一種浮性人工魚礁的理論設計

張志偉 齊遵利 張云嶺 趙廣拓 申亮

摘?要：目前我國人工魚礁場等建設大多是投放底層魚礁來改變海底地質(zhì)地貌，并未利用整個水層。從這一角度出發(fā)，設計了浮性人工魚礁，并介紹了浮性人工魚礁礁體材料選擇以及制作過程和制作細節(jié)，對浮性人工魚礁的礁體和錨繩的基本受力情況進行簡單分析，并闡述了浮性人工魚礁的不足以及需要改進或有待研究的地方。

關鍵詞：浮性人工魚礁，受力分析，制作技術

目前人工魚礁的建設方式有很多，從各種水泥構(gòu)件礁到天然巖石塊礁等等，主要是改變海底地貌從而改變海流，形成上升流把營養(yǎng)鹽重新帶入水體中形成餌料場和產(chǎn)卵場。人工魚礁可以起到聚集魚群和增殖、修復改善近海生態(tài)環(huán)境并帶動第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展等多方面的重要作用。在增殖藻類上卻需要投放大量礁石以達到藻類需要生長的水層，礁體投放量巨大，而且為之付出的成本也很大，但有效空間利用率不高，也不能充分利用整個水體空間，在效能發(fā)揮方面得不到最佳效果。

1?浮性人工魚礁

浮魚礁根據(jù)其設置的水層位置分為中層浮性人工魚礁和表層浮性人工魚礁，顧名思義中層浮性人工魚礁是利用浮性人工魚礁礁體剩余浮力用錨繩和錨連接來固定礁體位置，表層浮性人工魚礁則是用錨繩和錨連接固定礁體位置，一般浮于水面[1]。日本在浮性人工魚礁發(fā)展應用方面處于世界領先地位，如日本的AK型中層浮魚礁、AK型表層浮魚礁和應用于大水深海域的AZ型浮魚礁，其他國家對浮性人工魚礁研究比較少，以前我國對浮性人工魚礁的研究也相對較少，在80年代與日本合作投放懸浮式人工魚礁[2]，浙江海洋學院水產(chǎn)學院余求妹，馬家志[3]等對浮繩式人工魚礁進行探討，主要在設計優(yōu)勢和問題等方面進行闡述，在我國南部沿海地區(qū)浮繩式網(wǎng)箱人工魚礁使用較多，尤以浙江省使用最多，一般設置在海流以及風浪較大的外海海域，王江濤[4]對柔性浮魚礁水動力特性進行設計和分析。

2?浮性人工魚礁設計

2.1?設計原理

本設計旨在提供一種浮性人工魚礁，其自身有一定浮力，使用重物固定礁體位置，可漂浮在中上水層的浮性魚礁。具有制作簡單，成本低等特點，如圖1。

2.1.1?設計思路?浮性魚礁是以HDPE管材構(gòu)成的長方體框架為基礎;此框架密度較低主要起到漂浮作用，構(gòu)成的長方體框架內(nèi)裝有一定重量的沙子于HDPE管內(nèi)部以降低框架重心，使其在水中姿態(tài)相對比較穩(wěn)定;麻繩網(wǎng)（或根據(jù)投放和制作需要可選用其他材料，如鐵板沖孔網(wǎng)）作為附著基，用麻繩網(wǎng)將表面覆蓋，麻繩網(wǎng)孔徑可根據(jù)投礁需要自行選擇安裝。

2.1.2?制作技術?為了進一步使其結(jié)構(gòu)更加完整，其技術措施還包括：頂部可用繩索連接漂浮指示物或其他漂浮物框架，底部用繩索連接重物起到牽引固定作用，也可換做混凝土構(gòu)件礁當做牽引物使其固定在某一區(qū)域漂浮，采用混凝土構(gòu)件礁還能夠有效利用立體空間;若底部使用混凝土構(gòu)件進行牽引，還可作為牡蠣等其他生物的附著基。

制作浮性人工魚礁礁體時，使用熱熔機對HDPE管進行熱熔焊接連接，HDPE管直徑為110 mm，也可根據(jù)生產(chǎn)所需自行選擇不同直徑的管材，接頭使用虹吸球型四通連接，多余的口使用管帽密封，使用HDPE管件進行組裝，具有組裝方便、制作簡單的特點，最初設計浮性人工魚礁長、寬、高為1 m×1 m×1.5 m，使用麻繩網(wǎng)片對六個面進行包裹，藻類等生物附著于麻繩上，四周通透，也可成為幼魚的避難所和覓食場所。

浮漂可作為標識物，同時也可以提供一些浮力，也可根據(jù)實際情況直接固定在礁體上。使用PE管組裝成長方體形礁體，每根HDPE管之間用虹吸球形四通連接，若可以大量生產(chǎn)也可與生產(chǎn)商協(xié)商定做需要的管件。在組裝浮魚礁時還需向HDPE管內(nèi)裝一定量的沙子或其他物質(zhì)來進行配重，使其在水中姿態(tài)相對比較穩(wěn)定。六個面用麻繩網(wǎng)進行包圍作為附著基，也可使用鐵板沖孔網(wǎng)或其他材質(zhì)網(wǎng)片作為附著基，浮魚礁通過錨繩連接錨，錨繩長度根據(jù)水深進行設定，錨的重量根據(jù)浮性人工魚礁的浮力進行確定，通過錨來限制浮礁活動范圍，從而固定浮礁的位置。

2.2?浮性人工魚礁水中受力分析

2.2.1?浮性人工魚礁受的浮力?由于制作浮性人工魚礁的框架結(jié)構(gòu)是由HDPE管組裝而成，HDPE管本身密度在0.940 g/cm3以上，所以HDPE管本身也會有一定浮力，組裝成浮性人工魚礁礁體框架后，HDPE管內(nèi)為中空且密封，所以浮性人工魚礁的浮力大于其所受到的重力?？筛鶕?jù)浮力公式進行計算：

F浮=ρ液gV排

F浮為浮性人工魚礁在海水中所受到的浮力（N），ρ液為海水的密度，重力與質(zhì)量的比值g=9.8 N/kg，若要粗略估算可取10 N/kg，V排是浮性人工魚礁在海水中的排水量，也就是浮性人工魚礁的體積?？筛鶕?jù)需要的規(guī)格計算浮力大小，根據(jù)所計算的向HDPE管內(nèi)加灌相應量的沙子或其他進行配重。

后期會有一定量的生物附著，其對浮性人工魚礁浮力變化的影響還需要后期根據(jù)附著量和種類進一步研究。

2.2.2?部分水流對浮性人工魚礁的作用力

水流對浮性人工魚礁作用力計算公式[4]：

式中，F(xiàn)W為浮性人工魚礁礁體受到水流的阻力（KN），γ0為海水的重力密度10 250 N/m3，重力與質(zhì)量的比值g=9.8 N/kg，CD為阻力系數(shù)1，AW為礁體水平投影面積，根據(jù)此礁體設計尺寸面積為1.5 m2，Vm為海水最大流速，把已知數(shù)值代入公式即可算出浮性人工魚礁所受到的水流阻力。

2.2.3?錨繩所受到的水流阻力

錨繩所受到水流的阻力的計算公式為[4]：

式中，F(xiàn)K為錨繩受到水流的阻力，γ0為海水的重力密度10 250 N/m3，重力與質(zhì)量的比值g=9.8 N/kg， CD為阻力系數(shù)1，AK為錨繩投影后的面積，Vm為海水最大流速，可根據(jù)選擇不同錨繩規(guī)格進行計算，將已知的數(shù)值代入公式中即可算出錨繩所受到水流阻力的值。

3?浮性人工魚礁的不足及改進

3.1?浮性人工魚礁連接方式

浮性人工魚礁受海流、風浪等作用力的影響較大，這些復雜的海洋環(huán)境因子作用在浮性人工魚礁上，對整個礁體以及礁體與錨繩的連接點承受能力是一種考驗。馬家志等[5]在對浮繩式網(wǎng)箱框架在水槽中進行模擬試驗中，研究結(jié)果表明波流對網(wǎng)箱框架的共同作用下的水動力值并不是由單獨的純流和純波的動力值相加這么簡單，而且還存在一個修正項。

在海區(qū)的動力環(huán)境中比模擬試驗的環(huán)境更加復雜，當有牡蠣、藤壺等生物附著并形成一定數(shù)量時，在海流等作用力作用在浮性人工魚礁和錨繩時，導致浮性人工魚礁表面的網(wǎng)片和錨繩的變形和摩擦，這些生物對礁體和錨繩所形成的一種磨損也應考慮到，尤其是浮性人工魚礁礁體和錨繩的連接點的磨損。在選擇礁體與錨繩的連接方式時應考慮到這些問題，盡可能選擇耐磨牢固的連接方式，在材料或機械結(jié)構(gòu)等方面進行改進。

3.2?浮性人工魚礁外觀及布局設置

浮性人工魚礁的外觀設計，在設計外觀時不僅要考慮到礁體的實施難度和集魚效果，還應考慮礁體在正常海區(qū)的穩(wěn)定性，在風浪作用下整個礁體以及覆蓋網(wǎng)片的變形程度。此外，有研究表明人工魚礁附著的種類和數(shù)量與魚礁表面積和顏色有著明顯的差異[6]，在外觀設計上盡可能增大表面積，多應用幾種覆蓋在浮性人工魚礁表面的材料進行研究，進一步研究顏色對附著生物種類數(shù)量的影響。

3.3?浮性人工魚礁功能性

人工魚礁的生態(tài)效益，主要有兩個方面：一方面是改變礁體周圍水流狀態(tài)，帶來上升流和背渦流，將底泥中的營養(yǎng)鹽重新帶入水體，為浮游生物提供營養(yǎng)，同時為附著生物提供附著基;另一方面是為魚類等生物提供避難所和產(chǎn)卵場，同時背渦流等條件為魚類等提供休憩的場所。在浮性人工魚礁和人工魚礁進行組合投放時應考慮浮性人工魚礁的總體布局，盡可能將浮性人工魚礁的功能性發(fā)揮最大的同時又對其他礁體和海上交通等情況的影響降到最小。

參考文獻：

[1] 劉惠飛.日本人工魚礁研究開發(fā)的最新動向[J].漁業(yè)現(xiàn)代化，2002（1）：25-27.

[2] 張麗珍，王江濤，胡慶松，等.近海中上層柔性浮魚礁設計與應用[J].上海海洋大學學報，2016，25（04）：613-619.

[3] 余求妹，馬家志，安玉，等.浮繩式網(wǎng)箱人工浮魚礁的設計優(yōu)勢及問題的探討[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2013，41（19）：8194-8195+8217.

[4] 劉惠飛.日本人工魚礁研究開發(fā)的最新動向[J].漁業(yè)現(xiàn)代化，2002（1）：25-27.

[5] 馬家志.浮繩式網(wǎng)箱的波浪水動力學水槽試驗研究[D].舟山：浙江海洋學院，2010.

[6] 王磊，黃洪亮，唐衍力.關于人工魚礁的基本設計與管理問題的探討[J].現(xiàn)代漁業(yè)信息，2008，23（4）：19.