三亞灣海洋牧場人工魚礁結構設計及穩定性分析

陳小艷, 謝 琳, 王發云

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三亞灣海洋牧場人工魚礁結構設計及穩定性分析

陳小艷, 謝 琳, 王發云

(海南省海洋與漁業科學院, 海南 海口 570125)

作者基于海南三亞灣海洋牧場海域的海況條件、漁業資源狀況, 根據波流動力學理論設計一種箱形魚礁礁體以聚集魚類, 并對該礁體進行了穩定性計算。結果表明, 該礁體在實際投放水深為–25 m、波高為8.45 m、流速為0.8 m/s時, 礁體最大受力為27 422 N, 滑動安全系數為1.55, 滾動安全系數為2.49, 滿足礁體穩定條件, 在研究海域不會發生漂移及傾覆, 能為今后海南省人工魚礁建設提供重要的理論依據。

人工魚礁; 箱形; 穩定性

人工魚礁是指人們為改善海域生態環境, 為魚類等水生生物的聚集、索珥、繁殖、生長和避敵提供安全的棲息場所, 達到保護、增殖漁業資源和提高漁獲量的目的而在水中經過科學選點而設置的構造物[1]。20世紀70年代以來, 世界上大多數沿海國家陸續建造人工魚礁, 取得了一定的生態效益和經濟效益, 特別是美國、日本等經濟發達國家已投入大量財力, 廣泛利用人工魚礁建成了許多誘集魚類、增殖漁業資源的漁場[1-2]。在中國, 雖然人工魚礁建設起步較晚, 但經過了20多年的實踐和思考, 近年來對人工魚礁的作用及人工魚礁建設的重要性有了更進一步的深刻認識和體會, 走耕海牧漁的道路已成為當前和今后相當長的一個時期內振興沿岸近海漁業的重點方向之一[2]。當前, 中國漁業資源衰退和海洋環境污染等問題逐漸嚴峻, 而人工魚礁建設是一項改善和修復被破壞的海洋生態環境、恢復和保護海洋漁業資源的有力舉措之一。2010年, 三亞市編制了《三亞近海海洋牧場規劃》, 提出將于未來10年內在近海建設8個“海洋牧場”, 旨在通過海洋牧場開展熱帶海洋生態觀光和海上垂釣等活動, 促進三亞市海洋漁業經濟的可持續發展。目前三亞已建設4個海洋牧場, 分別在蜈支洲、紅塘灣和三亞灣海域, 其中三亞灣海洋牧場剛起步, 已投放船礁, 現投放礁型比較單一, 需進一步豐富投放礁型以發揮各類礁體的優勢。

人工魚礁設計是一項復雜的系統工程, 應考慮選址的合理性、礁體的耐久性及穩定性等問題[3-4]。其中礁體的穩定性直接影響礁體的功能和使用年限, 如果設計不合理, 將導致魚礁投放后發生滑移、翻滾、碰撞等, 造成經濟損失, 甚至危及航道安全。因此, 對設計的礁體進行穩定性計算, 分析該礁體在投放后是否能夠保持結構的有效性, 從而保證其生態穩定性是相當重要且必要的。作者響應三亞發展規劃要求, 針對三亞灣海洋牧場的水深、波流特點、漁業資源狀況, 設計一種人工魚礁用以誘集魚類, 供魚類繁殖生長和提供避敵場所, 并且對該魚礁進行穩定性分析, 確保魚礁在波、流作用下保持穩定, 不滑動, 不傾覆, 從而為三亞人工魚礁的建設及生態保護與恢復提供基礎數據及理論研究。

1 研究區域與方法

1.1 研究區域概況

三亞位于海南島的最南端, 屬熱帶海洋性季風氣候, 全年盛行東風、東北風和東北偏東風。海域常為南向浪, 波浪主要集中在東南至西南向范圍內。三亞灣口及西側開敞區域以往復性潮流為主, 潮流強度相對較大, 但最大流速均不超過0.8 m/s; 東側受鹿回頭岬角掩護的海域最大流速分別不大于0.4 m/s和0.6 m/s, 并表現出一定的旋轉流特征。從流速分布情況看, 計算區域表層流速最大, 隨著深度增加, 潮流流速逐漸減少, 落潮流速大于漲潮流速。三亞灣中西部海域海底表層以細砂為主, 海底平滑。投放人工魚礁區域水深在–17.5 ~ –25.7 m(1985國家高程基準面)。三亞海域海洋水產資源十分豐富, 可作為增養殖對象的種類主要有53種, 其中重要海水魚類有27種, 包括: 軍曹魚()、卵形鯧鲹()、石斑魚(Epinephelus)、鯛()、尖吻鱸()、鱸魚()、鯔魚()、海馬(Hippocampus)等。該海域主要增殖對象為沿岸性、島礁性魚類。

作者計算水深取–25 m, 潮流流速取0.8 m/s, 以三亞外海–25 m水深處 25年一遇的強浪向波浪作為設計波要素, 根據相關波浪資料, 有效波高為8.45 m,周期為9.78 s, 波長為100 m。

1.2 礁體設計原則

魚礁的結構設計取決于魚類的趨性。對于以魚礁作為棲息場所的魚類來說, 魚礁的空隙是非常重要的條件。魚礁礁體設計時通常要遵循以下基本原則[1]:

1.2.1 良好的透空性

礁體內空隙的數量、大小和形狀將影響礁體周圍生物的種類和數量的多寡。應盡量將礁體設計成多空洞、縫隙、隔壁、懸垂物結構, 使礁體結構有很好的透空性。

1.2.2 增大礁體的表面積

礁體表面積的大小直接關系到礁體上附著生物的數量, 著生在礁體表面的海洋生物是魚類的重要餌料之一, 這對于高度較小的深水魚礁尤其重要, 在礁體的設計中應盡量增大礁體的表面積。

1.2.3 良好的透水性

只有保證礁體內有充分的水體交換, 才能使礁體的表面積得到有效利用, 確保礁體表面固著生物的養料供給。

1.3 穩定性計算方法

1.3.1 流體力計算公式

1.3.2 滑動安全性計算公式

礁體在水中的穩定性主要涉及滑動安全性和滾動安全性兩個方面。要求礁體不被水流沖擊而發生滑動, 此時需滿足礁體與海底間的靜摩擦力大于流體作用力?？傻美硐牖瑒影踩禂档挠嬎闶饺缦?

1.3.3 滾動安全性計算公式

要求礁體不被水流沖至翻滾, 在理想狀態下(假設礁體未陷入泥沙)需滿足礁體的阻抗轉矩大于流體作用力對礁體產生的動轉矩。理想滾動安全系數的計算式如下:

2 結果與分析

2.1 礁體結構

魚礁單體是用于建造魚礁場的單個構造物, 是構成單位魚礁的最基本的單元。魚礁單體形狀多種多樣, 大小和材質也不同, 其構造必須具備良好的流場效應、生物效應, 能夠有效地增殖資源、誘集魚類的功能, 設計時雖沒有統一的標準, 但需要綜合考慮經濟實惠、安全耐用、多空間與表面積、制造與投放方便等因素[1]。

2.2 結構設計分析

目前, 人工魚礁的常用礁型有箱形、框架形、三角形、梯形、異體形等, 作者在優化選型時要考慮一些技術指標要求[3]。如: 礁體表面積與礁體體積之比(即=礁體表面積/礁體體積), 在相同礁體體積情況下, 增大表面積, 則值(表示表面積比系數)就增大。由于附著生物量增多, 所以對增殖類海洋生物魚礁有利; 礁體空方體積與礁體體積之比(=礁體空方體積/礁體體積), 在相同礁體體積情況下, 增大空方體積, 則值(表示空方比系數)就增大, 由于有較大流態效應, 所以對誘集魚類型的魚礁有利; 礁體結構, 它涉及礁體大小和形狀, 對于有多種類型結構的礁體來說, 會使礁體上多種生物受益。等等。

圖1 箱形魚礁結構

相較于其他礁型, 箱形礁體的優點是各項技術指標相對均衡(表1), 尺寸較大, 結構強度較大, 整個礁體可為魚類提供蔽護空間, 適宜多種魚類和底棲類, 可投放于較深海域, 不足之處為耗費混凝土材料較多、制作相對復雜。

2.3 穩定性分析

表1 箱形魚礁單體技術指標表

表2 箱形魚礁穩定性計算表

注: 表中0為利用Excel規劃求解工具求得的最大值,為相應的值; 滑動S和滾動S均為理想安全系數; 表中各字母的含義及單位見上文各公式

因此, 作者所設計箱形魚礁尺寸符合穩定性要求, 即該礁體能夠滿足三亞灣海洋牧場海域的海況條件, 適宜投放, 不會發生漂移、傾覆等失穩現象。

3 討論

作者設計的箱形魚礁清潔環保、堅固耐用; 體積大、符合島礁性魚類特性; 在側面及頂端開孔, 一方面可增加平臺面, 在空方體積一定的情況下減小礁體體積, 有效提高、, 形成更好的流態效應; 另一方面可促進海水流通, 達到良好的透空性和充分的透水性, 有利于聚集魚類, 為海洋生物創造良好的棲息地。根據投放海域的不同水文特點, 可靈活增大或減小側面及頂端開孔的尺寸, 在保證穩定性的同時, 空方體積不會被削減, 礁體性能比較穩定, 有利于推廣使用及成本控制。

相對于已投放于江蘇連云港海州灣的十字型魚礁, 在波流共同作用下的最大受力為2 940 N, 其滑動安全系數為1.58, 滾動安全系數為1.63[7]; 投放于浙江臺州大陳海域的鋼制四方臺型魚礁, 最大受力為24 559 N, 滑動安全系數平均值為1.44, 滾動安全系數平均值為2.23[8]; 投放于浙江嵊泗海域的回字型魚礁, 最大受力為43 178 N, 滑動安全系數為1.78, 滾動安全系數為2.36[9]; 箱形礁體在波流共同作用下, 最大受力為27 422 N, 滑動安全系數為1.55, 滾動安全系數為2.49(表3)。通過比較, 箱形礁體的抗滑移性能基本與前3種魚礁持平, 而抗傾覆性能高于前3種魚礁, 在穩定性方面有了一定提高。

影響礁體抗滑移性能的主要因素是其迎流面積, 影響礁體抗傾覆性能的主要因素是其自重, 箱形魚礁的穩定性能較好的原因就在于其迎流面積和自重比較均衡。與回字形魚礁相比, 在空方體積相等、穩定性能持平的情況下, 體重較輕, 混凝土用料較少, 因此更加經濟。

在對礁體進行抗滑移驗算時, 采用的是理想安全系數計算式, 沒有考慮礁體的沉陷, 雖然礁體的沉陷通常會增加礁體的穩定性, 但是如果沉陷深度過大, 礁體將被大部分掩埋, 從而喪失魚礁應有的作用[7-10], 因此有必要在魚礁投放后觀測礁體的沉陷深度, 研究該礁型的沉陷現象。

表3 與其他投入應用魚礁性能比較

4 結論

箱形魚礁體積大、穩定性較好, 更趨于為魚類提供避敵棲息的場所, 箱體礁體對投放海域環境具有廣泛的適應性, 目前大量應用于中國沿海的許多魚礁工程。

作者對箱形礁體進行了流體力、抗滑移及抗傾覆計算, 結果表明, 箱形魚礁礁體能夠滿足投放海域的海況條件, 適宜在該海區投放。

對礁體進行抗滑移驗算時, 沒有考慮礁體的沉陷, 有必要在今后工作中加以觀測、研究, 為海南省今后的人工魚礁建設提供參考。

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(本文編輯: 譚雪靜)

Structure design and stability analysis of the artificial reef in marine ranching of Sanya Bay

CHEN Xiao-yan, XIE Lin, WANG Fa-yun

(Hainan Academy of Ocean and Fisheries Sciences, Haikou 570125, China)

For the marine ranching of Hainan Sanya Bay, a box-style reef for gathering fish has been designed, based on the states of the sea area and fishery resources. In this paper, we calculate the stability of the reef based on the hydrodynamics of the waves and currents. We determined the maximum force to be 27 422 N and the anti-slide and anti-rolling coefficients to be 1.55 and 2.49, respectively. When the water depth reaches 25 m, the wave height reaches 8.45 m and the velocity of flow reaches 0.8 m/s. These calculation results indicate the effective stability of the reef, which will not slide or roll in this sea area.

artificial reef; box style; stability

Apr. 19, 2017

S953.1

A

1000-3096(2017)10-0019-05

10.11759//hykx 20170419003

2017-04-19;

2017-05-12

海南省自然科學基金項目(20154175)

[Provincial Natural Science Foundation of Hainan, No. 20154175]

陳小艷(1989-), 女, 海南省萬寧人, 助理工程師, 學士, 主要從事海洋工程規劃與設計研究, 電話: 0898-66702361, E-mail: 451889226@qq.com; 王發云,通信作者, 電話: 0898-66702361, E-mail: 95309728@qq.com