海上退役石油平台造礁的流场效应研究

张伯涵，张学庆，郑西来，管 瑞，宋晓冉

（1.中国海洋大学 环境科学与工程学院，山东 青岛 266100；2.山东省海洋环境地质工程重点实验室，山东 青岛 266100；3.海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100；4.青岛市水文中心，山东 青岛 266101）

目前，全球各地共有超过8 000座的海上石油平台，大多集中在墨西哥湾、东亚以及中东海域等地区，未来5 年将有600 多座海上石油平台面临退役［1-2］。当前常用的拆除弃置方法费用高，还会对原有的生态系统造成严重的破坏，因此退役平台造礁成了一种理想的处置方式［3］。平台造礁工程是指将退役平台改造为人工鱼礁投放，通过底质重构与流场营造作用，以食物供应与生态环境改造的形式实现养护、增殖渔业资源等功能［4-5］。

部分学者对人工鱼礁的影响机制进行了研究，认为人工鱼礁的集鱼效果主要与流场效应有关，人工鱼礁的流场效应决定着海域的营养盐和初级生产力水平，而且显著影响鱼礁的生物诱集和增殖功能［6-8］。上升流的形成促使礁区附近水体垂直交换，使海底的营养盐翻起和扩散，从而加快了营养物质的循环速度，使人工鱼礁区成为鱼类的聚集地；鱼礁背流面的涡流使流速减缓，造成大量的悬浮物停滞，从而为鱼类提供生长繁育的场所［9-10］。

目前，对人工鱼礁的流场效应研究，主要采用水槽试验和小尺度的数值模拟［11］。关长涛等［12］在水槽试验的基础上模拟了3 种不同流速条件下人工鱼礁周围的流场变化，发现礁体迎流面和背流面分别产生上升流和背涡流，其规模随着来流速度的增加而增大。Kim 等［13］通过数值模拟确定了24种不同鱼礁结构在同一流速条件下背涡流区域的大小，认为背涡流长度随着鱼礁体积的增加而增加，并且发现人工鱼礁结构越复杂，流场变化越大，但并不是人工鱼礁结构越复杂流场效应越好。庞运禧［14］对箱型、梯形台及三棱体不同投放量及投放角度条件下的流场变化进行分析，认为不同类型的人工鱼礁适用于不同的摆放角度；人工鱼礁投放量越大，流场效应越强，但是在到达一定程度后增长率逐渐减小。目前的研究主要采用水槽试验和实验室尺度数值模拟，并采用定流速的海洋边界，而实际上海流的大小和方向持续地发生变化，实验室的模拟结果与实际情况往往产生较大的不确定性。

近年来，一些学者开始建立鱼礁建设条件下实际场地的数值模型，定量研究流场变化特征。Martyanov和Ryabchenko［15］模拟了波罗的海湾鱼礁建设后区域流场的变化，认为人工鱼礁引起的流场效应是一个局部变化过程，主要受潮流大小的影响。罗文强等［16］建立了海州湾人工鱼礁区数值模型，认为鱼礁建设后对局部的水平流场和垂向流场都产生了影响，而且大潮时流场变化较大，小潮时相对较小。这里基于埕岛油田退役平台造礁示范工程，定量评价不同平台造礁规模下流场的动态变化，解析平台造礁规模与造礁功效的内在关系，研究成果为退役平台改建为人工鱼礁提供科学依据和技术支撑。

1 数值模拟方法

1.1 研究区环境概况

埕岛油田位于山东省东营市河口区北、渤海湾西南部海域，水深为10～18 m左右。根据山东省人民政府2004 年公布的《山东省海洋功能区划报告》［17］，埕岛油田海域属于海洋捕捞区、油气区和养殖区；地处中纬度，四季分明，全年的平均气温为11.7 ℃，降水多集中在夏季6—8 月份，占全年降雨量的三分之二。埕岛油田海域全年平均南风出现频率最高，东北风出现最少，全年的平均风速为5.3 m/s；波浪具有风浪特性，一般波浪周期不大，从季节变化来看，波浪呈现秋冬大而春夏小的趋势；该海域的海流主要以潮流为主，潮流属于半日潮，其运动形式为往复流，其主流方向与岸基本平行，其中大、小潮期一般各为3 天左右，大潮期平均流速介于18.7～59.1 cm/s 之间，小潮期平均流速介于12.7～39.1 cm/s 之间。这里依托的退役平台造礁示范工程，以埕岛油田井组平台CB6A 的水下钢架结构作为主体框架，通过将上部结构拆卸，并将由方形钢筋混凝土鱼礁单体、管状鱼礁单体和石料等组成综合材料的鱼礁单元进行集中投放，形成堆积型鱼礁山。

1.2 模拟范围与边界条件

为了提高计算精度，采用模型嵌套的方法进行计算，以渤海为大区域模型的模拟区，在大区域模型中嵌套局部区域模型，局部模拟区为埕岛油田所在的渤海西南部海域（见图1）。大区域模型水位边界位置取自烟台到大连的连线，通过多年潮位观测资料调和求得M2、S2、K1、O1四个主要分潮调和常数值，将由此常数预报得到的潮位资料作为开边界输入。局部模型水位边界通过大区域模型计算求出，模型渤海海域岸线数据摘取自Google Earth 软件的地理成像；水深数据以航海保证部出版的相应海域的海图为基础，并补充实测的水深数据，最终进行线性插值得到计算区域内各个网格节点上的水深值。

图1 各模拟区分布示意Fig.1 The distribution of each simulation area diagrams

图2 区域模拟区和局部模拟区的网格剖分Fig.2 The mesh segmentation of selected regional and local simulation areas

因为退役石油平台体积庞大，由平台造礁拆分的鱼礁单体适合于堆积成为鱼礁山。根据现场平台造礁示范工程，鱼礁山顶部边长100 m，底部边长200 m，这里定量分析鱼礁山高度分别为3、6、9 m 时的流场动力学效应。由于堆积型鱼礁山规模大，经过鱼礁山的流量比渗流量大得多，故将鱼礁山概化为不透水结构。另外，在鱼礁山四周200和400 m处分别选取了8个典型点位，见图1（c）。

1.3 控制方程

采用三维数值模拟软件MIKE3 中的Flow Model 进行数值模拟。该模拟系统基于三维不可压缩的雷诺平均Navier-Stokes 方程的数值解。模型包含连续性方程、水平方向动量方程、温度和盐度输运方程、密度方程，采用湍流封闭模式封闭。水平方向上可应用球坐标系和笛卡尔坐标系，通过应用sigma坐标转换将自由水面考虑在内。

水动力连续性方程：

式中：x、y、z代表笛卡尔坐标系的3个坐标；u、v、w代表x、y、z方向上流速；S代表源汇项。

动量守恒方程：

在x方向上

在y方向上

式中：t代表时间；f表征Coriolis参数；g代表重力加速度；η代表水位高程；d表示静止水深；ρ0表示参考水的密度；pa表示当地大气压；h表示总的水深值；ρ表示水的密度；vt代表垂向涡黏系数；sxx、syx、sxy、syy分别代表辐射应力分量；Fu、Fv为水平应力项；ƒu、ƒv分别为科氏加速度；usS、vsS分别为源项入流产生的加速度。

在垂向上，采用k-ε模型进行求解，该模型中垂向涡黏系数vt通过湍流参数k和ε得到，即：

式中：cµ代表经验常数；k代表单位质量的湍流动能；ε代表湍流动能耗散率。

1.4 计算域网格剖分与参数设定

模型采用三角形网格剖分计算域，大区域模型相邻网格节点最大空间步长为5 km，在研究区域水域进行局部加密，最小空间步长为300 m，共生成节点56 008 个，网格111 435 个；局部区域模型相邻网格节点最大空间步长为3 km，在工程附近水域进行局部加密，最小空间步长为100 m，共生成节点5 092 个，网格10 133个。垂直方向上均采用sigma均匀分层模式，在垂向上共分为10层，每层网格约为1 m，鱼礁山分布涉及3层及以上网格，垂向分层能够分辨出鱼礁山对水动力的影响。

根据CFL 条件限制，最小时间步长0.01 s，CFL 数临界值为0.8。绝对干点水深为0.005 m，淹没水深为0.05 m。底床糙率通过曼宁系数进行控制，曼宁系数n取60～70 s/m1/3［18］。

1.5 模型验证

大区域模型利用塘沽、小清河口2 个站位的2021 年12 月1 日逐时潮位资料进行验证，采用青岛环海海洋工程勘察研究院T1、T2、T3 测点（点位见图1）2021 年8 月5 日的潮流实测资料进行潮流验证，各观测点潮位和潮流模拟结果与实测资料基本吻合（见图3），说明该模型能够很好地反映工程周边的水动力条件。

图3 模型中各点位实测值与模拟值关系曲线Fig.3 Relationship curves between measured and simulated values at each point in the model

2 结果与分析

鱼礁山周边水平流场的缓流区会为鱼类提供舒适的生存环境和庇护所，而垂向流场则会促使底层的营养物质向上涌起，从而为鱼群提供充足的食物，所以定量研究人工鱼礁的流场效应具有重要意义［19］。

2.1 水平流场

2.1.1 大潮涨急

大潮涨急时无鱼礁山和不同高度鱼礁山（3、6、9 m）条件下水平流场见图4，其中黑色三角形为鱼礁山的分布区域。由图4（a）可以看出：在没有鱼礁山的条件下，沿着海流方向（从东南向西北），流速略有减小，由0.410 m/s减小至0.350 m/s。由图4（b）可以看出：当鱼礁山高度为3 m时，由于鱼礁山相对研究区面积来说较小，水平流场的流向没有发生明显变化，但在鱼礁山迎流面出现了一个圆形的低速区域，面积约为0.32 km2，流速由无鱼礁山时的0.380 m/s 减小为0.370 m/s，这主要是鱼礁山的阻流效应所致；在鱼礁山背流面也形成了一个低流速的紊流区，面积约为0.39 km2；由于绕流的影响，鱼礁山两侧流速增大，影响范围约为0.52 km2；在鱼礁山上部，也出现流速增大区域，且变化幅度更大，但其影响范围相对较小。可见，鱼礁山对流场的影响局限于其周边范围。当鱼礁山高度为6 m 时，水平流场变化见图4（c）。从图4（c）中可以看出：6 m 高鱼礁山对水平流场的影响比3 m高鱼礁山的影响更大；在鱼礁山迎流面出现了一个范围更大的圆形低速区域，面积约为0.44 km2，流速由无鱼礁山时的0.380 m/s 减小为0.365 m/s，其阻流效果更加明显；在鱼礁山背流面形成的低流速紊流区总面积无明显变化，但流速变化幅度较大的区域面积（约为0.09 km2）明显增大；在其两侧和顶部，流速增大区域面积约为0.68 km2，且流速最大值也从0.390 m/s 增大至0.420 m/s。由图4（d）可以看出：在9 m 高鱼礁山条件下，迎流面阻流区和背流面紊流区的流速变化幅度和变化区面积比6 m 时更加明显，阻流区面积由0.44 km2增大为0.52 km2，流速的最小值也由0.365 m/s 减小至0.360 m/s，紊流区面积由0.39 km2增大到0.47 km2，说明9 m 高鱼礁山的阻流效果更明显；但是，两侧流速增大区域较6 m 高鱼礁山时并无明显变化，这说明鱼礁山到一定高度后，两侧的流速变化范围和强度逐渐趋于稳定状态。

图4 大潮涨急时不同高度鱼礁山条件下平面流场Fig.4 The plane flow field under different height of fish reef mountain at the time of high tidal surge

2.1.2 小潮涨急

小潮涨急时无鱼礁山和不同高度鱼礁山（3、6、9 m）条件下水平流场图见图5。由图5（a）可以看出：在小潮涨急时，无鱼礁山条件下水平流场情况和大潮时无鱼礁山的水平流场基本一致，但流速整体更小，从东南向西北，流速由0.210 m/s 减小至0.160 m/s。由图5（b）可以看出：小潮时3 m 高鱼礁山区域流场变化与大潮时较为相似，形成的阻流区和紊流区面积与大潮时相差不大，分别约为0.28 和0.37 km2，但小潮时流速变化相比大潮时更小，变化值约为0.008 m/s。从图5（c）和5（d）同样可以看出，小潮时所受影响区域面积与大潮时相差不大，但流速值变化更小。这表明流速变化区域受鱼礁山规模影响更大，而海流速度大小对流速变化值影响更明显。

图5 小潮涨急时不同高度鱼礁山条件下平面流场图Fig.5 The planar flow field under different height of fish reef mountain at the time of small tidal surge

2.1.3 大潮期水平流速变化

为了更加直观地反映鱼礁山对局部区域流速的影响，分别在鱼礁山四周200和400 m处选取了8个典型点位进行测流，计算其在大潮期内垂向平均流速的动态变化。图6为0、3、6和9 m鱼礁山高度条件下大潮期典型点位一天各时刻平均流速变化图。

图6 鱼礁山高度为0、3、6和9 m时大潮期典型点位24 h流速变化Fig.6 The variation of 24 h flow velocity at typical points during high tide when the height of fish reef hill is 0, 3, 6 and 9 m

从图6（a）可以看出：A 点流速小于0.2 m/s 时，各高度鱼礁山附近的流速相差不大；当A 点流速大于0.2 m/s 时，各高度鱼礁山附近平均流速变化明显；在12：00 前后，流速达到最大值，超过了0.4 m/s，而且9 m高鱼礁山附近的流速要大于6、3 m 和无鱼礁山时的速度，这也说明平均的水平流速随着该点来流流速增大和鱼礁山高度增高而增加。由图6（b）可知：与A点相比，当流速最大值超过0.4 m/s时，各高度鱼礁山条件下A1点处的流速并无明显差异，这说明随着远离鱼礁山流速影响逐渐减弱。由图6（c）、（d）可知，B 点和B1点流速变化与A 点和A1 点相似：当流速较小时，各高度鱼礁山条件下B 点的流速无明显差异；当流速大于0.3 m/s时，随着流速逐渐增大，各高度鱼礁山在B点的流速出现明显差异，而且鱼礁山高度越高，流速差异越大。C 点和C1点与A 点和A1 点变化趋势也较为相似，见图6（d）、（e）。但是，不同鱼礁山高度时C 点的流速变化幅度小于A 点，这是因为C 点位于阻流区和鱼礁山两侧流速增大区交汇处，受鱼礁山的影响相对较弱。D 点则与A、B、C 点的流速变化相反，见图6（g）：当流速小于0.3 m/s 时，9 m 高鱼礁山条件下D 点的流速要依次大于6、3 m和无鱼礁山时的相应流速；当流速超过0.3 m/s时，各个高度鱼礁山条件下D点的流速差异逐渐减小。这是因为D点位于阻流区和流速增大区交汇处，流速较小时D点未受到鱼礁山阻流影响，而且随着流速逐渐增大阻流效果变得更加明显，从而使9 m高鱼礁山对D点的影响要大于其他高度的鱼礁山，所以流速增幅更小。D1 点则处于阻流区，但距离鱼礁山较远。当流速小于0.3 m/s 时，D1 点所受影响较小；当流速超过0.35 m/s时，9 m 高鱼礁山在D1点的流速要依次小于6、3 m 和无鱼礁山时的相应速度，见图6（h）。在这种情况下，鱼礁山的阻流效果随着流速逐渐增大而逐渐增强。

2.2 垂向流场

2.2.1 大潮涨急

大潮涨急时无鱼礁山和不同高度鱼礁山（3、6、9 m）条件下沿水平流场方向经鱼礁山中部的垂向流场见图7，其横纵坐标分别为场地截取宽度和高度。

图7 大潮涨急时不同高度鱼礁山条件下沿水平流场方向经鱼礁山中部垂向流场Fig.7 The vertical flow field along the horizontal flow direction through the center of the reef hill at various reef hill heights during high tide

由图7（a）可以看出：在无鱼礁山的时候，垂向流速接近于0，这是因为在没有鱼礁山等外部构筑物干扰的情况下水平辐散能力很弱。由图7（b）可以看出：当鱼礁山高度为3 m时，在迎流面上从鱼礁山底部往上流速由0.002 8 m/s 逐渐减小至0.001 6 m/s；其背流面从上往下流速由0.001 6 m/s 逐渐变大为0.002 4 m/s；鱼礁山迎流面上升流辐射面积与背流面背涡流辐射面积比较接近。由图7（c）可以看出：与3 m 高鱼礁山相比，6 m 高的鱼礁山处垂向流场发生了更明显的变化，其迎流面的上升流速均超过了0.002 8 m/s，且辐射区域面积大约增加了2 倍；其背涡流的流速与面积也均有所增大，且背涡流区域延伸到了鱼礁山底部附近。由图7（d）可以看出：在9 m 高鱼礁山附近，与6 m 高鱼礁山相比，迎流面上升流流速超过0.002 8 m/s的范围更大；背涡流的流速与范围进一步增加，背涡流区域几乎延伸到鱼礁山底部。虽然9 m 高鱼礁山较6 m 高鱼礁山规模大大增加，但所形成的上升流和背涡流的范围相差并不大，这说明垂向流场的变化与鱼礁山高度的变化不成正比。因此，在建设鱼礁山的时候，不仅需要考虑造流效应，也要考虑规模投入与流场效应的收益比。

2.2.2 小潮涨急

小潮涨急时无鱼礁山和不同鱼礁山高度（3、6、9 m）条件下沿水平流场方向经鱼礁山中部的垂向流场见图8，其横纵坐标分别为场地截取宽度和高度。

图8 小潮涨急时不同高度鱼礁山条件下沿水平流场方向经鱼礁山中部垂向流场Fig.8 The vertical flow field along the horizontal flow direction through the center of the reef mountain at different reef mountain heights during low tide rapids

由图8（a）可以看出：在小潮涨急时，无鱼礁山条件下垂向流场和大潮涨急时基本一致，垂向流速均接近于0，这说明在没有鱼礁山等外部构筑物干扰的情况下水平来流速度的大小对垂向流速几乎无影响。从图8（b）中可以看出：在3 m 高鱼礁山时，在小潮涨急条件下上升流和背涡流的范围和流速大小也相差不大，最大流速为0.001 2 m/s，与大潮涨急时相比垂向流速减小较多，这表明鱼礁山附近形成的上升流和背涡流流速随水平来流速度的减小而减小。由图8（c）可以看出：小潮涨急时6 m 高鱼礁山垂向流场与大潮涨急时垂向流场变化范围基本一致，但比小潮涨潮时3 m高鱼礁山附近上升流和背涡流流速有明显增大，最大流速由0.001 2 m/s 增至0.002 0 m/s。同样可以得出，当水平流速度较小时鱼礁山规模越大，产生的垂向流速也越大。从图8（d）中看出：与6 m 高的鱼礁山相比，9 m 高的鱼礁山附近产生的上升流和背涡流的范围更大，并且最大流速均超过了0.002 0 m/s。小潮时9 m 高鱼礁山附近产生的垂向流场相较于6 m 高鱼礁山产生的垂向流场的变化比大潮更加明显，这也可以说明当水平来流速度较小时鱼礁山规模对垂向流场影响更大。

2.2.3 人工鱼礁垂向流场效应

上升流与背涡流的大小是评价人工鱼礁流场效应的重要指标。图9为大潮期一天中一个潮汐周期内不同高度鱼礁山处上升流与背涡流的高度与宽度变化曲线。本区为半日潮，在04：00和11：00左右流速最大，07：00和14：00流速最小。从图9（a）可以看出，各高度鱼礁山处上升流的高度随着时间呈现先增大、后减小的变化趋势，这是由于随时间变化水平流速先增大后减小所导致。在07：00 和14：00 流速较小时，9 m 鱼礁山的上升流高度分别比6和3 m 鱼礁山处高1和2 m 左右；在04：00和11：00流速较大时，各高度鱼礁山的上升流高度相差较小，差值小于0.5 m。这也表明当水平来流速度较小时鱼礁山规模对垂向流场影响更大；水平来流速度较大时，不同鱼礁山规模对垂向流场影响相对较小。从图9（b）可以看出：从05：00到08：00水平流速较小，各高度鱼礁山处上升流宽度均较小，且相差5 m左右；随着水平流速增大，各高度鱼礁山附近上升流宽度均有所增加，且不同高度情况增加幅度可达8～15 m，这表明上升流宽度受水平流速影响更大。由图9（a）和9（b）可以看出，无鱼礁山条件下上升流高度与宽度不随时间变化，这也说明无鱼礁山时仅凭水平流场辐散无法形成上升流。从图9（c）可以看出：当水平流速较小时，6 和9 m 高鱼礁山处背涡流高度相差1 m 左右，而与3 m 高鱼礁山的背涡流高度相差较大（大于1 m）；当达到最大流速时，9 m 高鱼礁山的背涡流高度较3和6 m时增长较大（约3 m），而6 m高鱼礁山后背涡流高度较3 m时增幅无明显变化。这说明水平流速较大时鱼礁山规模越大，其背涡流高度增长越快，值越大；水平流速较小时各高度鱼礁山后背涡流高度受鱼礁山高度影响较小。从图9（d）中可以看出：在开始的1～2 h 水平流速较小，3、6 和9 m 高鱼礁山的背涡流宽度均较小；随着水平流速逐渐增大，背涡流宽度随着鱼礁山高度增加而增加，且增加的宽度均在10 m以上；但是，当水平流速由大变小时，9 m 高鱼礁山的背涡流宽度递减幅度要远大于3 和6 m 高鱼礁山；当达到最小流速时（07：00左右），各高度鱼礁山的背涡流宽度相差不足5 m。这说明流速较小时各高度鱼礁山的背涡流宽度相差不大，而流速较大时背涡流宽度随着鱼礁山高度的增高而增加，背涡流大小受水平来流速度影响更大。

图9 不同高度鱼礁山一个大潮潮汐周期内上升流和背涡流的高度与宽度变化曲线Fig.9 Height curves and width curves of upwelling and back eddy currents in a high tide tidal cycle at fish reef mountains of varying heights

3 结 语

依托埕岛油田石油平台造礁示范工程，建立了实际海况条件下场地尺度的三维水动力数值模型，定量分析了不同高度鱼礁山条件下的区域水平和垂向流场的变化特征，并分析了不同高度鱼礁山对流场的影响效应。得出的主要结论如下：

1）投放鱼礁山后，沿着水平来流方向在鱼礁山两侧及上方均形成了流速增大区域，在鱼礁山前后则出现了流速减小区域。流速变化区域受鱼礁山规模影响更大，而海流速度大小对流速变化值影响更明显。随着鱼礁山高度增加，流速的大小与影响区域面积逐渐增大；但是，当鱼礁山达到一定高度后，对流场的影响开始逐渐减弱。

2）随着鱼礁山高度增加，不同来流速度条件下上升流与背涡流面积均有所增加。流速较小时鱼礁山高度的变化对垂向流场产生的影响更明显。相较于受鱼礁山高度的影响，上升流与背涡流大小受水平来流速度影响更大。

3）在渤海浅海区域水深小于20 m 时，鱼礁山高度过高并不会形成更佳的流场效应，因此在该区域退役平台改建鱼礁山时，高度应不超过9 m，避免造成资源浪费。