近海人工魚礁水下物理狀態(tài)探測與評估

李東， 唐誠， 鄒濤， 侯西勇

(1.中國科學(xué)院海岸帶環(huán)境過程與生態(tài)修復(fù)重點實驗室(煙臺海岸帶研究所)，煙臺 264003； 2.中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所，煙臺 264003； 3.中國科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心,青島 266071)

0 引言

近岸投放人工魚礁是建設(shè)海洋牧場的重要手段，通過合理布設(shè)人工魚礁可以達(dá)到生境修復(fù)與生物資源養(yǎng)護(hù)的目的[1-2]。魚礁投放可引起光、聲、水體流態(tài)等物理環(huán)境變化，能夠為海洋生物繁殖、生長和棲息提供有利條件，逐漸形成特定的魚礁生態(tài)系統(tǒng)[3-5]。由于礁體的大量存在，海底地形地貌發(fā)生較大改變[6]。礁區(qū)地形、礁體高度、魚礁位置及分布密度等一系列物理狀態(tài)參數(shù)對于魚礁的生物誘集效應(yīng)有著直接或間接的影響，并最終決定人工魚礁的生態(tài)、經(jīng)濟效益[7-9]。因此，掌握人工魚礁水下物理狀態(tài)是其建設(shè)進(jìn)程中的重要一環(huán)，也是評估魚礁效益的關(guān)鍵前提條件。

傳統(tǒng)調(diào)查手段(如潛水觀測、錄像)可以獲取魚礁物理穩(wěn)定性指標(biāo)，但受探摸范圍小、潛水時間短、可見度低等因素限制，作業(yè)效率低、調(diào)查效果不夠理想[10]，人工魚礁投放后的物理狀態(tài)無法得到有效判定。粗放式管理體制獲取的信息不能達(dá)到對魚礁科學(xué)監(jiān)測評估的目的，無法滿足構(gòu)建現(xiàn)代海洋牧場的要求。

與可見光和電磁波相比，聲波在海水中的衰減更慢、傳播距離更遠(yuǎn)，因此聲學(xué)遙測成為獲取水下信息最常用的方式之一，且在海岸工程等領(lǐng)域已成為不可替代的觀測手段[11-12]。近年來，聲納探測技術(shù)在人工魚礁建設(shè)中的應(yīng)用逐漸增多，例如，利用測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)、多波束測深系統(tǒng)、側(cè)掃聲納、雙頻聲學(xué)識別聲納等，可以實現(xiàn)礁區(qū)水下地形地貌的精確測量，獲取水下人工魚礁空間分布特征[13-17]。目前將聲學(xué)遙測技術(shù)應(yīng)用于人工魚礁水下物理狀態(tài)的研究方興未艾，針對礁區(qū)地形起伏度、礁體分布格局、礁體覆淤程度等魚礁物理穩(wěn)定性指標(biāo)的精細(xì)刻畫還有待進(jìn)一步完善。相比其他聲納設(shè)備，多波束測深系統(tǒng)是一種多傳感器的復(fù)雜組合系統(tǒng)，在清晰快速確定魚礁宏觀位置及微觀狀態(tài)方面優(yōu)勢更為明顯。本研究結(jié)合多波束聲納探測及地理空間分析技術(shù)，獲取礁區(qū)高精度水深數(shù)據(jù)，分析礁區(qū)特有的地形特征及其成因，以期為人工魚礁水下物理穩(wěn)定性的監(jiān)測與評估提供技術(shù)與數(shù)據(jù)支持，能夠為促進(jìn)人工魚礁合理化建設(shè)提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

1 研究區(qū)及其數(shù)據(jù)獲取

本研究選擇山東近海某國家級海洋牧場為研究對象，近年來該牧場通過投放混凝土構(gòu)件礁和山石礁等人工魚礁已完成大規(guī)模投礁型海洋牧場的建設(shè)工作。礁區(qū)集聚魚蝦蟹貝藻，生態(tài)修護(hù)和資源養(yǎng)護(hù)效果明顯。

按照交通運輸部頒布的《多波束測深系統(tǒng)測量技術(shù)要求(JT/T 790—2010)》，利用多波束測深系統(tǒng)(R2Sonic 2024)對研究區(qū)進(jìn)行全覆蓋掃測，獲取礁區(qū)高精度水深數(shù)據(jù)。多波束測深聲納系統(tǒng)采用發(fā)射換能器陣列向海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，經(jīng)接收換能器接收窄波束，通過發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對海底地形的照射腳印，一次探測可獲取垂面上百個甚至更多的海底水深值，快速準(zhǔn)確地確定水下目標(biāo)的形態(tài)特征[18]。其工作原理如圖1所示。

(a) 多波束聲納工作原理(b) 多波束聲納掃測示意圖

數(shù)據(jù)采集后，采用專業(yè)的后處理軟件Caris對原始水深數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)數(shù)據(jù)檢查、校正和濾波等處理后得到礁區(qū)高精度數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)數(shù)據(jù)，空間分辨率為20 cm。選取該調(diào)查海域一典型區(qū)域，利用地理空間分析技術(shù)對人工魚礁的水下物理狀態(tài)進(jìn)行評估分析。

2 研究方法

人工魚礁水下物理狀態(tài)即礁體在海底的實際狀態(tài)，宏觀方面包括礁體的位置、分布格局、礁區(qū)地形特征和投礁空方量等； 微觀層面包括礁體高度和礁體周邊沖淤程度等信息。礁區(qū)水深變化、礁體投放位置及分布格局是人工魚礁水下物理狀態(tài)的基本參數(shù)，是魚礁科學(xué)管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)； 投礁空方量即人工魚礁投放量，表征了礁體體積，是人工魚礁投放規(guī)模的重要指標(biāo)，隨著時間推移，礁體出現(xiàn)傾覆、損毀等現(xiàn)象，其空方量也隨之變化； 重力作用及局地水動力對礁體周圍微地形發(fā)育有顯著影響，獲取礁體高度變化、魚礁周邊沖淤程度等參數(shù)能夠在一定程度上從微觀層面實現(xiàn)人工魚礁水下物理狀態(tài)的精確刻畫。本研究利用高精度人工魚礁區(qū)DEM數(shù)據(jù)，基于地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)空間分析技術(shù)獲取人工魚礁宏觀及微觀特征參數(shù)，達(dá)到人工魚礁水下物理狀態(tài)定量評估的目的。

2.1 典型水深剖面對比

研究區(qū)海域投礁前為較為平坦的泥底質(zhì)海底，西側(cè)無礁石投放區(qū)可基本代表投礁前的海底地形。分別在無礁區(qū)與礁石投放區(qū)選取典型水深剖面，對比分析投礁前后水深變化特征。此外，利用穿過礁體的水深剖面對礁體周邊微地形特征進(jìn)行定量分析并探討其成因。

2.2 地形特征變量提取

采用美國國家和大氣管理局海岸服務(wù)中心研發(fā)的BTM(benthic terrain modeler)插件工具提取礁區(qū)坡度、曲率、粗糙度和地形起伏度等地形因子。其中，坡度表示表面從中心像元開始在水平方向和垂直方向上的變化率，坡度值越大說明地勢越陡峭； 曲率可理解為坡度的坡度，其值為正表明該像元的表面向上凸，反之向下凹，值為0說明表面是平的； 粗糙度定義為單元曲面面積與投影面積之比，其值反映地形起伏變化或侵蝕程度； 地形起伏度指在特定鄰域范圍內(nèi)最高點與最低點的高程差。不同的地形因子在一定程度上能夠從不同角度表征海底地形的破碎程度和異質(zhì)特征。

2.3 投礁空方量估算

填挖方分析用于計算填挖三維面與模型圖層或地形圖層之間的填挖量[19]，可利用工程前后的DEM相減得到。由于研究區(qū)缺乏投礁前的DEM數(shù)據(jù)且人工魚礁投放數(shù)年后，礁體周邊地形已發(fā)生較大變化，為了估算現(xiàn)階段投礁空方量，本研究將礁體分布區(qū)的邊界水深作為理論海底底界面，構(gòu)建不同礁體分布區(qū)的理論海底DEM[20]，對比多波束實測海底DEM，計算獲取空方量。

具體流程如下： ①在對礁區(qū)高精度多波束地形數(shù)據(jù)解譯的基礎(chǔ)上，結(jié)合魚礁的形態(tài)及分布特征對海底礁體進(jìn)行辨識，利用GIS矢量化及空間分析工具(掩模裁剪)提取研究區(qū)各人工魚礁矢量斑塊及其柵格DEM數(shù)據(jù)； ②結(jié)合人工魚礁矢量斑塊及其柵格DEM數(shù)據(jù)，利用屬性提取及區(qū)域統(tǒng)計工具，提取、計算各魚礁斑塊面積、魚礁高度等信息； ③將魚礁斑塊矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，高程值為斑塊邊界的最大水深值，網(wǎng)格大小與柵格DEM數(shù)據(jù)一致，即得到理論海底DEM； ④利用人工魚礁柵格DEM及理論海底DEM，通過填挖方空間分析工具計算得到人工魚礁斑塊的空方量。

3 結(jié)果與分析

3.1 人工魚礁區(qū)地形特征分析

研究區(qū)典型試驗區(qū)面積為5.13萬m2，由于礁石的存在，礁石投放區(qū)地勢起伏較大，地形復(fù)雜多變，無礁區(qū)地形相對平坦。高精度DEM數(shù)據(jù)如圖2所示，該區(qū)域水深在-9.92～-6.73 m，礁石投放規(guī)模較大，投礁分布散亂無序。該處人工魚礁主要成分是花崗巖開山石，石塊礁體在海底大多堆砌成堆，礁堆間距離不一，個別礁堆連在一起，少量礁石散布在礁堆周邊，且礁體周圍出現(xiàn)明顯的沉降沖刷現(xiàn)象。

圖2 人工魚礁試驗區(qū)DEM

AB剖面可近似認(rèn)為投礁前的水深剖面，與礁區(qū)的CD水深剖面對比(圖3)發(fā)現(xiàn)，人工魚礁投放后，原本平坦的海底地形(約9 m水深)變得起伏多變，CD剖面水深值介于-9.55～-7.83 m之間。

圖3 無礁區(qū)和礁區(qū)水深剖面對比

為進(jìn)一步了解礁體周圍的微地形特征，選取穿過礁堆的EF剖面，對其進(jìn)行定量分析。從三維地形及EF水深剖面(圖4)可以看出，人工魚礁有顯著的沉降現(xiàn)象，礁體周圍沖刷明顯，且沖刷程度不一。

(a) 礁體三維地形 (b) EF水深剖面

EF剖面顯示，該處魚礁高度為1.75 m，魚礁沉陷深度約為0.5 m。此外，礁體西側(cè)沉降沖刷影響范圍約9 m，而東側(cè)影響范圍約11 m。受人工魚礁自身重力及局地水動力作用，礁區(qū)形成了其特有的不規(guī)則“碗狀”地形。

地形特征變量的計算結(jié)果(圖5)表明，礁石分布區(qū)和無礁區(qū)的地形特征變量具有顯著的差異性。人工魚礁分布區(qū)的坡度、曲率、粗糙度以及地形起伏度均表現(xiàn)出高值，而平坦的無礁區(qū)其坡度、粗糙度和地形起伏度則表現(xiàn)出低值。據(jù)此，可將人工魚礁進(jìn)行辨識提取。值得注意的是，坡度及地形起伏度在識別“碗狀”地形的邊界方面較曲率、粗糙度表現(xiàn)更為突出。尤其是坡度變量，能夠清晰地勾勒出礁體引起的沉降沖刷范圍。

(a) 坡度(b) 曲率

(c) 粗糙度(d) 地形起伏度

以坡度為例對該區(qū)地形特征變量進(jìn)行統(tǒng)計分析。結(jié)果顯示，該區(qū)域坡度范圍為0°～77.89°，坡度分布為明顯的單峰正偏態(tài)分布特征(圖6)，約75%的區(qū)域其坡度小于5°，而坡度大于30°的區(qū)域僅占6.37%。由此進(jìn)一步說明投礁前該海域海底較為平坦，魚礁投放后在海底或堆砌成堆或散亂分布，造成礁石分布區(qū)地勢起伏多變，坡度高值區(qū)多集中在人工魚礁堆積處。

圖6 礁區(qū)坡度統(tǒng)計

3.2 投礁空方量

利用礁區(qū)高精度DEM數(shù)據(jù)，結(jié)合礁體實際形態(tài)特征，試驗區(qū)共識別解譯出89處人工魚礁斑塊(圖7)，斑塊多為不規(guī)則形狀，其分布并無明顯規(guī)律。經(jīng)統(tǒng)計，試驗區(qū)礁體斑塊面積共計7 537.96 m2，占該區(qū)總面積的14.69%，其中，礁體斑塊面積最大值為665.40 m2(編號73)，面積最小值為12.48 m2(編號71)。

圖7 人工魚礁斑塊提取

盡管該區(qū)礁體斑塊面積存在較大差別，但山石堆砌構(gòu)成的礁體高度差異并不十分明顯，將礁體斑塊中最大水深與最小水深之差定義為礁體高度，其高度分布呈正態(tài)分布特征(圖8)。礁體斑塊中最大水深多分布在斑塊邊緣，而最小水深多集中在斑塊中央位置。各人工魚礁斑塊中最大高度為2.77 m(編號14)，最小高度為0.44 m(編號71)，平均高度為1.59 m，礁體高度中位數(shù)為1.61 m，標(biāo)準(zhǔn)差為0.39 m，50%的礁體高度在1.48～1.82 m之間。

圖8 礁體高度統(tǒng)計

基于該區(qū)各人工魚礁斑塊最大水深值構(gòu)建各斑塊理論海底DEM，結(jié)合人工魚礁實測DEM，利用填挖方計算方法獲取各礁體堆的空方量。部分魚礁斑塊統(tǒng)計信息如表1所示。結(jié)果顯示，該區(qū)礁體空方量共計5 458.49 m3，由于各礁堆的礁體高度差異不大，礁體空方量與礁體斑塊面積呈正相關(guān)關(guān)系，各礁石堆中最大空方量為522.11 m3，最小空方量為1.95 m3，分別對應(yīng)斑塊面積最大值(編號73)與最小值(編號71)的礁石堆。

表1 部分魚礁斑塊統(tǒng)計信息

4 討論

4.1 人工魚礁區(qū)特殊地形成因探討

作為外來底質(zhì)，大規(guī)模人工魚礁投放后對海底最直接的影響便是迅速、顯著地改變了礁石投放區(qū)原始的地形地貌特征。人工魚礁建設(shè)使得原本平坦的海底變得崎嶇不平，試驗區(qū)由投礁前的約-9 m水深變?yōu)?9.92～-6.73 m，地形特征變量如坡度、曲率、粗糙度以及地形起伏度等在礁石投放區(qū)均呈現(xiàn)為高值。

礁區(qū)高精度DEM數(shù)據(jù)顯示，該區(qū)域特殊的“碗狀”地形廣泛分布于投礁周邊。前人研究表明，除礁石自身結(jié)構(gòu)及重力作用外，海底底質(zhì)及局地水動力環(huán)境是礁體周圍出現(xiàn)沖淤特殊地形現(xiàn)象的主要因素[21]。魚礁對水流的阻礙作用導(dǎo)致礁體周圍壓力場發(fā)生變化，形成新的流場分布； 底床泥沙顆粒在水流作用下被沖刷、搬運形成堆積，嚴(yán)重時導(dǎo)致魚礁底部掏空，繼而發(fā)生沉陷甚至被掩埋[22]。在該人工魚礁投放區(qū)的水動力定點觀測資料[23]中發(fā)現(xiàn)，該海域潮流為典型的往復(fù)流，潮流主向為NNE-SSW向。由于人工魚礁的大量存在，海底摩擦增加，水流流速大小隨深度增加顯著降低，底層流速較表層降低約30%，同時，人工魚礁的大面積投放，造成底層各分潮的最大流速方向發(fā)生變化，這在一定程度上促進(jìn)了礁區(qū)微地形地貌的發(fā)育。試驗區(qū)礁體高度多在1.5 m左右，隨著海水往復(fù)運動，礁體對海流的阻滯作用使礁區(qū)流速相對變大，造成該試驗區(qū)在潮流主向方向即NS向的沖刷程度明顯大于EW方向(圖2)。值得注意的是，試驗區(qū)水深值大于9.5 m的區(qū)域多集中在礁石堆之間，可推測，相鄰礁體斑塊之間形成的“峽道效應(yīng)”，導(dǎo)致局地流速增大，逐漸形成了特殊的礁區(qū)“深槽”。一般而言，人工魚礁在軟底質(zhì)投放后，需要6～7 a才能達(dá)到平衡[24]。因此，定期對人工魚礁水下物理狀態(tài)進(jìn)行精確監(jiān)測，才能明晰礁區(qū)特殊地形的形成過程。

4.2 人工魚礁科學(xué)監(jiān)管的啟示

截至2022年初，全國國家級海洋牧場示范區(qū)已達(dá)到153個，到2025年全國累計投放人工魚礁將超5 000萬m3。目前人工魚礁建設(shè)發(fā)展基本向好，但其在現(xiàn)代化建設(shè)、科學(xué)監(jiān)測方面仍存在較多不足。部分地區(qū)出現(xiàn)一哄而上、盲目擴張的現(xiàn)象，不合理的礁石布放可能導(dǎo)致礁體大面積沉陷或礁區(qū)出現(xiàn)低氧現(xiàn)象等嚴(yán)重生態(tài)環(huán)境問題。很多工程“重頭輕尾”，后期監(jiān)測不到位，無法對其生態(tài)和經(jīng)濟價值進(jìn)行科學(xué)評估。

人工魚礁建設(shè)是一項投資巨大的復(fù)雜工程，為了保證人工魚礁建設(shè)取得預(yù)期效果，必須在建設(shè)前、中、后各個時段進(jìn)行全面監(jiān)測、科學(xué)評估。因此，筆者提出以下建議，以期為人工魚礁的科學(xué)監(jiān)管提供一定參考。

1)人工魚礁設(shè)計方面。研發(fā)可塑性強、穩(wěn)定性好、性價比高的礁體模型，結(jié)合投放區(qū)水生生物的行為差異性及礁體穩(wěn)定性，有針對性地設(shè)計魚礁結(jié)構(gòu)、輪廓高度及空隙結(jié)構(gòu)。

2)流場效應(yīng)模擬方面。對魚礁流場效應(yīng)進(jìn)行三維立體數(shù)值模擬，研究開口比、來流速度、迎流角度和礁高間距比等因素對人工魚礁流場的影響特征和規(guī)律。

3)監(jiān)測體系建設(shè)方面。基于海洋聲光綜合探測技術(shù)對人工魚礁區(qū)資源環(huán)境進(jìn)行自動、長期、實時立體式監(jiān)測，建立包含魚礁物理狀態(tài)、礁區(qū)水文及氣象條件的人工魚礁區(qū)域性數(shù)據(jù)庫，利用人工智能技術(shù)開發(fā)礁區(qū)生態(tài)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報專家決策系統(tǒng)，實現(xiàn)人工魚礁的可視、可測、可控、可預(yù)警。

5 結(jié)論

利用多波束聲納獲取海底人工魚礁水下物理狀態(tài)，效率高、表現(xiàn)直觀、信息量大，可較好地實現(xiàn)對投放礁體位置、分布、礁高、空方量及微地形特征的定量監(jiān)測與評估。試驗區(qū)內(nèi)人工礁石散亂分布，海底地形崎嶇不平，地形特征變量的高值區(qū)均出現(xiàn)在礁石投放區(qū)域； 礁體高度集中在1.5 m左右，投礁空方量與礁體斑塊面積呈正相關(guān)關(guān)系； 礁區(qū)特殊“碗狀”地形及“峽道效應(yīng)”形成的“深槽”區(qū)與局地水動力環(huán)境密切相關(guān)。本研究可為人工魚礁水下物理穩(wěn)定性的監(jiān)測與評估提供技術(shù)與數(shù)據(jù)支持，具有較強的推廣價值。