大連大長山島海域人工魚礁投放對水動力影響的三維數值模擬

王清夷，王煜嘉，張明亮，2*

(1.大連海洋大學海洋科技與環境學院，遼寧 大連 116023；2.遼寧省近海生態環境與災害防護工程技術創新中心，遼寧 大連 116023)

近年來，隨著人類對海洋資源開發利用的加劇，我國近海海域出現了大量的海上浮筏養殖和底播養殖，導致海洋生態環境破壞嚴重，海洋漁業資源量銳減[1-2]。建設海洋牧場是合理開發利用海洋資源、保護海洋環境的重要手段，因此國家十分重視近海現代化海洋牧場的建設與開發[3]。研究表明，投放人工魚礁是建設海洋牧場的關鍵技術手段之一[4]。因此，合理地開發利用人工魚礁對投放海域進行環境改善和修復海洋環境具有重要的意義，亟需開展相關研究工作。

早在19世紀30年代，美國就開始了人工魚礁的建設。我國對人工魚礁的研究雖然起步較晚，但圍繞人工魚礁礁型設計、魚礁選址、魚礁投放后的水動力特征等相關研究的成果豐碩，主要側重于不同礁型單體或魚礁組合的模型實驗和實驗室尺度的數值模擬，研究分析魚礁投放前后對周邊水動力環境的影響[5-12]。相關物理模型實驗需要考慮模型與原型間的比尺效應，小尺度的數值模擬分析無法考慮漲落潮動態變化下的潮流運動，因此在精準反映大尺度海域人工魚礁投放前后的水動力變化等方面存在困難。近幾年，隨著數值模擬方法和仿真技術的發展，在實際海域中應用數值模擬技術分析不同類型魚礁投放后的流場特性受到廣泛關注。例如，崔恩蘋等[13]采用MIKE21軟件對千里巖西部人工魚礁建設區域及周圍海域的水動力情況進行深度平均的二維數值模擬研究，結果表明工程建設后漲急時刻潮流流速增大的區域位于工程區域南、北兩側，就水動力環境而言，該人工魚礁的選址合理。基于MIKE21潮流模型，岳英結等[14]對萊州灣芙蓉島西側人工魚礁布設前后周邊海域的潮流場進行深度平均的二維數值模擬，結果表明人工魚礁投放后只改變了礁區局部海域的水動力環境，對灣內其他海域沒有影響。陳鈺祥等[15]基于非結構化網格的有限體積海岸海洋模型(Finite volume coastal ocean model，FVCOM)對廣東惠州東山海投放人工魚礁前后附近海域潮汐動力進行三維數值模擬，結果表明人工魚礁建成后，其對研究區域的潮汐特性幾乎沒有影響。因此，對于大尺度海域人工魚礁水動力的數值模擬研究主要集中在深度平均的二維模型，然而對于人工魚礁投放后的三維水動力研究較少，亟需開展相關工作。

本文基于FVCOM水動力三維數值模型，對大長山島海域人工魚礁投放前后的潮流運動進行模擬，分析人工魚礁投放工程對周圍海域水動力的影響，旨在為北黃海海域人工魚礁的選址提供參考。

1 研究區域與方法

1.1 研究方法

FVCOM模型是麻省理工大學陳長勝教授主導開發的[16]，其采用有限體積法離散方程，并結合了有限元法的幾何靈活優點，以及具有用于簡單離散計算的有限差分法的優勢，因此該模型被廣泛應用于大型湖泊、河口及區域海洋的數值模擬研究，而且取得了大量的研究成果[17-18]。模型水平方向采用非結構化的三角形網格對計算域進行空間離散，能夠較好地擬合真實岸線。垂直方向采用Sigma坐標系，能夠更好地貼合不規則的海底地形。FVCOM三維水動力模型控制方程組主要包括動量方程、連續方程、溫度方程、鹽度方程，具體公式如下：

動量方程：

(1)

(2)

連續方程：

(3)

溫度方程：

(4)

鹽度方程：

(5)

狀態方程：

ρ=ρ(T，S)

(6)

式(1)～(6)中，x、y、z分別表示笛卡爾坐標系的東、北和垂向方向坐標；u、v、w分別為x、y、z方向的速度分量；T表示位溫；S表示鹽度；ρ為海水總密度，等于ρ′擾動密度和ρ0參考密度之和；P表示壓強；f為科氏力參數；g為重力加速度；Km為垂向渦黏性系數；Kh為垂向熱渦流擴散系數；FT、FS分別表示熱量、鹽度擴散項；Fu、Fv表示水平動能擴散項；Km參數利用修正的2.5階Mellor-Yamada湍流模型求得[19-20]，水平擴散項系數由Smagorinsky渦流參數法確定[21]。在邊界層將湍流動能剪切力近似地認為是由邊界附近的水平流的垂向剪切力產生的，簡化的湍流動量方程如下：

(7)

(8)

式(7)～(8)中，q2=(u′2+v′2)/2為湍流動能；l為湍流尺度；Kq表示垂向渦流擴散系數；Fq和Fl分別表示湍流動能和湍流尺度的水平擴散項；Ps=Km(uz2+vz2)和Pb=(gKhρz)/ρ0分別代表湍流動能的剪切力和浮力生成項；ε=q3/B1l為湍流動能耗散率；W=1+E2l2/(κL)2表示近壁面函數，其中L-1=(ζ-z)-1+(H+z)-1，κ=0.4為von Karman常數，H為平均水深，ζ表示水位。

1.2 研究區域概況

北黃海海域是位于山東半島、遼東半島和朝鮮半島之間的半封閉的陸架淺海，受北上的黃海暖流和季節性黃海冷水團作用，再加上鴨綠江等河流的淡水匯入，海陸的相互作用比較強烈，導致該海域生態系統復雜多樣[22]。大長山島位于遼東半島東南、長山群島北部，海域面積651.5 km2。大長山島的東北部海域屬于內陸淺海，海水水溫有明顯的季節性變化，潮流特征為正規半日潮，呈旋轉流型，以逆時針旋轉為主；該海域平均水深15 m，最深可達25 m，海水由北向南逐漸加深，海底絕大部分為軟泥質，島嶼四周海底有巖礁、石礫和貝殼，底質適合開發底播養殖活動，在該海域投放人工魚礁有利于蝦夷扇貝的養殖。因此，在大長山島的東北部海域積極開展人工魚礁選址及規劃布局，目的是增強該海域的生態功能和漁業資源養護，確保海域的可持續發展，具體研究區域如圖1所示。根據設計規劃，在大長山島東北部附近海域投放人工魚礁，該區域計劃投放人工魚礁用海面積4.5 hm2，人工魚礁采用聚堆投放，共形成18個單位礁，每個單位礁分別由310個單體礁雙層投放形成，高度不超過4 m；單位礁底部均為50 m×50 m的方形，單位礁矩陣式分布在魚礁區，礁區單位礁之間間距為距東、西、南、北各約100 m，水深12～13 m，魚礁區如圖1所示。

2 結果驗證與分析

岸線數據從Google Earth上提取，利用SMS(Surface-water model system)軟件制作三角形網格，研究區域計算網格總數為65 472，節點數為33 703，網格最大分辨率為22.2 km，位于外海開邊界處，最小分辨率為10 m，位于投放人工魚礁海域，具體網格布置見圖2。模型邊界共有3種類型，渤海及北黃海陸地與海洋交匯處邊界是閉邊界，屬性為陸地；北黃海外海約36°N處為開邊界，屬性為海洋；研究區域中諸多島嶼處，屬性為島嶼。地形數據一部分采用GEODAS軟件中ETOPO1數據集中提取，分辨率為1′，另一部分采用基于85高程的實測水深數據，該數據覆蓋了本文主要研究海域，且具有數據較準、精度較高的特點。本文模型采用冷啟動，三維斜壓模式，外模時間步長為0.01 s，內模與外模時間步長比率為10，模型每h輸出一次結果，模型模擬時間為2019年4月1日0時至2019年5月1日0時。垂向采用Sigma分層方式，均分為10層，其中第1層為表層，第5層為中層，第10層為底層。利用MIKE21提取模型外海開邊界數據，采用潮位驅動用于后續的模擬計算。本次模擬未考慮風場、波浪和熱通量的影響。人工魚礁采用密閉固化的方式進行處理，以人為將人工魚礁區水深加高4 m的方式用于后續的數值模擬計算，在除水深外其他因素水平都相同的條件下再次進行模擬，通過投放人工魚礁前后模擬結果，對比分析投放人工魚礁對其周圍海域水動力環境的影響。

2.1 模型驗證

本文首先對研究區域人工魚礁投放前的水動力特征進行模擬計算，選取潮位驗證點(T1)及3個潮流驗證點(P1、P2、P3)的潮位、深度平均流速、流向對模型進行驗證，各站位具體坐標見圖3。潮位驗證資料取自2019年4月5日0時—2019年4月7日23時的實測數據，潮流驗證資料取自2019年4月5日16時—2019年4月6日17時(大潮期)、2019年4月14日15時—2019年4月15日16時(小潮期)的實測數據。潮位模擬結果對比見圖4，由圖可以看出，該海域的潮汐為正規半日潮，最大潮位為1.89 m，最低潮位為-2.06 m，潮位模擬值與實測值平均偏差小于0.20 m，模擬值與實測值相關系數為0.96。

小潮期和大潮期的流速、流向對比分別見圖5、圖6，小潮期3個測點P1、P2和P3的最大實測流速分別為0.507、0.229、0.434 m/s，平均實測流速為0.401、0.171、0.292 m/s；大潮期3個測點P1、P2和P3的最大流速分別為 0.679、0.341、0.462 m/s，平均實測流速為0.283、0.132、0.227 m/s，各站點大潮期的最大流速均大于小潮期。大小潮期P1、P2、P3站點流速的絕對誤差分別為0.095、0.062、0.101 m/s，流向相對誤差分別為11.551%、6.193%和4.079%。結果表明，流速、流向模擬值較實測值誤差略大，主要是由于P1、P2、P3站點位于島嶼附近，實際地形變化較大，而此處網格分辨率不夠高，導致水深數據經反向距離插值與實際地形相比不夠精準。總體來說，潮流模擬值與實測值總體趨勢吻合，誤差在可接受范圍內。

圖7為研究海域模擬的速度場矢量結果。在漲急時刻，大長山島附近海域水流偏西北方向流動，在島嶼附近水流呈現逆時針環流，流速最大值為0.960 m/s，主要位于大長山島西南部海域。在落急時刻，大長山島附近海域水流方向與漲急時刻相反，在島嶼附近水流呈現順時針環流，流速最大值約為0.930 m/s，主要位于大長山島東南部。從整體來看，流速在近岸較小，向海逐漸變大。總體而言，在大長山島附近，潮流模擬結果與實測結果吻合，結合各站點潮位、速度、流向驗證結果可知，該區域內潮流運動模擬情況與實際海流運動相吻合，本文構建的模型具有較高的模擬精度，可進一步對研究區域人工魚礁投放后的水動力特性進行分析。

2.2 投放人工魚礁前后對周圍海域水動力特性的影響

本文選取漲急時刻投放人工魚礁附近9個特征點，對投礁前后的速度變化進行對比分析，具體位置如圖8所示。其中A1、A2、A3位于人工魚礁區域布設點的上方，B1、B2、B3位于人工魚礁區域內部海域，C1、C2、C3位于投放人工魚礁之外的海域。選取各特征點投礁前后模擬的表、中、底層流速進行對比，考慮到投放魚礁區域前后水深不一致，在投放前與投放后選取同一深度處流速數值進行對比，具體結果如表1、表2所示。其中位于魚礁布設點上方的A1、A2、A3點投礁后表、中、底層流速相較投礁前明顯增大，B1、B2、B3、C1、C2、C3點投礁前后表、中、底層流速變化較小，其中表層速度變化的最大值為0.034 m/s，最大占比為10.4%；中層速度變化最大值為0.018 m/s，最大占比為4.7%；底層速度變化最大值為0.230 m/s。

表1 漲急時刻特征點表、中、底流速變化

表2 漲急時刻特征點表、中、底流速變化分析

圖9顯示了人工魚礁投放前、后工況下模擬的流場，結果顯示，人工魚礁的投放會改變海底地形，直接影響投放區附近海域流速的大小與流動方向，在漲、落急時刻，魚礁投放后底層有明顯的繞流現象，但表層不明顯，而對于投礁區域以外的海域，投礁前、后的潮流場無明顯差別。

圖10顯示了人工魚礁投放前后的表層流速變化，在漲、落急時刻，投放魚礁上方的表層流速整體上呈增大趨勢，而在投放人工魚礁周圍海域流速降低。在漲急時刻，人工魚礁投放前后引起的流速變化主要分布在魚礁投放區附近的0.9 km海域范圍內，對較遠海域流速變化不明顯。在落急時刻，表層流速變化情況與漲急相似，變化范圍均在魚礁投放區的0.8 km海域范圍內。

3 結論

本文通過FVCOM模型對大長山島海域投放人工魚礁前后的水動力特征進行數值模擬，分析人工魚礁投放對周圍海域水動力特征的影響變化。結果顯示，投放人工魚礁對該研究海域的流速變化影響較小；投放人工魚礁后，漲、落急時刻投放區域底層出現較為明顯的繞流現象；人工魚礁的布設對魚礁區上方的流速影響較大，其主要原因是投放人工魚礁使水深減小，進而對流速產生影響；在投放人工魚礁周圍海域外表、底層速度的變化并不明顯，說明投放人工魚礁對周圍海域水動力特性的影響較小。研究結果可為投放魚礁選址的合理性提供參考與指導。