海洋牧场(Marine Ranching) 是指在一个特定的海域里，为了有计划地培育和管理渔业资源而设置的人工渔场。它先营造一个适合海洋生物生长与繁殖的环境，再由所吸引来的生物与人工放养的生物一起形成一个人工渔场。依靠一整套系统化的渔业设施和管理体制，使得人们可以利用先进的科技力量，将各种海洋生物聚集在一起，就像赶着成群的牛羊在广阔的草原上放牧那样，建立可以人工控制的海洋^[1]。鱼礁是海洋牧场建设中的一个关键环节，它可以改变海洋中鱼类的生存环境，起到增殖、聚集的效果^[2]。世界各沿海国家多有海洋牧场建设，且投放了大量底层鱼礁。底层鱼礁的作用范围与其高度和体积有关^[3]，由于底层鱼礁的高度有限，因而对鱼礁高度以上的水域的影响相对不足，无法充分利用整个水体空间，效能不能发挥到最佳。因为浮鱼礁的作用范围和作用机理与底层鱼礁有所不同^[4] ，为了提高对水体的全面立体开发，底层鱼礁必须与浮鱼礁配合使用，共同投放，协同工作。

浮鱼礁根据礁体的设置位置可分为中层浮鱼礁和表层浮鱼礁。中层浮鱼礁投置于海水之中，依靠礁体的剩余浮力、锚绳和锚来保持、固定其位置，表层浮鱼礁一般置于海面上，依靠锚绳和锚来保持、固定其位置^[4]。当前，在浮鱼礁的发展应用上，日本处于世界领先地位，拥有适用于大水深和全水层的浮鱼礁，且已投入应用并取得了很好的效果，如礁体位置为海面以下20 m的AK型中层浮鱼礁，礁体位置为海面的AK型表层浮鱼礁，本身高90 m应用于大水深海域的AZ浮鱼礁。其他国家对浮鱼礁的研究甚少，我国对浮鱼礁的研究也较少，仅有80年代与日本合作投放了悬浮式人工鱼礁，余求妹等^[5]对浮绳式网箱人工浮鱼礁的设计优势和问题进行了探讨等。日本的浮鱼礁应用的海域水深较大，不适用于我国近海水深为10～20 m的海域。

为了更充分地发挥象山港海洋牧场的作用，设计了一种与底层鱼礁协同工作的应用于10 m左右水深的中上层柔性浮鱼礁，并设计了相应的锚系系统及效果监测系统。进行了实地的鱼礁投放应用试验，观测鱼礁是否能满足投放要求，对鱼礁的集鱼效果进行了初步观测。

1 近海中上层柔性浮鱼礁的设计 1.1 鱼礁投放环境

柔性浮鱼礁的投放区域为浙江象山港海洋牧场底层鱼礁的投放区域，即图 1中的椭圆圈内。象山港当地鱼种丰富，也是马鲛鱼(Scomberomorus niphonius)、白姑鱼(Argyrosomus argentatus Houttuyn)、皮氏叫姑鱼(Johnius belengerii)、龙头鱼(Harpadon nehereus)、长体蛇鲻(Saurida elongate)等多种洄游鱼类的产卵场或育幼场^[6]。

1.2 中上层柔性浮鱼礁整体设计 1.2.1 中上层柔性浮鱼礁礁体的设计

在生物方面，浮鱼礁要能够发挥聚集、增殖作用，需要能够为水生生物提供阴影，在鱼礁周围形成较适宜鱼类生存的复杂水流环境，为鱼类提供产卵场所，形成鱼类的索饵区^[7]，应具有复杂多变的空间为鱼类提供躲避区^[8-11]。在适应投放环境方面，浮鱼礁应具有较好的抗波流能力，象山港海洋牧场海区的水深只有十几米，潮差可以达到5 m，潮流速度较大^[12]，稳定的水深不超过10 m，海底又有底层鱼礁，因此不适合中层浮鱼礁的布置，而浮在水面上的浮鱼礁体积大作用有限，因此设计了可以布置在水面以下几米范围内具有较好抗流能力的中上层柔性浮鱼礁。

设计的中上层柔性浮鱼礁的整体结构如图 2所示，图 2a为浮鱼礁的整体结构，由鱼礁主体、锚绳、锚和浮球组成，图 2b为鱼礁主体，由4个骨架、网衣和连接锚绳组成，每个骨架单元由一个圆型框架和一个十字型架构成，圆形框架用公称直径为32 mm的PE(聚氯乙烯，Polyethylene)水管围成，直径为2 500 mm，加热PE水管的两头各50～70 mm长度后，插入一根直径较小的长140 mm的PPR(无规共聚聚丙烯，Polypropylene random)水管，冷却后PE管的两端连在一起。在结合处打通孔，用尼龙绳穿过通孔固定以防止接管脱落。上端三个十字型架用长度为2 700 mm、直径为50～100 mm的毛竹制成，最下端十字型架用长度为2 700 mm、直径为32 mm的钢管制成。将十字型架固定于圆形框架上，组成了骨架单元。

用6根直径为15 mm的连接锚绳将4个骨架单元等间隔捆绑串联起来，形成总长3 000 mm的柔性圆柱体。六根连接锚绳均匀分布到框架外圆上。最外层用网目为500 mm的尼龙绳网进行包裹，并用细尼龙线把网缝到圆形PE管上，尼龙绳网用直径为5 mm的尼龙绳织成。

毛竹具有较强的生物亲和力，易于藻类等水生生物的附着生长，形成饵料场。尼龙绳网衣和连接锚绳具有较小外径可以作为一些水生生物的产卵场，又将鱼礁形成一个相对独立的空间。每个骨架单元中，PE水管有较好弹性可以提供缓冲变形空间，减缓浪流力冲击。十字型架可以保持柔性鱼礁礁体基本形状，并将鱼礁内部空间分割形成多个空间，增加阴影和生物附着空间。

1.2.2 重力和浮力的设计

象山港海区潮差大约为5 m，鱼礁投放区海图水深为7～14 m。潮差大、深度浅，当落潮水深变浅时，锚绳松弛对礁体没有足够的拉力使其处于拉伸状态，这时就要求柔性浮鱼礁礁体自身能够保证始终处于拉伸状态，因此，柔性浮鱼礁礁体下层部分应该具有足够的重力使鱼礁整体处于拉伸状态，礁体整体受到足够浮力使其浮在水中。

由于制作柔性浮鱼礁礁体的PE管材、尼龙绳、毛竹的密度都比海水小，因此需要在鱼礁底层增加重力，且要求当从水面开始数，第四层鱼礁骨架单元重力大于自身受到的浮力，最下两层鱼礁骨架总重力大于其总浮力，最下三层总重力大于其总浮力。

用毛竹做的十字型架鱼礁骨架单元重力为64.6 N，受到浮力为167 N。要使礁体整体都呈现拉伸状态，就需要在下三层鱼礁骨架上至少增加307.2 N重力，因此将最下一层十字型架的材料由毛竹换为钢管，其重力为192 N，并在最下层两个鱼礁骨架中圆形框架里灌满细沙，各增加沙重40 N。在灌沙时应灌满防止出现骨架各处重力不平衡。经计算最下层骨架重力为253.4 N，浮力为64.5 N，第二层骨架重力104.6 N，浮力为167 N。此时最下层鱼礁骨架重力大于浮力，因此最下四层骨架与第三层骨架之间网衣及连接锚绳处于拉伸状态。下两层骨架重力大于总浮力，第三层和第二层骨架之间的网衣和连接锚绳也处于拉伸状态。下面三个骨架总重力为422.6 N，受到总浮力为398.6 N，所以第二层和第一层骨架之间的网衣和连接锚绳也处于拉伸状态。柔性浮鱼礁在竖直方向可以处于拉伸状态(如图 2.b所示状态)。经计算鱼礁主体潜入海水时总排水量为565.6 N，总重力为487.2 N，最大浮力大于总重力，鱼礁主体本身可以浮于海面。

当鱼礁上附着有生物时重力会变大，此处取增加生物附着重量100 N，因此需要增加一定浮力来保证鱼礁不会沉入海底。为此，在最上层圆形框架上用粗尼龙绳穿10个直径为90 mm浮球和7个直径为150 mm浮球，将浮球均匀分布并用尼龙绳以缝网纲的方法缝到上层圆框上，这些浮球最大可增加约160 N排水量。 1.3锚定方案确定

象山港潮流速度较大，受到流体阻力较大。若采用多锚绳固定会产生偏向力，使鱼礁外形发生变形，且鱼礁自身不能保持竖直，故采用单锚绳固定方法。要保证鱼礁在高平潮时不会没入水面以下或不会过大，在低平潮时飘动的距离不致过大，选锚绳的长度为投放处水深10 m。

锚块大小需要根据柔性浮鱼礁受到的力来确定。中上层柔性浮鱼礁所受到力除了自重外，还有礁体部分及锚绳上受到水流力、浮力、生物附着在礁体上的重力和风力等。

(1) 礁体部分受到的水流作用力

礁体所受的水流作用力计算公式如下^[13]：

式中：F_W为礁体部分受到的水流阻力(kN)，γ₀为海水重力密度，为10 250 N/m³，C_D为礁体阻力系数，为1，A_w为礁体水平投影面积，根据礁体的形状尺寸计算得面积为1.28 m²，V_m为最大流速，取1.83 m/s，把这些已知值代入式(1)计算得到礁体部分受到水流作用力为2.196 kN。

(2) 锚链受到的水流阻力

锚链所受水流作用力计算公式为：

式中：F_K为锚链所受到水流阻力，A_K为锚链水平投影面积，为0.161 m²，在式(2)中代入已知值计算得锚链受到水流阻力为0.274 kN。

(3) 最大浮力

鱼礁受到最大浮力为：

式中：F_L为鱼礁受到最大浮力(kN)，V_W为鱼礁整体最大海水排水量，为0.085 m³，在公式(3)中代入已知值计算得鱼礁受到最大浮力为0.870 kN。

(4) 生物附着增加的载荷

礁体部分及锚定系统在海面以下60 m范围内表面会有生物附着，附着生物增加后礁体的重量、体积、投影面积会有所增大。一般取附着重量为80 N/m²(水中)，浮鱼礁总附着重量为G_P=0.102 4 kN。

(5) 风载荷

风载荷大小为：

式中：F_A为风阻力(kN)，U₁₀为海风速度(10 min内风速平均值，m/s)，取当地最大风速为25 m/s，γ_a为空气重量密度，为12.3 N/m³，C_D为表面部分的阻力系数，取1，A_a为浮球在海平面以上部分水平投影面积，为0.187 m²，把已知值代入式(4)计算得到风载荷为0.072 kN。

要保证礁体在水流冲击下不发生移动，即锚不滑动，就要求锚块与海底接触面间的最大静摩擦力F_s大于鱼礁受到水平作用力的最大合力F_h，即

鱼礁所受水平力有礁体和锚链的水流阻力和风载荷，即水平最大合力为：

将以上计算得到的已知数值代入式(6)，得水平最大合力为2.542 kN。鱼礁锚块与海底的最大静摩檫力为：

式中：μ为锚体与海底接触面间静摩擦系数，一般取0.6^[14]，G_A为锚块重力(kN)，G_r为鱼礁总重力，为0.633 6 kN。

根据公式(5)，经计算锚块重力至少应为4.370 kN。取安全系数为1.5，则锚块重力为6.555 kN，质量为655.5 kg。

2 中上层柔性浮鱼礁投放应用试验 2.1 水下观测系统设计

为了观察中上层柔性浮鱼礁对鱼类的聚集作用，设计了一种远程监控系统，以实时观测柔性浮鱼礁周围生物活动情况。采用点对点无线网络桥接方式将水下摄像头和实验平台上终端连接起来，实现水下摄像头拍摄的视频数据向终端发送和终端对摄像头控制。

采用总载重为70 kg三角浮球作为载体，搭载水下摄像头、发射无线网桥以及移动太阳能供电系统，形成海上观察平台，如图 3所示。水下摄像头采用SIP1201Plus 3.6 mm 720 P高清无线摄像头，外加防水罩壳，它具有360度可转动的云台以调节拍摄方向。将摄像头原无线发射信号改为有线输出，并接到无线网桥发射端，采用8 dBi全向天线向外发射无线视频信号。在试验平台上，采用17 dBi栅格式天线接受无线视频信号，如图 4所示，然后通过接收端网桥传入终端电脑，图 5为无线通信系统工作原理。

2.2 中上层柔性浮鱼礁形态和位置稳定性

一共制作了3个相同的柔性浮鱼礁，进行投放试验。提前选好3个水深均不超过10 m^[15]的投放位置，并用GPS(全球定位系统，global positioning system)进行定位记录，3处投放位置的水深分别为10 m、9.5 m和9 m，分别投放一号、二号、三号鱼礁。投放应在低平潮时进行，使船尽量平稳地停在投放位置，先将鱼礁投到海中，等其依靠自身的重力和受到的浮力展开后，再将锚投到海中。

投放后，观察鱼礁在一个涨落潮周期内的形态，并采用ValeportModel106旋桨式水流仪实测潮流速度。通过在一个涨落潮周期内，对中上层柔性浮鱼礁观察发现，鱼礁在外形上始终保持上下拉紧状态，迎流面有少许的内凹，背流面有少许外凸，但基本保持原有的尺寸。在静水和潮流较小时，鱼礁在水中呈直立的姿态(图 6a)；潮流逐渐增大时，鱼礁体会有整体倾斜且角度逐渐变大，如图 6b所示，当天的最大水流1.2 m/s时，倾斜角度约为20度，但仍保持外形和位置的稳定。

为了检查鱼礁位置变化情况以及锚系固定中上层柔性浮鱼礁的能力，使用GARMINetrex 20手持GPS户外导航经纬度定位仪定位了鱼礁投放时和投放60 d后经纬度变化，所测数据见表 1。对比后发现鱼礁没有发生移位，表明所设计的鱼礁锚系具有较好的安全性。

2.3 集鱼效果

通过两个月对鱼礁集鱼效果的连续观察，发现鱼礁周围逐渐有鱼类聚集。刚开始偶尔有鱼类经过，到最后有一定数量的鱼类在鱼礁周围游弋。图 7为投放60 d后在鱼礁外围拍摄到的鱼类聚集情况，图中椭圆圈内为鱼。

3 结论

(1) 根据当地海况和生物资源条件设计出了可以改善水流和保持自身体积的四层网格式柔性鱼礁，礁体高3 m，直径2.5 m，采用毛竹加PVC管作为鱼礁框架保持其基本形状，在轴向采用绳索连接，在框架外层包覆了一层网目为500 mm的尼龙绳网，这样礁体具有较好的柔性，水阻小，体积大，空间相对多变。

(2) 通过对近海中上层柔性浮鱼礁的投放试验，实际效果测试表明所设计的中上层柔性浮鱼礁礁体可以稳定地停留在从海面到海面以下3 m的水域，在不同海况下能够保持基本形状不变，最高潮和最低潮时均可保持轴向拉伸状态，不受锚绳受力情况影响，最大潮流速度时倾斜角度不超过20度，径向尺寸基本不变，有效改善区域流场。浮鱼礁投放60 d后锚块的位置没有变化，说明鱼礁的锚定系统是安全的。

(3) 通过远程观察系统对浮鱼礁水域60 d持续观测，发现柔性浮鱼礁在象山港海洋牧场底层鱼礁投放区具有较好的聚鱼能力，且能够与底层鱼礁协同作用，较快地吸引鱼类，扩大了鱼群的活动空间。鱼礁的长期聚鱼效果以及对不同鱼种的聚集作用还需要进行长期观察，并在条件允许时进行大批量投放观察其规模效应。

中上层柔性浮鱼礁与底层鱼礁协同工作，能提高对海洋综合利用，对海洋牧场发展具有重要意义，所研发的中上层柔性浮鱼礁在柔性鱼礁的形状保持、受力分析、效果观察方法等方面做出了良好的探索，对促进海洋牧场的发展具有重要价值。