莱州湾芙蓉岛西侧人工鱼礁建设对周边海域潮流场和水交换的影响研究

岳英洁，贺志鹏，冷 星，于 冬

（1.山东省淡水渔业研究院，济南 250013；2.山东省海洋工程咨询协会，济南 250013；3.中国海洋大学海洋地球科学学院，山东青岛 266100）

近几十年来，近海渔业资源衰退严重，采取适度投放人工鱼礁、增殖放流等渔业资源养护措施具有重要意义［1-2］。人工鱼礁是经科学论证后投放在海底的透水构筑物，礁体表面可供海藻附着生长，礁体本身有一定的集鱼效应，还可以避免使用拖网等非法渔具进行捕捞，对渔业资源起到保护作用。但人工鱼礁建设一定程度上会改变原有海域的自然属性，除了对底质造成直接影响外，人工鱼礁礁体与波浪、潮流、海流等水动力过程的相互作用对海域的潮流场和水交换也会产生一定影响。在适度进行人工鱼礁建设的同时，维持海湾内良好的水交换和排污能力是保障海洋渔业可持续发展的必要条件［3］，也是海洋渔业管理部门制定人工鱼礁、增殖放流等渔业资源养护计划时需重点考虑的因素。

国内外对人工鱼礁建设水动力影响的实验室模拟已有大量研究成果，主要集中在两个方面：一是建立或优化模型和计算方法；二是对不同形态的鱼礁单体或不同数量、不同排列方式构成的鱼礁组合进行物理模拟、数学模拟实验，综合考虑鱼礁建设成本、物理稳定性、环境影响程度等因素，得到某一特定条件下的最优鱼礁礁型和礁群组合等［4-9］。另外，礁体投放到海域后，因泥沙冲淤产生下陷、位移、倾覆等现象，部分实验室模拟研究在海洋水动力模型中还加入了泥沙悬浮与输运模块［10-11］。近年来，科研人员开始对人工鱼礁投放实际海域后产生的水动力影响开展研究［12-14］，但此类研究成果较少，尤其对海湾等敏感海域的影响研究更是缺乏。

本次研究根据2020年春季对莱州湾东侧海域的声呐探测结果，选取莱州湾内芙蓉岛西侧的人工鱼礁作为研究对象，对其建设前后潮流场进行三维数值模拟计算，分析人工鱼礁投放后不同水层潮流场的流速特征和水体交换的变化情况，探讨海湾内人工鱼礁建设对周边海域潮流场和水交换产生的影响，以期为科学合理建设人工鱼礁、保障海洋渔业可持续发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究对象

莱州湾是渤海三大海湾之一，位于渤海南部，以黄河三角洲与渤海湾相隔，属于次生海湾中的三角洲湾。芙蓉岛西侧人工鱼礁区位于烟台市莱州市芙蓉岛以西6 km的海域，地理坐标为119°43′03.22″～119°43′30.38″E、37°19′04.83″～37°19′54.57″N。2017年开始投礁建设，2018年建设完成，通过吊装等方式向海底投放单块礁体大于50 kg的石块礁形成鱼礁区，在石块礁上营造海藻场，通过人工放流等手段进行立体生态养殖。

1.2 研究方法

1.2.1 鱼礁数据采集

本次研究采用美国Klein公司Klein5000V2侧扫声呐对莱州湾内芙蓉岛西侧海域开展了侧扫声呐探测。根据人工鱼礁投放区的最小外边界范围，间隔25 m布设测线进行测量，后期进行声呐资料解译、水深地形资料潮位改正、声速改正等。根据测量结果，鱼礁区实测投放礁量约9.54×104m3·空，礁体占用海域面积8.67 hm2，据此构建人工鱼礁区的数学模型。

1.2.2 研究海域设置

1）计算域设置

本研究建立的海域数学模型计算域范围为辽宁登沙河、山东鸡鸣岛两点以及岸界围成的北黄海及渤海海域，坐标范围为37°04′14.22″～40°58′08.25″N、117°29′33.27″～122°41′36.62″E。

2）网格设置

模拟采用非结构三角网格，人工鱼礁建设前模拟区域内由42 169个节点和80 516个三角单元组成。人工鱼礁建设后模拟区域内由48 813个节点和91 692个三角单元组成。本研究对人工鱼礁礁体进行了概化处理，最小网格间距设置约为1.4 m，并对鱼礁区附近海域进行局部加密。3）模型水边界输入［15］

开边界：引用辽宁登沙河、中南、中北和山东鸡鸣岛多年潮位观测资料调和求得的M2、S2、K1和O14个主要分潮调和常数值输入计算。

闭边界：以大海域和周边岸线作为闭边界。4）计算时间步长和底床糙率

模型计算时间步长根据CFL条件进行动态调整，确保模型计算稳定进行，最小时间步长0.4 s，底床糙率通过曼宁系数进行控制，曼宁系数n取51～94 m1／3·s-1。

1.2.3 潮流数值模型

本次研究采用Mike21 HD潮流模型［15］分别模拟人工鱼礁建设前后的潮流场。该模型由丹麦水力学研究所研制，采用标准Galerkin有限元法进行水平空间离散，采用显式迎风差分格式离散动量方程与输运方程。模型采用非结构三角网格剖分计算域，网格设计灵活，可以在任意浅水区和海洋工程所在的重点区域局部加密网格，在模拟弯曲岸线附近海域时有较大优势，并且具有计算稳定、处理功能强大等诸多优点，已在全球70多个国家得到推广，近年来在我国被广泛应用于潮流场数值模拟、水质模拟与预测等方面的研究。

1.2.4 潮流和潮位验证方法

图1为潮流和潮位验证点所在位置。本次研究于2020年5月24日—5月25日在人工鱼礁区（C9站位）进行大潮期25 h连续潮流监测。2020年5月23日—5月25日在T2、T3站进行大潮期潮位观测，两站位涨、落潮历时约6 h 30 min，潮汐性质判别指数K均为0.8，属于不正规半日潮海区。

图1 验证点位置Fig.1 Verification point location

将实际潮流和潮位监测结果与模拟计算得到的结果进行对比验证，根据两者的吻合情况判定本研究建立的潮流场数值模型计算结果能否较好地反映人工鱼礁及其周围海域潮流和潮位特征，边界设置是否合理。

1.2.5 水体交换率计算方法［15］

为了分析比较人工鱼礁建设前后周边海域的水体净化能力，首先假定在莱州湾海域内均匀分布某溶解态保守污染物，原有污染物浓度值为Wc，水边界入流时给定该污染物在开边界的浓度为0，计算出不同时刻该污染物浓度值W，进而通过以下公式计算不同时刻被区外海水置换的比率，即水体交换率：

式（1）中，n为水体交换率；Wc为原有的污染物浓度值。W为某一时刻水体中的污染物浓度值。由上式计算n大小变化来说明污染物净化能力的强弱。本次研究通过计算礁区周边海域1个月水交换率的变化情况，分析鱼礁建设对水交换产生的影响。

2 结果与分析

2.1 数值模拟结果验证

2.1.1 潮流验证

根据连续监测结果，C9站位大潮期表层流速为4.00～43.80 cm·s-1，平均流速22.28 cm·s-1；中层流速为3.50～36.83 cm·s-1，平均流速19.02 cm·s-1；底层流速为1.67～25.37 cm·s-1，平均流速13.58 cm·s-1。

图2为C9站位大潮期实测潮流观测资料与模拟潮流计算结果的验证曲线。验证结果表明，对应观测点上模拟得到的潮流流速流向与实测潮流基本吻合，本文建立的潮流场数值模型计算结果能较好地反映人工鱼礁及其周围海域潮流运动过程和特征，可以作为芙蓉岛西侧人工鱼礁建设前后潮流场和水交换变化情况预测和评价的基础。

图2 潮流验证曲线Fig.2 Verification curve of tide

2.1.2 潮位验证

图3为T2、T3站位实测潮位观测资料与模拟潮位计算结果的验证曲线。验证结果表明，对应观测点上模拟得到的潮位曲线与实测曲线基本吻合，本次研究建立的数值模型计算结果能较好地反映人工鱼礁及其周围海域潮位特征，数值模型和边界设置合理。

图3 潮位验证曲线Fig.3 Tide level verification curve

2.2 人工鱼礁建设对潮流场的影响

2.2.1 涨急时潮流场变化情况

图4为芙蓉岛西侧人工鱼礁建设后，涨急时刻的表层、中层、底层流速变化情况。从平面范围来看，由于礁体投放比较杂乱，礁区内部流速变化出现一定程度的紊乱，东西方向各层流速呈增加趋势、南北方向各层流速呈递减趋势；从垂向上看，流速变化底层（水深4.6 m）＞中层（水深3.8 m）＞表层（水深1.5 m），底层流速最大增加量约为8.6 cm·s-1，最大减小量约为4.3 cm·s-1，增加量大于1 cm·s-1的区域距鱼礁区的最远距离为303 m，位于人工鱼礁区东南侧，减小量大于1 cm·s-1的区域距鱼礁区的最远距离为574 m，位于人工鱼礁区南侧。

图4 涨急时流速变化Fig.4 Flow velocity changes during rapid rise

2.2.2 落急时潮流场变化情况

图5为芙蓉岛西侧人工鱼礁建设后，落急时刻的表层、中层、底层流速变化情况。从平面范围来看，礁区内部流速变化出现紊乱，礁区及其东西方向各层流速呈增加趋势、南北方向各层流速多呈递减趋势；从垂向来看，流速变化底层（水深4.6 m）＞中层（水深3.8 m）＞表层（水深1.5 m）；底层流速最大增加量约为7.9 cm·s-1，最大减小量约为3.6 cm·s-1，增加量大于1 cm·s-1的区域距鱼礁区的最远距离为271 m，位于人工鱼礁区北西侧，减小量大于1 cm·s-1的区域距鱼礁区的最远距离为333 m，位于人工鱼礁区北侧。落急时流速变化趋势与涨急时基本一致。

图5 落急时流速变化Fig.5 Flow velocity changes during rapid drop

2.3 人工鱼礁建设对水交换的影响

图6为人工鱼礁建设后，局部海域1个月水交换率变化情况。总体上看，人工鱼礁局部海域水交换率略有增加，增量约0.1%。其中，西南部增量相对较高，为0.108%，西北部增量相对较低，为0.093%。

图6 1个月水交换率变化Fig.6 Changes of water exchange rate in one month

3 讨论

在人工鱼礁建设水动力影响的实验室模拟方面，前人已取得大量的研究成果。但实验室采用的鱼礁模型多为规则的框架礁，分布设计与实际投放效果也存在一定的差异，并且实验室研究大部分基于定常流场，没有考虑实际海域的复杂影响因素。本次研究根据2020年春季对莱州湾芙蓉岛西侧石块礁群的声呐探测结果建立数学模型，潮流和潮位验证结果表明，本次研究建立的数学模型精度较好，边界设置合理，可以作为鱼礁建设前后潮流场和水交换变化预测和评价的基础。

莱州湾潮汐主要受黄河口外半日无潮点的影响，潮汐类型属不规则的混合半日潮，强浪向和常浪向以北向（NE-NW）为主。湾内水动力环境较弱，水深10 m以浅海域的半交换周期为100 d［16］，礁区附近海域1个月水交换率约为12%。本次研究结果表明，芙蓉岛西侧人工鱼礁建设后，由于人工鱼礁投放块石的高度、大小和间距均比较杂乱，导致礁区内部潮流场发生一定程度的紊乱；礁区水平潮流场发生比较明显的变化，东西向流速呈增加趋势，南北向流速呈递减趋势；纵向上，底层潮流场流速最大变化量达7.9 cm·s-1，明显大于中层和表层，这一结果与陈钰祥等［12］和崔恩苹等［13］分别对广东惠州东山海人工鱼礁区和千里岩岛西部人工鱼礁区流场形态改变趋势和影响范围的研究结果相似，在数值上因礁体本身的形态差异和投放海域环境不同则有所差别。罗文强等［14］研究的海州湾人工鱼礁区原始地形存在明显的海底隆起，鱼礁建设后产生大量的上升流和背涡流，垂向流速流向变化比较明显，水平方向变化不大，而本研究海域底部地势平缓，所以结果与罗文强等［14］有所不同。鱼礁投放后，受狭管作用影响，鱼礁周边和上方的水体流经狭窄处时流速加快，导致水交换率较投放前略有增加，总体增量约0.1%。

根据声呐测量结果，芙蓉岛西侧人工鱼礁礁体最大高度为3.6 m，该处海域水深约7.6 m，鱼礁高度不足水深的1／2，礁体以上和单位礁体之间仍可以透水，因此对海域自然属性的影响主要在于改变了海底的地形地貌，对潮流场和水交换造成的影响只限于局部海域。研究结果表明，流速变化量大于1 cm·s-1的区域集中在礁区周边600 m范围内，对礁区外的影响很小，这与其他实际海域投放人工鱼礁的研究结果［12-14］一致。但本次研究是对海湾内1处人工鱼礁进行数值模拟得到的结果，如果在湾内建设多处人工鱼礁，造成的水动力影响会产生叠加效应。莱州湾老黄河口-刁龙嘴连线附近海域为莱州湾南、北部的水交换通道，在此大规模建设人工鱼礁会对南北海域的水交换产生一定影响，建议在该区域新建人工鱼礁项目前应进行充分论证，必要时开展潮流场和水交换影响专题研究。

4 小结

本文在侧扫声呐探测数据基础上进行数学建模，评估了在水动力环境偏弱的海湾内建设人工鱼礁对周边海域潮流场和水交换产生的影响。研究结果表明，莱州湾芙蓉岛西侧人工鱼礁的建设改变了礁区附近局部海域的潮流场和水交换，礁区潮流场东西向流速呈增加趋势，南北向流速呈递减趋势，因实际投放效果造成鱼礁区内部潮流场紊乱，礁区底层流速变化大于中、上层，水交换率较投放前略有增加；同时，人工鱼礁投放后，只改变了礁区局部海域的水动力环境，对海湾内其他区域没有影响，不会影响海湾的水动力环境和海域使用功能。