一種人工魚礁結構優化設計方法技術

本發明專利技術涉及一種人工魚礁結構優化設計方法，包括：(1)確定人工魚礁礁體結構的形狀、壁厚、開孔的布局和形狀；(2)對完成的人工魚礁礁體進行分析；(3)通過分析得到人工魚礁的穩定性、流場效應和制作成本的結果，參照投放海域海況條件及工程要求，若某一項的數值超過閾值，則返回步驟(1)，對人工魚礁礁體結構進行改進；(4)若步驟(3)的數值符合要求，則人工魚礁礁體完成最終設計，形成建造方案并記錄分析結果。本發明專利技術取代了傳統的經驗取值進行理論計算的方法，提高了穩定性分析的準確性，并在綜合穩定性能、流場效應和制作成本3方面因素基礎上給出了優化設計方案，方便設計人員總結結構設計的經驗，歸納形成優化設計的規范和標準。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬漁業基礎設施
，特別是涉及。
技術介紹
人工魚礁是人為地在水域中設置的構造物，以便改善水生生物棲息環境，為海洋經濟生物提供索餌、繁殖、生長、發育等場所，達到保護、增殖漁業資源和提高漁獲物質量的目的。在人口迅速增長，海洋漁業資源衰減，環境惡化的形勢下，人工魚礁建設作為一種漁業資源增殖與保護的綜合措施，對近海生態環境修復和漁業資源增殖發揮了很好的功效。人工魚礁礁體的物理復雜程度會對魚群分布及資源量產生決定性的影響。相對復雜的礁體結構可以在礁體周圍產生復雜多變的流場，符合增殖對象生物的習性；根據巖礁性魚類的習性，設計礁體時既要有充分的洞穴、較大的內部空間和陰影面積，又要有相當數量的平面。因此在進行人工魚礁礁體設計時，應盡量將礁體設計成孔洞、縫隙、隔壁、懸垂物較多的結構，并使礁體結構有很好的透空性。人工魚礁建設是一項投資巨大的復雜工程，為保證人工魚礁工程建設能取得預期效果，使魚礁的生物誘集和增殖效應最大化，必須在人工魚礁設計階段對礁體進行優化設計。進行人工魚礁礁體設計時，期望達到的目的是(1)具有良好的穩定性能，在波、流作用下不會出現滑移、翻轉等失穩現象；( 具有良好的流場效應，產生多種流態，如上升流、背渦流等。上升流能把底層的沉積物和營養鹽向上層水體輸送，加快營養物質的循環速度，提高海域的基礎餌料水平，使礁區成為魚類的聚集地。背渦流區因其相對靜止的環境而為某些魚類提供庇護場所，背渦流區外的高紊流區還能吸引其它的趨流性魚類來棲息；(3)價格成本低。目前人工魚礁礁體的結構設計主要依賴于設計人員在經驗基礎上的定性分析，在進行穩定性分析選取礁體與海底泥沙間最大靜摩擦系數和礁體阻力系數時大多選用經驗數值，缺乏相應實驗驗證。由于缺乏準確的設計依據和理論指導，選取安全系數過大的經驗數值會增加人工魚礁的建造成本，與建設資源節約型社會的初衷相悖；選取安全系數過低的經驗數值會導致失穩現象發生；單獨考慮人工魚礁的穩定性能和成本又會忽視人工魚礁的流場效應，而流場效應才是人工魚礁發揮作用的關鍵因素。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是提供一種具有預期穩定性能、流場效應和制作成本的人工魚礁，縮短人工魚礁的設計周期，為人工魚礁礁體結構的合理設計提供依據的人工魚礁結構優化設計方法。本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案是提供，包括下列步驟(1)確定人工魚礁礁體結構的形狀、壁厚、開孔的布局和形狀；(2)對完成的人工魚礁礁體進行下列分析a.通過模型實驗獲得礁體與海底泥沙間最大靜摩擦系數、阻力系數，對人工魚礁礁體的穩定性進行分析，計算抗滑移安全系數和抗翻轉安全系數；b.通過模型實驗對人工魚礁的流場效應進行定量測試，獲得迎流方向上礁體的速度場分布情況，計算人工魚礁礁體的上升流體積和背渦流體積；c.通過計算機對人工魚礁的建模，對人工魚礁的建造成本進行分析；(3)通過上述分析得到人工魚礁的穩定性、流場效應和制作成本的結果，參照投放海域海況條件及工程要求，若某一項的數值超過閾值，則返回步驟(1)，對人工魚礁礁體結構進行改進；(4)若步驟(3)的數值符合要求，則人工魚礁礁體完成最終設計，形成建造方案并記錄分析結果。有益效果本專利技術對人工魚礁進行建模并進行模型實驗，取代了傳統的經驗取值進行理論計算的方法，提高了穩定性分析的準確性，并在綜合穩定性能、流場效應和制作成本3方面因素基礎上給出了優化設計方案，方便設計人員總結出結構設計的經驗，并歸納形成出優化設計的規范和標準。附圖說明圖1為本專利技術的流程圖；圖2為本專利技術人工魚礁結構示意圖；圖3為本專利技術針對圖2所示礁體通過模型實驗獲得的礁體與海底泥沙間最大靜摩擦系數及阻力系數結果；圖4為本專利技術計算的人工魚礁迎流沖角為30°時的穩定性分析結果；圖5為本專利技術測量的人工魚礁流場效應及制作成本結果。具體實施例方式下面結合具體實施例，進一步闡述本專利技術。應理解，這些實施例僅用于說明本專利技術而不用于限制本專利技術的范圍。此外應理解，在閱讀了本專利技術講授的內容之后，本領域技術人員可以對本專利技術作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。由圖1所示，本專利技術的步驟1對人工魚礁礁體結構進行初步設計，初步確定礁體形狀、壁厚、開孔的布局和形狀。步驟2對完成初步設計的人工魚礁礁體進行下列分析(a)通過模型實驗獲得最大靜摩擦系數、阻力系數，對人工魚礁礁體的穩定性進行分析，計算抗滑移安全系數和抗翻轉安全系數；(b)通過模型實驗對人工魚礁的流場效應進行定量測試，獲得沿水流方向礁體的速度場分布情況，得到人工魚礁礁體的上升流、背渦流體積；(c)通過計算機輔助設計工具對人工魚礁進行建模，對人工魚礁制作成本進行分析；步驟3通過分析得到了人工魚礁穩定性、流場效應和制作成本的情況，若某一項的數值超過閾值，則返回步驟1，提出改進礁體結構的優化方案。若步驟3的數值符合要求，則人工魚礁礁體完成最終設計，步驟4形成建造方案并記錄分析結果。圖2-圖5所示為按照本專利技術的方法，結合投放海域海況條件對某項目預計投放的某一類型人工魚礁結構進行優化設計的過程，在本專利技術的步驟1階段設計參數有開口邊長(邊長限制0. 5-2m)，壁厚(厚度限制0. 1-0. 3m)，高度(高度限制1. 5_3m)。優化設計的 3套方案如下方案1 開口邊長lm，壁厚0.1m，高度an;方案2 開口邊長lm，壁厚0. an，高度:3m;方案3 開口邊長1.5m，壁厚0. :3m，高度:3m;圖2為經步驟1初步設計的某類型人工魚礁示意圖。圖3為針對圖2所示礁體通過模型實驗獲得的礁體與海底泥沙間最大靜摩擦系數及阻力系數。其中方案1和方案3開口比(通孔面積與全面積之比)相同為0.25，方案2 開口比約為0.111。當迎流沖角為30°時阻力系數最高，在進行穩定性校核時需重點考察迎流沖角為30°時的安全系數。圖4為迎流沖角為30°時人工魚礁的穩定性分析結果。抗滑移安全系數為人工魚礁與海底泥沙間的最大靜摩擦力與最大流體作用力的比值，該數值必須大于1，才能保證礁體不發生滑移失穩現象。抗翻轉安全系數為人工魚礁的重力和浮力的合力矩與波、流最大作用力矩的比值，該數值必須大于1，才能保證礁體不發生翻轉失穩現象。當流速大于 2kn(流速單位，Ikn = 0. 514m/s)時方案1的抗滑移安全系數小于1，會發生滑移失穩現象。 不同流速下方案2及方案3的抗滑移安全系數和抗翻轉安全系數分別為方案1的1. 5-2. 5 倍。方案2和方案3達到了預計的穩定性效果，方案2的穩定性能優于方案3。圖5為人工魚礁流場效應及制作成本結果。通過模型實驗的方法在動水槽中對礁體的流場效應進行定量測試，獲得迎流方向上礁體的速度場分布情況。計算出人工魚礁礁體的上升流體積和背渦流體積，將所有參數進行無量綱處理，主要衡量礁體的上升流和背渦流的流域大小。由于不同設計方案的礁體體積不同，所以折算為單位體積下的流場效應進行比較。方案1制作成本為2000元，上升流單位體積效應為8，背渦流單位體積效應為 4 ；方案2制作成本為7500元，上升流單位體積效應為21，背渦流單位體積效應為12 ；方案 3制作成本為6000元，上升流單位體積效應為19，背渦流單位體積效應為16。方案1的穩定性能和流場效應均低于方案2和方案3，沒有達到本文檔來自技高網...

【技術保護點】
１．一種人工魚礁結構優化設計方法，其特征在于：包括下列步驟：（１）確定人工魚礁礁體結構的形狀、壁厚、開孔的布局和形狀；（２）對完成的人工魚礁礁體進行下列分析：ａ．通過模型實驗獲得礁體與海底泥沙間最大靜摩擦系數、阻力系數，對人工魚礁礁體的穩定性進行分析，計算抗滑移安全系數和抗翻轉安全系數；ｂ．通過模型實驗對人工魚礁的流場效應進行定量測試，獲得迎流方向上礁體的速度場分布情況，計算人工魚礁礁體的上升流體積和背渦流體積；ｃ．通過計算機對人工魚礁的建模，對人工魚礁的建造成本進行分析；（３）通過上述分析得到人工魚礁的穩定性、流場效應和制作成本的結果，參照投放海域海況條件及工程要求，若某一項的數值超過閾值，則返回步驟（１），對人工魚礁礁體結構進行改進；（４）若步驟（３）的數值符合要求，則人工魚礁礁體完成最終設計，形成建造方案并記錄分析結果。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉健，張碩，黃洪亮，王磊，陳帥，李靈智，劉永利，張禹，
申請(專利權)人：中國水產科學研究院東海水產研究所，
類型：發明
國別省市：31