（环境科学专业论文）人工鱼礁水动力场水槽试验及其数值模拟研究.pdf

a b s t r a c t y - e a r sa r e rt h ei n d u s t r i a lr e v o l u t i o nh a v ew i t n e s s e dt h er a p i dd e v e l o p m e n to f m 砌( i n d sp r o d u c t i v i t ya sw e na st h ef a s ti n c r e a s eo fi t i sp o p u l a t i o n a sar e s u i t ，t l l e i n t e n s 时 锄de x t e n s i o no fm a i l s a c t i v i t y a r eb e i n gi n t e n s i f i e da i l d e n l a r g e d ， a c c o m p a i l y w i t l lw l l i c hi st h e i n c r e a s i n gc o n n i c tb e t 、v e e nh 啪a na n dt h e i r e r i r o 姗e n t ，嬲w e ua st l l ep r o b l e m sr e s u l t e d 仔o mt h i sc o n n i c t t h ew o r s e n i n go f t h em a r i n ee i l v i r o l l l n e n t ，t h ee x h a u s t i o no ft h em 撕n ef i s h e 珂r e s o u r c e s ，e s p e c i a l l yt h e i n s h o r ef i s h e r yr e s o u r c e s ，a 1 1 ds oo n 1 ns u c has i t u a t i o n ，t h ea n i f i c i a lf i s hr e e fg a i n si t s d e v e l o p m e n tq u i c “ya n di sb e c o m i n gt h ek e y s t o n eo fm a r i n ef i s h e r y a i m i n ga tt h e r e s e a r c ho na r t i f i c i a lf i s hr e e et h i sp a p e rc o u l db em a i n l yd i v i d e di m ot 、s e c t i o n s ： t h ef i r s ts e c t i o nd e s c r i b e sm ef l u m ee x p e r i m e n to nt 1 1 er e e f sn o wp a t t e m ，i nt l l e s e c o i l ds e c t i o n ，t h en o wp a t t e ma r o m l dm ea r t i f i c i a lr e e fi ss i m u l a t e db ya2 d d 印t h - a v e r a g e dm a t h e m a t i cm o d e l t h em a i na c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w i n g ： i nt l l ef l o wn 啪e ，t h en o wf i e l d sa i l dt u 】b u l e n tf l o wc h a r l c t e r i s t i c sa r o u n dt l l e c r o s s - r e e f 、v e r em e a l s u r e ds y s t e m a t i c a l l ya i l dc o m p a r e dw i t l lt h a to fa r o u n dt h es o l i d c u b er e e fs i m i l a rt 0t h en a t u r a if i s hr e e t h er e s u l t sp r o v et h a tt h es c o p ea f i b c t e db y t l l ec r o s s - r e e fc a ne x c e e d10t i m e so fi t ss i z emt h ed o 咀s _ t r e 锄s i d e t h u s i ti s s u g g e s t e dn l a tt h ed i s t 锄c eb e t w e e ne a c ha n i f i c i a lf i s hr e e f ss h o u l db em o r et h a j ll0 t i m e si t ss i z e t h em e c l l a n i s mo fa t t r a c t i n ga i l ds u p p o n i n g1 a 唱ep o p u l a t i o n so ff i s h a f ! f e c t e db yt l l ec r o s s - r e e fi sa 1 1 a l y z e d 舶mt l l ep o i n to fh y d r o d y n 锄1 i c t h eu p w e l l i n g c l u t e n ta n dt l l ed o w m w e l l i n gc u n - e n tc r e a t e db yt 1 1 ea n i f i c i a lf i s hr e e fs p e e dt h e e x c h a n g e sb e t w e e nt l l eu p p e rl a y e ra n dt h eb o t t o ml a y e ro ft h ew a t e rb o d y 、h i c hi si n f a v o ro fz o o b e n m o sg r o w i n g 锄df i s hs p a w n i n g t h ea l t e m a t e dd i s t r i b u t i o no ft 1 1 e h i 曲n o wa n dt h el o wn o wm a l t l l ec r o s s - r e e fag o o dp l a c ew h e r et h ep la i i | a o n p r o p a g a t e 肌df i s hl i v e 1 1 1 ec o n t i 肌o u sc h a n g eo ft l l et u r b u l e n c ei m e n s i t y 啪u n d 恤 a r t i f i c i a lf i s hr e e fa l s op r o v i d e si d e a jh y d r o d y n 锄i cc o n d i t i o n sf o ra l ll 【i n d so f h y d r o b i o n t 锄df i s h e s 0 l i l t l l eb a s i so ft l l e 锄a l y s i so ff l 啪ee x p e r i m e n t ， a2 dd e p t h a v e r a g e d m a m e m a t i cm o d e li sd e v e l o p e dt os i m u l a t et 1 1 eh y d r o d y n 锄i cc h a r a c t e r i s t i c sa r o u n d t 1 1 ea n i f i c i a lf i s hr e e i nt 1 1 i sm o d e l ，t i l e 石一占d o u b l ee q u a t i o ni sa d o p t e dt oc l o s e t l l e r e ) ，i l o l d se qu a _ t i o n s t h ec o n t r 0 1v o l u r n em e t l l o di su s e di nt h en 啪e r i c 2 l l p r o c e d u r ew i mt h eo r t l l o g o n a lc w 哳l i n e a rc o o r d i n a t es y s t e m ，a r l dt h ep a t 玳a r - s p a l a d i n gs i m p l e cs 0 1 u t i o ni sa d o p t e dt 0s o l v et l l ec o u p l i n gp r o b l e m s 1 1 1 ef l o w v e l o c i t ) rd i s t r i b u t i o nc o m p u t e db yt h i sm o d e li si ng o o da 擎e e i n e n t 诵t l lt l l ed a t a m e a s u r e di nt l l en o wf l u m e k e y w o r d s ：a r t i f i c i a lf i s hr e e n o wp a t t e m ；t u r b u l e n c ei n t e n s 时；f l u m ee x p e r i m e n t ； m a t h e m a t i c a lm o d e l i l 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者c 签名，：葺全堕轴口护孑年f 月叩日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 砌蛑硼2 7 日 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 产业革命以后，人类的生产力获得了飞速发展，技术水平迅速提高，人口迅 速增长，人类活动的强度和范围逐渐增强和扩展，人类与环境的矛盾以及由此带 来的环境问题也日趋突出【1 1 ，海洋环境衰退，海洋渔业资源尤其是近海渔业资源 日显枯竭。 海洋国土是陆地国土的自然延伸，海洋生态系统作为地球生态系统的重要组 成部分，对人类的生存和发展具有极其重要的影响。 2 0 世纪9 0 年代以前，人们判断渔业先进国家的标准是年渔业总产量多少和 捕鱼技术是否先进，但在9 0 年代中后期，这些观念已经改变，本国渔业资源是 否得到有效保护且能增殖，成为判断一个国家渔业是否先进的重要标准。 由于我国沿海都有比较平坦的大陆架1 2 】，大部分海域都是水深较浅、适宜底 拖网作业的泥沙底质，随着我国机动拖网渔船的大量出现，使得本来比较脆弱的 生态环境遭到严重破坏，黄海、东海、南海的渔业资源逐年衰退【3 】。渔业资源衰 退主要表现在：主要经济鱼类种群数量骤减，种群低龄化、个体小型化、性成熟 提前，主要经济鱼类的c p u e ( 单位捕捞努力量鱼获量) 下降，索饵场、产卵场等 鱼类栖息地因污染等遭破坏，小型低值鱼类占渔获物的比例增加，等等。长期的 捕捞过度己使我国的渔业资源数量和结构发生了巨大变化【4 】。我国的海水养殖业 自上世纪8 0 年代开始我国的海水养殖业，我国的海水养殖业发展较快，但由于 缺乏有效的管理，属于粗放型养殖，大量含各类鱼虾类排泄物、有机物质、以及 各类未经处理的废水直接排放入海，沿海的海洋环境遭受了严重破坏，各种鱼虾 病和赤潮等不断爆发，使得沿海养殖业面临重重危机。 为了保护海洋生态环境，国家有关部门采取了许多措施，如实施休渔期和禁 渔区制度，限制网目大小和渔具数量，实施渔民转产转业，减少近海作业渔船， 鼓励发展远洋渔业生产等，这些措施对减少捕捞强度，减少近海渔业资源的衰退 起到了一定的作用，但并不能从根本上解决生态修复和资源恢复问题。 从渔场学知道，海岭地区会产生涌升流和涡流。而这些海域就是好的渔场。 同理，建设人工鱼礁，把鱼礁堆积起来，或建造大型鱼礁形成人工海岭，便会达 河海大学硕士学位论文 到同样的效果。而人工鱼礁技术在我国发展较其他发达国家相对慢些。尤其是相 对日本、美国等发达国家，我国人工鱼礁增殖技术中有许多急待解决的问题。对 人工鱼礁进行水动力学分析与计算，以便设计出水动力性能好的人工鱼礁礁体， 并为投放点的选择提供一个基本依据，这是当前人工鱼礁发展急需解决的重要课 题【5 1 。 1 2 国内外人工鱼礁研究现状 世界渔业发达国家包括美国、日本、澳大利亚、新西兰、韩国以及欧盟的一 些国家在利用人工鱼礁恢复和改善渔场生态环境，改善渔业资源的状况等方面的 研究和应用方面做了大量的工作，积累了很多经验【删。 日本是世界上人工鱼礁开发和利用中最发达的国家之一。日本沿海遍布的 7 0 0 0 多处由人工鱼礁形成的渔场人工鱼礁渔场，不仅恢复了曾经被污染的 海域生态环境，还促进了沿岸渔业的可持续发展【1 0 】 美国在墨西哥湾内的约4 0 0 0 座海洋石油钻井平台构成了世界上最大的人 工鱼礁系统。美国国会于1 9 8 4 年通过了“国家渔业改善法”以后，其国家海洋渔 业服务处( n a t i o n a lm 撕n ef i s h e r i e ss e i c e ) 依照该部法律制定和发布了国家人 工鱼礁规划( n a t i o n a la n i f i c i a lr e e f p l 锄，1 9 8 5 ) 。在人工鱼礁方面投入的资金逐 渐增多，美国在人工鱼礁的研究和设计方面也取得很多进展，在人工鱼礁的结构 设计和材料应用方面获得了许多专利技术。 韩国自上个世纪7 0 年代开始发展人工鱼礁来改善沿海水域生态环境，提 高渔获产量【1 1 1 。从1 9 7 5 年开始，韩国对每年其沿海的六处人工鱼礁的投放效果 进行跟踪监测，结果显示：人工鱼礁处的渔获量比自然礁石处高2 到1 3 倍。 到1 9 9 9 年，韩国已建设1 2 0 0 处人工鱼礁，总量达7 0 0 万立方米。 上个世纪8 0 年代，我国曾经在黄海、东海、南海的一些海域试验性投放 了一些人工鱼礁，但是由于投入不足，试验没有明显的效果，终告放弃。对人工 鱼礁的集鱼机理、礁体设计、礁体稳定性也进行了研究，取得一定的成果，但已 明显落后于其他发达国家。 1 2 1 国外对人工鱼礁研究的内容 主要包括人工鱼礁的建造所使用的材料选择( 包括材料的吸引和附着海洋生 物的功能、与环境的适宜程度、耐久性、稳定性等) 礁体的设计、投放地点底质 2 第一章绪论 的选择以及不同材料、不同结构人工鱼礁集鱼效果等内容1 2 1 3 1 4 1 。 1 2 2 国外对人工鱼礁的研究方法 ( 1 ) 在实验室对鱼礁的强度、稳性、流态等的研究； ( 2 ) 对鱼礁投放后的集鱼效果包括鱼类数量和鱼种数量、对周围鱼类生态环境 的影响等进行实地观察和统计。 1 2 3 人工鱼礁礁体的设计特征 目前礁体设计主要以礁体大型化、材料综合化、结构复杂化、类型多样化为 主要特征。 ( 1 ) 混凝土礁体预制件都在2m 2 m 2m 以上，并根据需要组合成更大 的礁体，最近日本正在开发特大型鱼礁( 高7 0m ) 和悬浮式鱼礁，从海底用铁链 将其固定，以诱集金枪鱼、鲣鱼等，礁体大型化可防止底拖网渔船的破坏和海流 冲击的移位，能产生较大的涡流与缓和区，减少沉积物埋没，为大量鱼类提供较 大的活动空间。 ( 2 ) 材料综合化礁体中既有混凝土部件，又有钢制部件以及石头、瓦片、 贝壳等材料，综合礁体中可有适合不同种生物栖息、生长与繁殖的环境。这种生 境既能贴近大自然，又有丰富的饵料，安全舒适，故目前多采用多种材料制成的 混合型人工鱼礁。 ( 3 ) 结构复杂化有利于增加表面积和形成不同大小的空间，为不同生物提 供适宜的栖息、生长、繁殖和避敌环境，提高生境栖息安全系数。 ( 4 ) 不同的海域环境( 海流、水深、底质等) 状况和生物对礁体有不同的要 求，所以礁体的形状必须多样化。日本的人工鱼礁有方形、三角形、梯形、圆柱 形、平板形、十字形等。 1 3 人工鱼礁的生态修复功能 早在上世纪6 0 年代初期，日本就开始了对鱼礁的系统研究，关于鱼礁的生 态效应和环境功能、鱼礁的集鱼效果等研究被提出【1 5 1 6 1 ，人工鱼礁生态效应和 环境功能主要体现在鱼礁内部及周围区域的非生物环境和生物环境的变化。其中 非生物环境包括水动力场、底质、水质、周围光、味、音环境等，而生物环境包 括浮游生物、底栖生物、附着生物、游泳生物等1 7 】。 1 3 1 改善水质环境 河海大学硕士学位论文 鱼礁投放水中以后，由于受海流影响，礁体周围水体的压力场随之发生变化， 流场重新分布并形成新的流态。迎流面附近产生上升流和滞流，背流面产生涡流， 礁体内部和周围形成几何阴影区。由于涡流的扰动作用可使底泥中的有机质和营 养盐释放出来，并得到充分混合，同时借助上升流将低温而营养盐丰富的深层水 带到光照充足的表层和表层暖流混合，从而促进了底栖生物和浮游生物生长。此 外，鱼礁本身作为一种基质，会附着很多生物，包括底栖硅藻和一些大型藻类， 这些藻类大量吸收海水中的氮、磷等有机物质，净化水质，改善水质环境，降低 富营养化，又可降低能c o d ，大大改善水质环境。同时也促进了海水中生物繁 殖和发育，从而提高了海洋初级生产力，使鱼礁周围底栖生物和浮游生物的种类、 数量、分布发生变化，成为海洋鱼类的索饵场。为新的动物群落的形成奠定了基 础【1 8 ，1 9 1 。 1 3 2 改变生物环境 鱼礁投放后，其周围的物理环境发生变化，这种变化又引起了生物环境的变 化，其结果使鱼礁投放海域的生物量增大。 欧锡祺等【2 0 1 报告，人工鱼礁区浮游生物比非鱼礁区丰富，种类也多，植物性 浮游生物在礁区占8 6 2 ，而非礁区占5 3 3 ；动物性浮游生物在礁区有1 2 种， 而非鱼礁区仅有5 种。 s p e r k 0 1 f i n k e l 等【2 l 】调查研究表明：人工鱼礁投放海区内生物种类和组成依 鱼礁种类的不同存在较大的差异。r d a j l o v a r 0 等圈对人工鱼礁周围的小型底栖 动物进行研究表明，结构相似的人工鱼礁能够改变周围小型底栖动物的组成，在 次级生产力和向较高营养级能量转化上存在潜在的重要意义。 1 4 人工鱼礁集鱼机理 鱼类之所以聚集于鱼礁，是由于鱼礁所形成的环境有利于鱼类的生存和繁 殖。 1 4 1 鱼类的趋礁性活动研究 利用海洋生物遥感技术观察牙鲆、真鲷、五条师的活动，观察发现牙鲆每时 每刻移动的路径与观察的底层流方向并不是完全一致，但是，大多数情况是沿水 流方向移动。真鲷、五条唏鱼也是随水流移动的个体，如果到达涡流区域等水流 缓慢的场所或水流不定的场所，就在靠近鱼礁附近停留，而且这种情况较多。2 5 1 。 4 第一章绪论 通过遥测技术测定鱼类在鱼礁群渔场的昼夜活动规律，结果表明牙鲆昼夜活 动是在太阳降落后3 0 分钟左右开始活动，日出前1 7 分钟左右停止活动【2 6 】。真鲷 也有夜间离礁活动倾向【2 7 1 。 另外在水槽中进行牙鲆对底质和鱼礁的选择性试验，发现牙鲆在底部没有砂 时会选择鱼礁，当有砂时，其分布却与鱼礁没有相关性，这时候，牙鲆会选择底 部砂粒裸露的地方，即使人为使其丧失视力的个体，仍然具有对砂的粒径的选择 性，由此判断他们是通过触觉进行选择的1 2 8 1 。 通过实验研究发现，在两个相同的水槽里，一个放入鱼礁，另一个不放，供 给相同的饵料，结果在有鱼礁的水槽里，鱼生长较好，死亡率也低【2 9 1 。这些实验 研究结果体现出鱼类的趋礁性，和礁对鱼类行为和生长的影响。 小川【3 0 1 通过水槽模型实验研究了条石碉幼鱼的对礁行动，实验结果显示随着 幼鱼成长，他们对礁的行动也开始增强。因此有观点认为，鱼的定型运动方式， 基本上是天生的，是通过遗传编入中枢神经系统的程序。此外小川【3 ”4 】还对条石 鲷很强的对礁行为进行了若干实验，实验结果表明条石鲷的对礁行动，并不是通 过饵料的学习得到的。 1 4 2 流场效应 流体力学阴影( 简称流影) 的概念是由日本学者黑木等【3 5 。3 6 1 定义并提出，在 回流水槽中，观察和测定了圆筒形、四角形鱼礁模型周围水流的变化。根据观测， 鱼礁周围的流态可分为3 级：a 级流，即设置鱼礁模型前的流态；b 级流，即 鱼礁模型设置后形成的上升流和侧流，其特征是流态紊乱且流向由礁的上方流向 礁的后下方；c 级流，即流速为0 ，或有反流的流态。计算了鱼礁的位置、间隔、 重叠等状态下的b 级、c 级流的体积，称之为“流体力学的阴影”，简称流影。 计算结果，单个鱼礁的流影高度是礁体高度的1 5 倍，其长度是礁体高度的6 倍以上，大型鱼礁的流影高度大约是礁体高度的l 倍，长度约为礁体高度的3 5 倍，而鱼礁群的流影，由于流的相互影响呈现大范围的复杂变化。鱼礁对其周围 以及内部的流速流态直接产生影响，鱼礁的外部形状及内部构造不同，其影响程 度也不同。在开放生境投入礁体之后，该海域原有的平稳流态受到了扰动，其周 围水体的压力场重新分布而形成流速有快、有慢以及产生滞流带的礁区渔场【3 7 3 引。 5 河海大学硕十学位论文 鱼礁背流面会形成负压区，海底的泥沙，以及海藻类漂浮物等都会在此滞留。 同时由于背涡流延伸很长形成涡街，搅动海水使底憩生物组成发生变化。从渔场 学知道，海岭地区会产生涌升流和涡流。而这些海域就是好的渔场。同理，把鱼 礁堆积起来，或建造大型鱼礁形成人工海岭，也可在其周围和内部形成涌升流、 加速流和滞缓流等多样流的空间，由于水的交换充分，它不但造成具有理想营养 盐运转环境，而且还具有供鱼类选择的不同水流条件。这对于喜欢多样流的趋触 性鱼类来说是一个理想的栖息之地。 1 4 3 生物链效应 李传燕、黄宗国等3 9 1 在1 9 8 8 年8 月至1 9 8 9 年7 月间，对大亚湾鱼礁进行了 附着生物调查研究，结果显示礁区附着生物种类多、数量多、数量大且生长迅速， 鱼礁投放半年后1 0 0 被生物覆盖，附着厚度3 0 m m ，附着量达1 7 4 8 7 k g m 2 。2 0 0 0 年6 月，广东省海洋与渔业局在阳江市双山岛附近海域沉放了3 艘旧水泥船礁。 4 个月后，现场采样调查。取得环境生物和资源种类共1 3 0 种，其中鱼类5 7 种、 虾类1 1 种、蟹类1 4 种，还有在沉船礁体上固着的生物8 种。在礁区周围采 集到的海洋生物，无论是生物多样性或总生物量均优于邻近对照海区【4 0 1 。许多现 场实例调查结果表明，在人工鱼礁区的浮游动物的种类数多于远离礁区的对照区 的种类数，总生物量也高于对照区。生物大多以生物链的形式生长，多数鱼类又 都以浮游生物和固着生物为食物，于是鱼礁周围形成的有良好的人工生态系的水 域自然就吸引鱼类聚集。 1 4 4 蔽敌效应 动物生态学的研究表明，鱼类都具有避敌的本能。鱼类在幼体阶段，随时都 有被吞食的可能。学者们将捕食者和被捕食者按不同组合同时放入小型水槽，观 察投入鱼礁或大型海藻后，被捕食率的变化，结果表明，构造复杂的鱼礁，被捕 食率低，趋礁性强的鱼类，鱼礁的存在与否对其被捕食的影响显著。海藻投放也 显示同样的效果，能形成复杂空间的藻种比其他海藻对降低被捕食率更有效。这 些结果说明鱼礁和藻场具有作为小型鱼类隐蔽场所，减小被凶猛鱼类捕食的蔽敌 机能例。对于游泳能力弱的鱼种，在潮流较大时，则栖息于人工鱼礁和人工鱼礁 的阴影处，躲避强流冲击。 上述三种效应其实是相伴而生，相互联系的。比如背流区的涡动区域，由于 6 第一章绪论 水流缓慢，饵料生物易在该处滞留，聚集鱼群的效果就特别好；礁区有许多洞穴 和阴影供小鱼避敌，又有丰富的饵料，十分适宜鱼类生长发育。关于人工鱼礁的 集鱼机理研究方面学者中也有阴影【4 1 4 2 1 音响效果等说法。从对象生物行为的角度 来讲，目前比较认同的有趋触性说m 本能说删等。由于对不同的鱼种聚集于鱼 礁，受到的影响因素也不尽相同，因而研究起来比较复杂，就人工鱼礁集鱼机理 方面，还有待今后进一步研究探讨。 1 5 本文的主要内容 由于礁体的形状和大小千差万别，沉放点的流场也因地而异，因此，人工鱼 礁产生的流态是非常复杂的。一座1 0 0 多m 3( 空方) 的人工鱼礁在潮流的作 用下，对流场的影响范围半径达2 0 0 3 0 0 m 。本文选取较为常见的外形为正方 形、内部结构形式为对称的十字型( 见图1 1 ) 的鱼礁作为研究对象【4 5 ，矧，通过 水槽试验，利用微型旋浆流速仪、多普勒声学a d v 流速仪，系统测量鱼礁周围 及内部流场以及紊流特征的变化，采用平面二维数学模型研究其流场，从水动力 学的角度查明鱼礁的集鱼机理，也为可靠计算这种鱼礁在水中受到的阻力和判断 结构稳定性提供必要的基础，从而为人工鱼礁的技术研究和投放管理提供重要的 依据和经验。 蠢型溺阑戳i 蕊 图1 1 十字型正方体鱼礁模型 河海大学硕士学位论文 第二章水槽试验方法 目前国内比较流行的礁体形状为正方体，边长通常在2 m 以上，本文讨论边 长为2 m 和3 m 两种正方体礁体。人工鱼礁礁体类型的选择，应该使得空方体积 尽量大，表面积尽量大，材料实际体积尽量小，但要使鱼礁有尽可能大的截流面 积，保证鱼礁的流场效应。为了评价十字型鱼礁的流场效应，本文还研究了一种 2 m 长有面板的鱼礁( 见图2 1 ) 的流场，以便对比研究。 图2 1 有面板的鱼礁模型 两种十字型模型鱼礁的具体尺寸如图2 2 和2 3 中所示 2 c m2 c m 皇t - 品_ 1 暑叫 高l 一 图2 22 0 c m 模型鱼礁俯( 侧) 视图 第二二章水槽试验方法 2 c m2 c m 图2 33 0 c m 模型鱼礁俯( 侧) 视图 2 1 水槽试验条件及测试设备 概化模型试验在南京水利科学研究院模型试验厅的矩形水槽中进行。水槽试 验段尺寸为：4 0 0 2 0 0 6 m ，试验流量最大可达到2 0 5l s ，槽内水深由尾门控制。 试验采用两种流速仪测量水流流速以满足不同的需要，对于鱼礁模型上下游较长 试验段内的流场采用微型旋浆流速仪仅对纵向流速进行量测，而对于模型周边的 水流结构采用三维的多普勒a d v 流速仪进行量测，以便精确描述鱼礁的三维流 场。 a d v 声学多普勒流速仪由s o n t e k 公司制造，该流速仪运用称为多普勒效应 的物理原理，采用遥距测量的方式，对距离探头一定距离的采样点进行测量。仪 器工作时，声波发射器以一个已知的频率产生脉冲声波，脉冲声波沿着波束的轴 线在水中传播，由于脉冲声波通过水体后能被水中的一些颗粒物( 如沙、小有机 物、气泡等) 在各个方位产生反射，一部分被反射的能量沿着接收器的轴线返回， 由接收器检测并计算出它的频率变化量，根据测得的多普勒转换与沿着发射器和 接收器的分置轴运动的颗粒速度成比例的性质，从而计算出水流速度( 见图2 4 ) 。 超声波测速仪由三部分组成：测量探头、信号调理以及信号处理，并与装有 相关软件的计算机一起构成测量采集系统。仪器概貌可见图2 5 。量测探头由三 9 量u n g u n 河海大学硕士学位论文 个接收探头和一个发射探头组成，三个接收探头分布在发射探头轴线的周围，它 们之间的夹角为1 2 0 0 ，接收探头与采样体的连线与发射探头轴线之间的夹角为 3 0 0 ，采样体位于探头下方5c m ，这样可以基本上消除探头对水流的干扰。a d v 的数据采集软件用s o n t e kh o r i z o n a d v l 0 4 ，信号和各种流动参数处理由 w i n a d v 完成，它提供的数据文件为文本文件，可以方便地由一些商业软件( 如 e x c e l ，m a t l a b 等) 处理。 图2 4a d v 测量探头 图2 5a d v 流速仪 1 0 第二章水槽试验方法 对于鱼礁模型上下游较长试验段内的流场采用微型旋浆流速仪仅对纵向流 速进行量测。旋浆流速仪连接到一个数据采集器，可以直接读出测点的纵向流速， 试验中采用7 支流速仪同时测量，数据由采集器采集后，经计算机处理输出相关 流速值。试验前，我们用a d v 流速仪对微型旋浆流速仪进行了率定，结果显示 两种流速仪的测量结果吻合很好。 2 2 水槽试验方法 对于两种十字型鱼礁和一种有面板鱼礁，测量每种鱼礁在两种水深条件下的 流场特性，共六种工况。试验过程中，对每种鱼礁，水槽流量控制为2 0 0l s ，调 节尾门分别使得鱼礁处水深为5 5 c m 和3 7 c m 。鱼礁被放置在水槽中间位置，离 开左右边壁距离相同，上游槽段长l0 m 确保水流在试验段达到稳定，下游距尾 门超过1 0 m ，消除了尾水的影响。 采用微型旋浆流速仪测量流场的方法如下：7 支旋浆流速仪同时断面流速测 量，测点沿水深布置在o 2 、o 6 和o 8 水深处，水平方向沿槽宽均匀布设，全部 流场包含3 3 个断面，每个断面间隔2 2 5 c m ，以鱼礁体为中心向上下游分布，具 体的测点位置网格见图2 6 。 图2 6 旋浆流速仪平面测点布置示意图 3 3 采用a d v 流速仪测量礁体周围三维流场的方法如下：对于每种鱼礁模型都 进行了两种水深下的流场测量，水深为3 7 c m 时，在距离床面1 、6 、1 1 、1 6 、2 l 、 2 6 、3 1 c m 处分7 层量测，每一水平层面上的测点布置网格见图2 6 ，实际测量时 河海大学硕士学位论文 在礁体内部由于受到十字架的阻挡对部分测点位置进行了调整；水深为5 4 5 c m 时，在距离床面1 、6 、1 1 、1 6 、2 1 、2 6 、3 1 、3 6 、4 l 、4 6 c m 处分l o 层量测， 每一水平层面上的测点布置网格同图2 6 所示。对于2 0 c m 模型礁体，测点在纵 向上间距均为5 c m ，在横向上间距也均为5 c m ；对于3 0 c m 模型礁体，在正对礁 体位置测点间距为7 5 c m ，具体尺寸已在图2 7 中表示。 。心l 。太 夕 。n ， n 卜| _ 一 5 c m7 5 c m 3 0 c m 图2 7a d v 流速仪测点布置示意图 2 3 试验数据处理方法 臻 设定a d v 流速仪的采样频率为2 5 h z ，每个测点持续2 0 2 5 s ，可得到5 0 0 7 0 0 个数据，利用软件w i n a d v 和计算机对数据进行处理，可以得到相应点的 时均流速和紊流强度。 时均流场： 1 2 第二二章水槽试验方法 测点三个方向的时均流速计算公式如下【4 7 】： 1 昌 甜= 一 z f f 疗智 1 是 v = 一 v ， 疗智 1 是 肛i 台嵋 其中，n 是每个测点的样本数，“，、1 ，。和嵋代表纵向、横向和垂向的瞬时流 速，”、v 和w 是各个测点的时均流速。 紊流特征： 在水力学中，通常关心的是运动要素的时均效应。然而脉动对于水利工程也 有重要的影响，它可以增加建筑物的瞬时荷载。引起建筑物的振动，使水流挟沙 能力增强等。当需要研究脉动的强弱程度时，不能用脉动的时均值来表示，因为 脉动值的时均值等于零。常用来表示紊动强度的方法有两种：脉动流速的均方根 和雷诺切应力。 三个方向的脉动流速的均方根计算公式如下： 吒= 瞧2 0 5 c ，- ，= = j 等喜。- ，) 2 。5 咿b 弘妒 0 5 其中，仃。、盯，和仃。分别为纵向、横向和垂向的脉动流速的均方根，也即紊 流强度。 而雷诺切应力可以表示为： 一万毛孔一“x v f 叫 2 一p “v 河海大学硕士学位论文 第三章鱼礁模型对流场影响的水槽试验研究 3 1 礁体对流场的影响范围 放置人工礁体后，周边的水流结构和紊流特征都有较大的改变，从而提供给 水生生物和鱼类适宜的栖息场所。礁体对流场的影响大小和范围，直接关系着人 工鱼礁的集鱼效果。了解和掌握鱼礁的影响水域，不仅为选择不同结构人工鱼礁 提供参照依据，也给鱼礁的布设方案以指导和技术支撑。为此，试验对模型礁体 放置后大范围流场的变化，采用微型旋浆流速仪进行了测量，以o 8 水深处的流 场为例，不同礁体和工况下的量测结果如图3 1 所示。可见，十字型正方体鱼礁 对流场的影响范围：上游受影响范围较小，大致与鱼礁尺寸相当，且纵向流速的 改变值不大；下游受影响范围很大，纵向流速有显著变化的水域可达鱼礁尺寸的 1 0 倍左右，由此单个人工鱼礁之间的距离可建议在礁体尺寸的1 0 倍以上，在两 礁体之间形成流速渐次变化的生物和鱼类栖息带；礁体中间有接近静止的缓流 区，两侧则形成一定范围的高流速带，有利于各种生物和鱼类选择。 对比图3 1 a 和3 1 b ，礁体尺寸的增大仅仅增加了下游受影响范围，对上游、 两侧以及内部的改变不显著。图3 1 a 和3 1 c 的对比显示，有面板的礁体对流场 影响的范围有所增加，但较强影响范围仍与十字型近似，可见十字型鱼礁基本可 以达到实体鱼礁的作用，而又保证了较大空隙率，有足够的内部空间满足水生生 物和鱼类的要求。 u ：3 05 07 09 01 1 01 3 01 5 01 7 01 9 0 c n l s 图3 1 a5 4 c m 水深2 0 c m 鱼礁在0 8 h 处纵向流速等值线图 1 4 第三章鱼礁模型对流场影响的水槽试验研究 醴蜷萋 u ：5 o7 og 旧1 1 o1 3 d1 5 d仃d1 9 0a 夸 图3 1 b5 4 c m 水深3 0 c m 鱼礁在0 8 h 处纵向流速等值线图 蚕 u ：3 05 07 0 曩o1 1 01 a 01 5 o17 01 9 02 1 0c i n s 图3 1 c5 4 c m 水深2 0 c m 有面板鱼礁在o 8 h 处纵向流速等值线图 u ：o o o d1 4 d 1 e o2 2 2 6 d2 8 9 c m ，s 图3 1 d3 7 c m 水深2 0 c m 鱼礁在o 8 h 处纵向流速等值线图 减小水深，增大流速后礁体对流场影响的效果( 图3 1 d ) 近似于较低流速条 件，但缓流区的流速有所加大。考虑水生生物和鱼类的适宜流速，可以推算出礁 体投放前水流的最大允许流速，据此选择适宜的人工鱼礁投放水域。 不同水深处的测量结果基本相似，仅在流速大小上有所不同，在此仅给出 3 7 c m 水深条件下2 0 c m 礁体时0 2 h 和0 6 h 处的水平流场( 图3 2 ) 。 河海大学硕一l 学位论文 豇霹 u ：8 d1 0 01 2 01 4 d1 6 01 8 02 0 02 2 02 4 d d 03 0 0c m s 图3 2 a3 7 c m 水深2 0 c m 鱼礁在o 6 h 处纵向流速等值线图 陋j i 薯苎二：二= 茎三三 u ：52 9 02 口503 d 53 1d3 1 53 2 0 3 2 53 3 0 c m s 图3 2 b3 7 c m 水深2 0 c m 鱼礁在0 2 h 处纵向流速等值线图 图3 3 a c 给m 了二种礁体相：5 4 c m 水深条件卜距离水槽底部1 1 c m 层面的水 平流场，数据南a d v 流速仪测得，测量区域集中确：鱼礁附近。与图3 1 中的等 值线图在礁体附近的显示结果相似，l ：游【x 域略有减速，礁体内部开始到下游 域流速明娩减小，礁体义寸两侧的纵向流场影响较小。十字型鱼礁与有曲- 板的鱼礁 流场近似，在流速变化大小上略有f i 如。 小_ 。- - _ 。_ 。一一 。一。_一_-一_一-_-。一 2 0 c m s 一一一“一一一一一一 _ 一，一_ 一j _ ，l 一- 一_ 一_ j ，二，_ _ p 一，一 图3 3 a5 4 c m 水深2 0 c m 鱼礁在z = 1 1 c m 层面的水平流场( a d v ) 第三章鱼礁模型对流场影响的水槽试验研究 _ _ _ 一i _ i _ i _ _ - _ - - - _ - 一_ - _ - _ - - l - 一。- 一 _ 一一- - - - _ - - 一_ l - - - _ - - _ _ - _ _ _ - o i o o _ _ - 一- 一- 、o 黾 - 、- 卜。 。一。、 f h 、- 。_ _ _ f 。- 。1 。 图3 3 b5 4 c m 水深3 0 c m 鱼礁在z = l l c m 层面的水平流场( a d v ) _ _ 一- 一- - i - _ - _ - 一- _ _ l 一_ l - _ - _ _ _ 一_ 一一_ ，一_ - - _ 。_ 。_ ，_ 2 0 c 毗 一一一一，一一一一一一_ 、 ，。一一一_ 一、 一一， - ，- _ - _ - _ ， _ _ 。一。一 。一_ 、 一、 ， ，- i _ _ - - _ _ 1 - - _ _ - - 、，、- _ _ ，4 _ - 一一 - - 。一_ - _ 尸，。，_ - _ _ _ 一- - - 。 - - - - r - - - - _ 。尸 - - - ，- ，i 。，。_ 一_ _ 。- l _ - _ _ l _ _ - - _ 一 图3 3 c5 4 c m 水深2 0 c m 有面板鱼礁在z = l l c m 层面的水平流场( a d v ) 1 7 河海大学硕十学位论文 3 2 礁体附近及内部的三维流场 人工鱼礁内部及周边的流速缓急相间，给鱼类戏水和滞留提供了场所；上升 流和下降流的产生使得低温而营养盐丰富的深层流和表层的暖流混合，从而促进 了底栖动物的生长，海水中生物的滋生和发育，提高了初级生产力、成为浮游生 物滞留和繁衍的场所，于是便成了鱼类索饵和生活的地带。依靠微型旋浆流速仪 无法满足测量要求，试验采用a d v 流速仪详细测量了十字型方体模型鱼礁的三 维流场，检验流速缓急、上升带、下降带以及涡旋的分布，探索并掌握鱼礁集鱼 机理的关键水动力特征。 图3 4 给出了三种模型鱼礁在距离水槽底部1 1 c m 处测得的水平流场，与微 型旋浆流速仪测量的0 8 h 基本接近，a d v 测量数据显然更加细致。图3 4 a 是对 2 0 c m 鱼礁的测量结果，由于测量层面在鱼礁高度的中间位置，在礁体内部高流 速和低流速区域交错分布，格局明显，是十字型鱼礁特有的水动力特点，有利于 各种水生物的附着和生存，有利于鱼类的戏水和觅食。图3 4 b 中的结果显示， 由于鱼礁尺寸加大，测晕层面在礁体高度中间偏下位置，内部流速缓急相间的布 局略有减弱。 降低水位，加大流速后，人二 礁体周边的水流结构未见明显变化，高流速带 和低流速带分别占据一定区域，存在明显的同流( 参见图3 4 c 和3 4 d ) 。 8 0 6 0 4 0 2 0 0 0 图3 4 a5 4 c m 水深2 0 c m 鱼礁在z = 1lc m 处的纵向( x ) 流速等值线 u 2 0 8 6 4 2 0 第三章鱼礁模型对流场影响的水槽试验研究 、_ 一7 ： 瀵 u ：2 d2 d6 01 0 o1 4 01 8 02 0 0 图3 4 b5 4 c m 水深3 0 c m 鱼礁在z = 1 1 c m 处的纵向( x ) 流速等值线 图3 4 c3 7 c m 水深2 0 c m 鱼礁在z = 11 c m 处的纵向( x ) 流速等值线 图3 4 d3 7 c m 水深3 0 c m 鱼礁在z = 1 1 c m 处的纵向( x ) 流速等值线 1 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0u弧孤孢趁恺他竹&2之 0 o 0 0 0 0 o 0