渤海辽东湾典型人工鱼礁区域水沙动力特征与格局优化探讨

舒安平，秦际平，2，孙 涛，杨 薇，王梦瑶，朱家品

（1.北京师范大学 环境学院 水沙科学教育部重点实验室 水环境模拟国家重点实验室，北京 100875；2.云南省环境科学研究院 环境规划研究中心，云南 昆明 650034；3.北京市水资源调度中心，北京 100038）

1 研究背景

近年来，由于受生境退化、近海环境污染、对鱼类资源的过度捕捞和全球气候变化等因素的影响，全球海洋渔业资源明显衰减［1-4］。人工鱼礁是人为建造或放置在海底的水下结构物，被认为是减轻人类活动对沿海生态系统的影响，提高渔业产量的有效措施，并因此而蓬勃发展［5-6］。人工鱼礁投放到海域后，由于其阻碍作用，海水来流会向上抬升形成上升流，部分海水会穿过礁体产生涡流和沉积流等［7］。上升流的存在能促进上下层海水交换，增加底表层营养盐输运，增强饵料效应，对鱼类有较为明显的吸引力［8-9］；在礁体背面存在速度较小且平缓稳定的涡流区，有利于营养物质的沉积，为鱼类等生物提供栖息、避敌和索饵的场所，有较为明显的集鱼效应［10-11］。这种流场效应被认为是影响海洋环境的主要机制之一。

目前，针对人工鱼礁水动力学特性研究，前人常用的方法主要有数值模拟仿真计算［12-13］和水槽［14-15］或风洞［16-17］模型实验，也有部分学者应用了粒子图像测速技术［18-19］。分析研究布设间距对人工鱼礁流场效应的影响。崔勇等［20］采用数值模拟方法探究了布设间距对方形组合礁体流场效应的影响，结果表明两组礁体之间的最佳布设间距应为礁体尺寸的1 ～ 1.5 倍。王佳浩等［21］采用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，结果表明布设间距对2 个鱼礁单体间的旋涡数量、旋涡方向、涡量大小和涡量分布范围均有影响。于定勇等［22］通过室内水槽实验和数值模拟技术，研究了空心梯形台人工鱼礁体布设间距对水动力特性的影响，发现双礁体的上升流规模、阻力系数均与垂直水流方向布设间距成反比，上升流规模随平行水流方向布设间距成正比。关长涛等［23］采用RNGk-ε湍流模型和SIMPLEC 数值模拟方法，分析了布设间距对三圆管型人工鱼礁流场效应的影响，研究显示横向组合时布设间距等于礁体尺寸时获得的上升流和背涡流的规模和强度最大；纵向组合方式时布设间距为礁体尺寸的1.5 ～ 2.0 倍时流场效应最佳。刘洪生等［17］通过风洞实验研究了正方体、金字塔及三棱柱人工鱼礁体在4 种纵向布设间距条件下的水流场，发现当礁体布设间距为1 ～ 1.5 倍礁长时，流场效应差异显著。综上分析可见，目前前人对人工鱼礁布设间距的研究大多集中在两单体礁之间，除了许联锋等［24］近年对渤海湾M 型人工鱼礁区域流场分布特征及海床泥沙起动特征进行过分析以外，对于单位鱼礁群等较大尺度下的布设间距的研究则比较少见，特别是缺乏方形鱼礁群水动力学特性研究。同时，对不同人工鱼礁流场效应优劣的比较多停留在根据实验现象或数值模拟结果进行相应描述，缺乏经过一定方法进行系统评价后得出优劣程度的结论。

为此，本研究应用粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry，PIV），通过水槽模拟实验，探讨布设间距对方形生态礁单位礁流场及紊动效应的影响，采用熵值法对实验结果进行系统评价，以期为单位鱼礁内间距的选取和鱼礁的合理布局提供参考。

2 水槽模拟实验概况

本实验在北京师范大学环境学院水沙科学教育部重点实验室的多功能循环水槽中进行。以辽东湾人工鱼礁建设区为背景，基于拟投放的典型人工鱼礁单位礁原型进行合理比尺缩放，采用PIV 技术进行人工鱼礁水槽模拟实验，探讨方形多功能复合型生态礁（以下简称为方形生态礁）在不同流速条件下及不同单位鱼礁内间距的水动力学特性，并以此为基础进行格局优化。

2.1 实验装置多功能水槽及PIV 系统结构示意图如图1所示。多功能水槽底部和侧面均为透明玻璃，水槽长25 m，宽0.8 m，高0.8 m；实验段长4 m，宽0.8 m。水循环系统由地下水库、水泵、蝶阀、蓄水池、水槽、尾门、尾水库、回水渠等组成，实验水流条件由流量控制系统控制。流量控制系统由综合控制箱、变频器、水泵、电磁流量计、计算机、串口卡和信号数据采集卡等组成，可以实时地采集并调整流量信息、水位信息以及尾门信息等。实验过程中，通过调整电磁流量计和变频器控制实验流量大小，同时结合调节尾门开度，以保持水深恒定，从而达到各实验设计条件。

图1 多功能水槽及PIV 测量系统结构

PIV 是一种基于流场图像互相关分析的非接触式二维流场测量技术，能在不干扰流场的情况下测量瞬时流速场，是研究湍流等复杂形态瞬态流动的有力手段［25-26］。本实验使用的PIV 系统由Dantec Dynamic 公司生产，其硬件系统主要包括戴尔计算机、激光发射器、同步器和高速数码相机（以下简称为CCD 相机），工作软件为该公司出品的Dynamic Studio 软件，通过这一款软件控制激光的发射、图像的捕捉以及进行后续流场数据的处理。本实验采用的示踪粒子为水体中存在的杂质粒子，已经过反复测试确定其可以满足流场测量的需要。

2.2 实验材料本实验以辽东湾拟投放的方形生态礁单位鱼礁为原型进行实验设计（如图2所示）。方形生态礁单体礁原型尺寸为长3.5 m，宽3.5 m，高1.5 m ，单位鱼礁为五点对称式排布，四个顶点和中心各投3 个单体礁，单体礁之间间距为1 倍礁长3.5 m，呈品字形排列，15 个单体礁构成边长为50 m 的正方形单位礁，四个顶点上的鱼礁组与中心鱼礁组的间距约为19.50 m。鱼礁模型按照几何比尺50∶1 进行设计，制作材料为有机玻璃，则单体礁模型尺寸为长0.07 m，宽0.07 m，高0.03 m。由于水槽宽度限制，不能按完整的单位礁规格进行实验，因此选择单位礁原型排布中沿水流方向的三个鱼礁组为实验对象，实验时单位礁群由9 个单体礁构成，每组均为呈品字形排列的3 个单体礁，单体礁之间间距为1 倍礁长70 mm，鱼礁组的间距约为390 mm，记为L，在此基础上进行缩小和扩大。

图2 方形生态礁单位礁原型及单体礁原型示意

表1 实验工况

图3 单位礁构成及不同单位礁内间距的鱼礁摆放示意

2.4 实验步骤前期准备：调试PIV 系统，确定拍摄画面。按要求连接好电脑、激光和相机间的各个连接线。将激光放置于水槽底部正下方中央，使其从水槽底部打向水槽纵向中轴面，将CCD 相机架设于水槽侧面，镜头与片光面垂直。将带刻度的标定板放在中轴面上，调整相机参数拍摄一张清晰的标定图片。图4 为实验部分场景照片。

图4 水槽模拟实验场景

准备实验阶段：（1）使用透明双面胶将所有鱼礁模型按照不同的工况固定至水槽底部玻璃板上，使单位礁纵向中轴线与水槽中轴线重合。（2）将ADV 流速仪设置在鱼礁的上游1 ～ 2 m 处位置，用以确定来流速度。（3）启动计算机软件，打开相机等设备，预热激光。

正式实验阶段：（1）打开水槽流量控制循环系统，调节流量至设计值，调整尾门角度使水位到达30 cm。（2）待ADV 流速仪测量结果与设计流速相近时，打开激光，使用CCD 相机按既定参数采集500 帧（每帧包含A、B 两个画面）瞬时粒子运动图像，并保存。（3）由于CCD 相机能拍摄的最大画面（30 cm×20 cm）较小，本研究选择分段获取人工鱼礁流场图像。当前一拍摄点的粒子运动图像采集完成后，关闭激光，将激光发射器及相机沿水流方向平移至下一观测点位进行新一轮图像采集，此过程中需注意两次拍摄的粒子运动画面需要有部分重合区域，以便于后期数据处理。（4）重复以上操作至该工况下单位礁粒子运动图像拍摄完毕，随后关闭所有设备，该组次实验停止。实验结束后，利用软件进行图像分析提取速度场，将同一工况下的不同观测点的速度矢量图中数据导出，最终对全部实验资料进行整理、对比分析。

3 人工鱼礁区域水沙动力学特征

人工鱼礁投放后的流场效应主要表现为在鱼礁前方产生的上升流区域与在鱼礁后方形成的背涡流区域［19］，因此，本研究在分析水动力学特性时主要考虑礁体周围的上升流和背涡流分布情况以及前人研究较少的紊动强度变化情况。

3.1 上升流流场特征人工鱼礁投放后，来流受到礁体阻碍作用向上抬升形成上升流。上升流能促进上下层海水交换，增加营养盐输运，提高海洋初级生产力，增强礁区饵料效应，因此，通常将上升流的规模大小作为评价人工鱼礁流场效应优劣的重要指标。目前，对于上升流还没有一个统一的界定标准，本研究综合借鉴前人研究结论［12，27-28］，将垂向流速v与来流速度u0之比大于或等于10%的区域定义为上升流区域。

不同工况下上升流区域的分布情况表现出高度的相似性，上升流区主要集中于每组鱼礁的第一个单体礁迎流面上方尖角处，并大致以尖角为中心呈圆形分布，沿水流方向，后方礁体产生的上升流区的规模逐渐减小，规模最大的上升流区出现在第一个迎流单体礁的前方。但由于方形生态礁开口率较大，基本呈镂空的框架式结构，水流容易直接从礁体内部通过，阻碍作用较弱，因此产生的上升流区域不甚明显。图5（a）为单位鱼礁内鱼礁组间距为1.25L时不同工况下的上升流区域情况，图5（b）为对应工况下单体礁A-1 产生的上升流情况。

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图5 方形生态礁单位鱼礁不同工况上升流分布

以每个工况下上升流区域的长度、高度、面积等作为特征值进行比较分析，其中，采用最大上升流速度vmax和上升流平均速度vave两个指标来衡量上升流的强度，采用上升流最大高度Hupmax、上升流最大长度Lupmax和上升流总面积Sup来表征上升流的规模大小。上升流高度以鱼礁底部为零点计算。

图6 显示的是各组次不同工况下上升流特征值的变化情况。总体而言，4 种间距下的各项上升流特征值均呈现出随着流速的增加而增加的趋势，与前人的研究结论一致［17-20，27］。而在同一流速下，上升流特征值随间距变化并无明显变化。各间距下的上升流强度差异不显著，上升流最大流速约为来流速度的22.96% ～ 34.54%，与张硕等［14］的研究结论接近，大于虞聪达等［27］的研究结果。上升流平均流速约为来流速度的9.98% ～ 15.98%。上升流最大高度呈现出随着间距的增加先增大后减小的趋势，大致表现为1.00L>1.25L>0.75L>1.50L，约为单体礁礁高的1.15 ～ 1.50 倍，与崔勇等的研究结果较为一致［13-14，27］，而与关长涛等的研究结果略有差异［18，20］。上升流最大长度约为单体礁礁高的0.71 ～ 1.09 倍，大致表现为1.25L≈1.00L>0.75L>1.50L。上升流总面积整体表现为1.25L≈1.00L>0.75L>1.50L。

图6 不同流速条件下的上升流特征值随鱼礁群间距变化

3.2 背涡流流场特征人工鱼礁投放后，部分来流会穿过礁体在其背面产生速度较小且平缓的区域，由于其中有大量漩涡存在，故称之为背涡流区域。该区域涡流结构稳定，有利于营养物质的沉积，为鱼类等生物提供栖息、避敌和索饵的场所。背涡流的规模大小也是评价人工鱼礁流场效应优劣的重要指标。本研究将背涡流区域定义为在单体礁背面或内部形成的有漩涡存在的缓流区。

各组次不同工况下背涡流区域的分布情况也表现出高度的相似性，背涡流区主要集中于每组鱼礁的第一个单体礁背面，但基本没有大漩涡出现，整个流场内共产生3 个背涡流区，沿水流方向，背涡流区规模变化较小。单体礁内部也会有较小的涡流产生，但较整体而言规模过小，因此可忽略不计。图7 为单体礁A-1 后部不同工况下产生的背涡流情况。

图7 方形生态礁单位鱼礁内第一个礁体后部不同工况下背涡流区域

采用背涡流最大高度Hbmax、背涡流最大长度Lbmax和背涡流总面积Sb来表征背涡流的规模大小，背涡流高度以鱼礁底部为零点计算。对每个工况下的背涡流特征值进行比较分析。

图8 显示的是不同工况下背涡流特征值的变化情况。总体而言，4 种间距下的各项背涡流特征值均呈现出随着流速的增加而增加的趋势，与前人的研究结论相似［17-18，27］。而在同一流速下，背涡流特征值整体上表现为随间距的增加先增大后减小，均在间距为1.00L时达到最大值，大致表现为：1.00L>1.25L>0.75L>1.50L。背涡流最大高度约为单体礁礁高的0.76 ～ 0.86 倍，背涡流最大长度约为单体礁礁高的1.91 ～ 2.0 倍，两指标均略小于张硕等［15］的研究结论，不同间距间差异均不显著。

图8 不同流速条件下的背涡流特征值随鱼礁间距变化

3.3 紊动强度及其对泥沙起悬的影响水流的脉动结构主要是指紊动强度的分布，紊动强度是常用来描述紊流流场特性的一个重要指标，也是水流结构的重要性质。水流紊动与泥沙起动、扩散、悬浮和输运有密切联系。紊动与含沙量分布关系密切，近底的小尺度紊动是促使床沙悬浮的原动力，而远离的大尺度紊动是转运泥沙的重要因素，泥沙浓度和紊动强度沿垂线的分布有很大的内在联系［29］。水流的紊动结构在最小尺度上控制着鱼礁与周围海水的化学和物理相互作用［30］，另外，紊动结构的存在会改变泥沙颗粒的沉降速度，进而改变悬浮泥沙浓度，湍流对于泥沙输移和海床演变非常重要［31-32］。不同鱼类对水体紊动强度的喜好不同，投放鱼礁使紊流特征发生变化，亦能起到集鱼的作用。

紊动强度

式中：ui为i点上纵向瞬时流速；N为采样统计的个数。垂向紊动强度的表达式与上式类似。为了讨论方便，将紊动强度除以来流平均流速u无量纲化处理为纵向相对紊动强度σ′u和垂向相对紊动强度σ′v。计算出每个工况下整个实验区域的平均相对紊动强度，计算结果如图9所示。各组次不同工况下平均纵向紊动强度均大于平均垂向紊动强度，同一间距条件均大致呈现出随流速增加而减小的趋势。投放鱼礁后平均纵向、垂向紊动强度均大于无鱼礁时，说明投礁后水流条件变得更加复杂，能够起动和悬浮的泥沙和饵料颗粒增多，多样性的水流结构也为海洋生物的生活提供了更多选择。

图9 方形生态礁单位鱼礁各组次不同工况下平均相对紊动强度随流速变化关系

4 人工鱼礁布局方案优化的探讨

为了更好地判断方形生态礁单位鱼礁在何种布设间距下产生的流场效应最优，本文选取能体现流场效应优劣的上升流和背涡流的特征值，与水流条件密切相关的紊动强度和经济成本等11 个指标为评价指标，采用熵值法赋权，计算出各个工况下每个间距的流场效应评价得分，最后利用简单加权法计算出每个间距的综合得分，其值最大的为最优方案。

4.1 熵值优化方法熵值法的基本思想是从指标熵的角度来反映指标对评价对象的区分程度，某指标的熵值越小，说明提供的有用信息量越多，相应的权重也就越大；反之，熵值越大，表明指标越不重要［33-34］。

熵值法是一种客观赋权法，可以克服人为的主观因素，客观反映各指标的效用值，自提出以来，被广泛应用于很多领域问题的评价［35-38］以及多工况优化［39］、不同方案优选分析［40-42］中，对指标数量没有限制，实用性强，适用范围较广［34］。

熵值法的具体步骤［38］为：采用极值法将原始数据标准化，并评价对象的特征比重或贡献度（pij），再计算各项指标的熵值（ej）和差异系数（gj），对差异系数归一化，计算第j项指标的权重（Wj）：

最后，计算第i个评价对象的各项指标的综合得分（Yi）：

4.2 优化评价指标权重的确定建立两个评价指标体系，其中，第一个只考虑水动力学指标，第二个同时考虑水动力和经济成本指标，以探讨在鱼礁建设中生态效益与经济成本的平衡问题。对于经济成本指标，通过前期现场调查和文献调研等，了解到方形生态礁单体礁占据的空方量和每空方造价，但如果直接以每空方造价作为经济成本指标，则所有设计间距下该指标的数值均相等，此时该指标在综合评价中不起作用［42］。为了提高评价指标的合理性，通过采用单位鱼礁总造价和其所占面积，提出单位鱼礁每平方米造价指标，将其作为经济成本指标，具体结果如表2所示。

表2 方形生态礁单位鱼礁流场效应经济成本评价指标

按照熵值法计算出5个流速下各评价指标的权重，为了使权重更合理，采用各指标在5个流速下权重的算术平均值作为最终权重，具体如表3所示。由表可知，两个指标体系下各类型指标权重变化较小，排名均为：上升流>背涡流>紊动强度。经济成本指标权重为7.99%，在所有指标中排名第九，权重较小。

表3 方形生态礁单位鱼礁流场效应评价指标权重体系

4.3 评价结果分析根据确定的指标权重体系，按照式（3）计算出5 个设计流速下每个间距的得分，为了便于对不同间距的流场效应评价结果进行对比分析，最后采用5 个流速的算术平均值作为每个间距的综合得分Y，两个指标体系的综合得分分别记为Y1和Y2。

图10 显示了4 种间距下方形生态礁单位鱼礁流场效应的最后得分。仅考虑水动力指标时，综合得分表现为：1.25L>1.00L>0.75L>1.50L，1.25L和1.00L的得分显著高于0.75L和1.50L，但1.25L仅比1.00L差距很小，两者处于持平的位置。同时还可以发现，继续增加间距，综合得分明显下降，可能是因为方形生态礁从本质上看是一个框架式结构，其空隙率较大，透水性很强，当鱼礁组间距过远时，不能充分地发挥鱼礁间的协同效应等，因此在投放时单位鱼礁规模不宜过大。纳入成本指标后，综合得分表现为1.25L>1.00L>1.50L>0.75L，而且1.25L与1.00L得分差距较小，两者之间拟合在1.15L处存在相对极值，而0.75L和1.50L之间的结果互换了，这说明，经济成本对不同规模大小的方形生态礁单位鱼礁有较大影响，虽然在整个评价指标体系中经济成本只占8%的权重，但在实际建设大规模人工鱼礁群时经济投入是巨大的，在决定投放规模时要综合考虑鱼礁投放后所能产生的流场效应和建设成本。所以建议在实际投放方形生态礁单位鱼礁时在原设计间距的基础上扩大15%。

图10 方形生态礁单位鱼礁流场效应评价综合得分

5 结论

（1）各组次不同工况下的流场，模拟实验结果表明，总体而言，不论是上升流特征值还是背涡流特征值，同一间距下各项特征值均呈现出随着流速的增加而增加的趋势；同一流速下上升流特征值随间距变化并无明显变化，而背涡流特征值整体上表现为随间距的增加先增大后减小，均在间距为1.00L时达到最大值，大致表现为1.00L>1.25L>0.75L>1.50L。

（2）各个工况下，平均纵向紊动强度均大于平均垂向紊动强度，同一间距下大致呈随流速增加而减小的趋势。投礁后平均紊动强度均有所增大，表明能够起动和悬浮的泥沙和饵料颗粒增多，有利于提高海洋生物生产量。

（3）采用熵值法，基于水动力学特性和经济成本对4 种间距下方形生态礁的流场效应进行了两次评价。仅考虑水动力指标时，流场效应综合得分表现为1.25L>1.00L>0.75L>1.50L，但1.25L与1.00L持平，差距很小；继续增加单位鱼礁间距，综合得分呈明显的下降趋势，因此在投放方形生态礁时单位礁规模不宜过大。纳入成本指标后，综合得分表现为1.25L>1.00L>1.50L>0.75L。但1.25L与1.00L得分差距较小，经精细化模拟得出在1.15L处存在相对极大值，在综合考虑生态效益与经济成本，建议在实际投放方形生态礁单位鱼礁时在原设计间距的基础上扩大15%。

本文通过人工鱼礁水槽模拟实验对方形生态礁单位礁流场效应的上升流与背涡流特征以及紊动与泥沙起悬关联性进行了分析，并采用熵值法基于水动力和成本指标评价体系进行了综合评价，综合考虑生态效益与经济成本，建议在实际投放方形生态礁单位鱼礁时在原设计间距的基础上扩大25%，为人工鱼礁建设提供了参考依据。然而，由于本文选取的评价指标体系还不够全面，评价结果仍具有一定局限性，在未来的研究中尚需进一步完善。