许氏平鲉幼鱼在不同流场环境下的趋礁行为研究

席杨1,田涛1、2、3*,杨军1、2,吴忠鑫1、2、3,刘敏1,高东奎1、2、3,陈勇1

(1.大连海洋大学 辽宁省海洋牧场工程技术研究中心,辽宁 大连 116023;2. 设施渔业教育部重点实验室,辽宁 大连 116023;3. 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州),广东 广州 511458)

摘要:为了分析岩礁性鱼类在不同人工鱼礁流场环境中的空间分布,以许氏平鮋Sebastes schlegelii幼鱼(体质量2.78 g±0.51 g)为研究对象,通过计算流体动力学方法(CFD),分别模拟并分析了立方体框架式鱼礁、圆柱型鱼礁、三角型框架式鱼礁和立方体实心礁在6种来流速度(0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m/s)下的三维绕流流场,同时通过鱼类行为学实测分析,以礁体所影响的流速大小区域作为依据,观察分析了不同结构人工鱼礁流场效应对鱼类的诱集作用。结果表明:最大上升流高度、迎流区长度及侧流区宽度大小与来流速度大小不相关,迎流区域(Ⅱ区)、上升流区域(Ⅳ区)和侧流区域(Ⅴ区)不随来流速度的变化而改变;不同礁体对鱼类的诱集率随来流速度的变化而变化,框架礁对鱼的诱集率由63.06%减少到52.50%,圆柱礁诱集率由43.06%增加到59.44%,三角礁诱集率由39.17%增加到83.61%,实心礁诱集率由49.72%增加到70.28%,在高流速环境下鱼礁对幼鱼的集鱼效果显著提高,且不同礁体5个区域幼鱼平均分布率总体为背涡流区域(Ⅲ区)>侧流区域(Ⅴ区)>鱼礁内部区域(Ⅰ区)>迎流区域(Ⅱ区)>上升流区域(Ⅳ区)。研究表明,4种礁型中以内部结构较为复杂的三角型框架式鱼礁对试验鱼的诱集效果最好。

关键词: 人工鱼礁;数值模拟;流场效应;许氏平鲉;聚集效果

人工鱼礁是人为在海中设置的构造物,科学地在海中建设人工鱼礁,可起到修复和改善海域生态环境的作用,为鱼类等海洋生物的聚集、索饵、繁殖、生长、避敌等提供必要、安全的栖息场所,以达到保护和增殖渔业资源的目的,同时也是海洋牧场建设中的基础生态工程[1-3]。由于人工鱼礁所产生的流场效应,会改变原有海域的流场,如在迎流面产生上升流和背部形成背涡流,进而促进上下层水体的交换,加快海底营养物质的循环,因此,上升流和背涡流规模是衡量人工鱼礁流场效应的重要指标,对人工鱼礁物理环境影响研究具有重要意义[4-6]。目前,关于人工鱼礁的研究除了礁区资源评价外,多是针对人工鱼礁周围流场效应所进行的模型试验、数值模拟或风洞试验,数值模拟主要集中在对不同结构特性、不同工况和放置条件下人工鱼礁所在海域流场分布进行分析,模型试验主要分为水槽集鱼效果试验、PIV模型试验等。日本学者上北征男等[7-9]对人工鱼礁着底冲击力和海底各种地形产生的涌升流进行了研究。黄远东等[10-11]选取方型和三棱柱型礁体进行模拟,分析其在不同流速影响下上升流和背涡流的分布情况。唐衍力等[12]利用CFX软件,对6类礁型18种常用鱼礁进行模拟,比较分析上升流和背涡流的差异性。刘鸿雁等[13]采用模型试验方法研究了大型海藻和人工鱼礁对鱼类的诱集作用。目前,人工鱼礁数值模拟研究中多以单礁及组合礁的流场、布设研究为主,分析其上升流和背涡流效果。流场的变化直接影响鱼类在鱼礁周围的行为和分布,但目前多数鱼礁诱集试验都是在室内静水条件下分析试验鱼对礁体的反应,分析不同礁体之间的诱集效果差异,对流场作用下的鱼类行为响应研究未见报道。

许氏平鲉Sebastes schlegelii是中国北方沿海重要的岩礁性经济鱼类,同时也是北方沿海增殖放流种类之一。本研究中,基于计算流体动力学(CFD)理论,运用Fluent流体动力学软件[14-17]分析北方沿海4种典型礁型的流场特性,同时通过室内模拟试验研究许氏平鲉幼鱼的行为特征及在礁区周围不同流场区域的分布情况,以期为人工鱼礁投放海域合理选址、结构设计和生态诱集效果分析提供参考依据,通过掌握苗种放流后的对礁行为和环境适应能力,为增殖放流提供更好的指导[18]

1 材料与方法

1.1 鱼礁的选择

选取中国北方4种常见鱼礁礁型:立方体框架式鱼礁(简称框架礁),规格为1.5 m×1.5 m×1.5 m,礁体棱壁厚0.4 m;圆柱型鱼礁(简称圆柱礁),由规格为长1.5 m、直径0.8 m、管壁厚0.1 m的3个圆柱型鱼礁堆叠;三角型框架式鱼礁(简称三角礁),规格为1.5 m×1.5 m×1.5 m,礁体两侧壁上分别有6个直径为0.2 m的圆形通孔,柱壁厚0.2 m;立方体实心礁(简称实心礁),规格为1.5 m×1.5 m×1.5 m的实心立方体(图1)。

图1 人工鱼礁模型图
Fig.1 Design sketch of artificial reef models

1.2 人工鱼礁流场的数值模拟

1.2.1 模型方程 人工鱼礁绕流可视为不可压缩流动,本研究中控制方程为连续性方程和定常、不可压缩流动下的N-S方程,而湍流模型则采用常用的RNG k-ε模型,压力与速度耦合采用SIMPLEC算法,方程离散采用QUICK格式 [19]

1.2.2 边界条件与网格划分 考虑到人工鱼礁的实际投放海域流速一般不超过0.8 m/s,同时结合所测得的许氏平鲉幼鱼临界游速范围(18.83~31.89 cm/s),选择来流速度v0=0.5 m/s作为模拟最大流速,采用0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m/s 5种来流速度进行数值模拟分析。

计算区域尺寸设定为31.5 m×7.5 m×15 m,其中计算域进口面至鱼礁迎流面距离为5倍礁体长度,出口面至鱼礁背流面距离为15倍礁体长度,两侧固壁面至礁体中心距离均为2.5倍礁体宽度,高度为10倍礁体高度[20],如图2所示。对人工鱼礁和计算流域进行四面体非结构化网格划分。计算区域网格离散图见图3。

边界条件:(1)入口边界选取速度入口,设置来流速度,计算边界上湍动能k与湍动耗散率ε;(2)出口边界为压力出口,相对压强设定为0 Pa;(3)计算域的顶面设置为对称边界;(4)计算域底面和礁体表面选择壁面,设置为光滑和无滑移边界。

图2 人工鱼礁模型计算域
Fig.2 Calculation domain of artificial reef models

图3 计算区域网格离散图
Fig.3 Discrete diagram of the regional grid

1.2.3 鱼礁周围流场区域的建立 为描述不同礁型在数值模拟环境下的三维绕流流场,设定了鱼礁内部区域、上升流区域、背涡流区域、迎流区域、侧流区域和鱼礁影响外区域6个空间区域。区域建立方法如下: (1) 取鱼礁自身所占空方体积作为鱼礁内部区域(Ⅰ); (2) 取礁体正前方水流X方向上速度绝对值小于80%来流速度v0的水域定义为迎流区域(Ⅱ); (3) 取礁体正后方水流X方向上速度绝对值小于 70% 来流速度v0的水域定义为背涡流区域[21](Ⅲ); (4) 取水流的垂向速度分量Y与来流速度v0之比大于或等于5%的水域定义为上升流区域[22](Ⅳ); (5) 取礁体两侧水流X方向上与来流速度交界处之后小于来流速度v0的水域定义为侧流区域(Ⅴ); (6) 取上述区域以外区域作为鱼礁影响外区域(Ⅵ)。以框架礁为例,区域划分如图4所示,下文中均由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ表示各流场区域。

由于各区域体积不易计算,选择其在纵向中轴断面和水平面的面积进行研究。数值计算中,假定坐标原点位于Y轴中心,来流方向沿X轴方向,Z轴为竖直方向。

图4 礁体周围流场效应示意图
Fig.4 Schematic diagram of the flow field effect in the reefs

1.3 室内循环水槽试验

1.3.1 试验用鱼 试验用许氏平鲉幼鱼1000尾,取自大连天正实业有限公司2019年用于增殖放流的鱼苗,体长为(4.44±0.29)cm,体质量为(2.78±0.51)g。试验于2019年7—9月在辽宁省海洋牧场工程技术研究中心进行,试验前将试验鱼在循环水槽中暂养,暂养期间水温为(20.0±0.5) ℃,盐度为33.0±1.0,pH为7.35±0.20,24 h不间断供氧。每天早晚各投喂一次饵料,投饵量为鱼体质量的2%~3%,1 h后采用虹吸的方式清除残饵和粪便保持槽内清洁,每天换水一次。

1.3.2 试验装置 室内流场模拟在垂直循环回流水槽中进行(图5)。试验区域(长×宽×高)尺寸为100 cm×25 cm×25 cm,试验段区域用黑色马克笔在水槽底部划分单位为5 cm的网格线,使用三维点式流速仪(6 MHz VECTOR)测量流速,通过调整电机频率得到相对应的流速。在水平和竖直方向各架设一台高清摄像头(DS-2CD3T2),视频数值实时传输至云端服务器。试验所用礁型为数值模拟礁型的等比例缩放95%,采用3D打印机(Zortrax M200)进行制作。利用三维点式流速仪对试验区域内流速与数值模拟流速对比,两者的误差在合理范围内,仿真的方法可以应用于人工鱼礁的水动力学分析。

1.3.3 试验方法 每次试验开始前从暂养水槽中随机选取20尾许氏平鲉幼鱼进行试验,移至垂直循环水槽中的试验区,试验区域水温、盐度、pH等与暂养水槽保持一致。试验分为24组,分别为4种礁型在6种流速条件下的模拟研究。在开始流速试验前,试验鱼在放置鱼礁模型的试验区域静水适应1 h,以消除其应激反应,试验时间为每天9:00—12:00、14:00—17:00,每次试验持续3 h,依次分别进行0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m/s的流速试验,试验期间每隔10 min拍照记录一次试验幼鱼在各区域的分布情况,试验过程全程视频录像。每种礁型持续3 d,4种礁型流速模拟试验共计12 d,共进行3次重复试验。为了避免试验鱼对鱼礁模型和水流速度产生适应性反应,每次试验结束后更换20尾试验鱼,并在养殖水槽中单独暂养。试验过程连续且试验期间不投饵,尽可能减少各种外部环境的影响。

注:C为流速控制面板,M为调频电机,P为螺旋桨
Note:C,flow velocity control panel;M,frequency modulation motor;P,propeller
图5 垂直循环回流水槽示意图
Fig.5 Schematic drawing of vertical recirulating water flume

1.3.4 统计与分析方法 平均分布率(mean distribution rate, MDR)[23-24]表示某观察区试验鱼的平均分布数量与试验鱼总数量的比值,计算公式为

其中: Mi为试验鱼第i次在某区域的分布数量(ind.);M为试验鱼总数量(ind.);m为观察次数。

使用 SPSS 17.0软件对测定结果进行统计分析,采用单因素方差分析和Tukey检验进行显著性分析和多重比较,显著性水平设为0.05。

2 结果与分析

2.1 数值模拟的流场分析

本文中选取来流速度v0=0.4 m/s时的数值模拟示意图,图5为4种礁型在中轴断面(XOZ)Z方向的速度云图,图6为4种礁型在中轴断面(XOZ)X方向的速度云图,图7为4种礁型在水平面(Z=0.75 m)X方向的速度云图。根据数值速度云图计算得出4种单体礁在不同工况下的上升流最大速度(vmax)、上升流高度(HS)、背涡流长度(LB)、迎流区长度(LY)和侧流区宽度(WC),结果如表1所示。因篇幅所限,其他来流速度的数值模拟图略。

从表1和图6可知:礁体的上升流高度几乎不随来流速度的变化而改变,三角礁的上升流平均高度为礁体高度(1.5 m)的2.91倍,其次是实心礁,为2.56倍,框架礁为1.95倍,圆柱礁为1.91倍;而从上升流最大速度来看,实心礁最大上升流速度(0.3856 m/s)达到来流速度的77.12%,其次是三角礁(68.22%)和圆柱礁(57.95%),最后是框架礁(36.45%);圆柱礁和实心礁的上升流区域都在礁体上方呈现弧形分布,而框架礁和三角礁由于其结构通透性,其大小逐渐向礁体斜上方减小,三角礁出现最大的上升流区域。

从表1和图7可知:随着来流速度的增加,礁体的背涡流长度整体呈现递增趋势,在0.1 m/s来流速度下,三角礁背涡流区域长度是礁体长度(1.5 m)的5.95倍,而实心礁、圆柱礁、框架礁分别为3.15、2.67、1.04倍,随着流速的增加,在0.5 m/s来流速度下,实心礁背涡流区域明显增加,区域长度是礁体长度的7.82倍,而三角礁、圆柱礁、框架礁分别为4.13、2.29、1.26倍;迎流区长度随着来流速度的变化无显著性改变,其中来流速度为0.1、0.5 m/s时,实心礁迎流区平均长度为礁体长度(1.5 m)的1.80倍,三角礁、圆柱礁、框架礁分别为1.62、1.41、1.20倍,而来流速度为0.2、0.3、0.4 m/s时,框架礁迎流区平均长度为礁体长度的0.65倍,圆柱礁、三角礁、实心礁分别为0.80、1.08、1.28倍。

从表1和图8可知:流体在碰到礁体表面时由于礁体阻碍作用导致两侧速度叠加形成一片弧状区域,侧流区最大宽度除实心礁外,其余3种礁型最大宽度基本不随来流速度的变化而变化,约为礁体宽度(1.5 m)的0.5倍,实心礁侧流区宽度随着来流速度的增加呈现递增趋势,最大达到礁体宽度的1.5倍。

表1 不同工况下4种礁型流场基本数值
Tab.1 Basic values of flow field in four reef types under different working conditions

流速/(m·s-1)velocity of flow礁型reef type上升流最大速度/(m·s-1)vmax上升流高度/mHS背涡流长度/mLB迎流区长度/mLY侧流区宽度/mWC0.1框架礁cubic frame reef0.04123.0351.5561.8031.701圆柱礁cylindrical reef0.05782.8644.0122.1121.647三角礁triangular frame reef0.06604.3718.9252.4332.930实心礁solid cubic reef0.06193.9194.7182.6952.5810.2框架礁cubic frame reef0.07292.8933.3940.8651.125圆柱礁cylindrical reef0.11592.8623.7481.1831.649三角礁triangular frame reef0.12594.1643.7321.6282.668实心礁solid cubic reef0.14093.8517.4631.9673.1740.3框架礁cubic frame reef0.10212.9141.7570.9711.166圆柱礁cylindrical reef0.17292.8754.7251.2001.661三角礁triangular frame reef0.20474.0983.5801.6102.570实心礁solid cubic reef0.21823.6614.1521.9152.8690.4框架礁cubic frame reef0.13672.9251.7880.9711.164圆柱礁cylindrical reef0.23142.9056.4311.2071.649三角礁triangular frame reef0.27294.0824.4311.6162.599实心礁solid cubic reef0.30623.7154.4411.9192.8600.5框架礁cubic frame reef0.17152.9351.8861.6771.158圆柱礁cylindrical reef0.34112.8293.4381.6781.603三角礁triangular frame reef0.33484.2016.1962.2452.785实心礁solid cubic reef0.38564.52111.7312.044超出

2.2 许氏平鲉幼鱼在流场环境下的行为观测

通过试验发现,试验幼鱼在放入水槽中会迅速游向水槽边缘及光线较弱的角落区域,活跃性下降,适应10~30 min后,个别幼鱼会向礁体做试探性的游动,随着时间的延长,角落和阴暗处的幼鱼在试验区域活动数量逐渐增多,且各个水层均有分布。随着流速的引入,在0.1、0.2 m/s低流速环境下,超过80%的许氏平鲉幼鱼表现出迎流游泳行为,在试验区前段(图5试验区左侧)、鱼礁模型前端顶流游动,随着试验时间的延长,部分试验鱼运动到Ⅲ区和Ⅳ区,剩余试验鱼在其他区域内随机游动,除了Ⅰ区,其余区域内的试验鱼保持游泳姿态,Ⅰ区内试验鱼相对保持静置,并无尾鳍摆动;随着流速的增加,当流速超过试验鱼巡航游速范围后,试验鱼在试验刚开始时迅速游动至前段迎流处,表现出极为吃力的游泳状态,30~60 min后,试验鱼向Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ 3个区域聚集,高流速状态下,试验鱼在Ⅲ区内主要集中在礁体背后,紧贴礁体壁,在正常流速区域内,基本不存在试验鱼正常游动,在Ⅵ区域的试验鱼主要是由于许氏平鲉幼鱼自身背棘坚硬且鱼体粗糙,紧贴角落和尾端区域,表现出聚集行为,并无尾鳍摆动现象,在Ⅰ区的试验鱼数量达到相对饱和后,内部个体开始阻止外来个体进入,表现出明显的领域行为。

图6 礁体中轴断面(XOZ)Z方向的速度云图(v0=0.4 m/s)
Fig.6 Velocity cloud map of central axis section(XOZ)in the Z direction of the reefs(v0=0.4 m/s)

图7 礁体中轴断面(XOZ)X方向的速度云图(v0=0.4 m/s)
Fig.7 Velocity cloud map of central axis section (XOZ) in the X direction of the reefs(v0=0.4 m/s)

图8 礁体水平面(Z=0.75 m)X方向的速度云图(v0=0.4 m/s)
Fig.8 Velocity cloud map of horizontal plane (Z=0.75 m) in the X direction of the reefs(v0=0.4 m/s)

2.3 许氏平鲉幼鱼的区域分布

2.3.1 平均分布率 从图9可以看出:在框架礁试验中,随着流速的增大,试验鱼在Ⅰ和Ⅵ区的分布率呈增加趋势,在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区的分布率呈减少趋势,在Ⅴ区分布率基本保持不变,流场效应下礁体诱集率由63.06%减少到52.50%;在圆柱礁试验中,随着流速的增大,试验鱼在Ⅰ、Ⅲ和Ⅴ区的分布率呈增加趋势,在Ⅱ、Ⅳ和Ⅵ区的分布率呈减少趋势,流场效应下礁体诱集率由43.06%增加到59.44%;在三角礁试验中,随着流速的增大,试验鱼在Ⅰ和Ⅲ区的分布率呈增加趋势,在Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ区的分布率呈减少趋势,流场效应下礁体诱集率由39.17%增加到83.61%;在实心礁试验中,随着流速的增大,试验鱼在Ⅱ和Ⅲ区的分布率呈增加趋势,在Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ区的分布率呈减少趋势,流场效应下礁体诱集率由49.72%增加到70.28%。

图9 许氏平鲉幼鱼平均分布率随流速的变化(3 h)
Fig.9 Changes in average distribution rate of juvenile Sebastes schlegelii with the change in velocity(3 h)

2.3.2 礁体间区域分布率 从表2可见:静水条件下(0 m/s),6个区域均有试验幼鱼分布,其中占比最大的区域是Ⅵ区,幼鱼分布数量总体为三角礁>圆柱礁>实心礁>框架礁,其次是Ⅲ区,分布数量总体为框架礁>实心礁>圆柱礁>三角礁;在0.1 m/s流速下,框架礁在Ⅰ、Ⅱ区试验鱼聚集数量比其他3种礁效果好,实心礁在Ⅴ区表现效果好;在0.2 m/s流速下,圆柱礁在Ⅰ区明显低于框架礁和三角礁,框架礁在Ⅴ区明显低于其他3种礁;在0.3 m/s流速下,实心礁在Ⅲ区高于圆柱礁和三角礁,框架礁最低,而框架礁在Ⅵ区,高于圆柱礁和三角礁,实心礁最低;在0.4 m/s流速下,Ⅲ区聚集数量为实心礁>三角礁>圆柱礁>框架礁,Ⅵ区框架礁和圆柱礁高于三角礁和实心礁;在0.5 m/s流速下,框架礁在Ⅰ区聚集数量明显低于圆柱礁和三角礁,实心礁在Ⅲ区明显高于其他3种礁。

表2 许氏平鲉幼鱼区域分布数量随流速的变化(3 h)
Tab.2 Changes in number of regional distribution of juvenile Sebastes schlegelii with flow velocity(3 h)

礁型reef type流速/(m·s-1) flow velocity 分布数量 number of distribution/ind.Ⅰ(鱼礁内部区域)Ⅱ(迎流区域)Ⅲ(背涡流区域)Ⅳ(上升流区域)Ⅴ(侧流区域)Ⅵ(鱼礁影响外区域)框架礁cubic frame reef01.39±0.76bA1.00±0.75bA5.50±1.64cC1.67±0.94dAB3.06±1.13bB7.39±2.54aD0.12.83±0.90aB2.39±0.89cB3.39±1.42aB0.67±0.58bcA3.06±1.22bB7.67±1.76abC0.22.72±1.19aC0.83±0.60abA5.11±0.99bcD0.78±0.79cA1.83±0.60aB8.72±0.87abcE0.32.56±1.01aB0.67±0.67abA4.22±0.63abC0.22±0.42abcA2.61±0.95abB9.72±1.28cD0.42.67±1.00aB0.94±0.70abA4.33±0.88abC0.17±0.37abA2.72±0.87abB9.17±1.54bcD0.52.83±0.83aB0.44±0.50aA4.11±0.94abC0.06±0.23aA3.06±0.85bB9.50±0.90cD圆柱礁cylindrical reef01.39±1.16bAB1.61±1.01cAB3.39±1.30aC0.33±0.47abA1.89±0.81bB11.39±2.63bD0.11.56±0.83bB1.28±0.56bcAB4.06±0.97aD0.61±0.59bA3.17±0.76aC9.33±1.33aE0.20.28±0.45aA0.67±0.47abA5.72±1.45bC0.33±0.47abA4.00±0.94aB9.00±1.25aD0.30.44±0.68aA0.39±0.49aA7.17±1.30cC0.17±0.50aA4.00±0.88aB7.83±1.21aC0.41.56±0.83bB0.83±0.60abAB5.94±1.18bcD0.00±0.00aA3.22±0.85aC8.44±2.11aE0.53.33±1.45cC1.17±0.37bcB4.11±1.20aC0.00±0.00aA3.33±1.15aC8.11±1.33aD三角礁triangular frame reef01.78±0.85abB0.56±0.60abA2.11±0.87aB0.17±0.37abA3.22±1.08cC12.17±1.54eD0.11.39±0.83aB1.11±0.74bAB3.78±1.18bC0.11±0.31abA3.28±1.19cC10.33±1.60deD0.22.06±0.62abB0.50±0.60abA5.00±1.00cC0.33±0.47bA3.28±0.87cC8.83±1.30cdE0.32.61±0.83abC1.11±0.74bAB6.50±1.42dD0.00±0.00aA2.11±0.74bBC7.67±1.97bcE0.43.11±0.87bB2.39±0.83cB7.72±1.15eD0.06±0.23abA0.72±0.73aA6.00±0.82bC0.511.72±3.65cC0.00±0.00aA4.72±0.87bcB0.00±0.00aA0.28±0.45aA3.28±3.62aB实心礁solid cubic reef00.00±0.00aA1.50±0.90aB3.89±0.81aC1.06±0.70bB3.50±1.07abC10.06±1.08cD0.10.00±0.00aA1.17±0.86aB4.61±0.68aC1.56±0.78bB4.61±1.04cC8.06±1.32bD0.20.00±0.00aA1.00±0.58aB6.44±1.38bD0.17±0.37aA4.39±0.49bcC8.00±1.05bE0.30.00±0.00aA0.56±0.60aA9.06±0.91dcC0.39±0.49aA4.83±1.30cB5.17±2.03aB0.40.00±0.00aA0.56±0.60aA9.56±1.86dD0.22±0.42aA3.94±1.22abcB5.72±1.94aC0.50.00±0.00aA2.61±0.89bB8.22±1.23cD0.06±0.23aA3.17±0.96aB5.94±1.75aC

注:同列中标有不同小写字母者表示同一礁型同一区域不同流速组间有显著性差异(P<0.05),同行中标有不同字母者表示同一礁型同一流速不同区域组间有显著性差异(P<0.05),标有相同字母者表示组间无显著性差异(P>0.05)

Note:the means with different letters within the same reef type and the same region are significantly in different flow velocity groups at the 0.05 probability level, the means with the same capital letters within the same reef type and the same flow velocity are significant in differences region groups; and the means with the same letters are not significantly different in the groups at the 0.05 probability level

3 讨论

3.1 不同礁型流场效应特征

水流在运动到礁体迎流面时,水体向上抬升转向而形成上升流,由于流动分离,水体在鱼礁顶部形成一小片漩涡区(上升流区域),同时水体在礁体两侧后方流速减缓并向外脱落形成小漩涡(侧流区域),在礁体后方产生一大涡旋形成缓流区(背涡流区域),同时由于礁体自身的阻碍作用,对来流方向会产生一定程度上的阻缓作用形成小涡旋(迎流区域),由于鱼礁本身结构的不同,穿过礁体内部的水流受到礁体壁面的作用,形成小部分缓流区域(鱼礁内部区域)。本研究中,迎流区长度、最大上升流高度及侧流区宽度大小与来流速度大小不相关,对应其区域体积与来流速度大小也不相关,而最大上升流流速与来流速度呈正相关关系,这与黄远东等[10-11]对最大上升流流速和高度的研究结论基本一致。 本研究中, 随着流速的增加,Ⅲ区幼鱼分布数量总体呈递增趋势(表2);综合分析数值模拟结果,在低流速(0.1~0.3 m/s)时,鱼礁所营造的上升流高度依次为三角礁>实心礁>框架礁>圆柱礁,在高流速(0.4、0.5 m/s)时,上升流高度依次为实心礁>三角礁>圆柱礁>框架礁,这与唐衍力等[12]研究中国常用人工鱼礁流场效应的比值分析中采用比混凝土体积法评价得出的三角礁营造的流场面积最大、框架礁最小的结论相类似。说明鱼礁的空间结构差异会对其流场效应带来显著影响,在4种礁型结构中三角型框架结构的流场效应最好。

3.2 许氏平鲉幼鱼在流场环境下的行为特征

对人工鱼礁渔场的鱼类生态研究表明,鱼群总是不断运动的,鱼群群体的形状、结果、空间分布等都是处于不断变化的状态。鱼群在遇到障碍物或外界环境变化时(风浪、潮汐、地震等),鱼群的空间结构会出现动态变化,可分为回避、驱赶聚集、爆炸式扩散、巡航、分裂、合拢并入等行为[25],而幼鱼的行为主要是逃避敌害、索饵和嬉戏。根据本试验中对许氏平鲉幼鱼在不同流场环境下的行为观察,许氏平鲉幼鱼喜欢出现在鱼礁内部和鱼礁周围,它们利用鱼礁所产生的流场效应来躲避高流速状态下所带来的负面影响,利用鱼礁为屏障,躲在其内部和周围(特别是后方),这与对其他一些岩礁性鱼类的研究结果相一致[13,26-32]。本试验中观察到在未引入流速状态时,许氏平鮋幼鱼大部分分布在试验水槽的边缘和角落区域,这与岩礁性鱼类的趋触性及水槽角落的阴影利于躲避有关;在引入流速条件后,参考许氏平鮋幼鱼的巡航游速范围,在来流速度大于0.3 m/s时,试验鱼明显向礁体内部区域和尾流区域聚集靠拢,以此来抵抗高流速所带来的影响。

3.3 不同流速下人工鱼礁各区域分布率的差异

姜少杰等[33]利用Fluent软件对正六棱柱式鱼礁进行数值模拟,同时通过水槽试验与模拟结果相互验证,证明数值模拟结果的有效性。本研究中通过循环水槽试验分析许氏平鲉幼鱼在不同鱼礁模型和不同来流速度下的区域分布率,结果表明,对鱼礁流场效应所带来的分布率变化,框架礁的诱集率由63.06%减少到52.50%,圆柱礁由43.06%增加到59.44%,三角礁由39.17%增加到83.61%,实心礁由49.72%增加到70.28%,鱼礁在高流速(0.4、0.5 m/s)环境下对岩礁性鱼类的诱集效果显著提高,在每种礁5个区域幼鱼出现的频率总体上为Ⅲ区>Ⅴ区>Ⅰ区>Ⅱ区>Ⅳ区,其中在0.5 m/s流速下,三角礁礁体内部Ⅰ区分布率高达58.61%,4种礁型中以内部结构较为复杂的三角型框架式鱼礁对试验鱼的诱集效果最好。说明在流速不断增高的情况下,内部结构较为复杂的三角型框架式鱼礁对许氏平鮋幼鱼的诱集效果更好,其中代表区域为礁体内部区域和背涡流区域。

4 结论

综合分析数值模拟结果和循环水槽试验结果,4种礁型的背涡流区域面积随着来流速度的增加均呈现递增趋势,其中三角礁流场效应的诱集效果最好,在高流速环境下,试验鱼聚集区域主要集中在Ⅲ区和Ⅰ区,对应区域流速远小于来流速度,为鱼类提供良好的庇护场所,在今后的鱼礁设计中,应多考虑背涡流场和内部空间结构的设计,同时结合饵料效果和阴影效应,更好地发挥人工鱼礁的诱集效果。此外,试验鱼的选择和室内鱼礁模型尺寸与实际海域相比存在一定差异,今后应利用潜水观察、定点摄像等技术手段实地对人工鱼礁区的诱集效果进行观察,确定海域流场环境下鱼群的分布规律,同时与室内各种礁型组合诱集试验相结合,为人工鱼礁礁体结构的设计及优化提供参考。

参考文献:

[1] Pickering H,Whitmarsh D.Artificial reefs and fisheries exploitation:a review of the ‘attraction versus production’ debate,the influence of design and its significance for policy[J].Fisheries Research,1997,31(1-2):39-59.

[2] 王波,武建平,高峻,等.关于青岛建设人工鱼礁改善近海生态和渔业环境的探讨[J].海岸工程,2004,23(4):66-73.

[3] 张本,孙建璋.南麂列岛人工鱼礁生态休闲渔业设计与初步实施[J].现代渔业信息,2002,17(9):3-7.

[4] 林军,章守宇.人工鱼礁物理稳定性及其生态效应的研究进展[J].海洋渔业,2006,28(3):257-262.

[5] 张硕,孙满昌,陈勇.不同高度混凝土模型礁上升流特性的定量研究[J].大连水产学院学报,2008,23(5):353-358.

[6] 贾晓平.人工鱼礁关键技术研究与示范[M].北京:海洋出版社,2011.

[7] 上北征男.水産増養殖施設の水力学的研究[R].水産工学研究所報告,1982:67-100.

[8] 秀島好昭,上北征男.人工魚礁の着底衝擊力に関する研究[R].水産工学研究所報告,1983:59-71.

[9] 上北征男,中村充,秀島好昭.海底礁による地形性湧昇流に関する研究[R].水産工学研究所報告,1984:33-66.

[10] 黄远东,姜剑伟,赵树夫.方型人工鱼礁周围水流运动的数值模拟研究[J].水资源与水工程学报,2012,23(3):1-3.

[11] 黄远东,龙催,邓济通.三棱柱型人工鱼礁绕流流场的CFD分析[J].水资源与水工程学报,2013,24(1):1-4.

[12] 唐衍力,龙翔宇,王欣欣,等.中国常用人工鱼礁流场效应的比较分析[J].农业工程学报,2017,33(8):97-103.

[13] 刘鸿雁,吕洪斌,张沛东,等.人工鱼礁模型和大型海藻对许氏平鲉和大泷六线鱼幼鱼的诱集作用[J].水产学报,2018,42(1):48-59.

[14] Kim K P,Ahmed M R,Lee Y H.Efficiency improvement of a tidal current turbine utilizing a larger area of channel[J].Renewable Energy,2012,48:557-564.

[15] Finnegan W,Goggins J.Numerical simulation of linear water waves and wave-structure interaction[J].Ocean Engineering,2012,43:23-31.

[16] Kim D,Woo J,Yoon H S,et al.Wake lengths and structural responses of Korean general artificial reefs[J].Ocean Engineering,2014,92:83-91.

[17] Woo J,Kim D,Yoon H S,et al.Characterizing Korean general artificial reefs by drag coefficients[J].Ocean Engineering,2014,82:105-114.

[18] 张硕,孙满昌,陈勇.人工鱼礁模型对大泷六线鱼和许氏平鲉幼鱼个体的诱集效果[J].大连水产学院学报,2008,23(1):13-19.

[19] 王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社,2004.

[20] 郑延璇,关长涛,宋协法,等.星体型人工鱼礁流场效应的数值模拟[J].农业工程学报,2016,28(19):185-193.

[21] 李珺,林军,章守宇.方形人工鱼礁通透性及其对礁体周围流场影响的数值实验[J].上海海洋大学学报,2010,19(6):836-840.

[22] 林军,章守宇,叶灵娜.基于流场数值仿真的人工鱼礁组合优化研究[J].水产学报,2013,37(7):1023-1031.

[23] 林超,桂福坤.不同光色下人工鱼礁模型对褐菖鲉和日本黄姑鱼诱集效果试验[J].渔业现代化,2013,40(2):66-70,75.

[24] 陈勇,吴晓郁,邵丽萍,等.模型礁对幼鲍、幼海胆行为的影响[J].大连水产学院学报,2006,21(4):361-365.

[25] 周应祺.应用鱼类行为学[M].北京:科学出版社,2011.

[26] 何大仁,丁云.鱼礁模型对赤点石斑鱼的诱集效果[J].台湾海峡,1995,14(4):394-398.

[27] 何大仁,施养明.鱼礁模型对黑鲷的诱集效果[J].厦门大学学报:自然科学版,1995,34(4):653-658.

[28] 周艳波,蔡文贵,陈海刚,等.不同人工鱼礁模型对花尾胡椒鲷的诱集效应[J].热带海洋学报,2010,29(3):103-107.

[29] 宓慧菁,王晓宇,王麒麟,等.不同人工鱼礁模型对许氏平鲉的诱集效应[J].科技创新导报,2015,12(2):38-39,41.

[30] 周艳波,蔡文贵,陈海刚,等.不同人工鱼礁模型对褐菖鲉的诱集效应[J].广东农业科学,2011,38(2):8-10,33.

[31] 纪东平,卞晓东,宋娜,等.荣成俚岛大泷六线鱼摄食生态研究[J].水产学报,2014,38(9):1399-1409.

[32] Jayasinghe J D H E,Bathige S D N K,Nam B H,et al.Comprehensive characterization of three glutathione S-transferase family proteins from black rockfish (Sebastes schlegelii)[J].Comparative Biochemistry and Physiology Part C:Toxicology & Pharmacology,2016,189:31-43.

[33] 姜少杰,刘海敌,吴伟,等.一种人工鱼礁的水动力学研究与建设效果评价[J].海洋学研究,2017,35(2):53-60.

Reef approaching behavior of juvenile Sebastes schlegeli under different flow fields

XI Yang1, TIAN Tao1,2,3*, YANG Jun1,2, WU Zhongxin1,2,3, LIU Min1, GAO Dongkui1,2,3, CHEN Yong1

(1.Center for Marine Ranching Engineering Science Research of Liaoning Province, Dalian Ocean University, Dalian 116023, China;2. Key Laboratory of Environment Controlled Aquaculture, Ministry of Education, Dalian 116023, China; 3. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory(Guangzhou), Guangzhou 511458, China)

Abstract Juvenile Sebastes schlegelii with body weight of (2.78±0.51)g were set in a vertical recirculating water flume of 100 cm× 25 cm ×25 cm with cube frame reef, cylindrical reef, triangular frame reef and solid cube reef at 6 inflow speeds of 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, and 0.5 m/s in order to evaluate the spatial distribution (aggregation) of reef fish in three-dimensional flow field of different artificial reefs by computational fluid dynamics (CFD). The results showed that the maximum upwelling height, upstream area length and side flow area width were not related to inflow velocity. It was found that the oncoming flow area (Area Ⅱ), upwelling area (Area Ⅳ) and side flow area (Area Ⅴ) were not changed with the speed of the inflow velocity. However, as the inflow velocity changes, fish trapping rates were varied with different artificial reefs, with trapping rate being reduced from 63.06% to 52.50% in the cube frame reef, being increased from 43.06% to 59.44% in the cylindrical reef, increased from 39.17% to 83.61% in the triangular frame reef, and increased from 49.72% to 70.28% in the solid cube reef. The significantly high aggregation of fish was observed in high-velocity environments, and the descending order of the frequency of occurrence of distribution quantity in five areas of reefs was expressed as the back eddy area (Area Ⅲ) > the side flow area (Area Ⅴ) > the reef inner area (Area Ⅰ) > the oncoming flow area (Area Ⅱ) > the upwelling area (Area Ⅳ). The findings indicated that the triangular frame reef with complex internal structure had the best trapping effect on experimental fish among the four types of artificial reefs.

Key words artificial reef; numerical simulation; flow field effect; Sebastes schlegelii; aggregation effect

中图分类号S932.4

文献标志码:A

DOI10.16535/j.cnki.dlhyxb.2019-313

文章编号:2095-1388(2020)03-0399-08

收稿日期 2019-11-30

基金项目 辽宁省中央引导地方科技发展专项(2019416033);国家重点研发计划项目(2019YFD0901302);南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项(GML2019ZD0402);农业农村部“引进国际先进农业科学技术”重点项目(2011-G29)

作者简介 席杨(1995—), 男, 硕士研究生。 E-mail:59272677@qq.com

通信作者 田涛(1979—), 男, 博士,教授。E-mail:tian2007@dlou.edu.cn