舒安平，王夢瑤，秦際平，王 澍，朱福楊

（1. 北京師范大學 環(huán)境學院 水沙科學教育部重點實驗室，北京 100875；2.中國電建集團 中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

1 研究背景

近年來，我國渤海灣等近海海域受養(yǎng)殖空間超負荷、海洋捕撈強度高以及全球氣候變化等因素的影響，導致海洋生態(tài)環(huán)境被污染、漁業(yè)資源遭受破壞[1-3]。建設海洋牧場可以促進漁業(yè)資源恢復、發(fā)展海洋經濟，是合理開發(fā)利用漁業(yè)資源、保護海洋生態(tài)環(huán)境的重要舉措[1，4-8]。投放人工魚礁則是海洋牧場建設過程中采用的一種重要技術手段，合理的人工魚礁建設有利于調整海洋產業(yè)結構，從根本上修復和改善海洋生態(tài)環(huán)境、優(yōu)化漁業(yè)資源、促進海洋經濟持續(xù)健康發(fā)展[7，9-10]。因此，對渤海灣人工魚礁區(qū)域水流流動分布與海床泥沙起動特征進行分析，對人工魚礁布設、評價實際海域人工魚礁的環(huán)境功能和流場泥沙效應具有重要實際意義。

作為海洋牧場極其重要的建設內容之一，近三十年來人工魚礁的社會、生態(tài)和經濟等方面的價值越來越來越受到相關行業(yè)重視，一些專家學者已進行了有益的探索研究[7，9-10]。鄭延璇等利用計算流體力學CFD軟件，采用RNG k-ε湍流模型，研究不同來流流速（0.3、0.5、0.8 m/s）下星體型魚礁模型的流場效應，分析了礁體投放方式與流場效應的關系[12]；李曉磊等同樣利用CFD軟件，對定常流作用下方形魚礁模型進行數(shù)值模擬，研究了礁體周圍的三維渦結構[13]。Miao和Xie通過模擬波浪研究了水深對人工魚礁水動力的影響，計算結果表明只有當水深與礁高的比值小于等于6.0時，水動力特征值才隨著水深的減小而增大[14]。Düzbastil和?entürk研究了波浪和人工魚礁之間的相互作用，并在FLUENT軟件中使用物理方程估算了阻力、拖曳力以及阻力系數(shù)。結果表明，部署在12～16 m以上水域的人工魚礁與水流成45°和90°角時是穩(wěn)定的。此外，海床坡度可能對人工魚礁的設計重量有重大影響[15]。Woo等人提出了一種基于有限體積流量分析的韓國常用人工魚礁阻力系數(shù)估算方法，其結果顯示初始流速的變化并沒有改變阻力系數(shù)，但來流與人工魚礁方向夾角的變化對阻力系數(shù)的改變較顯著[16]。Srineash和Murali則在水力實驗中研究了用于保護海岸侵蝕的石籠箱型魚礁上的波浪壓力，得出了在定波浪氣候下人工魚礁的最佳配置[17]。Li Jiao等人用大渦模擬LES k-ε湍流模型對方形單體礁周圍的上升流的強度和尺度進行分析，得到礁體不同結構的通透系數(shù)與礁體周圍流場變化的數(shù)學模型，結果表明人工魚礁周圍上升流的流場效應達到最大時，單體礁高度與水面高度的比值為0.224[18]。現(xiàn)階段對于人工魚礁流場效應的研究大多集中在單體礁或雙魚礁組合的流場的水動力學特性的定性分析，尚缺乏流場量化及海床泥沙起動方面相關成果，特別是對二個以上人工魚礁組合群對區(qū)域流場及泥沙效應的研究成果并不多見，需要進一步進行系統(tǒng)研究。

鑒于此，本文以渤海灣遼東灣區(qū)覺華島近海人工魚礁區(qū)域為研究對象，通過水槽模擬實驗，并采用粒子圖像測速系統(tǒng)（PIV）研究不同流速條件下單位人工魚礁及不同間距的人工魚礁組合群區(qū)域流場分布特別是上升流及背渦流流動分布特征。在此基礎上，結合現(xiàn)場海床泥沙采樣測試結果和實驗模擬結果，探討人工魚礁區(qū)域海床泥沙起動特性，不僅為人工魚礁優(yōu)化布局方案提供重要技術支持，而且對優(yōu)化魚礁投放操作流程、減少魚礁投放對海床泥沙擾動影響具有重要現(xiàn)實意義。

2 水槽實驗概況

本次實驗是在北京師范大學環(huán)境學院、水沙科學教育部重點實驗室的多功能循環(huán)水槽中進行。實驗過程中，通過多功能水槽提供不同流速的恒定水流作為水源條件，以位于渤海灣遼東灣區(qū)大型海洋牧場——覺華島典型人工魚礁（M型）區(qū)域為實驗研究對象，并將擬投放的人工魚礁群為原型進行比尺縮放，利用激光與高速攝像機等構成的PIV測量系統(tǒng)，拍攝并記錄在不同工況下M型人工魚礁單位礁區(qū)域的粒子運動圖像，研究不同流速條件下、不同間距人工魚礁群區(qū)域流場分布特征，進而結合現(xiàn)場采樣的海床泥沙分析探討海床泥沙的起動特點。

2.1 實驗裝置多功能水槽及PIV測量系統(tǒng)的結構示意圖如圖1所示。多功能水槽底部和側面均由透明玻璃構成，水槽長25 m，寬0.8 m，高0.8 m；實驗段長4 m，寬0.8 m。多功能水槽同時包括自動水位系統(tǒng)、自動尾門系統(tǒng)、流速量測設備，供回水控制過程通過變頻器和電磁流量計的閉環(huán)來實現(xiàn)，可精確地實現(xiàn)恒定流的閉環(huán)控制和非恒定流的流量變化過程控制，控制準確精度高。實驗所需的不同流量采用一臺水泵供水、電磁流量計實時監(jiān)測流量、變頻器閉環(huán)控制水泵轉速以調節(jié)輸出流量的方式實現(xiàn)?？梢栽趯嶒炘试S的較大與較小流量時同樣的能夠保持較高的調控精度。

PIV測量系統(tǒng)由激光發(fā)射器、高速攝像機、激光發(fā)射器、轉換器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構成，如圖1所示。

圖1 多功能水槽及PIV測量系統(tǒng)結構示意

圖2 M型人工魚礁礁群原型布局及單體魚礁原型示意

本實驗所設置的M型單位礁群以渤海灣覺華島近海區(qū)域擬投的放M型單位礁群原始設置（如圖2所示）為基準，人工魚礁群原型長、寬為50 m×50 m，沿水流方向礁群間距長18.85 m，M型單體礁原型尺寸：長3 m×寬3 m×高2.2 m，礁體厚度0.15 m，礁面圓孔半徑0.2m，三角形內夾角為41°，魚礁模型按照幾何比尺50∶1進行模型設計，即實驗模型中M型單體礁模型尺寸為長60 mm×寬60 mm×高44 mm×厚3 mm×圓孔半徑4 mm，三角形內夾角為41°。模型魚礁使用PVC有機玻璃材料制作，其中人工魚礁群模型采用原型人工魚礁群中沿水流方向對角線的三個分礁群構成，基于此設計單位礁由14個M型單體礁構成，每4或6個單體礁構成一個分礁群，以4+6+4的形式擺放，組合成單位礁群模型，礁群間距為377 mm，分礁群內兩單體礁之間的間距為一倍礁長60 mm。

圖3 單位礁構成及不同單位礁內間距的魚礁布局圖

2.2 實驗條件設計按照渤海灣平均水深15 m及模型幾何比尺50∶1縮小得出模型實驗水深為30 cm，實驗水體采用自來水。為了探究不同人工魚礁群間距條件下的水動力學特征，本次實驗在人工魚礁群模型間距以擬投放魚礁群L2=377 mm的間距為基準分別按照縮小25%和擴大25%進行縮放，即共設置了3種不同的人工魚礁群間距條件：即L1=0.75、L2=283 mm、L2=377 mm、L3=1.25L2=471 mm。具體擺放方式如圖3所示。每種間距均有3種不同流速，實驗流速按照重力相似原則設計，即Frp =Frm，速度比尺應為νp∶νm=∶1。依據(jù)實際近海海域流速，選擇3個實際流速vp分別為日常流速0.6 m/s、普通風浪流速1.2 m/s和較大風浪流速1.8 m/s，按速度比尺50∶1設定3個實驗流速vm分別為0.085 m/s、0.170 m/s、0.257 m/s，即對應的實驗流量分別設為20 L/s、40 L/s、60 L/s三種工況。綜上所述共9組實驗工況，詳見表1。

表1 水槽實驗條件

為探究海床泥沙起動特性，可將實驗結果按照相似比尺等比還原為實際的流場情況，以渤海灣區(qū)域本底調查的泥沙顆粒為研究對象，其顆粒級配如圖4所示，泥沙樣本的中值粒徑約為d50=0.0175 mm，容重γs =1.83×103kg/m。

圖4 海床泥沙顆粒級配曲線圖

2.3 實驗方法及內容實驗流場采用PIV測試系統(tǒng)測量，其中示蹤粒子采用水體中自然存在的雜質，實驗光源采用激光，激光脈沖采用同步儀控制。

實驗流程及方法如下：每組實驗分準備及實施兩個階段，其中準備階段主要是在實驗段架設并調試CCD高速攝像機、關閉尾門并放水至30 cm、按設計在槽底擺放魚礁等；實驗實施階段中首先打開閥門放水、調節(jié)流量，然后打開激光并使用高速攝像機以跨幀時間2700 μs的拍攝速度拍攝500幀的瞬時粒子運動圖像，每幀圖像包含A、B兩個畫面，兩個畫面之間的采集頻率為15 Hz。由于高速攝像機能拍攝的最大畫面（30 cm×20 cm）較小，故選擇分段獲取人工魚礁流場圖像。當前一拍攝點的粒子運動圖像采集完成后，關閉激光，將激光發(fā)射器及相機沿水流方向平移至下一觀測點位上進行新一輪粒子運動圖像采集，此過程中需注意兩次拍攝的粒子運動畫面需要有部分重合區(qū)域，以便于后期圖像處理。重復以上操作至該工況下單位礁粒子運動圖像整體拍攝完畢，隨后觀測設備，該組次實驗停止。實驗流程圖如圖5所示。

實驗結束后，將同一工況下的不同觀測點的速度矢量圖進行拼接，最終對全部實驗資料進行整理、對比分析得到9組次實驗流場分布圖，詳見圖5。

3 人工魚礁區(qū)域水流流場分布特征

圖5 不同工況下人工魚礁群縱流場分布

圖6 不同工況下人工魚礁群上升流分布

3.1 沿程流態(tài)變化特點由圖5可見，在水槽實驗觀察到的實驗現(xiàn)象顯示水流在第一個迎流單體礁A-1前方約3倍礁高處出現(xiàn)抬升，在第一個單體礁迎流面頂端有一個固定的流動分離點，該點周圍流速急劇增加且在該點附近形成一個小的渦旋區(qū)，同時在該魚礁迎流面底部也會出現(xiàn)一個小的渦旋區(qū)，此現(xiàn)象在每個分礁群的第一個單體礁的迎流面均出現(xiàn)，但越靠后該現(xiàn)象越不顯著。而單位礁群內和礁群后則形成一個流速相對來流速度較緩的緩流區(qū)。

3.2 上升流區(qū)流場分布投放人工魚礁后，海底局部水流受阻而抬升，形成上升流。上升流能夠使區(qū)域的鹽分、營養(yǎng)物質、溫度等進行再分配，上升流區(qū)通常也是餌料、浮游生物的密集區(qū)，因此，上升流區(qū)域的大小通常都作為衡量魚礁集魚功能的重要指標。根據(jù)黃遠東等提出的上升流的界定標準，本實驗將水平流速為0時，垂向流速與來流速度之比大于或等于5%的區(qū)域判定為上升流區(qū)[18]。

圖6為不同工況下上升流區(qū)域分布圖，表2為不同工況下上升流特征值的變化情況，結合圖7和表3可以看出上升流區(qū)主要集中于每個分礁群第一個單體礁迎流面上方的流動分離點處，沿水流方向，后方礁體產生的上升流區(qū)的規(guī)模逐漸減小，上升流最大區(qū)出現(xiàn)在第一個迎流單體礁的前方。各個分礁群內兩個相連單體礁之間有小范圍上升流區(qū)的分布，但由于區(qū)域面積過小，相較可忽略不計?？傮w而言，隨著人工魚礁群內間距的增加，上升流區(qū)及其各項特征值呈現(xiàn)先減小再增加趨勢；隨著流速的增加，上升流區(qū)域及其各項幾何特征值則呈現(xiàn)增加的趨勢。

表2 不同工況下上升流幾何特征值的比較

3.3 背渦流區(qū)流場分布海底水流受到魚礁阻流作用在礁后形成了流速緩和，流態(tài)復雜多變的渦流區(qū)，通常渦心處流速最小。由于渦流區(qū)流速較緩，使其在潮流較強時成為魚類適宜的遮蔽場所，同時渦流還會使浮游生物、甲殼類和魚類等進行聚集。將在魚礁背面或內部形成的渦旋狀流場定義為背渦流，而且將背渦流流速和空間尺寸作為衡量人工魚礁流場效應的主要指標之一。

圖7 不同工況分礁群A后背渦流分布

通過觀察實驗現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)背渦流主要出現(xiàn)在各分礁群兩個單體礁之間及分礁群尾部單體礁的背部，兩個單體礁內背渦流沿水流方向分布情況如下：通常單體礁A-1后會形成一個大背渦流，隨著流速的增加，背渦流出現(xiàn)位置升高；單體礁B-1背部出現(xiàn)1-2個渦流不等；單體礁B-2及單體礁C-1背部均出現(xiàn)2個小背渦流，兩個背渦流通常左高右低、左大右小。而各個分礁群背部均有1個背渦流，以分礁群A尾部的背渦流形態(tài)最為清晰，因此著重分析該區(qū)域背渦流。圖7為不同工況分礁群A后背渦流區(qū)域，結合圖5、圖7及表3可知，礁后面均出現(xiàn)了比較明顯的旋渦區(qū)域，相同人工魚礁群間距條件下，分礁群A圖7不同工況分礁群A后背渦流區(qū)域流場分布圖

后背渦流隨著流速越大，背渦流特征值有增大趨勢，但差異不明顯；而針對背渦流的總面積，在相同流速下，隨著人工魚礁群間距的增加，其相應的背渦流域總面積有先減小后增加的趨勢，但L1與L2間距下的總面積差距很小。

綜上所述，在擴大25%魚礁群間距，即L3=1.25L2條件下的上升流、背渦流各項特征值均大于其余兩個間距的工況。因此建議渤海灣在投放人工魚礁時，可適當將人工魚礁群內部間距拉大，在相同的造價下，可增大的上升流、背渦流面積及人工魚礁群影響面積，從而獲得更多的海洋生物資源生產量。

表3 不同工況下背渦流幾何特征值的比較

4 人工魚礁區(qū)域海床泥沙起動特點

4.1 海床泥沙顆粒粒徑與起動流速關系泥沙顆粒的起動流速是泥沙顆粒起動的量化指標。采用張瑞瑾（1989）起動流速公式：

式中：h為水深；D為泥沙顆粒粒徑；γs、γ分別為沙粒、水的容重。

渤海灣擬投礁區(qū)域的實際平均水深h=15 m，γs =1.83×103kg/m3，γ=1.0×103kg/m3，通過圖4海床采樣泥沙顆粒級配曲線圖，結合式（1）可計算出采樣泥沙在不同粒徑下的起動流速的關系和該采樣泥沙在不同流速下與顆粒的啟動百分比的關系，計算結果分別如圖8、圖9所示。由圖可見，當未放置魚礁時，在日常流速條件下，即vp=0.6 m/s（對應實驗流速為0.085 m/s）時，粒徑在0.1046～0.0739 mm范圍內的泥沙顆粒能夠起動，僅占全部顆粒的21.48%，占比較低。從前述的流場分布特征分析可知，人工魚礁投放后改變了區(qū)域流態(tài)及流場分布，在分礁群的前部會產生上升流，導致垂向流速增加；另一方面，在單體礁的背部產生背渦流，造成局部流速減小并產生回流，水流紊動加強，區(qū)域流場條件較魚礁投放前發(fā)生了較大變化。因此，通過對比分析魚礁投放前后的流場及紊動強度，發(fā)現(xiàn)人工魚礁投放后在同樣的來流條件下人工魚礁區(qū)域海床近底的流速條件的改變引起紊動強度相應增大，會導致近底區(qū)域泥沙顆粒更容易起動。

圖8 采樣泥沙不同粒徑-起動流速關系

圖9 流速與起動百分比關系

4.2 人工魚礁投放后海床泥沙臨界起動切應力的變化特點泥沙顆粒在水流作用下能否起動，主要取決于其受到上舉力、拖曳力及水下重力的大小對比關系，而上舉力系數(shù)、拖曳力系數(shù)與沙粒形狀和沙粒雷諾數(shù)有關，最后得出的起動拖曳力公式即著名的希爾茲起動剪切力曲線可表述如下函數(shù)關系：

式中沙粒雷諾數(shù)

Cao等[20]根據(jù)對數(shù)匹配方法，對希爾茲關系曲線進行分段擬合為：

根據(jù)上式可知，計算臨界起動切應力τc需先獲取摩阻流速。摩阻流速可根據(jù)雷諾應力法、實測流速反算法以及湍流動能法等進行計算[21]。

雷諾應力法即將實測雷諾應力垂線分布延長至床面求得床面切應力，再求得摩阻流速。

實測流速反算法即當垂線上縱向流速分布符合對數(shù)流速分布關系（如圖10如示）時，可由流速分布對數(shù)公式反推摩阻流速：

流速分布對數(shù)公式：

湍流動能法則根據(jù)近壁面總動能計算壁面切應力，再根據(jù)摩阻流速定義公式計算求得摩阻流速。計算過程如下：

將（9）帶入（8）中可得：

式中：τc為泥沙顆粒起動臨界剪切力；u*為摩阻流速；υ為水的黏滯系數(shù)；θ為希爾茲數(shù)；U為距床面y處的流速；κ為卡門常數(shù)，此處κ =0.41；A為積分常數(shù)；分別為縱向、垂向、橫向紊動流速的均方值；c為經驗系數(shù)，本文取值c=0.19[22]。

圖10 投放人工魚礁群前垂線流速分布

為了分析放置人工魚礁群后海床泥沙起動變化特點，本文在來流平均流速為0.085 m/s（即海域實際日常流速0.6 m/s）條件下，將實驗結果等比放大為實際值，假定加入采樣泥沙，令D=d50=0.0175 mm，對比分析人工魚礁放置前與原型人工魚礁群工況（實驗間距為377 mm）底面各點上的臨界起動切應力。

當水槽內未放置人工魚礁群時，垂線上縱向流速u的流速分布符合對數(shù)分布規(guī)律（見圖10）。在此條件下，采用三種方法計算的摩阻流速值分別為：0.0217m/s（雷諾應力法）；0.0201 m/s（實測流速反算法）；0.0265 m/s（湍流動能法）。水的動力黏滯系數(shù)取1.31×10-6 kPa·s，求得沙粒雷諾數(shù)分別為：0.290（雷諾應力法）；0.248（實測流速反算法）；0.354（湍流動能法），將結果代入式（7）得臨界起動切應力分別為：0.0022（雷諾應力法）；0.00224（實測流速反算法）；0.00209（湍流動能法）。

當水槽內部放置人工魚礁群后，人工魚礁群區(qū)域內，垂線上流速分布不滿足對數(shù)公式，因此在計算放置后的底面各臨界起動切應力時，采用湍流動能法計算摩阻流速，由此計算投放魚礁前后臨界起動切應力，計算結果如圖11所示。圖中人工魚礁放置前底面各點臨界起動切應力求解時采用的摩阻流速同樣由湍流動能法計算得到。臨界起動切應力越大意味著同一粒徑下該點處的泥沙更不易起動。此外隨著臨界起動切應力急劇變化、即突起的部分放置單體礁的區(qū)域，計算結果表明，在投放魚礁后，整個人工魚礁群前部及各個單體礁內部較投放前臨界起動切應力明顯增高，泥沙更不易起動；相鄰兩個單體礁內部及分礁群背部的各點的臨界起動切應力較投放魚礁前減小，更容易起動。

圖11 魚礁投放前后臨界起動切應力變化趨勢圖

結合第3節(jié)區(qū)域水流流動分布特性可推斷，臨界起動切應力較投放前減小的部分，多為背渦流出現(xiàn)區(qū)域，通常背渦流面積越大，背渦流效應越強烈，該區(qū)域泥沙所需要的臨界起動切應力越小，泥沙更容易起動；各個分礁群間臨界起動切應力均小于投放前，但沿水流方向，臨界起動切力呈增加趨勢，這可能是由于沿水流方向，背渦流效應減小，水流趨于平緩而造成的。

以上對海床泥沙起動剪切力分析應用意義在于，除了可優(yōu)化人工魚礁優(yōu)化布局和投放操作流程以外，還可指導在人工魚礁區(qū)域投放餌料時機和密度等，如將餌料的起動擴散可視作不同粒徑的泥沙顆粒的起動，本文海床泥沙起動特點這一研究成果可對后續(xù)在人工魚礁群區(qū)域采用數(shù)值模擬餌料源項濃度擴散分布等奠定了基礎，同時對海洋牧場養(yǎng)殖的目標物種索餌投放量設計及操作提供技術指導。特別是是對M型人工魚礁群的水流分布及底層泥沙臨界起動切應力而言，可根據(jù)海洋魚類目標物種的索餌習性，如對于在海洋中分布于海床，泥沙耐受程度高的目標物種，適當?shù)脑黾诱{整人工魚礁布設，以調整人工魚礁產生的上升流、背渦流面積和高度，有利于目標物種的覓食隱藏及生存繁殖。

5 結論

（1）對于上升流區(qū)流動分布，實驗結果表明隨著流速的增加，相同人工魚礁群間距條件下上升流區(qū)流動范圍的長度和面積等幾何特征值均呈現(xiàn)增加趨勢；在同一流速下，對比分析不同間距條件下人工魚礁群上升流區(qū)幾何特征值，得出當人工魚礁群間距約為7.9倍礁長，即擴大25%人工魚礁群原型間距時，幾何特征值達到最大。

（2）對于背渦流區(qū)流動分布，實驗結果表明相同人工魚礁群間距條件下，隨著流速增加，分礁群A后背渦流最大長寬變化不大，最大面積呈現(xiàn)增加趨勢，但依然差距很?。辉谕涣魉傧?，背渦流幾何特征值隨間距增加而有增大趨勢，同樣在擴大25%人工魚礁群原型間距時達到最大。

（3）通過對比分析投放人工魚礁群前、后的海床泥沙的臨界起動切應力變化特點，表明在投放魚礁后，整個人工魚礁群前部及各個單體礁內部較投放前臨界起動切應力明顯增高，泥沙更不易起動；相鄰兩個單體礁內部及分礁群背部的各點的臨界起動切應力較投放魚礁前減小，表明該區(qū)域泥沙更容易起動。

（4）根據(jù)上升流、背渦流流場分布特征，并結合區(qū)域海床泥沙起動特點分析，初步得出當人工魚礁群間距約為7.9倍礁長，即沿礁群擴大25%魚礁群間距條件下魚類適宜空間特征值均大于基準間距的情況，這對優(yōu)化現(xiàn)有人工魚礁布局具有實際指導意義。

本文通過人工魚礁水槽模擬實驗對流場分布與海床泥沙起動特征進行了分析，鑒于問題本身復雜性，加之實驗中未直接投放泥沙進行觀測以及未考慮波浪對人工魚礁區(qū)域水流及泥沙的影響，本項研究成果尚有一定局限性。因此，在未來的研究中，可以深入開展投放泥沙后的波浪條件下人工魚礁區(qū)域流場變化及泥沙起動的相應研究，完善實驗成果，為人工魚礁的實際投放與設計提供更加完善可靠的理論依據(jù)。