楊梅坑人工魚礁區(qū)水交換的數(shù)值研究.pdf

1、人工魚礁是人為設(shè)置在水域中的構(gòu)造物，可為魚類等水生生物的棲息、生長(zhǎng)、繁育提供安全場(chǎng)所，營(yíng)造適宜的生長(zhǎng)環(huán)境。近年來，我國(guó)沿海漁業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)正在調(diào)整，建設(shè)人工魚礁，作為修復(fù)和改善海洋生態(tài)環(huán)境、增殖和優(yōu)化漁業(yè)資源、保護(hù)生物多樣性、促進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展的一項(xiàng)重要舉措，已被廣泛認(rèn)可，我國(guó)沿海部分省份已相繼啟動(dòng)了人工魚礁的規(guī)劃和建設(shè)。但目前就人工魚礁工程建設(shè)對(duì)海域生態(tài)環(huán)境的影響仍不是很明了，在建設(shè)過程中還缺少相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)的支持，因此，人工魚礁的

2、建設(shè)仍存在一定的盲目性。 水體交換程度直接影響水體營(yíng)養(yǎng)鹽的分布，營(yíng)養(yǎng)鹽能使浮游植物增殖，浮游植物是海洋中食物鏈之源，是浮游動(dòng)物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)餌料，亦是魚類的間接餌料。人工魚礁區(qū)的生態(tài)調(diào)控過程相當(dāng)復(fù)雜，人工魚礁區(qū)水體交換能力的強(qiáng)弱直接影響其礁區(qū)水體的環(huán)境質(zhì)量和營(yíng)養(yǎng)鹽分布情況，是研究人工魚礁生態(tài)系統(tǒng)變動(dòng)機(jī)制的關(guān)鍵。因此，對(duì)由流場(chǎng)變化引起的水體交換能力的研究，是研究人工魚礁區(qū)物理學(xué)變動(dòng)與生物學(xué)變動(dòng)的聯(lián)系紐帶，是弄清人工魚礁生態(tài)效應(yīng)的關(guān)鍵。

3、 目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)的研究主要涉及單位礁體（礁群）的流場(chǎng)特點(diǎn)，魚礁投放后產(chǎn)生的上升流、背渦流規(guī)模、大小以及湍流強(qiáng)度的研究，還未見專門針對(duì)人工魚礁區(qū)整體水交換情況的研究報(bào)道。人工魚礁建設(shè)后礁區(qū)海洋生態(tài)的變動(dòng)機(jī)制至今不是很明了，水體交換能力的研究對(duì)海域環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)有重要作用，對(duì)人工魚礁區(qū)海域的生態(tài)變動(dòng)機(jī)制的研究有重要意義。 本文以人工魚礁區(qū)的流場(chǎng)效應(yīng)為切入點(diǎn)，引入水體交換時(shí)間的概念，根據(jù)深圳楊梅坑人工魚礁區(qū)的

4、實(shí)測(cè)海流數(shù)據(jù)，采用數(shù)值模擬的方法，利用CFD數(shù)值模擬軟件模擬了楊梅坑人工魚礁區(qū)水動(dòng)力學(xué)過程、水體交換變動(dòng)情況、保守物質(zhì)濃度擴(kuò)散情況，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究分析了單位礁群間距對(duì)礁區(qū)水體交換情況的影響，比較數(shù)值模擬結(jié)果，討論楊梅坑人工魚礁區(qū)布局的合理性。 由于楊梅坑人工魚礁區(qū)長(zhǎng)軸方向與所處海域的主流軸方向平行，往復(fù)流的流動(dòng)特征加強(qiáng)了海流來回?cái)D壓的效應(yīng)，在垂直主流軸的方向上加大了楊梅坑人工魚礁區(qū)的調(diào)控面積；受到漲落潮的影響，計(jì)算區(qū)域在

5、漲潮方向上水體存留時(shí)間相對(duì)落潮方向上水體存留時(shí)間要短。在礁區(qū)外垂直于主流軸的區(qū)域，背渦流的存在導(dǎo)致了水體存留時(shí)間較同一方向上礁區(qū)內(nèi)的水體存留時(shí)間更長(zhǎng)；保守物質(zhì)濃度分布的變化顯示往復(fù)流的流動(dòng)特征能較快地將計(jì)算區(qū)域中礁區(qū)之外的保守物質(zhì)排出，結(jié)合流場(chǎng)特點(diǎn)，進(jìn)一步說明了由于往復(fù)流的來回?cái)D壓，在礁區(qū)中部垂直于主流軸的區(qū)域附近，背渦流的影響向兩側(cè)擴(kuò)張，導(dǎo)致保守物質(zhì)在此區(qū)域的排出受到影響，較其它區(qū)域更慢。 不同單位礁群間距會(huì)對(duì)人工魚礁區(qū)水體交

6、換情況產(chǎn)生一定影響，數(shù)值模擬的結(jié)果表明，當(dāng)單位礁群間距是單位礁群邊長(zhǎng)1倍、1.5、2倍時(shí)，礁區(qū)保守物質(zhì)排出效率較為接近，當(dāng)單位礁群間距達(dá)到3倍以上，礁區(qū)保守物質(zhì)排出效率出現(xiàn)了明顯下降。綜合考慮礁區(qū)水體交換能力、調(diào)控區(qū)面積、生態(tài)效應(yīng)的相關(guān)影響，本文認(rèn)為當(dāng)單位礁群間距與單位礁群邊長(zhǎng)之比為2時(shí)，既保證了較好的水交換效率，又可保證單位礁群空間的較大利用效率。楊梅坑人工魚礁區(qū)的單位礁群間距約是單位礁群邊長(zhǎng)的2倍，數(shù)值計(jì)算結(jié)果從一定程度上表明楊梅坑

7、人工魚礁的建設(shè)較合理。 受到模型的局限性，實(shí)際海況較難完全模擬，本文對(duì)部分邊界條件進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，調(diào)整參數(shù)以期能較好地反映實(shí)際礁區(qū)的流場(chǎng)環(huán)境，但由于數(shù)值模擬過程中相關(guān)條件的假設(shè)，使得結(jié)果仍為較理想狀態(tài)，擬在今后研究中繼續(xù)改進(jìn)模型以更加真實(shí)地描述實(shí)際海域的流場(chǎng)環(huán)境。此外，本文所采用的計(jì)算模型為二維模型，但實(shí)際海水流動(dòng)為三維流動(dòng)，海水的上層流動(dòng)和下層流動(dòng)會(huì)有一定差異，對(duì)水體交換能力產(chǎn)生影響，因此在今后的研究中將進(jìn)一步采用三維數(shù)學(xué)模型