開口比變化對人工魚礁流場效應影響的評價

馬荍灃 張瑞瑾 席彥彬 徐佳諾

摘要針對人工魚礁周圍復雜的流場效應進行的研究已經較為成熟，然而對于不同開口比的人工魚礁對流場效應影響的系統評價并未提出。針對一組不同開口比的人工魚礁進行數值模擬，提出關于人工魚礁流場效應影響的評價體系，并對不同開口比的人工魚礁的流場效應進行全面評價。評價結果認為開口單體人工魚礁優于不開口的實心魚礁，但開口不應過大，在單孔魚礁情形下，開口比為004時流場效應最優。

關鍵詞人工魚礁；開口比；流場效應；評價

中圖分類號S953.1文獻標識碼A文章編號0517-6611（2018）05-0105-04

AbstractThe research on complex flow field effect around artificial reef is mature， however， the evaluation of effect of artificial reef with different opening rates on convective field effects was not proposed. Numerical simulation of artificial reef specimens for a set of different openings was carried out，the evaluation system of effect of artificial reef flow field effect was put forward，and the flow field effect of numerical simulation results was evaluated comprehensively. It showed that the opening artificial reef was superior to the nonopening reef，and the opening should not be too large. In the case of singleaperture artificial reef， the flow field effect was optimal when the opening ratio was 0.04.

Key wordsArtificial reef；Open ratio；Flow field effect；Evaluation

人工魚礁是人們在海中經過科學選點而設置的水中構造物，可起到改善海域生態環境，為魚類等水生生物的聚集、索餌、繁殖、生長、避敵等提供必要、安全的棲息場所，以達到保護漁業資源和提高漁獲量的目的[1-2]。產生這樣效果的原因是人工魚礁的放置，會改變原有海域的流場，如產生上升流和背渦流，進而促進上下層水體的交換，加快海底營養物質的循環，提高海域生產力水平，養護漁業資源[3]。對于不同開口比的人工魚礁，其周圍流場效應會有一定的差異[4-5]。對于人工魚礁的研究除了現場生物量調查外，多是針對人工魚礁周圍流場效應進行的水槽、風洞試驗或數值模擬試驗[4，6]。不同魚礁形狀的改變到底對周圍流場會產生多大的影響；同一類型的開口魚礁，多大的開口比對流場的影響更好等這些問題，除了討論上升流和背渦流2個因素外，還缺乏一個完整的評價體系。該研究旨在立足數值模擬結果對人工魚礁不同開口比情況下的流場效應產生的影響進行模糊評價，從而建立初步的人工魚礁流場效應評價體系。

1數值模擬

1.1控制方程

（1）連續性方程：

ux+vy+wz=0（1）

（2）動量守恒方程：

（ρu）t+div（ρuu→）=div（μgradu）-px+Su

（ρv）t+div（ρvu→）=div（μgradv）-py+Sv（2）

（ρw）t+div（ρwu→）=div（μgradw）-pz+Sw

式（1）（2）中u、v和w分別為x、y和z方向速度的分量，t是時間，ρ是密度，u→是速度矢量，μ是動力粘度，p是壓力，div是散度，grad是梯度，Su、Sv和Sw是動量守恒方程的廣義源項。

（3）能量方程：

（ρT）t+（ρuT）x+（ρvT）y+（ρwT）z

=xkcpTx+

ykcpTy+

zkcpTz+ST

（3）

式（3）中，cp為比熱容，T為溫度，k為流體的熱傳導系數，ST為粘性耗散項。需要注意的是雖然能量方程是流體流動與傳熱問題的基本控制方程，但對于不可壓流動，若熱交換量很小以致可以忽略時，可以不考慮能量守恒方程。

1.2選用方法與初始條件

數值模擬部分以不同開口比的人工魚礁為研究對象，采用計算流體力學軟件FLUENT，對魚礁周圍的流場效應進行研究。選取k-ε湍流模型，計算區域尺寸設定為150 cm（長）×45 cm（寬）×60 cm（高），試驗所選取人工魚礁模型尺寸同水槽試驗，為10 cm×10 cm×10 cm的正方體礁塊；選取來流速度作為速度入口條件，流速為18 cm/s。魚礁模型開口比分別取r1=0，r2=0.01，r3=004，r4=0.09，r5=0.16，r6=0.25，如圖1所示。

2數值模擬結果與分析

不同開口大小魚礁的上升流分布情況如圖2，不同開口大小魚礁的背渦流分布情況側視圖如圖3。

隨著開口大小的變化，上升流的規模與強度隨之有一定的變化。如圖4所示，開口越大，上升流的高度相對減小，且上升流的水平跨度也越來越小。但是，當魚礁開口時，礁體中下部區域的上升流有所增大，且開口過大時（r>0.16），此種現象反而不如之前明顯。因此，當魚礁開口時，在一定程度內會促進上升流帶動水體底部營養物質的循環。上升流的最大流速，出現在礁體前段的最上部，其大小隨著開口的變大，呈略微減小的趨勢。

在人工魚礁試件開孔之后，礁體后方區域的流場情況變得愈加復雜。在開口比分別為r=0.01和r=0.04時，人工魚礁后方的向下渦旋和不開口情況相比依然明顯，并且其渦旋在水平方向上的長度呈增加的趨勢，但是隨著開口尺寸的增大，礁體后方的向下渦旋變得越不明顯。數值模擬表明，當礁體開口時，在開孔上方與礁體頂端之間還會產生2個相對較小的反方向渦旋。總之，在人工魚礁開口之后，礁體后方流場情況變得更加復雜，但是隨著開口尺寸的連續增大，礁體后方的渦旋現象越不明顯。因此，在選取指標時，為了充分考慮此礁體后方區域流場情況的復雜性，該研究并非單

一討論背渦流的長度、高度等常用數據，而是選取更合理的回流區的長、寬、高的數據。因為當人工魚礁附近的流場產生回流現象時，在一定程度上對流場水體內微生物、營養物質等對魚類等產生誘集物質的運動有很大的促進作用，并且使回流區域水流速度減緩，為幼魚提供休憩水域，對喜好緩流速的魚類起到誘集作用。如圖5所示，隨著開口大小的變化，礁體后方流場回流區在高度、寬度以及長度出現變化。在開口比為0、0.01、0.04時，回流區長度逐漸增長，在r=004時最大，在r=0.09以后，回流區長度隨開口增大而減小。而回流區的長度和高度，隨著開口大小的變大而不斷減小。人工魚礁開口比大小的改變對回流區長度影響最明顯，以r=0.04時為變化情況的轉折點，可是開口比大小對回流區域的高度和寬度的影響都呈現反比例變化，即隨著開口比大小的增加而不斷減小。

3開口比對人工魚礁流場效應影響的評估

3.1評價指標的選取和評價體系的建立

為建立具有條理清晰的對于人工魚礁流場效應的評價指標體系，應用層次分析法[7]，所建立的指標體系及權重如圖6所示。

3.2人工魚礁開口大小變化對流場效應影響的評價

研究表明，開口大小的變化對魚礁上升流影響不大，但是對魚礁后方區域的影響較大。根據所選指標的數值（表1），建立特征值矩陣X，根據魚礁投放區一般以選擇流速較低地區（近岸地區）為前提，指標特征值越大越優。取最大特征值的相對隸屬度為1，最小特征值的相對隸屬度為0，計算相對優屬度，構造相對隸屬度矩陣。計算評價對象對優劣的廣義距離[8]。最后對任意一種開口情形計算相對優屬度，從而得到各個魚礁流場效應的相對優屬度，最后對其排序，結果見表2。

4結論

根據相對隸屬度排序可知，對于開口人工魚礁，開口較小時產生的流場效應較好。在開口比為0.04時，流場效應最好，其次為開口0.01和0.09時。隨著開口越大，產生的流場效應反而不如開口較小時，產生此現象的原因如下：

上升流流速隨著開口增大逐漸減小，且當開口較大時減小明顯；

上升流高度與上升流水平跨度在開口較小時幾乎沒有變化，但是當開口較大時，上升流高度及水平跨度有一定程度的減小；

在魚礁開口較小時，回流區范圍擴大，但是當開口較大時，由于水流經過開口后流速較大，造成礁體后方不容易產生回流，故回流區范圍反而變小。

該研究建立的評價體系雖可應用于工程實際，但是實際生產中的人工魚礁復雜度較高，在評價工作方面，僅為人工魚礁流場效應影響搭建了一個初步的評價體系，由此選定一些評價指標和參數，其中很多影響因子的考量和權重要在今后的研究和發展中不斷調整和修正。人工魚礁是海洋牧場工程的重要組成部分，其環境作用、生態功能、經濟價值等效果日益顯著。其所構建的生態系統也是一個復雜的結構系統，在今后的研究中有待對人工魚礁的整體效果進行更為全面的指標選擇、體系構建和效果評價，為我國的人工魚礁建設工程提供科學的參考依據。

參考文獻

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