海洋技术▏浅海海域海洋牧场人工鱼礁区地质调查方法综述
目前，人工鱼礁建设的科学性合理性逐渐成为海洋牧场科学研究及生产工作中的重点研究内容。本研究根据海洋牧场人工鱼礁建设的发展现状，在海洋区域地质调查技术基础上，根据海洋牧场人工鱼礁区的技术需求，总结并探讨了海洋牧场人工鱼礁调查方法，提出一套适用于浅海海域人工鱼礁的地质调查方法，并对下一步研究提出方向。
人工鱼礁区地质调查目前主要应用于人工鱼礁的选型、投放位置的选取及投放布局设计。人工鱼礁建设是海洋牧场建设工作中的重中之重。《人工鱼礁建设技术规范》等重要规范标准技术文件中明确提出，人工鱼礁建设应科学合理进行规划设计，结合地质等因素进行科学选址。人工鱼礁投放位置的选取，将直接影响到人工鱼礁的使用寿命、淤积程度和功能的有效发挥。根据海域地质条件，合理选择人工鱼礁投放位置，能最大限度的发挥人工鱼礁的生态功能和延长人工鱼礁使用寿命。由于人工鱼礁投放区选址略欠科学性，导致部分人工鱼礁淤积和下陷程度较大，生态功能的发挥也因此受到影响。近海海域地质条件与底质类型较为复杂，对人工鱼礁建设的影响多样，因此，通过对浅海海域海洋牧场地质条件与底质类型的调查方法进行梳理和建议，能够科学有效地指导人工鱼礁选型、投放选址及设计布局，保证人工鱼礁的功能有效发挥。
一、野外调查技术
人工鱼礁建设由地质结构、地形地貌、沉积物粒度组成及物理特性等因素共同影响，因此，海洋牧场地质调查技术可以分为浅地层结构测量、地形地貌测量、沉积物原位测试及柱状样品采集四个方面。
⒈浅地层结构测量
浅地层结构测量指利用单道地震、多道地震及浅地层剖面仪等仪器设备发生的声波等穿过不同的地层时存在界面反射特性来反映沉积物地质属性，能够清晰有效地了解海底浅地层结构、沉积环境和潜在地质灾害等。
浅地层剖面仪设备的剖面深度受到声波强度及海底底质类型的影响较大，其声波不易穿透砂、砾等较坚硬的海底，无法得到精确的地层剖面数据。因此，在泥质海底的海区可使用浅地层剖面仪进行探测，在砾石、砂土等海域，推荐使用单道地震或多道地震进行探测。
在工作期间使用浅地层剖面设备，利用GPS实时定位，按照预先布置的测线进行走行测量，通过发射单元和接收单元在水下进行发射、接收和转换，将声波转变成电信号传输到主机中。主机对电信号进行滤波及增益等数据处理后，通过算法等处理措施将地层剖面声学特征输出，显示在数据采集软件中（图1）。
图1 浅地层剖面数据效果图
⒉地形地貌测量
侧扫声呐根据海底底质的不同，会产生区强弱不同的信号反射，因此，利用侧扫声呐反射回波的强弱可以快速对底质类型和边界进行划分。将侧扫声呐与浅地层剖面仪相结合，同时对海底表面沉积进行探测，可精确有效地进行底质分类。
常规的侧扫声呐装置主要由数据采集软件（显示端）和记录单元、数据传输和拖曳电缆、水下声波发射和接收换能器组成。其探测原理是利用海底表面物质背散射特征的差异来判断目标物的沉积属性或形态特征。侧扫声呐作业时向两侧发送声波波束，可以覆盖海底大面积区域，通常单侧每个条带探测宽度可以达到数十米到数百米，然后接收海底返回的背散射数据对海底进行成像。
⒊沉积物原位测试
静力触探试验（CPT）是目前在工程地质勘察中应用最为广泛且最先进的原位测试方法。通过测定孔隙水压力、锥尖阻力和侧壁摩擦力及其随深度的变化曲线，现场计算求得地层物理力学参数，能够得到海底沉积物的特性，用于人工鱼礁选址分析。
静力触探装置一般包括贯入设备、探头和量测记录仪器三部分。普遍使用方法是以恒定的速率通过贯入方式将触探探头和触探杆贯入到海底地层中，量测记录仪器实时记录各传感器的数值，并通过公式人工计算承载力等。
⒋柱状沉积物样品采集
由于浅海海域水深、海流、地质等条件影响，人工鱼礁规格多采用中、小型人工鱼礁（体积小于27m3），因此，地质条件对于人工鱼礁的影响主要来自于表层沉积物。在工程地质领域，国内普遍采用钻探的方式撷取沉积物柱状样品，一般能够达到上百米甚至千米。出于样品采集深度的考虑，在浅海海域海洋牧场人工鱼礁区内可采用蚌式抓斗采泥器、重力柱状取样器及箱式取样器采集表层沉积物样品。取得的样品进行室内实验分析，与静力触探数据相互修正，得到准确的沉积物物理力学特性和粒度组成，用于人工鱼礁选址分析及建设工程设计。
二、室内分析技术
沉积物的性质影响人工鱼礁的投放效果，不同底质类型和承载力对人工鱼礁在海底状态的影响具有较大差异。因此，沉积物界外采集结束后，应以最短的时间在实验室对样品进行分析，并根据分析数据取得沉积物基本性质、分布情况并计算承载力，最后根据以上因素进行人工鱼礁选址及设计工作。
⒈柱状沉积物样品实验分析
将取样器采集到的样品在现场及工程地质实验室进行物理力学特性测试及粒度分析。测试项目及分析内容主要包括含水率、重度、孔隙率、黏着力、十字板剪切强度、贯入强度、界限含水率、抗压强度、抗剪强度和粒度组成等。主要用于分析沉积物性质，以通过计算海底表面承载力，判断人工鱼礁可投放区域及设计礁型。
⒉海底表面承载力的确定
海底表面承载力是指海底表面对于人工鱼礁的承载能力，此数值有助于人工鱼礁选址、礁型设计及投放布局，是海洋牧场人工鱼礁区地质调查中不可或缺的一项技术工作。确定海底表面承载力的方法包括原位试验（静力触探）法、公式计算法、查表法及经验数值法共四种。一般我们采用前三种方法确定承载力的数值。
⑴原位试验法
为了利用静力触探确定承载力，国内外目前普遍根据对比试验结果提出经验公式。建立经验公式的途径主要是将静力触探试验结果与荷载试验求得的比例界限值进行对比，并通过对对比数据的相关分析得到用于特定土性的经验公式。
⑵公式计算法
承载力数值是根据《建筑地基基础设计规范》（GBJ7-89）中应用的TERZAGHI和VESIC公式计算求得。
fv＝Mbrb＋Mdrod＋Mcck ⑴
式中: fv为由土和抗剪强度确定的地基承载力设计值；Mb、Md、Mc为承载力系数；B为基础底面宽度，大于6m，按6m考虑，小于3m，按3m考虑；d为地基埋置深度；r、ro为地基以下土的容重和地基以上土的加权平均容重；ck为基础底下1倍基础宽度内土的粘聚力。该计算公式考虑到基础形状、荷载等因素的影响，比较适用于人工鱼礁承载力条件的计算。
⑶查表法
目前，一般按照《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011和《港口工程地基规范》JTS147-1-2010中的要求，查表后还需与原位试验等方法确定的承载力进行对比修正。
地质条件对于人工鱼礁投放选址影响分析，利用浅地层剖面资料分析地质结构及海底不良地质作用，选取地质结构和条件适宜的区域投放人工鱼礁。根据沉积物样品的粒度组成，选取底质类型适宜的海域投放人工鱼礁。有研究表明，为了避免鱼礁投放后由于底质太软而沉入海底，海底最好是表层有泥沙的硬质底质，且表面泥沙深度较小。
根据三种方法得到的承载力数值，选取承载能力较强的区域投放人工鱼礁，并按照海底承载能力进行人工鱼礁的投放布局设计。
三、结论与探讨
通过分析现有的地质调查手段，结合海洋牧场人工鱼礁建设特点和需求，得出调查方法如下：在野外海域利用浅地层剖面仪和侧扫声呐探测海域浅地层结构、地形地貌和底质类型；利用静力触探设备和沉积物样品采集器进行原位试验和采集沉积物柱状样品。在室内对沉积物样品进行粒度分析及物理力学特性测试，并计算承载力。此方法便于操作与分析，数据可信，可作为适用于浅海地区海洋牧场人工鱼礁区的地质调查方法，用于人工鱼礁建设的实际工作与科学研究。海洋牧场地质调查技术组成如图2所示。
图2 海洋牧场地质调查技术组成
地质条件对于人工鱼礁影响的研究目前主要集中在投放区的选址问题上，对于投放布局和礁型设计的研究相对较少。事实上，地质条件不仅影响投放位置的选择，还影响礁体的投放布局和摆放方式。下一步研究应着眼于海域地质结构及承载力对于人工鱼礁投放布局和礁体结构设计的影响。
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【作者简介】文/刘崇焕 程前，分别来自大连海洋大学和大连市现代海洋牧场研究院。文章来自《中国水产》（2020年第4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，转载也请注明由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑与整理。