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新型人工鱼礁材料节能减排效果的初步研究

杨倩+袁榕+杨军+马成龙+于佳禾
摘要：我国渔业资源日益衰退，海洋污染不断扩大，新型人工鱼礁材料的研发将成为修复和优化海域生态环境，建设节能减排、可持续发展海洋牧场的关键要素。探索人工鱼礁新材料节能减排效果将有助于节约建设成本，实现经济效益最大化，科学评估鱼礁区建设效果以及节约建设成本。
通过分析人工鱼礁的制造组分，运用CO2排放量计算关系式：Q=（E×A-B）×R×44/12，对其不同条件下的碳排放量进行对比计算，探讨了不同礁型、材质下的人工鱼礁所产生的碳排放量。
关键词：人工鱼礁材料；节能减排；生态环境；经济可持续
一、研究背景
（一）渔业发展现状
近年来，渔业捕捞强度逐渐增加，海洋污染范围不断扩大。我国海洋渔业资源的衰退现象日益严重，尤其是近海的渔业资源更是匮乏。海水养殖业作为对海洋捕捞资源的补充行业，逐渐得到了快速发展。但海水养殖带来的环境、病害及质量安全问题日益凸显，渔业发展中的资源与环境以及由此带来的一系列问题已成为制约我国海洋水产养殖业乃至海洋渔业可持续发展的主要因素之一。
当前主要海洋国家已将战略发展要点转到海洋牧场的开发与研究之中，一些发达国家也对此投入较大的精力。由此可见，海洋牧场的发展已成为当今海洋领域研究的主要趋势。海洋牧场的迅速发展也带动了一个领域——人工鱼礁的设计与制造，对于新型人工鱼礁的节能减排效果进行研究已成为一项重要课题。
（二）海洋牧场的兴起
“海洋牧场”是指在一定海域内，采用规模化渔业设施和系统化管理体制，利用自然的海洋生态环境，将人工放流的经济海洋生物聚集起来，像在陆地放牧牛羊一样，对鱼、虾、贝、藻等海洋资源进行有计划和有目的的海上放养。海洋牧场的相关研究领域主要有音响驯化、鱼礁设计、增殖养殖等。
人工鱼礁是人为在海中设置的构造物，其目的是改善海域生态环境，营造海洋生物栖息的良好环境，为鱼类等提供繁殖、生长、索饵和庇敌的场所，达到保护、增殖和提高渔获量的目的。它的不同形状、材质、重量、体积等都影响着礁体在海底的吸附能力。因此对人工鱼礁形状和材质进行研究就显得尤为重要。
二、人工鱼礁的相关内容
（一）人工鱼礁的外观影响
礁体设计的影响因素主要有礁体的大小、结构的设计以及不同材料的选择。其中，不同材料的比例对鱼礁的生产、运输和使用过程中的碳排放量也有着不同的影响。
1.礁体的大小：
礁体的大小指的是礁体的外形尺寸，主要是宽和高，其取决于水深、流速和水深及鱼种。随着鱼礁的事业的发展，礁体大小发生了很大的变化。由简单到组合，由小型到大型。因此，礁体的大小和设计要考虑到礁体投放的稳定性，礁体建造技术的复杂性，投放的难以程度，并兼顾经济效益，力求达到集鱼效果好、施工简单、投放方便并且成本低廉。
2.礁体结构的设计：
日本学者曾对人工鱼礁的结构进行系统的研究，主要设计了对角型、圆筒形、四角形鱼礁单体模型。通过实验，我们可以定量的分析礁体周围流体的变化、生物因素以及空间因素的影响范围。
3.礁体材料的选择：
随着人工鱼礁的不断发展，礁体材料的选择是目前的研究热点，探寻新型的、节能的、价格低廉的理想材料显得尤为重要。通过实验发现，混凝土是比较理想的构筑材料。其强度高、副作用低、结实耐用、成本低廉来源方便，所以在国内被广泛应用于人工鱼礁的的制造。人工鱼礁制造常使用的等级是C20，它的配合比为：0.47：1：1.342：3.129，即水泥、沙子、石子配比约等于1：1：3。
（二）鱼礁制造材料的实验分析
1、混凝土鱼礁使用的主要材料
（1） 混凝土：
主要由水泥、矿物外掺剂、砂、石以及外加剂组成。水泥和矿物外加剂作为胶结材料，起着将砂石胶结并形成强度的作用。其中硅酸三钙是主要胶结材料。其等级为C2O，水泥、沙子、石子配比约等于1：1：3。
（2）煤粉灰：
它的主要作用在于改善混凝土的流动性和黏聚性，本身没有强度。在实验过程中，我们通过调整它在混凝土的含量，将其作为唯一变量，探究不同条件下礁体的碳排放量。
（3）贝壳粉：
贝壳粉虽然有一定强度，但是相对于煤粉灰而言粘合度较低。它具有低能耗、易获得、成本低等优点，它主要作用是在于混凝土的后期强度的增长。
（4）外加剂：
外加剂的作用很多，保证混凝土强度，改善混凝土的和易性、耐久性、施工性，是混凝土中必不可少的材料之一。
（5）水泥：
作为常见的建筑材料，水泥在生产和运输过程中的碳排放量是比较大的。其在人工鱼礁材料中主要是起到改善混凝土黏聚性的作用。
2.實验思路
①实验思路：在正常C20配比强度下，用贝壳粉（需提前做成分分析）来改变水泥的添加量，替换水泥的量为0%、10%、15%、20%、25%、30%。测试指标玄武岩纤维无捻粗纱一样，并做海底生物指标测试。
②实验思路：在正常C20配比强度下，用粉煤灰来改变水泥的添加量，替换水泥的量为0%、10%、20%、30%、40%、50%。对应着做海水浸泡检测和生物指标测试。
3.实验结果及碳排放量的计算
通过实验发现，在人工鱼礁的制造过程中，它的强度等级采用混凝土C20，水泥、沙子、石子配比约等于1：1：3。
按照单个鱼礁重2.37吨计算，水泥熟料的CO2排放因子为0.86，单个传统鱼礁CO2排放量约2.04吨。使用贝壳粉、粉煤灰等新材料调整鱼礁材料配比，通过改变水泥含量，在不改变甚至加强混凝土强度的前提下显著降低碳排放量，达到节能减排的效果。
三、探寻新型人工鱼礁材料的重要意义
1.环保意义
①人工鱼礁建设可有效增加浮游植物的密度和生物量，提高海区的初级生产力；进行低碳、环保型礁体材料的研制，将通过降低人工鱼礁制造过程中的碳排放量，在一定程度上扩大人工鱼礁生态系统固碳的范围，实现礁体本身的固碳作用。
②保护海域水质和底质，实现生态修复。通过海洋牧场建设，建立健康的近海生态系统，可对海洋水质和底质起到有效的调控和修复作用。
2.经济意义
①经济成本较低。由于新型人工鱼礁建造成本低，取材容易，并且其化学成分使其在海水中的性能稳定，具有很强的耐腐蚀功能，而且易被生物附着，可使水域中生物种类和生物量快速增长。
②人工鱼礁在海底会形成一个较适宜鱼类生存的生态环境，此种方式具有养殖成本低，成品品质优良等特点，经济效益较高。
③新型人工鱼礁材料的研究不仅会降低碳排放量，减少能耗，在材料的选材中还会使得企业减少高造价原料的使用，降低生产成本，有利于经济的可持续发展。
参考文献：
[1]田涛，陈勇，陈辰，刘永虎，陈雷，王刚，张晓芳.獐子岛海洋牧场海域人工鱼礁区投礁前的生态环境调查与评估[J].大连海洋大学学报endprint

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