基于結(jié)構(gòu)差異性正方體魚礁的流場效應(yīng)研究*

郭 禹 秦傳新,2 章守宇

基于結(jié)構(gòu)差異性正方體魚礁的流場效應(yīng)研究*

郭 禹1秦傳新1,2①章守宇3

(1. 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所 國家漁業(yè)資源環(huán)境大鵬觀測實(shí)驗(yàn)站 廣東 廣州 510300；2. 南方海洋廣東省實(shí)驗(yàn)室 廣東 廣州 511458；3. 上海海洋大學(xué) 上海 201306)

人工魚礁結(jié)構(gòu)差異是影響流場規(guī)模效應(yīng)的主要因素之一，本研究選擇大字型、米字型、回字型、交叉型、框架型和實(shí)體型6種魚礁單體，分析均勻布設(shè)模式下礁體自身結(jié)構(gòu)特征對流場效應(yīng)的影響規(guī)律，進(jìn)一步建立結(jié)構(gòu)差異性單位魚礁的規(guī)模效應(yīng)模型?；诹鲌鲂?yīng)規(guī)律提出礁體結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)分別為魚礁空方體積比、透空率和迎流面相對截面積，進(jìn)一步得到上升流體積效應(yīng)模型為u=0.448u–1.679–p(29.868Cp–6.921)+sa(56.18sa–35.42)，背渦流體積效應(yīng)模型為b=u(1830u–128)–v(95v–105)+p(138p–154)–sa(418sa–180)。最后，基于流場體積效應(yīng)模型，提出以流場體積為依據(jù)的礁體結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇建議，可為以流場體積為建設(shè)目標(biāo)的最優(yōu)魚礁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參數(shù)指導(dǎo)。

流場效應(yīng)；單位魚礁；體積模型；數(shù)值實(shí)驗(yàn)；正方體魚礁

人工魚礁作為海洋牧場建設(shè)的一種技術(shù)手段和基礎(chǔ)設(shè)施(楊紅生, 2016; 劉鴻雁等, 2019; Fari?as- Franco, 2014)，隨著海洋牧場建設(shè)的發(fā)展，其效果逐漸受到越來越多研究者的關(guān)注。在合理規(guī)劃條件下，經(jīng)濟(jì)、高效的人工魚礁建設(shè)模式是增強(qiáng)建設(shè)效果、保障海洋牧場實(shí)現(xiàn)效益生態(tài)化的前提(王震等, 2019)。魚礁結(jié)構(gòu)差異會產(chǎn)生不同效果的流場形式(肖榮, 2015; 姜昭陽等, 2019)，進(jìn)而影響人工魚礁的投放效果。因此，需要合理規(guī)劃單位人工魚礁布設(shè)模式(Kim, 2016、2019; 李豹德, 1985)，其中，魚礁單體結(jié)構(gòu)也是考量因素之一。在規(guī)劃人工魚礁建設(shè)過程中，除對不同單位魚礁建設(shè)模式流場效應(yīng)進(jìn)行研究，更應(yīng)注重研究結(jié)構(gòu)差異性單位魚礁的流場特性，為科學(xué)設(shè)計(jì)人工魚礁單體結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。

目前，研究者僅從魚礁單體的流場效應(yīng)的角度對人工魚礁結(jié)構(gòu)差異進(jìn)行了分析。李珺等(2010a)通過改變正方體魚礁中部的孔洞大小，發(fā)現(xiàn)不同通透性的人工魚礁單體流場效應(yīng)存在差異；于定勇等(2019)對不同開口比的魚礁單體流場效應(yīng)進(jìn)行研究，也發(fā)現(xiàn)礁體結(jié)構(gòu)會影響流場效果。然而，現(xiàn)有研究忽略了實(shí)際礁體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異(付東偉等, 2012)；另一方面，已有研究僅以魚礁單體為分析對象，而實(shí)際人工魚礁投放均以單位魚礁為基本單元(Kim, 2014)，同時(shí)，研究結(jié)果僅說明結(jié)構(gòu)差異會改變流場效應(yīng)，但針對以單位魚礁為基本單元的流場效應(yīng)的變化規(guī)律并無探討。因此，對結(jié)構(gòu)差異性礁體以單位魚礁形式為基礎(chǔ)單元的流場效應(yīng)研究更能有效指導(dǎo)人工魚礁建設(shè)。為準(zhǔn)確評價(jià)結(jié)構(gòu)差異性單位魚礁建設(shè)效果，合理選擇投放海域的人工魚礁結(jié)構(gòu)，需要準(zhǔn)確提取代表礁體結(jié)構(gòu)差異的特征指標(biāo)，進(jìn)一步分析、評價(jià)多種結(jié)構(gòu)差異性單位魚礁的流場效果，建立人工魚礁流場效應(yīng)評價(jià)模型，進(jìn)而合理規(guī)劃人工魚礁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本研究以單位魚礁流場效應(yīng)作為人工魚礁建設(shè)效果的主要評價(jià)因素，以均勻布設(shè)模式的單位魚礁形式為基礎(chǔ)，根據(jù)目前我國人工魚礁實(shí)際投放特征，選擇具有代表性的魚礁單體，包括大字型、米字型、回字型、交叉型、框架型和實(shí)體型6種人工魚礁結(jié)構(gòu)。通過提取6種礁型結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)，分析礁體結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)對流場效應(yīng)的影響規(guī)律，建立結(jié)構(gòu)差異性單位魚礁的規(guī)模效應(yīng)模型，進(jìn)一步為人工魚礁合理規(guī)劃建設(shè)提供全面的數(shù)據(jù)參考與科學(xué)指導(dǎo)。

1 數(shù)值實(shí)驗(yàn)與體積效應(yīng)模型建立

1.1 人工魚礁單體選擇

為使結(jié)構(gòu)差異性單位魚礁流場效應(yīng)研究對實(shí)際魚礁投放具有指導(dǎo)作用，本研究選擇目前大規(guī)模投放的大字型、米字型、回字型、框架型和交叉型正方體魚礁結(jié)構(gòu)作為研究對象，同時(shí)為使數(shù)據(jù)更加全面，補(bǔ)充相應(yīng)大小的實(shí)體型人工魚礁結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，6種魚礁單體均為由鋼筋混凝土構(gòu)成的3 m×3 m×3 m正方體結(jié)構(gòu)，魚礁單體邊長為3 m，圖1所示為6種人工魚礁礁體結(jié)構(gòu)示意圖，其單體面積(area of reef monocase,rm)(魚礁單體占地面積)相同。其中，大字型魚礁單體4個(gè)側(cè)面呈大字，魚礁上下底面以對角線相連呈交叉型，礁體方柱與外框截面均為0.3 m × 0.3 m的正方形，礁體內(nèi)部中空。米字型魚礁6個(gè)側(cè)面均呈米字，米字方柱與外框截面均為0.3 m×0.3 m的正方形，且礁體內(nèi)部中空。回字型人工魚礁6個(gè)側(cè)面均呈回字型，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。交叉型人工魚礁由鋼筋混凝土構(gòu)成3 m × 3 m × 3 m正方體，魚礁單體邊長為3 m，人工魚礁單體體積為27空m3，外框?qū)?.25 m，中間交錯(cuò)形方柱寬0.3 m。相較于大字型和米字型魚礁單體，回字型和交叉型魚礁單體的內(nèi)部構(gòu)建位于礁體中部而非側(cè)面?？蚣苄汪~礁單體主要由12個(gè)截面為0.3 m×0.3 m的正方形外框構(gòu)成。實(shí)體型魚礁單體則為實(shí)心正方體，為研究中補(bǔ)充的極端礁體參考。本研究中的大字型和米字型人工魚礁主要應(yīng)用于福建省海洋牧場建設(shè)，回字型和交叉型人工魚礁主要投放于東海區(qū)海洋牧場，框架型人工魚礁以其簡單的結(jié)構(gòu)特征優(yōu)勢在各個(gè)海洋牧場中均有投放。

圖1 人工魚礁結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 單位魚礁布設(shè)模式與計(jì)算域

為分析不同魚礁結(jié)構(gòu)的單位魚礁流場效應(yīng)，本研究均選擇投放量適宜且流場效應(yīng)最佳時(shí)的間距作為單位魚礁建設(shè)規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)(郭禹等, 2019)，故研究中的6種單位魚礁均為4×4的均勻布設(shè)模式，布設(shè)間距均為1.5倍魚礁單體邊長。

數(shù)值實(shí)驗(yàn)計(jì)算域范圍以單位魚礁邊長(side length of unit artificial reef,lu)的倍數(shù)為基礎(chǔ)參數(shù)，來流面至單位魚礁迎流面的長度為3lu，單位魚礁尾至出流面長度為15lu，魚礁左、右側(cè)面至水槽壁面均為3lu，水深設(shè)為魚礁單體的10倍，來流方向與單位魚礁迎流面角度為90°，來流速度(inlet velocity,i)為1.0 m/s，具體數(shù)值實(shí)驗(yàn)計(jì)算域如圖2所示。數(shù)值實(shí)驗(yàn)中，入口邊界條件為速度入口，出口邊界條件為速度出口，人工魚礁表面與計(jì)算域底面均為壁面邊界條件，采用無滑移邊界參數(shù)，計(jì)算域側(cè)面與上頂面設(shè)為對稱邊界條件。實(shí)驗(yàn)中流體密度設(shè)為1024 kg/m3，重力參數(shù)為9.81 m/s2。研究中流場數(shù)據(jù)采用ANSYS軟件的大渦模擬模型獲得，模擬數(shù)據(jù)通過驗(yàn)證切實(shí)可用(李珺等, 2010b)。

圖2 單位人工魚礁數(shù)值實(shí)驗(yàn)計(jì)算域

1.3 流場效應(yīng)與人工魚礁規(guī)?；笜?biāo)篩選

本研究中，單位人工魚礁布設(shè)間距均為1.5倍魚礁單體邊長，產(chǎn)生的流場效應(yīng)間均存在協(xié)調(diào)效應(yīng) (郭禹等, 2020)，因此，在選擇流場效應(yīng)規(guī)模指標(biāo)時(shí)，以流場相對體積即人工魚礁產(chǎn)生的整個(gè)流場效應(yīng)區(qū)作為流場效應(yīng)規(guī)模指標(biāo)進(jìn)行說明。本研究分別選擇 4種目標(biāo)速度比(target velocity ratio,tv)作為上升流與背渦流區(qū)選取標(biāo)準(zhǔn)，上升流區(qū)為單位魚礁前端垂向流速分別大于0.05、0.10、0.15和0.20倍來流速度的速度區(qū)域，背渦流區(qū)為單位魚礁后方來流向流速中絕對值分別小于0.70、0.75、0.80和0.85倍來流速度的速度區(qū)域，流場效應(yīng)指標(biāo)還包括相對面積(relative area,r)、相對高度(relative height,r)、相對長度(relative length,r)和流場平均相對速度(average relative velocity,ar)，具體計(jì)算公式如下：

r=max/rm(1)

r=max/lu(2)

r=max/lu(3)

ar=m/i(4)

式中，max為流場最大面積；max為流場最大作用高度；max為流場最大作用長度；m為流場平均速度。

由于本研究單位魚礁建設(shè)模式相同，故代表單位人工魚礁規(guī)模的指標(biāo)僅為魚礁結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，主要包括單體魚礁透空率和空方體積比。單體魚礁透空率(permeability coefficient,p)指沿來流方向人工魚礁區(qū)內(nèi)投影面積與邊界投影面積的比值，空方體積比(volume ratio,v)指魚礁單體實(shí)際混凝土體積與空方體積的比值，6種不同結(jié)構(gòu)人工魚礁單體結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)參數(shù)見表1。

表1 人工魚礁結(jié)構(gòu)指標(biāo)參數(shù)

Tab.1 Structural indicators of artificial reefs

1.4 規(guī)模效應(yīng)模型建立

采用單一指標(biāo)法建立人工魚礁規(guī)模效應(yīng)模型(李松等, 2016)，模型自變量為單位魚礁規(guī)模指標(biāo)，包括目標(biāo)速度比、魚礁單體透空率、空方體積比和相對截面積。因變量分別為上升流與背渦流流場相對體積指標(biāo)，通過分析每個(gè)自變量(魚礁規(guī)模指標(biāo))與流場體積效應(yīng)指標(biāo)間的關(guān)系，建立流場體積效應(yīng)的最佳單一指標(biāo)回歸模型(人工魚礁規(guī)模效應(yīng)模型)(汪嵐等, 2008)。本研究利用MATLAB中的擬合函數(shù)polyfit進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的單元回歸擬合，應(yīng)用nlinfit函數(shù)建立各流場效應(yīng)指標(biāo)與人工魚礁規(guī)模指標(biāo)的多元非線性模型，使用Gauss-Newton法進(jìn)行模型優(yōu)化(董大校, 2009)。

2 結(jié)果與分析

2.1 上升流流場效應(yīng)

不同魚礁單體構(gòu)成的單位魚礁流場效應(yīng)存在一定差異，不同目標(biāo)速度比條件下，6種單位魚礁上升流流場體積效應(yīng)變化規(guī)律見圖3。如圖3所示，代表上升流流場空間范圍的3個(gè)特征指標(biāo)相對體積、相對面積和相對高度均隨著目標(biāo)速度比增加逐漸降低，上升流平均相對速度隨著目標(biāo)速度比增加逐漸增大，4種速度比條件下，各單體類型的單位魚礁上升流相對體積、面積、高度和平均相對速度變化規(guī)律相同。每種速度比條件下，6種差異型魚礁單體的流場相對體積與相對面積由大到小所對應(yīng)的單位魚礁類型依次為：實(shí)體型>米字型>回字型>大字型>交叉型>框架型，其中，實(shí)體型魚礁透空率最小，空方體積比最大，框架型魚礁透空率最大而空方體積比最??；6種魚礁上升流相對高度和速度由大到小對應(yīng)的單位魚礁類型依次為：實(shí)體型>米字型>大字型>交叉型>回字型>框架型，同樣實(shí)體型與框架型魚礁受透空率與空方體積比影響，但其他 4種結(jié)構(gòu)礁體上升流效應(yīng)受透空率與空方體積比影響規(guī)律較小。此結(jié)果說明，上升流效應(yīng)受魚礁結(jié)構(gòu)差異影響，但透空率和空方體積比2個(gè)指標(biāo)不足以表征礁體結(jié)構(gòu)各異的特點(diǎn)。

圖3 6種單位魚礁上升流效應(yīng)

2.2 背渦流流場效應(yīng)

不同目標(biāo)速度比條件下，6種單位魚礁背渦流流場效應(yīng)特征見圖4。如圖4所示，背渦流相對體積、相對面積、相對長度和平均相對速度均隨著目標(biāo)速度比增加逐漸增大，且每種目標(biāo)速度比條件下各類型礁體背渦流效應(yīng)變化規(guī)律相同。其中，交叉型單位魚礁背渦流相對體積最大，其次為回字型人工魚礁，二者結(jié)構(gòu)具有相似特征，即魚礁內(nèi)部構(gòu)件位于礁體中部，而大字型和米字型單位魚礁背渦流相對體積最小，二者在結(jié)構(gòu)上同樣具有相似特征，即魚礁內(nèi)部構(gòu)件位于魚礁側(cè)面。實(shí)體型單位魚礁背渦流相對面積最大，框架型單位魚礁背渦流相對面積最小，其他魚礁相對面積呈2種特征，其一是魚礁體構(gòu)件位于外側(cè)的大字型與米字型單位魚礁，其相對面積低于另一種礁體構(gòu)件位于內(nèi)部的交叉型和回字型單位魚礁。背渦流流場相對長度與速度同樣受魚礁內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)件位置影響，均表現(xiàn)為魚礁體構(gòu)件位于內(nèi)部的單位魚礁流場相對長度與速度高于構(gòu)件位于側(cè)面的魚礁。

圖4 6種單位魚礁背渦流效應(yīng)

此結(jié)果進(jìn)一步說明，透空率和空方體積比是影響結(jié)構(gòu)差異性單位魚礁流場效應(yīng)的因素，即可作為表征魚礁結(jié)構(gòu)差異的特征指標(biāo)，但并不完全。本研究根據(jù)流場效應(yīng)受魚礁結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件位置差異影響的規(guī)律，提出迎流面相對截面積(relative cross-sectional area of MR,sa)指標(biāo)用于表征礁體結(jié)構(gòu)差異特征，迎流面相對截面積是指人工魚礁單體迎流面礁體實(shí)際面積與總面積的比值，大字型、米字型、交叉型、回字型、框架型和實(shí)體型魚礁相對截面積分別為0.59、0.70、0.36、0、0.36和1。

2.3 上升流體積效應(yīng)模型

以上升流與背渦流效應(yīng)研究中影響結(jié)構(gòu)差異性人工魚礁上升流流場相對體積變化的因子為自變量，分別分析人工魚礁上升流相對體積隨各自變量因子的變化規(guī)律。圖5～圖7分別為目標(biāo)速度比、透空率和相對截面積3個(gè)魚礁建設(shè)指標(biāo)與上升流相對體積的擬合效果圖。其中單位魚礁空方體積比雖然影響上升流相對體積，但上升流相對體積與空方體積比間無明顯的函數(shù)關(guān)系，故模型建立時(shí)不考慮此項(xiàng)。如圖5所示，上升流相對體積隨目標(biāo)速度比增加呈冪函數(shù)變化，單元回歸模型基本形式為u1=0.424u–1.71，2= 0.91；上升流相對體積隨透空率的增加呈現(xiàn)逐漸遞減的二次函數(shù)關(guān)系，其單元回歸模型基本形式為u2=0.831p2–11.481p+54.393，2=0.90；上升流相對體積隨迎流面相對截面積取值增加呈先降低后增加的二次函數(shù)關(guān)系，回歸模型基本形式為u3=3.581sa– 15.903sa+37.87，2=0.97；根據(jù)單元回歸模型建立上升流體積綜合評價(jià)模型，模型公式的一般形式為u=a1ua2+b1p2+b2p+c1sa+c2sa。

圖5 速度比與上升流相對體積擬合效果

圖6 透空率與上升流相對體積擬合效果

圖7 相對截面積與上升流相對體積擬合效果

最終得到均勻布設(shè)模式下結(jié)構(gòu)差異性人工魚礁上升流體積與魚礁結(jié)構(gòu)指標(biāo)的定量關(guān)系：

u=0.448u–1.679–p(29.868p–6.921)

+sa(56.18sa–35.42)

式中，u為目標(biāo)速度比，p為魚礁透空率，sa為迎流面相對截面積。模型主要分為3項(xiàng)，分別為目標(biāo)速度比項(xiàng)0.448u–1.679、魚礁透空率項(xiàng)p(29.868p–6.921)和迎流面相對截面積項(xiàng)sa(56.18sa–35.42)，3項(xiàng)均為各自獨(dú)立項(xiàng)，彼此間無相互聯(lián)系。結(jié)構(gòu)差異性單位魚礁上升流相對體積效應(yīng)模型適用于人工魚礁結(jié)構(gòu)重要參數(shù)的選擇。以實(shí)際人工魚礁結(jié)構(gòu)特性為基礎(chǔ)，上升流體積效應(yīng)模型各參數(shù)取值范圍分別為：流場目標(biāo)速度比取值為大于0的任意實(shí)數(shù)；人工魚礁透空率取值范圍為0

在對模型極限值分析中，目標(biāo)速度比項(xiàng)值最小為0；當(dāng)單位魚礁透空率值越大，透空率項(xiàng)值越小，對上升流相對體積增加量越大；當(dāng)魚礁迎流面相對截面積值為0時(shí)，相對截面積項(xiàng)值越大，對上升流相對體積增加量越大，當(dāng)相對截面積值為0.795時(shí)，相對截面積項(xiàng)值最小，對上升流相對體積正效應(yīng)越小。因此，若投放正方體魚礁時(shí)，當(dāng)以上升流相對體積為選擇依據(jù)，對應(yīng)最佳相對體積狀態(tài)的魚礁結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)參數(shù)選擇規(guī)律分別為：魚礁透空率值越大越好，建議當(dāng)迎流面相對截面積小于0.795時(shí)，值越大越好；當(dāng)大于0.795時(shí)，值越小越好。

用上升流相對體積回歸模型求解出的各單位魚礁結(jié)構(gòu)指標(biāo)下相應(yīng)流場相對體積擬合值與模擬值數(shù)據(jù)對比結(jié)果及對應(yīng)殘差(圖8)。通過回歸模型計(jì)算的上升流相對體積值與數(shù)值實(shí)驗(yàn)值基本一致，殘差數(shù)據(jù)顯示，上升流體積模型不存在異常值點(diǎn)，模型擬合效果較好。上升流相對體積回歸模型規(guī)劃值與模擬值相對誤差為18.72%，2=0.90，說明此回歸模型擬合效果較好，=188，大于α(0.1)=2.17，說明回歸方程總體顯著成立，該方程可以較準(zhǔn)確地反映單體結(jié)構(gòu)差異特征指標(biāo)對上升流流場體積的影響效果與規(guī)律。

圖8 上升流相對體積回歸值與殘差

2.4 背渦流體積效應(yīng)模型

圖9～圖12分別為目標(biāo)速度比、空方體積比、透空率和相對截面積4個(gè)魚礁結(jié)構(gòu)指標(biāo)與背渦流相對體積的擬合效果圖。如圖9所示，背渦流相對體積隨著目標(biāo)速度比增加呈現(xiàn)逐漸增加的二次函數(shù)關(guān)系，模型基本形式為u1=1830u2–128u+56，2=1；背渦流相對體積隨魚礁空方體積比呈現(xiàn)先增加后降低的二次函數(shù)關(guān)系，模型基本形式為u2=–4.8v2+32.936v+ 44.756，2=0.89；背渦流相對體積隨透空率增加同樣呈現(xiàn)先增加后降低的二次函數(shù)關(guān)系，模型基本形式為u3=–2.9p2+20.41p+54.22，2=0.88；背渦流相對體積隨著迎流面相對截面積取值增加呈先降低后增加的二次函數(shù)關(guān)系，模型基本形式為u4=7.139sa– 48.839sa+137.33，2=0.92；根據(jù)單元回歸模型建立背渦流體積綜合評價(jià)模型，模型公式的一般形式為b=a1u2+a2u+b1p2+b2p+c1v2+c2v+d1sa+d2sa。

圖9 速度比與背渦流相對體積擬合效果

圖10 空方體積比與背渦流相對體積擬合效果

圖11 透空率與背渦流相對體積擬合效果

圖12 相對截面積與背渦流相對體積擬合效果

最終得到結(jié)構(gòu)差異性單位魚礁建設(shè)模式下流場背渦流相對體積與單位魚礁結(jié)構(gòu)指標(biāo)的定量關(guān)系：b=u(1830u–128)–v(95v–105)+

p(138p–154)–sa(418sa–180)

式中，u為目標(biāo)速度比，v為空方體積比，p為魚礁透空率，sa為魚礁迎流面相對截面積。背渦流相對體積模型主要包括4項(xiàng)，分別為目標(biāo)速度比項(xiàng)u(1830u–128)、空方體積比項(xiàng)v(95v–105)、透空率項(xiàng)p(138p–154)和迎流面相對截面積項(xiàng)sa(418sa–180)，4項(xiàng)同樣為各自獨(dú)立項(xiàng)，彼此間無相互聯(lián)系。背渦流相對體積規(guī)模效應(yīng)模型中，魚礁結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)參數(shù)取值范圍分別為：流場目標(biāo)速度比取值為大于0的任意實(shí)數(shù)，空方體積比取值范圍為0

在對模型極限值分析中，目標(biāo)速度比項(xiàng)取值最小值為0；當(dāng)魚礁空方體積為0.905～1時(shí)，隨空方體積比增加，空方體積比項(xiàng)值越大；空方體積比為1時(shí)取得最大值，對背渦流相對體積增加量越??；當(dāng)空方體積比為0.452時(shí)，空方體積比項(xiàng)值最小，對背渦流相對體積增加量則越大；當(dāng)魚礁透空率取值在0.95～1之間時(shí)，隨著透空率取值增加，透空率項(xiàng)取值越大，相應(yīng)對背渦流體積增加量越大；當(dāng)透空率為0.476時(shí)，透空率項(xiàng)值最小，對背渦流相對體積增加量則越??；當(dāng)魚礁迎流面相對截面積值越大，相對截面積項(xiàng)取值越小，對背渦流相對體積增加量越大。因此，若投放正方體魚礁時(shí)，當(dāng)以背渦流相對體積為選擇依據(jù)，對應(yīng)最佳相對體積狀態(tài)的魚礁結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)參數(shù)選擇規(guī)律分別為：建議當(dāng)空方體積比小于0.452時(shí)，取值越大越好；當(dāng)空方體積比大于0.452時(shí)，取值越小越好；建議優(yōu)先選擇空方體積比為0.452的魚礁結(jié)構(gòu)；建議當(dāng)透空率小于0.476時(shí)，取值越小越好，當(dāng)透空率大于0.476時(shí)，取值越大越好，建議避免選擇透空率為0.476的魚礁結(jié)構(gòu)；相對截面積建議取值越大越好。

用結(jié)構(gòu)差異性單位魚礁背渦流相對體積回歸模型求解出的各單位魚礁規(guī)模指標(biāo)下相應(yīng)流場相對體積擬合值與模擬值數(shù)據(jù)對比結(jié)果及對應(yīng)殘差見圖13。通過回歸模型計(jì)算的背渦流相對體積值與數(shù)值實(shí)驗(yàn)值基本一致，殘差數(shù)據(jù)顯示背渦流相對體積模型不存在異常值點(diǎn)，模型擬合效果較好。背渦流相對體積回歸模型規(guī)劃值與模擬值相對誤差值為3.5%，2=0.99，說明回歸擬合效果較好，=1500，大于α(0.1)=2.17，說明總體回歸方程顯著成立，則該方程可較準(zhǔn)確的反映結(jié)構(gòu)差異性單位魚礁規(guī)模指標(biāo)對流場體積的影響效果與規(guī)律。

圖13 背渦流相對體積回歸值與殘差

3 討論

人工魚礁單體結(jié)構(gòu)差異直接影響魚礁建設(shè)的經(jīng)濟(jì)投入與作用效果(Perkol, 2006; Ajemian, 2015; 王佳浩等, 2020)，合理選擇魚礁單體結(jié)構(gòu)是保證經(jīng)濟(jì)、高效人工魚礁建設(shè)的基礎(chǔ)。本研究通過對 6種內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異性正方體魚礁結(jié)構(gòu)的單位魚礁流場效應(yīng)進(jìn)行分析，獲得不同礁體結(jié)構(gòu)人工魚礁流場特征規(guī)律。根據(jù)對魚礁結(jié)構(gòu)特征與流場效應(yīng)間的相互關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步通過定量方式建立上升流與背渦流流場體積規(guī)模效應(yīng)模型，提出基于正方體結(jié)構(gòu)魚礁以流場體積效應(yīng)最優(yōu)化為目標(biāo)的魚礁結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)參數(shù)值選擇建議。具體如下：當(dāng)以上升流相對體積最優(yōu)為建設(shè)依據(jù)時(shí)，魚礁透空率取值越大越好；當(dāng)迎流面相對截面積小于0.795時(shí)，迎流面截面積取值越大越好；當(dāng)大于0.795時(shí)，迎流面截面積取值越小越好；避免選擇相對截面積為0.452的魚礁結(jié)構(gòu)。當(dāng)以背渦流相對體積最優(yōu)為選擇依據(jù)時(shí)，建議當(dāng)空方體積比小于0.452時(shí)，空方體積比取值越大越好；當(dāng)空方體積比大于0.452時(shí)，空方體積比取值越小越好；優(yōu)先選擇空方體積比為0.452的魚礁結(jié)構(gòu)；當(dāng)透空率小于0.476時(shí)，透空率取值越小越好；當(dāng)透空率大于0.476時(shí)，透空率取值越大越好；避免選擇透空率為0.476的魚礁結(jié)構(gòu)；相對截面積取值越大越好。

本研究中，實(shí)體型人工魚礁的上升流與背渦流相對體積、面積、高度和速度均為6種礁中最大值，框架型魚礁為最小值，其中實(shí)體型魚礁自身空方體積比最大且透空率最小，而框架型魚礁正相反，說明開口形狀相同時(shí)，僅以空方體積比和透空率2個(gè)指標(biāo)可以代表礁體的結(jié)構(gòu)差異，且透空率越小，流場效應(yīng)越弱(宋朝祥, 2018; 龐運(yùn)禧等, 2017)。而大字型、米字型、交叉型和回字型魚礁內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀不同，單位魚礁流場特征隨空方體積比和透空率的變化存在差異，說明當(dāng)魚礁單體不僅開口比大小存在差異，且其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征也不同時(shí)，空方體積比與透空率不足以表示流場特征的變化規(guī)律(Jiang, 2016)，因此，本研究首次提出表征礁體結(jié)構(gòu)差異特征的指標(biāo)迎流面相對截面積，并得出此3個(gè)指標(biāo)可較為準(zhǔn)確地評價(jià)流場特征的結(jié)論。同時(shí)得出，單體內(nèi)部構(gòu)建位于礁體內(nèi)部的魚礁流場效應(yīng)高于構(gòu)建位于外部的魚礁結(jié)構(gòu)，此觀點(diǎn)為人工魚礁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論參考。

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Flow Field Effect of Cube Reef Monocase of Different Structure

GUO Yu1, QIN Chuanxin1,2①, ZHANG Shouyu3

(1. South China Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, National Agricultural Experimental Station for Fishery Resources and Environment, Dapeng, Guangzhou, Guangdong 510300, China; 2. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Guangzhou, Guangdong 511458, China;3. Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

The differences in artificial reef structure is one of the main factors affecting the scale effect of the flow field. We selected six widely-used types of reef monocases, namely Da-zi, Mi-zi, Hui-zi, Frame, Cross, and Solid artificial reefs, to study the influence of reef body structure characteristics on the flow field effect in a uniform layout model and further establishe the scale effect model of structurally different unit reefs. The results showed that, based on the law of flow field effect, the indices of reef structure characteristics were volume ratio, permeability coefficient, and relative cross-sectional area of reef monocase. The volume effect model of upwelling wasu=0.448u–1.679–p(29.868p–6.921)+sa(56.18sa–35.42), and the back eddy volume model wasb=u(1830u–128)–v(95v–105)+p(138p–154)–sa(418sa–180). Finally, based on the volume effect model of the flow field, we propose suggestions for selecting structural parameters of the reef body, which provides reasonable parameter guidance for the structural design of an optimal reefbased on the flow field volume.

Flow field effect; Unit reef; Volume effect model; Numerical experiment; Cube reef monocase

QIN Chuanxin, E-mail: qincx@scsfri.ac.cn

S953

A

2095-9869(2022)02-0001-10

10.19663/j.issn2095-9869.20201102001

* 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“藍(lán)色糧倉科技創(chuàng)新”專項(xiàng)(2018YFD0900905)、中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2020YJ04; 2020SY01)、南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州)人才團(tuán)隊(duì)引進(jìn)重大專項(xiàng)(GML2019ZD0402)、防城港市白龍珍珠灣海域國家級海洋牧場示范區(qū)礁區(qū)地形掃測(魚礁探測)和海洋環(huán)境要素狀況與漁業(yè)資源狀況調(diào)查評估項(xiàng)目(FCZC2019-G3-10045-GXYL)共同資助 [This work was supported by National Key Research and Development Plan: Blue Granary Technology Innovation Project (2018YFD0900905), Central Public-Interest Scientific Institution Basal Research Fund, South China Sea Fisheries Research Institute, CAFS (2020YJ04; 2020SY01), Southern Ocean Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou) Talent Team Introduced Major Special Projects (GML2019ZD0402), Survey and Evaluation Project of Topographic Survey (Artificial Reef Detection), and Marine Environment Element and Fishery Resources of the National Marine Ranch Demonstration Area in Bailong Pearl Bay, Fangchenggang City (FCZC2019-G3-10045-GXYL)]. 郭 禹，E-mail: guoyu25895177@163.com

秦傳新，副研究員，E-mail: qincx@scsfri.ac.cn

2020-11-02,

2020-11-18

郭禹, 秦傳新, 章守宇. 基于結(jié)構(gòu)差異性正方體魚礁的流場效應(yīng)研究. 漁業(yè)科學(xué)進(jìn)展, 2022, 43(2): 01–10

GUO Y, QIN C X, ZHANG S Y. Flow field effect of cube reef monocase of different structure. Progress in Fishery Sciences, 2022, 43(2): 01–10

(編輯 馬璀艷)