關于海洋地質調查技術在海洋牧場人工魚礁選址中應用的初步研究

文/劉崇煥 劉永虎

人工魚礁是人工制造并投放至海底，用于修復和優(yōu)化水域生態(tài)環(huán)境的構造物，其建設成本高、技術手段復雜、工程體量大，且沒有返工機會，因此，人工魚礁投放前的選址及設計工作尤為重要。本文主要剖析了海洋地質調查技術在人工魚礁選址工程中的應用，包括海域功能區(qū)劃復合性分析、海域環(huán)境分析、地質條件分析、水動力分析等多個工作內容，并做出客觀結論與未來展望。

一、海洋地質勘查技術發(fā)展現(xiàn)狀

海洋地質調查內容主要包括海底地形地貌、海底底質、海底淺層地質結構、海底礦產資源評價等。對海洋及海底調查的技術分為海洋地質調查、海洋地球物理調查、海洋地球化學、海洋水文調查等幾方面。海洋地質調查技術主要包括地質取樣（柱狀和表層）和地質鉆探；海洋地球物理調查技術主要包括水深測量、淺地層地質測量、側掃聲納測量、地震測量以及重力和磁力測量等。近年來海洋工程發(fā)展迅速，沉積物物理及力學性質研究的重要性逐漸凸顯，因此，能詳細了解海底沉積物相關特性的海洋原位測試在海洋地質調查中的使用越來越普遍。

目前，我國人工魚礁選址研究正處于發(fā)展階段，眾多專家學者對人工魚礁選址研究都提出了自己的看法。

李文濤與張秀梅在《關于人工魚礁礁址選擇的探討》中指出中國海洋功能區(qū)劃、海底底質、水深、風浪、水流及其他環(huán)境因素是人工魚礁選址的主要影響因素、應對海域進行底質調查和水動力環(huán)境調查。

許強、劉舜斌、許敏等在 《海洋牧場選址問題的研究——以舟山市為例》中綜合考慮海洋功能區(qū)劃、海洋水質環(huán)境、水深、流場和底質分布、初級生產力水平以及海洋牧場建設基礎等因素，最終確定舟山人工魚礁投放的海域。由于目前底質相關分析趨于理論化，尚未進行標準的海洋牧場地質調查，無法驗證其可行性和真實性。

王偉定、徐漢祥、潘國良等在《浙江沿岸休閑生態(tài)型人工魚礁初選點底質類型分析及承載力的計算方法》中提出進行海底底質類型分析，并利用TERZAGHI和VESIC公式確定承載力條件，為礁體設計提供依據(jù)。

人工魚礁投放在不同底質的海底時具有不同的狀態(tài)，投放在底質松軟的海底會下陷，無法發(fā)揮作用。在松散的砂質海底會被海流沖擊導致傾覆或被海底泥沙掩埋。當前研究地質條件對于人工魚礁選址影響的文獻中，大多以底質類型為主要研究內容，而關于海域地質結構和海底承載力對人工魚礁選址及沉降影響分析等相關研究較少。但是底質相關分析趨于理論化，尚未進行標準的海洋牧場地質調查和方法驗證，無法確定其真實性和是否可行。因此，基于海洋地質條件進行人工魚礁選址應為人工魚礁建設技術今后的主要研究方向。

二、海洋地質調查方法在人工魚礁選址中的應用

海洋地質調查技術應以適用性為第一要素，其次考慮操作難度和經濟投入。依據(jù)以上原則，將海洋地質調查方法進行綜合考量，總結出以下適用于海洋牧場人工魚礁建設選址的地質調查方法。

（一）海底地形地貌測量

海底地形地貌調查主要采用多波束測深系統(tǒng)。通過接受聲波的反射信號探測獲取海底地形地貌數(shù)據(jù)，通過對調查數(shù)據(jù)的分析處理，解析海底地形特征及變化規(guī)律。

多波束測深系統(tǒng)既可進行大范圍水深測量，也可得到精確的海底三維地形，在功能上可代替單波束測深和側掃聲納掃海測量。由于多波束的多功能性，現(xiàn)已在大洋科學調查、海洋工程地質調查等多個研究領域得到廣泛應用，被越來越多專家學者認可。

（二）海底淺地層剖面測量

淺地層剖面測量主要使用淺地層剖面儀，原理是利用聲波等穿過不同的地層時界面反射特性的不同來反映沉積物地質屬性，能夠清晰有效地了解海底淺地層結構、判斷持力層厚度、沉積環(huán)境和潛在地質災害等。

此外，由于側掃聲納是通過接受聲波反射和散射信號，獲取海底地貌和底質概況等信息，因此，基于此原理，利用側掃聲納根據(jù)不同底質產生的不同強度的信號反射，通過“譜分析法”等方法分析回波信號，并根據(jù)反射回波的強弱可以快速對底質類型和邊界進行分類。將側掃聲吶與淺地層剖面儀相結合，同時對海底表面沉積進行探測，可精確有效進行底質分類。

（三）海洋底質調查

在人工魚礁建設中，人工魚礁的持力層絕大部分為海底表面沉積層。傳統(tǒng)的鉆探方法采集深度較深，遠遠超過采集標準，且相對操作難度較大、調查成本較高、調查效率較低，因此海洋牧場底質調查可采用重力柱狀取樣器采取柱狀樣品或使用箱式取樣器進行表層取樣。對樣品進行現(xiàn)場描述、物理性質分析及力學性質測試（主要包括含水率、密度、壓縮性和抗剪強度等），通過公式計算或查表等方法確定海底表層沉積物的承載力，特殊情況下才考慮使用鉆探方法。

（四）原位測試

由于海洋環(huán)境的特殊性，目前靜力觸探試驗是世界范圍內應用最為廣泛且技術最為先進的一種海洋土體原位測試方法。靜力觸探試驗根據(jù)探頭貫入所測定的孔隙水壓力、錐尖阻力和側壁摩擦力的大小和方向，可現(xiàn)場計算求得海底土層物理學及力學相關參數(shù)指標。由于靜力觸探法相對于底質取樣而言對海底土體的擾動較小，因此相關數(shù)據(jù)更為接近海底自然狀態(tài)。除靜力觸探，動力觸探也為較多研究學者和從業(yè)人員所應用。動力觸探相對于靜力觸探優(yōu)點是貫入時無需外界動力，適用范圍相對廣泛?，F(xiàn)階段由于動力觸探技術尚未完全成熟，動力觸探尚無明確的測量標準且測量結果相對誤差較大。

由于不同測試的復雜程度、所需設備及操作標準均不同，因此應根據(jù)項目實際情況，考慮是否進行原位測試，并從優(yōu)選擇原位測試方案，保證人工魚礁項目選址的經濟適用性。

（五）選址分析方法及過程

首先根據(jù)地形地貌測量結果，選取水深適宜、地形平坦的區(qū)域作為人工魚礁建設預選區(qū)進行標注。

然后利用淺地層剖面資料分析地質結構，配合側掃聲納圖像和底質樣品，繪制底質類型分布圖。明確海底底質類型分布情況后，為了避免魚礁投放后由于底質太軟而沉入海底，選取表層有泥沙的硬質底質、且表面泥沙深度較小的海底進行標注。

之后根據(jù)沉積物物理學特性及力學特性測試結果與靜力觸探數(shù)據(jù)，計算海底表層沉積物承載力數(shù)值，確定單位面積能夠承載的魚礁重量，選擇承載力能力較強的區(qū)域進行標注。

綜合以上結果，將各調查方法確定標注的區(qū)塊進行疊加分區(qū)，最終確定人工魚礁投放的最適宜區(qū)域，并對人工魚礁規(guī)模及布局進行規(guī)劃設計。

三、勘察方法應用實例

大連市現(xiàn)代海洋牧場研究院利用上述選址方法在河北省某地區(qū)進行了人工魚礁選址工作。利用現(xiàn)代地質勘察技術，對海域海底進行了淺剖測量、側掃聲納測量及沉積物柱狀樣品分析，最終，根據(jù)底質類型分布、表層淤泥厚度和海底表面承載力，確定了人工魚礁投放區(qū)域。

（一）探索及選取過程

1.海底地形地貌調查

項目組采用美國Edgetech公司4125（600/1600kHz）高頻側掃聲納系統(tǒng)勘測發(fā)現(xiàn)海域海底地形平坦，無明顯沙波或沙丘等地形地貌特征（如圖1），因此，該海域的海流作用未對海域底質條件產生明顯影響，該海域投放人工魚礁后不會產生人工魚礁滑移、傾覆等現(xiàn)象。

2.海底淺層結構探測

利用法國SIG公司產pulse M2電火花單道地震進行淺地層結構探測，工作時陽極1000J能量進行放電，探測淺地層結構（如圖2）。

（1）調查區(qū)淺部地層分布均勻，平面空間變化較小，地質結構穩(wěn)定，無不良地質特征。

（2）表層地層為全新世近海沉積(U1)，次表層地層為末次冰消期海侵沉積地層（U2），內部可見弱的水平層理，偶見斜層理。

（3）根據(jù)海域淺地層結構推測，該海域地質結構穩(wěn)定，無潛在地質災害和不良地質作用，以此判斷該海域適宜進行人工魚礁建設。

表1 沉積物分析成果表

3.海底底質調查

項目組采用重力柱狀取樣器采集12個站位表層沉積物柱狀樣品，樣品長度1m～1.5m，并進行物理力學特性測試和粒度分析（土工試驗成果表如表1所示），最終發(fā)現(xiàn)海域海底底質類型主要為粉土、粉質粘土和淤泥質粉質粘土。

根據(jù)承載力，選擇承載力數(shù)值較高的點位選取擬投放區(qū)域。由于項目海域擬投放花崗巖石塊礁，因此在設計時僅需保證在投放點投放的礁體對海底面的壓強不超過地基承載力即可。

（二）人工魚礁投放效果驗證

人工魚礁建設結束后，對人工魚礁投放狀態(tài)進行側掃聲納掃測，發(fā)現(xiàn)人工魚礁并無明顯下陷，周圍地形依然保持平整。證明經過地質調查得到的選址結論正確如圖3所示。

四、結論與展望

海洋牧場人工魚礁選址，應充分利用現(xiàn)代地質勘察技術，綜合淺剖、側掃等聲學資料、原位測試數(shù)據(jù)和沉積物性質，對淺部地層的地質條件進行綜合分析，做到全方面了解海底地質條件，再確認選址、布局和對海洋牧場進行規(guī)劃設計。選址技術組成如圖4所示。

研究發(fā)現(xiàn)，人工魚礁沉降嚴重影響海洋牧場建設效果，但目前地質條件分析結果尚未與其他因素相結合，不能模擬分析人工魚礁沉降情況，準確進行人工魚礁規(guī)劃設計。未來應將地質條件與水動力等條件結合分析，模擬人工魚礁的沉降現(xiàn)象，從而做到人工漁礁投放能更加科學的選址、選型及布局。