CN115316327A - 一种消浪导流型人工鱼礁 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种消浪导流型人工鱼礁，属于渔业基础设施的建设技术领域。它包括礁体，礁体包括立体框架。本发明充分利用近岸海域波浪随等深线变形并接近垂直向岸传播、潮流接近沿岸线平行流动的特性，设计了消浪导流型人工鱼礁，在减少对沿岸海流和泥沙冲淤影响的同时、起到消浪破波的作用，且具备普通人工鱼礁的生物养护和增殖功能。礁体内部的复杂结构一方面利于海洋生物藏匿、增加生物附着面积，另一方面降低了礁体自重和制作成本；顶部的消浪板可有效消减波浪冲击的能量。礁体适宜布置在海图水深约为2倍礁高的海域，该礁体具有适合的空间能够作为生物栖息地及产卵和索饵场所，对修复和保护近海生态环境有重要的意义。
Description
技术领域
本发明属于渔业基础设施的建设技术领域，具体涉及一种消浪导流型人工鱼礁。
背景技术
传统的消浪结构形式为多孔结构，波浪经过多空结构物时，会发生强烈的反射，波浪能会被不断的耗散，多孔结构物常常被用来作为海洋基础结构的附加保护结构。常见的消浪结构物有开孔墙和开孔板，多用在大型港口和码头且施工难度较大、建造成本相对较高。
而传统的人工鱼礁投放在海洋中，主要依赖于礁体有较大的附着面积及礁体自身营造的流场效应。礁体较大的附着面积可以提供海藻的附着和生长基底，增加空间异质性。通过重建海底生物栖息地，在短期内形成岛礁型底栖生物优势种群，营造适宜生物生长、栖息、索饵以及产卵的生境，达到营建生态平衡且良性循环的小型海洋生态系统的目的。传统的人工鱼礁主要通过其流场效应来实现生态效益，流场效应主要表现在投放后产生的背涡流区和上升流区两个方面。背涡流区多为缓流区，可为鱼类提供了休憩、躲避强流的场所；人工鱼礁产生的上升流可以促进上下层海水交换、加快营养物质循环速度、提高海域的基础饵料水平，为鱼类提供索饵场所，易于诱集鱼类。
国内此前的人工鱼礁大多为钢筋混泥土和钢板材质，有包括实心方型、正方型、金字塔型、三棱柱型、梯形台型、方型、星形体型、复合型、圆管型、十字翼型等多种形式的人工鱼礁，其中以正方体、棱台、圆台的传统框架型人工鱼礁适宜投放水深在20-30m范围内,一般不具备消浪导流、保护近海防护堤的能力。
在我国近海用海饱和、海域功能规划逐步明确的现状下，近海人工鱼礁的功能化、综合化和特异化是一种趋势。近岸海域波浪具有随等深线变形并接近垂直向岸传播的特性，而潮流则具有接近沿岸线平行流动的特性。因此，利用上述两个特性，有必要发明一种消浪导流型人工鱼礁，在减少海流对泥沙冲刷和沿岸输运影响的同时、起到消浪破波的作用，用于近岸海域的渔业增殖和防护堤的保护，对于近海海域生态效益和环境效益具有十分重要的意义。
发明内容
本发明充分利用近岸海域波浪随等深线变形并接近垂直向岸传播、潮流接近沿岸线平行流动的特性，在主体框架的上部结合部形成了一处顶部全封闭的有效消浪结构，下部则为交错设计消浪结构，旨在建造消波性能良好，抗倾覆性、抗沉降性优，适用于高海况、浅水区的消浪导流型人工鱼礁。
主要采取以下技术方案来实现：
一种消浪导流型人工鱼礁，包括礁体，所述礁体包括立体框架，所述立体框架包括主体框架和固定在主体框架上，且在主体框架顶部向上延伸的消波板以及固定在主体框架底部的固定脚座，所述主体框架的内部设有第一挡板组件，所述消波板的内部设有第二挡板组件。
作为优选实例，所述主体框架的形状为立方体框架，所述消波板由迎浪板、顶板和背浪板组成，其中主体框架的左上端边缘与迎浪板的下端边缘固定连接，迎浪板的上端边缘与顶板的左端边缘固定连接，顶板的右端边缘与背浪板的上端边缘固定连接，背浪板的下端边缘与主体框架的右上端边缘固定连接，且迎浪板、顶板和背浪板均为立方体形状，所述固定脚座由四条立方体棱柱组成，且分别位于主体框架底部的四角边缘处，用于提高礁体的抗滑移、抗倾覆的稳定性。
作为优选实例，所述迎浪板与水平面的夹角α为20°-30°，背浪板与水平面的夹角β为45°-75°。
作为优选实例，所述第一挡板组件包括设在主体框架底部的第一组板和设在主体框架顶部的第二组板，所述第一组板和第二组板相对应；
所述第一组板由五块立方体板块在主体框架的底部固定而成，
所述第二组板由四块立方体板块在主体框架的顶部固定而成，
在第一组板和第二组板之间设有平行交错的立方体板块，且所有的立方体板块大小、形状均相同。
作为优选实例，所述第一组板上还设有第一通孔，所述第二组板上还设有第二通孔，且多个第一通孔与多个第二通孔在主体框架上交错设置。
作为优选实例，所述第二挡板组件包括设在消波板的内部的多个立方体挡板和多个楔形阻流板，多个所述立方体挡板在第二组板上平行交错排列，所述楔形阻流板在第二组板上两两平行排列。
作为优选实例，每相邻两个立方体挡板之间留有间隙，每相邻楔形阻流板之间也留有间隙。
作为优选实例，所述主体框架的左侧设有立方体板块，且所述主体框架左侧的立方体板块的中间开设有第三通孔，所述主体框架的右侧设有立方体板块，且所述主体框架右侧的立方体板块的两边缘处设有第四通孔，且所述第三通孔与两个第四通孔相对应。
作为优选实例，所述的主体框架、消波板和固定脚座三者通过钢筋混凝土和/或玄武岩复合筋和混凝土而固定。
作为优选实例，所述的第一组板、第二组板、立方体板块和楔形阻流板通过钢筋混凝土固定。
本发明的有益效果是：本发明在主体框架的上部结合部形成了一处顶部全封闭的有效空间结构而组成消浪导流型鱼礁，消浪导流型鱼礁的有效空方体积约为11m3，在近岸海域波浪随等深线变形并接近垂直向岸传播、潮流接近沿岸线平行流动下，上下结构在沿岸方向阻流面积最优(仅在立方体框架上部不影响底质冲刷区域设计了楔形阻流板形成小型背涡流区)；潮流接近沿岸线平行流动通过主体框架内部时，主体框架内部疏导水流通畅，大大提高了礁体的抗淤积性能。立方体板块和立方体挡板等部位，一方面增加生物附着面积、有利于海洋生物藏匿，使海洋生物在礁体分室之间可穿插的空隙增大，另一方面降低礁体自重和制作成本。立方体框架与第一挡板组件构成的结合体在不影响礁体自重的前提下，大大提高了礁体的抗沉降性能。此外，框架底部的固定脚座提高了礁体的抗倾覆性和稳定性，对于延长鱼礁的使用寿命起到了积极的作用。鱼礁的迎浪板与水平面的夹角α为20°-30°之间，一方面挡波作用强、消波的效果好，另一方面有利于形成上升流，促进底层营养物质向上输运，增加海洋初级生产力和次级生产力。鱼礁的背浪板与水平面的夹角β为45°-75°之间，一方面有利于消减波浪反射时的冲击能量，减弱波浪对岸边的冲击力，另一方面阻碍了泥沙的离岸输运，起到了促淤护堤的效果。礁体分室提供部分游泳动物和底栖生物藏匿的空间，增加了生物附着面积。鱼礁适宜布置在海图水深约为2倍礁高的海域，可有效达到消浪导流的效果。
本发明属于功能化人工鱼礁的一种，能大大提高礁体消浪导流的性能，提高组合礁群的利用效率。
通过本发明的消浪导流型鱼礁的特殊结构，在减少海流对泥沙冲刷影响的同时，也起到消浪破波的作用，对于消减近海波浪对沿岸防护堤的冲击能量有积极的作用，且本发明具备普通人工鱼礁的生物养护和增殖功能。此外，礁体具有适合的空间能够作为生物栖息地及产卵和索饵场所，对于修复和保护近海生态环境有重要的意义。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的主视结构示意图；
图3为本发明的左视结构示意图；
图4为本发明的右视结构示意图；
图5为本发明的内部立体结构示意图；
图6为本发明消波板立体结构示意图；
图7为消波性能实验下，本发明背浪板正对波浪传播方向(reef-)的组合布设示意图(有礁工况1的第一种迎浪方式)；
图8为消波性能实验下，本发明迎浪板正对波浪传播方向(reef)的组合布设示意图(有礁工况1的第二种迎浪方式)；
图9为消波性能实验下，本发明迎浪板正对波浪传播方向(reef,jc)的组合布设示意图(有礁工况2的第二种迎浪方式)；
图10为导流性能实验下，本发明(消浪导流型)与对照鱼礁(封闭型)的布放示意图；
图11为波浪稳定后，某一时刻的自由水面高度随向岸位置变化的实验对比图，其中，曲线position为空白对照组(无礁工况)、曲线position(reef-)为有礁工况1的第一种迎浪方式、曲线position(reef)为有礁工况1的第二种迎浪方式、曲线position(reef,jc)为有礁工况2的第二种迎浪方式、曲线position(max)为空白对照组(无礁工况)在四个波浪周期范围内波峰的最大值、曲线position(min)为空白对照组(无礁工况)在四个波浪周期范围内波谷的最小值；
图12为50m处，自由水面高度随时间变化的实验对比图，其中，position(50m)，position(50m)(reef-)，position(50m)(reef)和position(50m)(reef,jc)分别表示空白对照组(无礁工况)，有礁工况1的第一种迎浪方式，有礁工况1的第二种迎浪方式和有礁工况2的第二种迎浪方式；
图13为70m处，自由水面高度随时间变化的实验对比图(同图12)；
图14为90m处，自由水面高度随时间变化的实验对比图(同图12)；
图15为180m处，自由水面高度随时间变化的实验对比图(同图12)；
图16为本发明(消浪导流型)与对照鱼礁(封闭型)在潮流接近沿岸线平行流动下上升流体积Vup的分组柱状图，其中，w10为垂向分速度大于来流速度10％的上升流区域所占的空间体积，w15为垂向分速度大于来流速度15％的上升流区域所占的空间体积，w20为垂向分速度大于来流速度20％的上升流区域所占的空间体积；
图17为本发明(消浪导流型)与对照鱼礁(封闭型)在潮流接近沿岸线平行流动下背涡流体积Vwv的分组柱状图，其中，v40为水平分速度小于来流速度40％的背涡流区域所占的空间体积，w60为水平分速度小于来流速度60％的背涡流区域所占的空间体积，w80为水平分速度小于来流速度80％的背涡流区域所占的空间体积；
图18为本发明在潮流接近沿岸线平行流动下，两个测量点流速的时间历程曲线；
图中：1、主体框架；2、消波板；21、迎浪板；22、顶板；23、背浪板；3、固定脚座；4、立方体板块；5、立方体挡板；6、楔形阻流板7、封闭型(对照鱼礁)；8、消浪导流型。
具体实施方式
为了对本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
如图1-18所示，一种消浪导流型人工鱼礁，包括礁体，所述立体框架包括主体框架1和固定在主体框架1上，且在主体框架1顶部向上延伸的消波板2以及固定在主体框架1底部的固定脚座3，所述主体框架1的内部设有第一挡板组件，所述消波板2的内部设有第二挡板组件。
主体框架1的形状为立方体框架，消波板由迎浪板21、顶板22和背浪板23组成，其中主体框架1的左上端边缘与迎浪板21的下端边缘固定连接，迎浪板21的上端边缘与顶板22的左端边缘固定连接，顶板22的右端边缘与背浪板23的上端边缘固定连接，背浪板23的下端边缘与主体框架1的右上端边缘固定连接，且迎浪板21、顶板22和背浪板23均为立方体形状，固定脚座3由四条立方体棱柱组成，且分别位于主体框架1底部的四角边缘处，用于提高礁体的抗滑移性和抗倾覆性。
迎浪板21与水平面的夹角α为20°-30°，背浪板23与水平面的夹角β为45°-75°。
需要说明的是，迎浪板21与水平面的夹角α(20°-30°)、背浪板23与水平面的夹角β(45°-75°)均可根据水动力条件和波浪条件进行调整。
第一挡板组件包括设在主体框架1底部的第一组板和设在主体框架1顶部的第二组板，第一组板和第二组板相对应；
第一组板由五块立方体板块4在主体框架1的底部固定而成，
第二组板由四块立方体板块4在主体框架1的顶部固定而成，
在第一组板和第二组板之间设有平行交错的立方体板块4，且所有的立方体板块4大小、形状均相同。
第一组板上还设有第一通孔，第二组板上还设有第二通孔，且多个第一通孔与多个第二通孔在主体框架1上交错设置，目的是为了减少泥沙淤积，增大生物附着面积。
第二挡板组件包括设在消波板2的内部的多个立方体挡板5和多个楔形阻流板6，多个立方体挡板5在第二组板上平行交错排列，楔形阻流板6在第二组板上两两平行排列，目的是有利于分散横向波浪冲击的能量，保证礁体的强度和稳定性；就整体而言，外部形成的上升流和背涡流，有利于把海洋底层营养物质带入海表层，提供生物摄食的饵料。
每相邻两个立方体挡板5之间留有间隙，每相邻楔形阻流板6之间也留有间隙。
主体框架1的左侧设有立方体板块4，主体框架1的左侧设有的立方体板块4的中间开设有第三通孔，目的是为了更好的使水流入礁体内部，进而优化内部流场；主体框架1的右侧亦设有立方体板块4，立方体板块4的两边缘处设有第四通孔，目的是与第一组板块和第二组板块之间的立方体板块4平行交错式排列，其作用有利于减小水流带来的冲击，增加水流涡动混合，且第三通孔与两个第四通孔相对应。
主体框架1、消波板2和固定脚座3三者通过钢筋混凝土和/或玄武岩复合筋和混凝土而固定。
第一组板、第二组板、立方体板块4和楔形阻流板6通过钢筋混凝土固定。
如图7-8所示，为组合礁群的一种排列方式，礁群采用平行等距排列，其优势是降低礁体的用量，经济节约，另一方面形成的组合礁群不但可发挥出特定的消波导流性能，而且对于海岸带生态系统的修复和防波堤的保护也起到了一定的积极作用。
如图9所示，为组合礁群的另一种排列方式，礁群采用交错式的平行等距排列，降低了用礁量，消浪导流性能明显。
如图7-17所述，为了进一步的说明消浪导流型人工鱼礁的消浪和导流特点，拟设计了消波性能实验和导流性能实验。具体工艺如下：
根据波浪理论、数值波浪水槽和大涡模拟理论，采用ANSYS软件，模拟了近岸海域消浪导流型人工鱼礁的波浪运动状态和导流特性，实验给定的波浪是较符合实际近岸海域的斯托克斯二阶波，其中，初始水深4m，鱼礁区在60-97.1m范围，海绵层(阻尼消波区)设在240-300m范围(2倍波长，为了使波浪充分发展，防止波浪反射影响实验进行)，波高为2m，波长为30m，波浪周期为5s。
通过消波性能实验对比发现:①0-60m区域，由布放鱼礁而引起了波形较为明显的变化，即波高升高、波长变化不明显、波谷变宽、波峰变尖瘦、波陡(δ＝波高/波长)变大进而非线性作用增强，更易破波、波浪作用力明显(图7-9、图11-12)；②60-97.1m区域(鱼礁区)，波形延续变形，变化剧烈但有恢复趋势，即波高先增后减，直至达到原波高的77％-86％、波长变化不显著、波谷变尖、波峰不规则性增强、波陡(δ＝波高/波长)先增后减，进而非线性作用先增大后减小、周期变化不明显、相位迟滞约四分之一个波长(图7-9、图11、图13-14)；③97.1-240m区域，波形略微向波浪传播方向倾斜且延续变化直至180m及更远处恢复，即波高减小后保持恒定，为原波高的58％-60％、波长变化不显著、波谷变宽、波峰变宽、波陡(δ＝波高/波长)减小，进而非线性作用减弱、周期变化不明显、相位迟滞约半一个波长、波浪被持续消减并继续向前传播(图7-9、图11、图15)。
如图10、图16-18所述，实验给定的水流为1m/s，通过导流性能实验对比发现，在潮流接近沿岸线平行流动下的上升流区极不显著(图16)；背涡流区域范围为对照鱼礁的3％-30％，但低流速区亦不显著(图17)，进而说明消浪导流型人工鱼礁具有沿岸输沙抗掩埋的性能；以消浪导流型人工鱼礁为例，根据两个测量点流速的时间历程曲线可知(图18)，立方体框架内部测量点的流速约为来流速度的105％，而楔形阻流板一侧测量点的流速约为来流速度的18％，进而可以反映了消浪导流型人工鱼礁近底层防冲淤，即保证鱼礁不被泥沙掩埋和消波板内部部分背涡流区可诱集趋礁性、恋礁性等鱼类增加生物附着面积，提高近岸海域初级生产力和次级生产力的效果。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种消浪导流型人工鱼礁，包括礁体，其特征在于：所述礁体包括立体框架，所述立体框架包括主体框架(1)和固定在主体框架(1)上，且在主体框架(1)顶部向上延伸的消波板(2)以及固定在主体框架(1)底部的固定脚座(3)，所述主体框架(1)的内部设有第一挡板组件，所述消波板(2)的内部设有第二挡板组件。
2.根据权利要求1所述的一种消浪导流型人工鱼礁，其特征在于：所述主体框架(1)的形状为立方体框架，所述消波板由迎浪板(21)、顶板(22)和背浪板(23)组成，其中主体框架(1)的左上端边缘与迎浪板(21)的下端边缘固定连接，迎浪板(21)的上端边缘与顶板(22)的左端边缘固定连接，顶板(22)的右端边缘与背浪板(23)的上端边缘固定连接，背浪板(23)的下端边缘与主体框架(1)的右上端边缘固定连接，且迎浪板(21)、顶板(22)和背浪板(23)均为立方体形状，所述固定脚座(3)由四条立方体棱柱组成，且分别位于主体框架(1)底部的四角边缘处。
3.根据权利要求2所述的一种消浪导流型人工鱼礁，其特征在于：所述迎浪板(21)与水平面的夹角α为20°-30°，背浪板(23)与水平面的夹角β为45°-75°。
4.根据权利要求2所述的一种消浪导流型人工鱼礁，其特征在于：所述第一挡板组件包括设在主体框架(1)底部的第一组板和设在主体框架(1)顶部的第二组板，所述第一组板和第二组板相对应；
所述第一组板由五块立方体板块(4)在主体框架(1)的底部固定而成；
所述第二组板由四块立方体板块(4)在主体框架(1)的顶部固定而成；
在第一组板和第二组板之间设有平行交错的立方体板块(4)，且所有的立方体板块(4)大小、形状均相同。
5.根据权利要求4所述的一种消浪导流型人工鱼礁，其特征在于：所述第一组板上还设有第一通孔，所述第二组板上还设有第二通孔，且多个第一通孔与多个第二通孔在主体框架(1)上交错设置。
6.根据权利要求4所述的一种消浪导流型人工鱼礁，其特征在于：所述第二挡板组件包括设在消波板(2)的内部的多个立方体挡板(5)和多个楔形阻流板(6)，多个所述立方体挡板(5)在第二组板上方平行交错排列，所述楔形阻流板(6)在第二组板上方两两平行排列。
7.根据权利要求6所述的一种消浪导流型人工鱼礁，其特征在于：每相邻两个立方体挡板(5)之间留有间隙，每相邻楔形阻流板(6)之间也留有间隙。
8.根据权利要求1所述的一种消浪导流型人工鱼礁，其特征在于：所述主体框架(1)的左侧设有立方体板块(4)，且所述主体框架(1)的左侧设有的立方体板块(4)的中间开设有第三通孔，所述主体框架(1)的右侧设有立方体板块(4)，所述主体框架(1)的右侧设有的立方体板块(4)的两边缘处设有第四通孔，且所述第三通孔与两个第四通孔相对应。
9.根据权利要求1所述的一种消浪导流型人工鱼礁，其特征在于：所述的主体框架(1)、消波板(2)和固定脚座(3)三者通过钢筋混凝土和/或玄武岩复合筋和混凝土而固定。
10.根据权利要求6所述的一种消浪导流型人工鱼礁，其特征在于：所述的第一组板、第二组板、立方体板块(4)和楔形阻流板(6)通过钢筋混凝土固定。
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