天津海洋牧場人工魚礁投放誤差研究

徐曉甫,曾祥茜,李英,房恩軍,賈磊,郭彪

(1.天津市水產(chǎn)研究所 天津 300221;2.天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院 天津 300457;3.天津市海洋牧場技術(shù)工程中心 天津 300221)

0 引言

人工魚礁是一種為漁業(yè)生物提供索餌和庇護(hù)場所、改善海域水體環(huán)境并實(shí)現(xiàn)漁業(yè)生物增殖的人造水下構(gòu)造物[1]。它們通常由人工制作的結(jié)構(gòu)物、廢棄物或特定材料構(gòu)成,并在海底或水體中的特定區(qū)域進(jìn)行投放。近年來,人工魚礁得到了越來越多國家和地區(qū)的關(guān)注和應(yīng)用[2-5]。

合理的人工魚礁布局可以提供多樣化的棲息地和生境,可以增加海洋生物的多樣性,從而促進(jìn)物種的繁衍和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定,這對于保護(hù)和維護(hù)海洋生態(tài)系統(tǒng)的健康具有重要意義[6-8]。然而,由于GPS定位的精度、深度測量的準(zhǔn)確性、人為操作技巧的差異以及潮汐、洋流、風(fēng)浪等自然因素的影響,人工魚礁投放的實(shí)際位置與規(guī)劃位置可能有差異,致使人工魚礁對海洋生物的吸引力、漁業(yè)資源的利用以及礁體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性與預(yù)期不符[9-10]。

目前,針對人工魚礁投放誤差的研究已經(jīng)逐漸成為海洋牧場研究的熱點(diǎn)問題,一些研究已經(jīng)探討了誤差的來源及對人工魚礁效果的影響。趙靜等[10]為評價人工魚礁的投放誤差并制定相應(yīng)的評價標(biāo)準(zhǔn),選擇港灣、島礁、開闊等典型海域的海洋牧場,以重心位置、外圍面積、重疊面積、礁體數(shù)量以及平均間距等指標(biāo)作為衡量標(biāo)準(zhǔn),在每個魚礁單元的層面上進(jìn)行了誤差計算和分析,進(jìn)而為魚礁投放評價標(biāo)準(zhǔn)的制定提供有力依據(jù);沈天躍[11]通過研究人工魚礁投放誤差的分布情況,采用了一種結(jié)合等寬離散化法和類依賴度離散化法的方法,對連續(xù)型的人工魚礁投放誤差范圍進(jìn)行了離散化處理,并建立了評價結(jié)果等級制與百分制之間的轉(zhuǎn)換規(guī)則,制定了兩種投放誤差的等級標(biāo)準(zhǔn)。

為了修復(fù)渤海灣海洋生態(tài)環(huán)境及增殖漁業(yè)資源,2010年天津市啟動了大神堂海洋牧場的建設(shè),該海洋牧場于2015年被農(nóng)業(yè)部批復(fù)為首批國家級海洋牧場示范區(qū),目前已構(gòu)建海珍品增殖型人工魚礁、魚類養(yǎng)護(hù)礁、海藻場以及鮑、海參、海膽、貝、魚和休閑漁業(yè)為一體的復(fù)合模式,為天津海域漁業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和漁民的增產(chǎn)增收做出了重要貢獻(xiàn)[12-14]。

天津海洋牧場人工魚礁的投放布局考慮了多種因素,包括潮流場、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、生物資源現(xiàn)狀、功能群構(gòu)建等,以保證最優(yōu)的流場效應(yīng)、穩(wěn)定性、集魚效果和礁體壽命[15]。本研究聚焦于天津大神堂國家級海洋牧場示范區(qū)(天津海洋牧場),重點(diǎn)關(guān)注設(shè)立為國家級海洋牧場示范區(qū)之后的投放區(qū)域,基于前人的研究成果,考慮人工魚礁及礁群的重心位置、外圍面積、重疊面積以及礁體數(shù)量等指標(biāo),量化天津海洋牧場人工魚礁的投放誤差,以期準(zhǔn)確定位和解決誤差問題,提高人工魚礁的實(shí)際效果,為相關(guān)政策制定提供科學(xué)依據(jù),并指導(dǎo)實(shí)際的管理實(shí)踐。

1 研究區(qū)域

天津海洋牧場位于渤海灣西北部區(qū)域,與天津大神堂牡蠣礁國家級海洋特別保護(hù)區(qū)相鄰,面積13.6 km2(圖1)。截至2018年年底,天津海洋牧場共投放各種規(guī)格的人工魚礁(鋼筋混凝土構(gòu)建)29 348塊,空方共計10.88萬m3。

圖1 天津海洋牧場空間位置Fig.1 Location of Tianjin marine ranching

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2020年10月至2021年3月,本研究利用美國Edge Tech?公司生產(chǎn)的4205型側(cè)掃聲吶對天津海洋牧場海床進(jìn)行了整體聲學(xué)探測。該設(shè)備頻率為540 k Hz,水平分辨率為10 cm,可滿足天津海洋牧場人工魚礁識別的需求。天津海洋牧場區(qū)域水深較淺,為減少船舶尾流的干擾,現(xiàn)場作業(yè)采用前拖的方式進(jìn)行[16],設(shè)置掃寬為雙側(cè)各50 m?？臻g定位信息來源于亞米級差分式GPS,側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)處理軟件采用Sonar Wiz 5,該軟件將反向散射回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖像亮度信息,最后利用ArcGIS 10.3軟件對側(cè)掃聲吶圖像進(jìn)行了整體拼接和鑲嵌,形成天津海洋牧場側(cè)掃整體圖像,并將人工魚礁信息矢量化。通過人工聚合,可將2015 年、2016年和2018 年投放的人工魚礁分別劃分為28個、28個和21個礁群(圖2),此3 個年份在天津海洋牧場被正式批復(fù)為國家級海洋牧場示范區(qū)之后,更具代表性。

圖2 人工魚礁空間分布Fig.2 Spatial distribution of artificial reefs

2.2 研究方法

根據(jù)前人研究的成果[9-11],本研究將重心誤差、外圍面積誤差、重疊面積誤差以及礁體數(shù)量誤差等4個指標(biāo)來評價天津海洋牧場人工魚礁投放誤差,以評估天津海洋牧場人工魚礁投放準(zhǔn)確性。

2.2.1 重心誤差

重心誤差指投放礁群的重心與前期規(guī)劃礁群重心之間的偏差,計算公式為:

式中:Δd為實(shí)際魚礁與規(guī)劃魚礁之間重心的距離;x,y為規(guī)劃投放礁群最小幾何面積的重心坐標(biāo);x0,y0為實(shí)際礁體所圍成的最小幾何面積的重心坐標(biāo)。

式中:δW為所求的重心偏移誤差;L為規(guī)劃的礁群對角線長度。

2.2.2 外圍面積誤差

外圍面積誤差是指規(guī)劃與實(shí)際投放礁群最小幾何面積的偏差,外圍面積誤差的計算公式為:

式中:δP為單位魚礁的外圍面積改變的相對誤差值;S0為魚礁規(guī)劃方案中的外圍面積;S為實(shí)際測量的外圍面積。

2.2.3 重疊面積誤差

重疊面積誤差是指規(guī)劃與實(shí)際投放礁群重疊面積與規(guī)劃面積的比值,取值范圍為[0,1],0代表完全重疊,1 代表完全分離,重疊面積誤差計算公式為:

式中:δOA為魚礁的實(shí)際測量區(qū)域與規(guī)劃設(shè)計方案區(qū)域之間的重合程度的比例;S I為魚礁實(shí)際投放區(qū)域和規(guī)劃方案區(qū)域之間重疊的面積;S0為魚礁的規(guī)劃設(shè)計方案的面積。

2.2.4 礁體數(shù)量誤差

礁體數(shù)量誤差是指規(guī)劃與實(shí)際投放礁群中人工魚礁個體數(shù)量的差異,礁體數(shù)量誤差公式為:

式中:δN為礁體數(shù)量誤差;N為實(shí)際測量的人工魚礁的個體數(shù)量;N0為規(guī)劃設(shè)計方案中的礁體的個體數(shù)量。

3 研究結(jié)果

3.1 重心誤差

重心誤差可用以評估礁體的整體布局是否在正確的范圍內(nèi),圖3 和表1 中展示了天津海洋牧場人工魚礁礁群的重心偏差。從表1 中可以看出,重心的誤差最大值為1.48,出現(xiàn)于2015年,最小值為0.03,出現(xiàn)于2018 年,平均值為0.59,重心誤差較大。從年際變化來看,重心的誤差逐年減小,2018 年在最小值、最大值、平均值、范圍、標(biāo)準(zhǔn)差及方差上均為歷年最小,可見隨著時間的推移,操作人員技術(shù)的熟練,投礁的準(zhǔn)確性逐年提高。

表1 礁群重心誤差Table 1 Center of gravity error of reefs

圖3 礁群重心誤差Fig.3 Center of gravity error of reefs

3.2 外圍面積誤差

外圍面積的誤差,代表了礁體間距的偏差,對礁群的控制區(qū)間和聯(lián)合效果有重要影響,適宜礁群面積和礁體間距通常能提供更充足的生物棲息空間,支持更多的生物種類生存和繁衍,有助于形成豐富的生態(tài)系統(tǒng),吸引更多的魚類和其他海洋生物聚集。圖4和表2中天津海洋牧場人工魚礁礁群的外圍面積誤差,從表2中可以看出,外圍面積的誤差最大值為0.58,最小值為-2.21,均出現(xiàn)于2015年,總體平均值為-0.11,表明實(shí)際投放的礁群外圍面積略大于規(guī)劃的礁群外圍面積,礁群外圍面積符合預(yù)期目標(biāo)。從年際變化來看,2015年的變化范圍最大,2016年次之,2018 年的變化范圍最小,表明投礁的外圍面積穩(wěn)定性逐年提高;2016年的外圍面積誤差絕對值最小,2015 年次之,2018 年最大,這可能是由于2018年投礁區(qū)域位于海洋牧場中間區(qū)域,周邊分布著以往年份投放的礁體,投礁難度較大,而2016年和2015年投礁區(qū)域位于海洋牧場外圍區(qū)域,投礁難度較小,2016年外圍面積誤差顯著小于2015年,表明投礁工作的準(zhǔn)確度提高較為明顯。

表2 外圍面積誤差Table 2 Peripheral area error of reefs

圖4 外圍面積誤差Fig.4 Peripheral area error of reefs

3.3 重疊面積誤差

重疊面積誤差代表投礁區(qū)域范圍的偏差,值越小,表明實(shí)際投放與規(guī)劃設(shè)計越相符。圖5 和表3是天津海洋牧場人工魚礁礁群的重疊面積誤差,從表3中可以看出,重疊面積的誤差最大值為1,最小值為0.18,平均值為0.73,表明重疊面積誤差較大,實(shí)際投放與規(guī)劃設(shè)計的范圍符合度平均只有0.27,并且存在完全不重疊的礁群。從年際變化來看,重疊面積誤差最小的是2018年,平均值為0.42,且不存在完全背離規(guī)劃設(shè)計的礁群,投礁的范圍準(zhǔn)確度較高,而2015年和2016年重疊面積誤差值均達(dá)到了0.85,并且有多個礁群完全背離規(guī)劃設(shè)計的范圍,投礁的范圍準(zhǔn)確度較低。

表3 重疊面積誤差Table 3 Overlap area error of reefs

圖5 重疊面積誤差Fig.5 Overlap area error of reefs

3.4 礁體數(shù)量誤差

礁體數(shù)量代表著礁群的規(guī)模,礁體數(shù)量的增加通常會增加人工魚礁的總面積和可利用空間,提供更多的棲息場所和保護(hù)環(huán)境,從而改善漁業(yè)資源的豐富度和多樣性。圖6和表4展示了天津海洋牧場人工魚礁礁群的礁體數(shù)量誤差,從表4中可以看出,礁體數(shù)量誤差最大值為0.62,最小值為-0.24,平均值為0.067,表明單個礁群的實(shí)際投礁數(shù)量與規(guī)劃投礁數(shù)量有差異,但總體數(shù)量差異較小。從年際變化來看,礁體數(shù)量誤差最大值和最小值均出現(xiàn)于2015年,其誤差均值也最大,而2018年的誤差范圍和誤差均值都為最小,表明2018年實(shí)際投礁數(shù)量最符合規(guī)劃設(shè)計。

表4 礁體數(shù)量誤差Table 4 Quantity error of reefs

4 討論

礁體布局是人工魚礁建設(shè)取得良好生境修復(fù)和資源增殖效果的關(guān)鍵因素[17-20],天津市水產(chǎn)研究所以計算流體動力學(xué)為技術(shù)手段,研究了天津海洋牧場中“444”三列、“464”三列、“12345”五列三角形、“34543”五列正六邊形等人工魚礁配置組合的流場效應(yīng),優(yōu)選了較好地發(fā)揮礁區(qū)調(diào)控作用的礁體布局方案[15]。

海洋牧場人工魚礁實(shí)際投放狀況與規(guī)劃方案的礁體布局之間經(jīng)常存在不同程度的偏差,影響其調(diào)控作用,無法完全實(shí)現(xiàn)海洋牧場人工魚礁區(qū)域的生態(tài)修復(fù)和漁業(yè)增殖效果。迄今,國內(nèi)外均沒有權(quán)威和統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對人工魚礁的投放準(zhǔn)確性進(jìn)行科學(xué)和合理的量化評估,嚴(yán)重影響了海洋牧場人工魚礁投放效果的驗(yàn)收和評價,無法探知人工魚礁投放誤差的來源,人工魚礁投放準(zhǔn)確性的提高途徑尚待解決。

本研究利用重心誤差、外圍面積誤差、重疊面積誤差以及礁體數(shù)量誤差等4個指標(biāo),從不同角度對天津海洋牧場人工魚礁的投放準(zhǔn)確度進(jìn)行了探討。從整體上看,天津海洋牧場人工魚礁投放的外圍面積誤差平均值為-0.11,礁體數(shù)量誤差平均值為0.067,投放布局準(zhǔn)確性是比較高的;而重心誤差平均值0.59,重疊面積誤差為0.73,表明投放定位的準(zhǔn)確性相對較差,需要進(jìn)一步改進(jìn)。從年際變化來看,與2015年和2016年相比,2018 年人工魚礁投放的重心誤差、重疊面積誤差、礁體數(shù)量誤差均有明顯改善,僅外圍面積誤差略大,表明隨著時間的推移,人工魚礁投放布局和定位的準(zhǔn)確性均已達(dá)到預(yù)期效果。

人工魚礁建設(shè)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程,礁體投放是其中一個重要環(huán)節(jié),受很多因素的影響:①定位準(zhǔn)確性。不準(zhǔn)確的定位信息可能導(dǎo)致魚礁的投放位置與預(yù)期位置存在差異,導(dǎo)致誤差。②海洋環(huán)境變化。海洋環(huán)境具有復(fù)雜性和多變性,包括海流、潮汐、風(fēng)等因素的影響,可能導(dǎo)致人工魚礁在投放后發(fā)生位移或偏移,增加投放誤差。③施工操作誤差。人工魚礁的投放是通過船只或其他設(shè)備來完成的,而施工操作中可能存在人為操作誤差,如投放力度、角度、速度等方面的差異。④材料和設(shè)計問題。如果人工魚礁設(shè)計不合理或材料質(zhì)量不佳,可能導(dǎo)致魚礁在投放后失去平衡或破損,進(jìn)一步增加誤差。

天津海洋牧場在建設(shè)過程中,施工人員總結(jié)歷年的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn),依據(jù)上述影響因素,有針對性地改進(jìn)投放技術(shù)和方案,人工魚礁的投放誤差逐年減小,投放效果達(dá)到預(yù)期。

在本研究中,選取了4個誤差指標(biāo)作為評估依據(jù),有效地評價了天津海洋牧場的人工魚礁投放準(zhǔn)確性。在未來的研究中,可通過進(jìn)一步增加誤差指標(biāo)的數(shù)量,構(gòu)建合理的評價標(biāo)準(zhǔn)體系,從而確定各個誤差指標(biāo)的影響程度,量化人工魚礁投放誤差的等級,更好地支撐海洋牧場人工魚礁的建設(shè)和規(guī)劃。