基于結構差異性正方體魚礁的流場效應研究*

郭 禹 秦傳新,2 章守宇

基于結構差異性正方體魚礁的流場效應研究*

郭 禹1秦傳新1,2①章守宇3

(1. 中國水產科學研究院南海水產研究所 國家漁業資源環境大鵬觀測實驗站 廣東 廣州 510300；2. 南方海洋廣東省實驗室 廣東 廣州 511458；3. 上海海洋大學 上海 201306)

人工魚礁結構差異是影響流場規模效應的主要因素之一，本研究選擇大字型、米字型、回字型、交叉型、框架型和實體型6種魚礁單體，分析均勻布設模式下礁體自身結構特征對流場效應的影響規律，進一步建立結構差異性單位魚礁的規模效應模型。基于流場效應規律提出礁體結構特征指標分別為魚礁空方體積比、透空率和迎流面相對截面積，進一步得到上升流體積效應模型為u=0.448u–1.679–p(29.868Cp–6.921)+sa(56.18sa–35.42)，背渦流體積效應模型為b=u(1830u–128)–v(95v–105)+p(138p–154)–sa(418sa–180)。最后，基于流場體積效應模型，提出以流場體積為依據的礁體結構參數選擇建議，可為以流場體積為建設目標的最優魚礁結構設計提供參數指導。

流場效應；單位魚礁；體積模型；數值實驗；正方體魚礁

人工魚礁作為海洋牧場建設的一種技術手段和基礎設施(楊紅生, 2016; 劉鴻雁等, 2019; Fari?as- Franco, 2014)，隨著海洋牧場建設的發展，其效果逐漸受到越來越多研究者的關注。在合理規劃條件下，經濟、高效的人工魚礁建設模式是增強建設效果、保障海洋牧場實現效益生態化的前提(王震等, 2019)。魚礁結構差異會產生不同效果的流場形式(肖榮, 2015; 姜昭陽等, 2019)，進而影響人工魚礁的投放效果。因此，需要合理規劃單位人工魚礁布設模式(Kim, 2016、2019; 李豹德, 1985)，其中，魚礁單體結構也是考量因素之一。在規劃人工魚礁建設過程中，除對不同單位魚礁建設模式流場效應進行研究，更應注重研究結構差異性單位魚礁的流場特性，為科學設計人工魚礁單體結構提供理論依據。

目前，研究者僅從魚礁單體的流場效應的角度對人工魚礁結構差異進行了分析。李珺等(2010a)通過改變正方體魚礁中部的孔洞大小，發現不同通透性的人工魚礁單體流場效應存在差異；于定勇等(2019)對不同開口比的魚礁單體流場效應進行研究，也發現礁體結構會影響流場效果。然而，現有研究忽略了實際礁體內部結構的差異(付東偉等, 2012)；另一方面，已有研究僅以魚礁單體為分析對象，而實際人工魚礁投放均以單位魚礁為基本單元(Kim, 2014)，同時，研究結果僅說明結構差異會改變流場效應，但針對以單位魚礁為基本單元的流場效應的變化規律并無探討。因此，對結構差異性礁體以單位魚礁形式為基礎單元的流場效應研究更能有效指導人工魚礁建設。為準確評價結構差異性單位魚礁建設效果，合理選擇投放海域的人工魚礁結構，需要準確提取代表礁體結構差異的特征指標，進一步分析、評價多種結構差異性單位魚礁的流場效果，建立人工魚礁流場效應評價模型，進而合理規劃人工魚礁結構設計。

本研究以單位魚礁流場效應作為人工魚礁建設效果的主要評價因素，以均勻布設模式的單位魚礁形式為基礎，根據目前我國人工魚礁實際投放特征，選擇具有代表性的魚礁單體，包括大字型、米字型、回字型、交叉型、框架型和實體型6種人工魚礁結構。通過提取6種礁型結構特征指標，分析礁體結構特征指標對流場效應的影響規律，建立結構差異性單位魚礁的規模效應模型，進一步為人工魚礁合理規劃建設提供全面的數據參考與科學指導。

1 數值實驗與體積效應模型建立

1.1 人工魚礁單體選擇

為使結構差異性單位魚礁流場效應研究對實際魚礁投放具有指導作用，本研究選擇目前大規模投放的大字型、米字型、回字型、框架型和交叉型正方體魚礁結構作為研究對象，同時為使數據更加全面，補充相應大小的實體型人工魚礁結構進行對比分析，6種魚礁單體均為由鋼筋混凝土構成的3 m×3 m×3 m正方體結構，魚礁單體邊長為3 m，圖1所示為6種人工魚礁礁體結構示意圖，其單體面積(area of reef monocase,rm)(魚礁單體占地面積)相同。其中，大字型魚礁單體4個側面呈大字，魚礁上下底面以對角線相連呈交叉型，礁體方柱與外框截面均為0.3 m × 0.3 m的正方形，礁體內部中空。米字型魚礁6個側面均呈米字，米字方柱與外框截面均為0.3 m×0.3 m的正方形，且礁體內部中空。回字型人工魚礁6個側面均呈回字型，結構較為復雜。交叉型人工魚礁由鋼筋混凝土構成3 m × 3 m × 3 m正方體，魚礁單體邊長為3 m，人工魚礁單體體積為27空m3，外框寬0.25 m，中間交錯形方柱寬0.3 m。相較于大字型和米字型魚礁單體，回字型和交叉型魚礁單體的內部構建位于礁體中部而非側面。框架型魚礁單體主要由12個截面為0.3 m×0.3 m的正方形外框構成。實體型魚礁單體則為實心正方體，為研究中補充的極端礁體參考。本研究中的大字型和米字型人工魚礁主要應用于福建省海洋牧場建設，回字型和交叉型人工魚礁主要投放于東海區海洋牧場，框架型人工魚礁以其簡單的結構特征優勢在各個海洋牧場中均有投放。

圖1 人工魚礁結構示意圖

1.2 單位魚礁布設模式與計算域

為分析不同魚礁結構的單位魚礁流場效應，本研究均選擇投放量適宜且流場效應最佳時的間距作為單位魚礁建設規模標準(郭禹等, 2019)，故研究中的6種單位魚礁均為4×4的均勻布設模式，布設間距均為1.5倍魚礁單體邊長。

數值實驗計算域范圍以單位魚礁邊長(side length of unit artificial reef,lu)的倍數為基礎參數，來流面至單位魚礁迎流面的長度為3lu，單位魚礁尾至出流面長度為15lu，魚礁左、右側面至水槽壁面均為3lu，水深設為魚礁單體的10倍，來流方向與單位魚礁迎流面角度為90°，來流速度(inlet velocity,i)為1.0 m/s，具體數值實驗計算域如圖2所示。數值實驗中，入口邊界條件為速度入口，出口邊界條件為速度出口，人工魚礁表面與計算域底面均為壁面邊界條件，采用無滑移邊界參數，計算域側面與上頂面設為對稱邊界條件。實驗中流體密度設為1024 kg/m3，重力參數為9.81 m/s2。研究中流場數據采用ANSYS軟件的大渦模擬模型獲得，模擬數據通過驗證切實可用(李珺等, 2010b)。

圖2 單位人工魚礁數值實驗計算域

1.3 流場效應與人工魚礁規模化指標篩選

本研究中，單位人工魚礁布設間距均為1.5倍魚礁單體邊長，產生的流場效應間均存在協調效應 (郭禹等, 2020)，因此，在選擇流場效應規模指標時，以流場相對體積即人工魚礁產生的整個流場效應區作為流場效應規模指標進行說明。本研究分別選擇 4種目標速度比(target velocity ratio,tv)作為上升流與背渦流區選取標準，上升流區為單位魚礁前端垂向流速分別大于0.05、0.10、0.15和0.20倍來流速度的速度區域，背渦流區為單位魚礁后方來流向流速中絕對值分別小于0.70、0.75、0.80和0.85倍來流速度的速度區域，流場效應指標還包括相對面積(relative area,r)、相對高度(relative height,r)、相對長度(relative length,r)和流場平均相對速度(average relative velocity,ar)，具體計算公式如下：

r=max/rm(1)

r=max/lu(2)

r=max/lu(3)

ar=m/i(4)

式中，max為流場最大面積；max為流場最大作用高度；max為流場最大作用長度；m為流場平均速度。

由于本研究單位魚礁建設模式相同，故代表單位人工魚礁規模的指標僅為魚礁結構特征參數，主要包括單體魚礁透空率和空方體積比。單體魚礁透空率(permeability coefficient,p)指沿來流方向人工魚礁區內投影面積與邊界投影面積的比值，空方體積比(volume ratio,v)指魚礁單體實際混凝土體積與空方體積的比值，6種不同結構人工魚礁單體結構特征指標參數見表1。

表1 人工魚礁結構指標參數

Tab.1 Structural indicators of artificial reefs

1.4 規模效應模型建立

采用單一指標法建立人工魚礁規模效應模型(李松等, 2016)，模型自變量為單位魚礁規模指標，包括目標速度比、魚礁單體透空率、空方體積比和相對截面積。因變量分別為上升流與背渦流流場相對體積指標，通過分析每個自變量(魚礁規模指標)與流場體積效應指標間的關系，建立流場體積效應的最佳單一指標回歸模型(人工魚礁規模效應模型)(汪嵐等, 2008)。本研究利用MATLAB中的擬合函數polyfit進行實驗數據的單元回歸擬合，應用nlinfit函數建立各流場效應指標與人工魚礁規模指標的多元非線性模型，使用Gauss-Newton法進行模型優化(董大校, 2009)。

2 結果與分析

2.1 上升流流場效應

不同魚礁單體構成的單位魚礁流場效應存在一定差異，不同目標速度比條件下，6種單位魚礁上升流流場體積效應變化規律見圖3。如圖3所示，代表上升流流場空間范圍的3個特征指標相對體積、相對面積和相對高度均隨著目標速度比增加逐漸降低，上升流平均相對速度隨著目標速度比增加逐漸增大，4種速度比條件下，各單體類型的單位魚礁上升流相對體積、面積、高度和平均相對速度變化規律相同。每種速度比條件下，6種差異型魚礁單體的流場相對體積與相對面積由大到小所對應的單位魚礁類型依次為：實體型>米字型>回字型>大字型>交叉型>框架型，其中，實體型魚礁透空率最小，空方體積比最大，框架型魚礁透空率最大而空方體積比最小；6種魚礁上升流相對高度和速度由大到小對應的單位魚礁類型依次為：實體型>米字型>大字型>交叉型>回字型>框架型，同樣實體型與框架型魚礁受透空率與空方體積比影響，但其他 4種結構礁體上升流效應受透空率與空方體積比影響規律較小。此結果說明，上升流效應受魚礁結構差異影響，但透空率和空方體積比2個指標不足以表征礁體結構各異的特點。

圖3 6種單位魚礁上升流效應

2.2 背渦流流場效應

不同目標速度比條件下，6種單位魚礁背渦流流場效應特征見圖4。如圖4所示，背渦流相對體積、相對面積、相對長度和平均相對速度均隨著目標速度比增加逐漸增大，且每種目標速度比條件下各類型礁體背渦流效應變化規律相同。其中，交叉型單位魚礁背渦流相對體積最大，其次為回字型人工魚礁，二者結構具有相似特征，即魚礁內部構件位于礁體中部，而大字型和米字型單位魚礁背渦流相對體積最小，二者在結構上同樣具有相似特征，即魚礁內部構件位于魚礁側面。實體型單位魚礁背渦流相對面積最大，框架型單位魚礁背渦流相對面積最小，其他魚礁相對面積呈2種特征，其一是魚礁體構件位于外側的大字型與米字型單位魚礁，其相對面積低于另一種礁體構件位于內部的交叉型和回字型單位魚礁。背渦流流場相對長度與速度同樣受魚礁內部結構構件位置影響，均表現為魚礁體構件位于內部的單位魚礁流場相對長度與速度高于構件位于側面的魚礁。

圖4 6種單位魚礁背渦流效應

此結果進一步說明，透空率和空方體積比是影響結構差異性單位魚礁流場效應的因素，即可作為表征魚礁結構差異的特征指標，但并不完全。本研究根據流場效應受魚礁結構內部構件位置差異影響的規律，提出迎流面相對截面積(relative cross-sectional area of MR,sa)指標用于表征礁體結構差異特征，迎流面相對截面積是指人工魚礁單體迎流面礁體實際面積與總面積的比值，大字型、米字型、交叉型、回字型、框架型和實體型魚礁相對截面積分別為0.59、0.70、0.36、0、0.36和1。

2.3 上升流體積效應模型

以上升流與背渦流效應研究中影響結構差異性人工魚礁上升流流場相對體積變化的因子為自變量，分別分析人工魚礁上升流相對體積隨各自變量因子的變化規律。圖5～圖7分別為目標速度比、透空率和相對截面積3個魚礁建設指標與上升流相對體積的擬合效果圖。其中單位魚礁空方體積比雖然影響上升流相對體積，但上升流相對體積與空方體積比間無明顯的函數關系，故模型建立時不考慮此項。如圖5所示，上升流相對體積隨目標速度比增加呈冪函數變化，單元回歸模型基本形式為u1=0.424u–1.71，2= 0.91；上升流相對體積隨透空率的增加呈現逐漸遞減的二次函數關系，其單元回歸模型基本形式為u2=0.831p2–11.481p+54.393，2=0.90；上升流相對體積隨迎流面相對截面積取值增加呈先降低后增加的二次函數關系，回歸模型基本形式為u3=3.581sa– 15.903sa+37.87，2=0.97；根據單元回歸模型建立上升流體積綜合評價模型，模型公式的一般形式為u=a1ua2+b1p2+b2p+c1sa+c2sa。

圖5 速度比與上升流相對體積擬合效果

圖6 透空率與上升流相對體積擬合效果

圖7 相對截面積與上升流相對體積擬合效果

最終得到均勻布設模式下結構差異性人工魚礁上升流體積與魚礁結構指標的定量關系：

u=0.448u–1.679–p(29.868p–6.921)

+sa(56.18sa–35.42)

式中，u為目標速度比，p為魚礁透空率，sa為迎流面相對截面積。模型主要分為3項，分別為目標速度比項0.448u–1.679、魚礁透空率項p(29.868p–6.921)和迎流面相對截面積項sa(56.18sa–35.42)，3項均為各自獨立項，彼此間無相互聯系。結構差異性單位魚礁上升流相對體積效應模型適用于人工魚礁結構重要參數的選擇。以實際人工魚礁結構特性為基礎，上升流體積效應模型各參數取值范圍分別為：流場目標速度比取值為大于0的任意實數；人工魚礁透空率取值范圍為0

在對模型極限值分析中，目標速度比項值最小為0；當單位魚礁透空率值越大，透空率項值越小，對上升流相對體積增加量越大；當魚礁迎流面相對截面積值為0時，相對截面積項值越大，對上升流相對體積增加量越大，當相對截面積值為0.795時，相對截面積項值最小，對上升流相對體積正效應越小。因此，若投放正方體魚礁時，當以上升流相對體積為選擇依據，對應最佳相對體積狀態的魚礁結構特征指標參數選擇規律分別為：魚礁透空率值越大越好，建議當迎流面相對截面積小于0.795時，值越大越好；當大于0.795時，值越小越好。

用上升流相對體積回歸模型求解出的各單位魚礁結構指標下相應流場相對體積擬合值與模擬值數據對比結果及對應殘差(圖8)。通過回歸模型計算的上升流相對體積值與數值實驗值基本一致，殘差數據顯示，上升流體積模型不存在異常值點，模型擬合效果較好。上升流相對體積回歸模型規劃值與模擬值相對誤差為18.72%，2=0.90，說明此回歸模型擬合效果較好，=188，大于α(0.1)=2.17，說明回歸方程總體顯著成立，該方程可以較準確地反映單體結構差異特征指標對上升流流場體積的影響效果與規律。

圖8 上升流相對體積回歸值與殘差

2.4 背渦流體積效應模型

圖9～圖12分別為目標速度比、空方體積比、透空率和相對截面積4個魚礁結構指標與背渦流相對體積的擬合效果圖。如圖9所示，背渦流相對體積隨著目標速度比增加呈現逐漸增加的二次函數關系，模型基本形式為u1=1830u2–128u+56，2=1；背渦流相對體積隨魚礁空方體積比呈現先增加后降低的二次函數關系，模型基本形式為u2=–4.8v2+32.936v+ 44.756，2=0.89；背渦流相對體積隨透空率增加同樣呈現先增加后降低的二次函數關系，模型基本形式為u3=–2.9p2+20.41p+54.22，2=0.88；背渦流相對體積隨著迎流面相對截面積取值增加呈先降低后增加的二次函數關系，模型基本形式為u4=7.139sa– 48.839sa+137.33，2=0.92；根據單元回歸模型建立背渦流體積綜合評價模型，模型公式的一般形式為b=a1u2+a2u+b1p2+b2p+c1v2+c2v+d1sa+d2sa。

圖9 速度比與背渦流相對體積擬合效果

圖10 空方體積比與背渦流相對體積擬合效果

圖11 透空率與背渦流相對體積擬合效果

圖12 相對截面積與背渦流相對體積擬合效果

最終得到結構差異性單位魚礁建設模式下流場背渦流相對體積與單位魚礁結構指標的定量關系：b=u(1830u–128)–v(95v–105)+

p(138p–154)–sa(418sa–180)

式中，u為目標速度比，v為空方體積比，p為魚礁透空率，sa為魚礁迎流面相對截面積。背渦流相對體積模型主要包括4項，分別為目標速度比項u(1830u–128)、空方體積比項v(95v–105)、透空率項p(138p–154)和迎流面相對截面積項sa(418sa–180)，4項同樣為各自獨立項，彼此間無相互聯系。背渦流相對體積規模效應模型中，魚礁結構特征指標參數取值范圍分別為：流場目標速度比取值為大于0的任意實數，空方體積比取值范圍為0

在對模型極限值分析中，目標速度比項取值最小值為0；當魚礁空方體積為0.905～1時，隨空方體積比增加，空方體積比項值越大；空方體積比為1時取得最大值，對背渦流相對體積增加量越小；當空方體積比為0.452時，空方體積比項值最小，對背渦流相對體積增加量則越大；當魚礁透空率取值在0.95～1之間時，隨著透空率取值增加，透空率項取值越大，相應對背渦流體積增加量越大；當透空率為0.476時，透空率項值最小，對背渦流相對體積增加量則越小；當魚礁迎流面相對截面積值越大，相對截面積項取值越小，對背渦流相對體積增加量越大。因此，若投放正方體魚礁時，當以背渦流相對體積為選擇依據，對應最佳相對體積狀態的魚礁結構特征指標參數選擇規律分別為：建議當空方體積比小于0.452時，取值越大越好；當空方體積比大于0.452時，取值越小越好；建議優先選擇空方體積比為0.452的魚礁結構；建議當透空率小于0.476時，取值越小越好，當透空率大于0.476時，取值越大越好，建議避免選擇透空率為0.476的魚礁結構；相對截面積建議取值越大越好。

用結構差異性單位魚礁背渦流相對體積回歸模型求解出的各單位魚礁規模指標下相應流場相對體積擬合值與模擬值數據對比結果及對應殘差見圖13。通過回歸模型計算的背渦流相對體積值與數值實驗值基本一致，殘差數據顯示背渦流相對體積模型不存在異常值點，模型擬合效果較好。背渦流相對體積回歸模型規劃值與模擬值相對誤差值為3.5%，2=0.99，說明回歸擬合效果較好，=1500，大于α(0.1)=2.17，說明總體回歸方程顯著成立，則該方程可較準確的反映結構差異性單位魚礁規模指標對流場體積的影響效果與規律。

圖13 背渦流相對體積回歸值與殘差

3 討論

人工魚礁單體結構差異直接影響魚礁建設的經濟投入與作用效果(Perkol, 2006; Ajemian, 2015; 王佳浩等, 2020)，合理選擇魚礁單體結構是保證經濟、高效人工魚礁建設的基礎。本研究通過對 6種內部結構差異性正方體魚礁結構的單位魚礁流場效應進行分析，獲得不同礁體結構人工魚礁流場特征規律。根據對魚礁結構特征與流場效應間的相互關聯，進一步通過定量方式建立上升流與背渦流流場體積規模效應模型，提出基于正方體結構魚礁以流場體積效應最優化為目標的魚礁結構特征指標參數值選擇建議。具體如下：當以上升流相對體積最優為建設依據時，魚礁透空率取值越大越好；當迎流面相對截面積小于0.795時，迎流面截面積取值越大越好；當大于0.795時，迎流面截面積取值越小越好；避免選擇相對截面積為0.452的魚礁結構。當以背渦流相對體積最優為選擇依據時，建議當空方體積比小于0.452時，空方體積比取值越大越好；當空方體積比大于0.452時，空方體積比取值越小越好；優先選擇空方體積比為0.452的魚礁結構；當透空率小于0.476時，透空率取值越小越好；當透空率大于0.476時，透空率取值越大越好；避免選擇透空率為0.476的魚礁結構；相對截面積取值越大越好。

本研究中，實體型人工魚礁的上升流與背渦流相對體積、面積、高度和速度均為6種礁中最大值，框架型魚礁為最小值，其中實體型魚礁自身空方體積比最大且透空率最小，而框架型魚礁正相反，說明開口形狀相同時，僅以空方體積比和透空率2個指標可以代表礁體的結構差異，且透空率越小，流場效應越弱(宋朝祥, 2018; 龐運禧等, 2017)。而大字型、米字型、交叉型和回字型魚礁內部結構形狀不同，單位魚礁流場特征隨空方體積比和透空率的變化存在差異，說明當魚礁單體不僅開口比大小存在差異，且其內部結構特征也不同時，空方體積比與透空率不足以表示流場特征的變化規律(Jiang, 2016)，因此，本研究首次提出表征礁體結構差異特征的指標迎流面相對截面積，并得出此3個指標可較為準確地評價流場特征的結論。同時得出，單體內部構建位于礁體內部的魚礁流場效應高于構建位于外部的魚礁結構，此觀點為人工魚礁結構設計提供理論參考。

AJEMIAN M J, WETZ J J, SHIPLEY-LOZANO B,. An analysis of arti?cial reef ?sh community structure along the Northwestern Gulf of Mexico Shelf: Potential impacts of “Rigs-to-Reefs” programs. PLoS One, 2015, 10(5): e0126354

DONG D X. The multivariate nonlinear regression model based on MATLAB. Journal of Yunnan Normal University (Natural Sciences), 2009, 29(2): 45–48 [董大校. 基于MATLAB的多元非線性回歸模型. 云南師范大學學報(自然科學版), 2009, 29(2): 45–48]

FARI?AS-FRANCO J M, ROBERTS D. Early faunal successional patterns in artificial reefs used for restoration of impacted biogenic habitats. Hydrobiologia, 2014, 727(1): 75–94

FU D W, LUAN S G, ZHANG R J,. Two-way analysis of variance of effects of cut-opening ratio and surface shape facing flowing in artificial fish-reefs on the flowing field. Journal of Dalian Ocean University, 2012, 27(3): 274–278 [付東偉, 欒曙光, 張瑞瑾, 等. 人工魚礁開口比和迎流面形狀對流場效應影響的雙因素方差分析. 大連海洋大學學報, 2012, 27(3): 274–278]

GUO Y, ZHANG S Y, LIN J. Flow field efficiency of Mi-zi artificial reefs in different construction modes based on numerical experiments. Journal of Fisheries of China, 2019, 43(9): 2025–2038 [郭禹, 章守宇, 林軍. 以數值實驗為基礎的米字型魚礁布設模式差異下的流場效率. 水產學報, 2019, 43(9): 2025–2038]

GUO Y, ZHANG S Y, LIN J. Study on unit reef construction mode based on upwelling effects. South China Fisheries Science, 2020, 16(5): 71–79 [郭禹, 章守宇, 林軍. 基于上升流效應的單位魚礁建設模式研究. 南方水產科學, 2020, 16(5): 71–79]

JIANG Z Y, GUO Z S, ZHU L X,. Structural design principle and research progress of artificial reef. Journal of Fisheries of China, 2019, 43(9): 1881–1889 [姜昭陽, 郭戰勝, 朱立新, 等. 人工魚礁結構設計原理與研究進展. 水產學報, 2019, 43(9): 1881–1889]

JIANG Z Y, LIANG Z L, ZHU L X,. Numerical simulation of effect of guide plate on ?ow ?eld of arti?cial reef. Ocean Engineering, 2016, 116: 236–241

KIM D, JUNG S, KIM J,. Efficiency and unit propagation indices to characterize wake volumes of marine forest artificial reefs established by flatly distributed placement models. Ocean Engineering, 2019, 175: 138–148

KIM D, WOO J, YOON H S,. Efficiency, tranquillity and stability indices to evaluate performance in the artificial reef wake region. Ocean Engineering, 2016, 122: 253–261

KIM D, WOO J, YOON H S,. Wake lengths and structural responses of Korean general arti?cial reefs. Ocean Engineering, 2014, 92: 83–91

LI B D. Discussion on the direction of artificial reef construction in China from the construction of artificial reef in Japan. Marine Fisheries, 1985(6): 248–253 [李豹德. 從日本人工魚礁建設探討我國魚礁建設的方向. 海洋漁業, 1985(6): 248–253]

LI J, LIN J, ZHANG S Y. The numerical experiment on the permeability of a cubic artificial reef and the effect on the flow field around the reef. Journal of Shanghai Ocean University, 2010a, 19(6): 836–840 [李珺, 林軍, 章守宇. 方形人工魚礁通透性及其對礁體周圍流場影響的數值實驗. 上海海洋大學學報, 2010a, 19(6): 836–840]

LI J, ZHANG S Y. The comparison between numerical simulation and water channel experiment on a Mi-zi artificial reef. Journal of Fisheries of China, 2010b, 34(10): 1587– 1594 [李珺, 章守宇. 米字型人工魚礁流場數值模擬與水槽實驗的比較. 水產學報, 2010b, 34(10): 1587–1594]

LI S, DU Y J. Model of concrete strength prediction based on multivariate nonlinear analysis. Concrete, 2016(3): 44–46 [李松, 杜應吉. 基于多元非線性分析的混凝土強度預測模型. 混凝土, 2016(3): 44–46]

LIU H Y, YANG C J, ZHANG P D,. An Ecopath evaluation of system structure and function for the Laoshan Bay artificial reef zone ecosystem. Acta Ecologica Sinica, 2019, 39(11): 3926–3936 [劉鴻雁, 楊超杰, 張沛東, 等. 基于Ecopath模型的嶗山灣人工魚礁區生態系統結構和功能研究. 生態學報, 2019, 39(11): 3926–3936]

PANG Y X, LI F C, LI Y. Study on three-dimensional numerical simulation of flow field effect of multi-aperture artificial fish reef under identical penetration rate. Journal of Water Resources and Water Engineering, 2017, 28(2): 133–141 [龐運禧, 李芳成, 李堯. 同透空率下多孔人工魚礁流場效應的三維數值模擬研究. 水資源與水工程學報, 2017, 28(2): 133–141]

PERKOL-FINKEL S, SHASHAR N, BENAYAHU Y. Can arti?cial reefs mimic natural reef communities? The roles of structural features and age. Marine Environmental Research 2006, 61: 121–135

SONG C X. Study on the parameterization design method of three pyramidal artificial reefs based on Revit. Master′s Thesis of Hainan University, 2018 [宋朝祥. 基于Revit的三棱錐型人工魚礁參數化設計方法研究. 海南大學碩士研究生學位論文, 2018]

WANG J H, LIU L L, CAI X C,. Numerical simulation study on influence of disposal space on effects of flow field around porous square artificial reefs. Progress in Fishery Sciences, 2020, 41(3): 40–48 [王佳浩, 劉莉莉, 蔡新晨, 等. 布設間距對多孔方型人工魚礁流場效應影響的數值模擬研究. 漁業科學進展, 2020, 41(3): 40–48]

WANG L, HUANG C H. Research of color difference model of multivariate regression based on MATLAB. Computers and Applied Chemistry, 2008, 25(8): 1015–1018 [汪嵐, 黃彩虹. 基于MATLAB色差預測多元回歸模型的研究. 計算機與應用化學, 2008, 25(8): 1015–1018]

WANG Z, GONG P H, GUAN C T,. Effect of different artificial reefs on the community structure of organisms in Shique Beach of Qingdao. Progress in Fishery Sciences, 2019, 40(4): 163–171 [王震, 公丕海, 關長濤, 等. 青島石雀灘海域人工魚礁材料對附著生物群落結構的影響. 漁業科學進展, 2019, 40(4): 163–171]

XIAO R. Numerical simulation on features of flow field and transport of nutrient around hollow artificial reefs. Master′s Thesis of Shanghai Ocean University, 2015 [肖榮. 鏤空型人工魚礁流場效應及營養鹽輸運的數值模擬研究. 上海海洋大學碩士研究生學位論文, 2015]

YANG H S. Construction of marine ranching in China: Reviews and prospects. Journal of Fisheries of China, 2016, 40(7): 1133–1140 [楊紅生. 我國海洋牧場建設回顧與展望. 水產學報, 2016, 40(7): 1133–1140]

YU D Y, YANG Y H, LI Y J. Research on hydrodynamic characteristics and stability of artificial reefs with different opening ratios. Periodical of Ocean University of China, 2019, 49(4): 128–136 [于定勇, 楊遠航, 李宇佳. 不同開口比人工魚礁體水動力特性及礁體穩定性研究. 中國海洋大學學報(自然科學版), 2019, 49(4): 128–136]

Flow Field Effect of Cube Reef Monocase of Different Structure

GUO Yu1, QIN Chuanxin1,2①, ZHANG Shouyu3

(1. South China Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, National Agricultural Experimental Station for Fishery Resources and Environment, Dapeng, Guangzhou, Guangdong 510300, China; 2. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Guangzhou, Guangdong 511458, China;3. Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

The differences in artificial reef structure is one of the main factors affecting the scale effect of the flow field. We selected six widely-used types of reef monocases, namely Da-zi, Mi-zi, Hui-zi, Frame, Cross, and Solid artificial reefs, to study the influence of reef body structure characteristics on the flow field effect in a uniform layout model and further establishe the scale effect model of structurally different unit reefs. The results showed that, based on the law of flow field effect, the indices of reef structure characteristics were volume ratio, permeability coefficient, and relative cross-sectional area of reef monocase. The volume effect model of upwelling wasu=0.448u–1.679–p(29.868p–6.921)+sa(56.18sa–35.42), and the back eddy volume model wasb=u(1830u–128)–v(95v–105)+p(138p–154)–sa(418sa–180). Finally, based on the volume effect model of the flow field, we propose suggestions for selecting structural parameters of the reef body, which provides reasonable parameter guidance for the structural design of an optimal reefbased on the flow field volume.

Flow field effect; Unit reef; Volume effect model; Numerical experiment; Cube reef monocase

QIN Chuanxin, E-mail: qincx@scsfri.ac.cn

S953

A

2095-9869(2022)02-0001-10

10.19663/j.issn2095-9869.20201102001

* 國家重點研發計劃“藍色糧倉科技創新”專項(2018YFD0900905)、中國水產科學研究院南海水產研究所基本科研業務費專項資金資助項目(2020YJ04; 2020SY01)、南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州)人才團隊引進重大專項(GML2019ZD0402)、防城港市白龍珍珠灣海域國家級海洋牧場示范區礁區地形掃測(魚礁探測)和海洋環境要素狀況與漁業資源狀況調查評估項目(FCZC2019-G3-10045-GXYL)共同資助 [This work was supported by National Key Research and Development Plan: Blue Granary Technology Innovation Project (2018YFD0900905), Central Public-Interest Scientific Institution Basal Research Fund, South China Sea Fisheries Research Institute, CAFS (2020YJ04; 2020SY01), Southern Ocean Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou) Talent Team Introduced Major Special Projects (GML2019ZD0402), Survey and Evaluation Project of Topographic Survey (Artificial Reef Detection), and Marine Environment Element and Fishery Resources of the National Marine Ranch Demonstration Area in Bailong Pearl Bay, Fangchenggang City (FCZC2019-G3-10045-GXYL)]. 郭 禹，E-mail: guoyu25895177@163.com

秦傳新，副研究員，E-mail: qincx@scsfri.ac.cn

2020-11-02,

2020-11-18

郭禹, 秦傳新, 章守宇. 基于結構差異性正方體魚礁的流場效應研究. 漁業科學進展, 2022, 43(2): 01–10

GUO Y, QIN C X, ZHANG S Y. Flow field effect of cube reef monocase of different structure. Progress in Fishery Sciences, 2022, 43(2): 01–10

(編輯 馬璀艷)