三亞灣海洋牧場人工魚礁結(jié)構(gòu)設(shè)計及穩(wěn)定性分析

陳小艷, 謝 琳, 王發(fā)云

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三亞灣海洋牧場人工魚礁結(jié)構(gòu)設(shè)計及穩(wěn)定性分析

陳小艷, 謝 琳, 王發(fā)云

(海南省海洋與漁業(yè)科學(xué)院, 海南 ?？?570125)

作者基于海南三亞灣海洋牧場海域的海況條件、漁業(yè)資源狀況, 根據(jù)波流動力學(xué)理論設(shè)計一種箱形魚礁礁體以聚集魚類, 并對該礁體進(jìn)行了穩(wěn)定性計算。結(jié)果表明, 該礁體在實(shí)際投放水深為–25 m、波高為8.45 m、流速為0.8 m/s時, 礁體最大受力為27 422 N, 滑動安全系數(shù)為1.55, 滾動安全系數(shù)為2.49, 滿足礁體穩(wěn)定條件, 在研究海域不會發(fā)生漂移及傾覆, 能為今后海南省人工魚礁建設(shè)提供重要的理論依據(jù)。

人工魚礁; 箱形; 穩(wěn)定性

人工魚礁是指人們?yōu)楦纳坪Ｓ蛏鷳B(tài)環(huán)境, 為魚類等水生生物的聚集、索珥、繁殖、生長和避敵提供安全的棲息場所, 達(dá)到保護(hù)、增殖漁業(yè)資源和提高漁獲量的目的而在水中經(jīng)過科學(xué)選點(diǎn)而設(shè)置的構(gòu)造物[1]。20世紀(jì)70年代以來, 世界上大多數(shù)沿海國家陸續(xù)建造人工魚礁, 取得了一定的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益, 特別是美國、日本等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家已投入大量財力, 廣泛利用人工魚礁建成了許多誘集魚類、增殖漁業(yè)資源的漁場[1-2]。在中國, 雖然人工魚礁建設(shè)起步較晚, 但經(jīng)過了20多年的實(shí)踐和思考, 近年來對人工魚礁的作用及人工魚礁建設(shè)的重要性有了更進(jìn)一步的深刻認(rèn)識和體會, 走耕海牧漁的道路已成為當(dāng)前和今后相當(dāng)長的一個時期內(nèi)振興沿岸近海漁業(yè)的重點(diǎn)方向之一[2]。當(dāng)前, 中國漁業(yè)資源衰退和海洋環(huán)境污染等問題逐漸嚴(yán)峻, 而人工魚礁建設(shè)是一項(xiàng)改善和修復(fù)被破壞的海洋生態(tài)環(huán)境、恢復(fù)和保護(hù)海洋漁業(yè)資源的有力舉措之一。2010年, 三亞市編制了《三亞近海海洋牧場規(guī)劃》, 提出將于未來10年內(nèi)在近海建設(shè)8個“海洋牧場”, 旨在通過海洋牧場開展熱帶海洋生態(tài)觀光和海上垂釣等活動, 促進(jìn)三亞市海洋漁業(yè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。目前三亞已建設(shè)4個海洋牧場, 分別在蜈支洲、紅塘灣和三亞灣海域, 其中三亞灣海洋牧場剛起步, 已投放船礁, 現(xiàn)投放礁型比較單一, 需進(jìn)一步豐富投放礁型以發(fā)揮各類礁體的優(yōu)勢。

人工魚礁設(shè)計是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程, 應(yīng)考慮選址的合理性、礁體的耐久性及穩(wěn)定性等問題[3-4]。其中礁體的穩(wěn)定性直接影響礁體的功能和使用年限, 如果設(shè)計不合理, 將導(dǎo)致魚礁投放后發(fā)生滑移、翻滾、碰撞等, 造成經(jīng)濟(jì)損失, 甚至危及航道安全。因此, 對設(shè)計的礁體進(jìn)行穩(wěn)定性計算, 分析該礁體在投放后是否能夠保持結(jié)構(gòu)的有效性, 從而保證其生態(tài)穩(wěn)定性是相當(dāng)重要且必要的。作者響應(yīng)三亞發(fā)展規(guī)劃要求, 針對三亞灣海洋牧場的水深、波流特點(diǎn)、漁業(yè)資源狀況, 設(shè)計一種人工魚礁用以誘集魚類, 供魚類繁殖生長和提供避敵場所, 并且對該魚礁進(jìn)行穩(wěn)定性分析, 確保魚礁在波、流作用下保持穩(wěn)定, 不滑動, 不傾覆, 從而為三亞人工魚礁的建設(shè)及生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及理論研究。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域概況

三亞位于海南島的最南端, 屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候, 全年盛行東風(fēng)、東北風(fēng)和東北偏東風(fēng)。海域常為南向浪, 波浪主要集中在東南至西南向范圍內(nèi)。三亞灣口及西側(cè)開敞區(qū)域以往復(fù)性潮流為主, 潮流強(qiáng)度相對較大, 但最大流速均不超過0.8 m/s; 東側(cè)受鹿回頭岬角掩護(hù)的海域最大流速分別不大于0.4 m/s和0.6 m/s, 并表現(xiàn)出一定的旋轉(zhuǎn)流特征。從流速分布情況看, 計算區(qū)域表層流速最大, 隨著深度增加, 潮流流速逐漸減少, 落潮流速大于漲潮流速。三亞灣中西部海域海底表層以細(xì)砂為主, 海底平滑。投放人工魚礁區(qū)域水深在–17.5 ~ –25.7 m(1985國家高程基準(zhǔn)面)。三亞海域海洋水產(chǎn)資源十分豐富, 可作為增養(yǎng)殖對象的種類主要有53種, 其中重要海水魚類有27種, 包括: 軍曹魚()、卵形鯧鲹()、石斑魚(Epinephelus)、鯛()、尖吻鱸()、鱸魚()、鯔魚()、海馬(Hippocampus)等。該海域主要增殖對象為沿岸性、島礁性魚類。

作者計算水深取–25 m, 潮流流速取0.8 m/s, 以三亞外海–25 m水深處 25年一遇的強(qiáng)浪向波浪作為設(shè)計波要素, 根據(jù)相關(guān)波浪資料, 有效波高為8.45 m,周期為9.78 s, 波長為100 m。

1.2 礁體設(shè)計原則

魚礁的結(jié)構(gòu)設(shè)計取決于魚類的趨性。對于以魚礁作為棲息場所的魚類來說, 魚礁的空隙是非常重要的條件。魚礁礁體設(shè)計時通常要遵循以下基本原則[1]:

1.2.1 良好的透空性

礁體內(nèi)空隙的數(shù)量、大小和形狀將影響礁體周圍生物的種類和數(shù)量的多寡。應(yīng)盡量將礁體設(shè)計成多空洞、縫隙、隔壁、懸垂物結(jié)構(gòu), 使礁體結(jié)構(gòu)有很好的透空性。

1.2.2 增大礁體的表面積

礁體表面積的大小直接關(guān)系到礁體上附著生物的數(shù)量, 著生在礁體表面的海洋生物是魚類的重要餌料之一, 這對于高度較小的深水魚礁尤其重要, 在礁體的設(shè)計中應(yīng)盡量增大礁體的表面積。

1.2.3 良好的透水性

只有保證礁體內(nèi)有充分的水體交換, 才能使礁體的表面積得到有效利用, 確保礁體表面固著生物的養(yǎng)料供給。

1.3 穩(wěn)定性計算方法

1.3.1 流體力計算公式

1.3.2 滑動安全性計算公式

礁體在水中的穩(wěn)定性主要涉及滑動安全性和滾動安全性兩個方面。要求礁體不被水流沖擊而發(fā)生滑動, 此時需滿足礁體與海底間的靜摩擦力大于流體作用力。可得理想滑動安全系數(shù)的計算式如下:

1.3.3 滾動安全性計算公式

要求礁體不被水流沖至翻滾, 在理想狀態(tài)下(假設(shè)礁體未陷入泥沙)需滿足礁體的阻抗轉(zhuǎn)矩大于流體作用力對礁體產(chǎn)生的動轉(zhuǎn)矩。理想滾動安全系數(shù)的計算式如下:

2 結(jié)果與分析

2.1 礁體結(jié)構(gòu)

魚礁單體是用于建造魚礁場的單個構(gòu)造物, 是構(gòu)成單位魚礁的最基本的單元。魚礁單體形狀多種多樣, 大小和材質(zhì)也不同, 其構(gòu)造必須具備良好的流場效應(yīng)、生物效應(yīng), 能夠有效地增殖資源、誘集魚類的功能, 設(shè)計時雖沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn), 但需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、安全耐用、多空間與表面積、制造與投放方便等因素[1]。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

目前, 人工魚礁的常用礁型有箱形、框架形、三角形、梯形、異體形等, 作者在優(yōu)化選型時要考慮一些技術(shù)指標(biāo)要求[3]。如: 礁體表面積與礁體體積之比(即=礁體表面積/礁體體積), 在相同礁體體積情況下, 增大表面積, 則值(表示表面積比系數(shù))就增大。由于附著生物量增多, 所以對增殖類海洋生物魚礁有利; 礁體空方體積與礁體體積之比(=礁體空方體積/礁體體積), 在相同礁體體積情況下, 增大空方體積, 則值(表示空方比系數(shù))就增大, 由于有較大流態(tài)效應(yīng), 所以對誘集魚類型的魚礁有利; 礁體結(jié)構(gòu), 它涉及礁體大小和形狀, 對于有多種類型結(jié)構(gòu)的礁體來說, 會使礁體上多種生物受益。等等。

圖1 箱形魚礁結(jié)構(gòu)

相較于其他礁型, 箱形礁體的優(yōu)點(diǎn)是各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)相對均衡(表1), 尺寸較大, 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較大, 整個礁體可為魚類提供蔽護(hù)空間, 適宜多種魚類和底棲類, 可投放于較深海域, 不足之處為耗費(fèi)混凝土材料較多、制作相對復(fù)雜。

2.3 穩(wěn)定性分析

表1 箱形魚礁單體技術(shù)指標(biāo)表

表2 箱形魚礁穩(wěn)定性計算表

注: 表中0為利用Excel規(guī)劃求解工具求得的最大值,為相應(yīng)的值; 滑動S和滾動S均為理想安全系數(shù); 表中各字母的含義及單位見上文各公式

因此, 作者所設(shè)計箱形魚礁尺寸符合穩(wěn)定性要求, 即該礁體能夠滿足三亞灣海洋牧場海域的海況條件, 適宜投放, 不會發(fā)生漂移、傾覆等失穩(wěn)現(xiàn)象。

3 討論

作者設(shè)計的箱形魚礁清潔環(huán)保、堅固耐用; 體積大、符合島礁性魚類特性; 在側(cè)面及頂端開孔, 一方面可增加平臺面, 在空方體積一定的情況下減小礁體體積, 有效提高、, 形成更好的流態(tài)效應(yīng); 另一方面可促進(jìn)海水流通, 達(dá)到良好的透空性和充分的透水性, 有利于聚集魚類, 為海洋生物創(chuàng)造良好的棲息地。根據(jù)投放海域的不同水文特點(diǎn), 可靈活增大或減小側(cè)面及頂端開孔的尺寸, 在保證穩(wěn)定性的同時, 空方體積不會被削減, 礁體性能比較穩(wěn)定, 有利于推廣使用及成本控制。

相對于已投放于江蘇連云港海州灣的十字型魚礁, 在波流共同作用下的最大受力為2 940 N, 其滑動安全系數(shù)為1.58, 滾動安全系數(shù)為1.63[7]; 投放于浙江臺州大陳海域的鋼制四方臺型魚礁, 最大受力為24 559 N, 滑動安全系數(shù)平均值為1.44, 滾動安全系數(shù)平均值為2.23[8]; 投放于浙江嵊泗海域的回字型魚礁, 最大受力為43 178 N, 滑動安全系數(shù)為1.78, 滾動安全系數(shù)為2.36[9]; 箱形礁體在波流共同作用下, 最大受力為27 422 N, 滑動安全系數(shù)為1.55, 滾動安全系數(shù)為2.49(表3)。通過比較, 箱形礁體的抗滑移性能基本與前3種魚礁持平, 而抗傾覆性能高于前3種魚礁, 在穩(wěn)定性方面有了一定提高。

影響礁體抗滑移性能的主要因素是其迎流面積, 影響礁體抗傾覆性能的主要因素是其自重, 箱形魚礁的穩(wěn)定性能較好的原因就在于其迎流面積和自重比較均衡。與回字形魚礁相比, 在空方體積相等、穩(wěn)定性能持平的情況下, 體重較輕, 混凝土用料較少, 因此更加經(jīng)濟(jì)。

在對礁體進(jìn)行抗滑移驗(yàn)算時, 采用的是理想安全系數(shù)計算式, 沒有考慮礁體的沉陷, 雖然礁體的沉陷通常會增加礁體的穩(wěn)定性, 但是如果沉陷深度過大, 礁體將被大部分掩埋, 從而喪失魚礁應(yīng)有的作用[7-10], 因此有必要在魚礁投放后觀測礁體的沉陷深度, 研究該礁型的沉陷現(xiàn)象。

表3 與其他投入應(yīng)用魚礁性能比較

4 結(jié)論

箱形魚礁體積大、穩(wěn)定性較好, 更趨于為魚類提供避敵棲息的場所, 箱體礁體對投放海域環(huán)境具有廣泛的適應(yīng)性, 目前大量應(yīng)用于中國沿海的許多魚礁工程。

作者對箱形礁體進(jìn)行了流體力、抗滑移及抗傾覆計算, 結(jié)果表明, 箱形魚礁礁體能夠滿足投放海域的海況條件, 適宜在該海區(qū)投放。

對礁體進(jìn)行抗滑移驗(yàn)算時, 沒有考慮礁體的沉陷, 有必要在今后工作中加以觀測、研究, 為海南省今后的人工魚礁建設(shè)提供參考。

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(本文編輯: 譚雪靜)

Structure design and stability analysis of the artificial reef in marine ranching of Sanya Bay

CHEN Xiao-yan, XIE Lin, WANG Fa-yun

(Hainan Academy of Ocean and Fisheries Sciences, Haikou 570125, China)

For the marine ranching of Hainan Sanya Bay, a box-style reef for gathering fish has been designed, based on the states of the sea area and fishery resources. In this paper, we calculate the stability of the reef based on the hydrodynamics of the waves and currents. We determined the maximum force to be 27 422 N and the anti-slide and anti-rolling coefficients to be 1.55 and 2.49, respectively. When the water depth reaches 25 m, the wave height reaches 8.45 m and the velocity of flow reaches 0.8 m/s. These calculation results indicate the effective stability of the reef, which will not slide or roll in this sea area.

artificial reef; box style; stability

Apr. 19, 2017

S953.1

A

1000-3096(2017)10-0019-05

10.11759//hykx 20170419003

2017-04-19;

2017-05-12

海南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20154175)

[Provincial Natural Science Foundation of Hainan, No. 20154175]

陳小艷(1989-), 女, 海南省萬寧人, 助理工程師, 學(xué)士, 主要從事海洋工程規(guī)劃與設(shè)計研究, 電話: 0898-66702361, E-mail: 451889226@qq.com; 王發(fā)云,通信作者, 電話: 0898-66702361, E-mail: 95309728@qq.com