萊州灣芙蓉島西側人工魚礁建設對周邊海域潮流場和水交換的影響研究

岳英潔，賀志鵬，冷 星，于 冬

（1.山東省淡水漁業研究院，濟南 250013；2.山東省海洋工程咨詢協會，濟南 250013；3.中國海洋大學海洋地球科學學院，山東青島 266100）

近幾十年來，近海漁業資源衰退嚴重，采取適度投放人工魚礁、增殖放流等漁業資源養護措施具有重要意義［1-2］。人工魚礁是經科學論證后投放在海底的透水構筑物，礁體表面可供海藻附著生長，礁體本身有一定的集魚效應，還可以避免使用拖網等非法漁具進行捕撈，對漁業資源起到保護作用。但人工魚礁建設一定程度上會改變原有海域的自然屬性，除了對底質造成直接影響外，人工魚礁礁體與波浪、潮流、海流等水動力過程的相互作用對海域的潮流場和水交換也會產生一定影響。在適度進行人工魚礁建設的同時，維持海灣內良好的水交換和排污能力是保障海洋漁業可持續發展的必要條件［3］，也是海洋漁業管理部門制定人工魚礁、增殖放流等漁業資源養護計劃時需重點考慮的因素。

國內外對人工魚礁建設水動力影響的實驗室模擬已有大量研究成果，主要集中在兩個方面：一是建立或優化模型和計算方法；二是對不同形態的魚礁單體或不同數量、不同排列方式構成的魚礁組合進行物理模擬、數學模擬實驗，綜合考慮魚礁建設成本、物理穩定性、環境影響程度等因素，得到某一特定條件下的最優魚礁礁型和礁群組合等［4-9］。另外，礁體投放到海域后，因泥沙沖淤產生下陷、位移、傾覆等現象，部分實驗室模擬研究在海洋水動力模型中還加入了泥沙懸浮與輸運模塊［10-11］。近年來，科研人員開始對人工魚礁投放實際海域后產生的水動力影響開展研究［12-14］，但此類研究成果較少，尤其對海灣等敏感海域的影響研究更是缺乏。

本次研究根據2020年春季對萊州灣東側海域的聲吶探測結果，選取萊州灣內芙蓉島西側的人工魚礁作為研究對象，對其建設前后潮流場進行三維數值模擬計算，分析人工魚礁投放后不同水層潮流場的流速特征和水體交換的變化情況，探討海灣內人工魚礁建設對周邊海域潮流場和水交換產生的影響，以期為科學合理建設人工魚礁、保障海洋漁業可持續發展提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究對象

萊州灣是渤海三大海灣之一，位于渤海南部，以黃河三角洲與渤海灣相隔，屬于次生海灣中的三角洲灣。芙蓉島西側人工魚礁區位于煙臺市萊州市芙蓉島以西6 km的海域，地理坐標為119°43′03.22″～119°43′30.38″E、37°19′04.83″～37°19′54.57″N。2017年開始投礁建設，2018年建設完成，通過吊裝等方式向海底投放單塊礁體大于50 kg的石塊礁形成魚礁區，在石塊礁上營造海藻場，通過人工放流等手段進行立體生態養殖。

1.2 研究方法

1.2.1 魚礁數據采集

本次研究采用美國Klein公司Klein5000V2側掃聲吶對萊州灣內芙蓉島西側海域開展了側掃聲吶探測。根據人工魚礁投放區的最小外邊界范圍，間隔25 m布設測線進行測量，后期進行聲吶資料解譯、水深地形資料潮位改正、聲速改正等。根據測量結果，魚礁區實測投放礁量約9.54×104m3·空，礁體占用海域面積8.67 hm2，據此構建人工魚礁區的數學模型。

1.2.2 研究海域設置

1）計算域設置

本研究建立的海域數學模型計算域范圍為遼寧登沙河、山東雞鳴島兩點以及岸界圍成的北黃海及渤海海域，坐標范圍為37°04′14.22″～40°58′08.25″N、117°29′33.27″～122°41′36.62″E。

2）網格設置

模擬采用非結構三角網格，人工魚礁建設前模擬區域內由42 169個節點和80 516個三角單元組成。人工魚礁建設后模擬區域內由48 813個節點和91 692個三角單元組成。本研究對人工魚礁礁體進行了概化處理，最小網格間距設置約為1.4 m，并對魚礁區附近海域進行局部加密。3）模型水邊界輸入［15］

開邊界：引用遼寧登沙河、中南、中北和山東雞鳴島多年潮位觀測資料調和求得的M2、S2、K1和O14個主要分潮調和常數值輸入計算。

閉邊界：以大海域和周邊岸線作為閉邊界。4）計算時間步長和底床糙率

模型計算時間步長根據CFL條件進行動態調整，確保模型計算穩定進行，最小時間步長0.4 s，底床糙率通過曼寧系數進行控制，曼寧系數n取51～94 m1／3·s-1。

1.2.3 潮流數值模型

本次研究采用Mike21 HD潮流模型［15］分別模擬人工魚礁建設前后的潮流場。該模型由丹麥水力學研究所研制，采用標準Galerkin有限元法進行水平空間離散，采用顯式迎風差分格式離散動量方程與輸運方程。模型采用非結構三角網格剖分計算域，網格設計靈活，可以在任意淺水區和海洋工程所在的重點區域局部加密網格，在模擬彎曲岸線附近海域時有較大優勢，并且具有計算穩定、處理功能強大等諸多優點，已在全球70多個國家得到推廣，近年來在我國被廣泛應用于潮流場數值模擬、水質模擬與預測等方面的研究。

1.2.4 潮流和潮位驗證方法

圖1為潮流和潮位驗證點所在位置。本次研究于2020年5月24日—5月25日在人工魚礁區（C9站位）進行大潮期25 h連續潮流監測。2020年5月23日—5月25日在T2、T3站進行大潮期潮位觀測，兩站位漲、落潮歷時約6 h 30 min，潮汐性質判別指數K均為0.8，屬于不正規半日潮海區。

圖1 驗證點位置Fig.1 Verification point location

將實際潮流和潮位監測結果與模擬計算得到的結果進行對比驗證，根據兩者的吻合情況判定本研究建立的潮流場數值模型計算結果能否較好地反映人工魚礁及其周圍海域潮流和潮位特征，邊界設置是否合理。

1.2.5 水體交換率計算方法［15］

為了分析比較人工魚礁建設前后周邊海域的水體凈化能力，首先假定在萊州灣海域內均勻分布某溶解態保守污染物，原有污染物濃度值為Wc，水邊界入流時給定該污染物在開邊界的濃度為0，計算出不同時刻該污染物濃度值W，進而通過以下公式計算不同時刻被區外海水置換的比率，即水體交換率：

式（1）中，n為水體交換率；Wc為原有的污染物濃度值。W為某一時刻水體中的污染物濃度值。由上式計算n大小變化來說明污染物凈化能力的強弱。本次研究通過計算礁區周邊海域1個月水交換率的變化情況，分析魚礁建設對水交換產生的影響。

2 結果與分析

2.1 數值模擬結果驗證

2.1.1 潮流驗證

根據連續監測結果，C9站位大潮期表層流速為4.00～43.80 cm·s-1，平均流速22.28 cm·s-1；中層流速為3.50～36.83 cm·s-1，平均流速19.02 cm·s-1；底層流速為1.67～25.37 cm·s-1，平均流速13.58 cm·s-1。

圖2為C9站位大潮期實測潮流觀測資料與模擬潮流計算結果的驗證曲線。驗證結果表明，對應觀測點上模擬得到的潮流流速流向與實測潮流基本吻合，本文建立的潮流場數值模型計算結果能較好地反映人工魚礁及其周圍海域潮流運動過程和特征，可以作為芙蓉島西側人工魚礁建設前后潮流場和水交換變化情況預測和評價的基礎。

圖2 潮流驗證曲線Fig.2 Verification curve of tide

2.1.2 潮位驗證

圖3為T2、T3站位實測潮位觀測資料與模擬潮位計算結果的驗證曲線。驗證結果表明，對應觀測點上模擬得到的潮位曲線與實測曲線基本吻合，本次研究建立的數值模型計算結果能較好地反映人工魚礁及其周圍海域潮位特征，數值模型和邊界設置合理。

圖3 潮位驗證曲線Fig.3 Tide level verification curve

2.2 人工魚礁建設對潮流場的影響

2.2.1 漲急時潮流場變化情況

圖4為芙蓉島西側人工魚礁建設后，漲急時刻的表層、中層、底層流速變化情況。從平面范圍來看，由于礁體投放比較雜亂，礁區內部流速變化出現一定程度的紊亂，東西方向各層流速呈增加趨勢、南北方向各層流速呈遞減趨勢；從垂向上看，流速變化底層（水深4.6 m）＞中層（水深3.8 m）＞表層（水深1.5 m），底層流速最大增加量約為8.6 cm·s-1，最大減小量約為4.3 cm·s-1，增加量大于1 cm·s-1的區域距魚礁區的最遠距離為303 m，位于人工魚礁區東南側，減小量大于1 cm·s-1的區域距魚礁區的最遠距離為574 m，位于人工魚礁區南側。

圖4 漲急時流速變化Fig.4 Flow velocity changes during rapid rise

2.2.2 落急時潮流場變化情況

圖5為芙蓉島西側人工魚礁建設后，落急時刻的表層、中層、底層流速變化情況。從平面范圍來看，礁區內部流速變化出現紊亂，礁區及其東西方向各層流速呈增加趨勢、南北方向各層流速多呈遞減趨勢；從垂向來看，流速變化底層（水深4.6 m）＞中層（水深3.8 m）＞表層（水深1.5 m）；底層流速最大增加量約為7.9 cm·s-1，最大減小量約為3.6 cm·s-1，增加量大于1 cm·s-1的區域距魚礁區的最遠距離為271 m，位于人工魚礁區北西側，減小量大于1 cm·s-1的區域距魚礁區的最遠距離為333 m，位于人工魚礁區北側。落急時流速變化趨勢與漲急時基本一致。

圖5 落急時流速變化Fig.5 Flow velocity changes during rapid drop

2.3 人工魚礁建設對水交換的影響

圖6為人工魚礁建設后，局部海域1個月水交換率變化情況。總體上看，人工魚礁局部海域水交換率略有增加，增量約0.1%。其中，西南部增量相對較高，為0.108%，西北部增量相對較低，為0.093%。

圖6 1個月水交換率變化Fig.6 Changes of water exchange rate in one month

3 討論

在人工魚礁建設水動力影響的實驗室模擬方面，前人已取得大量的研究成果。但實驗室采用的魚礁模型多為規則的框架礁，分布設計與實際投放效果也存在一定的差異，并且實驗室研究大部分基于定常流場，沒有考慮實際海域的復雜影響因素。本次研究根據2020年春季對萊州灣芙蓉島西側石塊礁群的聲吶探測結果建立數學模型，潮流和潮位驗證結果表明，本次研究建立的數學模型精度較好，邊界設置合理，可以作為魚礁建設前后潮流場和水交換變化預測和評價的基礎。

萊州灣潮汐主要受黃河口外半日無潮點的影響，潮汐類型屬不規則的混合半日潮，強浪向和常浪向以北向（NE-NW）為主。灣內水動力環境較弱，水深10 m以淺海域的半交換周期為100 d［16］，礁區附近海域1個月水交換率約為12%。本次研究結果表明，芙蓉島西側人工魚礁建設后，由于人工魚礁投放塊石的高度、大小和間距均比較雜亂，導致礁區內部潮流場發生一定程度的紊亂；礁區水平潮流場發生比較明顯的變化，東西向流速呈增加趨勢，南北向流速呈遞減趨勢；縱向上，底層潮流場流速最大變化量達7.9 cm·s-1，明顯大于中層和表層，這一結果與陳鈺祥等［12］和崔恩蘋等［13］分別對廣東惠州東山海人工魚礁區和千里巖島西部人工魚礁區流場形態改變趨勢和影響范圍的研究結果相似，在數值上因礁體本身的形態差異和投放海域環境不同則有所差別。羅文強等［14］研究的海州灣人工魚礁區原始地形存在明顯的海底隆起，魚礁建設后產生大量的上升流和背渦流，垂向流速流向變化比較明顯，水平方向變化不大，而本研究海域底部地勢平緩，所以結果與羅文強等［14］有所不同。魚礁投放后，受狹管作用影響，魚礁周邊和上方的水體流經狹窄處時流速加快，導致水交換率較投放前略有增加，總體增量約0.1%。

根據聲吶測量結果，芙蓉島西側人工魚礁礁體最大高度為3.6 m，該處海域水深約7.6 m，魚礁高度不足水深的1／2，礁體以上和單位礁體之間仍可以透水，因此對海域自然屬性的影響主要在于改變了海底的地形地貌，對潮流場和水交換造成的影響只限于局部海域。研究結果表明，流速變化量大于1 cm·s-1的區域集中在礁區周邊600 m范圍內，對礁區外的影響很小，這與其他實際海域投放人工魚礁的研究結果［12-14］一致。但本次研究是對海灣內1處人工魚礁進行數值模擬得到的結果，如果在灣內建設多處人工魚礁，造成的水動力影響會產生疊加效應。萊州灣老黃河口-刁龍嘴連線附近海域為萊州灣南、北部的水交換通道，在此大規模建設人工魚礁會對南北海域的水交換產生一定影響，建議在該區域新建人工魚礁項目前應進行充分論證，必要時開展潮流場和水交換影響專題研究。

4 小結

本文在側掃聲吶探測數據基礎上進行數學建模，評估了在水動力環境偏弱的海灣內建設人工魚礁對周邊海域潮流場和水交換產生的影響。研究結果表明，萊州灣芙蓉島西側人工魚礁的建設改變了礁區附近局部海域的潮流場和水交換，礁區潮流場東西向流速呈增加趨勢，南北向流速呈遞減趨勢，因實際投放效果造成魚礁區內部潮流場紊亂，礁區底層流速變化大于中、上層，水交換率較投放前略有增加；同時，人工魚礁投放后，只改變了礁區局部海域的水動力環境，對海灣內其他區域沒有影響，不會影響海灣的水動力環境和海域使用功能。