網片出水條件下波高和水深對其水動力特性的影響

楊 熙，劉 燦，潘 昀，馮德軍，施圣鈴，桂福坤

(1.浙江海洋大學船舶與海運學院，浙江舟山 316022；2.國家海洋設施養殖工程技術研究中心，浙江舟山 316022)

海洋圍網養殖工程一般可依托于外側海島進行一面或多面圍攔，養殖魚類、貝類等水產經濟動物，是新近發展起來并極具應用前景的一種生態養殖模式。近些年隨著新材料、新工程工藝、海洋環境適應能力等的快速發展，新的圍網養殖工程結構型式也不斷出現[1-3]。因此，以提高養殖水產的產量和質量為目的，研究圍網養殖工程的水動力安全特性以及研發適用于圍網養殖的養殖裝備和高效養殖技術，成為大型圍網養殖工程設計和研發的前沿問題[3-4]。

以時間和水域空間為主線，圍網養殖的發展主要分為兩個階段：第一階段，由20 世紀20 年代日本的河流攔網養殖到20 世紀50 年代中國湖泊、灘涂圍欄養殖，一般在灘涂3～5 m 的淺水區域進行養殖；第二階段，由2008 年我國出現的海洋圍網養殖到2012 年成功投入運營的養殖水域面積大、工程結構安全性能高、運營管理高效的大面積海洋圍網養殖工程，養殖水深達到10～15 m 以上。以水產養殖業及海岸工程技術的發展為主線，由早期的竹筏圍網逐漸發展成為采用HDPE 管道和樁網結構(鋼管樁、預制樁、金屬網、柔性網)圍成多種形狀(方形、多邊形、圓形)的單體圍網或組合式圍網，同時結合連岸工程、防護工程、運輸工程、綜合管理平臺，正努力向機械化、智能化、休閑漁業產業化的方向發展。從已獲得的經濟效益可以得出，海洋圍網養殖工程為海洋養殖提出了嶄新的發展方向和技術理論。近年來，隨著人們對水產養殖業養殖品質和養殖效益的提高，助推了養殖模式和養殖工程技術的發展，海洋生態圍網養殖應運而生。相比灘涂圍欄養殖和港灣圍網養殖，生態圍網養殖在工程結構型式上出現多樣化，養殖水體和養殖水域面積越來越大(養殖水體達3×104m3)[5]。圍網養殖工程的安全是養殖生產成敗的關鍵，研發新型的圍網養殖工程結構首要是提高養殖工程的抗風浪性能和適應復雜的海洋動力環境。

圍網養殖工程水平尺度為百米級至千米級，垂直尺度為十米級，主要由網衣系統、網衣支撐系統、浮力和錨泊系統、底部防逃逸系統等部分構成，各系統構件的幾何尺寸又在幾毫米至幾十米之間，材料差異性較大，所以目前對整體圍網養殖工程的安全評估的研究較少，往往針對圍網養殖工程的各個系統或者重要構成單元(比如樁網結構[6-7]、浮體[8-9]與錨泊[10])進行研究。陳天華等[11-13]采用集中質量點法數值模擬了波浪和水流作用下樁柱間網片不同部位的運動及受力分布特性，從網片的網線張力分布、結節偏移和系縛點受力3 個角度出發，分析了波高、波向、網片尺寸、固定方式和綱繩因素對樁柱式圍網網片水動力特性的影響。深究上述研究發現，圍網網片均在完全淹沒(始終在波谷波面以下)條件下所得出的結論，而波浪對樁柱式圍網養殖工程網片水動力特性在出水條件下和完全淹沒條件下既有相似之處，亦有差別。因此，在原有采用集中質量點法建立圍網養殖工程網片波浪水動力模型的基礎上添加網片出水判斷模塊，深入探討網片網結的最大偏移量和網線的最大拉力大小和位置受波浪高度和水深變化的影響規律。實際圍網養殖工程網片垂直高度為固定值，在不同的波浪要素條件下，網片出水(高于波峰波面)為常態，因此出水條件下探討波浪對網片水動力的影響非常有意義。

1 數值模擬方法

主要使用集中質量點法計算和模擬樁柱式圍網養殖工程網片在波浪作用下的受力和運動。網片主要由網線和網結構成，網片除自身重力外，波浪作用下還受到波浪力和相鄰網線的拉力。網片的波浪力根據莫里森波浪力公式計算，其中網線概化成圓柱桿件，網結視為球體。相鄰網線的拉力根據相鄰兩網結的空間位置，概化成彈簧，使用胡克定律進行計算。具體數值模擬方法均已經發表在文獻[11-13]中，所以本節內容僅描述圍網網片出水條件下波浪理論和網片受力計算的處理方法以及網片結構尺寸的不同之處。

1.1 波浪理論

波浪的水質點速度和水質點加速度與文獻[11-13]中的方法保持一致，使用線性波理論，統一波浪的波陡(H/L)為0.05，波浪周期根據彌散方程計算。與之不同的是在計算任意網片集中點位置(x，y，z)的水質點速度和水質點加速度時，首先根據相同時刻的波面線(式(1))進行判斷是否出水，再對z 進行修正，如式(2)所示把zd 作為z 的修正位置進行計算。計算修正后的zd 位置的波浪水質點參數更符合出水條件下實際特點。

式(1)和式(2)中以靜水面位置為x 軸，垂直向上為z 軸，規定波浪沿y 正方向傳播。η 為水面變化，a 為波浪振幅，k 為波數，ω 為圓頻率，d 為水深，zd 為修正后的位置坐標。

網片出水條件的判斷方法為相同時刻網片質量集中點的z 坐標與波面線η 的關系：如果z 大于η，水質點速度和加速度均為0；如果z 小于或等于η，水質點速度和加速度使用式(2)中zd 的值進行計算。

1.2 網片波浪力計算

假定網片是由有限的無質量彈簧連接的集中質量點所構成，通過計算集中質量點在波浪和邊界條件作用下的位移，獲得網片的形狀[11-13]。模型的集中質量點設于每個網目目腳的兩端，每個集中質量點包含網目的1 個網結和2個目腳，如圖1 所示，其中任意集中點4 根網線的拉力沿順時針方向依次命名為f1～f4。

圖1 網片集中質量點模型及網線拉力示意圖Fig.1 Model of lumped mass point of net and schematic diagram of thread tension

運動網衣受到的波浪力可根據莫里森方程計算，需要使用相對水質點速度[6]，如式(3)。假定網目的結節為圓球，其水動力系數在運動方向上是恒定的；把目腳看作為圓柱形桿件，笛卡爾坐標系下取3 個方向的水動力系數，詳細見表1。在目腳上建立局部坐標系，計算當波浪入射方向與網線夾角時目腳的波浪力。

式中VR為水質點相對速度；Vwater為波浪的水質點速度；V0為網片集中點的運動速度。針對式(3)需要特別指出的是，當網片質量集中點的z 坐標大于波面線η 的時，Vwater=0，但在某同一時刻V0并非為0。所以，網片出水條件判斷后，VR也應根據z 坐標與波面線η 的關系進行判斷是否強制為0。

1.3 網片幾何參數

根據已建設的樁柱式圍網養殖工程，概化出了如圖2 所示的網片作為主要研究對象，網片所有網線上、左、右所有網目系縛在水平樁柱和垂直樁柱上，水平尺寸為5 m，垂直高度為12 m，靜水深為10 m，即有2 m 的網衣露出水面。網目的縮節系數為水平縮結系數0.66，垂直縮結系數0.75?？紤]計算效率，數值模型中采用網目群化方法[14]將相鄰64 個網目合并為一個等效大網目。表1 中所列的模型計算參數與文獻[11-13]相同，計算結果與相應物理模型試驗結果驗證良好。

圖2 圍網養殖網片數值計算模型Fig.2 Numerical model for the net of pile-column type net enclosure aquaculture engineering

表1 網片幾何和模型計算參數Tab.1 Net model setting parameters

1.4 模型計算組次

針對波浪的基本要素和圍網網片的出水特點，設計了波高組和水深組分別探討波高和水深對網片水動力特性的影響，具體工況見表2。所列工況中僅考慮了網片與波向夾角為90°的情況，因為網片正面遭受波浪作用的破壞強度最大，并且以網線中線為對稱軸，網片兩側的波浪水動力特性相互對稱，所以不再考慮網片與波向夾角對網片水動力特性的影響。其中，每組工況均模擬計算30 s，網片運動在1 個波浪周期內達到穩定，因此結果分析數據選取后15 s 的穩定值。

表2 模擬工況Tab.2 Simulation conditions

2 波浪對網片水動力特性的影響

網片由網線和網結構成，因此從網線的運動偏移和網線拉力，即微觀細節上分析波浪高度對出水條件下網片水動力特性的影響。如表2 所計算組次所示，波高和水深是影響網結偏移和網線拉力分布影響的主要因素。

2.1 波高對網片偏移量及網線拉力分布的影響

由于波浪90°正面入射作用與圍網網片上，而網片所有的結點系縛固定在垂直樁柱和水平樁柱及海底，所以如圖2 所示，j=13 列網結伴隨波浪運動的偏移量應是最大值。對應表2 中的波高組波浪條件，圖3為j=13 列所有網片網結在1 個波浪周期（具體周期見表2）內的運動軌跡?？梢缘贸?，網片在出水條件下，負偏移值即為波谷時掃掠過的軌跡，與波峰時的正偏移值并不對稱；與不出水條件下結論一致，網片的運動偏移量以及掃掠軌跡的大小均與波高成正比。從圖3(6)可以看出，最大偏移量在波浪傳播方向(波峰)和反方向(波谷)上的值并不相等，反而反方向上的偏移量略大。

圖3 不同波高波浪作用下網片最大偏移量位置處(j=13)15 s 內運動軌跡及最大偏移量變化Fig.3 Motion trajectory within 15 s (j=13) at the position of maximum motion displacement of the net under wave action of different wave heights,and change of maximum motion displacement

討論波浪作用下網線的最大拉力分布的位置與最大拉力值同樣重要，由于網線的拉力與網結(集中點)的空間位置有關，也就是在網片運動偏移量達到最大時，網線拉力達到最大。所以首先討論網片最大偏移量以及相應發生的時刻就顯得十分重要，通過判斷和記錄圖1 中所有波高組次發生網片最大偏移量所對應的時刻，然后分別比較所有網結f1～f4(圖1 所示任意結點順時針方向命名)的大小，分波浪傳播正方向和反方向尋找到最大的f1～f4 的大小及z 方向位置。通過分析結果發現，最大網線拉力的位置的f1 和f4的值基本相等，f2 和f3 的值基本相等，說明網線拉力是按照f1-f4-f1-f4-f1……和f2-f3-f2-f3-f2……傳遞于各個結點，這與文獻[11-13]所得結論一致。因此，圖4(1)僅分正、負偏移方向f1 和f2 進行了z 方向位置展示?？梢缘贸觯翰ǚ鍟r，隨著波高的增大，最大f1、f4 和f2、f3 的位置在靜水面上方且受波高的影響較??；波谷時，隨著波高的增大，最大f1、f4 和f2、f3 的位置在靜水面下方且受波高的影響較大，最大f2、f3 的位置比最大f1、f4 底2～4 m。圖4(2)中最大網線拉力值隨著波高的變化與以往的研究并無較大差異。

2.2 水深對網片偏移量及網線拉力分布的影響

不同水深和相同波高(H=3 m)作用下，同樣j=13 列網結伴隨波浪運動的偏移量是最大值。對應表2 中的水深組波浪條件，圖4 為j=13 列所有網結在1 個波浪周期（7s）內的運動軌跡?？梢缘贸觯W片在出水條件下，負偏移值即波谷時掃掠過的軌跡面積隨著水深的增大而增大，當水深較小時(如圖5 中(1)和(2)、(3))可以看出左側的網結軌跡在出水條件下出現雜亂的抖動，這與水下的網線瞬時的張力有關。從圖5(6)可以看出，最大偏移量在波浪傳播方向(波峰)和反方向(波谷)上的值并不相等，反而在大水深時反方向的偏移量略大。

圖5 不同水深波浪(H=3 m)作用下網片最大偏移量位置處(j=13)15 s 內運動軌跡及最大偏移量變化Fig.5 Motion trajectory within 15 s (j=13) at the position of maximum motion displacement of the net under wave action of different water depths,and change of maximum motion displacement

圖4 最大網線拉力分布及受波高影響Fig.4 The maximum thread tension distribution and the effect of wave heights

同理，通過判斷和記錄圖1 中所有水深組次發生網片最大偏移量所對應的時刻，然后分別比較所有網結f1～f4(圖1 所示任意結點順時針方向命名)的大小，分波浪傳播正方向和反方向尋找到最大的f1～f4的大小及z 方向位置。與波高組工況結果一致，最大網線拉力位置的f1 和f4 的值基本相等，f2 和f3 的值基本相等。因此，圖6(1)僅分正、負偏移方向f1 和f2 進行了z 方向位置展示?？梢缘贸觯核顬?0 m 時，不僅正方向最大網線拉力的位置達到最高，而且也發生轉變（隨水深增加而降低）；負方向最大網線拉力的位置受水深變化的影響較小。圖6(2)給出了最大網線拉力值隨著水深的變化的情況，最大網線拉力隨著水深的增大而減小，但當網片頂端與靜水面齊平時（即水深為12 m），最大網線拉力將發生轉變，稍微增大。

圖6 最大網線拉力分布及受水深影響(H=3 m)Fig.6 The maximum thread tension distribution and the effect of water depths（H=3 m）

3 討論

波浪對樁柱式圍網養殖工程網片水動力特性在出水條件下和完全淹沒(始終在波谷波面以下)條件下網片網結的最大偏移量和網線的最大拉力大小和位置受波浪高度和水深變化的影響規律既有相似之處，亦有差別。實際的圍網養殖工程網片垂直高度為固定值，在不同的波浪要素條件下，網片出水(高于波峰波面)為常態，因此出水條件下探討波浪對網片水動力的影響非常有意義。陳天華等[11-13]在完全淹沒條件下得出，波高對網線最大拉力和結點最大偏移都有顯著的影響，網線最大張力和結節最大偏移隨波高的增大迅速增加。由圖3(6)和圖4(2)明顯看出，該結論與出水條件下一致。不同之處是最大偏移量在波浪傳播方向(波峰)和反方向(波谷)上的值并不相等，反而反方向上的偏移量略大。深究網片結點上所有網線的拉力大小和分布，發現圖1 中網線拉力f1 和f4 的值基本相等，f2 和f3 的值基本相等，也就是說明網線拉力是按照對角形式傳遞于各個結點。波峰時，隨著波高的增大，最大f1、f4 和f2、f3 的位置在靜水面上方且受波高的影響較?。徊ü葧r，隨著波高的增大，最大f1、f4 和f2、f3 的位置在靜水面下方且受波高的影響較大，最大f2、f3 的位置比最大f1、f4 底2～4 m。這些規律與完成淹沒條件下網線最大張力發生在網片上端兩側，結節最大偏移發生在網片上部，位置都不受波高影響等有很大不同。

為了進一步闡明出水條件下網片的波浪水動力特性，論文還對比分析了定波高(H=3 m)，多組水深條件下網片網結偏移量和最大網線拉力的分布變化。研究發現，存在2 個特殊的水深導致網片最大網線拉力位置和大小發生明顯變化：（1）當網片頂端與波峰波面較為接近時，網結上4 根網線的拉力極值垂向分布差異較大，此時網片受到全部波浪的作用，網片的受力所以發生轉變；（2）網片頂端與靜水面齊平時，網片只受到波谷至靜水面部分波浪的作用，所以最大網線拉力并不再隨著水深的增加而減小，相當于網片下沉受到了水體的保護。

4 結論

對出水條件下樁柱式圍網養殖工程網片波浪水動力特性進行了數值模擬研究，分析探討了不同波高和水深下的網片偏移量、網線拉力分布及最大網線拉力，得到以下基本結論：

(1)網片最大偏移量在波浪傳播方向(波峰時刻)和反方向(波谷時刻)數值不相等，反方向上的偏移量略大，而淹沒條件下(網片垂直高度低于波谷波面)接近對稱分布。

(2)網片網線拉力沿對角形式傳遞于相鄰結點。隨著波高的增大，最大網線拉力在波峰時刻的位置在靜水面上方且受波高的影響較小，而在波谷時刻的位置在靜水面下方且受波高的影響較大。

(3)當網片的垂向高度與波峰波面較為接近時，網片網線的拉力極值垂向分布差異較大，當網片的垂直高度與波峰波面齊平時，最大網線拉力并不再隨著水深的增加而減小。

由以上主要結論可知，實際應用中，由于網結上4 根網線最大拉力分布并不在同一位置，任一網線達到極限拉力值都將導致網片破裂，需要更多關注設計波高條件下波峰至波谷范圍內網片的加固設計和防破壞措施。在相同的波高條件下，仍需要考慮低潮位時期圍網工程的安全。