人工鱼礁作为海洋牧场工程的基础构筑物, 随着海洋牧场在我国的大力发展得到了广泛应用。人工鱼礁是在相应海域人为放置的构造物, 用于营造海洋牧场, 改善水域中水生生物的栖息环境, 调控和优化海洋生态环境, 为海洋经济生物提供索饵、庇护、生长、发育和繁育生殖的场所, 起到增加增殖渔业资源的作用(高策, 2021)。投放人工鱼礁作为保护海洋生物多样性和促进海岸栖息地恢复的有效方法之一, 在改变海洋流场方面有着重要的作用, 人工鱼礁投放会使海洋当中沉积物粒度分布发生变化, 这种方法有利于海洋中有机物质的积累(Davis et al, 1982; Ambrose et al, 1990)。冯雪等(2021)的研究指出, 与未投放人工鱼礁相比, 在人工鱼礁所投放的海域, 鱼类种类占所有海洋生物的比例从39.13%提高到63.89%, 这一现象说明了投放人工鱼礁对提升鱼类资源密度方面有显著的正向效果。张镇等(2022)的研究表明, 长礁龄的人工鱼礁产生了良好的生态效应, 而短礁龄的人工鱼礁生态效应尚不明显, 这表明布设人工鱼礁所引起的生态效应会随着时间的增加而加强, 长期布置人工鱼礁会引起积极的效应。人工鱼礁的投放还会使被投放地区的细菌种类发生变化, 硫氧化菌丰度显著降低, 海洋沃斯菌和脱硫细菌丰度显著升高(王宇等, 2022)。投放人工鱼礁会影响所在海域的流场, 可以显著改变礁体附近的局部水流分布情况, 即流速、湍流模式和沉积状况等, 为鱼类提供合适的栖息地(郭禹等, 2020)。同时, 礁体附近流速变化是引起礁体鱼类聚集效应的重要因素, 与礁体大小和构型密切相关。人工鱼礁所处的海域相对较浅, 处于海洋上混合层, 动量, 热量和物质交换的通量都是由这个边界层上的湍流垂向混合所控制的, 因此, 研究垂向混合对于研究人工鱼礁来说也至关重要。于定勇等(2019, 2020b)研究了不同布设间距下方型人工鱼礁的水动力特征, 之后又探究了不同间距下梯型人工鱼礁的水动力特征, 但研究局限于上升流特性参数。相关研究指出, 湍流可以提高浮游植物的营养吸收(Zhao et al, 2020)。高永丽(2019)在其文献中提到, 改变垂向湍流系数会导致深层叶绿素最大值(deep chlorophyll maximum, DCM)现象的变化, 若垂向湍流扩散减弱到一定程度, 还会激发DCM的振荡状态。

近年来的研究指出, 人工鱼礁所在的礁区地形、鱼礁的礁体高度、鱼礁与鱼礁之间的间距以及礁体的开口比等一系列状态参数对于鱼礁的生物诱集效应有着直接或间接的影响, 并最终决定人工鱼礁附近海域的生态、经济效益。人工鱼礁的形态结构以及其排列组合的多样性是导致鱼礁所在海域流场不同的直接原因。于定勇等(2019)提出不同开口比的人工鱼礁会影响水动力特征, 当开口比小于0.2时, 背涡区范围较大, 流场效应明显; 随着开口比的增大, 礁体产生的上升流范围及竖直向最大速度分量则逐渐减小。唐衍力等(2017)根据上升流面积和背涡流面积的大小进行判断, 指出针对不同形状的人工鱼礁的流场效应, 根据对比试验的效果得出三角型礁流场效应最好, 复合型礁流场效应次之, 框架型礁流场效应最差的论断, 这一结论为不同海域不同要求下人工鱼礁的选择和设计提供了参考。吕泽砚等(2022)研究了四角锥台形人工鱼礁斜面变化对上升流效应和背涡流效应的影响, 找到了最优倾角为78.7°。毛海英等(2022)也研究导流型人工鱼礁组合的流场效应, 主要的评价标准是上升流体积。林明健等(2022)对方型人工鱼礁的流场效应和水动力特征进行分析, 发现当组合礁体纵向布设间距为一倍礁长时, 方型鱼礁的涡量发育完全, 且涡量的分布结构较为稳定, 但当布设间距增至两倍礁长时, 涡量大小及分布范围明显减小, 且随着布设间距的增大, 组合礁体的最大上升流速与来流速度的比值均呈现先增大后减小的趋势。

Zhang等(2021)通过对海底人工鱼礁不同间隔条件下的排布方式进行研究, 以及在等间距和不同来流角度的情况对人工鱼礁流场效应影响问题的分析, 提出了最优入流角度的布局方式。Wang等(2021)研究在不同孔隙率的条件下, 人工鱼礁对流场的影响, 并利用上升流指数和尾流再循环指数来评价人工鱼礁流场效应的有效性。Liu等(2013)利用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)来研究布局变化对礁体周围海域的影响, 得出密集的礁体布置可以增大背涡流区域的范围的结论, 但该方案并不是最优的部署战略, 礁体之间应保持适当的距离以达到最佳的效果。Campbell等(2011)指出, 人工鱼礁的排列和组合也是影响人工鱼礁所在区域生态价值的重要因素。此外, Liu等(2013)指出, 人工鱼礁的在海底的排列和组合也是影响人工鱼礁所在区域生态价值的重要因素。Su等(2007)还研究了海底地形对人工鱼礁内外流场的影响。Jiang等(2010)利用重整化群理论(the renormalization group theory, RNG) k - ε湍流模型和水槽实验模型对单体鱼礁产生的流场进行分析, 得出模型结果可以代替试验结果的论断, 说明了该湍流模型在进行流场分析中有着很高的适用性。

投放人工鱼礁会影响所在海域流场, 人工鱼礁的存在可以显著改变礁体附近水流的分布特征, 来为鱼类提供合适的栖息地。礁体附近流速的变化是导致出现礁体鱼类聚集效应的重要因素, 这与礁体的大小和构型密切相关。利用上升流将底部营养盐带到表层, 最好的办法就是加强单个人工鱼礁的上升流效应, 而加强上升流效应最简单的办法就是优化人工鱼礁的布局模式和选择合适的布设地点。合理的人工鱼礁组合, 不仅可以有效改善人工鱼礁的整体流场效应, 而且在提高人工鱼礁区底层与上层水体之间扰动方面有着至关重要的作用。掌握不同排布方式下的人工鱼礁流场分布及营养分布的情况, 对日后的研究有着十分重要的价值。因此, 本文为找出单排多块人工鱼礁的最优布设方式, 通过改变人工鱼礁布置方式, 调整鱼礁间的排布间距, 控制模式来流速度的大小, 来分析对不同因素对人工鱼礁上升流体积的影响, 从而找出最优的布置方式。

1 模式设计 1.1 数值模式设置

本文使用的大涡模拟(large-eddy simulation, LES)模式是大气和海洋流动的并行大涡模拟模式(the parallelized large-eddy simulation model, PALM), 该模式由德国莱布尼茨大学气象和气候学研究所开发。大涡模拟是基于湍流通量的空间平均, 湍流通量利用特定的滤波函数分为大尺度和小尺度涡, 然后直接模拟大尺度涡流, 而将小尺度涡流进行参数化(Maronga et al, 2015)。LES模型的基本控制方程由公式(1)~(5)给出。

其中, t是时间, (i, j, k)分别代表笛卡尔坐标系的(x, y, z)方向; 这里的科氏力是, Ω是地球旋转速度, φ是地球纬度; η是修改后的扰动压力, u_{g, k}是表示地转风速, ρ是海水密度, p是静水压力, C_p是恒压干燥空气比热容, L_v是蒸发潜热, 是亚网格尺度的湍流动能(turbulent kinetic energy, TKE), μ/ρ=υ为运动黏度系数, μ为动力黏度系数, S_a为实际盐度, S为示踪物浓度, ψ_qV, ψ_Sa, ψ_S分别为q_V, S_a和S的源和汇项。引号表示亚网格尺度值, 而上划线是表示平均值。模式的详细介绍见Maronga et al (2015)与Huq et al (2019)。详细参数信息请见表 1。

1.2 礁体模型布置与计算区域设置

人工鱼礁的结构繁多, 有方型体(林明健等, 2022), 圆筒型(胡聪等, 2022), 六角型(刘扬等, 2021), 梯形台(于定勇等, 2020b)和组合型。在我国东部海域, 方型鱼礁已被广泛使用。肖荣等(2016)的研究中说明, 相较于船礁和梯形台鱼礁, 方形鱼礁在鱼礁区域营养盐垂直通量最大。为研究布设间距和来流速度对上升流体积和营养盐抬升效果的影响, 故本项研究采用的是3 m×3 m×3 m的方型人工鱼礁。计算域和相关参数如图 1所示, 空间分辨率为0.25 m, 计算时间为28 800 s(即8 h)。Jiang等(2020)考虑到中国山东省海域的常见流速为0.5 m/s, 根据亚太数据研究中心数据库(Asia-Pacific Data-Research Center, APDRC)中混合海洋坐标模型(the hybrid coordinate ocean model, HYCOM)查出, 中国近海流速在0.32~ 0.52 m/s的范围内, 并且Li等(2017)指出, 根据声学多普勒流速剖面仪(acoustic doppler current profiler, ADCP)测得的海洋数据, 真实的海洋流速要小于1.0 m/s, 故将此模型的来流速度设置为0.5 m/s, 并作为正常流速状态。崔勇等(2011)研究布设间距对人工鱼礁流场效应影响时, 将来流速度设置为0.4、0.6和0.8 m/s。根据前人经验, 本次研究将来流速度参数设置选取0.1、0.5、0.6和1 m/s四种流速, 分别表示低流速状态、正常流速状态、过度状态和极限高流速状态, 布设间距以人工鱼礁的礁长(L)为标准, 横布设间距选取1倍、2倍、3倍、4倍和5倍鱼礁礁长(1L、2L、3L、4L、5L), 纵向布设间距选取1倍、2倍和3倍鱼礁礁长(1L、2L、3L), 并将正常流速(0.5 m/s)状态作为重点分析部分。另外设计一组对照的空白实验, 即不放置人工鱼礁, 其余参数均一致。入流边界条件为非循环边界条件; 表层、底层边界采用自由滑移边界条件。

被动示踪物浓度梯度见图 2所示。盐度、被动示踪物浓度的分布是根据曹欣中(1983)所设定的, 盐度为28, 此次研究设置的纬度为30°N, 根据数据库APDRC中Ocean temperature得到中国近海的海表温度数据, 从纬度上看, 50°~20°N的海表温度呈递增趋势, 温度5~25 ℃, 设计实验时将纬度设置为30°N, 根据相关资料得到实际中国近海30°N处的海水温度大约在19~22 ℃, 本实验中选取22 ℃, 即295.15 K的情况进行分析。在实验中加入被动示踪物的原因是在大涡模拟下营养盐与被动示踪物在水体中的运动特性相似(王者也等, 2021), 可以利用被动示踪物来表示海水中营养物质的分布。

2 模拟结果与讨论 2.1 人工鱼礁纵向布置的流场效应及示踪物浓度分析 2.1.1 纵向不同间距对上升流的影响

人工鱼礁流场效应是指在礁体投放到海域后, 使得原有的流场发生改变, 在鱼礁投放海域内形成新的流场形态, 根据新流场的形态特征与作用形式。上升流位于单位人工鱼礁迎流面向, 由于礁体阻隔作用而产生的沿鱼礁迎流面向上的流场作用区(郭禹等, 2020)。上升流的定义选用唐衍力等(2017)一文中的所给出结论, 即选取z=0中垂面(xoy平面)作为研究的基准面, 将Y方向流速分量与来流速度之比等于或大于10%的区域定义为上升流区域(郑延璇等, 2012), 即将垂向流速分量与来流速度之比等于或大于10%的区域定义为上升流区域。来流速度设置为正常流速(0.5 m/s)。

在来流速度为0.5 m/s时, 不同纵向布设间距的人工鱼礁投放区域对应的流速减去空白对照组的情况(图 3)。在该布置条件下, 随着单排布置下三块人工鱼礁之间的距离增大, 上升流体积也缓慢地增大, 当相邻鱼礁之间的距离只有1L时, 上升流主要分布在迎着来流方向上的第一个礁体顶部向上一段区域, 最大上升流流速贴近在第一个礁体顶部, 上升流最大高度与人工鱼礁高度值比是2.51; 当相邻间距增大到2L时, 相邻鱼礁之间及鱼礁后方区域的出现向上交换的水体, 随着间距继续增大, 上升流体积快速增大, 在间距达到5L时, 纵向布置下的人工鱼礁投放区域产生的上升流体积最大, 达到437.375 m³, 上升流最大高度与人工鱼礁高度值比达到2.60。由此可知, 想要保证良好的上升流效应, 在来流速度为0.5 m/s时, 纵向布置的布设间距应该设为5L。5种布置间距所形成的上升流主要分布区域均在迎着来流方向上的第一个礁体顶部。相关参数见表 2。

2.1.2 纵向不同间距对湍流垂向涡黏系数的影响

湍流垂向涡黏系数(K_M)与湍流结构密切相关, 对混合层海洋运动有着十分重要的作用(Paskyabi et al, 2014)。1877年, Boussinesq首次提出湍流涡黏度假设, 表达式如下:

其中, 分别为x方向和y方向上速度二阶矩的平均值, 分别为x方向上温度二阶矩平均值和y方向上示踪物二阶矩的平均值, 分别为x方向和y方向上平均速度沿垂向梯度的平均值, 分别为x方向和y方向上平均示踪物和平均温度沿垂向梯度的平均值, K_Mx为x方向的垂向涡黏系数, K_My为y方向的垂向涡黏系数, K_H为标量扩散系数。

通过利用公式(6)、公式(7)和稳定后的模拟数据, 得到了在0.5 m/s来流速度下, 不同布设间距L对应的K_M值(图 4)。这里将模拟区域水底设置为−1, 模拟区域海水表面设置为0, z表示整个流场深度。K_M的数值随着深度的变浅, 会出现一个突起的“峰”, 位于人工鱼礁的上方。由此说明在鱼礁顶部存在一个湍流运动。随着布设间距L的增大, 同一深度的垂向涡黏系数的数值越大, 最大情况是5L, 最大值达到了0.018 7 m²/s, 最小值是1L的情况, 为0.004 7 m²/s。并且, K_M的最大值并不随着深度移动, 而是保持在同一个深度处。鱼礁间距从1L到2L时, K_M值有明显的增加, 而间距从2L到5L时, K_M值增加平缓。

2.1.3 纵向不同间距对被动示踪物的影响

为验证人工鱼礁产生的上升流对被动示踪物是否有抬升作用, 分析不同布置方式对被动示踪物抬升效果的影响, 在纵向布置0.5 m/s来流速度下, 各实验组减去空白对照组, 得到被动示踪物的差值(图 5)。

由于人工鱼礁的抬升作用, 在鱼礁底部的被动示踪物被上升流水体裹挟进入上层水体, 与人工鱼礁间距的改变使得被动示踪物浓度S的差值在1.5 μg/L以内; 与其他布设间距相比, 当布设间距为1L时对被动示踪物的抬升效果并不佳, 仅抬升0.74 μg/L的浓度差; 而布设间距大于1L后, 鱼礁顶部上层水体被动示踪物富足, 接近海底示踪物浓度降低人工鱼礁的存在使得鱼礁所在区域的底部物质向上输运, 将在海底的营养物质带往上层水体中; 且布设间距大于1L后, 随着鱼礁间距的增长, 被动示踪物的抬升没有明显的变化, 抬升浓度最大差值的间距为3L, 示踪物浓度差值达到1.498 μg/L。

2.2 人工鱼礁横向布置的流场效应及示踪物浓度分析 2.2.1 横向不同间距对上升流的影响

在来流速度为0.5 m/s, 不同横向布设间距的人工鱼礁投放区域对应的流速减去空白对照组的情况(图 6)。随着横向布置间距的增大, 鱼礁两边的侧向流加速主导作用也会影响礁体间的遮蔽效果, 即随着礁体间距的增大, 上升流体积不断减小, 呈现负相关。与纵向布置相反, 上升流体积最大的横向布置情况是1L, 上升流最大高度与鱼礁高度之比达到2.75, 但随着间距继续增大, 上升流体积和上升流最大高度却在不断减小, 在间距达到3L时, 横向布置下地人工鱼礁投放区域产生的上升流体积最小, 上升流最大高度与人工鱼礁高度值比达到2.51。由此可知, 在来流速度为0.5 m/s时, 横向布置的上升流体积最佳的布设间距应该设为1L, 相关参数见表 3。

2.2.2 横向不同间距对湍流垂向涡黏系数的影响

与纵向布置的处理方法相同, 得到在横向布置情况下, 在0.5 m/s来流速度下, 不同布设间距L对应的K_M值(图 7)。与间距为1L不同, 当间距为2L和3L时出现了两个凸起的“峰”, 一个位于鱼礁上方, 一个位于鱼礁底部, 说明在鱼礁底部和顶部分别存在两个强弱不等的湍流运动。随着布设间距L的最大, 同一深度的垂向涡黏系数的数值减小。与纵向排布不同的之处是, K_M最大值并不保持在同一深度。布设间距为1L时的K_M值最大, 随着布设间距L的增大, 同一深度处的K_M值减小, 在间距从1L增大到2L时, K_M值减小明显, 减小50%, K_M值最大情况是1L, 其值为0.025 8 m²/s。

2.2.3 不同间距的礁体对被动示踪物的影响

在纵向布置0.5 m/s来流速度下, 各实验组减去空白对照组, 得到被动示踪物的差值(图 8)。随着深度的增加, 示踪物的抬升效果基本呈现先缓慢增大后迅速减小的趋势。鱼礁顶部对应的各间距抬升的示踪物浓度均为正值, 表示底部的示踪物被抬到鱼礁的上方。与其他布设间距相比, 当布设间距为1L时对被动示踪物的抬升效果并最佳, 抬升2.97 μg/L的浓度; 而布设间距大于1L后, 随着鱼礁间距的增长, S值显著降低, 布设间距为1L与布设间距为3L抬升的浓度差比值接近3。与纵向布置不同, 在横向布置的情况下, 间距的改变对被动示踪物的抬升作用显著, 随间距的增大呈现负相关。

3 讨论 3.1 纵向布置不同来流速度下的上升流效应

现实海洋流速在不停变化, 会出现诸多不同的海况, 本文通过模式设置来流速度为0.1, 0.6和1.0 m/s分别模拟低流速状态, 过度状态和极限高流速状态, 得到在不同来流速度情况下, 不同纵向布设间距的人工鱼礁所对应的上升流体积变化情况(图 9)。实验结果表明, 与正常流速下(0.5 m/s)人工鱼礁体积变化相同, 当来流速度为过度流速(0.6 m/s)或极限高流速(1 m/s)情况下, 随着布设间距的增加, 上升流体积在不断增加; 布设间距为5L时, 礁体所形成的上升流体积最大, 而布设间距为1L时形成的上升流体积最小, 在来流流速为低流速(0.1 m/s)时, 改变相邻鱼礁之间的间距而产生的上升流体积增大情况并不明显。在布设间距不变的情况下, 当来流速度为1.0 m/s时人工鱼礁形成的上升流体积最大, 而当来流速度为0.1 m/s时形成的上升流体积最小。在来流速度较高为1.0 m/s且布设间距为5L时, 纵向布置的人工鱼礁引起的上升流体积达到最大, 为508.5 m³。

当来流速度为1.0 m/s情况下, 布设间距为1L和2L时, 与林明健等(2022)所设置的人工鱼礁实验部分参数相同。林明健等(2022)计算纵向极限高流速下的方型三礁体流场效应, 利用无量纲化区域面积来研究礁体影响的区域范围, 具体表达式为

其中, A为不同等速线间包围的区域面积, L为礁体长度, 定义沿着水流方向布置礁体为纵向布设L_x, 垂直于水流方向布置为横向布设L_y。计算后来流速度为1.0 m/s布设间距为1L和2L下无量纲化区域的分布范围的对比情况见表 4。

表 4反应在纵向布置极限高流速下的1L和2L无量纲化面积, 与林明健等(2022)研究结果相比, 均是0.9 m/s等速线所包围的面积随着布设间距的增大也越来越大, 从0.9 m/s等速线过渡到0.8 m/s等速线时, 所包围的面积快速减小, 从0.7 m/s等速线过渡到0.6 m/s等速线时, 计算的无量纲面积均小于林明健等(2022)研究结果, 可能是礁体尺寸与模拟场大小不一致导致。

3.2 横向布置不同来流速度下的上升流效应

与纵向布置一致, 在4种不同的来流速度情况下, 不同横向布设间距的人工鱼礁所对应的上升流体积情况(图 10)。与纵向布设不同, 在高流速(0.6 m/s)或极限高流速(1 m/s)情况下, 布设间距的增大均使上升流体积减小, 呈现负相关; 鱼礁之间的布设距离为1L时所形成的上升流体积最大, 而布设间距为3L时形成的上升流体积最小, 即横向布设时, 相邻鱼礁之间的遮蔽效果使得小间距的人工鱼礁得到的上升流体积最大。在间距为1L、2L和3L时, 来流速度的增加使人工鱼礁引起的上升流体积不断增大, 呈现正相关, 极端高流速(1 m/s)下的上升流体积增长率比低流速(0.1 m/s)的上升流体积增长率提高13.1%。人工鱼礁产生上升流体积最大的来流速度依然是1.0 m/s, 而0.1 m/s的来流速度形成上升流体积最小。横向布置得到上升流体积最佳情况是布设间距为5L来流速度为1.0 m/s时, 上升流体积为874.125 m³。

当来流速度为1.0 m/s, 布设间距为1L时, 与林明健等(2022)所设置的计算横向极限高流速下的方型三礁体礁体流场效应相同, 计算后不同横向布设间距下无量纲化面积的分布范围对比情况见表 5。

从0.9 m/s等速线过渡到0.8 m/s等速线时, 所包围的面积快速减小。在横向布置极限高流速下1L的无量纲化面积相较于林明健等(2022)研究结果, 所有等速线无量纲面积均大于林明健等(2022)的研究结果, 其原因可能是礁体尺寸与模拟场大小不一致导致。

3.3 不同来流速度下的人工鱼礁对被动示踪物的影响

为验证人工鱼礁产生的上升流对被动示踪物是否有抬升作用, 分析不同布置方式对被动示踪物抬升效果的影响, 在实验过程中将不同情况的实验组减去对照组, 得到被动示踪物的差值(图 11)。

图 11是不同布置方式的被动示踪物的浓度差值图。实验结果可以得出, 由于人工鱼礁的抬升作用, 在鱼礁底部的被动示踪物被上升流水体裹挟进入上层水体, 与人工鱼礁间距的改变相比, 来流速度的改变对被动示踪物浓度的差值均在0.5 μg/L以内, 来流速度对被动示踪物浓度差值影响不明显, 但横纵向两种不同的布置方式是对被动示踪物浓度差影响最为强烈。在纵向布置的条件下, 来流速度不变的条件下, 当布设间距为1L时, 被动示踪物的增加区域仅在第一块鱼礁的顶部, 与其他布设间距相比, 对被动示踪物的抬升效果并不佳, 仅抬升0.4~0.7 μg/L; 而布设间距大于1L后, 鱼礁顶部上层水体被动示踪物富足, 接近海底示踪物浓度降低; 不同流速度下, 被动示踪物最佳抬升位置均在人工鱼礁的顶部, 人工鱼礁的存在使得鱼礁所在区域的底部物质向上输运, 将在海底的营养物质带往上层水体中。相较于纵向布置, 横向布置下的人工鱼礁对被动示踪物的抬升效果更加显著。在横向布置的条件下, 人工鱼礁对被动示踪物的最佳抬升位置与纵向布设的效果相同, 被动示踪物的最佳抬升位置均在鱼礁顶部; 在相同流速下, 横向布置抬升浓度的最大值与纵向布置相比提高1.05 μg/L, 且横向布置下的被动示踪物浓度增大的区域比纵向布置提高了40%; 不同流速下抬升效果最佳的布设间距均为1L, 0.1 m/s时抬升的最大浓度是12.37 μg/L, 而1.0 m/s时抬升的被动示踪物最大浓度为18.12 μg/L。

3.4 不同流速不同布置方式下人工鱼礁对湍流垂向涡黏系数的影响

选取整个模拟区域, 在不同来流速度下改变相邻鱼礁之间间距的大小, 从而得到不同布置下的垂向涡黏系数图(图 12和图 13), 这里将模拟区域水底设置为−1, 模拟区域海水表面设置为0。在相同来流速度和布设间距的情况下, 横向布置的K_M值要大于纵向布置的K_M值。在纵向布置情况下, 随着深度的增加, 垂向涡黏性系数的值呈现出先迅速增大后快速减小的趋势; 越靠近海水表面, K_M值越小, 而越靠近人工鱼礁的顶部, K_M值越大, ; 在相同布设间距情况下, 随着来流速度的增加, K_M值随之增大, 极端高流速(1.0 m/s)情况下的K_M值比低流速(0.1 m/s)高出近10倍; 在相同流速情况下, 间距从1L到2L时K_M值有明显的增加, 而间距从2L到5L时, K_M值增加平缓。在横向布置, 相同间距情况下, K_M值均随着来流速度的增大而增大, 呈正相关; 而在相同流速下, 布设间距为1L时的K_M值最大, 但随着布设间距的增大, K_M值逐渐减小, 呈负相关。

3.5 不同布置方式下的上升流参数

Zhang等(2021)在研究人工鱼礁布设间距和来流入射角度对流场的影响, 通过4个无量纲指标, 来分析不同组合情况下的上升流效应, 背涡流效应和水交换效应的不同之处, 提出了最好的优化布局模式。这里采用分析上升流效应的无量纲指标, 具体如下:

其中, υ_up表示上升流体积(单位: m³), υ_m表示人工鱼礁的总体积(单位: m³), 无量纲参数ϕ表示上升流体积和总人工鱼礁的体积之比, 用来分析人工鱼礁形成上升流的抬升效果。

图 14所示的是在纵向布置条件下, 不同来流速度和不同布设间距下的人工鱼礁上升流效应指标的评估图。可以清晰地看出速度越大, 纵向布设间距越大, 人工鱼礁上升流效应越好, 呈正相关。在实验结果中, 上升流效应最佳的组合情况是来流速度为1 m/s和5L的情况, 上升流无量纲参数达到6.278。相同布设间距下, 流速的增加引起上升流体积的增大, 从低流速情况(0.1 m/s)到极端高流速情况(1.0 m/s)下, 上升流体积参数增大27.1%~80.5%。而在流速相同的情况下, 当布设间距从1L到3L时, 上升流体积参数增加的最为明显, 超过了70%; 随着纵向布设间距的增加, 上升流体积参数增大了47.2%~98.5%; 在1.0 m/s的流速下, 尽管人工鱼礁形成的上升流体积最大, 但增长率最低, 仅有47.2%。

图 15所示的是在横向布置条件下, 不同来流速度和不同布设间距下的人工鱼礁上升流效应指标的评估图, 计算方法同纵向布设。来流速度越大, 横向布设间距越小, 人工鱼礁上升流效应越好, 即在1 m/s、1L的布设情况下, 人工鱼礁产生的上升流效应最佳, 上升流的无量纲参数达到10.792。在相同布设间距下, 来流流速越大, 上升流体积越大, 这与纵向布置一致, 均成正相关; 从低流速情况(0.1 m/s)到极端高流速情况(1.0 m/s)下, 上升流体积参数增大了6.4%~14.8%。在来流速度相同的情况下, 随着横向布设间距的增加, 上升流体积参数减小20.5%~24.2%; 在来流速度为1.0 m/s的情况下, 人工鱼礁产生的上升流体积最大, 但随着间距的增大, 其体积减小的速度越来越快, 在3L时上升流体积减小率达到24.2%。

将两种布置方式(横/纵向)所得到的上升流体积作为结果值, 来流速度与布设间距作为变量值, 对实验数据进行多项式拟合, 其中, V表示上升流体积(单位: m³), L表示布设的间距(单位: L), v表示来流速度(单位: m/s), K表示待定参数, 方程如下所示:

方程中的a, b, c, d均为系数, 反映了该项对上升流体积的影响程度, 其中系数为负表示与上升流体积呈负相关, 反之呈正相关, 系数的值可以反映该变量的相关重要性, 绝对值越大表示该项的改变很容易影响上升流体积的变化。具体方程如下:

从式(12)~(13)可以看出来, 对于纵向布置来说, 人工鱼礁之间的间距增大与来流速度的增大对人工鱼礁上升流体积而言都是正反馈, 对横向布置而言, 相邻人工鱼礁之间的间距增大对人工鱼礁的上升流体积而言是负反馈。因此, 为了获得良好的上升流效应, 应将人工鱼礁放置在水流较大的区域, 同时考虑到当地海流的长期流向, 应尽量选择横向布置的方式。

4 结论

本文设置4种不同的来流速度(0.1、0.5、0.6和1.0 m/s), 2种不同的部署方式(纵向和横向布置), 以及多种不同布设间距, 分析不同情况下的流场形态, 上升流体积和体积参数, 垂向涡黏性系数以及被动示踪物的分布状态情况。根据实验结果来看, 来流速度越大上升流效应越明显, 纵向布置时布设间距为5L最佳, 横向布置时为1L最佳, 且鱼礁的横向布置的上升流效应要优于纵向布置。主要结论如下:

(1) 对于不同的来流速度, 无论是纵向布设还是横向布设, 人工鱼礁所形成的上升流效应均随着来流速度的增加而增大。对于纵向布设, 随着间距的增大人工鱼礁所形成的上升流体积随之增大, 所抬升的营养盐和K_M值也随之增大; 而对于横向布设的情况截然相反, 随着横向布置间距的增大, 鱼礁两边的侧向流加速主导作用也会影响礁体间的遮蔽效果, 形成的上升流体积反而减小, 在达到3L时, 相邻两鱼礁之间的影响最弱, 抬升的营养盐和K_M值也因为上升流效应而减小。因此, 根据来流方向的不同, 不能简单地认为间距越大, 上升流体积越大。

(2) 当布置单排三块人工鱼礁, 且布设间距在1L~5L之间, 来流速度在0.1~1.0 m/s时, 人工鱼礁引起的上升流体积V与布设间距L和来流速度v的关系可以用式(14)~(15)表示:

(3) 从回归方程来看, 在相同布置形式下, 来流速度相较于鱼礁间布置的间距是影响上升流体积最为重要的因素, 而横向布置的间距对上升流体积的影响要远远的大于纵向布置的间距。横向布置优于纵向布置, 来流速度越大, 上升流效应越明显, 从底层带来的营养盐也越来越丰富。研究结果可为礁区布局方案的确定提供参考。