人工鱼礁工程技术进展研究

张永波， 王继业， 辛峻峰

(1 青岛国家海洋科学研究中心，山东 青岛 266071；2 青岛科技大学机电工程学院，山东 青岛 266061)

人工鱼礁工程技术进展研究

张永波1， 王继业1， 辛峻峰2

(1 青岛国家海洋科学研究中心，山东 青岛 266071；2 青岛科技大学机电工程学院，山东 青岛 266061)

人工鱼礁是实现海洋牧场建设、海域生态调控和海洋生境修复的主要手段之一。人工鱼礁的聚鱼效果主要取决于礁体建造材料、结构造型、流体力学特征及礁体布局等因素。总结了国内外人工鱼礁工程技术的发展历程，阐述了我国人工鱼礁发展存在的问题。通过查阅文献资料，总结了礁体造型和设计方面的研究进展，主要包括：现有人工鱼礁礁体材料的优、缺点，新型复合材料应用空间等；主要礁体构型及现有设计方法；采用流体力学模型试验和数值计算，开展礁体水动力学行为研究的进展；人工诱导流场和人工鱼礁布局主要方法。结合我国人工鱼礁现状，提出人工鱼礁设计与应用的发展趋势和重点研究方向，以期为我国人工鱼礁建造和升级提供参考。

人工鱼礁；海洋牧场；流体动力学；研究进展；综述

随着捕捞技术的不断进步和捕捞强度的不断增加，海洋开发相关活动造成的环境污染等问题也日趋严重，近海渔业资源面临不断枯竭的境地[1]。因此，许多发达国家通过建设人工鱼礁来发展大规模海洋牧场[2]。人工鱼礁属于海洋渔业资源生态修复和渔业增殖综合工程，大范围的人工鱼礁建设可以有效保护近岸生物产卵场和索饵场，维护海洋生物资源总体平衡。

1 国内外人工鱼礁发展概况

人工鱼礁应用和研究最活跃的国家主要集中在日本、美国、韩国以及欧洲各国。日本历来重视人工鱼礁建设。1952年日本把人工鱼礁作为沿岸渔业振兴战略纳入国家规划，从最原始的简单投放石料和木料发展到采用钢筋混凝上、钢结构，投放海域由近而远推进，类型由简单渔获型向生态增殖型与生态改善型拓延[3]。美国成规模的人工鱼礁布设开始于20世纪30年代，于1985年出台“国家人工鱼礁计划”，目前大部分近海海域都布设人工鱼礁[4]。韩国于1994年开始实施海洋牧场建设计划，目前在东部、南部海域等建设了大量的人工鱼礁，初步建成了4个成规模的海洋牧场[5]。

我国渔业资源自20世纪80年代开始便呈现出萎缩的迹象。曾经渔业资源丰富的渤海、舟山、南海和北部湾四大渔场的资源量现已非常稀少。为解决渔业资源问题，国内专家先后提出了“海洋水产生产必须走农牧化的道路”的发展思路及构建“深远海大型养殖平台(养殖工船)”的战略设想[6]。人工鱼礁建设越来越受到重视，目前我国沿海各地都在学习国外先进的研究成果，逐步研发适合中国海域特点的人工鱼礁。如1981年中国水产科学研究院黄海水产研究所和南海水产研究所先后在山东省胶南、蓬莱和广东省大亚湾、电白、南澳沿海投放了人工鱼礁，并进行了相关的试验研究工作。截至2014年，在山东共建设规模以上的人工鱼礁区170多处，投放石料、钢筋混凝土构件、废弃船礁、钢制构件和复合材料构件等各类礁体共1 000万m3，形成礁区面积达到1.5万km2[7]。

2 礁体材料

礁体材料以安全、绿色环保、易造性和经济性等为主要考量。据不完全统计，人工鱼礁材料超过249种[8]，主要可以分为天然材料、废弃物材料、建筑材料和其他材料等4大类。

2.1 天然材料

天然材料取材方便、制作便捷、价格便宜，早期进行人工鱼礁初步建设时大量采用，主要包括木材类、石材类和贝壳类等(表1)。天然材料的生物聚集性较其他材料好，污染性极低，但随着原材料价格变动，制作成本升高，且建造周期长，抵抗环境侵蚀能力差，特别不适于高风浪区域布置，逐步被淘汰。

表1 天然材料礁体

2.2 废弃物材料

由于天然材料鱼礁大规模工程化实施困难，对资源需求和环境破坏较大，为此拓展了废弃物材料用于建造鱼礁，主要包括废弃海洋平台、废弃舰船以及废旧轮胎等(表2)。废弃物材料得到充分的二次应用，但不同废弃物在环境生态维护、生物友好性等方面缺乏全面、系统的评价研究[10-11]。

表2 废弃物材料礁体

2.3 建筑材料和其他材料

用于建造人工鱼礁的建筑材料主要指混凝土和钢材(表3)，可充分利用钢筋混凝土的可塑性，礁体耐波性和稳定性较好。新型材料的成本和工艺难度大幅度降低，多种材料被尝试用于人工鱼礁建造，随着功能需求、成本需求和生态需求的增加，采用多种材料组合或亲水性新材料制作的鱼礁会越来越多。

表3 建筑材料和其他材料

3 人工鱼礁结构造型设计和研发

3.1 礁体构型设计

人工鱼礁的结构需要根据投放海域情况和实际功能进行统筹选择。鱼礁的外形尺寸主要判断指标是礁体外形的长、宽、高形成的体积，通常按照鱼礁的体积和重量来区别小型鱼礁和大型鱼礁。小型鱼礁体积1～30 m3，重量0.1～3 t，一般布置在水深较浅的近海海域；大型鱼礁体积100～400 m3，重量15～70 t，布置在水深较深的近海或外海海域。按结构外形分类，主要有四方形、三角形、梯形、圆筒、十字形、人字形、箱型、星型、半球形、船型、框架型以及异型礁和组合礁等。按照生物聚集的对象不同，可分为鱼礁、鲍礁、参礁、海珍礁、藻礁等，构型在设计时要充分考虑所承载生物的种类、大小和生活习性。

系统的礁体设计主要包括结构安全性、稳定性、抗冲刷和流场等。我国人工鱼礁结构设计基本按照混凝土相关规范进行，如2012年实施的山东省地方标准《人工鱼礁建设技术规范DB37/T2090-2012》提出，建造时根据材料性质应满足《混凝土结构设计规范》、《钢结构设计规范》等的要求[15]。因鱼礁结构的不规则性，结构力学计算方法多采用成熟的结构有限单元法。除自身结构刚度满足耐久性要求外，鱼礁的稳性和抗冲刷等要根据环境荷载工况特定计算确定[16]。相关研究报道：四方台鱼礁不同工况下稳性的计算方法和结论[17]；采用开口比作为水动力计算的主要参数，即礁面开口部分投影面积与礁面全投影面积之比[18]；研究三角形、圆筒形和四角形三种不同外部形状和内部构造的鱼礁，给出了鱼礁周围及内部流场对于鱼礁稳定性的影响范围[19]。

3.2 礁体水动力学行为

礁体水动力学行为影响其安全稳性和生物聚集状态。水动力性能研究主要采用模型实验方法和计算流体力学方法对礁体的稳性、扰流性、水流通过性进行对比分析，通过结果来判断礁体初步设计的优劣并加以修正。目前大多学者认为，模型试验与数值模拟相互结合的研究方法更为可靠，结果接近流体力学真实行为，为工程设计提供更可靠依据。

(1)模型实验方法。即在水槽、水池和风洞中的稳定流速下进行，进而采用模型测试的手段对礁体结构本身和产生的流体力学特征进行定量分析，常用的方法有结构测试法和流场PIV法。佐久田博司等[20]在实验对比条件下得到了立方体鱼礁模型的水动力学特性，定量研究了礁体模型周围流场变化及影响范围；影山芳郎等[21]通过模型实验研究了人工鱼礁的流场扰动，并根据大量的实验结果对立方体、四角锥、三角柱型鱼礁设计参数进行优化；William seaman等[22]通过对鱼礁的流体阻力效果对流场作用的研究，得到鱼礁后方的扰动流场分3个区域。国内，刘同渝[23]通过对不同流态的特性对比研究，发现堆叠式鱼礁形成的尾部流态最大，梯形次之，半球形和三角锥体最小；史红卫[24]对比了有盖和无盖两种鱼礁的水动力学行为，认为球体水动力理论对正方体礁体也同样适用；刘彦等[25]在粒子图像测速二维流场实验室中测试了单体和双体星型鱼礁的流场，发现了不同流速和不同礁体布放形式下的上升流与背涡流特性。上述研究是通过模型实验分析方法而得到鱼礁设计水动力学的相关参数，为人工鱼礁的礁体设计和投放布局提供重要的理论基础。

(2)数值模拟方法。即利用数值分析方法对流场荷载作用在礁体上而实际发生在水下的流固耦合现象进行模拟计算，进而对一定流速下结构的安全、稳性和流场形态进行预报，实际工程设计可根据计算结果进行结构优化。黄远东等[26]利用数值模拟法研究了方形、多孔方形和三棱柱鱼礁，得出了不同形状鱼礁的扰流流场效应和异同；郑延璇等[27]利用RNG k-ε湍流模型对星形鱼礁模型的流场效应进行了数值模拟，并根据计算结果优化了等边三角型鱼礁的设计方案；唐衍力等[28]通过数值模拟得到方型鱼礁模型水动力学行为，得到了礁体所受流速与曳力的关系；许柳雄等[29]使用水动力学模型对回字型鱼礁模型稳定性相关特性进行了定量计算；何文荣等[30]对金字塔型鱼礁模型进行三维数值模拟，得到了不同流速下礁体的三维绕流场参数及流场效应的参数。伴随着方法的不断改进，以数值模拟为主的研究结果越来越接近鱼礁在水中的实际状态，研究人员可以通过部分设计参数的改变，筛选得到一种或几种优化后的鱼礁设计方案，再有针对性的结合物理模型试验或海试，对比几种不同工况的方案实验效果，得到最优设计方案。

3.3 人工诱导流场

在海流作用下的礁体上部形成明显的上升流，在礁体尾部形成明显的背涡流，这种诱导流场加速了水中营养输运，还可利用海浪的能量作用力来搅动海底沉积以减少淤积。这在人工鱼礁局部造型和总体布局中得到重视。国外科研人员很早就注意到利用人工鱼礁产生上升流，如日本在一项专利中提出了一种产生上升流的人工鱼礁构型，礁体本身设计成“V”字形的中层人工涌升流装置[31]。另外，还有一种做法是在深层海流的中间层设置一个诱导板，海流流经该诱导板后，方向会向上改变，使海底水流变向为上升流[31]。还有一种鱼礁设置了螺旋状侧裙结构，使水平方向海流改变流向，增加上升流面积，具有带动养分和减少淤积的作用[32]。

在人工诱导流场的研究中，黄远东等[33]通过对流场的速度变化结果分析，得到鱼礁的压力分布和其尾部涡区的涡旋组成特征；李晓磊等[34]应用CFD方法对立方体鱼礁模型的三维流场进行数值计算，得到由展向涡和流向涡构成的立方体鱼礁的流场三维涡结构；王宏等[35]研究证明了人工鱼礁流场的改变决定着布设海域的营养盐和初级生产力水平，进而显著影响海洋生物的诱集和聚集。近年来，由于渔业生产中对人工鱼礁的生物聚集效率提出了更高要求，对于人工诱导流场的研究开始增多，但受限于计算仿真准确度低和实验测试方法难以实施等因素，仍需要更多的研究方法创新和实测的联合验证。

3.4 人工鱼礁区域布局

目前，国内对人工鱼礁的区域投放布局研究处于起步阶段，对于人工鱼礁的规划设计方面缺乏综合性和指导性方法，现有的做法多是参考国外已实施的工程经验。不同布局方案的人工鱼礁投放到海域后会产生截然不同效果，如营养效应和流场效应等。赵海涛[36]等对礁体设计及投放区选址进行研究，对人工鱼礁的安装、长期维护等做了初步阐述；许强[37]分析了影响海洋牧场的因素，对确定选址方案作了初步评估。

合理的鱼礁构型组合能扩大海洋牧场面积和生物群落诱集范围，最大程度地提高经济效益。沈天跃等[38]使用GIS方法确定鱼礁单体在水下的空间位置，并结合侧扫声纳系统采集数据确定鱼礁的实际组合方式；郑延璇等[39]研究发现优化后的叠放形式能得到最大上升流的流速、高度和面积；虞聪达等[40]针对人工船型鱼礁的优化组合方式进行了数值仿真研究，建立了该型鱼礁的优化布局模式。上述人工鱼礁布局研究表明，通过有效的技术手段确定人工鱼礁在特定区域的空间位置、组合方式等，能够使鱼礁发挥出最大的作用。山东省地方标准《人工鱼礁建设技术规范》已给出礁体的配置和多体布设的基本原则[15]，包括单体鱼礁的有效边界、鱼礁控制距离、礁体高度设置等建议。总之，鱼礁布局应根据拟投放海洋环境、海域生物特性等多方面因素加以综合考虑、确定。

4 人工鱼礁工程技术展望

国内外学者对人工鱼礁的材料选择、礁体结构设计、布局的研究成果很丰富，在人工鱼礁的建设应用十分成熟。我国在该领域的研究与国外发达国家相比还有一定的差距。我国人工鱼礁行业发展迅速且前景广阔，但总体建设规划比较滞后，缺乏集中投放的规划，生态类人工鱼礁相对偏少，科研力量偏弱，特别是在礁体材料研发、礁型设计和建造、礁区总体布局等方面亟待加强。今后，人工鱼礁的研究和发展需要注重以下几个方面：(1)环境友好、可塑性强、易组合、结构更稳定、便于运输与后期维护的多种复合材料鱼礁研发；低成本、易维护、耐腐蚀的添加材料研制；(2)健全人工鱼礁设计和建造的国家标准；在海洋结构设计软件中，增加集合流体力学行为、结构安全、工程施工的人工鱼礁设计模块；(3)引入物联网、智能传感、云数据等新技术，在建造人工鱼礁的同时，建立遥感、现场环境监测(水下、水面)、水下鱼探等手段组成的实时综合预报体系；加强水体环境、绿潮、赤潮、风暴潮等生境预报和预警；(4)针对深水区域，考虑上层建造浮式牧场，而底层配合建造人工鱼礁，实施海底环境再造和保持技术，实现产业效益和环境效益双增值。

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A review of studies on artificial reef engineering technology

ZHANG Yongbo1，WANG Jiye1，XIN Junfeng2

(1 National oceanographic center, Qingdao, Qingdao 266071, China;2CollegeofElectromechanicalEngineering,QingdaoUniversityofScience&Technology,Qingdao266061,China)

Artificial reefs is one of the major means to realize sea ranching construction, marine ecology control and marine habitat restoration. The fish accumulating effect of artificial reefs depends on many factors such as reef materials, structure form, hydrodynamic features and reefs layout. This paper summarizes the advances in artificial reef engineering technology at home and abroad from the following aspects: the advantage and disadvantage of current artificial reef materials and the application potentials of new composite materials, major reef configurations and current designing methods, researches in reef hydrodynamic behaviors using hydrodynamic model test and numerical calculation methods, as well as methods of artificially induced flow field and reef layout. Then according to the present situation of artificial reefs in China, it points out the development trend and key research directions of artificial reefs design and application, in the wish to provide reference for artificial reefs construction and upgrading in China.

artificial reef; sea ranching; hydrodynamics; research progress; review

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.06.014

2016-08-19

2016-11-25

国家自然科学基金青年科学基金项目(E091002)；山东软科学研究计划(2016RKF01011; 2016RZF01001)； 中国海洋发展研究中心课题(CAMAJJ201510)

张永波(1982—)，男，助理研究员，博士，研究方向：流固耦合。E-mail： yongbo_zh@163.com

王继业(1964—)，男，研究员，博士，研究方向：海洋科技战略。E-mail：wjy@nocq.org

S953; TV135

A

1007-9580(2016)06-070-06