萊州灣芙蓉島西側(cè)人工魚礁建設(shè)對(duì)周邊海域潮流場(chǎng)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(yè)研究院，濟(jì)南 250013；2.山東省海洋工程咨詢協(xié)會(huì)，濟(jì)南 250013；3.中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東青島 266100）

近幾十年來，近海漁業(yè)資源衰退嚴(yán)重，采取適度投放人工魚礁、增殖放流等漁業(yè)資源養(yǎng)護(hù)措施具有重要意義［1-2］。人工魚礁是經(jīng)科學(xué)論證后投放在海底的透水構(gòu)筑物，礁體表面可供海藻附著生長(zhǎng)，礁體本身有一定的集魚效應(yīng)，還可以避免使用拖網(wǎng)等非法漁具進(jìn)行捕撈，對(duì)漁業(yè)資源起到保護(hù)作用。但人工魚礁建設(shè)一定程度上會(huì)改變?cè)泻Ｓ虻淖匀粚傩?，除了?duì)底質(zhì)造成直接影響外，人工魚礁礁體與波浪、潮流、海流等水動(dòng)力過程的相互作用對(duì)海域的潮流場(chǎng)和水交換也會(huì)產(chǎn)生一定影響。在適度進(jìn)行人工魚礁建設(shè)的同時(shí)，維持海灣內(nèi)良好的水交換和排污能力是保障海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必要條件［3］，也是海洋漁業(yè)管理部門制定人工魚礁、增殖放流等漁業(yè)資源養(yǎng)護(hù)計(jì)劃時(shí)需重點(diǎn)考慮的因素。

國(guó)內(nèi)外對(duì)人工魚礁建設(shè)水動(dòng)力影響的實(shí)驗(yàn)室模擬已有大量研究成果，主要集中在兩個(gè)方面：一是建立或優(yōu)化模型和計(jì)算方法；二是對(duì)不同形態(tài)的魚礁單體或不同數(shù)量、不同排列方式構(gòu)成的魚礁組合進(jìn)行物理模擬、數(shù)學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)，綜合考慮魚礁建設(shè)成本、物理穩(wěn)定性、環(huán)境影響程度等因素，得到某一特定條件下的最優(yōu)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(chǎn)生下陷、位移、傾覆等現(xiàn)象，部分實(shí)驗(yàn)室模擬研究在海洋水動(dòng)力模型中還加入了泥沙懸浮與輸運(yùn)模塊［10-11］。近年來，科研人員開始對(duì)人工魚礁投放實(shí)際海域后產(chǎn)生的水動(dòng)力影響開展研究［12-14］，但此類研究成果較少，尤其對(duì)海灣等敏感海域的影響研究更是缺乏。

本次研究根據(jù)2020年春季對(duì)萊州灣東側(cè)海域的聲吶探測(cè)結(jié)果，選取萊州灣內(nèi)芙蓉島西側(cè)的人工魚礁作為研究對(duì)象，對(duì)其建設(shè)前后潮流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算，分析人工魚礁投放后不同水層潮流場(chǎng)的流速特征和水體交換的變化情況，探討海灣內(nèi)人工魚礁建設(shè)對(duì)周邊海域潮流場(chǎng)和水交換產(chǎn)生的影響，以期為科學(xué)合理建設(shè)人工魚礁、保障海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)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(cè)人工魚礁區(qū)位于煙臺(tái)市萊州市芙蓉島以西6 km的海域，地理坐標(biāo)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(shè)，2018年建設(shè)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(qū)，在石塊礁上營(yíng)造海藻場(chǎng)，通過人工放流等手段進(jìn)行立體生態(tài)養(yǎng)殖。

1.2 研究方法

1.2.1 魚礁數(shù)據(jù)采集

本次研究采用美國(guó)Klein公司Klein5000V2側(cè)掃聲吶對(duì)萊州灣內(nèi)芙蓉島西側(cè)海域開展了側(cè)掃聲吶探測(cè)。根據(jù)人工魚礁投放區(qū)的最小外邊界范圍，間隔25 m布設(shè)測(cè)線進(jìn)行測(cè)量，后期進(jìn)行聲吶資料解譯、水深地形資料潮位改正、聲速改正等。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，魚礁區(qū)實(shí)測(cè)投放礁量約9.54×104m3·空，礁體占用海域面積8.67 hm2，據(jù)此構(gòu)建人工魚礁區(qū)的數(shù)學(xué)模型。

1.2.2 研究海域設(shè)置

1）計(jì)算域設(shè)置

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

2）網(wǎng)格設(shè)置

模擬采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格，人工魚礁建設(shè)前模擬區(qū)域內(nèi)由42 169個(gè)節(jié)點(diǎn)和80 516個(gè)三角單元組成。人工魚礁建設(shè)后模擬區(qū)域內(nèi)由48 813個(gè)節(jié)點(diǎn)和91 692個(gè)三角單元組成。本研究對(duì)人工魚礁礁體進(jìn)行了概化處理，最小網(wǎng)格間距設(shè)置約為1.4 m，并對(duì)魚礁區(qū)附近海域進(jìn)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(cè)資料調(diào)和求得的M2、S2、K1和O14個(gè)主要分潮調(diào)和常數(shù)值輸入計(jì)算。

閉邊界：以大海域和周邊岸線作為閉邊界。4）計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)和底床糙率

模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)根據(jù)CFL條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，確保模型計(jì)算穩(wěn)定進(jìn)行，最小時(shí)間步長(zhǎng)0.4 s，底床糙率通過曼寧系數(shù)進(jìn)行控制，曼寧系數(shù)n取51～94 m1／3·s-1。

1.2.3 潮流數(shù)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(shè)前后的潮流場(chǎng)。該模型由丹麥水力學(xué)研究所研制，采用標(biāo)準(zhǔn)Galerkin有限元法進(jìn)行水平空間離散，采用顯式迎風(fēng)差分格式離散動(dòng)量方程與輸運(yùn)方程。模型采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格剖分計(jì)算域，網(wǎng)格設(shè)計(jì)靈活，可以在任意淺水區(qū)和海洋工程所在的重點(diǎn)區(qū)域局部加密網(wǎng)格，在模擬彎曲岸線附近海域時(shí)有較大優(yōu)勢(shì)，并且具有計(jì)算穩(wěn)定、處理功能強(qiáng)大等諸多優(yōu)點(diǎn)，已在全球70多個(gè)國(guó)家得到推廣，近年來在我國(guó)被廣泛應(yīng)用于潮流場(chǎng)數(shù)值模擬、水質(zhì)模擬與預(yù)測(cè)等方面的研究。

1.2.4 潮流和潮位驗(yàn)證方法

圖1為潮流和潮位驗(yàn)證點(diǎn)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(qū)（C9站位）進(jìn)行大潮期25 h連續(xù)潮流監(jiān)測(cè)。2020年5月23日—5月25日在T2、T3站進(jìn)行大潮期潮位觀測(cè)，兩站位漲、落潮歷時(shí)約6 h 30 min，潮汐性質(zhì)判別指數(shù)K均為0.8，屬于不正規(guī)半日潮海區(qū)。

圖1 驗(yàn)證點(diǎn)位置Fig.1 Verification point location

將實(shí)際潮流和潮位監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，根據(jù)兩者的吻合情況判定本研究建立的潮流場(chǎng)數(shù)值模型計(jì)算結(jié)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(shè)置是否合理。

1.2.5 水體交換率計(jì)算方法［15］

為了分析比較人工魚礁建設(shè)前后周邊海域的水體凈化能力，首先假定在萊州灣海域內(nèi)均勻分布某溶解態(tài)保守污染物，原有污染物濃度值為Wc，水邊界入流時(shí)給定該污染物在開邊界的濃度為0，計(jì)算出不同時(shí)刻該污染物濃度值W，進(jìn)而通過以下公式計(jì)算不同時(shí)刻被區(qū)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(shí)刻水體中的污染物濃度值。由上式計(jì)算n大小變化來說明污染物凈化能力的強(qiáng)弱。本次研究通過計(jì)算礁區(qū)周邊海域1個(gè)月水交換率的變化情況，分析魚礁建設(shè)對(duì)水交換產(chǎn)生的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證

2.1.1 潮流驗(yàn)證

根據(jù)連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)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(shí)測(cè)潮流觀測(cè)資料與模擬潮流計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證曲線。驗(yàn)證結(jié)果表明，對(duì)應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)上模擬得到的潮流流速流向與實(shí)測(cè)潮流基本吻合，本文建立的潮流場(chǎng)數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果能較好地反映人工魚礁及其周圍海域潮流運(yùn)動(dòng)過程和特征，可以作為芙蓉島西側(cè)人工魚礁建設(shè)前后潮流場(chǎng)和水交換變化情況預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。

圖2 潮流驗(yàn)證曲線Fig.2 Verification curve of tide

2.1.2 潮位驗(yàn)證

圖3為T2、T3站位實(shí)測(cè)潮位觀測(cè)資料與模擬潮位計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證曲線。驗(yàn)證結(jié)果表明，對(duì)應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)上模擬得到的潮位曲線與實(shí)測(cè)曲線基本吻合，本次研究建立的數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果能較好地反映人工魚礁及其周圍海域潮位特征，數(shù)值模型和邊界設(shè)置合理。

圖3 潮位驗(yàn)證曲線Fig.3 Tide level verification curve

2.2 人工魚礁建設(shè)對(duì)潮流場(chǎng)的影響

2.2.1 漲急時(shí)潮流場(chǎng)變化情況

圖4為芙蓉島西側(cè)人工魚礁建設(shè)后，漲急時(shí)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(qū)內(nèi)部流速變化出現(xiàn)一定程度的紊亂，東西方向各層流速呈增加趨勢(shì)、南北方向各層流速呈遞減趨勢(shì)；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(qū)域距魚礁區(qū)的最遠(yuǎn)距離為303 m，位于人工魚礁區(qū)東南側(cè)，減小量大于1 cm·s-1的區(qū)域距魚礁區(qū)的最遠(yuǎn)距離為574 m，位于人工魚礁區(qū)南側(cè)。

圖4 漲急時(shí)流速變化Fig.4 Flow velocity changes during rapid rise

2.2.2 落急時(shí)潮流場(chǎng)變化情況

圖5為芙蓉島西側(cè)人工魚礁建設(shè)后，落急時(shí)刻的表層、中層、底層流速變化情況。從平面范圍來看，礁區(qū)內(nèi)部流速變化出現(xiàn)紊亂，礁區(qū)及其東西方向各層流速呈增加趨勢(shì)、南北方向各層流速多呈遞減趨勢(shì)；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(qū)域距魚礁區(qū)的最遠(yuǎn)距離為271 m，位于人工魚礁區(qū)北西側(cè)，減小量大于1 cm·s-1的區(qū)域距魚礁區(qū)的最遠(yuǎn)距離為333 m，位于人工魚礁區(qū)北側(cè)。落急時(shí)流速變化趨勢(shì)與漲急時(shí)基本一致。

圖5 落急時(shí)流速變化Fig.5 Flow velocity changes during rapid drop

2.3 人工魚礁建設(shè)對(duì)水交換的影響

圖6為人工魚礁建設(shè)后，局部海域1個(gè)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(duì)較高，為0.108%，西北部增量相對(duì)較低，為0.093%。

圖6 1個(gè)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(shè)水動(dòng)力影響的實(shí)驗(yàn)室模擬方面，前人已取得大量的研究成果。但實(shí)驗(yàn)室采用的魚礁模型多為規(guī)則的框架礁，分布設(shè)計(jì)與實(shí)際投放效果也存在一定的差異，并且實(shí)驗(yàn)室研究大部分基于定常流場(chǎng)，沒有考慮實(shí)際海域的復(fù)雜影響因素。本次研究根據(jù)2020年春季對(duì)萊州灣芙蓉島西側(cè)石塊礁群的聲吶探測(cè)結(jié)果建立數(shù)學(xué)模型，潮流和潮位驗(yàn)證結(jié)果表明，本次研究建立的數(shù)學(xué)模型精度較好，邊界設(shè)置合理，可以作為魚礁建設(shè)前后潮流場(chǎng)和水交換變化預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。

萊州灣潮汐主要受黃河口外半日無潮點(diǎn)的影響，潮汐類型屬不規(guī)則的混合半日潮，強(qiáng)浪向和常浪向以北向（NE-NW）為主。灣內(nèi)水動(dòng)力環(huán)境較弱，水深10 m以淺海域的半交換周期為100 d［16］，礁區(qū)附近海域1個(gè)月水交換率約為12%。本次研究結(jié)果表明，芙蓉島西側(cè)人工魚礁建設(shè)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(dǎo)致礁區(qū)內(nèi)部潮流場(chǎng)發(fā)生一定程度的紊亂；礁區(qū)水平潮流場(chǎng)發(fā)生比較明顯的變化，東西向流速呈增加趨勢(shì)，南北向流速呈遞減趨勢(shì)；縱向上，底層潮流場(chǎng)流速最大變化量達(dá)7.9 cm·s-1，明顯大于中層和表層，這一結(jié)果與陳鈺祥等［12］和崔恩蘋等［13］分別對(duì)廣東惠州東山海人工魚礁區(qū)和千里巖島西部人工魚礁區(qū)流場(chǎng)形態(tài)改變趨勢(shì)和影響范圍的研究結(jié)果相似，在數(shù)值上因礁體本身的形態(tài)差異和投放海域環(huán)境不同則有所差別。羅文強(qiáng)等［14］研究的海州灣人工魚礁區(qū)原始地形存在明顯的海底隆起，魚礁建設(shè)后產(chǎn)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(shì)平緩，所以結(jié)果與羅文強(qiáng)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(jīng)狹窄處時(shí)流速加快，導(dǎo)致水交換率較投放前略有增加，總體增量約0.1%。

根據(jù)聲吶測(cè)量結(jié)果，芙蓉島西側(cè)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(duì)海域自然屬性的影響主要在于改變了海底的地形地貌，對(duì)潮流場(chǎng)和水交換造成的影響只限于局部海域。研究結(jié)果表明，流速變化量大于1 cm·s-1的區(qū)域集中在礁區(qū)周邊600 m范圍內(nèi)，對(duì)礁區(qū)外的影響很小，這與其他實(shí)際海域投放人工魚礁的研究結(jié)果［12-14］一致。但本次研究是對(duì)海灣內(nèi)1處人工魚礁進(jìn)行數(shù)值模擬得到的結(jié)果，如果在灣內(nèi)建設(shè)多處人工魚礁，造成的水動(dòng)力影響會(huì)產(chǎn)生疊加效應(yīng)。萊州灣老黃河口-刁龍嘴連線附近海域?yàn)槿R州灣南、北部的水交換通道，在此大規(guī)模建設(shè)人工魚礁會(huì)對(duì)南北海域的水交換產(chǎn)生一定影響，建議在該區(qū)域新建人工魚礁項(xiàng)目前應(yīng)進(jìn)行充分論證，必要時(shí)開展潮流場(chǎng)和水交換影響專題研究。

4 小結(jié)

本文在側(cè)掃聲吶探測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，評(píng)估了在水動(dòng)力環(huán)境偏弱的海灣內(nèi)建設(shè)人工魚礁對(duì)周邊海域潮流場(chǎng)和水交換產(chǎn)生的影響。研究結(jié)果表明，萊州灣芙蓉島西側(cè)人工魚礁的建設(shè)改變了礁區(qū)附近局部海域的潮流場(chǎng)和水交換，礁區(qū)潮流場(chǎng)東西向流速呈增加趨勢(shì)，南北向流速呈遞減趨勢(shì)，因?qū)嶋H投放效果造成魚礁區(qū)內(nèi)部潮流場(chǎng)紊亂，礁區(qū)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(shí)，人工魚礁投放后，只改變了礁區(qū)局部海域的水動(dòng)力環(huán)境，對(duì)海灣內(nèi)其他區(qū)域沒有影響，不會(huì)影響海灣的水動(dòng)力環(huán)境和海域使用功能。