波浪作用下箱網(wǎng)式浮魚礁水動力特性分析

曲秉東

摘要：箱網(wǎng)式浮魚礁在實際使用中，常在波浪作用下表現(xiàn)出不同的動力方向，故而加強水動力特性分析很有必要。在此之上，本文簡要分析了箱網(wǎng)式浮魚礁的特征，并從構(gòu)建浮魚礁研究模型、以圖像傳感器采影像、精準化處理采集影像、明確浮魚礁受力方向等方面予以論述，以此為浮魚礁的合理利用指明新的方向。

關(guān)鍵詞：波浪作用;箱網(wǎng)式浮魚礁;水動力特性

前言：箱網(wǎng)式浮魚礁是人工魚礁的重要類型，它主要具備魚類棲息、誘集作用，若將其應用于漁業(yè)、撈捕行業(yè)，有利于維護海洋環(huán)境的均衡性。一般而言，浮魚礁適合多種魚藻、貝類海洋生物的棲息。而隨著水源流動方向的變化，浮魚礁也將隨之出現(xiàn)運動，為了進一步發(fā)揮出浮魚礁作用，還需針對水動力特性進行深究，便于提出可行性建議，用于消除波浪刺激下浮魚礁產(chǎn)生的不良影響。

一、箱網(wǎng)式浮魚礁的特征

人工魚礁主要是為水生生物提供棲息場所的結(jié)構(gòu)，也常作為捕魚業(yè)誘捕魚類生物的重要途徑。經(jīng)過放置人工魚礁，可達到大范圍捕捉魚類的目的，如（圖一）所示。一般而言，其材料多以高聚乙烯、尼龍、泡沫等材料為主，也可選用建筑廢料等，由此產(chǎn)生生態(tài)保護作用。至于箱網(wǎng)式浮魚礁，是將人工魚礁設計成箱體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的浮動類魚礁。結(jié)合相關(guān)研究成果，可發(fā)現(xiàn)，此類別魚礁的穩(wěn)定性優(yōu)良，而且其形成的框架結(jié)構(gòu)能夠容納更大規(guī)模的水生生物。因此，在選擇浮魚礁時，還需從容納量、透水性等方面進行考慮，便于設計后的人工魚礁擁有廣泛的使用范圍。本文具體以PVC+PE材質(zhì)的浮魚礁作為研究對象，分析出現(xiàn)波浪時，它的水動力特性情況，經(jīng)過綜合分析后，可為后續(xù)浮魚礁的有效利用提供依據(jù)，甚至可增加誘捕成功率，促進漁業(yè)的長遠發(fā)展。

二、波浪作用下箱網(wǎng)式浮魚礁水動力特性研究內(nèi)容

（一）構(gòu)建浮魚礁研究模型

為了進一步驗證箱網(wǎng)式浮魚礁在波浪作用下的水動力特性，需先行建模，以此消除實踐中風力、溫度等多個因素對實驗結(jié)果的干擾。其中建模環(huán)節(jié)，需確定好模型的質(zhì)量，常按照，根據(jù)水的密度（ρ）、浮魚礁PE網(wǎng)衣體積（vm1）、水的體積（vm2）計算出模型質(zhì)量，之后以計算出浮力差。式中ρw、vp、分別代表的是流體密度、流體體積、理論模型數(shù)量，以此掌握波浪作用下，水浮力的變化規(guī)律。

在模型中選擇的各種材料材質(zhì)都應當與實際浮魚礁材質(zhì)相同，其中可按照等比例縮放的方式，將模型設計為與實際浮魚礁尺寸相當?shù)难芯磕Ｐ汀Ｖ髤⒄諛藴实膮?shù)設計要求，調(diào)整好各項參數(shù)值，便于得出最為可靠的研究成果。其中可細分為箱網(wǎng)式浮魚礁的PVC箱體部分、PE網(wǎng)衣以及PE錨繩。關(guān)于箱體的尺寸可設計為長寬分別為16cm，高為24cm，徑長20mm，其密度值為646kg/m3。至于網(wǎng)衣的尺寸以長寬為64cm、24cm為主，徑長15mm，密度為950kg/m3。在建模后，需將模型作為研究對象，通過給予波動力，判斷浮魚礁模型是否出現(xiàn)移動，這樣才能確定浮魚礁在真正使用中，一旦遇到波浪，是否會發(fā)生位置偏差，并提出可行性加固措施，維護浮魚礁的運行穩(wěn)定性[1]。

（二）以圖像傳感器采影像

在本次研究項目中，還專門借助圖像傳感器，對研究中的水動力特性進行直觀記錄，這樣才能有事實依據(jù)的總結(jié)箱網(wǎng)式浮魚礁在波浪沖擊下的運動軌跡。首先，研究者需對箱網(wǎng)式浮魚礁模型進行實時跟蹤，包括在流體刺激下，它的運動曲線圖等。在研究中所選用的設備可以具備連續(xù)攝像功能的圖像傳感器，它能夠通過對運動光學理論的應用，實現(xiàn)光學影像的合理轉(zhuǎn)化。經(jīng)過研究后可發(fā)現(xiàn)：其中選用的采集裝置，能夠達到0.1mm精度，便于更加細化的分析出受到波浪作用影響前后的數(shù)據(jù)差異;其次，相關(guān)人員還需在正式攝影前，對其模型所在位置進行記錄，將其設為對照組，然后將波浪作用下浮魚礁的水動力影響設為觀察組，觀察兩組是否存在對比價值。經(jīng)過多組實驗中，可對其數(shù)據(jù)實施比對;最后，還需對其采集過程進行規(guī)范化調(diào)整。如運行前需對其進行調(diào)試，運行后維持設備靜態(tài)操作等，這樣才能保證使用后，在圖像采集設備的參與下，能夠獲得可靠的觀察數(shù)據(jù)。其中還需注意的是：相關(guān)人員需確定好研究周期，一般以兩分鐘為主，按照每秒10幀的標準調(diào)整圖像傳感器。隨著幀數(shù)的增加，其精準度也會更高，故而應圍繞研究要求，注重幀數(shù)的調(diào)整，保證本次研究后形成的多則數(shù)據(jù)能夠起到參考作用。

（三）精準化處理采集影像

在長達兩分鐘的研究中，對于浮魚礁模型各個點位圖像信息的采集與分析，可得出最終偏差值。本文專用SPSS 21.0軟件聯(lián)合MATLAB軟件處理數(shù)據(jù)與圖像，若經(jīng)過分析后，波浪作用前后圖像數(shù)據(jù)處理后得出的P值<0.05，則代表此次研究結(jié)果具備統(tǒng)計學意義。同時，還可以運用MATLAB軟件對圖像實施灰度操作，使其保持255灰度范圍內(nèi)，在黑白對比下，可對圖像中的各個拍攝點的前后偏差進行確定。通常在未遭遇波浪作用前，浮魚礁模型保持不動。而后在波浪作用下，它將朝著不同方向進行運動，其中可根據(jù)同一個追蹤點的前后比對結(jié)果，繪制出對應的影像圖，最終發(fā)現(xiàn)：在多個測量點變化長度測量后，基本上保持0.448mm，這表明波浪作用確實會對浮魚礁的水動力情況帶來一定影響[2]。

（四）明確浮魚礁受力方向

相關(guān)人員需運用浪高儀控制波浪作用的強度以及高度，之后根據(jù)波高數(shù)據(jù)分析在兩分鐘內(nèi)，圖像采集點的運動方向以及偏差程度，并做出對應的總結(jié)，以此作為解決浮魚礁不穩(wěn)定問題的原因調(diào)查依據(jù)。其中以下述兩組不同的波高為例予以研究：每4秒發(fā)動一次4.56cm波高、每2.1秒發(fā)動一次16.62s的波高，之后對其追蹤點的變化規(guī)律進行分析，由此可證明隨著波高的上升，其追蹤點的變化幅度有所增加，而且以前、下兩個方向為具體運動方向。這主要源于箱網(wǎng)式浮魚礁是由四個角分別懸掛錨繩的方式，使其保持平穩(wěn)運行。在波浪沖擊下。16.63cm波高下，浮魚礁模型將出現(xiàn)76mm（正向）、72mm（負向）的偏差情況。而隨著波高周期的變化，其偏差也確實出現(xiàn)了明顯差異，由此知曉：波浪作用與其波浪發(fā)生頻率也有密切關(guān)聯(lián)。經(jīng)過波高的上升正負向偏差值有所減小。關(guān)于浮魚礁模型在波浪作用下水動力特性分析結(jié)果的總結(jié)，可按照相同倍數(shù)的擴大，判斷浮魚礁在實際使用中也會根據(jù)模型變化結(jié)果，出現(xiàn)不同程度、不同方向的偏差情況。同時，相關(guān)研究者研究后可發(fā)現(xiàn)：它的偏差方向多以前向運動、下沉方向為變化主導。為了進一步維持浮魚礁的運行安全，還可對其進行加固，使其有能力抵抗波浪沖擊。同時，還可以反作用力抗衡的方式，對其上方、后方兩個方向施加壓力，使其在波浪作用下，能夠自行發(fā)出應力消除的指令，促進浮魚礁的自動化運行。

結(jié)論：綜上所述，基于波浪作用下，箱網(wǎng)式浮魚礁在實際運行中，也將隨著波浪作用，而出現(xiàn)下沉、前飄。對此，可從建模、采集影像、處理影響、受力方向等方面著手，便于調(diào)整錨繩固定方式，增加其穩(wěn)固度，為浮魚礁的正常使用奠定基礎。只有浮魚礁在海中保持穩(wěn)定的運行狀態(tài)，才能達到最優(yōu)化誘集效果，以免擾動魚群，破壞浮魚礁的使用效果。

參考文獻：

[1]張健，馮德軍，王萍，等.波浪作用下箱網(wǎng)式浮魚礁水動力特性研究[J].中國水產(chǎn)科學，2019，26（05）：1014-1020.

[2]潘昀，楊鳳婷，畢春偉，等.中上層浮魚礁最優(yōu)單錨系泊方式研究[J].大連理工大學學報，2021，61（02）：172-179.