人工魚礁建設對福建霞浦海域營養鹽輸運的影響

肖 榮, 楊 紅(上海海洋大學 海洋科學學院, 上海 201306)

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人工魚礁建設對福建霞浦海域營養鹽輸運的影響

肖 榮, 楊 紅
(上海海洋大學 海洋科學學院, 上海 201306)

根據2012年—2013年對霞浦人工魚礁海域調查所獲得的實驗數據, 應用CFD軟件, 對礁區投放的三類不同結構單位的魚礁組合在非定常流作用下的三維流場進行了數值模擬試驗, 分析了各魚礁組合之間的流場差異, 并估算了諸營養鹽垂直輸送通量。研究表明: 三種魚礁迎流面上升流最大高度為礁高的2.27~3.73倍, 上升流最大速度與來流速度之比為0.40~0.72, 上升流平均速度與來流速度之比為0.10~0.17; 計算域內單位魚礁組合上升流平均速度為10–2cm/s量級, 三種單位魚礁組合區域營養鹽垂直通量大小關系為: 方型魚礁>船礁>梯形臺魚礁, 方型魚礁區PO-P、NO-N、SiO-Si的平均垂直通量分別為438.3 mg/(m2·d)、2212.5 mg/(m2·d)、7288.3 mg/(m2·d), 魚礁投放會改善該海域的水動力環境, 形成典型的上升流區, 海域初級生產力得以明顯提升。

人工魚礁; 流場效應; 數值模擬; 上升流; 營養鹽垂直輸運通量

陸架海域的人工魚礁投放后, 受周期性潮流影響, 其周圍水體的流場隨之發生變化, 產生上升流和背渦流。陳勇等[1]研究表明, 上升流能夠將海底的沉積物和營養鹽帶到表層, 加快營養物質循環速度,提高海域的基礎餌料水平, 從而提高海區初級生產力。人工魚礁產生的上升流和背渦流的強度可表征魚礁對水環境的物理作用的程度, 故可表征魚礁生態效果的優劣。從海水化學要素分布來看, 上升流直接表現在營養鹽的區域性高值, 因而, 海水中氮、磷、硅營養鹽的分布成為上升流的化學指標之一[2]。目前關于人工魚礁的研究主要涉及生物和非生物因子[3]、生產力[4]、動植物區系時空變化[5]、三大效益[6]、選址及布局[7]、休閑漁業[8]、增殖資源[9]等角度進行研究, 對于有關人工魚礁建設產生的上升流對海域營養鹽輸運影響的研究鮮有報道[10], 而弄清和掌握上升流強度及分布對營養鹽含量及輸運的影響, 對科學的估算和預報投礁海域的生產力和營養現狀, 以及海洋環境保護, 綜合利用和管理意義重大[11]。本文通過對2012年、2013年霞浦人工魚礁投放海域的調查, 應用計算流體力學和水環境化學相關原理, 研究霞浦投礁區三類單位魚礁組合上升流的分布及強度, 在數值模擬試驗的基礎上探討魚礁投放海域上升流的垂直速度大小, 估算諸營養鹽垂直輸送通量。

1 材料和方法

1.1 三維數值模型

根據礁區建設的目標功能, 結合礁區的地形、水深和水文條件, 在完成適合該礁區的魚礁備選單體設計、并初步提出配置組合方案后, 在數值模擬計算區域里對不同魚礁組合配置進行優化。本試驗選用在福建近岸海域人工魚礁區應用廣泛、穩定性良好的中空結構梯形臺礁體、中空結構方型礁體和船礁,對其礁體組合進行模擬研究。首先, 對魚礁單體進行CAD三維造型, 導入CAD文件到網格剖分軟件GAMBIT, 并復制多個單礁體、根據魚礁組合方案排列, 在GAMBIT中進行三維網格剖分, 采用三維非結構化四面體網格; 其次, 將剖分后的網格數據導入FLUENT軟件, 在靠近礁體周圍進行網格加密處理, 湍流模型選用大渦模擬(large eddy simulation, LES)模型, 數值模擬不同單位魚礁組合的流場效應,以上升流區的規模和強度為主要指標, 對不同類型魚礁組合數值模擬結果進行分析, 據此選擇確定適合海域魚礁建設的配置組合方案。數值模擬技術采用三維雙精度數(3ddp)和時變(unsteady)模型、LES湍流模式, 求解器(solver)選用基于壓力隱式求解(pressure based), 流相采用常規液態水單項, 考慮重力作用的影響。數值計算區域來流方向設為流速入口(velocity-inlet), 計算區域出口設為自由出流條件(outflow), 計算區域的兩個側面和頂面均設為對稱邊界條件(symmetry); 計算區域的底面和魚礁壁面均設為無滑移邊界條件(wall)。

湍流模型選擇是影響仿真精度的關鍵, 本文選用的湍流模式為大渦模擬法。大渦模擬是介于直接數值模擬(DNS)與Reynolds 平均法(RANS)之間的一種湍流數值模擬方法, 即用瞬時的N-S方法直接模擬湍流中的大尺度渦, 不直接模擬小尺度渦, 而小渦對大渦的影響通過近似的模型來考慮, 由此能模擬出所有大于網格尺度的渦的運動[12]。所用礁體模型的網格剖分精度可達數十厘米級, 足以達到對礁體的分辨率。為了計算效率和模擬精度并重, 一般在保證既能分辨礁體、又有足夠大的計算區域的前提下, 單體模型的網格數可控制在100萬個左右, 礁體組合的網格數在200萬~400萬個左右。以梯形臺魚礁計算域為例, 其縱向中軸斷面的網格劃分情況見圖1。

圖1 梯形臺魚礁縱向中軸斷面網格剖面圖Fig. 1 The grid on the center longitudinal section of trapezoidal reef

1.2 數值實驗

基于流場效應數值仿真研究人工魚礁不同礁型組合情況下的上升流強度, 實驗安排了三組數值,其一用于判定不同魚礁類型相同組合情況下上升流分布的差異, 其二用于比較典型鋼筋砼結構礁型與船礁的流場效應差異, 從而判定三個魚礁組之間上升流分布的差異, 為不同魚礁區營養鹽的垂直輸運提供流場基礎。以福建三沙根竹仔礁區建設中采用的A、B、C共三種單位魚礁組合為例來分析比較不同單位魚礁配置布設的差異和優劣。A、B、C 3種單位魚礁組合的礁體個數分別為16、16、9, 組合魚礁礁距均為5m, 均勻分布。

16礁組合: 分為中空結構梯形臺魚礁(A型)和中空結構方型魚礁(B型)兩組, 梯形臺礁體外形尺寸為3.0 m×3.0 m×3.0 m, 方型礁體外形尺寸為3.0 m× 3.0 m×3.0 m, 圖2為A、B、C3種魚礁模型的效果圖。魚礁的計算區域如圖3所示。來流方向從左至右, 坐標原點位于計算域進口底面中點, 計算域進口至魚礁組中心距離為28 m, 計算域的兩側面至魚礁組中心的距離為45 m, 整個計算域為90 m×90 m×15 m。礁體材料為鋼筋混凝土。

9礁組合: 以廢舊漁船(C型)作為設置礁型, 魚礁效果圖見圖2, 計算域進口至船礁組中心距離為20 m,計算域的兩側面至船礁組中心的距離為45 m, 整個計算域為90 m×90 m×15 m。礁體材料為玻璃鋼質。

三種單位魚礁組合示意圖見圖4, 數值計算區域水深取為福建近岸魚礁投放區的典型水深15 m, 來流速度取島礁海域人工魚礁區的典型大潮流速0.5 m/s。

1.3 營養鹽垂直通量的計算

圖2 人工魚礁模型效果圖Fig. 2 Arendering of reef model

圖3 魚礁計算區域Fig. 3 Reef model in the computational domain

圖4 3種單位魚礁組合示意圖Fig. 4 Sketch of 3 types of artificial reef assemblages

營養鹽的垂直通量指垂直方向營養鹽自底層向表層在單位時間內通過單位面積的量, 即底層水體進入表層水體的營養鹽含量[14]。

式中, α為單位換算常數, C值為研究海區營養鹽平均濃度值(μmol/mL); ω為上升流上升速度。

2 結果與分析

2.1 單位魚礁組合流場效應

項目用海平面布置考慮施工投放的方便及礁群的互補、互助性, 人工魚礁平面布置為網格狀分組穿插布置, 除有利于增大礁體在礁區內的迎流面積外,更有利于在礁區內產生較多的渦流效應, 將礁區內的不良物質帶走, 補充礁區內的營養物質, 調節礁區內生態環境, 所形成的上升流將海底深層的營養鹽類帶到光照充足的表水面, 促進浮游生物的繁殖, 從而提高海洋的初級生產力。三沙根竹仔礁區礁體的設計應充分考慮海區物種多樣性的需要, 魚礁材料和魚礁造型的選用和配置也應考慮生物附著率的高低, 為其創造良好的棲息生長和繁衍場所。根據投礁區域地形、水深等條件, 為了在有限的投資下增加魚礁組的密集度, 3種單位魚礁組合均勻布置, 縱向每個魚礁組中心間距90 m, 橫向間距90 m, 形成網格狀錯開布置。

無論是誘集漁業資源還是通過生態調控增殖漁業資源的人工魚礁建設項目, 首先是要讓魚類感知礁體的存在, 以及礁體存在所帶來的環境變異和餌料條件等差異。魚類對礁體的感知很大程度上是通過感知流場環境的變異(產生上升流和背渦流)而達成的, 流場環境的變異導致的營養鹽向上層水體的輸運將增加礁區餌料生物的供給量, 此外對于趨礁性魚類還通過內部結構的復雜化來達到增大棲息地空間和附著生物量, 從而提高誘集和增殖效果。

基于上述數值方法, 模擬得到了3種單位魚礁組合的三維繞流流場, 圖5為不同魚礁組合y=0、y=4(過礁體中心)縱向斷面上升流速分布圖。取水流的垂向速度分量與來流速度V0之比大于或等于5%的水域作為上升流區域[15]。上升流規模用上升流的最大高度Ls與礁高H之比加以衡量, 而上升流強度用最大上升流速Vmax與來流速度V0之比和上升流域內的上升流均值Vave與來流速度V0之比加以衡量。

圖5 魚礁縱向斷面上升流速分布圖Fig. 5 Velocity contour on the center longitudinal section of the reef

本試驗結果表明(表1): 在相同來流速度下, 3種單位魚礁組合上升流高度為礁高的2.3~3.7倍, 略大于張碩等[16]的研究結果(1.5~2.8倍), 其原因可能是由于試驗條件和尺度比不同所致。本試驗在進行數值計算時是以魚礁的實際尺寸來模擬, 采用的是投礁海域實際流速, 相比張碩[16]采用的礁型大得多,而且魚礁組合有交互效應產生, 因而產生的上升流礁高比較大。3種單位魚礁組合上升流最大速度與來流速度之比為0.40~0.72, 上升流平均速度與來流速度之比為0.10~0.17, 與黃遠東等[17]的研究結果基本吻合。

表1 不同組合情況下魚礁模型上升流規模和強度Tab. 1 The distribution and intensity of the upwelling in different combinations of reefs

A型、B型單位魚礁組合為透水礁, 其絕對迎流面積(扣除礁迎流面中空部分)較小, 而C型單位魚礁組合為不透水礁, 其絕對迎流面面積較大, 因此, 同等程度下A型、B型單位魚礁組合上升流相對面積較C型要小。這也進一步佐證了魚礁透水性能對其流場變化, 尤其是對上升流影響區域的大小有直接的關系。A型、B型魚礁在不同來流方向上, 魚礁的迎流面積相對變化不大, 而C型魚礁長軸和短軸差異較大, 本文模擬的是長軸與來流方向垂直的情況,此時C型魚礁的絕對迎流面積達到最大, 隨著漲落潮往復流的變化, C型魚礁迎流面積在短軸與來流方向垂直時與本文模擬的情況之間變化, 相對來說C型魚礁的不同走向會對上升流產生明顯的影響, 單位迎流面積的C型魚礁產生的上升流相對面積隨著來流方向的改變會產生明顯的變化, 流場的穩定性不如A型、B型魚礁。

A型魚礁迎流面坡度的存在對自由來流的加速起到了一定的緩解作用(相對垂直放置的魚礁迎流面), 也表明A型魚礁的阻流作用要稍弱于B型魚礁; 而A型魚礁繞流的上升流平均速度與來流速度之比以及上升流最大速度與來流速度之比略大于B型魚礁。

對于單位魚礁組合來說, 上升流主要形成在第一排礁體的迎流面, 魚礁組合之間的交互作用, 使得第二排礁體對第一排礁體產生影響, 由于A型、B型魚礁為透水礁, 水流通過第一排魚礁時形成一個緩流區域, A型、B型魚礁第二排礁體迎流面產生的上升流要比C型魚礁明顯, 隨著水流通過魚礁數量的增加, 魚礁迎流面產生的上升流逐漸減少, 整個計算域上升流速度取決于每個魚礁產生的上升流的綜合效應。

2.2 營養鹽輸運

人工魚礁的流場效應深刻影響著魚礁的物理環境功能及生態效應的發揮。通常除碎浪帶外, 沿岸海域水體的垂向運動相對水平運動而言往往可以忽略。如果在潮流主流軸方向上投放人工魚礁, 可以生成很強的局部上升流, 其量值可以與水平流相當[6],從而促進表底層水體交換。通過這種水體的垂直交換功能, 上升流不斷將底層、近底層低溫、高鹽富營養的海水涌升至表層, 導致溫度、鹽度格局重新分布,使水文條件更適合于中、上層魚類棲息和集群活動的要求。另外, 餌料浮游生物高密度區主要出現在上升流區, 這為中心漁場的形成創造了必要的條件[18]。

人工魚礁產生的上升流將底層水帶入真光層的營養鹽含量可通過上升流海域營養鹽的垂直輸送通量計算。對于NO-N、PO-P、SiO-Si: (1)式中單位換算常數分別取αN=12096, αP=26758, αSi= 24270[19]; A型、B型、C型單位魚礁組合上升流平均流速ω取自CFD模擬值25.8×10–3、45.5×10–3、41.9×10–3cm/s, 東海上升流ω量級為10–3cm/s[20-23]、臺灣海峽上升流平均流速ω為4.4×10–3cm/s[24], 本文是以單位魚礁組合為研究對象, 流場調控距離取值為單位魚礁組合中心間距90 m, 根據人工魚礁區周邊水質、生物資源等實際調查的結果表明, 人工魚礁區的影響范圍可達到其建設規模的近5~10倍之多,通常的面積范圍在100~101m量級的公頃數[25], 實際海域由于魚礁設置所產生的流場影響范圍在水平尺度上一般不超過魚礁規模的50倍[26], 所以數值計算得到的計算域內上升流的平均速度要大于自然環境海域存在的上升流。營養鹽濃度C取2013年11月調查站位諸營養鹽含量平均值。

表2 幾個上升流海域諸營養鹽的垂直輸送通量比較Tab. 2 The vertical transportation flux of nutrients in several upwelling areas

3 結論

基于ANSYS FLUENT12.1平臺, 數值模擬了來流速度為0.5m/s下的A型、B型、C型單位魚礁組合周圍的三維流場。通過分析過礁體中心的鉛垂平面上速度分布, 得出: (1)A型、B型單位魚礁組合上升流的最大高度與礁高之比為2.27~2.41、上升流最大速度與來流速度的比約為0.40~0.43, 上升流區域平均速度與來流速度的比約為0.10~0.13, C型魚礁最大高度與礁高之比為3.73、上升流最大速度與來流速度的比約為0.72, 上升流區域平均速度與來流速度的比約為0.17; (2)A型、B型魚礁外形尺寸相當、具有類似的空方比, 采用了相同的布設方案, 單位魚礁組合產生的上升流規模和強度差異不大; (3)C型單位魚礁組合為不透水礁, 其絕對迎流面面積較大, 因此, 同等程度下C型單位魚礁組合上升流相對面積較A型、B型要大; (4)單位魚礁組合流場效應主要取決于礁體數量、礁體空方比、礁體迎流面積。

計算域內單位魚礁組合上升流平均速度為10–2cm/s量級, 相比自然海域上升流的速度要高, 主要由于本文數值模擬試驗以單位魚礁組合為基本研究對象, 水平尺度范圍為單位魚礁組合中心間距(90m), 實際海域單位魚礁組合流場調控范圍可以達到更大距離。通過對營養鹽的垂直輸運通量估算可知, 不管投放何種魚礁都能產生明顯的上升流, 營養鹽通量相比沿岸上升流處于較高的水平, 魚礁投放會改善該海域的水動力環境, 形成典型的上升流區, 海域初級生產力得以明顯提升。今后, 可以在單位魚礁組合的基礎上來研究整個投礁海域生態調控范圍內的流場效應, 評估礁區海域營養鹽的分布情況及水質營養水平, 從定量的角度研究礁區營養鹽的垂直輸送通量。

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(本文編輯: 康亦兼)

Influence of artificial reef construction on the transportation of nutrients in the off-shore area of Xiapu, Fujian

XIAO Rong, YANG Hong
(College of Marine Sciences, Shang Hai Ocean University, Shanghai 201306, China)

Mar., 31, 2015

artificial reef; effect of flow field; numerical simulation; upwelling; the vertical transportation flux of nutrients

According to research performed in Xiapu, Fujian in 2012 and 2013, computational fluid dynamics was used to simulate the water flow pattern around three different artificial reefs in terms of unsteady flow effects, and the scale and intensity of the upwelling around the artificial reefs were simulated. In addition, the differences in flow characteristics were summarized, and the vertical transport fluxes of various nutrients were estimated. The results showed that the maximum height of the upwellings was approximately 2.27–3.73 times the reef height, and the maximum and average velocities of upwelling were approximately 0.40–0.72 and 0.10–0.17 times the incoming velocity. The upwelling velocity in a computational domain of three types of artificial reef assemblages was 10-2cm/s, and the magnitude of the relationship of nutrient vertical fluxes in different assemblages wassquare reefs>ship reefs>trapezoidal reefs. The average vertical fluxes of PO-P, NO-N, and SiO-Si were 438.3 mg/(m2·d), 2212.5 mg/(m2·d), and 7288.3 mg/(m2·d) in the square reef area.Setting artificial reefs could improve the hydrodynamic environment and form typical upwelling areas, significantly improving primary productivity.

S953.1

A

1000-3096(2016)02-0094-08

10.11759/hykx20150331002

2015-03-31;

2015-06-25

農業部2012年漁業資源保護和轉產轉業項目(D8006128012) [Foundation: The fishery resources protection and job transfer project in 2012 of Ministry of Agriculture (D8006128012)]

肖榮(1988-), 男, 江西贛州人, 碩士研究生, 主要從事海洋環境學研究, 電話: 18817775220, E-mail: 1791198674@qq.com; 楊紅, 通信作者: E-mail: hyang@shou.edu.cn