人工鱼礁水动力场水槽试验研究.docx

人工鱼礁水动力场水槽试验研究徐成伟1） Email: （南京水利科学研究院，南京，）摘 要：产业革命以后，人类活动的强度和范围逐渐增强和扩展，人类与环境的矛盾以与由此带来的环境问题也日趋突出，海洋生态环境衰退，海洋渔业资源尤其是近海渔业资源日显枯竭。为解决生态修复和资源恢复问题，人工鱼礁技术得到迅速发展。本文以人工鱼礁为研究对象，通过水槽试验，系统量测了十字型方体鱼礁放置后，周围水体的流场和紊流特征，并与较为类似天然鱼礁的有面板方体鱼礁进行了对比；鱼礁对水流的影响范围向下游可以达到倍的鱼礁尺寸，建议单体鱼礁投放距离可在倍礁体尺寸以上；从水动力学角度分析了人工鱼礁集鱼机理。投放礁体后产生的上升流和下降流促进了上下水体的交换，有利于底栖动物的生长和鱼类的产卵；高流速区和低流速区的交替分布，使得鱼礁成为浮游生物滞留和繁衍，鱼类索饵、生活与戏水的好去处；紊流强度在礁体周边水域的连续变化，提供给各类水生生物和鱼类适宜的水动力环境。关键词：人工鱼礁，水动力场，紊动强度，水槽试验 引言产业革命以后，人类的生产力获得了飞速发展，技术水平迅速提高，人口迅速增长，人类活动的强度和范围逐渐增强和扩展，人类与环境的矛盾以与由此带来的环境问题也日趋突出，海洋环境衰退，海洋渔业资源尤其是近海渔业资源日显枯竭。海洋国土是陆地国土的自然延伸，海洋生态系统作为地球生态系统的重要组成部分，对人类的生存和发展具有极其重要的影响。世纪年代以前，人们判断渔业先进国家的标准是年渔业总产量多少和捕鱼技术是否先进，但在年代中后期，这些观念已经改变，本国渔业资源是否得到有效保护且能增殖，成为判断一个国家渔业是否先进的重要标准。由于我国沿海都有比较平坦的大陆架，大部分海域都是水深较浅、适宜底拖网作业的泥沙底质，随着我国机动拖网渔船的大量出现，使得本来比较脆弱的生态环境遭到严重破坏，黄海、东海、南海的渔业资源逐年衰退。渔业资源衰退主要表现在：主要经济鱼类种群数量骤减，种群低龄化、个体小型化、性成熟提前，主要经济鱼类的(单位捕捞努力量鱼获量)下降，索饵场、产卵场等鱼类栖息地因污染等遭破坏，小型低值鱼类占渔获物的比例增加，等等。长期的捕捞过度已使我国的渔业资源数量和结构发生了巨大变化。我国的海水养殖业自上世纪年代开始发展较快，但由于缺乏有效的管理，属于粗放型养殖，大量含各类鱼虾类排泄物、有机物质、以与各类未经处理的废水直接排放入海，沿海的海洋环境遭受了严重破坏，各种鱼虾病和赤潮等不断爆发，使得沿海养殖业面临重重危机。为了保护海洋生态环境，国家有关部门采取了许多措施，如实施休渔期和禁渔区制度，限制网目大小和渔具数量，实施渔民转产转业，减少近海作业渔船，鼓励发展远洋渔业生产等，这些措施对减少捕捞强度，减少近海渔业资源的衰退起到了一定的作用，但并不能从根本上解决生态修复和资源恢复问题。从渔场学知道，海岭地区会产生涌升流和涡流，而这些海域就是好的渔场。同理，建设人工鱼礁，把鱼礁堆积起来，或建造大型鱼礁形成人工海岭，便会达到同样的效果。而人工鱼礁技术在我国发展较其他发达国家相对慢些，尤其是相对日本、美国等发达国家，我国人工鱼礁增殖技术中有许多急待解决的问题。对人工鱼礁进行水动力学分析与试验，以便设计出水动力性能好的人工鱼礁礁体，并为投放点的选择提供一个基本依据，这是当前人工鱼礁发展急需解决的重要课题。由于礁体的形状和大小千差万别，沉放点的流场也因地而异，因此，人工鱼礁产生的流态是非常复杂的。一座多（空方）的人工鱼礁在潮流的作用下，对流场的影响范围半径达 300m。本文选取较为常见的外形为正方形、内部结构形式为对称的十字型（见图）的鱼礁作为研究对象，通过水槽试验，利用微型旋浆流速仪、多普勒声学流速仪，系统测量鱼礁周围与内部流场以与紊流特征的变化，从水动力学的角度查明鱼礁的集鱼机理，也为可靠计算这种鱼礁在水中受到的阻力和判断结构稳定性提供必要的基础，从而为人工鱼礁的技术研究和投放管理提供重要的依据和经验。图 十字型正方体鱼礁模型 水槽试验方法目前国内比较流行的礁体形状为正方体，边长通常在2m以上，本文讨论边长为2m的正方体礁体。人工鱼礁礁体类型的选择，应该使得空方体积尽量大，表面积尽量大，材料实际体积尽量小，但要使鱼礁有尽可能大的截流面积，保证鱼礁的流场效应。本次试验十字型模型鱼礁的具体尺寸如图所示。图 20cm模型鱼礁俯（侧）视图 水槽试验条件与测试设备试验在南京水利科学研究院模型试验厅的矩形水槽中进行。水槽试验段尺寸为：××0.6m，试验流量最大可达到 ，槽内水深由尾门控制。试验采用两种流速仪测量水流流速以满足不同的需要，对于鱼礁模型上下游较长试验段内的流场采用微型旋浆流速仪仅对纵向流速进行量测，而对于鱼礁模型周边的水流结构采用三维的多普勒流速仪进行量测，以便精确描述鱼礁的三维流场。声学多普勒流速仪由公司制造，该流速仪运用称为多普勒效应的物理原理，采用遥距测量的方式，对距离探头一定距离的采样点进行测量。仪器工作时，声波发射器以一个已知的频率产生脉冲声波，脉冲声波沿着波束的轴线在水中传播，由于脉冲声波通过水体后能被水中的一些颗粒物（如沙、小有机物、气泡等）在各个方位产生反射，一部分被反射的能量沿着接收器的轴线返回，由接收器检测并计算出它的频率变化量，根据测得的多普勒转换与沿着发射器和接收器的分置轴运动的颗粒速度成比例的性质，从而计算出水流速度。超声波测速仪由三部分组成：测量探头、信号调理以与信号处理，并与装有相关软件的计算机一起构成测量采集系统。量测探头由三个接收探头和一个发射探头组成，三个接收探头分布在发射探头轴线的周围，它们之间的夹角为°，接收探头与采样体的连线与发射探头轴线之间的夹角为°，采样体位于探头下方 ，这样可以基本上消除探头对水流的干扰。 的数据采集软件用 ，信号和各种流动参数处理由完成，它提供的数据文件为文本文件，可以方便地由一些商业软件(如，等)处理。对于鱼礁模型上下游较长试验段内的流场采用微型旋浆流速仪仅对纵向流速进行量测。旋浆流速仪连接到一个数据采集器，可以直接读出测点的纵向流速，试验中采用支流速仪同时测量，数据由采集器采集后，经计算机处理输出相关流速值。试验前，我们用流速仪对微型旋浆流速仪进行了率定，结果显示两种流速仪的测量结果吻合很好。 水槽试验方法对于两种十字型鱼礁和一种有面板鱼礁，测量每种鱼礁在两种水深条件下的流场特性，共六种工况。试验过程中，对每种鱼礁，水槽流量控制为 ，调节尾门分别使得鱼礁处水深为55cm和37cm。鱼礁被放置在水槽中间位置，离开左右边壁距离相同，上游槽段长10m确保水流在试验段达到稳定，下游距尾门超过10m，消除了尾水的影响。采用微型旋浆流速仪测量流场的方法如下：支旋浆流速仪同时断面流速测量，测点沿水深布置在、和水深处，水平方向沿槽宽均匀布设，全部流场包含个断面，每个断面间隔22.5cm，以鱼礁体为中心向上下游分布，具体的测点位置网格见图。 图 旋浆流速仪平面测点布置示意图采用流速仪测量礁体周围三维流场的方法如下：对于每种鱼礁模型都进行了两种水深下的流场测量，水深为37cm时，在距离床面、处分层量测，每一水平层面上的测点布置网格见图，实际测量时在礁体内部由于受到十字架的阻挡对部分测点位置进行了调整；水深为54.5cm时，在距离床面、处分层量测，每一水平层面上的测点布置网格同图所示。对于20cm模型礁体，测点在纵向上间距均为5cm，在横向上间距也均为5cm；对于30cm模型礁体，在正对礁体位置测点间距为7.5cm，具体尺寸已在图中表示。图 流速仪测点布置示意图 试验数据处理方法设定流速仪的采样频率为，每个测点持续，可得到个数据，利用软件和计算机对数据进行处理，可以得到相应点的时均流速和紊流强度。时均流场：测点三个方向的时均流速计算公式如下：其中，是每个测点的样本数，、和代表纵向、横向和垂向的瞬时流速，、和是各个测点的时均流速。紊流特征：在水力学中，通常关心的是运动要素的时均效应。然而脉动对于水利工程也有重要的影响，它可以增加建筑物的瞬时荷载。引起建筑物的振动，使水流挟沙能力增强等。当需要研究脉动的强弱程度时，不能用脉动的时均值来表示，因为脉动值的时均值等于零。常用来表示紊动强度的方法有两种：脉动流速的均方根和雷诺切应力。三个方向的脉动流速的均方根计算公式如下：其中，、和分别为纵向、横向和垂向的脉动流速的均方根，也即紊流强度。而雷诺切应力可以表示为： 鱼礁模型对流场影响的水槽试验 礁体对流场的影响范围放置人工礁体后，周边的水流结构和紊流特征都有较大的改变，从而提供给水生生物和鱼类适宜的栖息场所。礁体对流场的影响大小和范围，直接关系着人工鱼礁的集鱼效果。了解和掌握鱼礁的影响水域，不仅为选择不同结构人工鱼礁提供参照依据，也给鱼礁的布设方案以指导和技术支撑。为此，试验对模型礁体放置后大范围流场的变化，采用微型旋浆流速仪进行了测量，以水深处的流场为例，不同礁体和工况下的量测结果如图所示。可见，十字型正方体鱼礁对流场的影响范围：上游受影响范围较小，大致与鱼礁尺寸相当，且纵向流速的改变值不大；下游受影响范围很大，纵向流速有显著变化的水域可达鱼礁尺寸的倍左右，由此单个人工鱼礁之间的距离可建议在礁体尺寸的倍以上，在两礁体之间形成流速渐次变化的生物和鱼类栖息带；礁体中间有接近静止的缓流区，两侧则形成一定范围的高流速带，有利于各种生物和鱼类选择。试验观测表明，礁体尺寸的增大仅仅增加了下游受影响范围，对上游、两侧以与内部的改变不显著。图5a和的对比显示，有面板的礁体对流场影响的范围有所增加，但较强影响范围仍与十字型近似，可见十字型鱼礁基本可以达到实体鱼礁的作用，而又保证了较大空隙率，有足够的内部空间满足水生生物和鱼类的要求。减小水深，增大流速后礁体对流场影响的效果近似于较低流速条件，但缓流区的流速有所加大。考虑水生生物和鱼类的适宜流速，可以推算出礁体投放前水流的最大允许流速，据此选择适宜的人工鱼礁投放水域。图给出了礁体模型在54cm水深条件下距离水槽底部11cm层面的水平流场，数据由流速仪测得，测量区域集中在鱼礁附近。与图中的等值线图在礁体附近的显示结果相似，上游区域略有减速，礁体内部开始到下游区域流速明显减小，礁体对两侧的纵向流场影响较小。十字型鱼礁与有面板的鱼礁流场近似，在流速变化大小上略有不如。图5a 54cm水深20cm鱼礁在处纵向流速等值线图图 54cm水深20cm有面板鱼礁在处纵向流速等值线图图6a 54cm水深20cm鱼礁在11cm层面的水平流场（）图 54cm水深20cm有面板鱼礁在11cm层面的水平流场（） 礁体附近与内部的三维流场人工鱼礁内部与周边的流速缓急相间，给鱼类戏水和滞留提供了场所；上升流和下降流的产生使得低温而营养盐丰富的深层流和表层的暖流混合，从而促进了底栖动物的生长，海水中生物的滋生和发育，提高了初级生产力、成为浮游生物滞留和繁衍的场所，于是便成了鱼类索饵和生活的地带。依靠微型旋浆流速仪无法满足测量要求，试验采用流速仪详细测量了十字型方体模型鱼礁的三维流场，检验流速缓急、上升带、下降带以与涡旋的分布，探索并掌握鱼礁集鱼机理的关键水动力特征。20cm鱼礁模型的测量结果表明，在礁体内部高流速和低流速区域交错分布，格局明显，是十字型鱼礁特有的水动力特点，有利于各种水生物的附着和生存，有利于鱼类的戏水和觅食。降低水位，加大流速后，人工礁体周边的水流结构未见明显变化，高流速带和低流速带分别占据一定区域，存在明显的回流。人工鱼礁产生的上升流和下降流可以由横断面上的流场清楚表达，图选取礁体中心、礁体中心上游20cm、以与礁体中心下游20cm，给出了20cm模型鱼礁三个横断面的流场。礁体中心与上游存在着明显的上升流，下游断面下降流盛行，在每个横断面上均存在着由于水流上下产生的涡旋，有利于上下水体的交换。十字型鱼礁引起的上升流和下降流在礁体外侧显然弱于实体的鱼礁（图），但其内部水体的掺混也是实体鱼礁所不具备的。由20cm十字型鱼礁的断面流场可以大致看出礁体在垂向上的影响范围，应在礁体尺寸的倍以上。但由于试验条件的限制，未能进行更大水深下的流场测量，现有的最高流层可能受到自由水表面的制约，不能精确显示礁体的垂向影响范围。图7a 54cm水深20cm鱼礁在鱼礁中心横断面的流场图图 54cm水深20cm鱼礁在礁体中心上游20cm横断面的流场图图7c 54cm水深20cm鱼礁在礁体中心下游20cm横断面的流场图图8a 54cm水深20cm有面板鱼礁在礁体中心横断面的流场图图 54cm水深20cm有面板鱼礁在礁体中心上游20cm横断面的流场图图8c 54cm水深20cm有面板鱼礁在礁体中心下游20cm横断面的流场图 礁体附近的紊流强度场人工鱼礁能成为鱼类的栖息地不仅与礁体周围水流的时均流场有着直接关系，而且也与周围水体的紊流结构密切相关。图描绘了20cm模型礁在54cm水深条件下11cm层面的紊流强度分布。用雷诺切应力表达的紊流强度分布图与用脉动流速的均方根表示的紊流强度分布图基本相似，文中未给出用雷诺应力表达的紊流强度分布图。测量层面的位置示意图见图。紊流分布类似于流速场，在礁体的内部存在着低紊动区域，有利于水生物停留和吸附，两侧的强紊动带又提供给鱼类戏水空间。无论纵向紊流强度，还是横向、垂向的紊流强度都存在强弱连续转换水域，可以满足多种生物特性需求。图 平面流场分层示意图 图10a 54cm水深20cm鱼礁在11cm处的纵向紊流强度等值线图 54cm水深20cm鱼礁在11cm处的横向紊流强度等值线图10c 54cm水深20cm鱼礁在11cm处的垂向紊流强度等值线与十字型人工鱼礁相比，有面板的鱼礁更接近自然界的天然鱼礁，在礁体的上下游区域存在着低紊动带，两侧有着强紊动水域，这样的分布也正是天然鱼礁集鱼机理的关键的水动力特性之一。十字型人工鱼礁除了在礁体外部模拟出天然鱼礁这一紊流特性，而且在礁体内形成更加能够满足鱼类等生物特性的栖息地。 结论与建议（）本文通过水槽试验，系统量测了十字型方体鱼礁放置后，周围水体的流场和紊流特征，并与较为类似天然鱼礁的有面板方体鱼礁进行了对比；（）鱼礁对水流的影响范围向下游可以达到倍的鱼礁尺寸，建议单体鱼礁距离可在倍礁体尺寸以上；（）从水动力学角度分析了人工鱼礁集鱼机理。投放礁体后产生的上升流和下降流促进了上下水体的交换，有利于底栖动物的生长和鱼类的产卵；高流速区和低流速区的交替分布，使得鱼礁成为浮游生物滞留和繁衍，鱼类索饵、生活与戏水的好去处；紊流强度在礁体周边水域的连续变化，提供给各类水生生物和鱼类适宜的水动力环境。参考文献1. 胡洪营，张旭，黄霞，王伟 环境工程原理.北京：高等教育出版社，2. 薛洪超等.海岸动力学.北京:人民交通出版社.3. 江锦祥等. 东海陆架与临近海区底栖生物数量分布初步研究.海洋学报，()：4. 邓丽群，盛邦跃. 浅谈中国海洋渔业可持续发展与对策 海洋管理与开发，（）5. 何国民，曾嘉，梁小芸. 广东沿海人工鱼礁建设的规划原则和选点思路. 中国水产，（）：6. 周应祺，许柳雄，何其谕. 渔具力学. 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