新型人工魚礁材料節能減排效果的初步研究

楊倩+袁榕+楊軍+馬成龍+于佳禾

摘要：我國漁業資源日益衰退，海洋污染不斷擴大，新型人工魚礁材料的研發將成為修復和優化海域生態環境，建設節能減排、可持續發展海洋牧場的關鍵要素。探索人工魚礁新材料節能減排效果將有助于節約建設成本，實現經濟效益最大化，科學評估魚礁區建設效果以及節約建設成本。

通過分析人工魚礁的制造組分，運用CO2排放量計算關系式：Q=（E×A-B）×R×44/12，對其不同條件下的碳排放量進行對比計算，探討了不同礁型、材質下的人工魚礁所產生的碳排放量。

關鍵詞：人工魚礁材料；節能減排；生態環境；經濟可持續

一、研究背景

（一）漁業發展現狀

近年來，漁業捕撈強度逐漸增加，海洋污染范圍不斷擴大。我國海洋漁業資源的衰退現象日益嚴重，尤其是近海的漁業資源更是匱乏。海水養殖業作為對海洋捕撈資源的補充行業，逐漸得到了快速發展。但海水養殖帶來的環境、病害及質量安全問題日益凸顯，漁業發展中的資源與環境以及由此帶來的一系列問題已成為制約我國海洋水產養殖業乃至海洋漁業可持續發展的主要因素之一。

當前主要海洋國家已將戰略發展要點轉到海洋牧場的開發與研究之中，一些發達國家也對此投入較大的精力。由此可見，海洋牧場的發展已成為當今海洋領域研究的主要趨勢。海洋牧場的迅速發展也帶動了一個領域——人工魚礁的設計與制造，對于新型人工魚礁的節能減排效果進行研究已成為一項重要課題。

（二）海洋牧場的興起

“海洋牧場”是指在一定海域內，采用規模化漁業設施和系統化管理體制，利用自然的海洋生態環境，將人工放流的經濟海洋生物聚集起來，像在陸地放牧牛羊一樣，對魚、蝦、貝、藻等海洋資源進行有計劃和有目的的海上放養。海洋牧場的相關研究領域主要有音響馴化、魚礁設計、增殖養殖等。

人工魚礁是人為在海中設置的構造物，其目的是改善海域生態環境，營造海洋生物棲息的良好環境，為魚類等提供繁殖、生長、索餌和庇敵的場所，達到保護、增殖和提高漁獲量的目的。它的不同形狀、材質、重量、體積等都影響著礁體在海底的吸附能力。因此對人工魚礁形狀和材質進行研究就顯得尤為重要。

二、人工魚礁的相關內容

（一）人工魚礁的外觀影響

礁體設計的影響因素主要有礁體的大小、結構的設計以及不同材料的選擇。其中，不同材料的比例對魚礁的生產、運輸和使用過程中的碳排放量也有著不同的影響。

1.礁體的大小：

礁體的大小指的是礁體的外形尺寸，主要是寬和高，其取決于水深、流速和水深及魚種。隨著魚礁的事業的發展，礁體大小發生了很大的變化。由簡單到組合，由小型到大型。因此，礁體的大小和設計要考慮到礁體投放的穩定性，礁體建造技術的復雜性，投放的難以程度，并兼顧經濟效益，力求達到集魚效果好、施工簡單、投放方便并且成本低廉。

2.礁體結構的設計：

日本學者曾對人工魚礁的結構進行系統的研究，主要設計了對角型、圓筒形、四角形魚礁單體模型。通過實驗，我們可以定量的分析礁體周圍流體的變化、生物因素以及空間因素的影響范圍。

3.礁體材料的選擇：

隨著人工魚礁的不斷發展，礁體材料的選擇是目前的研究熱點，探尋新型的、節能的、價格低廉的理想材料顯得尤為重要。通過實驗發現，混凝土是比較理想的構筑材料。其強度高、副作用低、結實耐用、成本低廉來源方便，所以在國內被廣泛應用于人工魚礁的的制造。人工魚礁制造常使用的等級是C20，它的配合比為：0.47：1：1.342：3.129，即水泥、沙子、石子配比約等于1：1：3。

（二）魚礁制造材料的實驗分析

1、混凝土魚礁使用的主要材料

（1） 混凝土：

主要由水泥、礦物外摻劑、砂、石以及外加劑組成。水泥和礦物外加劑作為膠結材料，起著將砂石膠結并形成強度的作用。其中硅酸三鈣是主要膠結材料。其等級為C2O，水泥、沙子、石子配比約等于1：1：3。

（2）煤粉灰：

它的主要作用在于改善混凝土的流動性和黏聚性，本身沒有強度。在實驗過程中，我們通過調整它在混凝土的含量，將其作為唯一變量，探究不同條件下礁體的碳排放量。

（3）貝殼粉：

貝殼粉雖然有一定強度，但是相對于煤粉灰而言粘合度較低。它具有低能耗、易獲得、成本低等優點，它主要作用是在于混凝土的后期強度的增長。

（4）外加劑：

外加劑的作用很多，保證混凝土強度，改善混凝土的和易性、耐久性、施工性，是混凝土中必不可少的材料之一。

（5）水泥：

作為常見的建筑材料，水泥在生產和運輸過程中的碳排放量是比較大的。其在人工魚礁材料中主要是起到改善混凝土黏聚性的作用。

2.實驗思路

①實驗思路：在正常C20配比強度下，用貝殼粉（需提前做成分分析）來改變水泥的添加量，替換水泥的量為0%、10%、15%、20%、25%、30%。測試指標玄武巖纖維無捻粗紗一樣，并做海底生物指標測試。

②實驗思路：在正常C20配比強度下，用粉煤灰來改變水泥的添加量，替換水泥的量為0%、10%、20%、30%、40%、50%。對應著做海水浸泡檢測和生物指標測試。

3.實驗結果及碳排放量的計算

通過實驗發現，在人工魚礁的制造過程中，它的強度等級采用混凝土C20，水泥、沙子、石子配比約等于1：1：3。

按照單個魚礁重2.37噸計算，水泥熟料的CO2排放因子為0.86，單個傳統魚礁CO2排放量約2.04噸。使用貝殼粉、粉煤灰等新材料調整魚礁材料配比，通過改變水泥含量，在不改變甚至加強混凝土強度的前提下顯著降低碳排放量，達到節能減排的效果。

三、探尋新型人工魚礁材料的重要意義

1.環保意義

①人工魚礁建設可有效增加浮游植物的密度和生物量，提高海區的初級生產力；進行低碳、環保型礁體材料的研制，將通過降低人工魚礁制造過程中的碳排放量，在一定程度上擴大人工魚礁生態系統固碳的范圍，實現礁體本身的固碳作用。

②保護海域水質和底質，實現生態修復。通過海洋牧場建設，建立健康的近海生態系統，可對海洋水質和底質起到有效的調控和修復作用。

2.經濟意義

①經濟成本較低。由于新型人工魚礁建造成本低，取材容易，并且其化學成分使其在海水中的性能穩定，具有很強的耐腐蝕功能，而且易被生物附著，可使水域中生物種類和生物量快速增長。

②人工魚礁在海底會形成一個較適宜魚類生存的生態環境，此種方式具有養殖成本低，成品品質優良等特點，經濟效益較高。

③新型人工魚礁材料的研究不僅會降低碳排放量，減少能耗，在材料的選材中還會使得企業減少高造價原料的使用，降低生產成本，有利于經濟的可持續發展。

參考文獻：

[1]田濤，陳勇，陳辰，劉永虎，陳雷，王剛，張曉芳.獐子島海洋牧場海域人工魚礁區投礁前的生態環境調查與評估[J].大連海洋大學學報endprint