南黄海人工鱼礁群局部冲刷对海域水动力的响应研究

刘 针，程永舟，路川藤，罗小峰，齐 越

(1.长沙理工大学 水利工程学院,长沙 410114；2.交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术 国家工程实验室,天津 300456；3.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，长沙 410114；4.南京水利科学 研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,南京 210029；5.交通运输部规划研究院,北京 100028)

人工鱼礁的投放必将对局部乃至周边海域的水位及流场特征产生一定影响，从而改变局部乃至周围海域的物质输运格局，进而影响海域生产力。学者近年来通过水槽试验等手段研究不同水深、波浪要素条件下水流结构的影响和变化，得到人工鱼礁流场中上升流的大致范围以及上升流流态的分布特征[1]。人工鱼礁礁体周围水动力除了受海域自然条件的影响，礁体本身的形状、开口比、布设间距等也是影响其周围水动力的重要因素，于定勇[2]研究发现随着布设间距的增加，双礁体产生的上升流区体积逐渐减小，阻力系数逐渐增大。郭禹[3]提出以流场速度比、流场效应体积比、鱼礁尾部小涡生成速率作为流场强度指标，分析28 种均匀布设模式下单位鱼礁流场强度变化规律。Liu和Su[4]认为双礁体连线垂直于来流方向布设时流场效应较好。关长涛等[5]分析得到了上升流和背涡流的规模和强度随雷诺数、布设间距的变化情况。田庆林等[6]通过试验分析,了解和掌握了礁体破坏对渔业资源及其生态环境所造成的影响及其危害程度。关于人工鱼礁体的局部冲刷的研究较少，主要集中在通过现场观测、物理模型试验等手段对不同礁型和礁体布设方式的人工鱼礁局部冲刷特征进行描述，关于其局部冲刷影响因素的研究主要集中在恒定流条件下流速、水深、底质等条件对其局部冲刷的影响[7-10]。欧荣昌[11]通过对台湾西南海岸人工珊瑚礁现场观测发现，最大冲刷深度约为2.2 m，海床底质的差异为影响礁体冲刷情况的主要因素；Herrington T O J[12]通过观测人工礁的沉降和局部冲刷，发现礁体结构诱发的垂直洋流与洪水主导的潮流相结合引发近结构的冲刷和沉降。并在单向流波流水槽中确定了人工礁体大小、水深和波浪条件下礁体沉降参数。Yun和Dae-Ho[13]在单向流水槽中研究了人工礁组合在不同含沙量和水深条件下的局部冲刷特征。王佳浩等[14]采用计算流体动力学(CFD)技术,研究了不同布设间距下,多孔方型人工鱼礁周围水流运动的规律。

图1 南黄海人工鱼礁分布及研究区域示意图Fig.1 Distribution and study area of artificial fishing reefs in the southern Huanghai Sea

南黄海海域(启东近海)是江苏沿岸传统的渔业作业区，海洋生物资源丰富，也是众多经济生物资源的重要产卵场和索饵场。根据江苏南部海域人工鱼礁群的布局，计划投放鱼礁单体2 320个，建设29个鱼礁区，鱼礁空方体积为94 524 m3，建设人工鱼礁区面积约9.0 km2，共分五期工程，一期完成鱼礁群1-1～1-7，二期增加鱼礁群2-1～2-16，三期增加鱼礁群3-1～3-16，四期增加鱼礁群4-1～4-16，五期增加鱼礁群5-1～5-16。以2-4、2-7、2-10、3-11共4个区域(分别为A、B、C、D)的水下地形资料为基础分析人工鱼礁群的冲淤特征(区域位置见图1)。因此，研究深海人工鱼礁投放区礁体的冲刷特征以及其对海域流场效应的影响，对深入研究人工鱼礁这种空腔结构体的冲刷机制和针对南黄海海域特征的人工鱼礁的设计和投放有一定的理论和实践意义。

图2 方形框架鱼礁的立体图Fig.2 Stereogram of square frame reef

1 南黄海人工鱼礁局部地形变化分析

人工鱼礁建设区潮汐属正规半日潮，潮差较大，潮流强度中等；工程区海域海床底质泥沙以粉砂为主。波浪掀沙和水流输沙是整个海域宏观水动力特征;西洋潮流水道处于冲刷状态,有利于深槽的维持;含沙量等值线与等水深线形状大体一致[15]。工程区海域海床多年来呈微冲趋势，稳定性好。鱼礁单体大小规格为长3.6 m×宽3.6 m×高3.6 m。礁体外观为立方体，中间镂空。各棱边框架规格为0.20 m×0.20 m，经圆角光滑处理。礁体底部增加1个十字形框架形成“田”字造型。整个礁体为钢筋混凝土结构，总空方为46.66 m3(见图2)。

1.1 局部冲淤分析

鱼礁投放入水后，总体保持规划方案的“田”字型分布，但个体相对较散乱，主要因为鱼礁入水后难以精确定位。分析鱼礁投放后至声呐测量期间(大于300 d)期间冲刷稳定性，关于人工鱼礁冲刷深度的研究相对较少，参考桥墩的局部冲刷公式进行估算(远远夸大工程规模)冲刷稳定时间,冲刷公式的合理性及参数取值建议详见文献[16]，见如下公式

(1)

式中：tm为冲刷稳定时间，h；h为水深，m；v为流速，m/s；v0为泥沙起动流速，m/s。

经估算，稳定时间约在200～250 d，考虑到鱼礁个体尺寸远小于桥墩，且透空式设计，因此，实际冲刷稳定时间应小于估算值。根据鱼礁投放的时间，认为目前鱼礁周边的冲刷坑应已达到稳定状态。

图3 鱼礁群A、B周边冲刷坑图Fig.3 Scour pits around reefs A and B

根据投放鱼礁前后地形测量资料分析，区域A、区域B的冲刷坑深度在0.5～1.5 m，鱼礁最大高度在3.4～3.6 m，冲刷坑范围在10～20 m，约为礁体范围的2倍。总体来说，礁体周边普遍出现冲刷坑，礁体绝对淹没深度总体较浅。鱼礁周边形成冲刷坑后，泥沙在冲刷坑的东南和西北向形成少量的淤积，淤积幅度基本小于0.50 m，淤积区具有明显沙纹特征(见图3)。根据鱼礁群C、D两个区域的冲刷坑分布(见图4)可知，鱼礁群C、D区域冲刷坑最大深度约为1.5 m，鱼礁最大高度约为3.5 m。

图4 鱼礁群C和D周边冲刷坑图Fig.4 Scour pits around reefs C and D

1.2 冲刷坑特征分析

以冲刷坑范围为指标(平均直径和平均深度)，分析鱼礁群的空间分布对冲刷坑形成的影响，如图5所示，冲刷坑的范围随着鱼礁范围的增加而线性增加；冲刷坑的平均深度随鱼礁范围的增加变化较小，冲刷坑的平均深度受鱼礁的布置形式影响；冲刷坑的范围与平均深度均随着鱼礁群的高度增加而增加。

图5 鱼礁范围及最大高度与冲刷坑特征关系Fig.5 Relationship between reef range and the maximum height and scour pit characteristics

2 研究方法

为探讨鱼礁投放后对海域水动力的影响，采用CJK3D-WEM软件进行数值模拟研究。该软件系统的编制符合《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》(JTS/T231-2-2010)及相关现行行业标准的规定，2012年取得国家软件著作权登记(软著登字第0433442号)。

2.1 模型控制方程

(2)

式中：z为潮位；h为水深；H为总水深；u和v分别为x和y方向上的流体速度；f=2Ωsinφ为Coriolis系数(其中Ω为地球自转角速率，φ为当地纬度)；g为重力加速度；C为谢才系数；t为时间；Nx和Ny分别为x和y方向上的水流紊动粘性系数。

采用有限体积法对水动力泥沙方程进行离散，其具体离散方法及边界条件的处理参考文献[14]。

2.2 模型范围及参数

数学模型北侧至滨海港附近，南侧至启东市，模型南北向总长约287 km，外海边界至启东市东侧88 km，整个数学模型平面面积为4.2万km2，数学模型应包含整个辐射沙洲，以确保辐射沙洲区域水动力泥沙运动的完整性。数学模型计算区域采用三角形网格剖分单元，如图6，模型最小网格边长约为28 m，网格总数41 406个。

2.3 数学模型验证

图7 潮位验证图Fig.7 Tide level verification chart

数学模型验证采用2015年6月4日18:00～2015年6月5日18:00大潮潮位、潮流资料。图7～图8为数学模型潮位与潮流验证图。模型总体验证良好，能够反映附近海域的潮流运动。

2.4 鱼礁群的概化

单体人工鱼礁采用空心透水设计，且单体尺寸小，二维数学模型无法在大尺度海域中进行精确模拟，因此采用概化方法模拟人工鱼礁群。

采用地形概化方法，地形概化法为根据人工鱼礁的阻水体积，换算为网格地形

(3)

式中：Δh为概化地形增加高度；ΔV鱼礁为鱼礁的阻水体积；S为鱼礁所在处的网格单元面积。

图8 潮流验证图Fig.8 Power flow verification diagram

3 人工鱼礁对海域水动力的影响

鱼礁投放后，涨急时受人工鱼礁群的阻水作用，鱼礁群西北侧、东南侧水域流速减小，且越靠近鱼礁群处，流速减幅越大，水域流速减幅在0.01～0.07 m/s，影响范围约为鱼礁群西北侧11.4 km，鱼礁群西侧部分区域流速有少量增加，增加幅度在0.05 m/s以内，增加范围为西侧12.7 km。鱼礁群南侧、西南侧、东北侧涨急流速变化较小(见图9)。落急时，流速影响范围明显大于涨急。落急流速影响范围为鱼礁群东南侧15.1 km，与涨急流速变化相似，越靠近鱼礁群，流速减幅越大，大部分水域流速减幅在0.1 m/s之内，鱼礁群东侧部分区域流速稍有增加，增加幅度在0.03 m/s以内，增加范围为东侧12.3 km，鱼礁群西南侧、东北侧涨急流速变化较小(见图10)。落急流速变化幅度略大于涨急，人工鱼礁群内部涨落急流速变化幅度略大于人工鱼礁群外部。涨急时，人工鱼礁群西侧流速略有增大，增大幅度均小于0.05 m/s，其中13#点变化最大，约为0.042 m/s。人工鱼礁群西北侧、东南侧流速呈减小趋势，且越靠近鱼礁群处，减幅越大，其中9#点减幅约0.064 m/s。人工鱼礁群内部区域，落急流速整体减小，局部区域流速最大减幅0.062 m/s。落急与涨急总体变化趋势一致，人工鱼礁群东侧落急流速略有增大，增大幅度均小于0.03 m/s，其中24#点变化最大，约为0.030 m/s。人工鱼礁群西北侧、东南侧流速呈减小趋势，且越靠近鱼礁群处，减幅越大，其中28#点减幅约0.094 m/s。人工鱼礁群内部区域，落急流速整体减小，局部区域流速最大减幅0.119 m/s。

表1 计算工况表Tab.1 Calculation conditions

4 礁体冲刷对海域水动力的影响

礁体投放并冲淤稳定后，礁体周围冲刷坑的出现势必会引起局部区域水动力的变化，根据南黄海大范围模型水流条件的验证情况，为精细化模拟鱼礁群局部冲刷对周围水动力的影响，并结合江苏南部海域自然条件及人工鱼礁特征，采用数值水槽进行不同条件的模拟，数值水槽为长20 000 m，宽4 000 m，水深20 m，鱼礁附近网格加密(见图11)，最小网格边长3 m，网格总数为34 128个，时间步长1.0 s。数值水槽采用单向流控制，工程海域涨落急垂线平均流速约为1.0～1.4 m/s，数值水槽流速控制约为1.2 m/s，地形概化如图12。数值水槽计算工况共分为5组，分别为本底、方案一～方案四，具体见表1。

图11 数值水槽网格Fig.11 Numerical flume grid

图12 地形概化示意图Fig.12 Topographic generalization diagram

由于投放水域水深约在20 m，而鱼礁高度在2.5～3.6 m，因此鱼礁投放后，对整体流态影响较小。当鱼礁群附近地形不变时，鱼礁群东侧形成长条带的流速减弱区，长度约为4 km(图13)；当鱼礁群周边冲刷0.5 m后，礁体附近局部水域流速略有增大，幅度基本约在0.02 m/s(图14)；当鱼礁群周边冲刷1.0 m后，礁体群上下游水域流速均增大(图15)，幅度基本在0.02～0.04 m/s，礁体内部流速略有减小；当鱼礁群周边冲刷1.5 m后，礁体群上下游水域流速继续增大(图16)，幅度基本约在0.03～0.06 m/s，礁体内部流速减小约0.02 m/s。整体来说，鱼礁群附近地形改变后，鱼礁群上下游水域流速呈增大趋势，鱼礁群内部流速呈减弱趋势，但幅度相对较小。

5 结论

基于南黄海海洋牧场人工鱼礁群投放后的实测地形分析和数值模拟分析，对于南黄海人工鱼礁体的冲刷特征及冲刷形成后对局部海域水动力的影响分析得到以下结论：

(1)按照桥墩的局部冲刷公式进行估算礁体冲刷稳定时间，为200～250 d，考虑到鱼礁个体尺寸远小于桥墩，且透空式设计，实际冲刷稳定时间应小于估算值。

(2)通过现场地形分析，鱼礁群周边形成局部冲刷坑，深度在0.5～1.5 m，冲刷坑范围基本为鱼礁礁体范围的2倍。冲刷坑的范围随着鱼礁范围的增加而线性增加；冲刷坑的平均深度随鱼礁范围的增加变化较小；冲刷坑的范围与平均深度均随着鱼礁群的高度增加而增加。

(3)通过南黄海潮流数学模型研究，鱼礁全部投放后，鱼礁群西北侧水域流速减小，范围约为11.4 km；西侧流速略有增加，范围约为12.7 km；落急时，鱼礁群东南侧水域流速减小，范围约为15.1 km，东侧落急流速稍有增加，范围约为12.3 km。

(4)通过数值水槽试验研究，当鱼礁群附近地形不变时，鱼礁群东侧形成长条带的流速减弱区，鱼礁群附近形成局部冲刷坑后，鱼礁群上下游水域流速呈增大趋势，鱼礁群内部流速呈减弱趋势，但幅度相对较小。

(5)进一步针对鱼礁群附近地形的持续跟踪测量，根据鱼礁群的冲刷特征及其对海域水动力的响应分析，可对鱼礁体的设计和鱼礁群的布置方式进行有针对性的指导工作。