近海人工鱼礁水下物理状态探测与评估

李东， 唐诚， 邹涛， 侯西勇

(1.中国科学院海岸带环境过程与生态修复重点实验室(烟台海岸带研究所)，烟台 264003； 2.中国科学院烟台海岸带研究所，烟台 264003； 3.中国科学院海洋大科学研究中心,青岛 266071)

0 引言

近岸投放人工鱼礁是建设海洋牧场的重要手段，通过合理布设人工鱼礁可以达到生境修复与生物资源养护的目的[1-2]。鱼礁投放可引起光、声、水体流态等物理环境变化，能够为海洋生物繁殖、生长和栖息提供有利条件，逐渐形成特定的鱼礁生态系统[3-5]。由于礁体的大量存在，海底地形地貌发生较大改变[6]。礁区地形、礁体高度、鱼礁位置及分布密度等一系列物理状态参数对于鱼礁的生物诱集效应有着直接或间接的影响，并最终决定人工鱼礁的生态、经济效益[7-9]。因此，掌握人工鱼礁水下物理状态是其建设进程中的重要一环，也是评估鱼礁效益的关键前提条件。

传统调查手段(如潜水观测、录像)可以获取鱼礁物理稳定性指标，但受探摸范围小、潜水时间短、可见度低等因素限制，作业效率低、调查效果不够理想[10]，人工鱼礁投放后的物理状态无法得到有效判定。粗放式管理体制获取的信息不能达到对鱼礁科学监测评估的目的，无法满足构建现代海洋牧场的要求。

与可见光和电磁波相比，声波在海水中的衰减更慢、传播距离更远，因此声学遥测成为获取水下信息最常用的方式之一，且在海岸工程等领域已成为不可替代的观测手段[11-12]。近年来，声纳探测技术在人工鱼礁建设中的应用逐渐增多，例如，利用测深侧扫声纳系统、多波束测深系统、侧扫声纳、双频声学识别声纳等，可以实现礁区水下地形地貌的精确测量，获取水下人工鱼礁空间分布特征[13-17]。目前将声学遥测技术应用于人工鱼礁水下物理状态的研究方兴未艾，针对礁区地形起伏度、礁体分布格局、礁体覆淤程度等鱼礁物理稳定性指标的精细刻画还有待进一步完善。相比其他声纳设备，多波束测深系统是一种多传感器的复杂组合系统，在清晰快速确定鱼礁宏观位置及微观状态方面优势更为明显。本研究结合多波束声纳探测及地理空间分析技术，获取礁区高精度水深数据，分析礁区特有的地形特征及其成因，以期为人工鱼礁水下物理稳定性的监测与评估提供技术与数据支持，能够为促进人工鱼礁合理化建设提供理论依据和实践指导。

1 研究区及其数据获取

本研究选择山东近海某国家级海洋牧场为研究对象，近年来该牧场通过投放混凝土构件礁和山石礁等人工鱼礁已完成大规模投礁型海洋牧场的建设工作。礁区集聚鱼虾蟹贝藻，生态修护和资源养护效果明显。

按照交通运输部颁布的《多波束测深系统测量技术要求(JT/T 790—2010)》，利用多波束测深系统(R2Sonic 2024)对研究区进行全覆盖扫测，获取礁区高精度水深数据。多波束测深声纳系统采用发射换能器阵列向海底发射宽扇区覆盖的声波，经接收换能器接收窄波束，通过发射、接收扇区指向的正交性形成对海底地形的照射脚印，一次探测可获取垂面上百个甚至更多的海底水深值，快速准确地确定水下目标的形态特征[18]。其工作原理如图1所示。

(a) 多波束声纳工作原理(b) 多波束声纳扫测示意图

数据采集后，采用专业的后处理软件Caris对原始水深数据进行预处理，经数据检查、校正和滤波等处理后得到礁区高精度数字高程模型(digital elevation model，DEM)数据，空间分辨率为20 cm。选取该调查海域一典型区域，利用地理空间分析技术对人工鱼礁的水下物理状态进行评估分析。

2 研究方法

人工鱼礁水下物理状态即礁体在海底的实际状态，宏观方面包括礁体的位置、分布格局、礁区地形特征和投礁空方量等； 微观层面包括礁体高度和礁体周边冲淤程度等信息。礁区水深变化、礁体投放位置及分布格局是人工鱼礁水下物理状态的基本参数，是鱼礁科学管理的基础数据； 投礁空方量即人工鱼礁投放量，表征了礁体体积，是人工鱼礁投放规模的重要指标，随着时间推移，礁体出现倾覆、损毁等现象，其空方量也随之变化； 重力作用及局地水动力对礁体周围微地形发育有显著影响，获取礁体高度变化、鱼礁周边冲淤程度等参数能够在一定程度上从微观层面实现人工鱼礁水下物理状态的精确刻画。本研究利用高精度人工鱼礁区DEM数据，基于地理信息系统(geographic information system，GIS)空间分析技术获取人工鱼礁宏观及微观特征参数，达到人工鱼礁水下物理状态定量评估的目的。

2.1 典型水深剖面对比

研究区海域投礁前为较为平坦的泥底质海底，西侧无礁石投放区可基本代表投礁前的海底地形。分别在无礁区与礁石投放区选取典型水深剖面，对比分析投礁前后水深变化特征。此外，利用穿过礁体的水深剖面对礁体周边微地形特征进行定量分析并探讨其成因。

2.2 地形特征变量提取

采用美国国家和大气管理局海岸服务中心研发的BTM(benthic terrain modeler)插件工具提取礁区坡度、曲率、粗糙度和地形起伏度等地形因子。其中，坡度表示表面从中心像元开始在水平方向和垂直方向上的变化率，坡度值越大说明地势越陡峭； 曲率可理解为坡度的坡度，其值为正表明该像元的表面向上凸，反之向下凹，值为0说明表面是平的； 粗糙度定义为单元曲面面积与投影面积之比，其值反映地形起伏变化或侵蚀程度； 地形起伏度指在特定邻域范围内最高点与最低点的高程差。不同的地形因子在一定程度上能够从不同角度表征海底地形的破碎程度和异质特征。

2.3 投礁空方量估算

填挖方分析用于计算填挖三维面与模型图层或地形图层之间的填挖量[19]，可利用工程前后的DEM相减得到。由于研究区缺乏投礁前的DEM数据且人工鱼礁投放数年后，礁体周边地形已发生较大变化，为了估算现阶段投礁空方量，本研究将礁体分布区的边界水深作为理论海底底界面，构建不同礁体分布区的理论海底DEM[20]，对比多波束实测海底DEM，计算获取空方量。

具体流程如下： ①在对礁区高精度多波束地形数据解译的基础上，结合鱼礁的形态及分布特征对海底礁体进行辨识，利用GIS矢量化及空间分析工具(掩模裁剪)提取研究区各人工鱼礁矢量斑块及其栅格DEM数据； ②结合人工鱼礁矢量斑块及其栅格DEM数据，利用属性提取及区域统计工具，提取、计算各鱼礁斑块面积、鱼礁高度等信息； ③将鱼礁斑块矢量数据转换为栅格数据，高程值为斑块边界的最大水深值，网格大小与栅格DEM数据一致，即得到理论海底DEM； ④利用人工鱼礁栅格DEM及理论海底DEM，通过填挖方空间分析工具计算得到人工鱼礁斑块的空方量。

3 结果与分析

3.1 人工鱼礁区地形特征分析

研究区典型试验区面积为5.13万m2，由于礁石的存在，礁石投放区地势起伏较大，地形复杂多变，无礁区地形相对平坦。高精度DEM数据如图2所示，该区域水深在-9.92～-6.73 m，礁石投放规模较大，投礁分布散乱无序。该处人工鱼礁主要成分是花岗岩开山石，石块礁体在海底大多堆砌成堆，礁堆间距离不一，个别礁堆连在一起，少量礁石散布在礁堆周边，且礁体周围出现明显的沉降冲刷现象。

图2 人工鱼礁试验区DEM

AB剖面可近似认为投礁前的水深剖面，与礁区的CD水深剖面对比(图3)发现，人工鱼礁投放后，原本平坦的海底地形(约9 m水深)变得起伏多变，CD剖面水深值介于-9.55～-7.83 m之间。

图3 无礁区和礁区水深剖面对比

为进一步了解礁体周围的微地形特征，选取穿过礁堆的EF剖面，对其进行定量分析。从三维地形及EF水深剖面(图4)可以看出，人工鱼礁有显著的沉降现象，礁体周围冲刷明显，且冲刷程度不一。

(a) 礁体三维地形 (b) EF水深剖面

EF剖面显示，该处鱼礁高度为1.75 m，鱼礁沉陷深度约为0.5 m。此外，礁体西侧沉降冲刷影响范围约9 m，而东侧影响范围约11 m。受人工鱼礁自身重力及局地水动力作用，礁区形成了其特有的不规则“碗状”地形。

地形特征变量的计算结果(图5)表明，礁石分布区和无礁区的地形特征变量具有显著的差异性。人工鱼礁分布区的坡度、曲率、粗糙度以及地形起伏度均表现出高值，而平坦的无礁区其坡度、粗糙度和地形起伏度则表现出低值。据此，可将人工鱼礁进行辨识提取。值得注意的是，坡度及地形起伏度在识别“碗状”地形的边界方面较曲率、粗糙度表现更为突出。尤其是坡度变量，能够清晰地勾勒出礁体引起的沉降冲刷范围。

(a) 坡度(b) 曲率

(c) 粗糙度(d) 地形起伏度

以坡度为例对该区地形特征变量进行统计分析。结果显示，该区域坡度范围为0°～77.89°，坡度分布为明显的单峰正偏态分布特征(图6)，约75%的区域其坡度小于5°，而坡度大于30°的区域仅占6.37%。由此进一步说明投礁前该海域海底较为平坦，鱼礁投放后在海底或堆砌成堆或散乱分布，造成礁石分布区地势起伏多变，坡度高值区多集中在人工鱼礁堆积处。

图6 礁区坡度统计

3.2 投礁空方量

利用礁区高精度DEM数据，结合礁体实际形态特征，试验区共识别解译出89处人工鱼礁斑块(图7)，斑块多为不规则形状，其分布并无明显规律。经统计，试验区礁体斑块面积共计7 537.96 m2，占该区总面积的14.69%，其中，礁体斑块面积最大值为665.40 m2(编号73)，面积最小值为12.48 m2(编号71)。

图7 人工鱼礁斑块提取

尽管该区礁体斑块面积存在较大差别，但山石堆砌构成的礁体高度差异并不十分明显，将礁体斑块中最大水深与最小水深之差定义为礁体高度，其高度分布呈正态分布特征(图8)。礁体斑块中最大水深多分布在斑块边缘，而最小水深多集中在斑块中央位置。各人工鱼礁斑块中最大高度为2.77 m(编号14)，最小高度为0.44 m(编号71)，平均高度为1.59 m，礁体高度中位数为1.61 m，标准差为0.39 m，50%的礁体高度在1.48～1.82 m之间。

图8 礁体高度统计

基于该区各人工鱼礁斑块最大水深值构建各斑块理论海底DEM，结合人工鱼礁实测DEM，利用填挖方计算方法获取各礁体堆的空方量。部分鱼礁斑块统计信息如表1所示。结果显示，该区礁体空方量共计5 458.49 m3，由于各礁堆的礁体高度差异不大，礁体空方量与礁体斑块面积呈正相关关系，各礁石堆中最大空方量为522.11 m3，最小空方量为1.95 m3，分别对应斑块面积最大值(编号73)与最小值(编号71)的礁石堆。

表1 部分鱼礁斑块统计信息

4 讨论

4.1 人工鱼礁区特殊地形成因探讨

作为外来底质，大规模人工鱼礁投放后对海底最直接的影响便是迅速、显著地改变了礁石投放区原始的地形地貌特征。人工鱼礁建设使得原本平坦的海底变得崎岖不平，试验区由投礁前的约-9 m水深变为-9.92～-6.73 m，地形特征变量如坡度、曲率、粗糙度以及地形起伏度等在礁石投放区均呈现为高值。

礁区高精度DEM数据显示，该区域特殊的“碗状”地形广泛分布于投礁周边。前人研究表明，除礁石自身结构及重力作用外，海底底质及局地水动力环境是礁体周围出现冲淤特殊地形现象的主要因素[21]。鱼礁对水流的阻碍作用导致礁体周围压力场发生变化，形成新的流场分布； 底床泥沙颗粒在水流作用下被冲刷、搬运形成堆积，严重时导致鱼礁底部掏空，继而发生沉陷甚至被掩埋[22]。在该人工鱼礁投放区的水动力定点观测资料[23]中发现，该海域潮流为典型的往复流，潮流主向为NNE-SSW向。由于人工鱼礁的大量存在，海底摩擦增加，水流流速大小随深度增加显著降低，底层流速较表层降低约30%，同时，人工鱼礁的大面积投放，造成底层各分潮的最大流速方向发生变化，这在一定程度上促进了礁区微地形地貌的发育。试验区礁体高度多在1.5 m左右，随着海水往复运动，礁体对海流的阻滞作用使礁区流速相对变大，造成该试验区在潮流主向方向即NS向的冲刷程度明显大于EW方向(图2)。值得注意的是，试验区水深值大于9.5 m的区域多集中在礁石堆之间，可推测，相邻礁体斑块之间形成的“峡道效应”，导致局地流速增大，逐渐形成了特殊的礁区“深槽”。一般而言，人工鱼礁在软底质投放后，需要6～7 a才能达到平衡[24]。因此，定期对人工鱼礁水下物理状态进行精确监测，才能明晰礁区特殊地形的形成过程。

4.2 人工鱼礁科学监管的启示

截至2022年初，全国国家级海洋牧场示范区已达到153个，到2025年全国累计投放人工鱼礁将超5 000万m3。目前人工鱼礁建设发展基本向好，但其在现代化建设、科学监测方面仍存在较多不足。部分地区出现一哄而上、盲目扩张的现象，不合理的礁石布放可能导致礁体大面积沉陷或礁区出现低氧现象等严重生态环境问题。很多工程“重头轻尾”，后期监测不到位，无法对其生态和经济价值进行科学评估。

人工鱼礁建设是一项投资巨大的复杂工程，为了保证人工鱼礁建设取得预期效果，必须在建设前、中、后各个时段进行全面监测、科学评估。因此，笔者提出以下建议，以期为人工鱼礁的科学监管提供一定参考。

1)人工鱼礁设计方面。研发可塑性强、稳定性好、性价比高的礁体模型，结合投放区水生生物的行为差异性及礁体稳定性，有针对性地设计鱼礁结构、轮廓高度及空隙结构。

2)流场效应模拟方面。对鱼礁流场效应进行三维立体数值模拟，研究开口比、来流速度、迎流角度和礁高间距比等因素对人工鱼礁流场的影响特征和规律。

3)监测体系建设方面。基于海洋声光综合探测技术对人工鱼礁区资源环境进行自动、长期、实时立体式监测，建立包含鱼礁物理状态、礁区水文及气象条件的人工鱼礁区域性数据库，利用人工智能技术开发礁区生态灾害预警预报专家决策系统，实现人工鱼礁的可视、可测、可控、可预警。

5 结论

利用多波束声纳获取海底人工鱼礁水下物理状态，效率高、表现直观、信息量大，可较好地实现对投放礁体位置、分布、礁高、空方量及微地形特征的定量监测与评估。试验区内人工礁石散乱分布，海底地形崎岖不平，地形特征变量的高值区均出现在礁石投放区域； 礁体高度集中在1.5 m左右，投礁空方量与礁体斑块面积呈正相关关系； 礁区特殊“碗状”地形及“峡道效应”形成的“深槽”区与局地水动力环境密切相关。本研究可为人工鱼礁水下物理稳定性的监测与评估提供技术与数据支持，具有较强的推广价值。