一种浮性人工鱼礁的理论设计

    张志伟 齐遵利 张云岭 赵广拓 申亮

    

    摘?要：目前我国人工鱼礁场等建设大多是投放底层鱼礁来改变海底地质地貌，并未利用整个水层。从这一角度出发，设计了浮性人工鱼礁，并介绍了浮性人工鱼礁礁体材料选择以及制作过程和制作细节，对浮性人工鱼礁的礁体和锚绳的基本受力情况进行简单分析，并阐述了浮性人工鱼礁的不足以及需要改进或有待研究的地方。

    关键词：浮性人工鱼礁，受力分析，制作技术

    目前人工鱼礁的建设方式有很多，从各种水泥构件礁到天然岩石块礁等等，主要是改变海底地貌从而改变海流，形成上升流把营养盐重新带入水体中形成饵料场和产卵场。人工鱼礁可以起到聚集鱼群和增殖、修复改善近海生态环境并带动第三产业发展等多方面的重要作用。在增殖藻类上却需要投放大量礁石以达到藻类需要生长的水层，礁体投放量巨大，而且为之付出的成本也很大，但有效空间利用率不高，也不能充分利用整个水体空间，在效能发挥方面得不到最佳效果。

    1?浮性人工鱼礁

    浮鱼礁根据其设置的水层位置分为中层浮性人工鱼礁和表层浮性人工鱼礁，顾名思义中层浮性人工鱼礁是利用浮性人工鱼礁礁体剩余浮力用锚绳和锚连接来固定礁体位置，表层浮性人工鱼礁则是用锚绳和锚连接固定礁体位置，一般浮于水面[1]。日本在浮性人工鱼礁发展应用方面处于世界领先地位，如日本的AK型中层浮鱼礁、AK型表层浮鱼礁和应用于大水深海域的AZ型浮鱼礁，其他国家对浮性人工鱼礁研究比较少，以前我国对浮性人工鱼礁的研究也相对较少，在80年代与日本合作投放悬浮式人工鱼礁[2]，浙江海洋学院水产学院余求妹，马家志[3]等对浮绳式人工鱼礁进行探讨，主要在设计优势和问题等方面进行阐述，在我国南部沿海地区浮绳式网箱人工鱼礁使用较多，尤以浙江省使用最多，一般设置在海流以及风浪较大的外海海域，王江涛[4]对柔性浮鱼礁水动力特性进行设计和分析。

    2?浮性人工鱼礁设计

    2.1?设计原理

    本设计旨在提供一种浮性人工鱼礁，其自身有一定浮力，使用重物固定礁体位置，可漂浮在中上水层的浮性鱼礁。具有制作简单，成本低等特点，如图1。

    2.1.1?设计思路?浮性鱼礁是以HDPE管材构成的长方体框架为基础;此框架密度较低主要起到漂浮作用，构成的长方体框架内装有一定重量的沙子于HDPE管内部以降低框架重心，使其在水中姿态相对比较稳定;麻绳网（或根据投放和制作需要可选用其他材料，如铁板冲孔网）作为附着基，用麻绳网将表面覆盖，麻绳网孔径可根据投礁需要自行选择安装。

    2.1.2?制作技术?为了进一步使其结构更加完整，其技术措施还包括：顶部可用绳索连接漂浮指示物或其他漂浮物框架，底部用绳索连接重物起到牵引固定作用，也可换做混凝土构件礁当做牵引物使其固定在某一区域漂浮，采用混凝土构件礁还能够有效利用立体空间;若底部使用混凝土构件进行牵引，还可作为牡蛎等其他生物的附着基。

    制作浮性人工鱼礁礁体时，使用热熔机对HDPE管进行热熔焊接连接，HDPE管直径为110 mm，也可根据生产所需自行选择不同直径的管材，接头使用虹吸球型四通连接，多余的口使用管帽密封，使用HDPE管件进行组装，具有组装方便、制作简单的特点，最初设计浮性人工鱼礁长、宽、高为1 m×1 m×1.5 m，使用麻绳网片对六个面进行包裹，藻类等生物附着于麻绳上，四周通透，也可成为幼鱼的避难所和觅食场所。

    浮漂可作为标识物，同时也可以提供一些浮力，也可根据实际情况直接固定在礁体上。使用PE管组装成长方体形礁体，每根HDPE管之间用虹吸球形四通连接，若可以大量生产也可与生产商协商定做需要的管件。在组装浮鱼礁时还需向HDPE管内装一定量的沙子或其他物质来进行配重，使其在水中姿态相对比较稳定。六个面用麻绳网进行包围作为附着基，也可使用铁板冲孔网或其他材质网片作为附着基，浮鱼礁通过锚绳连接锚，锚绳长度根据水深进行设定，锚的重量根据浮性人工鱼礁的浮力进行确定，通过锚来限制浮礁活动范围，从而固定浮礁的位置。

    2.2?浮性人工鱼礁水中受力分析

    2.2.1?浮性人工鱼礁受的浮力?由于制作浮性人工鱼礁的框架结构是由HDPE管组装而成，HDPE管本身密度在0.940 g/cm3以上，所以HDPE管本身也会有一定浮力，组装成浮性人工鱼礁礁体框架后，HDPE管内为中空且密封，所以浮性人工鱼礁的浮力大于其所受到的重力。可根据浮力公式进行计算：

    F浮=ρ液gV排

    F浮为浮性人工鱼礁在海水中所受到的浮力（N），ρ液为海水的密度，重力与质量的比值g=9.8 N/kg，若要粗略估算可取10 N/kg，V排是浮性人工魚礁在海水中的排水量，也就是浮性人工鱼礁的体积。可根据需要的规格计算浮力大小，根据所计算的向HDPE管内加灌相应量的沙子或其他进行配重。

    后期会有一定量的生物附着，其对浮性人工鱼礁浮力变化的影响还需要后期根据附着量和种类进一步研究。

    2.2.2?部分水流对浮性人工鱼礁的作用力

    水流对浮性人工鱼礁作用力计算公式[4]：

    式中，FW为浮性人工鱼礁礁体受到水流的阻力（KN），γ0为海水的重力密度10 250 N/m3，重力与质量的比值g=9.8 N/kg，CD为阻力系数1，AW为礁体水平投影面积，根据此礁体设计尺寸面积为1.5 m2，Vm为海水最大流速，把已知数值代入公式即可算出浮性人工鱼礁所受到的水流阻力。

    2.2.3?锚绳所受到的水流阻力

    锚绳所受到水流的阻力的计算公式为[4]：

    式中，FK为锚绳受到水流的阻力，γ0为海水的重力密度10 250 N/m3，重力与质量的比值g=9.8 N/kg， CD为阻力系数1，AK为锚绳投影后的面积，Vm为海水最大流速，可根据选择不同锚绳规格进行计算，将已知的数值代入公式中即可算出锚绳所受到水流阻力的值。

    3?浮性人工鱼礁的不足及改进

    3.1?浮性人工鱼礁连接方式

    浮性人工鱼礁受海流、风浪等作用力的影响较大，这些复杂的海洋环境因子作用在浮性人工鱼礁上，对整个礁体以及礁体与锚绳的连接点承受能力是一种考验。马家志等[5]在对浮绳式网箱框架在水槽中进行模拟试验中，研究结果表明波流对网箱框架的共同作用下的水動力值并不是由单独的纯流和纯波的动力值相加这么简单，而且还存在一个修正项。

    在海区的动力环境中比模拟试验的环境更加复杂，当有牡蛎、藤壶等生物附着并形成一定数量时，在海流等作用力作用在浮性人工鱼礁和锚绳时，导致浮性人工鱼礁表面的网片和锚绳的变形和摩擦，这些生物对礁体和锚绳所形成的一种磨损也应考虑到，尤其是浮性人工鱼礁礁体和锚绳的连接点的磨损。在选择礁体与锚绳的连接方式时应考虑到这些问题，尽可能选择耐磨牢固的连接方式，在材料或机械结构等方面进行改进。

    3.2?浮性人工鱼礁外观及布局设置

    浮性人工鱼礁的外观设计，在设计外观时不仅要考虑到礁体的实施难度和集鱼效果，还应考虑礁体在正常海区的稳定性，在风浪作用下整个礁体以及覆盖网片的变形程度。此外，有研究表明人工鱼礁附着的种类和数量与鱼礁表面积和颜色有着明显的差异[6]，在外观设计上尽可能增大表面积，多应用几种覆盖在浮性人工鱼礁表面的材料进行研究，进一步研究颜色对附着生物种类数量的影响。

    3.3?浮性人工鱼礁功能性

    人工鱼礁的生态效益，主要有两个方面：一方面是改变礁体周围水流状态，带来上升流和背涡流，将底泥中的营养盐重新带入水体，为浮游生物提供营养，同时为附着生物提供附着基;另一方面是为鱼类等生物提供避难所和产卵场，同时背涡流等条件为鱼类等提供休憩的场所。在浮性人工鱼礁和人工鱼礁进行组合投放时应考虑浮性人工鱼礁的总体布局，尽可能将浮性人工鱼礁的功能性发挥最大的同时又对其他礁体和海上交通等情况的影响降到最小。

    参考文献：

    [1] 刘惠飞.日本人工鱼礁研究开发的最新动向[J].渔业现代化，2002（1）：25-27.

    [2] 张丽珍，王江涛，胡庆松，等.近海中上层柔性浮鱼礁设计与应用[J].上海海洋大学学报，2016，25（04）：613-619.

    [3] 余求妹，马家志，安玉，等.浮绳式网箱人工浮鱼礁的设计优势及问题的探讨[J].安徽农业科学，2013，41（19）：8194-8195+8217.

    [4] 刘惠飞.日本人工鱼礁研究开发的最新动向[J].渔业现代化，2002（1）：25-27.

    [5] 马家志.浮绳式网箱的波浪水动力学水槽试验研究[D].舟山：浙江海洋学院，2010.

    [6] 王磊，黄洪亮，唐衍力.关于人工鱼礁的基本设计与管理问题的探讨[J].现代渔业信息，2008，23（4）：19.