海上养殖设施与人工鱼礁融合布局流场分析

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(1 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092；2 青岛海洋科学与技术国家实验室，山东 青岛 266237)

自20世纪70年代末以来，海洋牧场主要以人工鱼礁建设[1]和增殖放流等为主要技术手段，对修复海域资源、恢复近海严重衰退的渔业资源起到了积极的作用[2-4]。构建人工鱼礁群落，应用网箱及筏架等养殖设施，可有助于实现渔民的转产转业。通过人工鱼礁区[5-6]、网箱及筏架在海洋牧场内综合布局，放流适量的底栖生物[7]，吸引本地鱼群在人工鱼礁区中栖息繁衍，同时，在附近海域开展经济性鱼类的网箱养殖，养殖大型藻类和贝类，是现代海洋牧场的主要模式之一[8]。美国自1968年正式提出了建设海洋牧场的计划，到2 000年，人工鱼礁数量达到2 400 处，海洋渔业资源量是投放前的43倍。日本在人工鱼礁建设、藻场(海中林)造成、鱼贝类增殖放流等技术研究与应用方面走在世界前列[9]。中国的海洋牧场以政府推动、企业参与管理与经营，充分发挥了海洋牧场的产业价值，并兼顾安排 “双转”渔民再就业[10]。国内外科研人员对海洋牧场人工鱼礁单体及鱼礁群的布局技术做了大量的研究[11-13]。白一冰等[14]建立了吕四渔场组合型人工鱼礁群二维潮流数学模型，模拟礁群实施后周边海域水动力的变化。邹涛等[15]用人工鱼礁投放区的座底海床基获取半年以上的水动力观测资料，通过谱分析、调和分析、滤波等方法分析该海区潮汐、潮流特征，并讨论余流特征。刘长根等[16]对大窗箱型鱼礁、大小窗箱型鱼礁、“卐(万)字”型鱼礁和双层贝类增殖礁进行流场分析，评价了鱼礁流场效应。兰孝政等[17]研究了圆台型礁的流场特征，流场、流态大部分指标优于传统礁型。中国南方大部分养殖海域每年都会受到破坏性的台风影响[18]，北方渤海海域多年一遇的大型风暴潮在寒潮大风期间极易发生自然灾害，摧毁海洋牧场的养殖设施，造成极大的经济损失[19]。

本研究根据水流速度在不同水层分布情况，提出在养鱼网箱(围栏)迎流面水域及其周边间隔均布多个人工鱼礁群落，在人工鱼礁区的背流面区域放置贝类及大型藻类筏架，用于台风期间遮挡较高的流速，同时起到集鱼和恢复海域生境的作用。本文对这种新型的人工鱼礁、网箱及筏架的布局模式，尤其是人工鱼礁区周边的流场及残饵粪便等污物[20]的携带能力进行了分析研究。

1 人工鱼礁、网箱(围栏)及筏架的综合布局

针对15 m水深的开放海域，将人工鱼礁、网箱(围栏)及筏架沿最大水流方向进行布置。单个人工鱼礁长4 m、宽4 m、高4 m。各鱼礁交错排列构建成鱼礁群，长100 m、宽100 m、高4 m。如图1所示，鱼礁群按边长1.5倍的间距进行排列。

图1 人工鱼礁、网箱(围栏)和筏架综合布置

在鱼礁的迎流面，两排礁群交错排列，在礁群背流面形成涡流，可降低水流速度[21]。在外部水流速度较高的情况下，保护了鱼礁群落后部的网箱。同时，筏架区域放置在鱼礁群落的后方，以期获得适宜的养殖水体。在开放海域，人工鱼礁群后部的网箱采用沉底式网箱养殖模式。在风浪较大时，依靠人工鱼礁群的遮挡作用，鱼群可以集中在网箱或围栏的下部，躲避海洋风浪对鱼群的影响。贝、藻筏架采用升降模式。鱼礁区后部呈开放式，保持落潮时水流畅通，便于带走网箱养殖过程中残饲和沉积的污物。饲料投放过程中，会吸引附近的鱼群前来觅食，觅食后在附近的礁群中栖息繁衍，有集鱼作用。在水流作用下，网箱养殖过程中产生的营养物被传递至贝、藻养殖区，对水体进行净化；落潮时水流将礁区内部过多的富营养物质带走。底播生物可以消化、吸收海带等水生植物的落叶，整个系统构建成生态型海洋牧场。运用商用FLUENT软件，基于RANS方程和有限体积法，对鱼礁流场进行数值模拟，依据数值模拟结果对鱼礁区进行优化研究。

2 人工鱼礁群落流场效应分析

2.1 控制方程

流体运动的质量守恒方程为：

(1)

式中：ρ为密度，kg/m3；t为时间，s；xi为直角坐标，m；ui为坐标系下的速度，m/s。

以上给出的是瞬态可压缩流体的质量守恒方程。这里流场内流体是不可压的，且密度ρ为常数，式(1)可以写成：

(2)

动量守恒定律也是任何流动系统都必须满足的基本定律。RANS方程可以写成：

(3)

2.2 边界条件

模型中的人工鱼礁群及网箱、围栏排列如图2所示。为了简化流场计算的复杂程度，忽略网箱及筏架的阻力，鱼礁固定壁面均为无滑移边界条件，为检验台风时强水流影响到海底的极端情况和海底较深区域的流场情况，矩形的上边沿为来流方向，边界条件为流速入口(Velocity inlet)，流速为1 m/s。矩形下边沿为海水流出方向，使用出流(Outflow)为边界条件来模拟流动。矩形两侧边，边界条件设置为对称边界条件，模拟无限流场。

图2人工鱼礁群及网箱(围栏)养殖沉淀物扩散区模型

2.3 计算网格及其可靠性

为保证流场的稳定性，计算域在鱼礁群落前后各增加了50 D流场(D为对应单个鱼礁边长)。计算流场设定为长10 000 m，宽5 000 m的矩形区域。人工鱼礁的中心位置坐标为：X=2 500 m，Y=5 000 m。对鱼礁群落采用O型网格处理办法，为了保证计算质量，壁面边界层进行了加密处理，整个流场均采用结构化网格(图3)。无量纲距离y+控制在60～300之间，充分保证了计算网格的可靠性。

3 人工鱼礁区流场效应分析

3.1 流场情况及分析

图4所示，在遇到风暴潮或台风等极端海况下，设人工鱼礁区海底层迎面区域海流速度为1.0 m/s，海流在迎流面的5个人工鱼礁群后方形成涡流区[23]，流速范围0.6～0.8 m/s，适合间隔放置养殖网箱(围栏)。在整个人工鱼礁群落后方，形成较大的涡流区，流速范围0.2～0.67 m/s，便于放置可升降的贝、藻养殖筏架。在青岛周边海域底层海流最大流速为0.62 m/s，进口边界以0.62 m/s逆向流进行数值模拟分析(图5)，逆向流至筏架区域的流速为0.52～0.62 m/s。至网箱区域的流速由于礁群的作用使通道变窄，流速为0.47～0.72 m/s。流速适当增加将有助提升海流对沉积物的携带能力。

图3 网格划分示意图

图4 人工鱼礁区迎面流1.0 m/s速度流场等值线图

图5 人工鱼礁区逆向流0.62 m/s速度流场等值线图

3.2 沉淀物携带能力分析

网箱养殖过程中投放的残余饲料和排泄物通常会形成沉淀物[24]，影响养殖水环境，因此需要水流将沉积物带走、扩散。安置在人工鱼礁区内的网箱可能会受鱼礁遮挡效应的影响而降低内外水流交换，使沉积物堆积[25]，因此需要分析海流对人工鱼礁区内养殖沉淀物携带能力。Fluent软件可以通过求解描述每种组成物质的对流、扩散和反应源的守恒方程来模拟混合和运输。在本计算区域内包含水体和沉积物两种材料，沉积物的密度设为1 100 kg/m3、黏度0.033 1 kg/(m·s)[26]，通过水体的流动及沉积物的扩散效应，将沉积物携带出养殖水域。

如图3所示，网格划分区域的中部添加3块区域单独划分网格，形成3个独立的流体区域，根据100 m×100 m养殖围栏的投饲量1 125 kg/d，其中15%直接落入水中，75%用于增加鱼的体质量和维持鱼类生命，剩余10%以排泄物的形式进入水体[27]。换算为流体区域内沉积物扩散量为2.17×10-8kg/(m3·s)。

模拟对象为青岛田横岛附近海域，潮流类型属规则半日潮流，潮流运动形式以往复流为主。青岛沿海潮汐规律：大潮，初一、初二、十四、十五、十六、廿九、三十；中潮，初三、初四、初五、初六、十八、十九、廿、廿一；小潮，初七、初八、初九、廿二、廿三、廿四；长潮，初十、十一、十二、十三、廿五、廿六、廿七、廿八。各层流速最大值均出现在表层，流速基本上自表层至底层逐渐减小。大潮期涨、落潮底层平均流速为0.31 m/s，小潮期涨、落潮底层平均流速为0.17 m/s，中潮期平均流速为0.24 m/s；大潮期涨潮流底层最大流速为0.62 m/s，落潮流底层最大流速为0.62 m/s，小潮期涨潮流底层最大流速为0.32 m/s，落潮流底层最大流速 0.36 m/s。

简化后的规则半日潮及往复流速度模型：

(4)

式中：v(d,t)—往复潮流速度，m/s；d—每月初一～卅；t—时间，1～24 h；INT表示取整函数，按四舍五入取整。

二次开发的入口速度变化UDF程序经Fluent编译后，由流速进口边界调用，实现入口速度随时间的变化而变化。根据半日潮及往复流的特性，每天海流方向每隔6 h发生变换。数值模拟分析了1个月的周期的小潮、中潮及大潮，往复海流(迎面流、逆向流)对沉积物的携带情况。

模拟结果显示，无论是迎面流还是逆向流，都具有将沉淀物输送迁徙的能力，但是过低的流速比如小潮时，沉淀物容易在局部区域由于涡流的作用使沉淀物的迁徙速度减缓，增加了局部的质量分数(指溶液中溶质质量与溶液质量之比)，如小潮时沉淀物的质量分数为3.80×10-6%，大潮时的质量分数为2.36×10-6%。同时，沉淀物的迁徙距离与流速有关，如图6所示，在小潮时，沉淀物的迁徙距离为3 672 m，中潮时的距离为5 184 m，大潮时的距离为6 696 m。海流将沉淀物迁徙至较远的距离，有利于物质的扩散，使养殖区域沉淀物浓度降低。图7为逆向流沉淀物迁徙，携带至鱼礁群落外部的部分沉淀物又被带回鱼礁群落内，中部的沉积物质量分数略有上升，最高为3.19×10-6%，随着时间的推移，质量分数逐渐下降，最后被潮流带出人工鱼礁群落。

在海流为1.0 m/s的前提下，沉积物在水流的带动下发生迁徙，质量分数仅为1.10×10-8%，海流携带沉积物能力良好，可见极端海况比如台风、风暴潮有利于海底沉积物的扩散。在最大逆向流为0.62 m/s的前提下，沉积物在水流的带动下发生迁徙，质量分数为1.68×10-8%，水体携带沉积物能力尚好。

图8所示，0～259 200 s是为期3 d的小潮期间，由于海流速度较低，网箱(围栏)养殖过程中形成的沉积物不能远距离扩散，沉积物逐渐增加；259 200～604 800 s是为期4 d的中潮期间，由于海流速度有所提升，沉积物携带增强，沉积物面积加权质量不再增加；604 800～777 600 s是为期2 d的大潮期间，海流速度快速提升，沉积物质量大幅减少。

图6 养殖区域迎面流沉淀物迁徙图

图7 养殖区域逆向流沉淀物迁徙图

图8 沉积物面积加权平均值与流动时间

4 结论

利用Fluent软件，对人工鱼礁群落、养殖网箱及贝、藻养殖筏架综合布局模式的流场做了深入分析。结果表明，在养殖网箱(围栏)外围，尤其是台风作用在水面形成的迎流面方向交错设置人工鱼礁形成屏障，遮挡较高水流速度，可大幅降低流入礁群内的水流速度，对设置在内部的网箱(围栏)起到了有效的保护作用。构建的规则半日潮往复水流模型，揭示了人工鱼礁区内携带网箱(围栏)养殖过程中形成的沉淀物的能力。在小潮涨落潮期间，养殖沉淀物会有所上升，但随着中潮和大潮的到来，海底流速上升，加快了沉淀物的扩散，并提高了海流对沉积物的携带能力，养殖区域内的沉积物减少。网箱及筏架本身阻力对流速会有一定的影响，考虑到过于复杂的模型可能会影响结果的精确性，因此未能加入综合研究。贝、藻对扩散的沉积物具有一定的过滤与吸收能力，净化水质。目前该模型尚未深入研究，待贝藻对沉淀物吸收模型建立后进一步讨论。

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