近年来,随着人类对海洋资源开发利用的加剧,我国近海海域出现了大量的海上浮筏养殖和底播养殖,导致海洋生态环境破坏严重,海洋渔业资源量锐减^[1-2]。建设海洋牧场是合理开发利用海洋资源、保护海洋环境的重要手段,因此国家十分重视近海现代化海洋牧场的建设与开发^[3]。研究表明,投放人工鱼礁是建设海洋牧场的关键技术手段之一^[4]。因此,合理地开发利用人工鱼礁对投放海域进行环境改善和修复海洋环境具有重要的意义,亟需开展相关研究工作。

早在19世纪30年代,美国就开始了人工鱼礁的建设。我国对人工鱼礁的研究虽然起步较晚,但围绕人工鱼礁礁型设计、鱼礁选址、鱼礁投放后的水动力特征等相关研究的成果丰硕,主要侧重于不同礁型单体或鱼礁组合的模型实验和实验室尺度的数值模拟,研究分析鱼礁投放前后对周边水动力环境的影响^{[5⇓⇓⇓⇓⇓⇓-12]}。相关物理模型实验需要考虑模型与原型间的比尺效应,小尺度的数值模拟分析无法考虑涨落潮动态变化下的潮流运动,因此在精准反映大尺度海域人工鱼礁投放前后的水动力变化等方面存在困难。近几年,随着数值模拟方法和仿真技术的发展,在实际海域中应用数值模拟技术分析不同类型鱼礁投放后的流场特性受到广泛关注。例如,崔恩苹等^[13]采用MIKE21软件对千里岩西部人工鱼礁建设区域及周围海域的水动力情况进行深度平均的二维数值模拟研究,结果表明工程建设后涨急时刻潮流流速增大的区域位于工程区域南、北两侧,就水动力环境而言,该人工鱼礁的选址合理。基于MIKE21潮流模型,岳英结等^[14]对莱州湾芙蓉岛西侧人工鱼礁布设前后周边海域的潮流场进行深度平均的二维数值模拟,结果表明人工鱼礁投放后只改变了礁区局部海域的水动力环境,对湾内其他海域没有影响。陈钰祥等^[15]基于非结构化网格的有限体积海岸海洋模型(Finite volume coastal ocean model,FVCOM)对广东惠州东山海投放人工鱼礁前后附近海域潮汐动力进行三维数值模拟,结果表明人工鱼礁建成后,其对研究区域的潮汐特性几乎没有影响。因此,对于大尺度海域人工鱼礁水动力的数值模拟研究主要集中在深度平均的二维模型,然而对于人工鱼礁投放后的三维水动力研究较少,亟需开展相关工作。

本文基于FVCOM水动力三维数值模型,对大长山岛海域人工鱼礁投放前后的潮流运动进行模拟,分析人工鱼礁投放工程对周围海域水动力的影响,旨在为北黄海海域人工鱼礁的选址提供参考。

FVCOM模型是麻省理工大学陈长胜教授主导开发的^[16],其采用有限体积法离散方程,并结合了有限元法的几何灵活优点,以及具有用于简单离散计算的有限差分法的优势,因此该模型被广泛应用于大型湖泊、河口及区域海洋的数值模拟研究,而且取得了大量的研究成果^[17-18]。模型水平方向采用非结构化的三角形网格对计算域进行空间离散,能够较好地拟合真实岸线。垂直方向采用Sigma坐标系,能够更好地贴合不规则的海底地形。FVCOM三维水动力模型控制方程组主要包括动量方程、连续方程、温度方程、盐度方程,具体公式如下:

动量方程:

连续方程:

温度方程:

盐度方程:

状态方程:

式(1)~(6)中,x、y、z分别表示笛卡尔坐标系的东、北和垂向方向坐标;u、v、w分别为x、y、z方向的速度分量;T表示位温;S表示盐度;ρ为海水总密度,等于ρ'扰动密度和ρ₀参考密度之和;P表示压强;f为科氏力参数;g为重力加速度;K_m为垂向涡黏性系数;K_h为垂向热涡流扩散系数;F_T、F_S分别表示热量、盐度扩散项;F_u、F_v表示水平动能扩散项;K_m参数利用修正的2.5阶Mellor-Yamada湍流模型求得^[19-20],水平扩散项系数由Smagorinsky涡流参数法确定^[21]。在边界层将湍流动能剪切力近似地认为是由边界附近的水平流的垂向剪切力产生的,简化的湍流动量方程如下:

式(7)~(8)中,q²=(u'²+v'²)/2为湍流动能;l为湍流尺度;K_q表示垂向涡流扩散系数;F_q和F_l分别表示湍流动能和湍流尺度的水平扩散项;P_s=K_m(${u_z}^2$+${v_z}^2$)和P_b=(gK_hρ_z)/ρ₀分别代表湍流动能的剪切力和浮力生成项;ε=q³/B₁l为湍流动能耗散率;W=1+E₂l²/(κL)²表示近壁面函数,其中L^-1=(ζ-z)^-1+(H+z)^-1,κ=0.4为von Karman常数,H为平均水深,ζ表示水位。

北黄海海域是位于山东半岛、辽东半岛和朝鲜半岛之间的半封闭的陆架浅海,受北上的黄海暖流和季节性黄海冷水团作用,再加上鸭绿江等河流的淡水汇入,海陆的相互作用比较强烈,导致该海域生态系统复杂多样^[22]。大长山岛位于辽东半岛东南、长山群岛北部,海域面积651.5 km²。大长山岛的东北部海域属于内陆浅海,海水水温有明显的季节性变化,潮流特征为正规半日潮,呈旋转流型,以逆时针旋转为主;该海域平均水深15 m,最深可达25 m,海水由北向南逐渐加深,海底绝大部分为软泥质,岛屿四周海底有岩礁、石砾和贝壳,底质适合开发底播养殖活动,在该海域投放人工鱼礁有利于虾夷扇贝的养殖。因此,在大长山岛的东北部海域积极开展人工鱼礁选址及规划布局,目的是增强该海域的生态功能和渔业资源养护,确保海域的可持续发展,具体研究区域如图1所示。根据设计规划,在大长山岛东北部附近海域投放人工鱼礁,该区域计划投放人工鱼礁用海面积4.5 hm²,人工鱼礁采用聚堆投放,共形成18个单位礁,每个单位礁分别由310个单体礁双层投放形成,高度不超过4 m;单位礁底部均为50 m×50 m的方形,单位礁矩阵式分布在鱼礁区,礁区单位礁之间间距为距东、西、南、北各约100 m,水深12~13 m,鱼礁区如图1所示。

岸线数据从Google Earth上提取,利用SMS(Surface-water model system)软件制作三角形网格,研究区域计算网格总数为65 472,节点数为33 703,网格最大分辨率为22.2 km,位于外海开边界处,最小分辨率为10 m,位于投放人工鱼礁海域,具体网格布置见图2。模型边界共有3种类型,渤海及北黄海陆地与海洋交汇处边界是闭边界,属性为陆地;北黄海外海约36°N处为开边界,属性为海洋;研究区域中诸多岛屿处,属性为岛屿。地形数据一部分采用GEODAS软件中ETOPO1数据集中提取,分辨率为1',另一部分采用基于85高程的实测水深数据,该数据覆盖了本文主要研究海域,且具有数据较准、精度较高的特点。本文模型采用冷启动,三维斜压模式,外模时间步长为0.01 s,内模与外模时间步长比率为10,模型每h输出一次结果,模型模拟时间为2019年4月1日0时至2019年5月1日0时。垂向采用Sigma分层方式,均分为10层,其中第1层为表层,第5层为中层,第10层为底层。利用MIKE21提取模型外海开边界数据,采用潮位驱动用于后续的模拟计算。本次模拟未考虑风场、波浪和热通量的影响。人工鱼礁采用密闭固化的方式进行处理,以人为将人工鱼礁区水深加高4 m的方式用于后续的数值模拟计算,在除水深外其他因素水平都相同的条件下再次进行模拟,通过投放人工鱼礁前后模拟结果,对比分析投放人工鱼礁对其周围海域水动力环境的影响。

本文首先对研究区域人工鱼礁投放前的水动力特征进行模拟计算,选取潮位验证点(T1)及3个潮流验证点(P1、P2、P3)的潮位、深度平均流速、流向对模型进行验证,各站位具体坐标见图3。潮位验证资料取自2019年4月5日0时—2019年4月7日23时的实测数据,潮流验证资料取自2019年4月5日16时—2019年4月6日17时(大潮期)、2019年4月14日15时—2019年4月15日16时(小潮期)的实测数据。潮位模拟结果对比见图4,由图可以看出,该海域的潮汐为正规半日潮,最大潮位为1.89 m,最低潮位为-2.06 m,潮位模拟值与实测值平均偏差小于0.20 m,模拟值与实测值相关系数为0.96。

小潮期和大潮期的流速、流向对比分别见图5、图6,小潮期3个测点P1、P2和P3的最大实测流速分别为0.507、0.229、0.434 m/s,平均实测流速为0.401、0.171、0.292 m/s;大潮期3个测点P1、P2和P3的最大流速分别为 0.679、0.341、0.462 m/s,平均实测流速为0.283、0.132、0.227 m/s,各站点大潮期的最大流速均大于小潮期。大小潮期P1、P2、P3站点流速的绝对误差分别为0.095、0.062、0.101 m/s,流向相对误差分别为11.551%、6.193%和4.079%。结果表明,流速、流向模拟值较实测值误差略大,主要是由于P1、P2、P3站点位于岛屿附近,实际地形变化较大,而此处网格分辨率不够高,导致水深数据经反向距离插值与实际地形相比不够精准。总体来说,潮流模拟值与实测值总体趋势吻合,误差在可接受范围内。

图7为研究海域模拟的速度场矢量结果。在涨急时刻,大长山岛附近海域水流偏西北方向流动,在岛屿附近水流呈现逆时针环流,流速最大值为0.960 m/s,主要位于大长山岛西南部海域。在落急时刻,大长山岛附近海域水流方向与涨急时刻相反,在岛屿附近水流呈现顺时针环流,流速最大值约为0.930 m/s,主要位于大长山岛东南部。从整体来看,流速在近岸较小,向海逐渐变大。总体而言,在大长山岛附近,潮流模拟结果与实测结果吻合,结合各站点潮位、速度、流向验证结果可知,该区域内潮流运动模拟情况与实际海流运动相吻合,本文构建的模型具有较高的模拟精度,可进一步对研究区域人工鱼礁投放后的水动力特性进行分析。

本文选取涨急时刻投放人工鱼礁附近9个特征点,对投礁前后的速度变化进行对比分析,具体位置如图8所示。其中A1、A2、A3位于人工鱼礁区域布设点的上方,B1、B2、B3位于人工鱼礁区域内部海域,C1、C2、C3位于投放人工鱼礁之外的海域。选取各特征点投礁前后模拟的表、中、底层流速进行对比,考虑到投放鱼礁区域前后水深不一致,在投放前与投放后选取同一深度处流速数值进行对比,具体结果如表1、表2所示。其中位于鱼礁布设点上方的A1、A2、A3点投礁后表、中、底层流速相较投礁前明显增大,B1、B2、B3、C1、C2、C3点投礁前后表、中、底层流速变化较小,其中表层速度变化的最大值为0.034 m/s,最大占比为10.4%;中层速度变化最大值为0.018 m/s,最大占比为4.7%;底层速度变化最大值为0.230 m/s。

图9显示了人工鱼礁投放前、后工况下模拟的流场,结果显示,人工鱼礁的投放会改变海底地形,直接影响投放区附近海域流速的大小与流动方向,在涨、落急时刻,鱼礁投放后底层有明显的绕流现象,但表层不明显,而对于投礁区域以外的海域,投礁前、后的潮流场无明显差别。

图10显示了人工鱼礁投放前后的表层流速变化,在涨、落急时刻,投放鱼礁上方的表层流速整体上呈增大趋势,而在投放人工鱼礁周围海域流速降低。在涨急时刻,人工鱼礁投放前后引起的流速变化主要分布在鱼礁投放区附近的0.9 km海域范围内,对较远海域流速变化不明显。在落急时刻,表层流速变化情况与涨急相似,变化范围均在鱼礁投放区的0.8 km海域范围内。

本文通过FVCOM模型对大长山岛海域投放人工鱼礁前后的水动力特征进行数值模拟,分析人工鱼礁投放对周围海域水动力特征的影响变化。结果显示,投放人工鱼礁对该研究海域的流速变化影响较小;投放人工鱼礁后,涨、落急时刻投放区域底层出现较为明显的绕流现象;人工鱼礁的布设对鱼礁区上方的流速影响较大,其主要原因是投放人工鱼礁使水深减小,进而对流速产生影响;在投放人工鱼礁周围海域外表、底层速度的变化并不明显,说明投放人工鱼礁对周围海域水动力特性的影响较小。研究结果可为投放鱼礁选址的合理性提供参考与指导。