几种不同类型人工鱼礁的稳定性和集鱼效果比较

张云岭 赵祺 齐遵利 张秀文 叶敏 崔晨 石保佳 侯润

摘 要：根据唐山祥云湾海洋牧场海域具体特点，设计并投放了钢筋混凝土构件礁（A1、A2、A3、A4）、岩石礁（B1、B2）和船礁（C1）等三种不同性质的鱼礁。通过对鱼礁抗滑移、抗倾覆参数及集鱼效果进行比较，筛选出适宜的人工鱼礁礁型。结果显示：上述几种礁体抗倾覆系数、抗滑移系数均大于1，保证了礁体在海水中的稳定性。几种礁体对渔获量的影响差别较小，从集鱼效果上看，最好的是A2型的钢筋混凝土构件礁。

关键词：人工鱼礁;稳定性;集鱼效果;礁型

人工鱼礁是为了改善海域生态环境，营造海洋生物栖息地，为海洋生物提供繁殖、生长、索饵和庇敌的场所，达到保护、增殖和提高渔获量的目的，人为投放到海水中的构造物[1]。鱼礁投放到海中后形成的上升流、涡流等将海底沉积的营养盐、有机物释放到海水中上层，增加了海水的肥度，促进了饵料生物的繁殖生長，改善了海水水质，提高了初级生产力，吸引了更多的生物聚集。鱼礁本身的特有结构及其表面附着的生物会形成许多孔隙、洞穴，供底栖生物栖息、躲避敌害，成为海洋生物栖息聚集的良好场所[2]。

通过对三种类型礁体稳定性和集鱼效果的比较，确定了适宜唐山祥云湾海洋牧场海域典型泥沙底质特点的人工鱼礁礁型。

1 材料与方法

1.1 礁体设计

根据祥云湾海洋牧场泥沙底质特点，制作并投放了方形钢筋混凝土构件礁、圆台形岩石礁和船礁等三种鱼礁。三种鱼礁按“点、线、面”的布局分别投放了36 300空方、225 433空方和2 275空方。三种鱼礁礁型设计实物图见图1-图3。

1.1.1 钢筋混凝土构件礁

A1型礁体：即8孔钢筋混凝土构件礁，单个礁体规格1.8 m×1.8 m×1.7 m，壁厚12 cm，混凝土强度等级C30，4个侧面各开设2个宽0.4 m、高1 m的长方形透水孔，顶口为敞开式。

A2型礁体：即16孔钢筋混凝土构件礁（椭圆形孔），单个礁体规格、壁厚、强度、顶口同A1，4个侧面各开设4个宽0.4 m、高0.3 m的椭圆形透水孔。

A3型礁体：即16孔钢筋混凝土构件礁（方形孔），单个礁体规格、壁厚、强度、顶口同A1，4个侧面各开设4个宽0.4 m、高0.4 m的方形透水孔。

A4型礁体：即12孔钢筋混凝土构件礁（椭圆形孔），单个礁体规格、壁厚、强度、顶口同A1，4个侧面各开设2个宽0.4 m、高0.15 m的长方形透水孔和1个宽0.2 m、高0.2 m的方形透水孔。

1.1.2 圆台形岩石礁

B1型礁体：上底直径4 m、下底直径8 m，高3 m。钢筋板框用直径25 mm和直径18 mm的螺纹钢焊接而成，从上到下每隔0.5 m焊接一道钢筋圆环。板框中间填充花岗岩石块，单块花岗岩石块直径不小于0.6 m，重量不小于50 kg。

B2型礁体：上底直径3 m、下底直径6 m，高3 m。其他结构同B1。

1.1.3 船礁 礁体由废旧船体经机器拆除、船体清洗后，内外侧布设铁纱网用水泥喷浆涂层而成，规格13 m×5 m×2 m。

1.2 鱼礁的稳定性

1.2.1 鱼礁在海水中流体作用力

日本学者中村充认为人工鱼礁产生的流速u是潮流速度u0与波浪流速u1共同产生的作用力[3]。其计算公式如下：

式中：H为波高，m;h为水深，m;L为波长，L=g×h×T，m;D为鱼礁顶部至海底的高度，m;T为波浪周期，s;cosh、sinh分别为双曲余弦函数、双曲正弦函数;g为重力加速，9.8 m/s2。

在数学表达上，流速与流速导数函数为：

式（6）—式（8）中，a为潮流速度与波浪振幅的比;Fd为礁体拖拽力，N;Fm为礁体附加质量力，N。

式（8）为鱼礁在海水中作用力的通用公式，F受波向角θ的影响而变化。F取最大值，要求dF/dθ=0，d2F/dθ2<0。

1.2.2 鱼礁的抗滑移安全性校核

鱼礁投放后，为了防止滑动现象的发生，要求波流的作用力应小于礁体所受的最大摩擦力，即要求抗滑移系数必须大于1。抗滑移系数公式参照以下公式：

式中：V为礁体体积，m3;б为礁体材料的单位体积重量，kg;ρ为海水密度， kg/m3;g为重力加速度，9.8 m/s2;μ为礁体与海底的静摩擦系数，取为0.5[5];Fmax为最大流体作用力，N。当SF大于1时，礁体不会发生滑移。

1.2.3 鱼礁的抗倾覆安全性校核

礁体投放后，在波浪的作用下，除有滑移的可能外，还有倾覆的风险。为使礁体在波流作用下不翻滚，这就要求礁体的重力和浮力的合力矩M1大于波流最大作用力矩M2[6]。只有在抗倾覆系数S>1的情况下，即M1与M2比值大于1时，礁体才可保证安全，不发生倾覆现象。抗倾覆系数S计算公式如下：

式中：w为礁体重量，kg;ρ为海水密度，kg/m3;δ为礁体材料密度， kg/m3;Fmax为礁体所受最大水流作用力，N;lw为翻倒的回转中心到重心的水平距离，m;h0为流体作用力的高度，m。

1.3 不同礁体的集鱼效果

由于礁区内无法进行拖网，因此游泳动物定性调查采用地笼网与流刺网相结合的调查方式进行。生物密度调查以流刺网渔获量按每小时每公顷流刺网面积计算。流刺网为三重流刺网。每片网长度为30 m，网高1 m，下网条数为5条;地笼网每组长7 m，共10组。

2 结果

2.1 鱼礁的稳定性

祥云湾海洋牧场海域实际水文特征为：平均水深8 m，平均流速为0.26 m/s，根据大潮实测确定海水最大波向角θ为252°。经计算可知，波长L为22.15 m，波浪周期T为2.5 s。不同类型和不同规格礁体的振幅um、迎流面积A以及α、Fd、Fm、Fmax均有所差异。不同礁体稳定性参数见表1。

根据上述参数可计算Fmax和抗滑移系数SF，不同礁体抗滑移参数见表2。

由表2可知，几种礁体的抗滑移系数都高于1，均可防止礁体的滑移，不会出现滑动现象。

2.2 鱼礁的抗倾覆安全性校核

根据王素琴、吴子岳和钟术求等的研究表明，lw为礁体底面边长的一半，h0约为礁体高度的一半[8，4，9]。由此可计算出不同礁体抗倾覆系数，具体参数及计算结果见表3。

由表3可知，几种礁体的抗倾覆系数都高于1，均可防止鱼礁的漂移，不会出现翻滚现象。

2.3 不同礁体的集鱼效果

2.3.1 钢筋混凝土构件礁集鱼情况

在A1附近海域调查到各种生物共18种，其中鱼类7种，占总种类数的38.89%，分别是大泷六线鱼、许氏平鲉、矛尾鰕虎鱼、斑尾鰕虎鱼、方氏云鳚、焦氏舌鳎和半滑舌鳎;虾类3种，占总种类数的16.67%，分别是葛氏长臂虾、日本鼓虾及鲜明鼓虾;虾蛄类1种，即口虾蛄，占总种类数的5.56%;蟹类3种，占总种类数的16.67%，分别是日本蟳、三疣梭子蟹、日本拟平家蟹;螺类2种，占总种类数的11.11%，为扁玉螺、脉红螺;头足类2种，为长蛸和短蛸，占比与螺类相同。

在A2附近海域调查到各种生物共25种，其中鱼类9种，分别为许氏平鲉、大泷六线鱼、焦氏舌鳎、矛尾鰕虎鱼、斑尾鰕虎鱼、方氏云鳚、斑鰶、皮氏叫姑鱼、鲈鱼，占总种类数的36.00%;虾类5种，分别为日本鼓虾、鲜明鼓虾、葛氏长臂虾、鹰爪虾、红条鞭腕虾，占总种类数的20.00%;虾蛄类1种，为口虾蛄，占总种类数的4.00%;蟹类5种，分别为日本蟳、三疣梭子蟹、日本拟平家蟹、颗粒拟关公蟹、隆线强蟹，占总种类数的20.00%;螺类2种，为扁玉螺、脉红螺，占总种类数的8.00%;头足类3种，为长蛸、短蛸和日本枪乌贼，占总种类数的12.00%。

在A3附近海域共调查出各种生物22种，其中鱼类10种，分别为斑鰶、半滑舌鳎、焦氏舌鳎、许氏平鲉、大泷六线鱼、方氏云鳚、矛尾虾虎鱼、斑尾鰕虎鱼、褐牙鮃、鲈鱼，占总种类数的45.45%;虾类5种，有红条鞭腕虾、葛氏长臂虾、日本鼓虾、鲜明鼓虾、鹰爪虾，占总种类数的22.73%;虾蛄类1种，为口虾蛄，占总种类数的4.55%;蟹类3种，为日本鲟、颗粒拟关公蟹、隆线强蟹，占总种类数的13.64%;螺类1种，为脉红螺，占总种类数的4.55%;头足类2种，为长蛸和短蛸，占总种类类数的9.09%。

在A4附近海域共调查出各种生物19种，其中鱼类7种，分别为斑鰶、半滑舌鳎、焦氏舌鳎、许氏平鲉、大泷六线鱼、矛尾虾虎鱼、斑尾鰕虎鱼，占总种类数的36.84%;虾类4种，有红条鞭腕虾、葛氏长臂虾、日本鼓虾、鲜明鼓虾，占总种类数的21.05%;虾蛄类1种，即口虾蛄，占总种类数的5.26%;蟹类4种，为日本鲟、颗粒拟关公蟹、隆线强蟹和红线黎明蟹，占总种类数的21.05%;螺類种类数最少，只有1种，为脉红螺，占总种类数的5.26%;头足类2种，即长蛸和短蛸，占总种类数的10.53%。

四种不同规格的钢筋混凝土构件礁诱集生物种类数量略有差异，表现为A2>A3>A1、A4，诱集种类及数量见表4。

在A1附近海域调查显示，流刺网平均渔获量为3.151 kg·hm-2·h-1，其中鱼类1.23 kg·hm-2·h-1，虾类3.02 kg·hm-2·h-1，口虾蛄0.85 kg·hm-2·h-1，蟹类0.59 kg·hm-2·h-1，螺类0.041 kg·hm-2·h-1，头足类0.12 kg·hm-2·h-1。地笼网平均渔获量为0.305 kg·m-2·d-1，其中鱼类0.11 kg·m-2·d-1，虾类0.04 kg·m-2·d-1，口虾蛄0.09 kg·m-2·d-1，蟹类0.031 kg·m-2·d-1，螺类0.023 kg·m-2·d-1，头足类0.011 kg·m-2·d-1。

在A2附近海域调查显示，流刺网平均渔获量为4.017 kg·hm-2·h-1，其中鱼类1.21 kg·hm-2·h-1，虾类0.55 kg·hm-2·h-1，口虾蛄1.01 kg·hm-2·h-1，蟹类0.94 kg·hm-2·h-1，螺类0.083 kg·hm-2·h-1，头足类0.224 kg·hm-2·h-1。地笼网平均渔获量为0.631 kg·m-2·d-1，其中鱼类0.14 kg·m-2·d-1，虾类0.04 kg·m-2·d-1，口虾蛄0.10 kg·m-2·d-1，蟹类0.053 kg·m-2·d-1，螺类0.071 kg·m-2·d-1，头足类0.17 kg·m-2·d-1。

在A3附近海域调查显示，流刺网平均渔获量为2.665 kg·hm-2·h-1，其中鱼类1.41 kg·hm-2·h-1，虾类0.19 kg·hm-2·h-1，口虾蛄0.52 kg·hm-2·h-1，蟹类0.39 kg·hm-2·h-1，螺类0.10 kg·hm-2·h-1，头足类0.035 kg·hm-2·h-1。地笼网平均渔获量为0.176 kg·m-2·d-1，其中鱼类0.032 kg·m-2·d-1，虾类0.008 kg·m-2·d-1，口虾蛄0.008 kg·m-2·d-1，蟹类0.085 kg·m-2·d-1，螺类0.040 kg·m-2·d-1，头足类0.003 kg·m-2·d-1。

在A4附近海域调查显示，流刺网平均渔获量为2.94 kg·hm-2·h-1，其中鱼类0.51 kg·hm-2·h-1，虾类0.37 kg·hm-2·h-1，口虾蛄0.56 kg·hm-2·h-1，蟹类0.71 kg·hm-2·h-1，螺类0.44 kg·hm-2·h-1，头足类0.35 kg·hm-2·h-1。地笼网平均渔获量为0.378 kg·m-2·d-1，其中鱼类0.14 kg·m-2·d-1，虾类0.035 kg·m-2·d-1，口虾蛄0.044 kg·m-2·d-1，蟹类0.15 kg·m-2·d-1，螺类0.007 kg·m-2·d-1，头足类0.002 kg·m-2·d-1。

刺网和地笼网集鱼情况见图4。

2.3.2 岩石礁和船礁集鱼情况

在B1礁体附近共调查出各种生物20种，其中鱼类7种：许氏平鲉、大泷六线鱼、矛尾虾虎鱼、斑尾鰕虎鱼、焦氏舌鳎、皮氏叫姑鱼、鲈鱼，占总种类数的35%;虾类4种：葛氏长臂虾、日本鼓虾、鲜明鼓虾、脊腹褐虾，占总种类数的20%;虾蛄类1种：口虾蛄，占总种类数的5%;蟹类4种：日本鲟、寄居蟹、颗粒拟关公蟹、隆线强蟹，占总种类数的20%;螺类1种：脉红螺，占总种类数的5%;头足类2种：长蛸和短蛸，占总种类数的10%;棘皮动物1种：罗氏海盘车，占总种类数的5%。

在B2礁体附近共调查出各种生物14种，其中鱼类5种：许氏平鲉、大泷六线鱼、矛尾虾虎鱼、斑尾鰕虎鱼、半滑舌鳎，占总种类数的35.71%;虾类3种：葛氏长臂虾、日本鼓虾、鲜明鼓虾，占总种类数的21.43%;虾蛄类1种：口虾蛄，占总种类数的7.14%;蟹类2种：日本鲟、日本拟平家蟹，占总种类数的14.29%;螺类1种：脉红螺，占总种类数的7.14%;头足类2种，即长蛸和短蛸，占总种类数的14.29%。

在C1礁体附近共调查出各种生物16种，其中鱼类6种：许氏平鲉、大泷六线鱼、方氏云鳚、矛尾虾虎、斑尾鰕虎鱼、焦氏舌鳎，占总种类数的37.50%;虾类3种：葛氏长臂虾、日本鼓虾、鲜明鼓虾，占总种类数的18.75%;虾蛄类1种：口虾蛄，占总种类数的6.25%;蟹类3种：日本鲟、隆线强蟹和红线黎明蟹，占总种类数的18.75%;螺类1种：脉红螺，占总种类数的6.25%;头足类2种：长蛸和短蛸，占总种类数的12.50%。

三种不同规格的礁体诱集生物种类数量略有差异，表现为B1>B2>C1，诱集种类及数量见表5。

在B1礁体附近海域调查显示，流刺网平均渔获量为2.611 kg·hm-2·h-1，其中鱼类0.92 kg·hm-2·h-1，虾类0.46 kg·hm-2·h-1，口虾蛄0.62 kg·hm-2·h-1，蟹类0.54 kg·hm-2·h-1，螺类0.035 kg·hm-2·h-1，头足类0.035 kg·hm-2·h-1，棘皮动物0.001 kg·hm-2·h-1。地笼网平均渔获量为0.252 kg·m-2·d-1，其中鱼类0.13 kg·m-2·d-1，虾类0.0304 kg·m-2·d-1，口虾蛄0.038 kg·m-2·d-1，蟹类0.013 kg·m-2·d-1，螺类0.038 kg·m-2·d-1，头足类0.003 kg·m-2·d-1。

在B2礁体附近海域调查显示，刺网渔获量平均为2.418 kg·hm-2·h-1，其中鱼类2.19 kg·hm-2·h-1，虾类0.06 kg·hm-2·h-1，口虾蛄0.07 kg·hm-2·h-1，蟹类0.08 kg·hm-2·h-1，螺类0.015 kg·hm-2·h-1，头足类0.003 kg·hm-2·h-1。地笼网平均渔获量为0.080 kg·m-2·d-1，其中鱼类0.020 kg·m-2·d-1，虾类0.008 kg·m-2·d-1，口虾蛄0.008 kg·m-2·d-1，蟹类0.008 kg·m-2·d-1 ，螺类0.006 kg·m-2·d-1，头足类0.030 kg·m-2·d-1。

在C1礁体附近海域调查显示，流刺网平均渔获量为2.70 kg·hm-2·h-1，其中鱼类1.22 kg·hm-2·h-1，虾类0.52 kg·hm-2·h-1，口虾蛄0.70 kg·hm-2·h-1，蟹类0.25 kg·hm-2·h-1，螺类0.002 kg·hm-2·h-1，头足类0.008 kg·hm-2·h-1。地笼网平均渔获量为0.035 kg·m-2·d-1，其中鱼类0.012 kg·m-2·d-1，虾类0.008 kg·m-2·d-1，口虾蛄0.007 kg·m-2·d-1，蟹类0.003 kg·m-2·d-1，螺类0.002 kg·m-2·d-1，头足类0.003 kg·m-2·d-1。

刺网和地笼网集鱼情况参见图5。

3 分析与讨论

3.1 人工鱼礁的稳定性

研究表明：7个礁体的抗漂移系数和抗倾覆系数均大于1，说明7种鱼礁在海中能保持安全稳定状态。波高、水深、迎流面积和礁体自身特性等对礁体安全性均有很大影响。随着波高和水深的不同，鱼礁受力也有所差异，当受力差异增大，鱼礁安全性易出现漂移、倾覆等现象的发生。当水流与迎流面接触时，会产生上升流，迎流面积越大，产生的上升流也越大。水动力的改变与流向角有密切关系。张硕等[10]研究表明：迎流角度对礁体模型的阻力以及侧向力可产生较大影响。礁体的稳定性与鱼礁体材料、礁体重量均有重要关系。礁体材料决定礁体密度，当体积一定时，礁体密度越大，礁体质量越大，礁体在波浪冲击下越稳定。

3.2 不同礁型的集鱼效果

鱼礁对周围以及内部的流速流态产生直接影响，鱼礁的外部形状及内部构造不同，影响程度也不同[11]。集鱼种类数量最多是A2和A3型鱼礁，钢筋混凝土构件礁集鱼较好，这是因为钢筋混凝土构件礁可为海洋生物提供较大的庇护区，产生的上升流、涡流，可使底层营养物质释放，促进生物饵料的生长。

4 結论

在本次试验中，三种礁体的抗滑移系数和抗倾覆系数均大于1，表明鱼礁在海中均处于安全稳定状态。三种礁体均具有良好的集鱼效果，集鱼效果较好的是A2和A3型鱼礁，但总体来看礁体种类对渔获物的影响差别较小。

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