渤海遼東灣典型人工魚(yú)礁區(qū)域水沙動(dòng)力特征與格局優(yōu)化探討

舒安平，秦際平，2，孫 濤，楊 薇，王夢(mèng)瑤，朱家品

（1.北京師范大學(xué) 環(huán)境學(xué)院 水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 水環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2.云南省環(huán)境科學(xué)研究院 環(huán)境規(guī)劃研究中心，云南 昆明 650034；3.北京市水資源調(diào)度中心，北京 100038）

1 研究背景

近年來(lái)，由于受生境退化、近海環(huán)境污染、對(duì)魚(yú)類(lèi)資源的過(guò)度捕撈和全球氣候變化等因素的影響，全球海洋漁業(yè)資源明顯衰減［1-4］。人工魚(yú)礁是人為建造或放置在海底的水下結(jié)構(gòu)物，被認(rèn)為是減輕人類(lèi)活動(dòng)對(duì)沿海生態(tài)系統(tǒng)的影響，提高漁業(yè)產(chǎn)量的有效措施，并因此而蓬勃發(fā)展［5-6］。人工魚(yú)礁投放到海域后，由于其阻礙作用，海水來(lái)流會(huì)向上抬升形成上升流，部分海水會(huì)穿過(guò)礁體產(chǎn)生渦流和沉積流等［7］。上升流的存在能促進(jìn)上下層海水交換，增加底表層營(yíng)養(yǎng)鹽輸運(yùn)，增強(qiáng)餌料效應(yīng)，對(duì)魚(yú)類(lèi)有較為明顯的吸引力［8-9］；在礁體背面存在速度較小且平緩穩(wěn)定的渦流區(qū)，有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的沉積，為魚(yú)類(lèi)等生物提供棲息、避敵和索餌的場(chǎng)所，有較為明顯的集魚(yú)效應(yīng)［10-11］。這種流場(chǎng)效應(yīng)被認(rèn)為是影響海洋環(huán)境的主要機(jī)制之一。

目前，針對(duì)人工魚(yú)礁水動(dòng)力學(xué)特性研究，前人常用的方法主要有數(shù)值模擬仿真計(jì)算［12-13］和水槽［14-15］或風(fēng)洞［16-17］模型實(shí)驗(yàn)，也有部分學(xué)者應(yīng)用了粒子圖像測(cè)速技術(shù)［18-19］。分析研究布設(shè)間距對(duì)人工魚(yú)礁流場(chǎng)效應(yīng)的影響。崔勇等［20］采用數(shù)值模擬方法探究了布設(shè)間距對(duì)方形組合礁體流場(chǎng)效應(yīng)的影響，結(jié)果表明兩組礁體之間的最佳布設(shè)間距應(yīng)為礁體尺寸的1 ～ 1.5 倍。王佳浩等［21］采用CFD 技術(shù)，研究了不同布設(shè)間距下多孔方型人工魚(yú)礁周?chē)鬟\(yùn)動(dòng)的規(guī)律，結(jié)果表明布設(shè)間距對(duì)2 個(gè)魚(yú)礁單體間的旋渦數(shù)量、旋渦方向、渦量大小和渦量分布范圍均有影響。于定勇等［22］通過(guò)室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬技術(shù)，研究了空心梯形臺(tái)人工魚(yú)礁體布設(shè)間距對(duì)水動(dòng)力特性的影響，發(fā)現(xiàn)雙礁體的上升流規(guī)模、阻力系數(shù)均與垂直水流方向布設(shè)間距成反比，上升流規(guī)模隨平行水流方向布設(shè)間距成正比。關(guān)長(zhǎng)濤等［23］采用RNGk-ε湍流模型和SIMPLEC 數(shù)值模擬方法，分析了布設(shè)間距對(duì)三圓管型人工魚(yú)礁流場(chǎng)效應(yīng)的影響，研究顯示橫向組合時(shí)布設(shè)間距等于礁體尺寸時(shí)獲得的上升流和背渦流的規(guī)模和強(qiáng)度最大；縱向組合方式時(shí)布設(shè)間距為礁體尺寸的1.5 ～ 2.0 倍時(shí)流場(chǎng)效應(yīng)最佳。劉洪生等［17］通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究了正方體、金字塔及三棱柱人工魚(yú)礁體在4 種縱向布設(shè)間距條件下的水流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)礁體布設(shè)間距為1 ～ 1.5 倍礁長(zhǎng)時(shí)，流場(chǎng)效應(yīng)差異顯著。綜上分析可見(jiàn)，目前前人對(duì)人工魚(yú)礁布設(shè)間距的研究大多集中在兩單體礁之間，除了許聯(lián)鋒等［24］近年對(duì)渤海灣M 型人工魚(yú)礁區(qū)域流場(chǎng)分布特征及海床泥沙起動(dòng)特征進(jìn)行過(guò)分析以外，對(duì)于單位魚(yú)礁群等較大尺度下的布設(shè)間距的研究則比較少見(jiàn)，特別是缺乏方形魚(yú)礁群水動(dòng)力學(xué)特性研究。同時(shí)，對(duì)不同人工魚(yú)礁流場(chǎng)效應(yīng)優(yōu)劣的比較多停留在根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)描述，缺乏經(jīng)過(guò)一定方法進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)后得出優(yōu)劣程度的結(jié)論。

為此，本研究應(yīng)用粒子圖像測(cè)速技術(shù)（Particle Image Velocimetry，PIV），通過(guò)水槽模擬實(shí)驗(yàn)，探討布設(shè)間距對(duì)方形生態(tài)礁單位礁流場(chǎng)及紊動(dòng)效應(yīng)的影響，采用熵值法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)，以期為單位魚(yú)礁內(nèi)間距的選取和魚(yú)礁的合理布局提供參考。

2 水槽模擬實(shí)驗(yàn)概況

本實(shí)驗(yàn)在北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的多功能循環(huán)水槽中進(jìn)行。以遼東灣人工魚(yú)礁建設(shè)區(qū)為背景，基于擬投放的典型人工魚(yú)礁單位礁原型進(jìn)行合理比尺縮放，采用PIV 技術(shù)進(jìn)行人工魚(yú)礁水槽模擬實(shí)驗(yàn)，探討方形多功能復(fù)合型生態(tài)礁（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為方形生態(tài)礁）在不同流速條件下及不同單位魚(yú)礁內(nèi)間距的水動(dòng)力學(xué)特性，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行格局優(yōu)化。

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置多功能水槽及PIV 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。多功能水槽底部和側(cè)面均為透明玻璃，水槽長(zhǎng)25 m，寬0.8 m，高0.8 m；實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)4 m，寬0.8 m。水循環(huán)系統(tǒng)由地下水庫(kù)、水泵、蝶閥、蓄水池、水槽、尾門(mén)、尾水庫(kù)、回水渠等組成，實(shí)驗(yàn)水流條件由流量控制系統(tǒng)控制。流量控制系統(tǒng)由綜合控制箱、變頻器、水泵、電磁流量計(jì)、計(jì)算機(jī)、串口卡和信號(hào)數(shù)據(jù)采集卡等組成，可以實(shí)時(shí)地采集并調(diào)整流量信息、水位信息以及尾門(mén)信息等。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整電磁流量計(jì)和變頻器控制實(shí)驗(yàn)流量大小，同時(shí)結(jié)合調(diào)節(jié)尾門(mén)開(kāi)度，以保持水深恒定，從而達(dá)到各實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)條件。

圖1 多功能水槽及PIV 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PIV 是一種基于流場(chǎng)圖像互相關(guān)分析的非接觸式二維流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，能在不干擾流場(chǎng)的情況下測(cè)量瞬時(shí)流速場(chǎng)，是研究湍流等復(fù)雜形態(tài)瞬態(tài)流動(dòng)的有力手段［25-26］。本實(shí)驗(yàn)使用的PIV 系統(tǒng)由Dantec Dynamic 公司生產(chǎn)，其硬件系統(tǒng)主要包括戴爾計(jì)算機(jī)、激光發(fā)射器、同步器和高速數(shù)碼相機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為CCD 相機(jī)），工作軟件為該公司出品的Dynamic Studio 軟件，通過(guò)這一款軟件控制激光的發(fā)射、圖像的捕捉以及進(jìn)行后續(xù)流場(chǎng)數(shù)據(jù)的處理。本實(shí)驗(yàn)采用的示蹤粒子為水體中存在的雜質(zhì)粒子，已經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試確定其可以滿足流場(chǎng)測(cè)量的需要。

2.2 實(shí)驗(yàn)材料本實(shí)驗(yàn)以遼東灣擬投放的方形生態(tài)礁單位魚(yú)礁為原型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（如圖2所示）。方形生態(tài)礁單體礁原型尺寸為長(zhǎng)3.5 m，寬3.5 m，高1.5 m ，單位魚(yú)礁為五點(diǎn)對(duì)稱(chēng)式排布，四個(gè)頂點(diǎn)和中心各投3 個(gè)單體礁，單體礁之間間距為1 倍礁長(zhǎng)3.5 m，呈品字形排列，15 個(gè)單體礁構(gòu)成邊長(zhǎng)為50 m 的正方形單位礁，四個(gè)頂點(diǎn)上的魚(yú)礁組與中心魚(yú)礁組的間距約為19.50 m。魚(yú)礁模型按照幾何比尺50∶1 進(jìn)行設(shè)計(jì)，制作材料為有機(jī)玻璃，則單體礁模型尺寸為長(zhǎng)0.07 m，寬0.07 m，高0.03 m。由于水槽寬度限制，不能按完整的單位礁規(guī)格進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此選擇單位礁原型排布中沿水流方向的三個(gè)魚(yú)礁組為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)驗(yàn)時(shí)單位礁群由9 個(gè)單體礁構(gòu)成，每組均為呈品字形排列的3 個(gè)單體礁，單體礁之間間距為1 倍礁長(zhǎng)70 mm，魚(yú)礁組的間距約為390 mm，記為L(zhǎng)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行縮小和擴(kuò)大。

圖2 方形生態(tài)礁單位礁原型及單體礁原型示意

表1 實(shí)驗(yàn)工況

圖3 單位礁構(gòu)成及不同單位礁內(nèi)間距的魚(yú)礁擺放示意

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟前期準(zhǔn)備：調(diào)試PIV 系統(tǒng)，確定拍攝畫(huà)面。按要求連接好電腦、激光和相機(jī)間的各個(gè)連接線。將激光放置于水槽底部正下方中央，使其從水槽底部打向水槽縱向中軸面，將CCD 相機(jī)架設(shè)于水槽側(cè)面，鏡頭與片光面垂直。將帶刻度的標(biāo)定板放在中軸面上，調(diào)整相機(jī)參數(shù)拍攝一張清晰的標(biāo)定圖片。圖4 為實(shí)驗(yàn)部分場(chǎng)景照片。

圖4 水槽模擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)階段：（1）使用透明雙面膠將所有魚(yú)礁模型按照不同的工況固定至水槽底部玻璃板上，使單位礁縱向中軸線與水槽中軸線重合。（2）將ADV 流速儀設(shè)置在魚(yú)礁的上游1 ～ 2 m 處位置，用以確定來(lái)流速度。（3）啟動(dòng)計(jì)算機(jī)軟件，打開(kāi)相機(jī)等設(shè)備，預(yù)熱激光。

正式實(shí)驗(yàn)階段：（1）打開(kāi)水槽流量控制循環(huán)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)流量至設(shè)計(jì)值，調(diào)整尾門(mén)角度使水位到達(dá)30 cm。（2）待ADV 流速儀測(cè)量結(jié)果與設(shè)計(jì)流速相近時(shí)，打開(kāi)激光，使用CCD 相機(jī)按既定參數(shù)采集500 幀（每幀包含A、B 兩個(gè)畫(huà)面）瞬時(shí)粒子運(yùn)動(dòng)圖像，并保存。（3）由于CCD 相機(jī)能拍攝的最大畫(huà)面（30 cm×20 cm）較小，本研究選擇分段獲取人工魚(yú)礁流場(chǎng)圖像。當(dāng)前一拍攝點(diǎn)的粒子運(yùn)動(dòng)圖像采集完成后，關(guān)閉激光，將激光發(fā)射器及相機(jī)沿水流方向平移至下一觀測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行新一輪圖像采集，此過(guò)程中需注意兩次拍攝的粒子運(yùn)動(dòng)畫(huà)面需要有部分重合區(qū)域，以便于后期數(shù)據(jù)處理。（4）重復(fù)以上操作至該工況下單位礁粒子運(yùn)動(dòng)圖像拍攝完畢，隨后關(guān)閉所有設(shè)備，該組次實(shí)驗(yàn)停止。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，利用軟件進(jìn)行圖像分析提取速度場(chǎng)，將同一工況下的不同觀測(cè)點(diǎn)的速度矢量圖中數(shù)據(jù)導(dǎo)出，最終對(duì)全部實(shí)驗(yàn)資料進(jìn)行整理、對(duì)比分析。

3 人工魚(yú)礁區(qū)域水沙動(dòng)力學(xué)特征

人工魚(yú)礁投放后的流場(chǎng)效應(yīng)主要表現(xiàn)為在魚(yú)礁前方產(chǎn)生的上升流區(qū)域與在魚(yú)礁后方形成的背渦流區(qū)域［19］，因此，本研究在分析水動(dòng)力學(xué)特性時(shí)主要考慮礁體周?chē)纳仙骱捅硿u流分布情況以及前人研究較少的紊動(dòng)強(qiáng)度變化情況。

3.1 上升流流場(chǎng)特征人工魚(yú)礁投放后，來(lái)流受到礁體阻礙作用向上抬升形成上升流。上升流能促進(jìn)上下層海水交換，增加營(yíng)養(yǎng)鹽輸運(yùn)，提高海洋初級(jí)生產(chǎn)力，增強(qiáng)礁區(qū)餌料效應(yīng)，因此，通常將上升流的規(guī)模大小作為評(píng)價(jià)人工魚(yú)礁流場(chǎng)效應(yīng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。目前，對(duì)于上升流還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的界定標(biāo)準(zhǔn)，本研究綜合借鑒前人研究結(jié)論［12，27-28］，將垂向流速v與來(lái)流速度u0之比大于或等于10%的區(qū)域定義為上升流區(qū)域。

不同工況下上升流區(qū)域的分布情況表現(xiàn)出高度的相似性，上升流區(qū)主要集中于每組魚(yú)礁的第一個(gè)單體礁迎流面上方尖角處，并大致以尖角為中心呈圓形分布，沿水流方向，后方礁體產(chǎn)生的上升流區(qū)的規(guī)模逐漸減小，規(guī)模最大的上升流區(qū)出現(xiàn)在第一個(gè)迎流單體礁的前方。但由于方形生態(tài)礁開(kāi)口率較大，基本呈鏤空的框架式結(jié)構(gòu)，水流容易直接從礁體內(nèi)部通過(guò)，阻礙作用較弱，因此產(chǎn)生的上升流區(qū)域不甚明顯。圖5（a）為單位魚(yú)礁內(nèi)魚(yú)礁組間距為1.25L時(shí)不同工況下的上升流區(qū)域情況，圖5（b）為對(duì)應(yīng)工況下單體礁A-1 產(chǎn)生的上升流情況。

2018年是高考改革的過(guò)渡時(shí)期，高考數(shù)學(xué)試題設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循《考試大綱》和《課程標(biāo)準(zhǔn)》，沒(méi)有片面或者過(guò)度追求創(chuàng)新，試題簡(jiǎn)潔明快、自然清新，閱讀量小，在平和中見(jiàn)新意，在樸實(shí)中見(jiàn)靈動(dòng)，重視基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能和基本思想方法的考查，堅(jiān)持能力立意，突出對(duì)高中數(shù)學(xué)主干內(nèi)容的考查，滲透直觀想象、邏輯推理、數(shù)學(xué)文化、創(chuàng)新意識(shí)、數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)學(xué)建模等方法的考查，幾乎沒(méi)有偏題和怪題，對(duì)中學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)有很好的導(dǎo)向作用。

圖5 方形生態(tài)礁單位魚(yú)礁不同工況上升流分布

以每個(gè)工況下上升流區(qū)域的長(zhǎng)度、高度、面積等作為特征值進(jìn)行比較分析，其中，采用最大上升流速度vmax和上升流平均速度vave兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量上升流的強(qiáng)度，采用上升流最大高度Hupmax、上升流最大長(zhǎng)度Lupmax和上升流總面積Sup來(lái)表征上升流的規(guī)模大小。上升流高度以魚(yú)礁底部為零點(diǎn)計(jì)算。

圖6 顯示的是各組次不同工況下上升流特征值的變化情況?？傮w而言，4 種間距下的各項(xiàng)上升流特征值均呈現(xiàn)出隨著流速的增加而增加的趨勢(shì)，與前人的研究結(jié)論一致［17-20，27］。而在同一流速下，上升流特征值隨間距變化并無(wú)明顯變化。各間距下的上升流強(qiáng)度差異不顯著，上升流最大流速約為來(lái)流速度的22.96% ～ 34.54%，與張碩等［14］的研究結(jié)論接近，大于虞聰達(dá)等［27］的研究結(jié)果。上升流平均流速約為來(lái)流速度的9.98% ～ 15.98%。上升流最大高度呈現(xiàn)出隨著間距的增加先增大后減小的趨勢(shì)，大致表現(xiàn)為1.00L>1.25L>0.75L>1.50L，約為單體礁礁高的1.15 ～ 1.50 倍，與崔勇等的研究結(jié)果較為一致［13-14，27］，而與關(guān)長(zhǎng)濤等的研究結(jié)果略有差異［18，20］。上升流最大長(zhǎng)度約為單體礁礁高的0.71 ～ 1.09 倍，大致表現(xiàn)為1.25L≈1.00L>0.75L>1.50L。上升流總面積整體表現(xiàn)為1.25L≈1.00L>0.75L>1.50L。

圖6 不同流速條件下的上升流特征值隨魚(yú)礁群間距變化

3.2 背渦流流場(chǎng)特征人工魚(yú)礁投放后，部分來(lái)流會(huì)穿過(guò)礁體在其背面產(chǎn)生速度較小且平緩的區(qū)域，由于其中有大量漩渦存在，故稱(chēng)之為背渦流區(qū)域。該區(qū)域渦流結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的沉積，為魚(yú)類(lèi)等生物提供棲息、避敵和索餌的場(chǎng)所。背渦流的規(guī)模大小也是評(píng)價(jià)人工魚(yú)礁流場(chǎng)效應(yīng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。本研究將背渦流區(qū)域定義為在單體礁背面或內(nèi)部形成的有漩渦存在的緩流區(qū)。

各組次不同工況下背渦流區(qū)域的分布情況也表現(xiàn)出高度的相似性，背渦流區(qū)主要集中于每組魚(yú)礁的第一個(gè)單體礁背面，但基本沒(méi)有大漩渦出現(xiàn)，整個(gè)流場(chǎng)內(nèi)共產(chǎn)生3 個(gè)背渦流區(qū)，沿水流方向，背渦流區(qū)規(guī)模變化較小。單體礁內(nèi)部也會(huì)有較小的渦流產(chǎn)生，但較整體而言規(guī)模過(guò)小，因此可忽略不計(jì)。圖7 為單體礁A-1 后部不同工況下產(chǎn)生的背渦流情況。

圖7 方形生態(tài)礁單位魚(yú)礁內(nèi)第一個(gè)礁體后部不同工況下背渦流區(qū)域

采用背渦流最大高度Hbmax、背渦流最大長(zhǎng)度Lbmax和背渦流總面積Sb來(lái)表征背渦流的規(guī)模大小，背渦流高度以魚(yú)礁底部為零點(diǎn)計(jì)算。對(duì)每個(gè)工況下的背渦流特征值進(jìn)行比較分析。

圖8 顯示的是不同工況下背渦流特征值的變化情況?？傮w而言，4 種間距下的各項(xiàng)背渦流特征值均呈現(xiàn)出隨著流速的增加而增加的趨勢(shì)，與前人的研究結(jié)論相似［17-18，27］。而在同一流速下，背渦流特征值整體上表現(xiàn)為隨間距的增加先增大后減小，均在間距為1.00L時(shí)達(dá)到最大值，大致表現(xiàn)為：1.00L>1.25L>0.75L>1.50L。背渦流最大高度約為單體礁礁高的0.76 ～ 0.86 倍，背渦流最大長(zhǎng)度約為單體礁礁高的1.91 ～ 2.0 倍，兩指標(biāo)均略小于張碩等［15］的研究結(jié)論，不同間距間差異均不顯著。

圖8 不同流速條件下的背渦流特征值隨魚(yú)礁間距變化

3.3 紊動(dòng)強(qiáng)度及其對(duì)泥沙起懸的影響水流的脈動(dòng)結(jié)構(gòu)主要是指紊動(dòng)強(qiáng)度的分布，紊動(dòng)強(qiáng)度是常用來(lái)描述紊流流場(chǎng)特性的一個(gè)重要指標(biāo)，也是水流結(jié)構(gòu)的重要性質(zhì)。水流紊動(dòng)與泥沙起動(dòng)、擴(kuò)散、懸浮和輸運(yùn)有密切聯(lián)系。紊動(dòng)與含沙量分布關(guān)系密切，近底的小尺度紊動(dòng)是促使床沙懸浮的原動(dòng)力，而遠(yuǎn)離的大尺度紊動(dòng)是轉(zhuǎn)運(yùn)泥沙的重要因素，泥沙濃度和紊動(dòng)強(qiáng)度沿垂線的分布有很大的內(nèi)在聯(lián)系［29］。水流的紊動(dòng)結(jié)構(gòu)在最小尺度上控制著魚(yú)礁與周?chē)Ｋ幕瘜W(xué)和物理相互作用［30］，另外，紊動(dòng)結(jié)構(gòu)的存在會(huì)改變泥沙顆粒的沉降速度，進(jìn)而改變懸浮泥沙濃度，湍流對(duì)于泥沙輸移和海床演變非常重要［31-32］。不同魚(yú)類(lèi)對(duì)水體紊動(dòng)強(qiáng)度的喜好不同，投放魚(yú)礁使紊流特征發(fā)生變化，亦能起到集魚(yú)的作用。

紊動(dòng)強(qiáng)度

式中：ui為i點(diǎn)上縱向瞬時(shí)流速；N為采樣統(tǒng)計(jì)的個(gè)數(shù)。垂向紊動(dòng)強(qiáng)度的表達(dá)式與上式類(lèi)似。為了討論方便，將紊動(dòng)強(qiáng)度除以來(lái)流平均流速u(mài)無(wú)量綱化處理為縱向相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度σ′u和垂向相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度σ′v。計(jì)算出每個(gè)工況下整個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)域的平均相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。各組次不同工況下平均縱向紊動(dòng)強(qiáng)度均大于平均垂向紊動(dòng)強(qiáng)度，同一間距條件均大致呈現(xiàn)出隨流速增加而減小的趨勢(shì)。投放魚(yú)礁后平均縱向、垂向紊動(dòng)強(qiáng)度均大于無(wú)魚(yú)礁時(shí)，說(shuō)明投礁后水流條件變得更加復(fù)雜，能夠起動(dòng)和懸浮的泥沙和餌料顆粒增多，多樣性的水流結(jié)構(gòu)也為海洋生物的生活提供了更多選擇。

圖9 方形生態(tài)礁單位魚(yú)礁各組次不同工況下平均相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度隨流速變化關(guān)系

4 人工魚(yú)礁布局方案優(yōu)化的探討

為了更好地判斷方形生態(tài)礁單位魚(yú)礁在何種布設(shè)間距下產(chǎn)生的流場(chǎng)效應(yīng)最優(yōu)，本文選取能體現(xiàn)流場(chǎng)效應(yīng)優(yōu)劣的上升流和背渦流的特征值，與水流條件密切相關(guān)的紊動(dòng)強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)成本等11 個(gè)指標(biāo)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用熵值法賦權(quán)，計(jì)算出各個(gè)工況下每個(gè)間距的流場(chǎng)效應(yīng)評(píng)價(jià)得分，最后利用簡(jiǎn)單加權(quán)法計(jì)算出每個(gè)間距的綜合得分，其值最大的為最優(yōu)方案。

4.1 熵值優(yōu)化方法熵值法的基本思想是從指標(biāo)熵的角度來(lái)反映指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的區(qū)分程度，某指標(biāo)的熵值越小，說(shuō)明提供的有用信息量越多，相應(yīng)的權(quán)重也就越大；反之，熵值越大，表明指標(biāo)越不重要［33-34］。

熵值法是一種客觀賦權(quán)法，可以克服人為的主觀因素，客觀反映各指標(biāo)的效用值，自提出以來(lái)，被廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域問(wèn)題的評(píng)價(jià)［35-38］以及多工況優(yōu)化［39］、不同方案優(yōu)選分析［40-42］中，對(duì)指標(biāo)數(shù)量沒(méi)有限制，實(shí)用性強(qiáng)，適用范圍較廣［34］。

熵值法的具體步驟［38］為：采用極值法將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，并評(píng)價(jià)對(duì)象的特征比重或貢獻(xiàn)度（pij），再計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的熵值（ej）和差異系數(shù)（gj），對(duì)差異系數(shù)歸一化，計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重（Wj）：

最后，計(jì)算第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的各項(xiàng)指標(biāo)的綜合得分（Yi）：

4.2 優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定建立兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，其中，第一個(gè)只考慮水動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，第二個(gè)同時(shí)考慮水動(dòng)力和經(jīng)濟(jì)成本指標(biāo)，以探討在魚(yú)礁建設(shè)中生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)成本的平衡問(wèn)題。對(duì)于經(jīng)濟(jì)成本指標(biāo)，通過(guò)前期現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和文獻(xiàn)調(diào)研等，了解到方形生態(tài)礁單體礁占據(jù)的空方量和每空方造價(jià)，但如果直接以每空方造價(jià)作為經(jīng)濟(jì)成本指標(biāo)，則所有設(shè)計(jì)間距下該指標(biāo)的數(shù)值均相等，此時(shí)該指標(biāo)在綜合評(píng)價(jià)中不起作用［42］。為了提高評(píng)價(jià)指標(biāo)的合理性，通過(guò)采用單位魚(yú)礁總造價(jià)和其所占面積，提出單位魚(yú)礁每平方米造價(jià)指標(biāo)，將其作為經(jīng)濟(jì)成本指標(biāo)，具體結(jié)果如表2所示。

表2 方形生態(tài)礁單位魚(yú)礁流場(chǎng)效應(yīng)經(jīng)濟(jì)成本評(píng)價(jià)指標(biāo)

按照熵值法計(jì)算出5個(gè)流速下各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，為了使權(quán)重更合理，采用各指標(biāo)在5個(gè)流速下權(quán)重的算術(shù)平均值作為最終權(quán)重，具體如表3所示。由表可知，兩個(gè)指標(biāo)體系下各類(lèi)型指標(biāo)權(quán)重變化較小，排名均為：上升流>背渦流>紊動(dòng)強(qiáng)度。經(jīng)濟(jì)成本指標(biāo)權(quán)重為7.99%，在所有指標(biāo)中排名第九，權(quán)重較小。

表3 方形生態(tài)礁單位魚(yú)礁流場(chǎng)效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重體系

4.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析根據(jù)確定的指標(biāo)權(quán)重體系，按照式（3）計(jì)算出5 個(gè)設(shè)計(jì)流速下每個(gè)間距的得分，為了便于對(duì)不同間距的流場(chǎng)效應(yīng)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，最后采用5 個(gè)流速的算術(shù)平均值作為每個(gè)間距的綜合得分Y，兩個(gè)指標(biāo)體系的綜合得分分別記為Y1和Y2。

圖10 顯示了4 種間距下方形生態(tài)礁單位魚(yú)礁流場(chǎng)效應(yīng)的最后得分。僅考慮水動(dòng)力指標(biāo)時(shí)，綜合得分表現(xiàn)為：1.25L>1.00L>0.75L>1.50L，1.25L和1.00L的得分顯著高于0.75L和1.50L，但1.25L僅比1.00L差距很小，兩者處于持平的位置。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，繼續(xù)增加間距，綜合得分明顯下降，可能是因?yàn)榉叫紊鷳B(tài)礁從本質(zhì)上看是一個(gè)框架式結(jié)構(gòu)，其空隙率較大，透水性很強(qiáng)，當(dāng)魚(yú)礁組間距過(guò)遠(yuǎn)時(shí)，不能充分地發(fā)揮魚(yú)礁間的協(xié)同效應(yīng)等，因此在投放時(shí)單位魚(yú)礁規(guī)模不宜過(guò)大。納入成本指標(biāo)后，綜合得分表現(xiàn)為1.25L>1.00L>1.50L>0.75L，而且1.25L與1.00L得分差距較小，兩者之間擬合在1.15L處存在相對(duì)極值，而0.75L和1.50L之間的結(jié)果互換了，這說(shuō)明，經(jīng)濟(jì)成本對(duì)不同規(guī)模大小的方形生態(tài)礁單位魚(yú)礁有較大影響，雖然在整個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中經(jīng)濟(jì)成本只占8%的權(quán)重，但在實(shí)際建設(shè)大規(guī)模人工魚(yú)礁群時(shí)經(jīng)濟(jì)投入是巨大的，在決定投放規(guī)模時(shí)要綜合考慮魚(yú)礁投放后所能產(chǎn)生的流場(chǎng)效應(yīng)和建設(shè)成本。所以建議在實(shí)際投放方形生態(tài)礁單位魚(yú)礁時(shí)在原設(shè)計(jì)間距的基礎(chǔ)上擴(kuò)大15%。

圖10 方形生態(tài)礁單位魚(yú)礁流場(chǎng)效應(yīng)評(píng)價(jià)綜合得分

5 結(jié)論

（1）各組次不同工況下的流場(chǎng)，模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，總體而言，不論是上升流特征值還是背渦流特征值，同一間距下各項(xiàng)特征值均呈現(xiàn)出隨著流速的增加而增加的趨勢(shì)；同一流速下上升流特征值隨間距變化并無(wú)明顯變化，而背渦流特征值整體上表現(xiàn)為隨間距的增加先增大后減小，均在間距為1.00L時(shí)達(dá)到最大值，大致表現(xiàn)為1.00L>1.25L>0.75L>1.50L。

（2）各個(gè)工況下，平均縱向紊動(dòng)強(qiáng)度均大于平均垂向紊動(dòng)強(qiáng)度，同一間距下大致呈隨流速增加而減小的趨勢(shì)。投礁后平均紊動(dòng)強(qiáng)度均有所增大，表明能夠起動(dòng)和懸浮的泥沙和餌料顆粒增多，有利于提高海洋生物生產(chǎn)量。

（3）采用熵值法，基于水動(dòng)力學(xué)特性和經(jīng)濟(jì)成本對(duì)4 種間距下方形生態(tài)礁的流場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行了兩次評(píng)價(jià)。僅考慮水動(dòng)力指標(biāo)時(shí)，流場(chǎng)效應(yīng)綜合得分表現(xiàn)為1.25L>1.00L>0.75L>1.50L，但1.25L與1.00L持平，差距很??；繼續(xù)增加單位魚(yú)礁間距，綜合得分呈明顯的下降趨勢(shì)，因此在投放方形生態(tài)礁時(shí)單位礁規(guī)模不宜過(guò)大。納入成本指標(biāo)后，綜合得分表現(xiàn)為1.25L>1.00L>1.50L>0.75L。但1.25L與1.00L得分差距較小，經(jīng)精細(xì)化模擬得出在1.15L處存在相對(duì)極大值，在綜合考慮生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)成本，建議在實(shí)際投放方形生態(tài)礁單位魚(yú)礁時(shí)在原設(shè)計(jì)間距的基礎(chǔ)上擴(kuò)大15%。

本文通過(guò)人工魚(yú)礁水槽模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)方形生態(tài)礁單位礁流場(chǎng)效應(yīng)的上升流與背渦流特征以及紊動(dòng)與泥沙起懸關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了分析，并采用熵值法基于水動(dòng)力和成本指標(biāo)評(píng)價(jià)體系進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，綜合考慮生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)成本，建議在實(shí)際投放方形生態(tài)礁單位魚(yú)礁時(shí)在原設(shè)計(jì)間距的基礎(chǔ)上擴(kuò)大25%，為人工魚(yú)礁建設(shè)提供了參考依據(jù)。然而，由于本文選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系還不夠全面，評(píng)價(jià)結(jié)果仍具有一定局限性，在未來(lái)的研究中尚需進(jìn)一步完善。