幾種不同類型人工魚礁的穩定性和集魚效果比較

張云嶺 趙祺 齊遵利 張秀文 葉敏 崔晨 石保佳 侯潤

摘?要：根據唐山祥云灣海洋牧場海域具體特點，設計并投放了鋼筋混凝土構件礁（A1、A2、A3、A4）、巖石礁（B1、B2）和船礁（C1）等三種不同性質的魚礁。通過對魚礁抗滑移、抗傾覆參數及集魚效果進行比較，篩選出適宜的人工魚礁礁型。結果顯示：上述幾種礁體抗傾覆系數、抗滑移系數均大于1，保證了礁體在海水中的穩定性。幾種礁體對漁獲量的影響差別較小，從集魚效果上看，最好的是A2型的鋼筋混凝土構件礁。

關鍵詞：人工魚礁;穩定性;集魚效果;礁型

人工魚礁是為了改善海域生態環境，營造海洋生物棲息地，為海洋生物提供繁殖、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，人為投放到海水中的構造物[1]。魚礁投放到海中后形成的上升流、渦流等將海底沉積的營養鹽、有機物釋放到海水中上層，增加了海水的肥度，促進了餌料生物的繁殖生長，改善了海水水質，提高了初級生產力，吸引了更多的生物聚集。魚礁本身的特有結構及其表面附著的生物會形成許多孔隙、洞穴，供底棲生物棲息、躲避敵害，成為海洋生物棲息聚集的良好場所[2]。

通過對三種類型礁體穩定性和集魚效果的比較，確定了適宜唐山祥云灣海洋牧場海域典型泥沙底質特點的人工魚礁礁型。

1?材料與方法

1.1?礁體設計

根據祥云灣海洋牧場泥沙底質特點，制作并投放了方形鋼筋混凝土構件礁、圓臺形巖石礁和船礁等三種魚礁。三種魚礁按“點、線、面”的布局分別投放了36 300空方、225 433空方和2 275空方。三種魚礁礁型設計實物圖見圖1-圖3。

1.1.1?鋼筋混凝土構件礁

A1型礁體：即8孔鋼筋混凝土構件礁，單個礁體規格1.8 m×1.8 m×1.7 m，壁厚12 cm，混凝土強度等級C30，4個側面各開設2個寬0.4 m、高1 m的長方形透水孔，頂口為敞開式。

A2型礁體：即16孔鋼筋混凝土構件礁（橢圓形孔），單個礁體規格、壁厚、強度、頂口同A1，4個側面各開設4個寬0.4 m、高0.3 m的橢圓形透水孔。

A3型礁體：即16孔鋼筋混凝土構件礁（方形孔），單個礁體規格、壁厚、強度、頂口同A1，4個側面各開設4個寬0.4 m、高0.4 m的方形透水孔。

A4型礁體：即12孔鋼筋混凝土構件礁（橢圓形孔），單個礁體規格、壁厚、強度、頂口同A1，4個側面各開設2個寬0.4 m、高0.15 m的長方形透水孔和1個寬0.2 m、高0.2 m的方形透水孔。

1.1.2?圓臺形巖石礁

B1型礁體：上底直徑4 m、下底直徑8 m，高3 m。鋼筋板框用直徑25 mm和直徑18 mm的螺紋鋼焊接而成，從上到下每隔0.5 m焊接一道鋼筋圓環。板框中間填充花崗巖石塊，單塊花崗巖石塊直徑不小于0.6 m，重量不小于50 kg。

B2型礁體：上底直徑3 m、下底直徑6 m，高3 m。其他結構同B1。

1.1.3?船礁?礁體由廢舊船體經機器拆除、船體清洗后，內外側布設鐵紗網用水泥噴漿涂層而成，規格13 m×5 m×2 m。

1.2?魚礁的穩定性

1.2.1?魚礁在海水中流體作用力

日本學者中村充認為人工魚礁產生的流速u是潮流速度u0與波浪流速u1共同產生的作用力[3]。其計算公式如下：

式中：H為波高，m;h為水深，m;L為波長，L=g×h×T，m;D為魚礁頂部至海底的高度，m;T為波浪周期，s;cosh、sinh分別為雙曲余弦函數、雙曲正弦函數;g為重力加速，9.8 m/s2。

在數學表達上，流速與流速導數函數為：

式（6）—式（8）中，a為潮流速度與波浪振幅的比;Fd為礁體拖拽力，N;Fm為礁體附加質量力，N。

式（8）為魚礁在海水中作用力的通用公式，F受波向角θ的影響而變化。F取最大值，要求dF/dθ=0，d2F/dθ2<0。

1.2.2?魚礁的抗滑移安全性校核

魚礁投放后，為了防止滑動現象的發生，要求波流的作用力應小于礁體所受的最大摩擦力，即要求抗滑移系數必須大于1。抗滑移系數公式參照以下公式：

式中：V為礁體體積，m3;б為礁體材料的單位體積重量，kg;ρ為海水密度， kg/m3;g為重力加速度，9.8 m/s2;μ為礁體與海底的靜摩擦系數，取為0.5[5];Fmax為最大流體作用力，N。當SF大于1時，礁體不會發生滑移。

1.2.3?魚礁的抗傾覆安全性校核

礁體投放后，在波浪的作用下，除有滑移的可能外，還有傾覆的風險。為使礁體在波流作用下不翻滾，這就要求礁體的重力和浮力的合力矩M1大于波流最大作用力矩M2[6]。只有在抗傾覆系數S>1的情況下，即M1與M2比值大于1時，礁體才可保證安全，不發生傾覆現象。抗傾覆系數S計算公式如下：

式中：w為礁體重量，kg;ρ為海水密度，kg/m3;δ為礁體材料密度， kg/m3;Fmax為礁體所受最大水流作用力，N;lw為翻倒的回轉中心到重心的水平距離，m;h0為流體作用力的高度，m。

1.3?不同礁體的集魚效果

由于礁區內無法進行拖網，因此游泳動物定性調查采用地籠網與流刺網相結合的調查方式進行。生物密度調查以流刺網漁獲量按每小時每公頃流刺網面積計算。流刺網為三重流刺網。每片網長度為30 m，網高1 m，下網條數為5條;地籠網每組長7 m，共10組。

2?結果

2.1?魚礁的穩定性

祥云灣海洋牧場海域實際水文特征為：平均水深8 m，平均流速為0.26 m/s，根據大潮實測確定海水最大波向角θ為252°。經計算可知，波長L為22.15 m，波浪周期T為2.5 s。不同類型和不同規格礁體的振幅um、迎流面積A以及α、Fd、Fm、Fmax均有所差異。不同礁體穩定性參數見表1。

根據上述參數可計算Fmax和抗滑移系數SF，不同礁體抗滑移參數見表2。

由表2可知，幾種礁體的抗滑移系數都高于1，均可防止礁體的滑移，不會出現滑動現象。

2.2?魚礁的抗傾覆安全性校核

根據王素琴、吳子岳和鐘術求等的研究表明，lw為礁體底面邊長的一半，h0約為礁體高度的一半[8，4，9]。由此可計算出不同礁體抗傾覆系數，具體參數及計算結果見表3。

由表3可知，幾種礁體的抗傾覆系數都高于1，均可防止魚礁的漂移，不會出現翻滾現象。

2.3?不同礁體的集魚效果

2.3.1?鋼筋混凝土構件礁集魚情況

在A1附近海域調查到各種生物共18種，其中魚類7種，占總種類數的38.89%，分別是大瀧六線魚、許氏平鲉、矛尾鰕虎魚、斑尾鰕虎魚、方氏云鳚、焦氏舌鰨和半滑舌鰨;蝦類3種，占總種類數的16.67%，分別是葛氏長臂蝦、日本鼓蝦及鮮明鼓蝦;蝦蛄類1種，即口蝦蛄，占總種類數的5.56%;蟹類3種，占總種類數的16.67%，分別是日本蟳、三疣梭子蟹、日本擬平家蟹;螺類2種，占總種類數的11.11%，為扁玉螺、脈紅螺;頭足類2種，為長蛸和短蛸，占比與螺類相同。

在A2附近海域調查到各種生物共25種，其中魚類9種，分別為許氏平鲉、大瀧六線魚、焦氏舌鰨、矛尾鰕虎魚、斑尾鰕虎魚、方氏云鳚、斑鰶、皮氏叫姑魚、鱸魚，占總種類數的36.00%;蝦類5種，分別為日本鼓蝦、鮮明鼓蝦、葛氏長臂蝦、鷹爪蝦、紅條鞭腕蝦，占總種類數的20.00%;蝦蛄類1種，為口蝦蛄，占總種類數的4.00%;蟹類5種，分別為日本蟳、三疣梭子蟹、日本擬平家蟹、顆粒擬關公蟹、隆線強蟹，占總種類數的20.00%;螺類2種，為扁玉螺、脈紅螺，占總種類數的8.00%;頭足類3種，為長蛸、短蛸和日本槍烏賊，占總種類數的12.00%。

在A3附近海域共調查出各種生物22種，其中魚類10種，分別為斑鰶、半滑舌鰨、焦氏舌鰨、許氏平鲉、大瀧六線魚、方氏云鳚、矛尾蝦虎魚、斑尾鰕虎魚、褐牙鮃、鱸魚，占總種類數的45.45%;蝦類5種，有紅條鞭腕蝦、葛氏長臂蝦、日本鼓蝦、鮮明鼓蝦、鷹爪蝦，占總種類數的22.73%;蝦蛄類1種，為口蝦蛄，占總種類數的4.55%;蟹類3種，為日本鱘、顆粒擬關公蟹、隆線強蟹，占總種類數的13.64%;螺類1種，為脈紅螺，占總種類數的4.55%;頭足類2種，為長蛸和短蛸，占總種類類數的9.09%。

在A4附近海域共調查出各種生物19種，其中魚類7種，分別為斑鰶、半滑舌鰨、焦氏舌鰨、許氏平鲉、大瀧六線魚、矛尾蝦虎魚、斑尾鰕虎魚，占總種類數的36.84%;蝦類4種，有紅條鞭腕蝦、葛氏長臂蝦、日本鼓蝦、鮮明鼓蝦，占總種類數的21.05%;蝦蛄類1種，即口蝦蛄，占總種類數的5.26%;蟹類4種，為日本鱘、顆粒擬關公蟹、隆線強蟹和紅線黎明蟹，占總種類數的21.05%;螺類種類數最少，只有1種，為脈紅螺，占總種類數的5.26%;頭足類2種，即長蛸和短蛸，占總種類數的10.53%。

四種不同規格的鋼筋混凝土構件礁誘集生物種類數量略有差異，表現為A2>A3>A1、A4，誘集種類及數量見表4。

在A1附近海域調查顯示，流刺網平均漁獲量為3.151 kg·hm-2·h-1，其中魚類1.23 kg·hm-2·h-1，蝦類3.02 kg·hm-2·h-1，口蝦蛄0.85 kg·hm-2·h-1，蟹類0.59 kg·hm-2·h-1，螺類0.041 kg·hm-2·h-1，頭足類0.12 kg·hm-2·h-1。地籠網平均漁獲量為0.305 kg·m-2·d-1，其中魚類0.11 kg·m-2·d-1，蝦類0.04 kg·m-2·d-1，口蝦蛄0.09 kg·m-2·d-1，蟹類0.031 kg·m-2·d-1，螺類0.023 kg·m-2·d-1，頭足類0.011 kg·m-2·d-1。

在A2附近海域調查顯示，流刺網平均漁獲量為4.017 kg·hm-2·h-1，其中魚類1.21 kg·hm-2·h-1，蝦類0.55 kg·hm-2·h-1，口蝦蛄1.01 kg·hm-2·h-1，蟹類0.94 kg·hm-2·h-1，螺類0.083 kg·hm-2·h-1，頭足類0.224 kg·hm-2·h-1。地籠網平均漁獲量為0.631 kg·m-2·d-1，其中魚類0.14 kg·m-2·d-1，蝦類0.04 kg·m-2·d-1，口蝦蛄0.10 kg·m-2·d-1，蟹類0.053 kg·m-2·d-1，螺類0.071 kg·m-2·d-1，頭足類0.17 kg·m-2·d-1。

在A3附近海域調查顯示，流刺網平均漁獲量為2.665 kg·hm-2·h-1，其中魚類1.41 kg·hm-2·h-1，蝦類0.19 kg·hm-2·h-1，口蝦蛄0.52 kg·hm-2·h-1，蟹類0.39 kg·hm-2·h-1，螺類0.10 kg·hm-2·h-1，頭足類0.035 kg·hm-2·h-1。地籠網平均漁獲量為0.176 kg·m-2·d-1，其中魚類0.032 kg·m-2·d-1，蝦類0.008 kg·m-2·d-1，口蝦蛄0.008 kg·m-2·d-1，蟹類0.085 kg·m-2·d-1，螺類0.040 kg·m-2·d-1，頭足類0.003 kg·m-2·d-1。

在A4附近海域調查顯示，流刺網平均漁獲量為2.94 kg·hm-2·h-1，其中魚類0.51 kg·hm-2·h-1，蝦類0.37 kg·hm-2·h-1，口蝦蛄0.56 kg·hm-2·h-1，蟹類0.71 kg·hm-2·h-1，螺類0.44 kg·hm-2·h-1，頭足類0.35 kg·hm-2·h-1。地籠網平均漁獲量為0.378 kg·m-2·d-1，其中魚類0.14 kg·m-2·d-1，蝦類0.035 kg·m-2·d-1，口蝦蛄0.044 kg·m-2·d-1，蟹類0.15 kg·m-2·d-1，螺類0.007 kg·m-2·d-1，頭足類0.002 kg·m-2·d-1。

刺網和地籠網集魚情況見圖4。

2.3.2?巖石礁和船礁集魚情況

在B1礁體附近共調查出各種生物20種，其中魚類7種：許氏平鲉、大瀧六線魚、矛尾蝦虎魚、斑尾鰕虎魚、焦氏舌鰨、皮氏叫姑魚、鱸魚，占總種類數的35%;蝦類4種：葛氏長臂蝦、日本鼓蝦、鮮明鼓蝦、脊腹褐蝦，占總種類數的20%;蝦蛄類1種：口蝦蛄，占總種類數的5%;蟹類4種：日本鱘、寄居蟹、顆粒擬關公蟹、隆線強蟹，占總種類數的20%;螺類1種：脈紅螺，占總種類數的5%;頭足類2種：長蛸和短蛸，占總種類數的10%;棘皮動物1種：羅氏海盤車，占總種類數的5%。

在B2礁體附近共調查出各種生物14種，其中魚類5種：許氏平鲉、大瀧六線魚、矛尾蝦虎魚、斑尾鰕虎魚、半滑舌鰨，占總種類數的35.71%;蝦類3種：葛氏長臂蝦、日本鼓蝦、鮮明鼓蝦，占總種類數的21.43%;蝦蛄類1種：口蝦蛄，占總種類數的7.14%;蟹類2種：日本鱘、日本擬平家蟹，占總種類數的14.29%;螺類1種：脈紅螺，占總種類數的7.14%;頭足類2種，即長蛸和短蛸，占總種類數的14.29%。

在C1礁體附近共調查出各種生物16種，其中魚類6種：許氏平鲉、大瀧六線魚、方氏云鳚、矛尾蝦虎、斑尾鰕虎魚、焦氏舌鰨，占總種類數的37.50%;蝦類3種：葛氏長臂蝦、日本鼓蝦、鮮明鼓蝦，占總種類數的18.75%;蝦蛄類1種：口蝦蛄，占總種類數的6.25%;蟹類3種：日本鱘、隆線強蟹和紅線黎明蟹，占總種類數的18.75%;螺類1種：脈紅螺，占總種類數的6.25%;頭足類2種：長蛸和短蛸，占總種類數的12.50%。

三種不同規格的礁體誘集生物種類數量略有差異，表現為B1>B2>C1，誘集種類及數量見表5。

在B1礁體附近海域調查顯示，流刺網平均漁獲量為2.611 kg·hm-2·h-1，其中魚類0.92 kg·hm-2·h-1，蝦類0.46 kg·hm-2·h-1，口蝦蛄0.62 kg·hm-2·h-1，蟹類0.54 kg·hm-2·h-1，螺類0.035 kg·hm-2·h-1，頭足類0.035 kg·hm-2·h-1，棘皮動物0.001 kg·hm-2·h-1。地籠網平均漁獲量為0.252 kg·m-2·d-1，其中魚類0.13 kg·m-2·d-1，蝦類0.0304 kg·m-2·d-1，口蝦蛄0.038 kg·m-2·d-1，蟹類0.013 kg·m-2·d-1，螺類0.038 kg·m-2·d-1，頭足類0.003 kg·m-2·d-1。

在B2礁體附近海域調查顯示，刺網漁獲量平均為2.418 kg·hm-2·h-1，其中魚類2.19 kg·hm-2·h-1，蝦類0.06 kg·hm-2·h-1，口蝦蛄0.07 kg·hm-2·h-1，蟹類0.08 kg·hm-2·h-1，螺類0.015 kg·hm-2·h-1，頭足類0.003 kg·hm-2·h-1。地籠網平均漁獲量為0.080 kg·m-2·d-1，其中魚類0.020 kg·m-2·d-1，蝦類0.008 kg·m-2·d-1，口蝦蛄0.008 kg·m-2·d-1，蟹類0.008 kg·m-2·d-1 ，螺類0.006 kg·m-2·d-1，頭足類0.030 kg·m-2·d-1。

在C1礁體附近海域調查顯示，流刺網平均漁獲量為2.70 kg·hm-2·h-1，其中魚類1.22 kg·hm-2·h-1，蝦類0.52 kg·hm-2·h-1，口蝦蛄0.70 kg·hm-2·h-1，蟹類0.25 kg·hm-2·h-1，螺類0.002 kg·hm-2·h-1，頭足類0.008 kg·hm-2·h-1。地籠網平均漁獲量為0.035 kg·m-2·d-1，其中魚類0.012 kg·m-2·d-1，蝦類0.008 kg·m-2·d-1，口蝦蛄0.007 kg·m-2·d-1，蟹類0.003 kg·m-2·d-1，螺類0.002 kg·m-2·d-1，頭足類0.003 kg·m-2·d-1。

刺網和地籠網集魚情況參見圖5。

3?分析與討論

3.1?人工魚礁的穩定性

研究表明：7個礁體的抗漂移系數和抗傾覆系數均大于1，說明7種魚礁在海中能保持安全穩定狀態。波高、水深、迎流面積和礁體自身特性等對礁體安全性均有很大影響。隨著波高和水深的不同，魚礁受力也有所差異，當受力差異增大，魚礁安全性易出現漂移、傾覆等現象的發生。當水流與迎流面接觸時，會產生上升流，迎流面積越大，產生的上升流也越大。水動力的改變與流向角有密切關系。張碩等[10]研究表明：迎流角度對礁體模型的阻力以及側向力可產生較大影響。礁體的穩定性與魚礁體材料、礁體重量均有重要關系。礁體材料決定礁體密度，當體積一定時，礁體密度越大，礁體質量越大，礁體在波浪沖擊下越穩定。

3.2?不同礁型的集魚效果

魚礁對周圍以及內部的流速流態產生直接影響，魚礁的外部形狀及內部構造不同，影響程度也不同[11]。集魚種類數量最多是A2和A3型魚礁，鋼筋混凝土構件礁集魚較好，這是因為鋼筋混凝土構件礁可為海洋生物提供較大的庇護區，產生的上升流、渦流，可使底層營養物質釋放，促進生物餌料的生長。

4?結論

在本次試驗中，三種礁體的抗滑移系數和抗傾覆系數均大于1，表明魚礁在海中均處于安全穩定狀態。三種礁體均具有良好的集魚效果，集魚效果較好的是A2和A3型魚礁，但總體來看礁體種類對漁獲物的影響差別較小。

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