中上層浮魚礁最優單錨系泊方式研究

2021-03-22 02:41:50潘昀，楊鳳婷，畢春偉，李磊，周陽*

大連理工大學學報 2021年2期

潘昀，楊鳳婷，畢春偉，李磊，周陽*

(1.浙江海洋大學船舶與海運學院，浙江舟山 316022；2.浙江海洋大學海洋工程裝備學院，浙江舟山 316022；3.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧大連 116024)

0 引言

我國南方海域的動力環境和生態環境與北方海域差異性較大，主要表現在：(1)南方海域，尤其東海位于大陸架淺海水域，光照充足，受臺灣暖流和黃海沿岸流的影響，水體營養鹽十分豐富.(2)南方海域島嶼眾多，是魚、蝦、蟹、頭足類等高級消費者棲息和繁殖的天然場所[1].(3)北方海域生產種類集中在海參、鮑魚、扇貝等初級消費者，結合人工魚礁改善上升流，營造生態環境.(4)海區海床地質存在較大差異，北方海域以沙質和基巖海床為主，而南方海域以粉沙質和淤泥質為主，需要考慮人工魚礁的沉降和淤積.因此，浮式、筏式、網箱等中上層人工生境建設方式應是我國南方海洋牧場建設模式的主要途徑[1-2].

D′ltri[3]通過觀測海域投放的浮魚礁發現，錨固的浮體結構物常吸引相對個體較大的魚群，拖動的浮體結構常吸引個體較小的魚群聚集，越小的魚越貼近結構物，并且魚群在黑夜中也會靠近結構物.然而如果結構物長時間伴隨波浪擺動，魚群就會分散開.因此，錨固的中上層浮魚礁在波浪作用下應具備較好的穩定性才能保證聚魚和庇魚效果.浮魚礁錨泊方式在保證浮魚礁安全性和作業性前提下，應優先考慮系縛簡便、易投放，適合群化、規模化建設魚礁群，可選擇單錨系泊.中上層浮魚礁早期在日本、美國、英國等國家[2-3]搭載氣象監測系統和魚類監測系統在大于100 m水深海區使用，應用于淺海還需要進一步的研究.常用的浮魚礁由浮力系統、礁體系統、錨泊系統3部分組成，而不同的錨泊方式對浮魚礁的運動特性影響較大，需要選擇合適的錨系點和錨繩拓撲方式才能更好地發揮對浮體的系留作用，提升聚魚效果.錨繩系縛的浮體結構已經廣泛應用于海洋氣象、水質和生態監測、導航系統、油氣開采和海洋設施養殖等重要海洋資源開發及海洋工程設計中.為提高上述浮體結構的安全和作業性能，須對錨泊系統的水動力特性進行分析，主要方法有靜力學分析和動力學分析.Agarwal等[4]、Gobat等[5]、Umar等[6]研究了鐵鏈系縛的浮動浮體平臺的動力安全性能.Kim等[7]、Zhu等[8]對波浪作用下單錨繩和多錨繩系縛的Spar平臺和球形浮標的動力響應進行了研究，得出錨繩的系縛方式對浮體結構的運動和受力有較大影響的結論，僅使用拉緊的錨繩很大程度上降低了上部浮體的穩定和作業性能.張健等[9]建立了不出水條件下框架浮魚礁的波浪水動力數值模型，對比分析了四錨系泊和單錨系泊方式下浮魚礁的穩定性和受力特性，結果表明四錨系泊方式穩定性較好，網衣受波浪力更大.該研究存在兩點考慮不周的地方：一是由于潮汐和波浪對水深的影響，中上層浮魚礁難免出水；二是單錨直接系縛在浮架上，與搭配輔助錨穩定性差異較大.因此，針對浮魚礁錨泊方式的水動力特性研究處在起步階段，需要在借鑒海洋平臺、養殖裝備和浮標等錨泊方式的基礎上深入研究.

早期中上層浮魚礁主要適用于深海，進一步開展淺海區域波浪作用下中上層浮魚礁單錨系泊方式的研究是現階段浮魚礁研究的重點部分.現有浮魚礁水動力數值模型中浮魚礁各組成結構的水動力系數均取自于各結構單獨波浪水槽的試驗結果，仍需要對浮魚礁整體運動和受力進行物理試驗驗證.浮魚礁的穩定性和安全性同樣重要，需要探尋能夠定量描述浮魚礁運動過程的參數作為設計浮魚礁的參考標準.這些即是本文將開展的主要研究內容.

1 數值模型驗證

張健等[9]、潘昀等[10]基于有限單元劃分(浮架)和集中質量點(網衣和錨繩)方法建立了浮魚礁波浪水動力數值模型，模型中浮魚礁各組成結構的水動力系數均取自于各結構單獨波浪水槽的試驗結果.其中，潘昀等[10]在數值模型中添加了出水條件的判別，并且根據出水條件下的波浪理論[11]，考慮了波浪水面變化的相對水深修正，拓寬了數值模型使用范圍的同時提高了計算精度.該浮魚礁數值模型僅驗證了波浪水槽中浮魚礁物理模型運動試驗結果，但缺乏錨繩拉力的驗證.

1.1 物理模型制作

浮魚礁物理模型的制作除了滿足幾何相似、動力相似、運動相似以外，最困難的是滿足網衣和錨繩的彈性相似以及網衣附近的流場相似.由于實驗室水槽尺寸有限(長32 m、寬0.8 m、高1 m)，模型制作和試驗盡可能與實際相近，選擇網目較大的網衣，人工添加橡皮筋增加錨繩模型的彈性.綜合考慮波浪水槽尺寸和實際海洋牧場海區面積，選取幾何尺度λ=20，僅針對浮魚礁錨繩拉力進行測量分析，用于驗證數值模型的準確性.具體浮魚礁模型的制作材料、參數和方法參見文獻[10，12]，該文獻同時包括了波浪作用下浮魚礁示蹤點運動軌跡的驗證結果.本次試驗主要測量了浮魚礁錨繩的拉力數據，模型布置如圖1所示.

圖1 試驗儀器布置和浮魚礁物理模型

1.2 試驗方法

物理模型試驗在浙江海洋大學海洋工程裝備學院的波浪水槽中進行，試驗使用的儀器有浪高儀和拉力傳感器，兩者集于同一采集系統，可同步、同頻率采集波浪高度和錨繩拉力.其中，浪高儀精度為±1 mm，拉力傳感器精度為0.1%.浪高儀布置在浮魚礁模型正上方(見圖1)，拉力傳感器系縛在一根錨繩底部，波浪高度和錨繩拉力使用同一臺電腦同步采集.試驗采集時間為120 s，波浪高度和錨繩拉力的采集頻率為10 s-1，每種波況平行重復做3次.基于文獻[9]中模擬的最大波浪高度(4 m)和最大波浪周期(5.3 s)，按比尺換算試驗設計了4組波浪條件，波浪要素由浪高儀實測數據統計得出，波浪高度和波浪周期組合關系依次為4.58 cm、1.1 s(波況1)；16.63 cm、1.4 s(波況2)；11.23 cm、2.1 s(波況3)；18.36 cm、4.0 s(波況4)，水深0.75 m.拉力傳感器采集的數據受周圍環境的影響，有些組次出現規律性毛刺，采用快速傅里葉變換算法(FFT)[13]對拉力數據進行光滑.

1.3 結果驗證

以λ=20，建立浮魚礁實際尺寸的數值模型，計算出相應錨繩拉力時歷值，再以λ=20縮小至物理模型尺度.考慮浮魚礁在波浪作用下從初始狀態達到運動穩定狀態，物理試驗和數值模擬的錨繩拉力選擇的對比時間段為60～80 s，對比結果見圖2.錨繩拉力對比表明，圖2中的波況2和3條件下錨繩拉力結果的大小和周期驗證較好，而波況1物理試驗與數值模擬結果有周期差異，波況4物理試驗錨繩極小值比數值模擬小.造成誤差的主要原因與水槽的造波質量有關，長時間造波存在反射現象導致波況1短周期波發生變形，而大波浪高度受水深影響使波谷坦化(波況4).

圖2 不同波況下物理試驗與數值模擬錨繩拉力對比

2 單錨系泊方式對浮魚礁水動力特性的影響

上述浮魚礁采用四錨的錨泊方式，浮魚礁的穩定性好，錨繩拉力均勻，但實際海區投放不僅經濟成本高，而且錨碇位置、錨繩長度滿足設計要求非常困難.如果有一錨碇位置和錨繩長度錯誤，浮魚礁的結構安全和穩定性均會產生顯著的差異.因此，在原有的浮魚礁數值模型中優化設計了單錨系泊方式.單錨系泊方式分為上、下兩段，如圖3所示，上段4根錨繩稱為輔助錨，下段1根錨繩稱為主錨，輔助錨和主錨的直徑在數值模型中依次選為0.02 m和0.04 m.輔助錨的首點系縛在浮魚礁的4個底端，而尾點集于同一點，也是主錨的首點.浮魚礁的運動狀態和錨繩受力與圖3中L1和L2直接相關，這正是接下來將要研究的內容.詳細的此單錨系泊波浪水動力數值模型建立方法可參見文獻[10].

圖3 單錨系泊方式及受力

2.1 錨泊方式和模擬條件

浮魚礁浮架和網衣的結構參數與文獻[9]及物理試驗的原型一致，主要研究單錨系泊方式對浮魚礁水動力特性的影響，進而獲得最優的錨泊系統參數.具體數值模型的錨泊系統參數如表1所示.模擬工況L1/L2為0/7.2、1/6.2、2/5.2、3/4.2、4/3.2、5/2.2、6/1.2、7/0.2.其中L1為浮架底部中心至⑤號錨繩結點的距離，L2為錨繩結點至海底的距離.因為初始浮架頂部中心在靜水面處，浮架是固定尺寸(1.69 m×1.69 m×4.8 m)，水深為12 m，所以L1+L2恒為7.2 m.圖4給出了兩種極限條件下的錨泊方式，以不同的L1距離分多種工況探討此種單錨系泊方式對浮魚礁水動力特性的影響.根據實際海洋牧場規劃區域地形條件，確定水深為12 m，以及根據線性波理論的適用條件，選取波陡為1/20.文獻[14]統計的舟山海域5%累積頻率的波浪高度為3 m，5%累積頻率的波浪周期為6 s，使用線性波彌散方程計算的波浪周期為6.7 s，兩者比較接近，進一步證明了波浪要素選取的可行性.

表1 數值模型參數

圖4 兩種極限的錨泊方式

2.2 浮魚礁運動響應規律

波浪作用下單錨系泊對浮魚礁運動的影響主要體現在礁體擺動和中心移動.如圖5所示，分別給出了不同浮架底部中心至⑤號錨繩結點的距離(L1)對浮魚礁運動影響.其中，圖5(a)為浮魚礁上下頂中心點連線20 s內(數值模型共計算70 s，浮魚礁運動已經穩定)的運動軌跡，可以看出：L1為0 m和1 m時，運動軌跡不對稱，Y軸負方向存在大角度的擺動，中心位置存在上下移動；L1大于1 m后，運動軌跡左右對稱，中心位置移動為自然過渡的曲線，運動軌跡的圖形差異性非常小.圖5(b)為圖5(a)中多周期運動軌跡掃掠的圖形面積，可以看出L1為3 m時出現拐點，此時圖形面積最小.定義向Y軸正方向擺動為正角，圖5(c)為礁體中心線左右擺動角度的時歷變化，可以看出，L1為0、1和2 m時，擺動的負角度較大，正角度也出現多個拐點.

圖5 L1對浮魚礁運動的影響

盡管浮魚礁特征位置的運動軌跡、軌跡圖形面積和擺動角度能夠反映出錨繩參數L1對浮魚礁運動規律的影響，大致可以判斷L1為3 m時，波浪作用下浮魚礁的運動響應最穩定，但難以定量得出準確的最優L1.

2.3 浮魚礁受力響應規律

浮魚礁輔助錨、主錨和網衣的拉力分析是判斷錨泊方式優劣的重要標準，圖6分別給出了L1對浮魚礁受力的影響.圖6(a)為不同L1條件下①號輔助錨20 s內的拉力變化，可以看出L1=0 m 和L1=1 m工況的輔助錨拉力顯著大于其他工況.圖6(b)中輔助錨20 s內的平均拉力更好地體現出L1對輔助錨受力的影響，L1大于3 m后拉力基本趨于穩定.圖6(c)給出了主錨在不同L1條件下的拉力時歷曲線，從極值和拐點角度分析，L1對主錨拉力的影響均不大.圖6(d)為浮魚礁網衣網線最大拉力時刻的分布情況，從右側圖例可以看出，網衣最大拉力不大于21 N，比錨繩少兩個數量級，所以網衣在波浪作用下所受的阻力最終還是傳遞給輔助錨和主錨.

圖6 L1對浮魚礁受力的影響

可見，波浪作用下單錨系泊浮魚礁輔助錨的拉力受L1的影響較大，當L1大于3 m后，輔助錨的拉力逐漸趨于最小值，而主錨和網衣的拉力受L1的影響不明顯.

3 最優單錨系泊方式

以上探討了波浪作用下L1對浮魚礁的運動響應規律和受力響應規律，通過統計浮魚礁的運動軌跡、擺動角度、輔助錨拉力等結果，大致可以判斷L1=3 m為最佳的單錨系泊參數.但是，尚未能夠通過分析一種更具體的物理量得出更精確的L1錨泊參數.

3.1 最優的標準

對比分析浮架礁體左右擺動角度與錨繩拉力的變化關系，圖7給出了波浪作用下浮魚礁運動穩定后200 s內浮架礁體擺動角度(波浪方向為正軸，波浪反方向為負軸)和錨繩拉力相同時刻時歷曲線，并且圖中使用矩形標識出了錨繩拉力變化劇烈的時刻.從圖中可以得出，擺動角度時歷曲線發生轉折的時刻，錨繩拉力最大，兩者有較好的對應關系和周期性變化.擺動角度負角度增大后驟然停止，致使輔助錨拉力和主錨拉力達到最大且變化紊亂；當浮魚礁達到最大擺動角度，錨繩拉力最小.也就是說，浮魚礁擺動角度時歷曲線出現拐點的次數和拐點位置的歷時決定著浮魚礁的運動和受力響應規律，而這些正是曲線復雜程度的概念.一維曲線復雜程度概念來自于分形理論中的分形維數[15-16]，分形維數就是在不同尺度下表征分形集的不規則程度和復雜程度，分形維數可以刻畫信號(曲線)的結構特征.

圖7 擺動角度與輔助繩受力的關系

因此，波浪作用下浮魚礁的動力響應規律可以使用浮魚礁擺動角度時歷曲線的分形維數來定量描述.

3.2 浮魚礁運動曲線分形維數變化

本文使用正方形或正方體具有特征長度的基本圖形去近似分形圖形，如果某曲線具有N(r)∝r-D關系，即可稱D為這一曲線的維數，其中把邊長為r的正方形或正方體稱為盒，然后來數所要考慮的形狀(或構造)中所含的盒數N(r)，因此稱其為計盒維數.圖8為使用計盒維數方法計算的浮魚礁擺動角度時歷曲線分形維數，其中圖8(a)也顯示L1=3 m時分形維數最小，側面證明了使用分形維數作為判斷標準的合理性.為了進一步得到更為精確的錨泊參數，加密了表1中的計算工況，L1小于2 m和大于4 m每間隔0.5 m增加一組計算工況，L1=3 m左右每間隔0.25 m增加一組計算工況，圖8(b)為工況加密后擺動角度時歷曲線的分形維數及回歸的三次多項式.通過取三次曲線的極值得到L1=2.812 m時，浮魚礁擺動角度時歷曲線的分形維數最小.由于錨繩長度與浮魚礁設計水深有關，取浮魚礁浮架底部中心至錨繩結點的距離與浮架高度的比值作為量綱一參數，即L1/4.8 m=0.59.