关于海洋地质调查技术在海洋牧场人工鱼礁选址中应用的初步研究

文/刘崇焕 刘永虎

人工鱼礁是人工制造并投放至海底，用于修复和优化水域生态环境的构造物，其建设成本高、技术手段复杂、工程体量大，且没有返工机会，因此，人工鱼礁投放前的选址及设计工作尤为重要。本文主要剖析了海洋地质调查技术在人工鱼礁选址工程中的应用，包括海域功能区划复合性分析、海域环境分析、地质条件分析、水动力分析等多个工作内容，并做出客观结论与未来展望。

一、海洋地质勘查技术发展现状

海洋地质调查内容主要包括海底地形地貌、海底底质、海底浅层地质结构、海底矿产资源评价等。对海洋及海底调查的技术分为海洋地质调查、海洋地球物理调查、海洋地球化学、海洋水文调查等几方面。海洋地质调查技术主要包括地质取样（柱状和表层）和地质钻探；海洋地球物理调查技术主要包括水深测量、浅地层地质测量、侧扫声纳测量、地震测量以及重力和磁力测量等。近年来海洋工程发展迅速，沉积物物理及力学性质研究的重要性逐渐凸显，因此，能详细了解海底沉积物相关特性的海洋原位测试在海洋地质调查中的使用越来越普遍。

目前，我国人工鱼礁选址研究正处于发展阶段，众多专家学者对人工鱼礁选址研究都提出了自己的看法。

李文涛与张秀梅在《关于人工鱼礁礁址选择的探讨》中指出中国海洋功能区划、海底底质、水深、风浪、水流及其他环境因素是人工鱼礁选址的主要影响因素、应对海域进行底质调查和水动力环境调查。

许强、刘舜斌、许敏等在 《海洋牧场选址问题的研究——以舟山市为例》中综合考虑海洋功能区划、海洋水质环境、水深、流场和底质分布、初级生产力水平以及海洋牧场建设基础等因素，最终确定舟山人工鱼礁投放的海域。由于目前底质相关分析趋于理论化，尚未进行标准的海洋牧场地质调查，无法验证其可行性和真实性。

王伟定、徐汉祥、潘国良等在《浙江沿岸休闲生态型人工鱼礁初选点底质类型分析及承载力的计算方法》中提出进行海底底质类型分析，并利用TERZAGHI和VESIC公式确定承载力条件，为礁体设计提供依据。

人工鱼礁投放在不同底质的海底时具有不同的状态，投放在底质松软的海底会下陷，无法发挥作用。在松散的砂质海底会被海流冲击导致倾覆或被海底泥沙掩埋。当前研究地质条件对于人工鱼礁选址影响的文献中，大多以底质类型为主要研究内容，而关于海域地质结构和海底承载力对人工鱼礁选址及沉降影响分析等相关研究较少。但是底质相关分析趋于理论化，尚未进行标准的海洋牧场地质调查和方法验证，无法确定其真实性和是否可行。因此，基于海洋地质条件进行人工鱼礁选址应为人工鱼礁建设技术今后的主要研究方向。

二、海洋地质调查方法在人工鱼礁选址中的应用

海洋地质调查技术应以适用性为第一要素，其次考虑操作难度和经济投入。依据以上原则，将海洋地质调查方法进行综合考量，总结出以下适用于海洋牧场人工鱼礁建设选址的地质调查方法。

（一）海底地形地貌测量

海底地形地貌调查主要采用多波束测深系统。通过接受声波的反射信号探测获取海底地形地貌数据，通过对调查数据的分析处理，解析海底地形特征及变化规律。

多波束测深系统既可进行大范围水深测量，也可得到精确的海底三维地形，在功能上可代替单波束测深和侧扫声纳扫海测量。由于多波束的多功能性，现已在大洋科学调查、海洋工程地质调查等多个研究领域得到广泛应用，被越来越多专家学者认可。

（二）海底浅地层剖面测量

浅地层剖面测量主要使用浅地层剖面仪，原理是利用声波等穿过不同的地层时界面反射特性的不同来反映沉积物地质属性，能够清晰有效地了解海底浅地层结构、判断持力层厚度、沉积环境和潜在地质灾害等。

此外，由于侧扫声纳是通过接受声波反射和散射信号，获取海底地貌和底质概况等信息，因此，基于此原理，利用侧扫声纳根据不同底质产生的不同强度的信号反射，通过“谱分析法”等方法分析回波信号，并根据反射回波的强弱可以快速对底质类型和边界进行分类。将侧扫声呐与浅地层剖面仪相结合，同时对海底表面沉积进行探测，可精确有效进行底质分类。

（三）海洋底质调查

在人工鱼礁建设中，人工鱼礁的持力层绝大部分为海底表面沉积层。传统的钻探方法采集深度较深，远远超过采集标准，且相对操作难度较大、调查成本较高、调查效率较低，因此海洋牧场底质调查可采用重力柱状取样器采取柱状样品或使用箱式取样器进行表层取样。对样品进行现场描述、物理性质分析及力学性质测试（主要包括含水率、密度、压缩性和抗剪强度等），通过公式计算或查表等方法确定海底表层沉积物的承载力，特殊情况下才考虑使用钻探方法。

（四）原位测试

由于海洋环境的特殊性，目前静力触探试验是世界范围内应用最为广泛且技术最为先进的一种海洋土体原位测试方法。静力触探试验根据探头贯入所测定的孔隙水压力、锥尖阻力和侧壁摩擦力的大小和方向，可现场计算求得海底土层物理学及力学相关参数指标。由于静力触探法相对于底质取样而言对海底土体的扰动较小，因此相关数据更为接近海底自然状态。除静力触探，动力触探也为较多研究学者和从业人员所应用。动力触探相对于静力触探优点是贯入时无需外界动力，适用范围相对广泛。现阶段由于动力触探技术尚未完全成熟，动力触探尚无明确的测量标准且测量结果相对误差较大。

由于不同测试的复杂程度、所需设备及操作标准均不同，因此应根据项目实际情况，考虑是否进行原位测试，并从优选择原位测试方案，保证人工鱼礁项目选址的经济适用性。

（五）选址分析方法及过程

首先根据地形地貌测量结果，选取水深适宜、地形平坦的区域作为人工鱼礁建设预选区进行标注。

然后利用浅地层剖面资料分析地质结构，配合侧扫声纳图像和底质样品，绘制底质类型分布图。明确海底底质类型分布情况后，为了避免鱼礁投放后由于底质太软而沉入海底，选取表层有泥沙的硬质底质、且表面泥沙深度较小的海底进行标注。

之后根据沉积物物理学特性及力学特性测试结果与静力触探数据，计算海底表层沉积物承载力数值，确定单位面积能够承载的鱼礁重量，选择承载力能力较强的区域进行标注。

综合以上结果，将各调查方法确定标注的区块进行叠加分区，最终确定人工鱼礁投放的最适宜区域，并对人工鱼礁规模及布局进行规划设计。

三、勘察方法应用实例

大连市现代海洋牧场研究院利用上述选址方法在河北省某地区进行了人工鱼礁选址工作。利用现代地质勘察技术，对海域海底进行了浅剖测量、侧扫声纳测量及沉积物柱状样品分析，最终，根据底质类型分布、表层淤泥厚度和海底表面承载力，确定了人工鱼礁投放区域。

（一）探索及选取过程

1.海底地形地貌调查

项目组采用美国Edgetech公司4125（600/1600kHz）高频侧扫声纳系统勘测发现海域海底地形平坦，无明显沙波或沙丘等地形地貌特征（如图1），因此，该海域的海流作用未对海域底质条件产生明显影响，该海域投放人工鱼礁后不会产生人工鱼礁滑移、倾覆等现象。

2.海底浅层结构探测

利用法国SIG公司产pulse M2电火花单道地震进行浅地层结构探测，工作时阳极1000J能量进行放电，探测浅地层结构（如图2）。

（1）调查区浅部地层分布均匀，平面空间变化较小，地质结构稳定，无不良地质特征。

（2）表层地层为全新世近海沉积(U1)，次表层地层为末次冰消期海侵沉积地层（U2），内部可见弱的水平层理，偶见斜层理。

（3）根据海域浅地层结构推测，该海域地质结构稳定，无潜在地质灾害和不良地质作用，以此判断该海域适宜进行人工鱼礁建设。

表1 沉积物分析成果表

3.海底底质调查

项目组采用重力柱状取样器采集12个站位表层沉积物柱状样品，样品长度1m～1.5m，并进行物理力学特性测试和粒度分析（土工试验成果表如表1所示），最终发现海域海底底质类型主要为粉土、粉质粘土和淤泥质粉质粘土。

根据承载力，选择承载力数值较高的点位选取拟投放区域。由于项目海域拟投放花岗岩石块礁，因此在设计时仅需保证在投放点投放的礁体对海底面的压强不超过地基承载力即可。

（二）人工鱼礁投放效果验证

人工鱼礁建设结束后，对人工鱼礁投放状态进行侧扫声纳扫测，发现人工鱼礁并无明显下陷，周围地形依然保持平整。证明经过地质调查得到的选址结论正确如图3所示。

四、结论与展望

海洋牧场人工鱼礁选址，应充分利用现代地质勘察技术，综合浅剖、侧扫等声学资料、原位测试数据和沉积物性质，对浅部地层的地质条件进行综合分析，做到全方面了解海底地质条件，再确认选址、布局和对海洋牧场进行规划设计。选址技术组成如图4所示。

研究发现，人工鱼礁沉降严重影响海洋牧场建设效果，但目前地质条件分析结果尚未与其他因素相结合，不能模拟分析人工鱼礁沉降情况，准确进行人工鱼礁规划设计。未来应将地质条件与水动力等条件结合分析，模拟人工鱼礁的沉降现象，从而做到人工渔礁投放能更加科学的选址、选型及布局。