一种近海区域方形人工鱼礁空间布局优化方法
阅读说明：本技术 一种近海区域方形人工鱼礁空间布局优化方法 (Offshore area square artificial fish reef spatial layout optimization method ) 是由 孙涛 舒安平 秦际平 杨薇 朱家品 于 2021-11-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种近海区域方形人工鱼礁空间布局优化方法,包括以下步骤：制作方形鱼礁单体模型；建立正方形单位鱼礁；选择与水流方向平行的对角线上的三个鱼礁组为实验对象,设置了4种不同的鱼礁组间距条件；通过水槽实验获取到的数据,整理得到不同空间布局下的各个评价指标数据；采用客观赋权法中的熵值法作为单位鱼礁流场效应评价的赋权方法；基于水动力学的单位鱼礁布局方案评价；基于水动力学和经济成本的单位鱼礁布局方案评价；根据上述两种方案评价的评价结果,综合考虑生态效益与经济成本,最终确定最佳的布局优化方案。本发明的优点是：造价均减少,所影响的流场范围面积分别增大。以更少的经济投入获得了更大的生态效益。(The invention discloses a spatial layout optimization method of a square artificial fish reef in an offshore area, which comprises the following steps: manufacturing a square fish reef monomer model; building a square unit fish reef; selecting three fish reef groups on a diagonal line parallel to the water flow direction as an experimental object, and setting 4 different fish reef group spacing conditions; data obtained through a water tank experiment are arranged to obtain each evaluation index data under different spatial layouts; an entropy method in an objective weighting method is adopted as a weighting method for evaluating the flow field effect of the unit fish reef; evaluating a unit fish reef layout scheme based on hydrodynamics; evaluating a unit fish reef layout scheme based on hydrodynamics and economic cost; and according to the evaluation results of the two schemes, ecological benefit and economic cost are comprehensively considered, and the optimal layout optimization scheme is finally determined. The invention has the advantages that: the manufacturing cost is reduced, and the area of the affected flow field is respectively increased. Greater ecological benefits are obtained with less economic investment.)
技术领域
本发明涉及人工鱼礁优化技术领域，特别涉及一种近海区域方形人工鱼礁空间布局优化方法。
背景技术
人工鱼礁以其良好的海洋生态修复与渔业资源养护作用被广泛应用于全国各大海洋牧场工程建设中，成为海洋牧场建设的设施基础。随着人工鱼礁建设效果的日渐突出，越来越多的沿海地区开启大规模投放的现状。方形多功能复合型生态礁是人工置于天然水域环境中用于修复和优化水域生态环境的方形构造物，其礁体结构复杂(礁体内有饵料培养网笼和板式附着基)，饵料培养体结构为网格状，内部填充贝壳，极大地增加了生物附着表面积，有利于生物的附着为刺参、鱼类等提供生长、繁殖、索饵和避敌的良好栖息场所。网笼具有良好的抗蠕变性能，稳定牢固，不会因为长期受力变性导致脱落。
人工鱼礁投放前应进行合理规划，选择适合目标区域和目标物种的配置模式，因为人工鱼礁建设是一个资金投入巨大且不可逆的过程，投放后如果不能达到预期效果不但不能清除，甚至还会成为海洋垃圾对海洋环境造成危害，同时也会造成经济上的损失。而人工鱼礁投放后产生的流场的影响范围、流态分布和水动力特征等均会因投放鱼礁的类型、结构形状、规模大小、布局和范围，以及投放地点原有流场的不同而不同，目前对不同人工鱼礁流场效应优劣的比较多为描述性研究，即根据实验现象或数值模拟结果对上升流和背涡流强度及规模等进行相应描述，缺乏经过一定方法进行系统评价后得出具体优劣程度的结论。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种近海区域方形人工鱼礁空间布局优化方法。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种近海区域方形人工鱼礁空间布局优化方法，包括以下步骤：
步骤1，制作方形鱼礁单体模型，制作材料为有机玻璃，按照几何比尺50:1制作。
步骤2，建立正方形单位鱼礁，其排布在水槽底板中，15个方形鱼礁单体礁模型构成一组正方形单位鱼礁，单位鱼礁的的四个边角及中心分别设置一组鱼礁组，一组鱼礁组由三个方形鱼礁单体礁模型组成，呈品字形排列。
步骤3，选择与水流方向平行的对角线上的三个鱼礁组为实验对象。实验时，方形鱼礁单位鱼礁由9个单体礁构成，每组均为呈品字形排列的3个单体礁，设置了4种不同的鱼礁组间距条件。
步骤4，通过水槽实验获取数据，整理得到各个评价指标数据。共选取11个评价指标，其中上升流指标5个，包括最大上升流速度、上升流平均速度、上升流最大高度、上升流最大长度和上升流总面积；背涡流指标3个，包括背涡流最大高度、背涡流最大长度和背涡流总面积；紊动强度指标2个，包括整个流场的平均纵向紊动强度和平均垂向紊动强度；经济成本指标1个，为单位鱼礁每平方米造价。选择极值处理法对单位鱼礁流场效应评价指标进行无量纲化。
步骤5，采用客观赋权法中的熵值法作为单位鱼礁流场效应评价的赋权方法，包括以下步骤:
(1)构建多对象、多指标矩阵。设评价指标体系中有n个对象(n1，n2，…，nn)，m个指标(m1，m2，…，mm)，令第i个评价对象(i＝1，2，3，...，n)的第j个指标(j＝1，2，3，...，m)取值为Xij，构建原始指标数据矩阵X：
(2)将原始数据无量纲化，消除量纲的影响，计算第j个指标下，第i个评价对象的特征比重或贡献度(pij)：
其中Zij代表第i个评价对象在j指标下的得分。
(3)计算第j项指标的熵值(ej)：
式中，ln是自然对数，ej≥0
(4)计算第j项指标的差异系数(gj)：
gj＝1-ej (4)
对差异系数归一化，计算第j项指标的权重(Wj)：
(5)计算第i个评价对象的各项指标的综合得分(Yi)：
步骤6，基于水动力学的单位鱼礁布局方案评价；
选取四种间距下的单位鱼礁的流场效应为评价对象，每个对象包括5个不同流速的样本。选取与水动力相关的上升流、背涡流和紊动强度指标，而不纳入经济成本指标，则评价指标共10个，按照熵值法的步骤进行计算，获得各评价指标的权重和综合得分，进行比较分析得到最优结果。
步骤7，基于水动力学和经济成本的单位鱼礁布局方案评价；
选取四种间距下的单位鱼礁的流场效应为评价对象，每个对象包括5个不同流速的样本。选取步骤1中的11个评价指标，按照熵值法的具体步骤进行相应计算，获得各评价指标的权重和综合得分，进行比较分析得到最优结果。
步骤8，优化后布局方案；
根据水动力学的单位鱼礁布局方案评价和水动力学和经济成本的单位鱼礁布局方案评价的评价结果，综合考虑生态效益与经济成本，最终确定最佳的布局优化方案。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
采用熵值法，结合不同规模单位鱼礁的流场效应定量分析和经济成本指标核算探讨了人工鱼礁建设中生态效益和资金投入的平衡问题，从定量评价的角度优化调整了典型人工鱼礁的投放布局，使其达到更好的生态效益和经济效益。为人工鱼礁理论研究和实际建设提供了新思路及技术支持。空间布局经过调整后的单位鱼礁和单位礁群，流场效应较原间距有所增强，单体礁个数和造价均减少，所影响的流场范围面积增大，以更少的经济投入获得了更大的生态效益，为更多的海洋生物营造了更好地生存环境。
附图说明
图1是本发明实施例方形鱼礁单体礁模型结构示意图，其中(a)为正视图，(b)为左视图，(c)为俯视图，(d)为立体图；
图2是本发明实施例正方形单位鱼礁结构示意图；
图3是本发明实施例不同鱼礁组间距单位鱼礁摆放示意图；
图4是本发明实施例基于水动力学的方形鱼礁单位鱼礁流场效应评价综合得分图；
图5是本发明实施例基于水动力学和经济成本的方形鱼礁单位鱼礁流场效应评价综合得分图；
图6是本发明实施例方形鱼礁单位鱼礁调整前后对比图，其中(a)为原设计间距，(b)为调整后间距；
图7是本发明实施例方形鱼礁单位礁群调整前后对比图，其中(a)为原设计间距，(b)为调整后间距；
图8是本发明实施例方形鱼礁单位鱼礁纵向流速分布对比图；其中(a)为无鱼礁布置，(b)为1.25L间距鱼礁布置。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
本实施例以渤海辽东湾拟投放的方形人工鱼礁的单位鱼礁为研究对象，在北京师范大学环境学院水沙科学教育部重点实验室多功能循环水槽中进行了实验，采用PIV技术模拟了5种流速、4种布设间距(以原间距L为基准缩放)下单位鱼礁流场的水动力过程，获得了方形人工鱼礁在不同空间布局下的上升流、背涡流等流场效应特征值以及流速分布、紊动强度特性等水动力学特征，并在此基础上，采用熵值法综合评价了方形鱼礁在不同间距下的流场效应，对比分析后择优，从而为人工鱼礁的空间布局提供了参考。
具体步骤如下：
步骤1，制作方形鱼礁单体模型，制作材料为有机玻璃(按照粗糙率相似的原则)。方形鱼礁的实际尺寸为长3.5m，宽3.5m，高1.5m，按照几何比尺50:1制作的单体礁模型尺寸为长0.07m，宽0.07m，高0.03m。方形鱼礁单体礁模型制作的三视图和示意图如图1所示。
步骤2，建立正方形单位鱼礁，其排布在水槽底板中，15个方形鱼礁单体礁模型构成一组正方形单位鱼礁，单位鱼礁边长为50m，单位鱼礁的的四个边角及中心分别设置一组鱼礁组，一组鱼礁组由三个方形鱼礁单体礁模型组成，呈品字形排列。四个边角上的鱼礁组与中心鱼礁组的间距约为19.50m，如图2所示。
步骤3，选择与水流方向平行的对角线上的三个鱼礁组为实验对象。实验时，方形鱼礁单位鱼礁由9个单体礁构成，每组均为呈品字形排列的3个单体礁，单体礁间间距为1倍礁长70mm，鱼礁组的间距约为390mm，记为L，在此基础上进行缩小和扩大，设置了4种不同的鱼礁组间距条件，分别为L1＝0.75L＝293mm，L2＝1.00L＝390mm，L3＝1.25L＝488mm，L4＝1.50L＝585mm，具体摆放方式如图3所示。
步骤4，量化指标的无量纲化；
通过水槽实验获取到的数据，整理得到不同空间布局下的各个评价指标数据。共选取11个评价指标，其中上升流指标5个，包括最大上升流速度(m/s)、上升流平均速度(m/s)、上升流最大高度(mm)、上升流最大长度(mm)和上升流总面积(mm2)；背涡流指标3个，包括背涡流最大高度(mm)、背涡流最大长度(mm)和背涡流总面积(mm2)；紊动强度指标2个，包括整个流场的平均纵向紊动强度(m/s)和平均垂向紊动强度(m/s)；经济成本指标1个，为单位鱼礁每平方米造价(元/m2)。选择极值处理法对单位鱼礁流场效应评价指标进行无量纲化。
步骤5，熵值优化方法；
采用客观赋权法中的熵值法作为单位鱼礁流场效应评价的赋权方法，具体步骤如下:
(1)构建多对象、多指标矩阵。设评价指标体系中有n个对象(n1，n2，…，nn)，m个指标(m1，m2，…，mm)，令第i个评价对象(i＝1，2，3，...，n)的第j个指标(j＝1，2，3，...，m)取值为Xij，构建原始指标数据矩阵X：
(2)将原始数据无量纲化，消除量纲的影响，计算第j个指标下，第i个评价对象的特征比重或贡献度(pij)：
(3)计算第j项指标的熵值(ej)：
式中，ej≥0
(4)计算第j项指标的差异系数(gj)：
gj＝1-ej (4)
对差异系数归一化，计算第j项指标的权重(Wj)：
(5)计算第i个评价对象的各项指标的综合得分(Yi)：
步骤6，基于水动力学的单位鱼礁布局方案评价；
选取4种间距下的单位鱼礁的流场效应为评价对象，每个对象包括5个不同流速的样本。在基于水动力学特性进行评价时，只选取与水动力相关的上升流、背涡流和紊动强度指标，而不纳入经济成本指标，则评价指标共10个；
采用评价指标在五个设计流速下权重的平均值作为方形鱼礁流场效应评价指标的最终权重(表1)
表1方形鱼礁单位鱼礁流场效应评价指标权重体系
根据确定的指标权重体系，按照熵值法的具体步骤进行计算，计算出五个设计流速下每个间距的评价得分，为了便于对不同间距的流场效应评价结果进行对比分析，最后采用五个流速的算术平均值作为每个间距流场效应评价的综合得分，最终评价结果如表2所示。
表2方形鱼礁单位鱼礁流场效应评价得分及排名
图4显示了四种间距下方形鱼礁单位鱼礁流场效应综合评价的最后得分，可以看出四种间距下综合得分从大到小表现为:1.25L>1.00L>0.75L>1.50L，1.25L和1.00L两间距下的得分显著高于0.75L和1.50L，前两者得分总和超过后两者得分和的2倍，但是1.25L的得分仅比1.00L高0.0039分，两者处于持平的位置，差距很小，同时经精细化模拟插值发现，得分在间距1.15L存在极大值。综上所述，本研究从实验的角度，建议在实际投放方形鱼礁单位鱼礁时在原设计间距的基础上扩大15％。
步骤7，基于水动力学和经济成本的单位鱼礁布局方案评价；
选取4种间距下的单位鱼礁的流场效应为评价对象，每个对象包括5个不同流速的样本。在对单位鱼礁进行布局方案评价时，除了考虑人工鱼礁流场效应等水动力学特性之外，还将经济成本纳入了评价指标体系。
辽东湾人工鱼礁建设区拟投放的方形鱼礁单体礁占据的空方量为18.375空m3，每空方造价为499.32元/空m3，本实验中单位鱼礁共由9个单体礁组成，则在实际投放中总造价为82575.045元。根据各间距设计选择合适的实验段长度，实验段宽度统一为水槽宽度，计算出实验段的面积，并将其按几何比尺50:1转化为实际面积，最后用实际总造价除以实际面积，得到方形鱼礁人工鱼礁流场效应评价体系的经济成本指标，即单位鱼礁每平方米造价，具体结果如表3所示。
表3方形鱼礁单位鱼礁流场效应经济成本评价指标
依据方形鱼礁评价指标的无量纲化结果，按照熵值法的计算步骤得出五个设计流速下各评价指标的权重，采用评价指标在五个设计流速下权重的算术平均值作为方形鱼礁流场效应评价指标的最终权重(表4)。
表4方形鱼礁单位鱼礁流场效应评价指标权重体系
根据确定的指标权重体系，按照熵值法的具体步骤进行计算出五个设计流速下每个间距的评价得分，采用五个流速得分的算术平均值作为每个间距流场效应评价的综合得分，最终评价结果如表5所示。
表5方形鱼礁单位鱼礁流场效应评价得分及排名
图5显示了考虑经济成本的情况下，四种间距下方形鱼礁单位鱼礁流场效应的最后得分，四种间距的综合得分从大到小表现为：1.25L>1.00L>1.50L>0.75L，1.25L流场效应的综合得分分别是1.00L、1.50L和0.75L的1.048倍、2.026倍和2.130倍。同时经精细化模拟插值发现，得分在间距1.15L存在极大值。综上所述，本研究从理论和实践的角度，综合考虑生态效益与经济成本，建议在实际投放方形鱼礁单位鱼礁时在原设计间距的基础上扩大15％。
步骤8，优化后布局方案；
根据两套评价体系的评价结果，综合考虑生态效益与经济成本，建议在黄渤海近海实际投放方形鱼礁单位鱼礁时在原间距的基础上扩大25％，此时鱼礁组间间距约为22.43m，正方形单位鱼礁边长约为56.75m(图6)。方形鱼礁单位礁群由五个单位鱼礁构成，间距100m，调整前后的示意图如图7所示。由表6可知，调整后的单位鱼礁和单位礁群，流场效应较原间距有所增强，单体礁个数和造价均减少了10％，所影响的流场范围面积分别增大了10％和5％，并且在相同单体礁个数和造价的条件下，所影响的流场范围面积分别增大了29％和14％，能为更多的海洋生物营造更好地生存环境；图8展示的方形鱼礁单位鱼礁纵向流速分布比对图。
表6方形鱼礁布局调整前后对比
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
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