人工魚礁工程技術(shù)進(jìn)展研究

張永波， 王繼業(yè)， 辛峻峰

(1 青島國家海洋科學(xué)研究中心，山東 青島 266071；2 青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

人工魚礁工程技術(shù)進(jìn)展研究

張永波1， 王繼業(yè)1， 辛峻峰2

(1 青島國家海洋科學(xué)研究中心，山東 青島 266071；2 青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

人工魚礁是實(shí)現(xiàn)海洋牧場建設(shè)、海域生態(tài)調(diào)控和海洋生境修復(fù)的主要手段之一。人工魚礁的聚魚效果主要取決于礁體建造材料、結(jié)構(gòu)造型、流體力學(xué)特征及礁體布局等因素?？偨Y(jié)了國內(nèi)外人工魚礁工程技術(shù)的發(fā)展歷程，闡述了我國人工魚礁發(fā)展存在的問題。通過查閱文獻(xiàn)資料，總結(jié)了礁體造型和設(shè)計(jì)方面的研究進(jìn)展，主要包括：現(xiàn)有人工魚礁礁體材料的優(yōu)、缺點(diǎn)，新型復(fù)合材料應(yīng)用空間等；主要礁體構(gòu)型及現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法；采用流體力學(xué)模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，開展礁體水動力學(xué)行為研究的進(jìn)展；人工誘導(dǎo)流場和人工魚礁布局主要方法。結(jié)合我國人工魚礁現(xiàn)狀，提出人工魚礁設(shè)計(jì)與應(yīng)用的發(fā)展趨勢和重點(diǎn)研究方向，以期為我國人工魚礁建造和升級提供參考。

人工魚礁；海洋牧場；流體動力學(xué)；研究進(jìn)展；綜述

隨著捕撈技術(shù)的不斷進(jìn)步和捕撈強(qiáng)度的不斷增加，海洋開發(fā)相關(guān)活動造成的環(huán)境污染等問題也日趨嚴(yán)重，近海漁業(yè)資源面臨不斷枯竭的境地[1]。因此，許多發(fā)達(dá)國家通過建設(shè)人工魚礁來發(fā)展大規(guī)模海洋牧場[2]。人工魚礁屬于海洋漁業(yè)資源生態(tài)修復(fù)和漁業(yè)增殖綜合工程，大范圍的人工魚礁建設(shè)可以有效保護(hù)近岸生物產(chǎn)卵場和索餌場，維護(hù)海洋生物資源總體平衡。

1 國內(nèi)外人工魚礁發(fā)展概況

人工魚礁應(yīng)用和研究最活躍的國家主要集中在日本、美國、韓國以及歐洲各國。日本歷來重視人工魚礁建設(shè)。1952年日本把人工魚礁作為沿岸漁業(yè)振興戰(zhàn)略納入國家規(guī)劃，從最原始的簡單投放石料和木料發(fā)展到采用鋼筋混凝上、鋼結(jié)構(gòu)，投放海域由近而遠(yuǎn)推進(jìn)，類型由簡單漁獲型向生態(tài)增殖型與生態(tài)改善型拓延[3]。美國成規(guī)模的人工魚礁布設(shè)開始于20世紀(jì)30年代，于1985年出臺“國家人工魚礁計(jì)劃”，目前大部分近海海域都布設(shè)人工魚礁[4]。韓國于1994年開始實(shí)施海洋牧場建設(shè)計(jì)劃，目前在東部、南部海域等建設(shè)了大量的人工魚礁，初步建成了4個成規(guī)模的海洋牧場[5]。

我國漁業(yè)資源自20世紀(jì)80年代開始便呈現(xiàn)出萎縮的跡象。曾經(jīng)漁業(yè)資源豐富的渤海、舟山、南海和北部灣四大漁場的資源量現(xiàn)已非常稀少。為解決漁業(yè)資源問題，國內(nèi)專家先后提出了“海洋水產(chǎn)生產(chǎn)必須走農(nóng)牧化的道路”的發(fā)展思路及構(gòu)建“深遠(yuǎn)海大型養(yǎng)殖平臺(養(yǎng)殖工船)”的戰(zhàn)略設(shè)想[6]。人工魚礁建設(shè)越來越受到重視，目前我國沿海各地都在學(xué)習(xí)國外先進(jìn)的研究成果，逐步研發(fā)適合中國海域特點(diǎn)的人工魚礁。如1981年中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所和南海水產(chǎn)研究所先后在山東省膠南、蓬萊和廣東省大亞灣、電白、南澳沿海投放了人工魚礁，并進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究工作。截至2014年，在山東共建設(shè)規(guī)模以上的人工魚礁區(qū)170多處，投放石料、鋼筋混凝土構(gòu)件、廢棄船礁、鋼制構(gòu)件和復(fù)合材料構(gòu)件等各類礁體共1 000萬m3，形成礁區(qū)面積達(dá)到1.5萬km2[7]。

2 礁體材料

礁體材料以安全、綠色環(huán)保、易造性和經(jīng)濟(jì)性等為主要考量。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，人工魚礁材料超過249種[8]，主要可以分為天然材料、廢棄物材料、建筑材料和其他材料等4大類。

2.1 天然材料

天然材料取材方便、制作便捷、價(jià)格便宜，早期進(jìn)行人工魚礁初步建設(shè)時大量采用，主要包括木材類、石材類和貝殼類等(表1)。天然材料的生物聚集性較其他材料好，污染性極低，但隨著原材料價(jià)格變動，制作成本升高，且建造周期長，抵抗環(huán)境侵蝕能力差，特別不適于高風(fēng)浪區(qū)域布置，逐步被淘汰。

表1 天然材料礁體

2.2 廢棄物材料

由于天然材料魚礁大規(guī)模工程化實(shí)施困難，對資源需求和環(huán)境破壞較大，為此拓展了廢棄物材料用于建造魚礁，主要包括廢棄海洋平臺、廢棄艦船以及廢舊輪胎等(表2)。廢棄物材料得到充分的二次應(yīng)用，但不同廢棄物在環(huán)境生態(tài)維護(hù)、生物友好性等方面缺乏全面、系統(tǒng)的評價(jià)研究[10-11]。

表2 廢棄物材料礁體

2.3 建筑材料和其他材料

用于建造人工魚礁的建筑材料主要指混凝土和鋼材(表3)，可充分利用鋼筋混凝土的可塑性，礁體耐波性和穩(wěn)定性較好。新型材料的成本和工藝難度大幅度降低，多種材料被嘗試用于人工魚礁建造，隨著功能需求、成本需求和生態(tài)需求的增加，采用多種材料組合或親水性新材料制作的魚礁會越來越多。

表3 建筑材料和其他材料

3 人工魚礁結(jié)構(gòu)造型設(shè)計(jì)和研發(fā)

3.1 礁體構(gòu)型設(shè)計(jì)

人工魚礁的結(jié)構(gòu)需要根據(jù)投放海域情況和實(shí)際功能進(jìn)行統(tǒng)籌選擇。魚礁的外形尺寸主要判斷指標(biāo)是礁體外形的長、寬、高形成的體積，通常按照魚礁的體積和重量來區(qū)別小型魚礁和大型魚礁。小型魚礁體積1～30 m3，重量0.1～3 t，一般布置在水深較淺的近海海域；大型魚礁體積100～400 m3，重量15～70 t，布置在水深較深的近?；蛲夂：Ｓ?。按結(jié)構(gòu)外形分類，主要有四方形、三角形、梯形、圓筒、十字形、人字形、箱型、星型、半球形、船型、框架型以及異型礁和組合礁等。按照生物聚集的對象不同，可分為魚礁、鮑礁、參礁、海珍礁、藻礁等，構(gòu)型在設(shè)計(jì)時要充分考慮所承載生物的種類、大小和生活習(xí)性。

系統(tǒng)的礁體設(shè)計(jì)主要包括結(jié)構(gòu)安全性、穩(wěn)定性、抗沖刷和流場等。我國人工魚礁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本按照混凝土相關(guān)規(guī)范進(jìn)行，如2012年實(shí)施的山東省地方標(biāo)準(zhǔn)《人工魚礁建設(shè)技術(shù)規(guī)范DB37/T2090-2012》提出，建造時根據(jù)材料性質(zhì)應(yīng)滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》等的要求[15]。因魚礁結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算方法多采用成熟的結(jié)構(gòu)有限單元法。除自身結(jié)構(gòu)剛度滿足耐久性要求外，魚礁的穩(wěn)性和抗沖刷等要根據(jù)環(huán)境荷載工況特定計(jì)算確定[16]。相關(guān)研究報(bào)道：四方臺魚礁不同工況下穩(wěn)性的計(jì)算方法和結(jié)論[17]；采用開口比作為水動力計(jì)算的主要參數(shù)，即礁面開口部分投影面積與礁面全投影面積之比[18]；研究三角形、圓筒形和四角形三種不同外部形狀和內(nèi)部構(gòu)造的魚礁，給出了魚礁周圍及內(nèi)部流場對于魚礁穩(wěn)定性的影響范圍[19]。

3.2 礁體水動力學(xué)行為

礁體水動力學(xué)行為影響其安全穩(wěn)性和生物聚集狀態(tài)。水動力性能研究主要采用模型實(shí)驗(yàn)方法和計(jì)算流體力學(xué)方法對礁體的穩(wěn)性、擾流性、水流通過性進(jìn)行對比分析，通過結(jié)果來判斷礁體初步設(shè)計(jì)的優(yōu)劣并加以修正。目前大多學(xué)者認(rèn)為，模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相互結(jié)合的研究方法更為可靠，結(jié)果接近流體力學(xué)真實(shí)行為，為工程設(shè)計(jì)提供更可靠依據(jù)。

(1)模型實(shí)驗(yàn)方法。即在水槽、水池和風(fēng)洞中的穩(wěn)定流速下進(jìn)行，進(jìn)而采用模型測試的手段對礁體結(jié)構(gòu)本身和產(chǎn)生的流體力學(xué)特征進(jìn)行定量分析，常用的方法有結(jié)構(gòu)測試法和流場PIV法。佐久田博司等[20]在實(shí)驗(yàn)對比條件下得到了立方體魚礁模型的水動力學(xué)特性，定量研究了礁體模型周圍流場變化及影響范圍；影山芳郎等[21]通過模型實(shí)驗(yàn)研究了人工魚礁的流場擾動，并根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對立方體、四角錐、三角柱型魚礁設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；William seaman等[22]通過對魚礁的流體阻力效果對流場作用的研究，得到魚礁后方的擾動流場分3個區(qū)域。國內(nèi)，劉同渝[23]通過對不同流態(tài)的特性對比研究，發(fā)現(xiàn)堆疊式魚礁形成的尾部流態(tài)最大，梯形次之，半球形和三角錐體最??；史紅衛(wèi)[24]對比了有蓋和無蓋兩種魚礁的水動力學(xué)行為，認(rèn)為球體水動力理論對正方體礁體也同樣適用；劉彥等[25]在粒子圖像測速二維流場實(shí)驗(yàn)室中測試了單體和雙體星型魚礁的流場，發(fā)現(xiàn)了不同流速和不同礁體布放形式下的上升流與背渦流特性。上述研究是通過模型實(shí)驗(yàn)分析方法而得到魚礁設(shè)計(jì)水動力學(xué)的相關(guān)參數(shù)，為人工魚礁的礁體設(shè)計(jì)和投放布局提供重要的理論基礎(chǔ)。

(2)數(shù)值模擬方法。即利用數(shù)值分析方法對流場荷載作用在礁體上而實(shí)際發(fā)生在水下的流固耦合現(xiàn)象進(jìn)行模擬計(jì)算，進(jìn)而對一定流速下結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)性和流場形態(tài)進(jìn)行預(yù)報(bào)，實(shí)際工程設(shè)計(jì)可根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。黃遠(yuǎn)東等[26]利用數(shù)值模擬法研究了方形、多孔方形和三棱柱魚礁，得出了不同形狀魚礁的擾流流場效應(yīng)和異同；鄭延璇等[27]利用RNG k-ε湍流模型對星形魚礁模型的流場效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化了等邊三角型魚礁的設(shè)計(jì)方案；唐衍力等[28]通過數(shù)值模擬得到方型魚礁模型水動力學(xué)行為，得到了礁體所受流速與曳力的關(guān)系；許柳雄等[29]使用水動力學(xué)模型對回字型魚礁模型穩(wěn)定性相關(guān)特性進(jìn)行了定量計(jì)算；何文榮等[30]對金字塔型魚礁模型進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得到了不同流速下礁體的三維繞流場參數(shù)及流場效應(yīng)的參數(shù)。伴隨著方法的不斷改進(jìn)，以數(shù)值模擬為主的研究結(jié)果越來越接近魚礁在水中的實(shí)際狀態(tài)，研究人員可以通過部分設(shè)計(jì)參數(shù)的改變，篩選得到一種或幾種優(yōu)化后的魚礁設(shè)計(jì)方案，再有針對性的結(jié)合物理模型試驗(yàn)或海試，對比幾種不同工況的方案實(shí)驗(yàn)效果，得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

3.3 人工誘導(dǎo)流場

在海流作用下的礁體上部形成明顯的上升流，在礁體尾部形成明顯的背渦流，這種誘導(dǎo)流場加速了水中營養(yǎng)輸運(yùn)，還可利用海浪的能量作用力來攪動海底沉積以減少淤積。這在人工魚礁局部造型和總體布局中得到重視。國外科研人員很早就注意到利用人工魚礁產(chǎn)生上升流，如日本在一項(xiàng)專利中提出了一種產(chǎn)生上升流的人工魚礁構(gòu)型，礁體本身設(shè)計(jì)成“V”字形的中層人工涌升流裝置[31]。另外，還有一種做法是在深層海流的中間層設(shè)置一個誘導(dǎo)板，海流流經(jīng)該誘導(dǎo)板后，方向會向上改變，使海底水流變向?yàn)樯仙鱗31]。還有一種魚礁設(shè)置了螺旋狀側(cè)裙結(jié)構(gòu)，使水平方向海流改變流向，增加上升流面積，具有帶動養(yǎng)分和減少淤積的作用[32]。

在人工誘導(dǎo)流場的研究中，黃遠(yuǎn)東等[33]通過對流場的速度變化結(jié)果分析，得到魚礁的壓力分布和其尾部渦區(qū)的渦旋組成特征；李曉磊等[34]應(yīng)用CFD方法對立方體魚礁模型的三維流場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到由展向渦和流向渦構(gòu)成的立方體魚礁的流場三維渦結(jié)構(gòu)；王宏等[35]研究證明了人工魚礁流場的改變決定著布設(shè)海域的營養(yǎng)鹽和初級生產(chǎn)力水平，進(jìn)而顯著影響海洋生物的誘集和聚集。近年來，由于漁業(yè)生產(chǎn)中對人工魚礁的生物聚集效率提出了更高要求，對于人工誘導(dǎo)流場的研究開始增多，但受限于計(jì)算仿真準(zhǔn)確度低和實(shí)驗(yàn)測試方法難以實(shí)施等因素，仍需要更多的研究方法創(chuàng)新和實(shí)測的聯(lián)合驗(yàn)證。

3.4 人工魚礁區(qū)域布局

目前，國內(nèi)對人工魚礁的區(qū)域投放布局研究處于起步階段，對于人工魚礁的規(guī)劃設(shè)計(jì)方面缺乏綜合性和指導(dǎo)性方法，現(xiàn)有的做法多是參考國外已實(shí)施的工程經(jīng)驗(yàn)。不同布局方案的人工魚礁投放到海域后會產(chǎn)生截然不同效果，如營養(yǎng)效應(yīng)和流場效應(yīng)等。趙海濤[36]等對礁體設(shè)計(jì)及投放區(qū)選址進(jìn)行研究，對人工魚礁的安裝、長期維護(hù)等做了初步闡述；許強(qiáng)[37]分析了影響海洋牧場的因素，對確定選址方案作了初步評估。

合理的魚礁構(gòu)型組合能擴(kuò)大海洋牧場面積和生物群落誘集范圍，最大程度地提高經(jīng)濟(jì)效益。沈天躍等[38]使用GIS方法確定魚礁單體在水下的空間位置，并結(jié)合側(cè)掃聲納系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)確定魚礁的實(shí)際組合方式；鄭延璇等[39]研究發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的疊放形式能得到最大上升流的流速、高度和面積；虞聰達(dá)等[40]針對人工船型魚礁的優(yōu)化組合方式進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，建立了該型魚礁的優(yōu)化布局模式。上述人工魚礁布局研究表明，通過有效的技術(shù)手段確定人工魚礁在特定區(qū)域的空間位置、組合方式等，能夠使魚礁發(fā)揮出最大的作用。山東省地方標(biāo)準(zhǔn)《人工魚礁建設(shè)技術(shù)規(guī)范》已給出礁體的配置和多體布設(shè)的基本原則[15]，包括單體魚礁的有效邊界、魚礁控制距離、礁體高度設(shè)置等建議。總之，魚礁布局應(yīng)根據(jù)擬投放海洋環(huán)境、海域生物特性等多方面因素加以綜合考慮、確定。

4 人工魚礁工程技術(shù)展望

國內(nèi)外學(xué)者對人工魚礁的材料選擇、礁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、布局的研究成果很豐富，在人工魚礁的建設(shè)應(yīng)用十分成熟。我國在該領(lǐng)域的研究與國外發(fā)達(dá)國家相比還有一定的差距。我國人工魚礁行業(yè)發(fā)展迅速且前景廣闊，但總體建設(shè)規(guī)劃比較滯后，缺乏集中投放的規(guī)劃，生態(tài)類人工魚礁相對偏少，科研力量偏弱，特別是在礁體材料研發(fā)、礁型設(shè)計(jì)和建造、礁區(qū)總體布局等方面亟待加強(qiáng)。今后，人工魚礁的研究和發(fā)展需要注重以下幾個方面：(1)環(huán)境友好、可塑性強(qiáng)、易組合、結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定、便于運(yùn)輸與后期維護(hù)的多種復(fù)合材料魚礁研發(fā)；低成本、易維護(hù)、耐腐蝕的添加材料研制；(2)健全人工魚礁設(shè)計(jì)和建造的國家標(biāo)準(zhǔn)；在海洋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件中，增加集合流體力學(xué)行為、結(jié)構(gòu)安全、工程施工的人工魚礁設(shè)計(jì)模塊；(3)引入物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感、云數(shù)據(jù)等新技術(shù)，在建造人工魚礁的同時，建立遙感、現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測(水下、水面)、水下魚探等手段組成的實(shí)時綜合預(yù)報(bào)體系；加強(qiáng)水體環(huán)境、綠潮、赤潮、風(fēng)暴潮等生境預(yù)報(bào)和預(yù)警；(4)針對深水區(qū)域，考慮上層建造浮式牧場，而底層配合建造人工魚礁，實(shí)施海底環(huán)境再造和保持技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)效益和環(huán)境效益雙增值。

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A review of studies on artificial reef engineering technology

ZHANG Yongbo1，WANG Jiye1，XIN Junfeng2

(1 National oceanographic center, Qingdao, Qingdao 266071, China;2CollegeofElectromechanicalEngineering,QingdaoUniversityofScience&Technology,Qingdao266061,China)

Artificial reefs is one of the major means to realize sea ranching construction, marine ecology control and marine habitat restoration. The fish accumulating effect of artificial reefs depends on many factors such as reef materials, structure form, hydrodynamic features and reefs layout. This paper summarizes the advances in artificial reef engineering technology at home and abroad from the following aspects: the advantage and disadvantage of current artificial reef materials and the application potentials of new composite materials, major reef configurations and current designing methods, researches in reef hydrodynamic behaviors using hydrodynamic model test and numerical calculation methods, as well as methods of artificially induced flow field and reef layout. Then according to the present situation of artificial reefs in China, it points out the development trend and key research directions of artificial reefs design and application, in the wish to provide reference for artificial reefs construction and upgrading in China.

artificial reef; sea ranching; hydrodynamics; research progress; review

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.06.014

2016-08-19

2016-11-25

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(E091002)；山東軟科學(xué)研究計(jì)劃(2016RKF01011; 2016RZF01001)； 中國海洋發(fā)展研究中心課題(CAMAJJ201510)

張永波(1982—)，男，助理研究員，博士，研究方向：流固耦合。E-mail： yongbo_zh@163.com

王繼業(yè)(1964—)，男，研究員，博士，研究方向：海洋科技戰(zhàn)略。E-mail：wjy@nocq.org

S953; TV135

A

1007-9580(2016)06-070-06