團體標準人工魚礁流場效應評估技術規范中國水產學會發布Ⅱ本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分:標準化文件的結構和起草規則》的規定起草。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發布機構不承擔識別專利的責任。本文件由中國水產學會歸口。本文件起草單位:上海海洋大學、中國海洋大學、山東大學(威海)、中國水產科學研究院南海水產研究所、中國水產科學研究院漁業工程研究所、大連海洋大學、全國水產技術推廣總站。本文件主要起草人:林軍、王欣欣、鐘威、唐衍力、章守宇、姜昭陽、陳倩茹、唐振朝、劉年飛、田濤、陳圣燦。1人工魚礁流場效應評估技術規范1范圍本文件規定了人工魚礁流場效應評估的數值建模方法、物理水槽模型、評估指標與方法、報告編寫、資料和成果歸檔等技術要求。本文件適用于使用基于非靜力假設的計算流體力學(computationalfluiddynamics,CFD)數值水槽模型或使用物理水槽模型,評估單體魚礁、單位魚礁的流場效應,使用物理水槽模型驗證CFD模型,以及使用基于靜力假設的海洋數值模式模擬評估人工魚礁區的流場效應。2規范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中,注日期的引用文件,僅該日期對應的版本適用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T12763.2海洋調查規范第2部分:海洋水文觀測GB/T40946—2021海洋牧場建設技術指南GB/T42779—2023海洋牧場基本術語SC/T9416—2014人工魚礁建設技術規范3術語和定義GB/T42779—2023、GB/T4人工魚礁artificialreef用于修復和優化海域生態環境,建設海洋生物生息場的人工設施。[來源:GB/T40946—2021,3.3]建造人工魚礁的單個構件。[來源:SC/T9416—2014,3.5]單位魚礁unitreef由一個或者多個單體魚礁組成的魚礁集合。[來源:SC/T9416—2014,3.6]人工魚礁區artificialreefarea已經敷設人工魚礁,并按其功能輻射范圍劃定的水域。[來源:SC/T9416—2014,3.3]單體魚礁底面幾何輪廓的最大距離。[來源:GB/T42779—2023,4.3.1]2單體魚礁底面幾何輪廓垂直于長度線的最大距離。[來源:GB/T42779—2023,4.3.2]單體魚礁底面至魚礁頂部的垂直距離。[來源:GB/T42779—2023,4.3.3]單位魚礁外廓線長度lengthofunitreef單位魚礁底面幾何輪廓的最大距離。單位魚礁外廓線寬度widthofunitreef單位魚礁底面幾何輪廓垂直于長度線的最大距離。單位魚礁外廓線高度heightofunitreef單位魚礁底面至單位魚礁垂向幾何輪廓頂部的垂直距離。單體魚礁外部結構幾何面輪廓所包圍的體積。注:用“空m3[來源:GB/T42779—2023,4.3.6]人工魚礁規模constructioncapacityofartificialreef;volumeofartificialreef人工魚礁區的單體魚礁或單位魚礁體積的總和。注:分散的有規律投放的人工魚礁以單體魚礁體積計算,堆積投放的人工魚礁以單位魚礁體積計算。[來源:GB/T42779—2023,4.3.7]上升流upwelling人工魚礁迎流側上方形成的渦流結構。人工魚礁背流側形成的渦流結構。人工魚礁流場效應flowfieldeffectofartificialreef在一定流速的水流作用下,人工魚礁形成的上升流、背渦流的強度和范圍。進行計算流體力學仿真模擬時所使用數值水槽的流體計算區域。注:通常定義數值水槽長度(來流方向)方向為x軸,數值水槽寬度方向為y軸,數值水槽深度方向(垂向)為≈軸。4數值建模方法計算域規格應符合以下條件:a)單體魚礁的計算域長度應不少于礁體長度的25倍,其中迎流側計算域長度應不少于礁體長度的33倍,背流側長度應不少于礁體長度的20倍;b)單體魚礁的計算域寬度應不少于礁體寬度的7倍,其中單體魚礁兩側距離側邊界的計算域寬度應不少于礁體寬度的3倍;c)單位魚礁的計算域長度應不少于單位魚礁外廓線長度的7倍,其中迎流側計算域長度應不少于單位魚礁外廓線長度的1倍,背流側長度應不少于單位魚礁外廓線長度的5倍;d)單位魚礁的計算域寬度應不少于單位魚礁外廓線寬度的3倍,其中單位魚礁外廓線兩側距離側邊界的計算域寬度應不少于單位魚礁外廓線寬度的1倍;e)計算域高度取決于人工魚礁區的平均海面水深,應不少于魚礁單體高度或單位魚礁外廓線高度的2倍。邊界條件設置應符合以下條件:a)入口邊界為速度入口,取定常流速或時變流速;b)出口邊界為壓力出口或自由出流邊界;c)上邊界為對稱邊界;d)左右邊界為對稱邊界;e)底面邊界為根據人工魚礁區底質特性設定的壁面邊界;f)人工魚礁表面為固邊界,根據人工魚礁材質特性設置為壁面邊界。來流速度設置應符合以下條件之一:a)人工魚礁區漲落急流速;b)人工魚礁區潮周期平均流速;c)人工魚礁區潮周期時變流速;d)人工魚礁區風、浪、流聯合作用下的垂向平均流速。模型計算的有效時間段應符合以下條件:a)計算域長度除以平均來流速度得到流體流經計算域的時間段(T1),可應用于人工魚礁流場效應評估的有效模擬結果應使用計算收斂后不小于一個T1時間段的結果;b)在a)的基礎上,用于模型計算結果分析的有效數據時間段應不小于礁體長度或單位魚礁外廓線長度除以平均來流速度得到的時間段(T2);c)在來流速度設置為潮周期時變流速的情況下,在a)的基礎上,模型計算有效數據時間段應不小于人工魚礁區的潮周期(T3)。網格劃分應符合以下條件:a)最小網格分辨率應不大于單體魚礁的最小幾何結構;b)計算域內最大網格尺寸與最小網格尺寸之比應小于10;c)大尺寸網格與小尺寸網格應滿足漸變過渡,保證無畸變網格;d)網格應進行無關性檢驗,即檢驗流場模擬結果與網格分辨率無關;e)在滿足上述條件的基礎上,選用網格數量少的網格劃分方案。4.3模型設置模型設置應符合以下條件:a)基于人工魚礁區的實測季節平均或年平均結果設置數值水槽模型的流體密度和黏性等參數;b)應選用基于壓力求解的時變模型;c)應選用的湍流模型有大渦模擬或RNGK-ε湍流模型等,其中大渦模擬適用于復雜湍流的模擬計算,RNGK-ε湍流模型適用于高應變率及流線彎曲程度較大流動的模擬計算。44.4阻流系數測算通過計算單體魚礁或單位魚礁所引起的動態功率損耗值測算人工魚礁阻流系數,分別選取單體魚礁或單位魚礁迎流側動態功率穩定處,以及背流側最小值處代表其未損耗以及最大損耗后的動態功率值。單體魚礁或單位魚礁引起的動態功率損耗值、人工魚礁受力及其阻流系數分別按附錄B中的公式4.5人工魚礁區流場效應評估在靜力海洋數值模式中可通過在模式動量方程中引入單體魚礁或單位魚礁的阻力項實現人工魚礁區流場效應的數值模擬。模式動量方程中附加的阻力項按附錄B中的公式(B.4)、公式(B.5)計算得到。5物理水槽模型5.1物理水槽模型準則物理水槽模型實驗應滿足幾何相似等相似準則。水槽物理實驗中單體魚礁尺寸的縮放和流速設定等應遵循Froude相似準則或雷諾相似準則。5.2物理水槽模型流場效應評估與驗證物理水槽模型在滿足上述準則的前提下,可直接用于評估單體魚礁或單位魚礁的流場效應,也可用于驗證基于計算流體力學的數值水槽模型模擬結果的精確度。6評估指標與方法6.1上升流區范圍及評估指標不同強度上升流區范圍分別為垂向(≈軸)分速度大于來流速度5%、10%或20%的區域,上升流區體積即是不同強度上升流區所占的空間體積。6.1.2上升流區評估指標及計算方法上升流區評估指標的計算方法有比礁高法、比空方法和比材料體積法,可選用如下指標評估:a)上升流區高度與礁體高度或單位魚礁外廓線高度之比;b)上升流區體積與礁體高度或單位魚礁外廓線高度之比;c)上升流區高度與單體魚礁或單位魚礁體積之比;d)上升流區體積與單體魚礁或單位魚礁體積之比;e)上升流區高度與單體魚礁或單位魚礁材料體積用量之比;f)上升流區體積與單體魚礁或單位魚礁材料體積用量之比。透水性人工魚礁上升流區體積指標應至少為同體積、同外觀造型實體礁上升流區體積指標值的20%以上。6.2背渦流區范圍及評估指標不同強度背渦流區范圍分別為水平向(x軸)流速的絕對值小于來流速度40%、60%或80%的區域,背渦流區體積即是不同強度背渦流區所占的空間體積。6.2.2背渦流區評估指標及計算方法背渦流區評估指標的計算方法有比礁高法、比空方法和比材料體積法,可選用如下指標評估:a)背渦流區高度與礁體高度或單位魚礁外廓線高度之比;b)背渦流區體積與礁體高度或單位魚礁外廓線高度之比;c)背渦流區高度與單體魚礁或單位魚礁體積之比;d)背渦流區體積與單體魚礁或單位魚礁體積之比;e)背渦流區高度與單體魚礁或單位魚礁材料體積用量之比;5f)背渦流區體積與單體魚礁或單位魚礁材料體積用量之比。透水性人工魚礁背渦流區體積指標應至少為同體積、同外觀造型實體礁背渦流區體積指標值的60%以上。6.3垂向水體輸運通量評估指標垂向水體輸運通量可用于定量化評估單體魚礁、單位魚礁或人工魚礁區引起的上升流規模。垂向水體輸運通量按附錄B中的公式(B.6)計算得到。7報告編寫參照附錄A編寫人工魚礁流場效應評估報告。8資料和成果歸檔實驗原始資料及成果歸檔按照GB/T12763.2的規定執行。6附錄A(資料性)人工魚礁流場效應評估報告內容人工魚礁流場效應評估報告內容,按照如下要求撰寫:A.1評估目的與意義A.1.1人工魚礁項目建設目的和意義A.1.2人工魚礁流場效應評估目的和意義A.2人工魚礁建設工程概況A.2.1人工魚礁建設海域自然與水動力條件A.2.2人工魚礁建設規模A.2.3單體魚礁設計與單位魚礁A.2.4人工魚礁區布局A.3人工魚礁流場效應數值模擬A.3.1控制方程A.3.2計算域及網格剖分A.3.3數值模型設置與驗證A.3.4數據處理方法A.4評估方法與指標A.4.1上升流評估方法與指標A.4.2背渦流評估方法與指標A.4.3垂向水體輸運通量評估指標A.5人工魚礁流場效應評估結果A.5.1流場效應單項指標分析A.5.2流場效應綜合評估A.5.2.1單體魚礁流場效應綜合評估(必做)A.5.2.2單位魚礁流場效應綜合評估(必做)A.5.2.3人工魚礁區流場效應綜合評估(必做)A.6結論A.6.1人工魚礁流場效應評估結論A.6.2建議7附錄B(資料性)人工魚礁流場效應評估報告公式B.1.1單體魚礁或單位魚礁引起的動態功率損耗值按公式(B.1)計算得到單體魚礁或單位魚礁引起的動態功率損耗值。Pext=…………………式中:Pext—單體魚礁或單位魚礁動態功率損耗值,單位為千克平方米每立方秒(kgm2/s3);P—水流密度,單位為千克每立方米(kg/m3);A—計算域網格面積,單位為平方米(m2);usteady—單體魚礁或單位魚礁迎流側穩定的流速值,單位為米每秒(m/s);umin—單體魚礁或單位魚礁背流側最小的流速值,單位為米每秒(m/s)。按公式(B.2)計算得到單體魚礁或單位魚礁受力。Fx=—…………式中:Fx—單體魚礁或單位魚礁迎流側所受的阻力,單位為千克米每平方秒(kgm/s2);u—來流速度,單位為米每秒(m/s)。B.1.3單體魚礁或單位魚礁的阻流系數按公式(B.3)測算得到單體魚礁或單位魚礁的阻流系數?！街?cd—單體魚礁或單位魚礁的阻流系數;Fx—單體魚礁或單位魚礁迎流側所受的阻力,單位為千克米每平方秒(kgm/s2);P—水流密度,單位為千克每立方米(kg/m3);A—計算域網格面積,單位為平方米(m2);u—來流速度,單位為米每秒(m/s)。B.2人工魚礁區流場效應評估人工魚礁區流場效應評估通過測算礁體在水