湖泊中围网对波浪衰减作用的观测与计算方法
【专利摘要】本发明提供一种湖泊中围网对波浪衰减作用的观测与计算方法，使用2个气象观测仪和1个波浪仪同步观测，并基于风速、风向同步观测数据，建立围网对风速衰减率随风速大小变化的定量关系；再利用波浪观测数据对SMB模式的计算结果进行误差分析；以及利用SMB模式计算围网对波高、波周期的衰减率。该方法针对浅水湖泊围网的减风阻流特征，采取原位观测与模型计算相结合的方法，能够定量评估围网的消浪作用，有利于科学指导退渔还湖和养殖规模管理。
【专利说明】
湖泊中围网对波浪衰减作用的观测与计算方法
技术领域
[0001] 本发明涉及湖泊生态修复与湖泊养殖管理技术领域，具体而言涉及一种湖泊中围 网对波浪衰减作用的观测与计算方法。
【背景技术】
[0002] 网围养殖是浅水湖泊渔业的一种重要养殖方式，我国水域面积大于lkm2的湖泊有 2700多个，其中约三分之二为浅水湖泊，而这些湖泊中，诸如太湖、洪泽湖、巢湖、滇池、洪 湖、南四湖、隔湖、阳澄湖、骆马湖、高邮湖、抚仙湖、白洋淀、长荡湖、梁子湖、洱海、乌梁素海 等湖泊均报道存在不同规模的网围养殖。国外湖泊中网围养殖在也是一种常见的养殖方 式，诸如非洲Malawi湖、北美Huron湖、日本Kasumigaura湖、亚马逊平原湖泊等。然而，随着 围网规模及强度的增加，其对环境的影响也被广泛关注，研究结果表明高强度网围养殖引 起入湖氮、磷负荷增加，造成养殖区沉积速率加快、生物多样性降低、水生植物种类趋于单 一化等，一定程度上对湖泊生态系统造成了破坏，加剧了湖泊的富营养化进程。
[0003] 针对网围养殖对湖泊水环境带来的负面影响，渔业管理部门对围网加强管理，并 对养殖强度过高的湖泊进行围网拆除，实施退渔还湖工程。大面积围网的存在起到了减风 阻流的作用，围网拆除之后必然对湖泊水动力环境造成一定的影响，而水动力作用影响着 泥沙运动、光学的吸收衰减、营养盐输移等关键物理、化学、生物过程，因此需要科学评估围 网拆除或规模发生变化对水动力尤其是波浪强度的影响。
[0004] 在湖泊中围网的阻流作用目前尚未查阅到相关报道，而在海洋渔业中，养殖网箱 在水流及波浪作用下的受力及运动特性开展了较多的研究。Gui et al (2006)利用CCD影像 技术研究养殖网箱在海流与波浪作用下的运动特征;Zhao et al (2007b)利用三维网箱变 形模型研究了菱形、方形网孔的重力网箱在不同流速作用下的变形及受力特征，发现在海 流作用下菱形网孔的网箱比方形网孔更易于变形，但随着流速增大两者之间差异缩小；桂 福坤等(2007)通过物理模型试验研究了波浪条件下底圈重力式网箱锚绳受力特性;Moe et al(2010)建立了一种网箱结构分析方法，并利用有限元法计算了不同流速作用下网箱张量 强度的分布特征;还有其他一些利用数学模型研究波浪、海流作用下网箱受力强度、运动特 征及其与网箱结构关系的相关成果（Tsukrov I et al.，2003;Fredriksson et al.，2005; Zhao et al.，2007a;Huang et al.，2008;Lee et al.，2008;黄小华等，2009;Decew et al. ,2010)。海洋网箱对于水动力的影响于近几年开始受到学者关注，Fredriksson et al (2003)在研究结果中提出今后的研究需要关注网箱对流场的影响，并在物理试验中发现网 箱内流场存在空间差异性。Fredriksson et al(2007)研究大型网箱（220mX275m)在波流 作用下受力时，考虑了网箱对水流的衰减作用，通过在现场网箱内、外布设声学多普勒流速 剖面仪研究了网箱有/无附着污染物条件下对流速的影响，在此基础上结合数学模型对网 箱张力分布就行了模拟分析。我国学者也开始关注海洋网箱对水动力环境的影响，Zhao et al(2007b)在研究结果提出今后进行网箱在波流作用下的水动力特性时，需考虑其自身对 流场的影响。
[0005] 因海洋与浅水湖泊水动力环境特点存在显著差异，且海洋重力网箱与浅水湖泊围 网在结构上不同，海洋研究方法及成果能否直接应用于浅水湖泊围网有待于进一步研究。 另一方面，海洋网箱研究的目标主要集中在网箱的受力特征，而在浅水湖泊中，围网造成水 动力变化所引起的环境效应更为突出，因此需要开展针对性的研究，寻求一种科学的观测、 计算方法。
【发明内容】
[0006] 本发明旨在提供一种湖泊中围网对波浪衰减作用的观测与计算方法，针对浅水湖 泊围网的减风阻流特征，采取原位观测与模型计算相结合的方法，能够定量评估围网的消 浪作用，有利于科学指导退渔还湖和养殖规模管理。
[0007] 本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有 利的方式发展独立权利要求的技术特征。
[0008] 为达成上述目的，本发明提出一种湖泊中围网对波浪衰减作用的观测与计算方 法，包括：
[0009] 提供2个气象观测仪，依主导风向分别布设于围网外侧的上风向和下风向，并固定 在湖底上与围网的上沿平行，观测风速、风向数据；
[0010]提供1个波浪仪，与下风向气象观测仪布设于相同位置的湖底处，并与气象观测仪 进行同步观测；
[0011] 基于风速、风向同步观测数据，建立围网对风速衰减率随风速大小变化的定量关 系；
[0012] 利用波浪观测数据对SMB模式计算结果进行误差分析；以及 [0013 ]利用SMB模式计算经过围网对波高、波周期的衰减率。
[0014] 由以上本发明的技术方案可知，根据本发明实施例的湖泊中围网对波浪衰减作用 的观测与计算方法，具有计算方法成熟可靠，现场风速与波浪观测方法简单、易于操作等优 点，可以定量计算围网对波浪的衰减作用，科学评估湖泊围网面积扩增或缩减对波浪的影 响。
[0015] 应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这 样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保 护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
[0016] 结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实 施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面 的描述中显见，或通过根据本发明教导的【具体实施方式】的实践中得知。
【附图说明】
[0017] 附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组 成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。 现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
[0018] 图1是根据本发明实施例的湖泊中围网对波浪衰减作用的观测与计算的观测原理 示意图。
[0019] 图2是根据本发明实施例的湖泊中围网对波浪衰减作用的观测与计算方法的仪器 布置示意图。
【具体实施方式】
[0020] 为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
[0021] 在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。 本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实 施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实 施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一 些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
[0022] 下面参考图1和图2描述根据本发明实施例的湖泊中围网对波浪衰减作用的观测 与计算方法，该方法包括:提供2个气象观测仪，依主导风向分别布设于围网外侧的上风向 和下风向，并固定在湖底上与围网的上沿平行，观测风速、风向数据;提供1个波浪仪，与气 象观测仪布设于相同位置的湖底处，并与气象观测仪进行同步观测;基于风速、风向同步观 测数据，建立围网对风速衰减率随风速大小变化的定量关系;利用波浪观测数据对SMB模式 计算结果进行误差分析；以及利用SMB模式计算经围网衰减后的有效波的波高和波周期，并 与围网衰减前的波高、波周期进行对比分析，获取围网对波高和波周期的衰减率。
[0023]如图1和图2所示，根据本发明实施例的湖泊中围网对波浪衰减作用的观测与计算 方法中，对围网1的观测过程需要配置2个气象观测仪2(1)以及2(2)、1个波浪仪3,其中波浪 仪3放置于湖底6处，气象观测仪通过镀锌管7固定在湖底6上并与围网1上沿平行。
[0024]依据盛行风向4将气象观测仪分别布放于围网1外侧的上风向和下风向，波浪仪3 与下风向的气象观测仪布设于相同位置的湖底处，并与气象观测仪进行同步观测。
[0025]图1、图2中，标号4表不盛行风向，标号5表不湖面，标号6表不湖底。
[0026] 气象观测仪的观测频率设定为1次/分钟。
[0027] 将波浪仪3波面记录的时间间隔设置为0.125s，单个波浪过程样本的采集时间为 20分钟。
[0028] 结合图1、2，配置好前述的气象观测仪和波浪仪3之后，本发明的观测与计算方法 还包括基于风速、风向同步观测数据建立围网对风速衰减率随风速大小变化的定量关系， 利用波浪观测数据对SMB模式计算结果进行误差分析，以及利用SMB模式计算经过围网衰减 后的有效波的波高和波周期，对波高、波周期的衰减率。
[0029] 基于2(1)和2(2)的风速、风向同步观测数据，建立围网对风速衰减率随风速大小 变化的定量关系，本例中，该围网对风速衰减率随风速大小变化的定量关系表达如下:y = (1·437χ+10·312)/100,式中y为衰减率（％)，x为风速(m/s)。
[0030] 然后，利用SMB模式计算有效波的波高和波周期，具体包括：
[0031] 根据气象观测仪2(1)的观测结果按下式分别计算围网衰减前的有效波的波高和 波周期：
[0032]
[0033]
[0034] 式中，Hsl和Tsl分别代表围网衰减前的有效波的波高及波周期，Wi为气象观测仪2 (1)记录的风速，X为风区长度，D为观测点水深，g为重力加速度，π为圆周率。
[0035]根据围网对风速衰减率线性公式按下式分别计算围网衰减后的有效波高和波周 期：
[0036]
[0037]
[0038]
[0039] 式中，Hs2和TS2分别代表围网衰减后的有效波的波高及波周期，12为经过围网衰减 后的风速，Wi为气象观测仪2(1)记录的风速，X为风区长度，D为观测点水深，g为重力加速 度，31为圆周率。
[0040] 根据波浪仪3的同步观测的有效波的波高和波周期，与SMB计算的Hs2和TS2进行误 差分析，分别按下式进行偏差(Bias)及Scatter index(SI)分析。
[0041]
[0042]
[0043 ]式中Si为SMB计算的第i组观测值，0i为对应的同期实测值。
[0044]根据下式计算围网对波高、波周期的衰减率Rh和Rt，即为围网消浪作用的定量化表
不。
[0045]
[0046]
[0047] 根据本发明实施例的湖泊中围网对波浪衰减作用的观测与计算方法具有以下优 占.
[0048] (1)计算方法成熟可靠；
[0049] (2)气象观测仪2和波浪仪3的布设方法简单，易于操作
[0050] (3)可以定量计算围网对波浪的衰减作用；
[0051] (4)适用于湖泊围网面积扩增或缩减对波浪的影响评估计算。
[0052]虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技 术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因 此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
【主权项】
1. 一种湖泊中围网对波浪衰减作用的观测与计算方法，其特征在于，该方法包括： 提供2个气象观测仪，依主导风向分别布设于围网外侧的上风向和下风向，并固定在湖 底上与围网的上沿平行，观测风速、风向数据； 提供1个波浪仪，与下风向气象观测仪布设于相同位置的湖底处，并与气象观测仪进行 同步观测； 基于风速、风向同步观测数据，建立围网对风速衰减率随风速大小变化的定量关系； 利用波浪仪的波浪观测数据对SMB模式计算结果进行误差分析；W及 利用SMB模式计算经过围网对波高、波周期的衰减率。2. 根据权利要求1所述的湖泊中围网对波浪衰减作用的观测与计算方法，其特征在于， 前述方法更加包含:设定所述气象观测仪的测频率设定为1次/分钟。3. 根据权利要求1所述的湖泊中围网对波浪衰减作用的观测与计算方法，其特征在于， 前述方法更加包含:设定所述波浪仪的波面记录的时间间隔为0.125s，单个波浪过程样本 的采集时间为20分钟。4. 根据权利要求1所述的湖泊中围网对波浪衰减作用的观测与计算方法，其特征在于， 所述围网对风速衰减率随风速大小变化的定量关系表达为:y = (1.437X+10.312)/100，式 中y为衰减率，单位为％，x为风速，单位为m/s。5. 根据权利要求1所述的湖泊中围网对波浪衰减作用的观测与计算方法，其特征在于， 围网衰减前的波高和波周期根据下式计算：式中，Hsi和Tsi分别代表围网衰减前的有效波的波高及波周期，Wi为气象观测仪记录的 风速，X为风区长度，D为观测点水深，g为重力加速度，:π为圆周率。 经过围网衰减后的有效波高和波周期按下式计算：式中，出2和TS2分别代表围网衰减后的有效波的波高及波周期，W2为经过围网衰减后的 风速，为气象观测仪记录的风速，X为风区长度，D为观测点水深，g为重力加速度，π为圆周 率。6. 根据权利要求5所述的湖泊中围网对波浪衰减作用的观测与计算方法，其特征在于， 基于波浪仪同步观测的有效波的波高和波周期，与SMB计算的出2和Ts2进行误差分析，分别 按下式进行偏差Bias及SI分析：式中Si为SMB计算的第i组观测值，0功对应的同期实测值。7. 根据权利要求6所述的湖泊中围网对波浪衰减作用的观测与计算方法，其特征在于， 围网对波高畑、波周期RT衰减率的获取过程如下：
【文档编号】G06F19/00GK105973208SQ201610304704
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】朱金格, 胡维平
【申请人】中国科学院南京地理与湖泊研究所