了保证人工鱼礁建设取得预期效果而进行的设计方面的科学计算，研究内容主要包括着地冲击强度、抗滑移系数、抗倾覆系数等，研究的方法多采用理论计算[3-6]和CFD仿真[7]，总体来说鱼礁稳定性的研究相对比较成熟，本文在研究鱼礁稳定性方面仅作验证将不作赘述。人工鱼礁流场效应的研究多采用水槽实验和风动实验[8-10]或采用CFD仿真[11-14]的方法，也有一些学者正在尝试采用PIV试验方法[15]。单纯的水槽实验并不能全面直观地反映鱼礁周围的流态;CFD仿真由于不同的边界条件产生的结果误差较大；而PIV的方法需要专业的设备，实验成本较高并不适用于普通研究机构的研究，且以上研究仅为理论研究，并未进行实地考察来验证鱼礁水动力特性与建设效果的关系，即其实际增殖效果并未得到验证。因此本文针对一种用于改善舟山群岛的海洋生态和渔业资源的正六棱柱式人工鱼礁，采用CFD的方法对鱼礁单体进行三维模拟，同时进行水槽实验相互验证，证明正六棱柱式人工鱼礁水动力学性能的有效性，最后通过实地调查对鱼礁的建设效果进行评价，验证鱼礁的可行性。

1 鱼礁的结构

图1 正六棱柱式人工鱼礁Fig.1 Positive six prism type artificial reef

人工鱼礁的结构主要取决于投礁的目的和礁址的地质条件[16]。本文中鱼礁设计的目的主要是为了改善舟山群岛的海洋环境，较其他形式的人工鱼礁，正六棱柱式具有较稳定的几何结构、较大的附着面积以及较广的内部容积，由此形成复杂的结构和多样的流动形式来达到增殖鱼类和保护海洋的目的。根据舟山群岛的海况、水深、底质等情况综合考虑，礁体材料为钢筋混凝土，鱼礁高度为水深的1/5～1/10。鱼礁为六棱柱形(图1)。底座加斜支撑脚，其下沉后可插入海底，能有效防止鱼礁的滑移和侧翻，又可降低鱼礁在使用过程中由于下陷而被泥沙掩埋的速度。腔体的设计原则是在保证礁体的强度和稳定性的基础上，尽量节约成本。鱼礁的内腔设置有多层内支撑，既增加了鱼礁的强度，又增加了鱼礁的附着面积，有利于藻类植物的附着，内部交错的结构能为鱼类提供避敌场所；鱼礁侧壁设有向上倾斜的引流板，海流流经鱼礁后，在鱼礁前方更容易形成上升流，在其后方形成背涡流。

为了与其他结构形式的鱼礁进行对比，以达到礁体选型的目的，本文选出目前比较成熟的3种人工鱼礁并对每一种礁体进行了尺寸的统一设计，礁体壁厚为15 cm。为了方便比较，设空方体积/混凝土体积=ε，表面积/混凝土体积=η。ε值的大小与流态效应有关，ε值越大说明鱼礁的通透性越好，流态效应也就越好；η值与附着面积有关，η值越大，表明其附着面积越大。

表1 各类鱼礁参数汇总

由表1可知，正六棱柱式礁体的ε值略高于除框架形外的其他结构形式的鱼礁，属于正常水平，稳定性较好；框架形礁体的ε值最大，但其稳定性较差。正六棱柱式礁体η值在这几类礁体中最大，能够为更多的生物提供附着面积，从而能更好地发挥鱼礁修复渔业资源的效果，由此说明正六棱柱式人工鱼礁礁体结构的合理性。

2 人工鱼礁流场的模拟

由于人工鱼礁的绕流是典型的非定常、不稳定、具有剧烈分离的流动，一般的方法很难直观地表达出鱼礁周围的流态，采用计算流体力学(CFD)的方法对鱼礁进行仿真具有成本低，方便快捷等优点[17]，故选用Fluent软件进行水动力学仿真以达到直观分析人工鱼礁流场效应的目的，并为后续的水槽实验提供重要的理论依据。

2.1 计算域参数设置

由于鱼礁结构的复杂性，计算域采用四面体非结构性网格以确保所画网格的质量并在鱼礁周围对网格进行加密处理。压力与速度耦合采用SIMPLEC算法，其控制方程采用连续性方程和不可压缩流动的N-S方程，湍流模型采用K-epsilon。模型的计算流体的入口采用速度入口边界条件，出口采用自由出口边界条件，计算精度控制残差值为10-6。根据舟山群岛附近的水文情况，其海流速度不宜超过1.5 m/s，本文选取0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.2和1.4 m/s七种来流速度进行仿真。

2.2 鱼礁周围流场分析

为了分析鱼礁周围流场的分布情况，选择来流速度为1 m/s的鱼礁周围的流场进行分析。流场YZ平面上的竖直速度分布云图和速度流线图如图2和图3所示。当水流经过鱼礁时流速变缓，在鱼礁的前方形成一片滞留区；当水流遇上鱼礁壁面时，流向会发生改变，在鱼礁迎流面前部，会形成上升流和侧向流，在鱼礁后方的背流面产生背涡流。对于上升流的高度用高度方向上的速度分量表示，以水流的竖直速度分量与来流速度之比大于或等于5%的水域作为上升流区域[18]，得到上升流的最大高度约为鱼礁高度的2.85倍左右。从仿真的数据来看，正六棱柱式人工鱼礁的上升流高度略高于梯形人工鱼礁和箱形人工鱼礁的上升流高度(梯形人工鱼礁和箱形人工鱼礁所产生的上升流高度与鱼礁高度比值分别为2.49和2.63[11])。从图2可以看出，礁体迎流面上方的尖角为流动分离点，由于流动分离，在礁体迎流面的尖角处形成上升流的加速区，而在礁体的下游位置Z向速度为负，即在该区域水流在竖直方向上向下运动，说明水流流经鱼礁时产生上升流，流经鱼礁后在鱼礁的后方上升流又慢慢下降。鱼礁的存在确实能够产生上升流，促进上下海域内水体的物质交换。而在礁体的背流面下游形成尾涡区(背涡区)，取水流方向上速度小于来流速度大小的70%作为背涡区[5]，其长度约为礁高的9.3～9.6倍左右，且越靠近礁体部分涡区越大(图3)。

图2 流场竖直速度分布云图Fig.2 The contours of the vertical velocity of flow

为了分析不同迎流面积、不同来流速度下鱼礁所产生的上升流和背涡流情况，在最大迎流面积和最小迎流面积下分别选取了7种不同的来流速度进行CFD仿真，得到了不同来流速度下各流态的速度。其中上升流速度随着来流速度的增大而增大，几乎成线性关系，因此上升流的最大高度与来流速度也大致呈线性关系，即上升流的高度随来流速度的增大而增大。由鱼礁所产生的最大流速代表了鱼礁的水动力特性的丰富性，即最大流速越大，其越能满足适应不同流速鱼类的需求，集鱼效果也就越好。从仿真结果来看，在最小迎流面积下最大流速与来流速度之比为1.13左右，在最大迎流面积下最大流速与来流速度之比为1.16左右，说明最大流速与来流速度呈线性关系，即最大流速随来流速度的增大而增大，而且迎流面积越大，所产生的水动力特性越丰富。7种不同来流速度工况下的背涡流区尺寸长度大致相同，虽然背涡流区内的涡旋结构与来流速度大小相关，但从仿真的结果来看，背涡流的最大长度基本不随来流速度的增加而变化，由于多孔的存在，在靠近鱼礁后方的背流面形成的透水区内的水流速度方向与来流速度方向相一致。

3 水槽方案设计

以海洋环境监测实验水槽为实验装置，实验水槽可以模拟海水流速，水槽上面设有行车，行车以给定的速度行走，这相当于鱼礁与行车相对静止，水流以给定的速度流过，测量仪器挂于行车下方来测定参数，以此来模拟现场的海洋状况。现以相同的人工鱼礁模型，不同的来流速度引起的上升流速度和最大流速为出发点，设计水槽实验方案。

鱼礁模型采用塑料板制作，将其安装于水槽行车下方的底板上，底板与水槽底部接近但不接触，其相对于行车静止，并假设底板不受摩擦力和缝隙水流的作用。在鱼礁的后方安装一个测力计，测力计所测的数据为模型在迎流方向上的受力值，每组测量值测量5次求取平均值[19-22]。将3个相互垂直的流速仪制成流速传感器总成用于测量鱼礁周围各测量点上的3个方向的速度。传感器总成安装在一个脚手架上，可以在X、Y、Z三个方向上移动，用于测量鱼礁周围的流场情况[23]。实验图如图4和图5所示。

A：流速数据采集仪；B：压力信号采集装置；C：计算机主机；D：显示器；1：流速传感器总成；2：压力传感器钢板；3：固定桩图4 实验原理示意图Fig.4 Schematic diagram of experimental principle

图5 鱼礁模型及水槽实验图Fig.5 Fish reef model and flume experiment

由于不同的迎流面积对流态的影响不同，因此实验选取最大迎流面积和最小迎流面积两种情况来进行实验验证。来流速度垂直于正六棱柱的一个测面为最大迎流面积，来流速度平行于正六棱柱的一个侧面为最小迎流面积。在最大迎流面积和最小迎流面积下分别选取了7种不同的来流速度进行实验，得到了不同来流速度下各流态的速度。两者的关系如图6和图7所示，从图中可以看出，鱼礁所产生的最大流速、最大上升流速和最小上升流速的实验值和仿真值都随着来流速度的增大而增大，实验值和仿真值都能够体现出鱼礁上方能够产生上升流，两者数值吻合较好。

图6 最大迎流面积下各速度的关系图Fig.6 The relationship among different velocities under the maximum meeting area of flow

图7 最小迎流面积下各速度的关系图Fig.7 The relationship among different velocities under the minimum meeting area of flow

使用Fluent软件模拟了模型分别在最大迎流面积和最小迎流面积两种情况下的受力值，与实验结果进行比较(图8)，虽然仿真结果与实验值之间的差距随着来流速度的增加而增加，但两者之间的误差在合理范围内。说明仿真的方法可以应用于人工鱼礁的水动力学分析，实验与分析两者之间可以相互对比，并最终为鱼礁性能的评价提供重要的参考意义。

图8 不同迎流面积下鱼礁受力图Fig.8 Impact force of reef under different meeting area of flow

4 鱼礁的建设效果评价

从以上的仿真和实验结果来看，本文中的正六棱柱式人工鱼礁具有良好的水动力特性。一般来说，鱼礁的水动力特性越好，其建设效果也就越好。为了研究其实际的增殖效果和对海洋环境的改善作用，本文以正六棱柱式鱼礁作为单体礁在舟山海域投放30个，

形成鱼礁群带，同时在附近海域投放相同规模的箱形鱼礁作为对比，投放鱼礁一段时间后对水质、环境生物、渔业资源进行实地调查并进行潜水观察与拍摄，对其建设效果进行评价，检验人工鱼礁的增殖效果和环境功能，具体结果如下。

4.1 水质

舟山海域是全国著名的强潮海区，海水平均流速为1 m/s左右，最高流速可达2.5 m/s,当地波浪最高达5 m左右。以长江径流为主体连同钱塘江等多支入海河流汇聚到舟山海域，每年有大量的泥沙随江河流入近岸海域, 泥沙的沉积使近岸底质类型多为粉砂质黏土及黏土质粉砂[24-25]，水质相对浑浊，透明度不高，水中叶绿素含量不高，生产力水平一般，由于捕捞作业等活动，出现污染现象，部分水质参数超标[26]。本文按照《海洋监测规范》[27]规定的方法进行水质采样，评价标准采用国家海水水质标准中的二类标准进行分析，调查显示，本礁区与对比礁区在水质改善上均起到了一定的效果，均好于投放前的海区，但两区的水质参数基本一致。

4.2 环境生物

环境生物主要是指浮游植物、浮游动物、底栖生物和鱼卵等，具体调查结果如表2所示。

表2 舟山海域的海洋生物调查结果

注：A为正六棱柱式人工鱼礁区，B为箱形人工鱼礁对比礁区

从表2可以看出，环境生物的种类数与本底调查结果相比有所增加，但年际变化都不大，正六棱柱礁区和对比礁区的各生物种类数相差不大，变化趋势基本一致；生物的平均密度基本呈现逐月增加的趋势，尤其是鱼卵的密度增加最显著，这表明人工鱼礁建设对海洋增殖效果十分明显。由于正六棱柱式礁体η值比箱形人工鱼礁大，能够为更多的生物提供更大的附着面积，所以从表中可以看出，正六棱柱人工鱼礁区的平均生物密度均大于对比礁区的生物密度，验证了之前的鱼礁结构合理性的假设。

4.3 渔业资源

本文采用虾拖网调查法对渔业资源(主要针对游泳生物)进行调查(表3)。在游泳生物方面，正六棱柱礁区游泳生物的鱼获种类数是同期对比礁区的1.34倍，分别是第二次跟踪调查、第一次跟踪调查和本底调查的1.05倍、1.18倍和1.62倍。

从表3可以看出，正六棱柱礁区游泳生物的资源密度和尾数资源密度一直升高，但从第1次6个月的调查后升幅变小，接近饱和，表明建礁后游泳生物的资源密度比建礁前有大幅提高，但建礁一段时间后礁区内游泳生物资源密度和尾数资源密度保持较稳定的高水平。各次调查显示在投礁后礁区游泳生物的资源密度和尾数资源密度均比同期对比礁区高，证明了正六棱柱鱼礁设计的有效性。

表3 各次虾拖网调查游泳生物鱼获情况统计

注：A为正六棱柱式人工鱼礁区，B为箱形人工鱼礁对比礁区

4.4 潜水观察和下水拍摄

潜水调查发现，在投放的30个鱼礁中除个别鱼礁出现破损或侧翻外，绝大部分鱼礁保存完好，验证了实验的有效性。投礁6个月后，礁体表面有生物附着，覆盖率约为35%左右，比对比礁区覆盖率(30%)略大，其中主要是藻类植物和荔枝螺、覆瓦小蛇螺等螺科动物附着以及褐菖鲉、标志条石鲷等鱼类活动(图9)。投礁12个月后有大量藻类植物和覆瓦小蛇螺、厚壳贻贝附着以及三线矶鲈鱼群、丝背细鳞鲀、条石鲷群等鱼类活动，证明其具有良好的增殖效果(图10)。

图9 鱼礁投放6个月后生物附着情况Fig.9 The fish reefs were attached by the marine attaching organism after 6 months

图10 鱼礁投放12个月后鱼类活动情况Fig.10 Fish activity around the reefs after 12 months

5 结论

针对舟山群岛的海洋环境和渔业资源等情况设计的正六棱柱式人工鱼礁在具有良好通透性的情况下还能够为海洋生物提供较大的附着面积，满足增殖渔业资源的设计需求。通过Fluent软件对鱼礁周围的流场进行CFD仿真，发现鱼礁所产生的上升流的最大高度随来流速度的增加而增加，背涡流的长度约为鱼礁高度的9.3～9.6倍，表明其具有很好的水动力特性。根据仿真结果对鱼礁的水动力效果进一步进行水槽实验验证，测得的结果与仿真结果基本吻合，仿真和水槽实验都能验证鱼礁具有良好的水动力学特性。为了验证鱼礁的水动力特性与增殖效果的关系，通过实地调查并进行潜水观察与拍摄，对其建设效果进行评价，全面掌握了礁体投放后对礁区水环境的理化要素、环境生物和渔业资源的影响，检验了人工鱼礁的集鱼效果和环境功能，证明了其对海洋资源增殖效果的有效性。本文中人工鱼礁的设计与评价方法能够为以后鱼礁的设计提供重要的参考。

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Study on hydrodynamics and effect evaluation for constructing of an artificial reef

JIANG Shao-jie1, LIU Hai-di*1, WU Wei1, WANG Shi-ming1,2

(1.CollegeofEngineeringScienceandTechnology,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China;2.InstituteofMarineScience,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)

A positive six prism type artificial reef was designed to improve the marine fisheries habitat of the Zhoushan Archipelago. Two parameters ofεandηwere used to evaluate the structure of artificial reefs, the valueεreflects the water permeability of artificial reefs and the valueηreflects the adhesion ability of artificial reefs. The positive six prism type artificial reef was found to have a good permeability, and could also provide a larger area for the attachment of marine organisms. The design objectives were met. Based on the Fluent software, the CFD simulation of the fish reef was carried out, it was found that the maximum height of the upwelling increased with the flow velocity, and the length of the back vortex was about 9.3-9.6 times of the height of the fish reef, which indicated that it had a good hydrodynamic performance. In order to validate the performance of simulation further, flume experiment was conducted, which yielded consistent results as the simulation study. This further proved the validity of the hydrodynamic performance of the positive six prism artificial reef. The field experiment was also conducted at the end to evaluate the effect of the positive six prism reefs and to compare with the regular artificial reefs. Both the reefs could improve marine environment, but the average of density and biomass in the area of the positive six prism type artificial reef was higher than those in the control reef area, showing that the positive six prism artificial reef tended to have better hydrodynamic characteristics leading to more efficient in improving local habitats.

artificial reef; upwelling current; wake vortex; CFD simulation; flume experiment; effect evaluation

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.02.006.

2016-11-15

2016-12-03

农业部2013年渔业资源和海洋环境保护项目资助(D8005-13-0296)

姜少杰(1965-)，女，上海市人，副教授，主要从事渔业机械研究。E-mail：sjjiang@shou.edu.cn

*通讯作者：刘海敌(1991-)，男，主要从事渔业机械研究。E-mail：liu_haidy@163.com

S953.1

A

1001-909X(2017)02-0053-08

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.02.006

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,

JIANG Shao-jie，LIU Hai-di，WU Wei, et al. Study on hydrodynamics and effect evaluation for constructing of an artificial reef[J].Journal of Marine Sciences,2017,35(2):53-60, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2017.02.006.