三圆管型人工鱼礁布设间距的数值模拟及物理稳定性研究

本文采用RNG K-ε湍流模型和SIMPLEC数值模拟方法,分析了不同雷诺数条件下,布设间距和摆放方式对三圆管型人工鱼礁流场效应的影响。研究显示:采用FLUENT软件模拟,雷诺数能较好地反应人工鱼礁上升流和背涡流的分布情况,上升流的规模和强度随雷诺数的增大而增加,背涡流随雷诺数变化的趋势不明显。三圆管型人工鱼礁横向组合方式下,2个单位礁布设间距等于礁体尺寸时,获得的上升流和背涡流的规模和强度最大;纵向组合方式下,2个单位礁布设间距为礁体尺寸的1.5~2.0倍时,获得的上升流和背涡流的规模和强度最大。在不同实验流速和波况下三圆管型人工鱼礁的抗滑移系数、抗翻滚系数均大于1。研究结果表明,数值模拟能够较好地反应布设间距对礁体周围流场效应的影响,可为人工鱼礁的实际投放提供理论参考。     

布设间距对人工鱼礁流场效应影响的数值模拟

人工鱼礁在海中不同的布局方式会产生不同的流场效应.通过水槽与风洞模型实验很难对组合鱼礁流场全局进行观测,为此提出1种基于CFD原理的人工鱼礁流场特性的计算机数值模拟方法,模拟了不同流速条件下布设间距对方形组合礁体流场效应的影响.结果表明:数值模拟较好地反映了人工鱼礁周围上升流和背涡流的分布情况;当两礁体布设间距为1.5倍礁体尺寸时,所产生的上升流高度达到最大值;当布设间距为1倍/时,其上升流的影响面积为最大;当布设间距为1.5倍时所产生的背涡流效果最好;两礁体之间的最佳布设间距应为礁体尺寸的1～1.5倍.数值模拟结果与风洞实验结果基本相符,该结论可为人工鱼礁实际投放提供理论参考.     

三种叠放形式的圆管型人工鱼礁流场效应数值模拟与PIV试验研究

人工鱼礁单体按不同的数量和排列方式组合投放会产生不同的流场效应。圆管型礁为目前黄渤海区增殖礁的重要礁体型式,为优化该礁体的投放数量与排列方式,选择了3种不同叠放个数(1个、3个和6个)的圆管礁,设定了5个流速梯度(4.5、9.0、13.5、18.0和22.5cm/s),利用PIV粒子图像测速技术和Fluent数值模拟软件对圆管型人工鱼礁的流场进行水槽模型试验和数值模拟。结果表明,数值模拟结果与水槽试验结果基本吻合,误差在20%以下,表明数值模拟能够反映人工鱼礁的流场效应;当礁体叠放个数一定时,最大上升流流速、上升流高度和上升流面积均随来流速度的增加而增大,背涡流面积呈现不规则的变化;当来流速度一定时,最大上升流流速、上升流面积、上升流高度和背涡流面积均随礁体叠放个数的增加而增大。     

海上平台造礁选址评价体系构建——以东营近岸海域为例

海上退役采油平台改建鱼礁是同时实现退役平台处置和渔业资源养护的重要手段,而合理选址是保障平台造礁工程顺利实施的关键工作,但目前国内缺乏相应的选址评价体系。在参考国内外文献和专家经验的基础上,筛选平台造礁选址评价指标,基于层次分析法(AHP)和多级模糊综合评价法的组合方法,构建适合国内平台及海洋环境特点的平台造礁选址评价体系,并对东营近岸平台造礁适宜区进行了优选。结果表明,共选取出15项具有代表性的平台造礁选址评价指标,平台造礁选址评价在水深、利益相关方等方面与常规人工鱼礁存在明显区别,其中水深和海洋功能区划是影响平台造礁选址评价的主要因素;东营北岸海域选址评价结果优于东岸海域,评价体系合理地表征出东营近岸海域作为平台造礁区的适宜性情况。研究结果可为东营近岸海域平台造礁示范区的选取提供技术支持,并为国内平台造礁选址规程的制定提供参考。     

不同开口比人工鱼礁体水动力特性及礁体稳定性研究

为研究方型人工鱼礁体开口比的变化对其水动力特性的影响,利用Fluent软件模拟了边长为3m、开口比为0～0.6之间7种不同方型鱼礁体周围水流场,通过分析水流场变化规律得到了礁体流场效应、阻力系数随开口比的变化情况;基于Morison方程计算了礁体在波流作用下的受力及其抗滑移、抗倾覆安全系数。研究结果表明:当礁体开口比小于0.2时,背涡区范围较大,流场效应明显;随着开口比的增大,礁体产生的上升流范围及竖直向最大速度分量逐渐减小;对于方形开口礁体,阻力系数与开口比的关系式为Cd=0.875φ+1.088(R2=0.963,P0.01);随着开口比的增大,礁体所受最大波流作用力、抗滑移及抗倾覆安全系数逐渐减小,但礁体不会发生滑移和倾覆,可为实际礁体结构的设计提供参考。     

一种人工鱼礁的水动力学研究与建设效果评价

针对舟山群岛的海洋环境和渔业资源等情况,设计了一种正六棱柱式人工鱼礁用于改善当地的海洋生态和渔业资源。选用反映鱼礁通透性的ε值和反映鱼礁附着能力的η值两个参数对人工鱼礁的结构进行评价,通过比较发现所设计的正六棱柱式人工鱼礁在具有良好通透性的情况下还能够为海洋生物提供更大的附着面积,满足设计需求。使用Fluent软件对鱼礁进行CFD仿真,发现鱼礁迎流面前部上升流的最大高度随来流速度的增加而增加,鱼礁后方背涡流的长度约为鱼礁高度的9.3~9.6倍,表明其具有很好的水动力特性。为进一步验证鱼礁的水动力学性能,在相同尺寸、相同水域环境下对鱼礁模型设计了水槽实验,与仿真结果相互验证,证明了正六棱柱式人工鱼礁水动力性能的有效性。最后采用实地调查的方法对正六棱柱式鱼礁礁区与箱形鱼礁礁区进行建设效果的对比评价,发现两种鱼礁均能对各自所处的海洋环境起到增殖作用,正六棱柱人工礁区的平均生物密度大于对比礁区的生物密度,证明了其良好的水动力特性对增殖效果的有效性。     

不同形状和材料的鱼礁模型对短蛸诱集效果的初步研究

采用鱼类行为学方法,观测了短蛸(Octopus ocellatus)对同为PVC材质的3种形状的有孔和无孔模型礁以及对同为管状的3种不同材料的单体和叠加模型礁的行为反应,并对各组内模型礁的诱集效果进行了比较.实验结果表明:未投放模型礁条件下短蛸在水槽四角分布率较高,在鱼礁标志区分布率只有0.5%;PVC材质3种形状的模型礁放入后对短蛸的聚集率均在10%以上,其中内部空间最大的正方体模型礁聚集率最大,每种形状的模型礁中有孔模型礁聚集率高于无孔;3种不同材料的管状模型礁放入后诱集效果均较明显,其中陶瓷材质的管状模型礁效果最好,每种材料的模型礁中3单体叠加后的组合礁聚集率明显高于单体,其中叠加后的陶瓷模型礁对短蛸的聚集率达到39.3%;研究发现短蛸的领域行为对鱼礁模型的诱集效果影响较大.     

基于大涡模拟与被动示踪物模型的人工鱼礁数值研究

投放人工鱼礁是解决海洋生态环境问题的重要措施之一。通过使用并行大涡模拟模式（the parallelizeda large-eddy simulation model,PALM）及被动示踪物模型模块,研究了不同流速条件（0.1,0.2,0.4和0.6 m/s）下方型人工鱼礁对流场形态、营养盐的抬升作用、和湍流动能收支的影响。研究表明,鱼礁的存在使得其附近垂向速度增大,产生上升流。受到上升流的抬升作用,鱼礁底部的示踪物迅速进入海洋上层,之后遇到鱼礁后方的背涡流,示踪物的抬升受阻,高度逐渐降低。在上升流区域以及背涡流区域的共同影响下,示踪物抬升区域的最大高度与来流流速无关。不同上升流定义对应的上升流区域的高度与来流流速均不相关;上升流区域的最大速度、平均速度与来流流速都成线性增加的关系;然而随着来流流速的增大,不同上升流定义对应的上升流区域面积的变化趋势却完全不同。投放鱼礁后,鱼礁区域底部的混合增强,区域底部的能量被输运至上层。这说明,鱼礁的存在不仅对营养物质具有抬升作用,还能将能量向上输运。     

我国海上退役油气平台再利用研究

随着我国海洋经济的迅猛发展和工业化生产程度的不断提高,海上油气开发日趋频繁,越来越多的海上油气平台等油气生产设施被应用。由于海上油气平台的设计寿命一般在20年左右,因此随着投产时间的推移,我国大量的海上油气平台也逐步进入退役阶段。目前,我国对退役海上油气平台的处置办法主要以弃置为主,再利用手段及相关的法律法规尚不成熟。为此,文章对我国海上退役油气平台现状进行调查分析,同时参考国际对退役油气平台再利用的经验,综合考虑实际情况,为我国退役油气平台的处置方式提出建立健全退役油气平台再利用政策、制度和标准;构建系统完善的退役油气平台再利用管理模式;摸索建立科学合理的退役油气平台再利用模式等建议。     

人工鱼礁礁体模型阻力系数的实验研究

针对不同中心开口方式(圆孔、三角孔、方孔)的正方体人工鱼礁模型,通过风洞实验,定量探讨礁体的通透开口比、投影开口比与阻力系数之间的关系,测量模型礁体在不同角度迎流时的阻力系数。实验结果表明礁体阻力系数Cd随投影开口比γty的增加而呈下降趋势。当投影开口比γty相同且大于0.1时,阻力系数Cd随通透开口比γtt的增加而呈下降趋势。对于中心开孔方式人工鱼礁,阻力系数Cd计算公式为:Cd=-0.861γtt+0.145γty+1.268(R2=0.729,P<0.01)。回字型和正方体型人工鱼礁模型的实测值与理论公式计算值误差在8%以内,说明理论公式计算值是可靠的。在进行新礁体设计时,可以通过调整礁体开口尺寸,使礁体在满足集鱼、改善流场功效的同时,具有良好的水动力特性。     

人工鱼礁礁体与不同粒径底质间最大静摩擦系数的试验研究

通过平面拉动法分别测量了5种不同开口比人工鱼礁礁体模型对5种不同粒径大小底质间的最大静摩擦系数,分析了不同粒径底质以及礁体不同开口比的最大静摩擦系数变化规律。试验研究表明:最大静摩擦系数与底质粒径大小呈强负相关(r=-0.964,P<0.01);控制底质粒径时,最大静摩擦系数与礁体质量呈弱负相关(r=-0.265,P<0.01),与礁体开口比呈弱正相关(r=0.245,P<0.01);礁体本身的设计属性如开口比是最大静摩擦系数的主要影响因子。对于新设计礁型在进行礁体稳定性校核时,应根据礁体开口比和实际海域底质泥沙的粒径组成,选取适当的最大静摩擦系数。     

基于相位差测深声呐(PDBS)技术的莱州湾人工鱼礁探测

相位差测深声呐(Phase Differencing Bathymetric Sonar,PDBS),也被称作干涉式声呐(Interferometric Sonar),可以同步采集水深点云数据和双频侧扫声呐图像,完全适用于大范围的近海人工鱼礁探测。本文采用基于PDBS原理的Edge Tech 6205地形地貌一体化测量设备对莱州湾某海域海洋牧场投礁区进行全覆盖探测,获取了高精度水深数据以及双频侧扫声呐图像。对水深数据进行地形特征变量计算,精细刻画了研究区的微地形地貌特征,并结合侧扫声呐图像通过多数据融合实现了对鱼礁边界的精准识别。在此基础上利用地理信息系统中的空间分析方法对人工鱼礁的水下物理参数进行计算和统计,并探讨了研究区地形地貌的成因及其演化模式,最后论证了基于PDBS的近海人工鱼礁探测技术具有高效率、低成本、高精度等诸多优势。研究结果表明,研究区水深介于4.1~7.3 m,鱼礁分布区有较大的海底起伏且在礁体周围存在明显的沉降和冲刷现象;鱼礁总占地面积约占研究区的14.04%,总空方量共计2 528.22 m³,鱼礁高度介于1.26~3.63 m且呈正态分布。本研究为近海人工鱼礁探测提供了数据和技术支撑,具有较强的实践意义。     

不同布设间距下方型人工鱼礁体的水动力特性数值研究

为研究方型人工鱼礁体水动力特性受礁体布设间距变化的影响,通过物模实验实测了开口比为0.3的方形开口双礁体在布设间距为1.0L、2.0L时周围特征点的流速及礁体受力,并利用Fluent软件模拟了双礁体在布设间距为0.5L、1.0L、2.0L、4.0L时的水动力场,通过分析得到了礁体上升流特性参数、阻力系数随布设间距的变化情况。研究结果表明:数值模拟结果与实验结果吻合较好,本文数值模拟方法是可行的;模拟工况下,随着布设间距的增加,双礁体产生的上升流区体积逐渐减小,阻力系数逐渐增大,流场效应较好的布设间距为0.5L、1.0L、2.0L。研究结果可为礁区布局方案的确定提供参考。     

天津海洋牧场人工鱼礁投放误差研究

合理的人工鱼礁布局可以为海洋生物提供适宜的生境,促进物种的多样性和生态系统的稳定。然而受多种因素的影响,人工鱼礁投放的实际位置与规划方案多有差异,致使人工鱼礁建设达不到预期效果。文章利用重心误差、外围面积误差、重叠面积误差以及礁体数量误差等4个指标来评价天津海洋牧场人工鱼礁的投放误差状况。结果表明,天津海洋牧场人工鱼礁投放的外围面积误差和礁体数量误差的平均值分别为-0.11和0.067,投放布局的准确性比较高;重心和重叠面积误差平均值分别为0.59和0.73,投放定位的准确性相对较差,需要进一步改进;从年际变化来看,2018年人工鱼礁投放的重心误差、重叠面积误差、礁体数量误差均有明显改善,仅外围面积误差略大,表明随着时间的推移,人工鱼礁投放布局和定位的准确性均已达到预期效果。文章量化了天津海洋牧场人工鱼礁的投放误差,成果可为提高天津海洋牧场人工鱼礁投放效果提供有益参考,为相关政策制定提供科学依据,并指导管理实践。     

西沙海区新近纪碳酸盐岩台地地震响应特征和控制因素

利用西沙海域最新采集的高分辨率二维地震资料及钻井资料,结合前人研究成果,建立了西沙海区高精度层序地层格架;并在西沙海区新近纪识别出点礁、塔礁、台地边缘礁和环礁这4种不同类型生物礁,总结了不同生物礁的地震反射特征。早中新世时,西沙碳酸盐岩台地开始发育,台地数量较少且规模有限;中中新世,随着海平面的持续上升,海平面上升速率和碳酸盐岩的生长速率接近,此时碳酸盐岩台地发育规模达到最大;晚中新世以后,海平面继续上升,海平面上升速率远大于碳酸盐岩的生长速率,随着水深的快速增加,台地进入淹没阶段,不适合碳酸盐岩台地及生物礁发育,仅在部分构造高部位继续发育,生物礁主要为大型的环礁。控制西沙碳酸盐岩台地发育的影响因素为构造作用和相对海平面变化。     

礼乐盆地碳酸盐岩时空分布特征及构造意义

对碳酸盐岩(台地与生物礁)的研究具有重要的油气地质意义和科学价值。渐新世以来, 礼乐盆地及周缘开始了大规模的碳酸盐建造, 至今还有一定规模生物礁持续发育。文章通过拖网约束、井震对比和地震相类比方法对礼乐盆地周缘碳酸盐岩的发育特征、构造背景和时空分布规律进行系统研究。结果表明, 礼乐盆地主要发育孤立、前隆、掀斜断块型台地及生物礁。碳酸盐岩时空发育特征为: 1) 渐新世—早中新世以构造前隆和掀斜断块控制的开阔台地为主, 生物礁零星发育; 2) 早中新世—中中新世表现为大量孤立台地和生物礁; 3) 中中新世之后, 发生台地和礁的淹没, 盆地内主要发育点礁。结合构造背景和重磁特征分析表明, 古隆起、掀斜断块、前隆迁移和岩浆活动为控制礼乐盆地不同时期碳酸盐岩发育的主要构造要素。现今礼乐盆地及周缘大量生长的珊瑚礁, 主要发育在上新世—更新世岩浆活动形成的海山之上。     

人工船礁铺设模式优选方法研究

以人工船礁水动力学特征及优化组合方式为主要研究内容,采用数值研究的方法,探讨了人工船礁的不同组合及其规模大小对于形成上升流与背涡流的效果、促进海水的上下混合与交换的影响,并在此基础上建立了人工船礁铺设方式优选模式。结果表明,从船礁的相对效果看,铺设模式以大型单体船礁为最佳;不同类型船礁组合产生的最大上升流流速为来流速度的0．05—0．15倍;随来流速度的增加,产生的上升流及背涡流影响效果显著增强,在不同来流速度下,上升流影响范围与礁宽之比为1．1—5．0,流影高度与礁高之比为1．4—2．0,背涡流流影长度与礁高之比为4．5—13．0;不同礁体及其组合对“冲淤”影响差异较大,船礁因流线型形状,其“冲淤”影响较小。文中建立的人工船礁铺设方式优选模式,可为人工船礁水槽试验和现场铺设提供理论依据。     

不同布设间距和来流速度下方型人工鱼礁上升流效应的数值模拟

合理的人工鱼礁组合可以有效改善投放水域的流场效应,提高投放水域底层与上层水体之间的扰动。通过使用并行大涡模拟模式及被动示踪物模块,并通过调整人工鱼礁布设间距,研究了在不同背景流速条件(0.1、0.5、0.6和1.0 m/s)下,在不同的横向间距(1L、2L、3L)(L表示人工鱼礁的边长)或纵向间距(1L、2L、3L、4L、5L)情况下,方型人工鱼礁对上升流体积、营养盐的抬升和垂向涡黏系数的影响。研究结果表明,在同一布置条件下,单排布置下的三块人工鱼礁形成的上升流体积大小与来流速度成正相关,体积随来流流速增加而增大6.4%～80.5%;在同一流速条件下,上升流体积大小与纵向布置的间距成正比,与横向布置的间距成反比;在横向布置条件下,当来流速度为1.0 m/s、布设间距为1L时,上升流体积参数最佳。总体来说,上升流体积参数、示踪物浓度差和垂向涡黏性系数均显示横向布置优于纵向布置,相较于布设间距,来流速度是影响上升流体积最重要的因素。