海上退役石油平臺造礁的流場效應研究

張伯涵，張學慶，鄭西來，管 瑞，宋曉冉

（1.中國海洋大學 環境科學與工程學院，山東 青島 266100；2.山東省海洋環境地質工程重點實驗室，山東 青島 266100；3.海洋環境與生態教育部重點實驗室，山東 青島 266100；4.青島市水文中心，山東 青島 266101）

目前，全球各地共有超過8 000座的海上石油平臺，大多集中在墨西哥灣、東亞以及中東海域等地區，未來5 年將有600 多座海上石油平臺面臨退役［1-2］。當前常用的拆除棄置方法費用高，還會對原有的生態系統造成嚴重的破壞，因此退役平臺造礁成了一種理想的處置方式［3］。平臺造礁工程是指將退役平臺改造為人工魚礁投放，通過底質重構與流場營造作用，以食物供應與生態環境改造的形式實現養護、增殖漁業資源等功能［4-5］。

部分學者對人工魚礁的影響機制進行了研究，認為人工魚礁的集魚效果主要與流場效應有關，人工魚礁的流場效應決定著海域的營養鹽和初級生產力水平，而且顯著影響魚礁的生物誘集和增殖功能［6-8］。上升流的形成促使礁區附近水體垂直交換，使海底的營養鹽翻起和擴散，從而加快了營養物質的循環速度，使人工魚礁區成為魚類的聚集地；魚礁背流面的渦流使流速減緩，造成大量的懸浮物停滯，從而為魚類提供生長繁育的場所［9-10］。

目前，對人工魚礁的流場效應研究，主要采用水槽試驗和小尺度的數值模擬［11］。關長濤等［12］在水槽試驗的基礎上模擬了3 種不同流速條件下人工魚礁周圍的流場變化，發現礁體迎流面和背流面分別產生上升流和背渦流，其規模隨著來流速度的增加而增大。Kim 等［13］通過數值模擬確定了24種不同魚礁結構在同一流速條件下背渦流區域的大小，認為背渦流長度隨著魚礁體積的增加而增加，并且發現人工魚礁結構越復雜，流場變化越大，但并不是人工魚礁結構越復雜流場效應越好。龐運禧［14］對箱型、梯形臺及三棱體不同投放量及投放角度條件下的流場變化進行分析，認為不同類型的人工魚礁適用于不同的擺放角度；人工魚礁投放量越大，流場效應越強，但是在到達一定程度后增長率逐漸減小。目前的研究主要采用水槽試驗和實驗室尺度數值模擬，并采用定流速的海洋邊界，而實際上海流的大小和方向持續地發生變化，實驗室的模擬結果與實際情況往往產生較大的不確定性。

近年來，一些學者開始建立魚礁建設條件下實際場地的數值模型，定量研究流場變化特征。Martyanov和Ryabchenko［15］模擬了波羅的海灣魚礁建設后區域流場的變化，認為人工魚礁引起的流場效應是一個局部變化過程，主要受潮流大小的影響。羅文強等［16］建立了海州灣人工魚礁區數值模型，認為魚礁建設后對局部的水平流場和垂向流場都產生了影響，而且大潮時流場變化較大，小潮時相對較小。這里基于埕島油田退役平臺造礁示范工程，定量評價不同平臺造礁規模下流場的動態變化，解析平臺造礁規模與造礁功效的內在關系，研究成果為退役平臺改建為人工魚礁提供科學依據和技術支撐。

1 數值模擬方法

1.1 研究區環境概況

埕島油田位于山東省東營市河口區北、渤海灣西南部海域，水深為10～18 m左右。根據山東省人民政府2004 年公布的《山東省海洋功能區劃報告》［17］，埕島油田海域屬于海洋捕撈區、油氣區和養殖區；地處中緯度，四季分明，全年的平均氣溫為11.7 ℃，降水多集中在夏季6—8 月份，占全年降雨量的三分之二。埕島油田海域全年平均南風出現頻率最高，東北風出現最少，全年的平均風速為5.3 m/s；波浪具有風浪特性，一般波浪周期不大，從季節變化來看，波浪呈現秋冬大而春夏小的趨勢；該海域的海流主要以潮流為主，潮流屬于半日潮，其運動形式為往復流，其主流方向與岸基本平行，其中大、小潮期一般各為3 天左右，大潮期平均流速介于18.7～59.1 cm/s 之間，小潮期平均流速介于12.7～39.1 cm/s 之間。這里依托的退役平臺造礁示范工程，以埕島油田井組平臺CB6A 的水下鋼架結構作為主體框架，通過將上部結構拆卸，并將由方形鋼筋混凝土魚礁單體、管狀魚礁單體和石料等組成綜合材料的魚礁單元進行集中投放，形成堆積型魚礁山。

1.2 模擬范圍與邊界條件

為了提高計算精度，采用模型嵌套的方法進行計算，以渤海為大區域模型的模擬區，在大區域模型中嵌套局部區域模型，局部模擬區為埕島油田所在的渤海西南部海域（見圖1）。大區域模型水位邊界位置取自煙臺到大連的連線，通過多年潮位觀測資料調和求得M2、S2、K1、O1四個主要分潮調和常數值，將由此常數預報得到的潮位資料作為開邊界輸入。局部模型水位邊界通過大區域模型計算求出，模型渤海海域岸線數據摘取自Google Earth 軟件的地理成像；水深數據以航海保證部出版的相應海域的海圖為基礎，并補充實測的水深數據，最終進行線性插值得到計算區域內各個網格節點上的水深值。

圖1 各模擬區分布示意Fig.1 The distribution of each simulation area diagrams

圖2 區域模擬區和局部模擬區的網格剖分Fig.2 The mesh segmentation of selected regional and local simulation areas

因為退役石油平臺體積龐大，由平臺造礁拆分的魚礁單體適合于堆積成為魚礁山。根據現場平臺造礁示范工程，魚礁山頂部邊長100 m，底部邊長200 m，這里定量分析魚礁山高度分別為3、6、9 m 時的流場動力學效應。由于堆積型魚礁山規模大，經過魚礁山的流量比滲流量大得多，故將魚礁山概化為不透水結構。另外，在魚礁山四周200和400 m處分別選取了8個典型點位，見圖1（c）。

1.3 控制方程

采用三維數值模擬軟件MIKE3 中的Flow Model 進行數值模擬。該模擬系統基于三維不可壓縮的雷諾平均Navier-Stokes 方程的數值解。模型包含連續性方程、水平方向動量方程、溫度和鹽度輸運方程、密度方程，采用湍流封閉模式封閉。水平方向上可應用球坐標系和笛卡爾坐標系，通過應用sigma坐標轉換將自由水面考慮在內。

水動力連續性方程：

式中：x、y、z代表笛卡爾坐標系的3個坐標；u、v、w代表x、y、z方向上流速；S代表源匯項。

動量守恒方程：

在x方向上

在y方向上

式中：t代表時間；f表征Coriolis參數；g代表重力加速度；η代表水位高程；d表示靜止水深；ρ0表示參考水的密度；pa表示當地大氣壓；h表示總的水深值；ρ表示水的密度；vt代表垂向渦黏系數；sxx、syx、sxy、syy分別代表輻射應力分量；Fu、Fv為水平應力項；?u、?v分別為科氏加速度；usS、vsS分別為源項入流產生的加速度。

在垂向上，采用k-ε模型進行求解，該模型中垂向渦黏系數vt通過湍流參數k和ε得到，即：

式中：cμ代表經驗常數；k代表單位質量的湍流動能；ε代表湍流動能耗散率。

1.4 計算域網格剖分與參數設定

模型采用三角形網格剖分計算域，大區域模型相鄰網格節點最大空間步長為5 km，在研究區域水域進行局部加密，最小空間步長為300 m，共生成節點56 008 個，網格111 435 個；局部區域模型相鄰網格節點最大空間步長為3 km，在工程附近水域進行局部加密，最小空間步長為100 m，共生成節點5 092 個，網格10 133個。垂直方向上均采用sigma均勻分層模式，在垂向上共分為10層，每層網格約為1 m，魚礁山分布涉及3層及以上網格，垂向分層能夠分辨出魚礁山對水動力的影響。

根據CFL 條件限制，最小時間步長0.01 s，CFL 數臨界值為0.8。絕對干點水深為0.005 m，淹沒水深為0.05 m。底床糙率通過曼寧系數進行控制，曼寧系數n取60～70 s/m1/3［18］。

1.5 模型驗證

大區域模型利用塘沽、小清河口2 個站位的2021 年12 月1 日逐時潮位資料進行驗證，采用青島環海海洋工程勘察研究院T1、T2、T3 測點（點位見圖1）2021 年8 月5 日的潮流實測資料進行潮流驗證，各觀測點潮位和潮流模擬結果與實測資料基本吻合（見圖3），說明該模型能夠很好地反映工程周邊的水動力條件。

圖3 模型中各點位實測值與模擬值關系曲線Fig.3 Relationship curves between measured and simulated values at each point in the model

2 結果與分析

魚礁山周邊水平流場的緩流區會為魚類提供舒適的生存環境和庇護所，而垂向流場則會促使底層的營養物質向上涌起，從而為魚群提供充足的食物，所以定量研究人工魚礁的流場效應具有重要意義［19］。

2.1 水平流場

2.1.1 大潮漲急

大潮漲急時無魚礁山和不同高度魚礁山（3、6、9 m）條件下水平流場見圖4，其中黑色三角形為魚礁山的分布區域。由圖4（a）可以看出：在沒有魚礁山的條件下，沿著海流方向（從東南向西北），流速略有減小，由0.410 m/s減小至0.350 m/s。由圖4（b）可以看出：當魚礁山高度為3 m時，由于魚礁山相對研究區面積來說較小，水平流場的流向沒有發生明顯變化，但在魚礁山迎流面出現了一個圓形的低速區域，面積約為0.32 km2，流速由無魚礁山時的0.380 m/s 減小為0.370 m/s，這主要是魚礁山的阻流效應所致；在魚礁山背流面也形成了一個低流速的紊流區，面積約為0.39 km2；由于繞流的影響，魚礁山兩側流速增大，影響范圍約為0.52 km2；在魚礁山上部，也出現流速增大區域，且變化幅度更大，但其影響范圍相對較小?？梢姡~礁山對流場的影響局限于其周邊范圍。當魚礁山高度為6 m 時，水平流場變化見圖4（c）。從圖4（c）中可以看出：6 m 高魚礁山對水平流場的影響比3 m高魚礁山的影響更大；在魚礁山迎流面出現了一個范圍更大的圓形低速區域，面積約為0.44 km2，流速由無魚礁山時的0.380 m/s 減小為0.365 m/s，其阻流效果更加明顯；在魚礁山背流面形成的低流速紊流區總面積無明顯變化，但流速變化幅度較大的區域面積（約為0.09 km2）明顯增大；在其兩側和頂部，流速增大區域面積約為0.68 km2，且流速最大值也從0.390 m/s 增大至0.420 m/s。由圖4（d）可以看出：在9 m 高魚礁山條件下，迎流面阻流區和背流面紊流區的流速變化幅度和變化區面積比6 m 時更加明顯，阻流區面積由0.44 km2增大為0.52 km2，流速的最小值也由0.365 m/s 減小至0.360 m/s，紊流區面積由0.39 km2增大到0.47 km2，說明9 m 高魚礁山的阻流效果更明顯；但是，兩側流速增大區域較6 m 高魚礁山時并無明顯變化，這說明魚礁山到一定高度后，兩側的流速變化范圍和強度逐漸趨于穩定狀態。

圖4 大潮漲急時不同高度魚礁山條件下平面流場Fig.4 The plane flow field under different height of fish reef mountain at the time of high tidal surge

2.1.2 小潮漲急

小潮漲急時無魚礁山和不同高度魚礁山（3、6、9 m）條件下水平流場圖見圖5。由圖5（a）可以看出：在小潮漲急時，無魚礁山條件下水平流場情況和大潮時無魚礁山的水平流場基本一致，但流速整體更小，從東南向西北，流速由0.210 m/s 減小至0.160 m/s。由圖5（b）可以看出：小潮時3 m 高魚礁山區域流場變化與大潮時較為相似，形成的阻流區和紊流區面積與大潮時相差不大，分別約為0.28 和0.37 km2，但小潮時流速變化相比大潮時更小，變化值約為0.008 m/s。從圖5（c）和5（d）同樣可以看出，小潮時所受影響區域面積與大潮時相差不大，但流速值變化更小。這表明流速變化區域受魚礁山規模影響更大，而海流速度大小對流速變化值影響更明顯。

圖5 小潮漲急時不同高度魚礁山條件下平面流場圖Fig.5 The planar flow field under different height of fish reef mountain at the time of small tidal surge

2.1.3 大潮期水平流速變化

為了更加直觀地反映魚礁山對局部區域流速的影響，分別在魚礁山四周200和400 m處選取了8個典型點位進行測流，計算其在大潮期內垂向平均流速的動態變化。圖6為0、3、6和9 m魚礁山高度條件下大潮期典型點位一天各時刻平均流速變化圖。

圖6 魚礁山高度為0、3、6和9 m時大潮期典型點位24 h流速變化Fig.6 The variation of 24 h flow velocity at typical points during high tide when the height of fish reef hill is 0, 3, 6 and 9 m

從圖6（a）可以看出：A 點流速小于0.2 m/s 時，各高度魚礁山附近的流速相差不大；當A 點流速大于0.2 m/s 時，各高度魚礁山附近平均流速變化明顯；在12：00 前后，流速達到最大值，超過了0.4 m/s，而且9 m高魚礁山附近的流速要大于6、3 m 和無魚礁山時的速度，這也說明平均的水平流速隨著該點來流流速增大和魚礁山高度增高而增加。由圖6（b）可知：與A點相比，當流速最大值超過0.4 m/s時，各高度魚礁山條件下A1點處的流速并無明顯差異，這說明隨著遠離魚礁山流速影響逐漸減弱。由圖6（c）、（d）可知，B 點和B1點流速變化與A 點和A1 點相似：當流速較小時，各高度魚礁山條件下B 點的流速無明顯差異；當流速大于0.3 m/s時，隨著流速逐漸增大，各高度魚礁山在B點的流速出現明顯差異，而且魚礁山高度越高，流速差異越大。C 點和C1點與A 點和A1 點變化趨勢也較為相似，見圖6（d）、（e）。但是，不同魚礁山高度時C 點的流速變化幅度小于A 點，這是因為C 點位于阻流區和魚礁山兩側流速增大區交匯處，受魚礁山的影響相對較弱。D 點則與A、B、C 點的流速變化相反，見圖6（g）：當流速小于0.3 m/s 時，9 m 高魚礁山條件下D 點的流速要依次大于6、3 m和無魚礁山時的相應流速；當流速超過0.3 m/s時，各個高度魚礁山條件下D點的流速差異逐漸減小。這是因為D點位于阻流區和流速增大區交匯處，流速較小時D點未受到魚礁山阻流影響，而且隨著流速逐漸增大阻流效果變得更加明顯，從而使9 m高魚礁山對D點的影響要大于其他高度的魚礁山，所以流速增幅更小。D1 點則處于阻流區，但距離魚礁山較遠。當流速小于0.3 m/s 時，D1 點所受影響較小；當流速超過0.35 m/s時，9 m 高魚礁山在D1點的流速要依次小于6、3 m 和無魚礁山時的相應速度，見圖6（h）。在這種情況下，魚礁山的阻流效果隨著流速逐漸增大而逐漸增強。

2.2 垂向流場

2.2.1 大潮漲急

大潮漲急時無魚礁山和不同高度魚礁山（3、6、9 m）條件下沿水平流場方向經魚礁山中部的垂向流場見圖7，其橫縱坐標分別為場地截取寬度和高度。

圖7 大潮漲急時不同高度魚礁山條件下沿水平流場方向經魚礁山中部垂向流場Fig.7 The vertical flow field along the horizontal flow direction through the center of the reef hill at various reef hill heights during high tide

由圖7（a）可以看出：在無魚礁山的時候，垂向流速接近于0，這是因為在沒有魚礁山等外部構筑物干擾的情況下水平輻散能力很弱。由圖7（b）可以看出：當魚礁山高度為3 m時，在迎流面上從魚礁山底部往上流速由0.002 8 m/s 逐漸減小至0.001 6 m/s；其背流面從上往下流速由0.001 6 m/s 逐漸變大為0.002 4 m/s；魚礁山迎流面上升流輻射面積與背流面背渦流輻射面積比較接近。由圖7（c）可以看出：與3 m 高魚礁山相比，6 m 高的魚礁山處垂向流場發生了更明顯的變化，其迎流面的上升流速均超過了0.002 8 m/s，且輻射區域面積大約增加了2 倍；其背渦流的流速與面積也均有所增大，且背渦流區域延伸到了魚礁山底部附近。由圖7（d）可以看出：在9 m 高魚礁山附近，與6 m 高魚礁山相比，迎流面上升流流速超過0.002 8 m/s的范圍更大；背渦流的流速與范圍進一步增加，背渦流區域幾乎延伸到魚礁山底部。雖然9 m 高魚礁山較6 m 高魚礁山規模大大增加，但所形成的上升流和背渦流的范圍相差并不大，這說明垂向流場的變化與魚礁山高度的變化不成正比。因此，在建設魚礁山的時候，不僅需要考慮造流效應，也要考慮規模投入與流場效應的收益比。

2.2.2 小潮漲急

小潮漲急時無魚礁山和不同魚礁山高度（3、6、9 m）條件下沿水平流場方向經魚礁山中部的垂向流場見圖8，其橫縱坐標分別為場地截取寬度和高度。

圖8 小潮漲急時不同高度魚礁山條件下沿水平流場方向經魚礁山中部垂向流場Fig.8 The vertical flow field along the horizontal flow direction through the center of the reef mountain at different reef mountain heights during low tide rapids

由圖8（a）可以看出：在小潮漲急時，無魚礁山條件下垂向流場和大潮漲急時基本一致，垂向流速均接近于0，這說明在沒有魚礁山等外部構筑物干擾的情況下水平來流速度的大小對垂向流速幾乎無影響。從圖8（b）中可以看出：在3 m 高魚礁山時，在小潮漲急條件下上升流和背渦流的范圍和流速大小也相差不大，最大流速為0.001 2 m/s，與大潮漲急時相比垂向流速減小較多，這表明魚礁山附近形成的上升流和背渦流流速隨水平來流速度的減小而減小。由圖8（c）可以看出：小潮漲急時6 m 高魚礁山垂向流場與大潮漲急時垂向流場變化范圍基本一致，但比小潮漲潮時3 m高魚礁山附近上升流和背渦流流速有明顯增大，最大流速由0.001 2 m/s 增至0.002 0 m/s。同樣可以得出，當水平流速度較小時魚礁山規模越大，產生的垂向流速也越大。從圖8（d）中看出：與6 m 高的魚礁山相比，9 m 高的魚礁山附近產生的上升流和背渦流的范圍更大，并且最大流速均超過了0.002 0 m/s。小潮時9 m 高魚礁山附近產生的垂向流場相較于6 m 高魚礁山產生的垂向流場的變化比大潮更加明顯，這也可以說明當水平來流速度較小時魚礁山規模對垂向流場影響更大。

2.2.3 人工魚礁垂向流場效應

上升流與背渦流的大小是評價人工魚礁流場效應的重要指標。圖9為大潮期一天中一個潮汐周期內不同高度魚礁山處上升流與背渦流的高度與寬度變化曲線。本區為半日潮，在04：00和11：00左右流速最大，07：00和14：00流速最小。從圖9（a）可以看出，各高度魚礁山處上升流的高度隨著時間呈現先增大、后減小的變化趨勢，這是由于隨時間變化水平流速先增大后減小所導致。在07：00 和14：00 流速較小時，9 m 魚礁山的上升流高度分別比6和3 m 魚礁山處高1和2 m 左右；在04：00和11：00流速較大時，各高度魚礁山的上升流高度相差較小，差值小于0.5 m。這也表明當水平來流速度較小時魚礁山規模對垂向流場影響更大；水平來流速度較大時，不同魚礁山規模對垂向流場影響相對較小。從圖9（b）可以看出：從05：00到08：00水平流速較小，各高度魚礁山處上升流寬度均較小，且相差5 m左右；隨著水平流速增大，各高度魚礁山附近上升流寬度均有所增加，且不同高度情況增加幅度可達8～15 m，這表明上升流寬度受水平流速影響更大。由圖9（a）和9（b）可以看出，無魚礁山條件下上升流高度與寬度不隨時間變化，這也說明無魚礁山時僅憑水平流場輻散無法形成上升流。從圖9（c）可以看出：當水平流速較小時，6 和9 m 高魚礁山處背渦流高度相差1 m 左右，而與3 m 高魚礁山的背渦流高度相差較大（大于1 m）；當達到最大流速時，9 m 高魚礁山的背渦流高度較3和6 m時增長較大（約3 m），而6 m高魚礁山后背渦流高度較3 m時增幅無明顯變化。這說明水平流速較大時魚礁山規模越大，其背渦流高度增長越快，值越大；水平流速較小時各高度魚礁山后背渦流高度受魚礁山高度影響較小。從圖9（d）中可以看出：在開始的1～2 h 水平流速較小，3、6 和9 m 高魚礁山的背渦流寬度均較小；隨著水平流速逐漸增大，背渦流寬度隨著魚礁山高度增加而增加，且增加的寬度均在10 m以上；但是，當水平流速由大變小時，9 m 高魚礁山的背渦流寬度遞減幅度要遠大于3 和6 m 高魚礁山；當達到最小流速時（07：00左右），各高度魚礁山的背渦流寬度相差不足5 m。這說明流速較小時各高度魚礁山的背渦流寬度相差不大，而流速較大時背渦流寬度隨著魚礁山高度的增高而增加，背渦流大小受水平來流速度影響更大。

圖9 不同高度魚礁山一個大潮潮汐周期內上升流和背渦流的高度與寬度變化曲線Fig.9 Height curves and width curves of upwelling and back eddy currents in a high tide tidal cycle at fish reef mountains of varying heights

3 結 語

依托埕島油田石油平臺造礁示范工程，建立了實際海況條件下場地尺度的三維水動力數值模型，定量分析了不同高度魚礁山條件下的區域水平和垂向流場的變化特征，并分析了不同高度魚礁山對流場的影響效應。得出的主要結論如下：

1）投放魚礁山后，沿著水平來流方向在魚礁山兩側及上方均形成了流速增大區域，在魚礁山前后則出現了流速減小區域。流速變化區域受魚礁山規模影響更大，而海流速度大小對流速變化值影響更明顯。隨著魚礁山高度增加，流速的大小與影響區域面積逐漸增大；但是，當魚礁山達到一定高度后，對流場的影響開始逐漸減弱。

2）隨著魚礁山高度增加，不同來流速度條件下上升流與背渦流面積均有所增加。流速較小時魚礁山高度的變化對垂向流場產生的影響更明顯。相較于受魚礁山高度的影響，上升流與背渦流大小受水平來流速度影響更大。

3）在渤海淺海區域水深小于20 m 時，魚礁山高度過高并不會形成更佳的流場效應，因此在該區域退役平臺改建魚礁山時，高度應不超過9 m，避免造成資源浪費。