海洋技术▏基于侧扫声纳方法的框架式人工鱼礁测量

佟飞等溪流之海洋人生 2023-05-07

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人工鱼礁是为了改善水域生态、营造良好的水域生物栖息环境，在水体中设置的构造物，为鱼类等提供繁殖、生长、索饵和庇敌的场所，起到良好的保护、增殖和提高渔获量的效果，目前人工鱼礁已在潜水观光、生态系统修复、控制违法捕捞作业方式等方面取得了良好的应用。虽然在人工鱼礁的设计时已考虑了防沉降、防倾覆等因素，但在建设过程中仍会面临上述问题，影响礁区建设效果。因此在后期建设管理过程中需要对人工鱼礁的沉降、倾覆进行监测，以便于更好地对礁区进行管理。目前对礁体的沉降、倾覆主要通过人工潜水探摸等手段进行评价，但因受制于水体能见度、安全与人力成本等因素，监测范围较小，监测成本高，效率相对低。

侧扫声纳是一种专业海底物体探测声纳，以其高精度、高效率、高分辨率、海底微地形地貌直接成像的特点，为海底探测提供直观完整的海底声学图像，从而获得海底形态，并对海底的纹理特征进行定性的描述，是当前海洋探测的重要工具之一。国内外已经利用侧扫声纳在人工鱼礁研究领域开展了一系列的研究工作。Li等利用侧扫声纳对人工鱼礁水域底质进行分类，对人工鱼礁水域底质特征进行了监测；Bollinger利用高频侧扫声纳结合取样调查对墨西哥湾人工鱼礁区的渔业资源进行了初步评估；Brown和Collier利用高频侧扫声纳研究了苏格兰西海岸人工鱼礁底质特征、栖息地特征与声学散射等的关联；沈蔚等应用侧扫声呐系统开展了人工鱼礁建设区域海底底质分类，对建设过程中的鱼礁状态进行了评估；刘永虎等应用侧扫声纳系统估算了石料人工鱼礁堆的体积。目前利用侧扫声纳技术提取礁高、沉降率与礁体布局等参数评估人工鱼礁工程质量建设的研究尚不多见，本研究利用侧扫声纳技术对南方一处资源保护型人工鱼礁区进行勘测，以期通过该方式对已建礁体的沉降与布局等进行评估，为人工鱼礁的防沉降设计、投放方法和工艺以及后期监测评估等提供基础数据与科学依据。

一、材料与方法

⒈仪器与调查方法

本研究于2017年4月采用侧扫声纳进行礁区数据采集，采集量程为75m，自动时变增益，导航定位系统采用差分GPS系统(天宝SPS351，天宝，中国)。调查海区位于北部湾海区(图1)，平均水深为20m，礁区潮流以NNE (北北东) 向为主，涨潮最大流速为0.4～0.6m/s，表层为淤泥质底。调查船只租用当地拖网渔船，船速为6km/h，侧扫声纳换能器拖曳于调查船后方14m，距GPS天线约25m，换能器在水下深度由内置压力传感器记录。侧扫声纳实测前进行0.5h的系统测试，以确定最佳测量参数。对定位偏移等进行了修正，并在采集软件中进行归算。本研究侧扫声纳走航共设计15条测线，每条测线长2000m，间距为50m，按照《海洋调查规范》(GB/T 12763—2007)(第8部分：海洋地质地球物理调查)进行。采集的侧扫声纳数据使用SonarWiz5软件进行处理。

图1 勘测区域

⒉调查对象

调查对象为于2016年4月投放的AR1和AR2型钢筋混凝土框架结构鱼礁。其中AR1型和AR2型主框架尺寸分别为3.6m×3.6m×5.5m与3.0m×3.0m×4.0m。调查区域该月份投放的2种鱼礁分别为73与24个。

⒊侧扫声呐海底物体高度测量方法

侧扫声纳平面内的二维尺寸由差分GPS提供的坐标数据和声纳反射时间共同决定，其分别决定了沿测线方向的距离和垂直于测线方向的距离。而目标物的礁体高度亦可通过测量其阴影长度和水深等参数计算。

a.礁体高度测量侧视图；H_t.目标物高度；L_s.礁体阴影长度；H_f.换能器高度；R.斜距；b.礁体高度测量俯视图；L_s1.礁体前部阴影长度；L_s2.礁体中部阴影长度；L_s3.礁体后部阴影长度

图2 侧扫声纳计算人工鱼礁的高度的原理示意图

根据阴影长度计算目标物高度的原理见图2-a，根据相似三角形原理，即可计算得出目标物的高度值，计算公式为：

H_t＝L_sH_f/R ⑴

其中H_t为被测目标物以海底平面为基准的高度；L_s为侧扫声呐回波映像图中阴影长度；H_f为换能器距海底面的高度；R为换能器距物体阴影远端的实际斜距。

对每个侧扫目标物的前、中、后共3个部分进行测定(图2-b)，取3个数值的平均值，以降低对船只摆动等对目标物测量造成的误差，每种礁体随机取15个礁体进行测算。将随机选取礁区内15个AR1型礁体与15个AR2型礁体的侧扫声纳数据代入式⑴，计算礁体高度，对2种礁体沉降度计算结果使用SPSS 23.0进行单因素方差分析(One-Way ANOVA)，P<0.05表示差异显著。

二、结果

本研究共对15个AR1型礁体进行了测量，占投放总数的20.3％，实测高度见图3。AR1 型礁体的设计高度为5.50m，投礁1年后，侧扫声纳采集数据的测算结果表明，礁区内随机测算的15个AR1型礁体的礁体高度为3.74～4.76m，平均为4.44m，最高与最低礁体的礁高相差1.02m，礁体沉降率为13.52%～32.20%，平均为19.20%，其中沉降量小于1m的占53%，沉降量大于1m的占47%。侧扫声纳采集图像数据表明，截至调查时间为止，该种混凝土礁体结构较完整，调查提取图像结果显示有1个礁体倾倒，实际礁体布局与预设梅花型布局有一定偏差。

图3 AR1型礁体礁高

图4 AR2型礁体礁高

本研究测量了15个AR2型礁体(图4)，占投放该类型礁体的62.5%。AR2型礁体的设计高度为4.00m，投礁1年后，侧扫声纳采集数据的测算结果表明，AR2型礁体的礁高为2.57～3.45m，平均为2.85m，最高与最低礁体的礁高相差0.88m，沉降率为13.67%～35.75%，平均为28.66%，其中沉降量小于1m的占27%，沉降量大于1m的占73%。侧扫声纳采集图像数据表明，截至调查时间为止，该种混凝土礁体结构较完整，实际礁体布局与预设布局有一定偏差。

2种礁体沉降度计算结果的单因素方差分析表明，2 种礁体在投放海区的抗沉降能力差异显著(P<0.05)，AR1型礁体抗沉降能力优于AR2型礁体。

三、讨论

人工鱼礁工程建设评价是人工鱼礁建设过程的重要环节，围绕人工鱼礁建设的评价多集中于生态环境修复效果、生态系统服务评价、生态系统健康评价等方面，中国针对人工鱼礁工程建设质量的评价的研究近年才逐渐增多。赵静等利用侧扫声纳勘测了人工鱼礁的分布状态，定量分析了投放误差的特性；沈天跃等利用侧扫声纳勘测数据研究了人工鱼礁实际组合聚类模式，但由于受制于水体能见度等原因，礁体沉降等稳定性定量特性尚未有相关标准与技术支持；本研究尝试利用侧扫声纳对礁体沉降等进行定量评估，为人工鱼礁建设的可靠性和效率性提供了基础数据支持。

研究结果表明，AR1型与AR2型礁体经过1周年都发生了一定的沉降，但沉降量有所差异，可能是由于投放时脱钩时间或本底沉积质条件差异等原因导致。侧扫声纳捕获的图像(图5)直观表明，2种礁体结构皆较完整，可见个别礁体倾倒，通常倾倒的原因可能是由于投礁时投放方式不当，或投放后受海流冲击或起锚、拖网等外部作用力导致。礁体的投放布局与集鱼效果和生态修复保护效果有很大的关系，适宜的布局能产生良好的流场效应，增强集鱼效果和生态修复保护效果。该礁区单位鱼礁内礁体设计为呈梅花状布置，鱼礁单体及单位鱼礁的布置将最大的迎流面垂直于水流方向，使礁区内最大限度地形成紊流，然而实际礁体布局与预设布局有一定偏差，不利于礁区最大化发挥流场效应。

图5 侧扫声纳捕获的礁体布局图

Raineault等研究表明，礁体由于流场效应，礁体后尾流速度增加，可能会导致礁体邻近区域沉积质冲淤，可通过声纳图像的明暗变化来评估礁体邻近区域的冲淤状况，截至调查期间，声纳图像礁体邻近区域未见明暗相间的斑块，数据表明礁体邻近区域未现明显的泥沙沉积，下一步将结合礁区流场数据对礁区冲淤进行预测。较强流场可形成一定的紊流，影响礁区沉积质营养盐的流通与附着生物与悬浮食性群落的生物量，进而通过营养级与食物链影响人工鱼礁区的群落结构，而流速相对平静的水流，是怀卵亲鱼合适的繁育场所，同时也是个体较小的鱼、虾的休憩场所，因此选择合适的流场亦是礁体投放选址的重要考虑因素之一。

2种礁体沉降度计算结果的单因素方差分析表明，2种礁体在投放海区的抗沉降能力差异显著，AR1型礁体表面积为87.99m²，空方量为49.5m³，AR2型礁体表面积为82.0m²，空方量为36.0m³。虽然AR1型礁体质量与体积均大于AR2型礁体，但AR1型礁体抗沉降能力优于AR2型礁体，在底质一定的条件下，人工鱼礁的沉降主要取决于礁体设计与投放阶段，因此AR1型礁体在设计时做了一定防沉降设计，在AR1型礁体底梁向外加宽30cm，在底梁的内侧加设混凝土翼板，并在投放前在底板铺设并固定两层土工布，结果表明该设计增加了礁体底面积，减缓礁体泥沙底质环境的沉降速度，提高了礁体的抗倾抗滑能力。

本研究表明，应用侧扫声纳获取海底礁区状态信息，表现直观、信息量大、作业效率高，可较好地对投放礁体沉降量、稳定性等建设效果进行评估。虽然本研究中由于仪器分辨率与船体摆动等因素影响礁体勘测准确度，但这种方法是可行的，如能结合多波束测深、高频声纳等手段对礁体状态等进行勘察，将进一步减少礁体辨识度的误差。在柔软底质，礁体6～7年才能达到平衡，因此利用侧扫声纳对人工鱼礁的监测也需持续开展，侧扫声纳在礁区的应用还有广阔前景；下一步将利用侧扫声纳结合多波束测深、浅地层剖面仪、潜水等技术手段，在评估底拖网对礁区地貌与礁体结构的影响、礁区海底底质自主分类、鱼礁区藻类生长情况与渔业资源状况评估、礁区流场与礁体结构响应分析等方面进行持续探索，以进一步优化鱼礁工程建设质量和效果的评估方法，为海洋牧场建设提供可靠的数据支撑。

【作者简介】文/佟飞唐振朝贾晓平陈丕茂，来自中国水产科学研究院南海水产研究所、农业部南海渔业资源环境科学观测实验站、广东省渔业生态环境重点实验室和中国水产科学研究院海洋牧场技术重点实验室；本项目为基金项目，中国水产科学研究院南海水产研究所中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助(2016TS16)、深科技创新〔2016〕86号(JCYJ20160331141759795)、国家海洋公益性行业科研专项经费项目(201405020-2)；第一作者佟飞，男，1988年出生，男，硕士，助理研究员，主要从事人工鱼礁与海洋生态学研究；本文来自《南方水产科学》（2018年第1期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有。