一種刺參增殖礁結構設計及流場效應研究

王宏 房恩軍 張雪 張晶偉 高燕 曾祥茜

摘要 人工魚礁是一種設置在水中的人工構筑物，通過人工魚礁的建設，能夠為魚類等水生生物營造良好的生態環境，從而達到保護和增殖漁業資源的目的。根據刺參自身特點和生長習性，設計一種刺參增殖礁作為人工附著基，通過對刺參增殖礁的水動力學試驗，分析刺參增殖礁單體結構對礁體周圍流場效應的影響，得出在相同入流速度的情況下刺參增殖礁的受力情況；根據模擬結果，計算出刺參增殖礁上升流體積和背渦流體積，同時對刺參增殖魚礁單體穩定性進行探討。結果表明：刺參增殖魚礁，由于孔徑小、間隙密，上升流區和背渦流區的體積均較大。當入流流速為0.5 m/s時，刺參增殖魚礁抗滑移系數和抗傾覆系數均大于1，表明其具有良好的安全性能。運用水動力模型模擬魚礁區的流場效應，優化魚礁結構設計，促進魚礁的生物誘集和增殖效應最大化，可以為魚礁區的建設提供理論指導和技術支持。

關鍵詞 刺參；人工魚礁；流場效應；結構設計

中圖分類號 S95? 文獻標識碼 A ?文章編號 0517-6611（2024）06-0196-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.06.043

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Study on Structure Design and Flow Field Effect of Sea Cucumber Breeding Reef

WANG Hong1，2， FANG En-jun1，2， ZHANG Xue1，2 et al

（1. Tianjin Fisheries Research Institute/ Bohai Sea Fisheries Research Center， Chinese Academy of Fishery Sciences， Tianjin 300457;2. Tianjin Marine Ranching Technical Engineering Center， Tianjin 300457）

Abstract Artificial reef is a kind of artificial structure set in the water. Through the construction of artificial reef， it can create a good ecological environment for fish and other aquatic organisms， so as to achieve the purpose of protecting and breeding fishery resources. In this study， according to the characteristics and growth habits of sea cucumber， a sea cucumber breeding reef was designed as an artificial adhesion base. Based on the hydrodynamic test of sea cucumber breeding reef， the influence of the single structure of sea cucumber breeding reef on the flow field effect around the reef was analyzed， and the stress of sea cucumber breeding reef under the condition of the same inflow velocity was obtained. According to the simulation results， the up welling volume and back eddy volume of sea cucumber breeding reef were calculated. At the same time， the monomer stability of sea cucumber breeding reef was discussed. The results showed that due to the small aperture and dense gap， the up welling and back eddy volume of sea cucumber breeding reef were both larger. When the inflow velocity was 0.5 m/s， the anti-slip coefficient and anti-overturning coefficient of sea cucumber breeding reef were both greater than 1， indicating that the sea cucumber breeding reef has good safety performance. Hydrodynamic model was used to simulate the flow field effect in artificial reef area and optimize the structure design of artificialreef to maximize the biological attraction and proliferation effect of the artificial reef， which can provide theoretical guidance and technical support for the construction of artificial reef area.

Key words Sea cucumber;Artificial fish reef;Flow field effect;Structural design

人工魚礁是一種設置在水中的人工構筑物［1-3］，通過人工魚礁的建設，能夠為魚類等水生生物營造良好的生態環境，從而達到保護和增殖漁業資源的目的［4-6］。在特定海域建造人工魚礁，對于保護、修復、增殖漁業資源具有重要意義［7-9］。

建設人工魚礁后，周圍水體環境在一定范圍內會發生改變［10-11］，對水體擾動、上升、擴散、交換等物理過程的影響如下：一是直接影響礁體周圍的流場效應［12-13］；二是影響礁體的物理穩定性［14-17］；三是影響礁體周圍營養鹽和初級生產力水平［18-19］。

刺參喜歡生活在水流緩慢穩定、潮流暢通、水質清澈、沒有大量淡水注入、海藻豐富的巖底或沙質區域，它們喜歡在光線較弱的陰影區域活動，具有晝伏夜出的特殊行為特性。因此，在刺參的增養殖過程中，經常采用添加人工附著基質的方法來減少敵害生物對刺參及其幼體的侵擾，提供夏眠、冬眠以及生長的棲息場所。國內外相關學者對不同形狀礁體對刺參的誘集效果進行了相關研究，秦傳新等［20］探討了不同類型附著基對刺參存活率的影響；張輝等［21］探討了附著基的顏色對刺參行為的影響；張碩等［22］探討了不同光照條件下，立方體和塔型礁體對刺參的誘集效果；崔勇等［23］探討了長方體、圓柱體、星型礁體對刺參的誘集效果。

目前，相關研究多是從刺參行為學角度探討礁體單體結構構型對刺參誘集效果的影響，缺少從數值模型的角度探討礁體單體結構構型對刺參增殖效果的影響。鑒于此，筆者根據刺參特殊的生活習性，設計一種刺參增殖礁，并運用數值模擬的方法分析了刺參增殖礁單體結構構型對礁體周圍流場效應的影響，以期為不同功能性礁體的結構設計提供新的研究思路。

1 數值試驗與模型建立

1.1 刺參增殖礁結構設計

根據刺參特殊的生活習性，刺參增殖礁采用3層結構設計，如圖1所示。魚礁底座作為與長方框架結構體一體制出的基座而共同構成一立方結構體，四面側壁上制有上、中、下3層側壁通孔，每面側壁每層均有大、小2個側壁通孔，側壁通孔彼此貫通。在四面側壁上所制的側壁通孔均為長方形結構，且上、中、下3層側壁通孔為水平平行設置。底座為：1 200 mm×1 200 mm×150 mm；長方框架為：1 200 mm×1 200 mm×1 050 mm；側壁大長方形導流通孔為：400 mm×250 mm；側壁小長方形導流通孔為：200 mm×250 mm。

1.2 計算區域設置

邊界條件包括入口邊界、出口邊界、內部邊界、壁面邊界、水槽兩側面邊界和水槽上面邊界。其中，入口邊界采用入口邊界條件，出口邊界采用出口邊界條件，內部邊界和壁面邊界采用壁面邊界條件，上邊界和側邊界采用對稱邊界條件［24］。刺參增殖礁采用四面體單元非結構化網格進行網絡劃分，其中魚礁周圍的網格尺寸較小，遠離魚礁區域網格尺寸逐漸變大。在計算刺參增殖礁的流場時，計算區域如圖2所示：x方向尺寸為30.0 m，y方向尺寸為10.0 m，z方向尺寸為7.5 m，刺參增殖礁尺寸為x方向的1/4處［25］。

1.3 控制方程設置

計算區域引入邊界條件，流場環境模擬采用k-ε湍流模型，物質濃度擴散采用物質輸運模型，不考慮內能，控制方程包括連續性方程和動量方程［26-27］：

連續性方程為：

uixi=0（1）

動量方程為：

ujuixj=fi-1ρpxi+xj（v+vi）uixj+ujxi（2）

式中：ui（i=1，2，3）分別為x，y，z方向的雷諾平均速度；uj為平均速度；fi為重力；ρ為流體的密度；p為壓強；v為流體的運動學粘性系數，vi=CμK2ε；湍流能量和耗散率的k-ε方程為［28］：

xikui=xjv+viσkkxj+Gkρ-ε

xiεui=xjv+viσεεxj+1ρC1εεkGk-C2εε2k

（3）

式中：C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cu=0.09；k為湍動能量；ε為耗散率；湍動能量k和耗散率ε的湍流普朗特數分別為σk=1.0和σε=1.3；湍動能產生項Gk=-ρu′iu′jujxi。

2 結果與分析

2.1 單個魚礁的流場效應

分析流場效應時，在計算上升流區域的體積時，取該區域的垂向流速大于入流速度的5%，在計算背渦流區域的體積時，取該區域流速小于入流速度的80%為判據［24］。入口海流速度依據渤海灣潮流場的數值模擬結果，取0.5 m/s。如刺參增殖礁礁體附近流場速度的等值線圖（圖3）所示，刺參增殖礁上升流區域形成于礁體迎流面，渦流區域形成于礁體內部和背流面，刺參增殖礁由于迎流面兩列窗口的大小不一致，水流在礁體兩側的流場形態存在一定差異，其迎流面開孔率較小，其上升流和背渦流強度較大，在其礁體內部也出現了渦流形態。

2.2 上升流和背渦流影響范圍計算

刺參增殖礁上升流區域為垂向流速大于入流流速5%的區域，背渦流區域為迎流面流速小于入流流速80%的區域［24］。對刺參增殖礁數值模擬結果進行分析，計算得出刺參增殖礁上升流區域和背渦流區域的體積分別為73.64、77.83 m3。

2.3 刺參增殖礁穩定性分析

對刺參增殖礁進行數值模擬，刺參增殖礁周圍的壓強分布如圖4所示。計算得出在相同入流速度的情況下刺參增殖礁的受力情況，刺參增殖魚礁受到的水平沖擊力（Fh）為483.58 N。

魚礁抗滑移能力可以用抗滑移系數（S1）來描述，即當礁體模型最大靜摩擦力大于波流作用力的情況下，礁體不產生滑移現象［20］，即必須滿足下列公式：

S1=（Wg-F0）μFmax>1（4）

式中：μ為水泥礁與底部的摩擦系數，計算中取值為0.55；W為魚礁自重；F0為浮力。

魚礁抗傾覆能力可以用抗傾覆系數（S2）來描述，抗傾覆系數可以用下列公式計算：

S2=M1M2=（Wg-F0）L1FmaxLmax>1（5）

式中：M1為重力和浮力對傾覆支邊的合力矩；M2為潮流作用下礁體最大作用力對傾覆支邊的力矩［28］；L1為水平方向力臂；Lmax為礁高［24］。

在潮流作用下不發生傾覆的條件為重力和浮力的合力矩M1大于潮流作用下礁體最大作用力矩M2，即S2>1。計算得出刺參增殖魚礁的抗滑移系數S1和抗傾覆系數S2分別為34.38、19.21。刺參增殖魚礁礁體的抗滑移系數和抗傾覆系數均大于1，表明安全性能表現良好。

3 結論與討論

刺參喜歡生活在水流緩慢穩定、水流通暢的隱蔽區域，增加刺參增殖魚礁整體結構的復雜性和通透性，可以減少敵害生物對刺參及其幼體的侵擾；縮小刺參增殖魚礁礁體孔徑及間隙，能夠為刺參提供有利于隱蔽的陰影區域，并且能夠為底棲藻類提供寬闊的生長區域；刺參增殖魚礁礁體產生的上升流和背渦流能夠促進礁體周圍水體和營養物質的交換，能夠為刺參提供充足的餌料。

該研究根據刺參自身特點和生長習性，設計一種刺參增殖礁作為人工附著基，通過對刺參增殖礁的水動力學試驗，分析了刺參增殖礁單體結構對礁體周圍流場效應的影響，運用Fluent軟件，通過物理建模、網格劃分、數值計算對刺參增殖魚礁進行數值模擬，并采用Tecplot軟件對模擬結果進行處理分析，對相同水流條件下刺參增殖魚礁單體所造成的上升流和背渦流的體積進行探討。結果表明：刺參增殖礁上升流區域形成于礁體迎流面，渦流區域形成于礁體內部和背流面，刺參增殖礁由于迎流面兩列窗口的大小不一致，水流在礁體兩側的流場形態存在一定差異，其迎流面開孔率較小，其上升流和背渦流強度較大，在其礁體內部也出現了渦流形態。通過計算得出，刺參增殖魚礁上升流區和背渦流區的體積分別為73.64、77.83 m3。劉長根等［25］利用數值方法對大窗型、大小窗型、卍（萬）字型、雙層貝類魚礁進行了流場分析，其中卍（萬）字型魚礁底座尺寸為2.05 m，體積較大，對流場的擾動最大，因此其背渦流體積最大。刺參增殖魚礁由于迎流面兩列窗口的大小不一致，水流在礁體兩側的流場形態存在一定差異，其迎流面開孔率較大窗型魚礁和大小窗型魚礁都小，由于其孔徑小、間隙密，其上升流體積最大。進一步分析礁體本身的設計對礁體周圍流場產生的影響有所不同，無論是上升流還是背渦流都與礁體的形狀、大小、迎流面開口大小有關。該研究對刺參增殖魚礁單體穩定性進行探討，結果表明：當入流流速為0.5 m/s時，刺參增殖魚礁抗滑移系數和抗傾覆系數均大于1，表明其具有良好的安全性能。

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