生態(tài)礁體布置形式對水流特征的影響

丁 潔，田 鵬，沈雨生

(1.中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120；2.南京水利科學研究院 河流海岸研究所，江蘇 南京 210024)

隨著工程建設中對生態(tài)環(huán)保的重視程度日益提高，水運、水利及海洋工程建設中投入越來越多的生態(tài)、環(huán)境補償措施。生態(tài)礁體是人為設置在海中的結(jié)構(gòu)物，可為魚類等水生生物營造適宜的棲息、生長和繁育場所，具有良好的生態(tài)保育效果。近年，生態(tài)礁體也越來越多地應用到相關(guān)涉水工程建設的生態(tài)修復領域中。

生態(tài)礁體通常以礁群的形式，通過自身結(jié)構(gòu)和布置形成新的水環(huán)境，營造適宜目標生物的棲息地和覓食區(qū)。生態(tài)礁體對周圍物理環(huán)境的改變，尤其是局部流環(huán)境的改變，是礁體發(fā)揮生態(tài)效應的主要表現(xiàn)之一。合理的礁體布置有利于營造好的環(huán)境。對于深水區(qū)礁體，礁體的構(gòu)造設計與布置會使海流形成上升流，將海底有機物和近底層的營養(yǎng)鹽帶到海水中上層，促進各種餌料生物大量繁殖生長，從而誘使各種魚類聚集，形成良好的漁場。目前，人工魚礁技術(shù)較成熟，已通過物理模型試驗、風洞試驗或數(shù)值模擬等方法開展了相關(guān)研究和應用[1-3]。對于以波浪影響為主的淤積型潮間帶環(huán)境，也主要針對堤壩結(jié)構(gòu)的生態(tài)功能開展了相關(guān)研究[4-5]，但還沒有專門針對礁體開展水動力環(huán)境研究和論證的案例。本文主要針對受波浪荷載作用且水流動力環(huán)境相對較弱、工程區(qū)呈微淤形態(tài)的潮間帶區(qū)域開展生態(tài)礁體對水流影響的物理模型試驗研究，并根據(jù)設計生態(tài)需求選取最優(yōu)布置形式。

1 工程概況

1.1 建設要求

某沿海促淤整治工程的建設促進了泥沙淤積、灘面淤漲，潮間帶逐漸趨向于陸域化，水生生物受到一定的影響。根據(jù)工程生態(tài)補償建議，通過投放生態(tài)礁體修復生境。生態(tài)礁體投放位于促淤整治工程南側(cè)堤外坡腳處，根據(jù)對補償對象生物特性的研究，在平常波浪狀態(tài)下，在生態(tài)礁體結(jié)構(gòu)內(nèi)和礁群內(nèi)營造三維流場，生態(tài)礁體區(qū)域場內(nèi)流速0.5～1.0 m∕s，且礁體結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間不能被泥沙淤堵。

1.2 建設條件

1.2.1 水文條件

礁體設計標準為30 a 一遇，結(jié)合礁體布置位置，同步考慮平均高潮位和平均潮位下的波浪作用，見表1。

表1 礁體設計水文條件

1.2.2 灘涂淤積情況

工程區(qū)灘坡平緩、灘域廣闊，灘涂總體為淤漲型潮灘，盡管隨動力、泥沙條件的各種周期變化出現(xiàn)周期性的沖淤變化，但其歷史演變趨勢總體呈現(xiàn)向海淤漲延伸。2013 年6 月—2019 年11 月測圖顯示，促淤整治工程實施后，工程區(qū)周邊淤積效果明顯，淤積幅度大多在0.5～2.0 m；2020 年3 月局部地形測圖數(shù)據(jù)顯示，南側(cè)堤護腳拋石及外側(cè)現(xiàn)狀泥面在0.5～1.2 m，淤積厚度在1.5～2.2 m。

2 生態(tài)礁體設計方案

2.1 礁體結(jié)構(gòu)

礁體結(jié)構(gòu)有兩種形式:Ⅰ型礁體為梯形框架結(jié)構(gòu)，頂板尺寸為0.8 m×0.8 m，開設9 個φ10 cm 的孔洞，底板尺寸為1.37 m×1.37 m，開設9 個φ16 cm的孔洞，底部角點處有4 個高0.4 m 的支腳，總高1.4 m；礁體一組相對的兩個側(cè)面分別設3 個0.6 m×0.1 m 的縱向孔槽，另一側(cè)貫通，單個礁體質(zhì)量1.35 t。Ⅱ型礁體是在Ⅰ型礁體結(jié)構(gòu)基礎上去除了4 個支腳，其他與Ⅰ型結(jié)構(gòu)相同，單個礁體質(zhì)量1.2 t。

圖1 礁體結(jié)構(gòu)

2.2 礁體布置

2.2.1 礁群布置

生態(tài)礁體擬布置于南側(cè)堤外側(cè)坡腳處，呈條帶狀分布，長約961 m、寬約21 m。工程生態(tài)礁群規(guī)模均為16 m×18 m 的矩形，礁群間距為5 m。每個魚礁群由120 個單體生態(tài)礁體組成，單體生態(tài)礁之間緊密布置。

圖2 生態(tài)礁體平面布置(單位:m)

2.2.2 斷面布置

考慮到現(xiàn)狀底部浮泥較厚，為保障礁體的穩(wěn)定性，在現(xiàn)狀灘面上拋填塊石作為礁體安放基床。拋石基床頂高程控制在0.5 m、底寬約18 m(連同原拋石護腳0.5 m 平臺形成約21 m 的拋石基床)。生態(tài)礁體規(guī)則擺放在拋石基床上，從原拋石護腳0.5 m平臺向外側(cè)依次擺放12 塊礁體，礁體頂高程1.5～1.9 m。為滿足礁體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并與堤壩結(jié)構(gòu)有效銜接，考慮采用兩種礁體結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)放置Ⅰ型礁體、外側(cè)放置Ⅱ型礁體，生態(tài)礁體布置見圖3。

圖3 生態(tài)礁體斷面(單位:m)

3 模型設計

3.1 研究內(nèi)容及工況

試驗內(nèi)容為:在設計波要素作用下對生態(tài)礁體區(qū)域流速進行測量和對比分析，比較生態(tài)礁體不同擺放方式對水流環(huán)境的影響。

試驗工況為:生態(tài)礁體擺放采用格柵面迎浪對齊擺放、中空面迎浪對齊擺放和交錯擺放3 種方式。見圖4。

圖4 生態(tài)礁體擺放方式

試驗條件包括:平均水位(1.86 m)及相應的30 a 一遇波浪(不規(guī)則波:H13%＝0.75 m，T＝6.24 s)，平均水位(1.86 m)及相應的平常波浪(不規(guī)則波:H13%＝0.4 m，T＝4.0 s)。

3.2 模型設計

試驗在水槽中進行，采用正態(tài)模型，按重力相似進行模型設計。模型比尺取1∶10。

1)試驗斷面的模擬。試驗中，模型斷面(包括生態(tài)礁體、拋石基床等)與原型保持幾何相似。對于生態(tài)礁體結(jié)構(gòu)，除了與原型保持幾何相似外，還與原型保持質(zhì)量相似。拋石基床塊石經(jīng)嚴格挑選，以保證與原型質(zhì)量相似。

2)生態(tài)礁體結(jié)構(gòu)內(nèi)外流速試驗。為了分析波浪作用下生態(tài)礁體結(jié)構(gòu)內(nèi)外的流速并對比生態(tài)礁體不同擺放方式的效果，采用多普勒流速儀(ADV)測量生態(tài)礁體結(jié)構(gòu)內(nèi)外的流速。

3.3 測點布置

對齊擺放時，分別測量Ⅰ型和Ⅱ型生態(tài)礁體第4 排礁體內(nèi)側(cè)和相鄰礁體中間的流速；交錯擺放時，分別測量Ⅰ型和Ⅱ型生態(tài)礁體第2、4、6 排礁體內(nèi)和相鄰礁體中間的流速。對于Ⅰ型生態(tài)礁體內(nèi)的流速，同一排內(nèi)分別測量了格柵面迎浪礁體和中空面迎浪礁體內(nèi)的流速，還測量了礁體底板下部的流速。流速測點布置見圖5。

圖5 流速測點布置(單位:m)

除了在礁體區(qū)域測量流速外，試驗中還測量了堤前流速，測量堤前流速時，測點位于中間水深處。

4 結(jié)構(gòu)布置研究

4.1 流速過程與流場特征

根據(jù)試驗，生態(tài)礁體受結(jié)構(gòu)的阻攔作用，不同擺放方式下(格柵面迎浪對齊擺放、中空面迎浪對齊擺放和交錯擺放)，在波浪作用下礁體之間和礁體內(nèi)部流場均呈不同程度的三維特征。其中，波浪傳播方向上的前后方向(X向)流速最大、上下方向(Z向)其次，左右方向(Y向)最小，見圖6。

圖6 Ⅱ型礁體第4 排礁體內(nèi)流速過程線(平常波浪)

4.2 流速沿程分布特征

不同擺放方式下，礁體區(qū)域結(jié)構(gòu)內(nèi)、外側(cè)流速均沿著波浪傳播方向呈減小趨勢，見圖7。

圖7 礁體區(qū)域的沿程流速分布

1)在30 a 一遇波浪條件下，除礁群外側(cè)流速衰減較快外，礁群內(nèi)各點流速衰減呈均勻遞減的形態(tài)，衰減率基本相當。總體上，各布置方式下的流速均在0.5 m∕s 以上。

2)在平常波浪條件下，流速衰減較30 a 一遇波浪條件下快。在外側(cè)的Ⅱ型生態(tài)礁體區(qū)內(nèi)流速衰減較快，兩種對齊擺放方式下，流速仍基本在0.5m∕s以上；交錯擺放方式下，流速基本在0.5m∕s附近。在內(nèi)側(cè)的Ⅰ型生態(tài)礁體區(qū)內(nèi)，流速衰減較慢，中空迎浪對齊擺放方式下，流速仍基本在0.5 m∕s 以上；格柵面迎浪對齊擺放方式下，流速基本在0.5 m∕s；交錯擺放方式下，流速則基本在0.5 m∕s 以下。

4.3 擺放方式對流速大小的影響

由不同擺放方式下礁體結(jié)構(gòu)內(nèi)外的流速對比結(jié)果(表2、圖8)可見，與格柵面迎浪對齊擺放方式相比，礁體交錯擺放時相鄰礁體中間的流速平均減小了13%，礁體內(nèi)側(cè)流速略有增大，流速分布更為均勻；礁體中空面迎浪對齊擺放時，相鄰礁體中間和礁體內(nèi)側(cè)的流速均較大，與中空面迎浪對齊擺放方式相比，交錯擺放時礁體內(nèi)外側(cè)流速均明顯減小，相鄰礁體中間的流速平均減小了35%，礁體內(nèi)側(cè)流速平均減小了28%。

圖8 不同擺放方式下礁體結(jié)構(gòu)內(nèi)外的流速對比

表2 第4 排流速測量結(jié)果

只有保證礁體內(nèi)有充分的水體交換，才能使礁體表面積得到有效利用，確保礁體表面固著生物的養(yǎng)料供給，因為水的流動可保證所有附著生物的代謝保持穩(wěn)定。根據(jù)前述試驗結(jié)果，各種擺放方式都能夠營造復雜的流速，滿足研究對象生物所需的三維流場環(huán)境。格柵面迎浪對齊擺放方式和交錯擺放方式阻水作用明顯，在30 a 一遇波浪條件下，流速沿程衰減至0.86～1.68 m∕s；在平常波浪條件下，流速沿程衰減至0.48～0.92 m∕s。中空迎浪對齊擺放方式阻水作用相對較小，在30 a一遇波浪條件下，流速沿程衰減至1.21～1.95 m∕s；在平常波浪條件下，流速沿程衰減至0.68～1.17 m∕s。由于工程區(qū)為淤積型潮間帶環(huán)境，過小的流速不利于泥沙起動，礁體群及礁體結(jié)構(gòu)內(nèi)部容易在泥沙淤積后被堵塞，影響生態(tài)功能的發(fā)揮。中空迎浪對齊擺放方式在平常波浪條件下要求生態(tài)礁體場內(nèi)流速達到0.5～1.0 m∕s 的指標，且流速相對較大可以增加礁體場內(nèi)底沙的起動，減緩淤積；在30 a 一遇波浪條件下，還可以較多地從結(jié)構(gòu)內(nèi)攜帶泥沙至礁體外部。總體上，中空迎浪對齊擺放方案效果較好。

5 結(jié)論

1)對于不同擺放方式的生態(tài)礁體，在波浪作用下礁體結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)流場均呈三維特征。其中，波浪傳播方向上的前后方向(X向)流速最大、上下方向(Z向)其次，左右方向(Y 向)最小。

2)在設計波浪條件下，除外側(cè)流速衰減較快外，其他各點流速衰減呈均勻遞減的形態(tài)，衰減率基本相當；在平常波浪條件下，在外側(cè)的II 型生態(tài)礁體區(qū)流速衰減較快，在內(nèi)側(cè)的I 型生態(tài)礁體區(qū)流速衰減較慢。

3)由于工程區(qū)為淤積型潮間帶環(huán)境，過小的流速不利于泥沙起動。中空迎浪對齊擺放方式在平常波浪條件下具備生態(tài)需求對場內(nèi)流速的要求外，且流速相對較大，可以增加礁體場內(nèi)底沙的起動，減緩淤積；在30 a 一遇波浪條件下，還可以較多地從結(jié)構(gòu)內(nèi)攜帶泥沙至礁體外部。總體上，中空迎浪對齊擺放方案效果較好。