海上養(yǎng)殖設(shè)施與人工魚礁融合布局流場(chǎng)分析

江 濤，朱 燁，崔銘超，洪 揚(yáng)，鄒海生

(1 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092；2 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237)

自20世紀(jì)70年代末以來，海洋牧場(chǎng)主要以人工魚礁建設(shè)[1]和增殖放流等為主要技術(shù)手段，對(duì)修復(fù)海域資源、恢復(fù)近海嚴(yán)重衰退的漁業(yè)資源起到了積極的作用[2-4]。構(gòu)建人工魚礁群落，應(yīng)用網(wǎng)箱及筏架等養(yǎng)殖設(shè)施，可有助于實(shí)現(xiàn)漁民的轉(zhuǎn)產(chǎn)轉(zhuǎn)業(yè)。通過人工魚礁區(qū)[5-6]、網(wǎng)箱及筏架在海洋牧場(chǎng)內(nèi)綜合布局，放流適量的底棲生物[7]，吸引本地魚群在人工魚礁區(qū)中棲息繁衍，同時(shí)，在附近海域開展經(jīng)濟(jì)性魚類的網(wǎng)箱養(yǎng)殖，養(yǎng)殖大型藻類和貝類，是現(xiàn)代海洋牧場(chǎng)的主要模式之一[8]。美國(guó)自1968年正式提出了建設(shè)海洋牧場(chǎng)的計(jì)劃，到2 000年，人工魚礁數(shù)量達(dá)到2 400 處，海洋漁業(yè)資源量是投放前的43倍。日本在人工魚礁建設(shè)、藻場(chǎng)(海中林)造成、魚貝類增殖放流等技術(shù)研究與應(yīng)用方面走在世界前列[9]。中國(guó)的海洋牧場(chǎng)以政府推動(dòng)、企業(yè)參與管理與經(jīng)營(yíng)，充分發(fā)揮了海洋牧場(chǎng)的產(chǎn)業(yè)價(jià)值，并兼顧安排 “雙轉(zhuǎn)”漁民再就業(yè)[10]。國(guó)內(nèi)外科研人員對(duì)海洋牧場(chǎng)人工魚礁單體及魚礁群的布局技術(shù)做了大量的研究[11-13]。白一冰等[14]建立了呂四漁場(chǎng)組合型人工魚礁群二維潮流數(shù)學(xué)模型，模擬礁群實(shí)施后周邊海域水動(dòng)力的變化。鄒濤等[15]用人工魚礁投放區(qū)的座底海床基獲取半年以上的水動(dòng)力觀測(cè)資料，通過譜分析、調(diào)和分析、濾波等方法分析該海區(qū)潮汐、潮流特征，并討論余流特征。劉長(zhǎng)根等[16]對(duì)大窗箱型魚礁、大小窗箱型魚礁、“卐(萬)字”型魚礁和雙層貝類增殖礁進(jìn)行流場(chǎng)分析，評(píng)價(jià)了魚礁流場(chǎng)效應(yīng)。蘭孝政等[17]研究了圓臺(tái)型礁的流場(chǎng)特征，流場(chǎng)、流態(tài)大部分指標(biāo)優(yōu)于傳統(tǒng)礁型。中國(guó)南方大部分養(yǎng)殖海域每年都會(huì)受到破壞性的臺(tái)風(fēng)影響[18]，北方渤海海域多年一遇的大型風(fēng)暴潮在寒潮大風(fēng)期間極易發(fā)生自然災(zāi)害，摧毀海洋牧場(chǎng)的養(yǎng)殖設(shè)施，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失[19]。

本研究根據(jù)水流速度在不同水層分布情況，提出在養(yǎng)魚網(wǎng)箱(圍欄)迎流面水域及其周邊間隔均布多個(gè)人工魚礁群落，在人工魚礁區(qū)的背流面區(qū)域放置貝類及大型藻類筏架，用于臺(tái)風(fēng)期間遮擋較高的流速，同時(shí)起到集魚和恢復(fù)海域生境的作用。本文對(duì)這種新型的人工魚礁、網(wǎng)箱及筏架的布局模式，尤其是人工魚礁區(qū)周邊的流場(chǎng)及殘餌糞便等污物[20]的攜帶能力進(jìn)行了分析研究。

1 人工魚礁、網(wǎng)箱(圍欄)及筏架的綜合布局

針對(duì)15 m水深的開放海域，將人工魚礁、網(wǎng)箱(圍欄)及筏架沿最大水流方向進(jìn)行布置。單個(gè)人工魚礁長(zhǎng)4 m、寬4 m、高4 m。各魚礁交錯(cuò)排列構(gòu)建成魚礁群，長(zhǎng)100 m、寬100 m、高4 m。如圖1所示，魚礁群按邊長(zhǎng)1.5倍的間距進(jìn)行排列。

圖1 人工魚礁、網(wǎng)箱(圍欄)和筏架綜合布置Fig.1 Comprehensive arrangement of artificial reefs,cages and rafts

在魚礁的迎流面，兩排礁群交錯(cuò)排列，在礁群背流面形成渦流，可降低水流速度[21]。在外部水流速度較高的情況下，保護(hù)了魚礁群落后部的網(wǎng)箱。同時(shí)，筏架區(qū)域放置在魚礁群落的后方，以期獲得適宜的養(yǎng)殖水體。在開放海域，人工魚礁群后部的網(wǎng)箱采用沉底式網(wǎng)箱養(yǎng)殖模式。在風(fēng)浪較大時(shí)，依靠人工魚礁群的遮擋作用，魚群可以集中在網(wǎng)箱或圍欄的下部，躲避海洋風(fēng)浪對(duì)魚群的影響。貝、藻筏架采用升降模式。魚礁區(qū)后部呈開放式，保持落潮時(shí)水流暢通，便于帶走網(wǎng)箱養(yǎng)殖過程中殘飼和沉積的污物。飼料投放過程中，會(huì)吸引附近的魚群前來覓食，覓食后在附近的礁群中棲息繁衍，有集魚作用。在水流作用下，網(wǎng)箱養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)物被傳遞至貝、藻養(yǎng)殖區(qū)，對(duì)水體進(jìn)行凈化；落潮時(shí)水流將礁區(qū)內(nèi)部過多的富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)帶走。底播生物可以消化、吸收海帶等水生植物的落葉，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建成生態(tài)型海洋牧場(chǎng)。運(yùn)用商用FLUENT軟件，基于RANS方程和有限體積法，對(duì)魚礁流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)魚礁區(qū)進(jìn)行優(yōu)化研究。

2 人工魚礁群落流場(chǎng)效應(yīng)分析

2.1 控制方程

流體運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量守恒方程為：

(1)

式中：ρ為密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；xi為直角坐標(biāo)，m；ui為坐標(biāo)系下的速度，m/s。

以上給出的是瞬態(tài)可壓縮流體的質(zhì)量守恒方程。這里流場(chǎng)內(nèi)流體是不可壓的，且密度ρ為常數(shù)，式(1)可以寫成：

(2)

動(dòng)量守恒定律也是任何流動(dòng)系統(tǒng)都必須滿足的基本定律。RANS方程可以寫成：

(3)

2.2 邊界條件

模型中的人工魚礁群及網(wǎng)箱、圍欄排列如圖2所示。為了簡(jiǎn)化流場(chǎng)計(jì)算的復(fù)雜程度，忽略網(wǎng)箱及筏架的阻力，魚礁固定壁面均為無滑移邊界條件，為檢驗(yàn)臺(tái)風(fēng)時(shí)強(qiáng)水流影響到海底的極端情況和海底較深區(qū)域的流場(chǎng)情況，矩形的上邊沿為來流方向，邊界條件為流速入口(Velocity inlet)，流速為1 m/s。矩形下邊沿為海水流出方向，使用出流(Outflow)為邊界條件來模擬流動(dòng)。矩形兩側(cè)邊，邊界條件設(shè)置為對(duì)稱邊界條件，模擬無限流場(chǎng)。

圖2人工魚礁群及網(wǎng)箱(圍欄)養(yǎng)殖沉淀物擴(kuò)散區(qū)模型Fig.2 Model of diffusion zone of sediment in artificial reef community and cage aquaculture

2.3 計(jì)算網(wǎng)格及其可靠性

為保證流場(chǎng)的穩(wěn)定性，計(jì)算域在魚礁群落前后各增加了50 D流場(chǎng)(D為對(duì)應(yīng)單個(gè)魚礁邊長(zhǎng))。計(jì)算流場(chǎng)設(shè)定為長(zhǎng)10 000 m，寬5 000 m的矩形區(qū)域。人工魚礁的中心位置坐標(biāo)為：X=2 500 m，Y=5 000 m。對(duì)魚礁群落采用O型網(wǎng)格處理辦法，為了保證計(jì)算質(zhì)量，壁面邊界層進(jìn)行了加密處理，整個(gè)流場(chǎng)均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(圖3)。無量綱距離y+控制在60～300之間，充分保證了計(jì)算網(wǎng)格的可靠性。

3 人工魚礁區(qū)流場(chǎng)效應(yīng)分析

3.1 流場(chǎng)情況及分析

圖4所示，在遇到風(fēng)暴潮或臺(tái)風(fēng)等極端海況下，設(shè)人工魚礁區(qū)海底層迎面區(qū)域海流速度為1.0 m/s，海流在迎流面的5個(gè)人工魚礁群后方形成渦流區(qū)[23]，流速范圍0.6～0.8 m/s，適合間隔放置養(yǎng)殖網(wǎng)箱(圍欄)。在整個(gè)人工魚礁群落后方，形成較大的渦流區(qū)，流速范圍0.2～0.67 m/s，便于放置可升降的貝、藻養(yǎng)殖筏架。在青島周邊海域底層海流最大流速為0.62 m/s，進(jìn)口邊界以0.62 m/s逆向流進(jìn)行數(shù)值模擬分析(圖5)，逆向流至筏架區(qū)域的流速為0.52～0.62 m/s。至網(wǎng)箱區(qū)域的流速由于礁群的作用使通道變窄，流速為0.47～0.72 m/s。流速適當(dāng)增加將有助提升海流對(duì)沉積物的攜帶能力。

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Grid division

圖4 人工魚礁區(qū)迎面流1.0 m/s速度流場(chǎng)等值線圖Fig.4 Isoline map of the upfront flow of 1.0 m/s velocity field in artificial reef area

圖5 人工魚礁區(qū)逆向流0.62 m/s速度流場(chǎng)等值線圖Fig.5 Isoline map of the reverse flow of 0.62 m/s velocity field in artificial reef area

3.2 沉淀物攜帶能力分析

網(wǎng)箱養(yǎng)殖過程中投放的殘余飼料和排泄物通常會(huì)形成沉淀物[24]，影響?zhàn)B殖水環(huán)境，因此需要水流將沉積物帶走、擴(kuò)散。安置在人工魚礁區(qū)內(nèi)的網(wǎng)箱可能會(huì)受魚礁遮擋效應(yīng)的影響而降低內(nèi)外水流交換，使沉積物堆積[25]，因此需要分析海流對(duì)人工魚礁區(qū)內(nèi)養(yǎng)殖沉淀物攜帶能力。Fluent軟件可以通過求解描述每種組成物質(zhì)的對(duì)流、擴(kuò)散和反應(yīng)源的守恒方程來模擬混合和運(yùn)輸。在本計(jì)算區(qū)域內(nèi)包含水體和沉積物兩種材料，沉積物的密度設(shè)為1 100 kg/m3、黏度0.033 1 kg/(m·s)[26]，通過水體的流動(dòng)及沉積物的擴(kuò)散效應(yīng)，將沉積物攜帶出養(yǎng)殖水域。

如圖3所示，網(wǎng)格劃分區(qū)域的中部添加3塊區(qū)域單獨(dú)劃分網(wǎng)格，形成3個(gè)獨(dú)立的流體區(qū)域，根據(jù)100 m×100 m養(yǎng)殖圍欄的投飼量1 125 kg/d，其中15%直接落入水中，75%用于增加魚的體質(zhì)量和維持魚類生命，剩余10%以排泄物的形式進(jìn)入水體[27]。換算為流體區(qū)域內(nèi)沉積物擴(kuò)散量為2.17×10-8kg/(m3·s)。

模擬對(duì)象為青島田橫島附近海域，潮流類型屬規(guī)則半日潮流，潮流運(yùn)動(dòng)形式以往復(fù)流為主。青島沿海潮汐規(guī)律：大潮，初一、初二、十四、十五、十六、廿九、三十；中潮，初三、初四、初五、初六、十八、十九、廿、廿一；小潮，初七、初八、初九、廿二、廿三、廿四；長(zhǎng)潮，初十、十一、十二、十三、廿五、廿六、廿七、廿八。各層流速最大值均出現(xiàn)在表層，流速基本上自表層至底層逐漸減小。大潮期漲、落潮底層平均流速為0.31 m/s，小潮期漲、落潮底層平均流速為0.17 m/s，中潮期平均流速為0.24 m/s；大潮期漲潮流底層最大流速為0.62 m/s，落潮流底層最大流速為0.62 m/s，小潮期漲潮流底層最大流速為0.32 m/s，落潮流底層最大流速 0.36 m/s。

簡(jiǎn)化后的規(guī)則半日潮及往復(fù)流速度模型：

(4)

式中：v(d,t)—往復(fù)潮流速度，m/s；d—每月初一～卅；t—時(shí)間，1～24 h；INT表示取整函數(shù)，按四舍五入取整。

二次開發(fā)的入口速度變化UDF程序經(jīng)Fluent編譯后，由流速進(jìn)口邊界調(diào)用，實(shí)現(xiàn)入口速度隨時(shí)間的變化而變化。根據(jù)半日潮及往復(fù)流的特性，每天海流方向每隔6 h發(fā)生變換。數(shù)值模擬分析了1個(gè)月的周期的小潮、中潮及大潮，往復(fù)海流(迎面流、逆向流)對(duì)沉積物的攜帶情況。

模擬結(jié)果顯示，無論是迎面流還是逆向流，都具有將沉淀物輸送遷徙的能力，但是過低的流速比如小潮時(shí)，沉淀物容易在局部區(qū)域由于渦流的作用使沉淀物的遷徙速度減緩，增加了局部的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(指溶液中溶質(zhì)質(zhì)量與溶液質(zhì)量之比)，如小潮時(shí)沉淀物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.80×10-6%，大潮時(shí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.36×10-6%。同時(shí)，沉淀物的遷徙距離與流速有關(guān)，如圖6所示，在小潮時(shí)，沉淀物的遷徙距離為3 672 m，中潮時(shí)的距離為5 184 m，大潮時(shí)的距離為6 696 m。海流將沉淀物遷徙至較遠(yuǎn)的距離，有利于物質(zhì)的擴(kuò)散，使養(yǎng)殖區(qū)域沉淀物濃度降低。圖7為逆向流沉淀物遷徙，攜帶至魚礁群落外部的部分沉淀物又被帶回魚礁群落內(nèi)，中部的沉積物質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有上升，最高為3.19×10-6%，隨著時(shí)間的推移，質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸下降，最后被潮流帶出人工魚礁群落。

在海流為1.0 m/s的前提下，沉積物在水流的帶動(dòng)下發(fā)生遷徙，質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為1.10×10-8%，海流攜帶沉積物能力良好，可見極端海況比如臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮有利于海底沉積物的擴(kuò)散。在最大逆向流為0.62 m/s的前提下，沉積物在水流的帶動(dòng)下發(fā)生遷徙，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.68×10-8%，水體攜帶沉積物能力尚好。

圖8所示，0～259 200 s是為期3 d的小潮期間，由于海流速度較低，網(wǎng)箱(圍欄)養(yǎng)殖過程中形成的沉積物不能遠(yuǎn)距離擴(kuò)散，沉積物逐漸增加；259 200～604 800 s是為期4 d的中潮期間，由于海流速度有所提升，沉積物攜帶增強(qiáng)，沉積物面積加權(quán)質(zhì)量不再增加；604 800～777 600 s是為期2 d的大潮期間，海流速度快速提升，沉積物質(zhì)量大幅減少。

圖6 養(yǎng)殖區(qū)域迎面流沉淀物遷徙圖Fig.6 Migration map of sediment in upfront flow of culture area

圖7 養(yǎng)殖區(qū)域逆向流沉淀物遷徙圖Fig.7 Migration map of sediment in reverse flow of culture area

圖8 沉積物面積加權(quán)平均值與流動(dòng)時(shí)間Fig.8 Area-weighted average of sediment and time

4 結(jié)論

利用Fluent軟件，對(duì)人工魚礁群落、養(yǎng)殖網(wǎng)箱及貝、藻養(yǎng)殖筏架綜合布局模式的流場(chǎng)做了深入分析。結(jié)果表明，在養(yǎng)殖網(wǎng)箱(圍欄)外圍，尤其是臺(tái)風(fēng)作用在水面形成的迎流面方向交錯(cuò)設(shè)置人工魚礁形成屏障，遮擋較高水流速度，可大幅降低流入礁群內(nèi)的水流速度，對(duì)設(shè)置在內(nèi)部的網(wǎng)箱(圍欄)起到了有效的保護(hù)作用。構(gòu)建的規(guī)則半日潮往復(fù)水流模型，揭示了人工魚礁區(qū)內(nèi)攜帶網(wǎng)箱(圍欄)養(yǎng)殖過程中形成的沉淀物的能力。在小潮漲落潮期間，養(yǎng)殖沉淀物會(huì)有所上升，但隨著中潮和大潮的到來，海底流速上升，加快了沉淀物的擴(kuò)散，并提高了海流對(duì)沉積物的攜帶能力，養(yǎng)殖區(qū)域內(nèi)的沉積物減少。網(wǎng)箱及筏架本身阻力對(duì)流速會(huì)有一定的影響，考慮到過于復(fù)雜的模型可能會(huì)影響結(jié)果的精確性，因此未能加入綜合研究。貝、藻對(duì)擴(kuò)散的沉積物具有一定的過濾與吸收能力，凈化水質(zhì)。目前該模型尚未深入研究，待貝藻對(duì)沉淀物吸收模型建立后進(jìn)一步討論。

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