劉 針，程永舟，路川藤，羅小峰，齊 越

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410114；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù) 國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,天津 300456；3.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410114；4.南京水利科學(xué) 研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210029；5.交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院,北京 100028)

人工魚礁的投放必將對(duì)局部乃至周邊海域的水位及流場(chǎng)特征產(chǎn)生一定影響，從而改變局部乃至周圍海域的物質(zhì)輸運(yùn)格局，進(jìn)而影響海域生產(chǎn)力。學(xué)者近年來(lái)通過(guò)水槽試驗(yàn)等手段研究不同水深、波浪要素條件下水流結(jié)構(gòu)的影響和變化，得到人工魚礁流場(chǎng)中上升流的大致范圍以及上升流流態(tài)的分布特征[1]。人工魚礁礁體周圍水動(dòng)力除了受海域自然條件的影響，礁體本身的形狀、開口比、布設(shè)間距等也是影響其周圍水動(dòng)力的重要因素，于定勇[2]研究發(fā)現(xiàn)隨著布設(shè)間距的增加，雙礁體產(chǎn)生的上升流區(qū)體積逐漸減小，阻力系數(shù)逐漸增大。郭禹[3]提出以流場(chǎng)速度比、流場(chǎng)效應(yīng)體積比、魚礁尾部小渦生成速率作為流場(chǎng)強(qiáng)度指標(biāo)，分析28 種均勻布設(shè)模式下單位魚礁流場(chǎng)強(qiáng)度變化規(guī)律。Liu和Su[4]認(rèn)為雙礁體連線垂直于來(lái)流方向布設(shè)時(shí)流場(chǎng)效應(yīng)較好。關(guān)長(zhǎng)濤等[5]分析得到了上升流和背渦流的規(guī)模和強(qiáng)度隨雷諾數(shù)、布設(shè)間距的變化情況。田慶林等[6]通過(guò)試驗(yàn)分析,了解和掌握了礁體破壞對(duì)漁業(yè)資源及其生態(tài)環(huán)境所造成的影響及其危害程度。關(guān)于人工魚礁體的局部沖刷的研究較少，主要集中在通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、物理模型試驗(yàn)等手段對(duì)不同礁型和礁體布設(shè)方式的人工魚礁局部沖刷特征進(jìn)行描述，關(guān)于其局部沖刷影響因素的研究主要集中在恒定流條件下流速、水深、底質(zhì)等條件對(duì)其局部沖刷的影響[7-10]。歐榮昌[11]通過(guò)對(duì)臺(tái)灣西南海岸人工珊瑚礁現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，最大沖刷深度約為2.2 m，海床底質(zhì)的差異為影響礁體沖刷情況的主要因素；Herrington T O J[12]通過(guò)觀測(cè)人工礁的沉降和局部沖刷，發(fā)現(xiàn)礁體結(jié)構(gòu)誘發(fā)的垂直洋流與洪水主導(dǎo)的潮流相結(jié)合引發(fā)近結(jié)構(gòu)的沖刷和沉降。并在單向流波流水槽中確定了人工礁體大小、水深和波浪條件下礁體沉降參數(shù)。Yun和Dae-Ho[13]在單向流水槽中研究了人工礁組合在不同含沙量和水深條件下的局部沖刷特征。王佳浩等[14]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù),研究了不同布設(shè)間距下,多孔方型人工魚礁周圍水流運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

圖1 南黃海人工魚礁分布及研究區(qū)域示意圖Fig.1 Distribution and study area of artificial fishing reefs in the southern Huanghai Sea

南黃海海域(啟東近海)是江蘇沿岸傳統(tǒng)的漁業(yè)作業(yè)區(qū)，海洋生物資源豐富，也是眾多經(jīng)濟(jì)生物資源的重要產(chǎn)卵場(chǎng)和索餌場(chǎng)。根據(jù)江蘇南部海域人工魚礁群的布局，計(jì)劃投放魚礁單體2 320個(gè)，建設(shè)29個(gè)魚礁區(qū)，魚礁空方體積為94 524 m3，建設(shè)人工魚礁區(qū)面積約9.0 km2，共分五期工程，一期完成魚礁群1-1～1-7，二期增加魚礁群2-1～2-16，三期增加魚礁群3-1～3-16，四期增加魚礁群4-1～4-16，五期增加魚礁群5-1～5-16。以2-4、2-7、2-10、3-11共4個(gè)區(qū)域(分別為A、B、C、D)的水下地形資料為基礎(chǔ)分析人工魚礁群的沖淤特征(區(qū)域位置見(jiàn)圖1)。因此，研究深海人工魚礁投放區(qū)礁體的沖刷特征以及其對(duì)海域流場(chǎng)效應(yīng)的影響，對(duì)深入研究人工魚礁這種空腔結(jié)構(gòu)體的沖刷機(jī)制和針對(duì)南黃海海域特征的人工魚礁的設(shè)計(jì)和投放有一定的理論和實(shí)踐意義。

圖2 方形框架魚礁的立體圖Fig.2 Stereogram of square frame reef

1 南黃海人工魚礁局部地形變化分析

人工魚礁建設(shè)區(qū)潮汐屬正規(guī)半日潮，潮差較大，潮流強(qiáng)度中等；工程區(qū)海域海床底質(zhì)泥沙以粉砂為主。波浪掀沙和水流輸沙是整個(gè)海域宏觀水動(dòng)力特征;西洋潮流水道處于沖刷狀態(tài),有利于深槽的維持;含沙量等值線與等水深線形狀大體一致[15]。工程區(qū)海域海床多年來(lái)呈微沖趨勢(shì)，穩(wěn)定性好。魚礁單體大小規(guī)格為長(zhǎng)3.6 m×寬3.6 m×高3.6 m。礁體外觀為立方體，中間鏤空。各棱邊框架規(guī)格為0.20 m×0.20 m，經(jīng)圓角光滑處理。礁體底部增加1個(gè)十字形框架形成“田”字造型。整個(gè)礁體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，總空方為46.66 m3(見(jiàn)圖2)。

1.1 局部沖淤分析

魚礁投放入水后，總體保持規(guī)劃方案的“田”字型分布，但個(gè)體相對(duì)較散亂，主要因?yàn)轸~礁入水后難以精確定位。分析魚礁投放后至聲吶測(cè)量期間(大于300 d)期間沖刷穩(wěn)定性，關(guān)于人工魚礁沖刷深度的研究相對(duì)較少，參考橋墩的局部沖刷公式進(jìn)行估算(遠(yuǎn)遠(yuǎn)夸大工程規(guī)模)沖刷穩(wěn)定時(shí)間,沖刷公式的合理性及參數(shù)取值建議詳見(jiàn)文獻(xiàn)[16]，見(jiàn)如下公式

(1)

式中：tm為沖刷穩(wěn)定時(shí)間，h；h為水深，m；v為流速，m/s；v0為泥沙起動(dòng)流速，m/s。

經(jīng)估算，穩(wěn)定時(shí)間約在200～250 d，考慮到魚礁?jìng)€(gè)體尺寸遠(yuǎn)小于橋墩，且透空式設(shè)計(jì)，因此，實(shí)際沖刷穩(wěn)定時(shí)間應(yīng)小于估算值。根據(jù)魚礁投放的時(shí)間，認(rèn)為目前魚礁周邊的沖刷坑應(yīng)已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 魚礁群A、B周邊沖刷坑圖Fig.3 Scour pits around reefs A and B

根據(jù)投放魚礁前后地形測(cè)量資料分析，區(qū)域A、區(qū)域B的沖刷坑深度在0.5～1.5 m，魚礁最大高度在3.4～3.6 m，沖刷坑范圍在10～20 m，約為礁體范圍的2倍?？傮w來(lái)說(shuō)，礁體周邊普遍出現(xiàn)沖刷坑，礁體絕對(duì)淹沒(méi)深度總體較淺。魚礁周邊形成沖刷坑后，泥沙在沖刷坑的東南和西北向形成少量的淤積，淤積幅度基本小于0.50 m，淤積區(qū)具有明顯沙紋特征(見(jiàn)圖3)。根據(jù)魚礁群C、D兩個(gè)區(qū)域的沖刷坑分布(見(jiàn)圖4)可知，魚礁群C、D區(qū)域沖刷坑最大深度約為1.5 m，魚礁最大高度約為3.5 m。

圖4 魚礁群C和D周邊沖刷坑圖Fig.4 Scour pits around reefs C and D

1.2 沖刷坑特征分析

以沖刷坑范圍為指標(biāo)(平均直徑和平均深度)，分析魚礁群的空間分布對(duì)沖刷坑形成的影響，如圖5所示，沖刷坑的范圍隨著魚礁范圍的增加而線性增加；沖刷坑的平均深度隨魚礁范圍的增加變化較小，沖刷坑的平均深度受魚礁的布置形式影響；沖刷坑的范圍與平均深度均隨著魚礁群的高度增加而增加。

圖5 魚礁范圍及最大高度與沖刷坑特征關(guān)系Fig.5 Relationship between reef range and the maximum height and scour pit characteristics

2 研究方法

為探討魚礁投放后對(duì)海域水動(dòng)力的影響，采用CJK3D-WEM軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究。該軟件系統(tǒng)的編制符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》(JTS/T231-2-2010)及相關(guān)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，2012年取得國(guó)家軟件著作權(quán)登記(軟著登字第0433442號(hào))。

2.1 模型控制方程

(2)

式中：z為潮位；h為水深；H為總水深；u和v分別為x和y方向上的流體速度；f=2Ωsinφ為Coriolis系數(shù)(其中Ω為地球自轉(zhuǎn)角速率，φ為當(dāng)?shù)鼐暥?；g為重力加速度；C為謝才系數(shù)；t為時(shí)間；Nx和Ny分別為x和y方向上的水流紊動(dòng)粘性系數(shù)。

采用有限體積法對(duì)水動(dòng)力泥沙方程進(jìn)行離散，其具體離散方法及邊界條件的處理參考文獻(xiàn)[14]。

2.2 模型范圍及參數(shù)

數(shù)學(xué)模型北側(cè)至濱海港附近，南側(cè)至啟東市，模型南北向總長(zhǎng)約287 km，外海邊界至啟東市東側(cè)88 km，整個(gè)數(shù)學(xué)模型平面面積為4.2萬(wàn)km2，數(shù)學(xué)模型應(yīng)包含整個(gè)輻射沙洲，以確保輻射沙洲區(qū)域水動(dòng)力泥沙運(yùn)動(dòng)的完整性。數(shù)學(xué)模型計(jì)算區(qū)域采用三角形網(wǎng)格剖分單元，如圖6，模型最小網(wǎng)格邊長(zhǎng)約為28 m，網(wǎng)格總數(shù)41 406個(gè)。

2.3 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

圖7 潮位驗(yàn)證圖Fig.7 Tide level verification chart

數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證采用2015年6月4日18:00～2015年6月5日18:00大潮潮位、潮流資料。圖7～圖8為數(shù)學(xué)模型潮位與潮流驗(yàn)證圖。模型總體驗(yàn)證良好，能夠反映附近海域的潮流運(yùn)動(dòng)。

2.4 魚礁群的概化

單體人工魚礁采用空心透水設(shè)計(jì)，且單體尺寸小，二維數(shù)學(xué)模型無(wú)法在大尺度海域中進(jìn)行精確模擬，因此采用概化方法模擬人工魚礁群。

采用地形概化方法，地形概化法為根據(jù)人工魚礁的阻水體積，換算為網(wǎng)格地形

(3)

式中：Δh為概化地形增加高度；ΔV魚礁為魚礁的阻水體積；S為魚礁所在處的網(wǎng)格單元面積。

圖8 潮流驗(yàn)證圖Fig.8 Power flow verification diagram

3 人工魚礁對(duì)海域水動(dòng)力的影響

魚礁投放后，漲急時(shí)受人工魚礁群的阻水作用，魚礁群西北側(cè)、東南側(cè)水域流速減小，且越靠近魚礁群處，流速減幅越大，水域流速減幅在0.01～0.07 m/s，影響范圍約為魚礁群西北側(cè)11.4 km，魚礁群西側(cè)部分區(qū)域流速有少量增加，增加幅度在0.05 m/s以內(nèi)，增加范圍為西側(cè)12.7 km。魚礁群南側(cè)、西南側(cè)、東北側(cè)漲急流速變化較小(見(jiàn)圖9)。落急時(shí)，流速影響范圍明顯大于漲急。落急流速影響范圍為魚礁群東南側(cè)15.1 km，與漲急流速變化相似，越靠近魚礁群，流速減幅越大，大部分水域流速減幅在0.1 m/s之內(nèi)，魚礁群東側(cè)部分區(qū)域流速稍有增加，增加幅度在0.03 m/s以內(nèi)，增加范圍為東側(cè)12.3 km，魚礁群西南側(cè)、東北側(cè)漲急流速變化較小(見(jiàn)圖10)。落急流速變化幅度略大于漲急，人工魚礁群內(nèi)部漲落急流速變化幅度略大于人工魚礁群外部。漲急時(shí)，人工魚礁群西側(cè)流速略有增大，增大幅度均小于0.05 m/s，其中13#點(diǎn)變化最大，約為0.042 m/s。人工魚礁群西北側(cè)、東南側(cè)流速呈減小趨勢(shì)，且越靠近魚礁群處，減幅越大，其中9#點(diǎn)減幅約0.064 m/s。人工魚礁群內(nèi)部區(qū)域，落急流速整體減小，局部區(qū)域流速最大減幅0.062 m/s。落急與漲急總體變化趨勢(shì)一致，人工魚礁群東側(cè)落急流速略有增大，增大幅度均小于0.03 m/s，其中24#點(diǎn)變化最大，約為0.030 m/s。人工魚礁群西北側(cè)、東南側(cè)流速呈減小趨勢(shì)，且越靠近魚礁群處，減幅越大，其中28#點(diǎn)減幅約0.094 m/s。人工魚礁群內(nèi)部區(qū)域，落急流速整體減小，局部區(qū)域流速最大減幅0.119 m/s。

表1 計(jì)算工況表Tab.1 Calculation conditions

4 礁體沖刷對(duì)海域水動(dòng)力的影響

礁體投放并沖淤穩(wěn)定后，礁體周圍沖刷坑的出現(xiàn)勢(shì)必會(huì)引起局部區(qū)域水動(dòng)力的變化，根據(jù)南黃海大范圍模型水流條件的驗(yàn)證情況，為精細(xì)化模擬魚礁群局部沖刷對(duì)周圍水動(dòng)力的影響，并結(jié)合江蘇南部海域自然條件及人工魚礁特征，采用數(shù)值水槽進(jìn)行不同條件的模擬，數(shù)值水槽為長(zhǎng)20 000 m，寬4 000 m，水深20 m，魚礁附近網(wǎng)格加密(見(jiàn)圖11)，最小網(wǎng)格邊長(zhǎng)3 m，網(wǎng)格總數(shù)為34 128個(gè)，時(shí)間步長(zhǎng)1.0 s。數(shù)值水槽采用單向流控制，工程海域漲落急垂線平均流速約為1.0～1.4 m/s，數(shù)值水槽流速控制約為1.2 m/s，地形概化如圖12。數(shù)值水槽計(jì)算工況共分為5組，分別為本底、方案一～方案四，具體見(jiàn)表1。

圖11 數(shù)值水槽網(wǎng)格Fig.11 Numerical flume grid

圖12 地形概化示意圖Fig.12 Topographic generalization diagram

由于投放水域水深約在20 m，而魚礁高度在2.5～3.6 m，因此魚礁投放后，對(duì)整體流態(tài)影響較小。當(dāng)魚礁群附近地形不變時(shí)，魚礁群東側(cè)形成長(zhǎng)條帶的流速減弱區(qū)，長(zhǎng)度約為4 km(圖13)；當(dāng)魚礁群周邊沖刷0.5 m后，礁體附近局部水域流速略有增大，幅度基本約在0.02 m/s(圖14)；當(dāng)魚礁群周邊沖刷1.0 m后，礁體群上下游水域流速均增大(圖15)，幅度基本在0.02～0.04 m/s，礁體內(nèi)部流速略有減??；當(dāng)魚礁群周邊沖刷1.5 m后，礁體群上下游水域流速繼續(xù)增大(圖16)，幅度基本約在0.03～0.06 m/s，礁體內(nèi)部流速減小約0.02 m/s。整體來(lái)說(shuō)，魚礁群附近地形改變后，魚礁群上下游水域流速呈增大趨勢(shì)，魚礁群內(nèi)部流速呈減弱趨勢(shì)，但幅度相對(duì)較小。

5 結(jié)論

基于南黃海海洋牧場(chǎng)人工魚礁群投放后的實(shí)測(cè)地形分析和數(shù)值模擬分析，對(duì)于南黃海人工魚礁體的沖刷特征及沖刷形成后對(duì)局部海域水動(dòng)力的影響分析得到以下結(jié)論：

(1)按照橋墩的局部沖刷公式進(jìn)行估算礁體沖刷穩(wěn)定時(shí)間，為200～250 d，考慮到魚礁?jìng)€(gè)體尺寸遠(yuǎn)小于橋墩，且透空式設(shè)計(jì)，實(shí)際沖刷穩(wěn)定時(shí)間應(yīng)小于估算值。

(2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地形分析，魚礁群周邊形成局部沖刷坑，深度在0.5～1.5 m，沖刷坑范圍基本為魚礁礁體范圍的2倍。沖刷坑的范圍隨著魚礁范圍的增加而線性增加；沖刷坑的平均深度隨魚礁范圍的增加變化較??；沖刷坑的范圍與平均深度均隨著魚礁群的高度增加而增加。

(3)通過(guò)南黃海潮流數(shù)學(xué)模型研究，魚礁全部投放后，魚礁群西北側(cè)水域流速減小，范圍約為11.4 km；西側(cè)流速略有增加，范圍約為12.7 km；落急時(shí)，魚礁群東南側(cè)水域流速減小，范圍約為15.1 km，東側(cè)落急流速稍有增加，范圍約為12.3 km。

(4)通過(guò)數(shù)值水槽試驗(yàn)研究，當(dāng)魚礁群附近地形不變時(shí)，魚礁群東側(cè)形成長(zhǎng)條帶的流速減弱區(qū)，魚礁群附近形成局部沖刷坑后，魚礁群上下游水域流速呈增大趨勢(shì)，魚礁群內(nèi)部流速呈減弱趨勢(shì)，但幅度相對(duì)較小。

(5)進(jìn)一步針對(duì)魚礁群附近地形的持續(xù)跟蹤測(cè)量，根據(jù)魚礁群的沖刷特征及其對(duì)海域水動(dòng)力的響應(yīng)分析，可對(duì)魚礁體的設(shè)計(jì)和魚礁群的布置方式進(jìn)行有針對(duì)性的指導(dǎo)工作。