基于大渦模擬與被動示蹤物模型的人工魚礁數(shù)值研究*

王者也 李 爽

基于大渦模擬與被動示蹤物模型的人工魚礁數(shù)值研究*

王者也 李 爽①

(浙江大學(xué)海洋學(xué)院 舟山 316021)

投放人工魚礁是解決海洋生態(tài)環(huán)境問題的重要措施之一。通過使用并行大渦模擬模式(the parallelizeda large-eddy simulation model, PALM)及被動示蹤物模型模塊, 研究了不同流速條件(0.1, 0.2, 0.4和0.6 m/s)下方型人工魚礁對流場形態(tài)、營養(yǎng)鹽的抬升作用、和湍流動能收支的影響。研究表明, 魚礁的存在使得其附近垂向速度增大, 產(chǎn)生上升流。受到上升流的抬升作用, 魚礁底部的示蹤物迅速進(jìn)入海洋上層, 之后遇到魚礁后方的背渦流, 示蹤物的抬升受阻, 高度逐漸降低。在上升流區(qū)域以及背渦流區(qū)域的共同影響下, 示蹤物抬升區(qū)域的最大高度與來流流速無關(guān)。不同上升流定義對應(yīng)的上升流區(qū)域的高度與來流流速均不相關(guān); 上升流區(qū)域的最大速度、平均速度與來流流速都成線性增加的關(guān)系; 然而隨著來流流速的增大, 不同上升流定義對應(yīng)的上升流區(qū)域面積的變化趨勢卻完全不同。投放魚礁后, 魚礁區(qū)域底部的混合增強, 區(qū)域底部的能量被輸運至上層。這說明, 魚礁的存在不僅對營養(yǎng)物質(zhì)具有抬升作用, 還能將能量向上輸運。

大渦模擬; 人工魚礁; 被動示蹤物; 湍流動能收支

隨著海洋生態(tài)環(huán)境逐步惡化, 許多養(yǎng)殖場不再適合養(yǎng)殖魚類、軟體動物和甲殼類動物。事實上, 因為大多數(shù)漁業(yè)資源已經(jīng)被過度開發(fā), 當(dāng)前漁業(yè)系統(tǒng)的可持續(xù)性正受到質(zhì)疑( Garcia, 2001)。聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織調(diào)查(FAO, 2020)顯示, 盡管水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)依舊在發(fā)展, 海洋捕魚業(yè)似乎已經(jīng)到達(dá)上限。就資源開發(fā)的角度而言, 全球生態(tài)系統(tǒng)壓力過大, 生物多樣性減少, 并面臨崩潰的危險。因為資源的逐漸枯竭, 人造建筑物被用來增加魚類豐度以及多樣性, 改善棲息環(huán)境以及修復(fù)受損的魚礁(Lan, 2004)。目前, 存在著很多關(guān)于人工魚礁的定義。Seaman (2000)將人工魚礁定義為放置在海底的自然或人造物體, 其作用是調(diào)控海洋環(huán)境中的生物和物理參數(shù)。Grace (2001)研究了影響人工魚礁壽命的環(huán)境因素。大量具有不同材料成分和結(jié)構(gòu)的人工魚礁在世界各地被廣泛利用(Walker, 2002)。海洋是由眾多物種組成的生態(tài)系統(tǒng), 從簡單的浮游植物到更高營養(yǎng)層的魚類, 形成一個相互影響和相互依賴的海洋食物網(wǎng)。人工魚礁的投放可以改變流場、顆粒物分布, 有利于營養(yǎng)鹽的積累(Davis, 1982; Ambrose, 1990)。因此, 魚礁可以形成適宜魚類生存、繁殖, 躲避天敵的區(qū)域。魚群會被魚礁吸引, 然后逐漸形成人工生態(tài)系統(tǒng)。

在開放的環(huán)境中投放魚礁將會改變原來穩(wěn)定的流場, 進(jìn)而促進(jìn)水體交換。魚礁的尺寸和結(jié)構(gòu)的多樣性導(dǎo)致不同地區(qū)的魚礁附近的流場不同。Vicente等(2008)對部署在不同地區(qū)的人工魚礁系統(tǒng)進(jìn)行營養(yǎng)循環(huán)和海底有機物富集方面的環(huán)境評估。事實上水體交換不僅可以為魚類提供不同的流體環(huán)境, 還可以促進(jìn)營養(yǎng)鹽的輸運。因此, 從修復(fù)海洋環(huán)境到豐富沿海生態(tài)系統(tǒng), 人工魚礁都是巖礁魚類的理想棲息地(Haro, 2004; Lan, 2004)。

投放人工魚礁會影響魚礁區(qū)域的流速分布, 并產(chǎn)生不容忽視的湍流。研究人工魚礁對魚礁區(qū)域影響的方法主要分為兩種: 物理模型試驗和數(shù)值模擬。早期研究人員使用物理模型試驗對人工魚礁附近流場形態(tài)變化進(jìn)行初步分析。此后, 許多研究采用復(fù)雜的流體動力學(xué)模型, 通過數(shù)值模擬來探究流速的變化和渦流效應(yīng)。在投放人工魚礁前, 通過數(shù)值模擬對魚礁投放后產(chǎn)生的流場效應(yīng)進(jìn)行分析, 可以節(jié)省費用以及時間, 但模擬結(jié)果的可靠性需要驗證。Liu等(2006)利用有限體積法(finite volume method, FVM)對魚礁附近流場進(jìn)行了數(shù)值研究。Su等(2007)利用粒子成像測速儀(particle image velocimetry, PIV)對魚礁流場進(jìn)行測量與分析, 并對Liu等(2006)的數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步的比較和驗證。Su等(2008)還研究了海底地形對人工魚礁內(nèi)外流場的影響。Jiang (2010)利用(renormalization group theory, RNG)-湍流模型和水槽實驗?zāi)Ｐ蛯误w魚礁產(chǎn)生的流場進(jìn)行分析, 得出模型結(jié)果可以代替試驗結(jié)果。

經(jīng)魚礁提高的漁業(yè)資源的生態(tài)效率在一定程度上取決于人工魚礁的流場效應(yīng), 因此, 流場分析是研究人工魚礁生態(tài)效率的關(guān)鍵。上升流和背渦流的規(guī)模成為眾多研究中衡量魚礁流場效應(yīng)的主要標(biāo)準(zhǔn)。湍流的存在對于海洋上混合層的物理過程有著非常重要的影響。然而多數(shù)研究(Su, 2008; Liu, 2013; Li, 2017)并未分析湍流對于魚礁區(qū)域流場形態(tài)的影響。湍流在不同尺度上對浮游生物產(chǎn)生影響(Ki?rboe, 1993)。在近岸海域湍流能夠增加營養(yǎng)鹽通量(Dade, 1993)。一些研究數(shù)據(jù)表明湍流(即混合)與浮游植物群落組成之間存在聯(lián)系(Prairie, 2012; Acevedo-Trejos, 2015)。湍流可能彌補了它們?nèi)狈ψ晕彝七M(jìn)的器官的不足, 有利于它們遇到營養(yǎng)物質(zhì), 以及在真光層的持續(xù)存在(Margalef, 1978)?；旌夏軌蛟鰪姷撞繝I養(yǎng)鹽的擴散, 同時可能改變浮游植物的光照條件。本文將通過使用并行大渦模擬模式(the parallelized large-eddy simulation model, PALM)對魚礁區(qū)域的湍流動能收支、流場形態(tài)進(jìn)行分析。此外, 文章引入營養(yǎng)鹽模型, 以探究投放魚礁后的示蹤物分布變化。

1 模型設(shè)計

1.1 模式介紹

本文使用的PALM基于Boussinesq近似, 經(jīng)過濾波的不可壓縮的非流體靜力學(xué)Navier-Stokes方程進(jìn)行求解。其基本方程如下:

由于營養(yǎng)鹽與被動示蹤物在水體中的運動特性相似, 故將PALM中的被動示蹤物視為研究區(qū)域中的營養(yǎng)鹽, 其控制方程如下:

其中, 上劃線表示濾波后去除次網(wǎng)格項的值; 雙撇號表示次網(wǎng)格尺度(subgrid-scale, SGS)變量; 尖括號表示SGS通量; 表1詳細(xì)列舉了方程的參數(shù)說明。上述方程通過離散笛卡爾網(wǎng)格上的控制方程對變量求平均值, 可以實現(xiàn)分辨尺度和SGS湍流模式的隱式分離, 其中采用Deardorff(1980)提出的方法建立SGS, 為方便起見, 本文使用了方程的連續(xù)形式。模式的詳細(xì)介紹見Huq等(2018)與Maronga等(2015)。

本文通過計算魚礁上方各深度的上升流通量(Jiang, 2020)來分析不同來流流速下魚礁的抬升效果。

其中,up表示上升流區(qū)域的面積;表示上升流區(qū)域的垂向速度。若流場中垂向速度大于或等于來流流速in的5%, 即≥0.05in, 則可稱該區(qū)域為上升流區(qū)域(Jiang, 2020)。

1.2 礁體模型與計算區(qū)域

人工魚礁結(jié)構(gòu)繁多, 如箱體型、三角型、組合型等(楊吝等, 2005)。在我國的東南部沿海海域, 魚礁多以米字型、立方體型為主(姜昭陽等, 2019)。在我國東部海域, 方型魚礁已被廣泛使用。李磊等(2018)通過研究箱體礁、三角形礁、框架礁對黑棘鯛的誘集作用, 發(fā)現(xiàn)箱體礁的誘集效果最佳。在近海區(qū)域, 付東偉等(2014)研究發(fā)現(xiàn), 開口小的單體魚礁產(chǎn)生的流場效應(yīng)更好。林軍等(2006)研究表明, 對于方型單礁來說, 其緩流區(qū)域體積與通透系數(shù)成反比。因此, 本次模擬選取邊長為3.0 m的實心方型人工魚礁作為研究目標(biāo)。趙海濤等(2006)認(rèn)為, 由于波浪對魚礁的沖擊作用, 魚礁應(yīng)投放在水深20—30 m的海域。結(jié)合人工魚礁實際案例(趙榮榮, 2019; 馮英明等, 2020), 本文的模擬區(qū)域水深為20 m。

表1 參數(shù)列表

Tab.1 List of parameters

為避免人工魚礁流場遭受干擾(Ong, 2010), 本文將計算域的長度設(shè)置為100 m, 寬度設(shè)置為100 m。模型網(wǎng)格設(shè)置為200×200×80 (××), 網(wǎng)格大小設(shè)置為0.5×0.5×0.25 (m3), 即100 m×100 m×20 m (圖1)。參考Jiang等(2020)、Li等(2017)以及Liu等(2013)研究中, 模型的來流流速設(shè)置。本文設(shè)置四組理想實驗, 其來流流速為0.1、0.2、0.4和0.6 m/s; 并設(shè)置對照組, 即區(qū)域不設(shè)置魚礁, 其余的條件與實驗組一致。入流邊界條件為非循環(huán)邊界條件; 表層、底層邊界采用自由滑移邊界條件。

曹欣中(1983)研究中的觀測數(shù)據(jù)詳細(xì)地展示了我國東部沿海海域表層營養(yǎng)鹽各深度的分布情況。為使此次研究的模擬結(jié)果更具代表性, 本文參考曹欣中(1983)的觀測結(jié)果, 設(shè)置了模擬區(qū)域各深度被動示蹤物的濃度分布。被動示蹤物濃度的分布見圖2。為與模型初始場使用的被動示蹤物濃度觀測數(shù)據(jù)的來源區(qū)域相對應(yīng), 此次研究設(shè)置的緯度為30°N。

圖1 計算域示意圖

圖2 初始被動示蹤物剖面

注:表示被動示蹤物;表示深度;代表魚礁高度

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 垂向流場形態(tài)

2.1.1 上升流區(qū)域 魚礁對營養(yǎng)鹽的抬升作用依賴于魚礁區(qū)域的垂向流場。在模式穩(wěn)定時間內(nèi), 通過將魚礁區(qū)的垂向速度進(jìn)行水平()方向平均并與對照組相減得到圖3, 以研究魚礁區(qū)域垂向速度與上升流區(qū)域的垂向分布。從圖3可以看出, 魚礁的存在可以增大魚礁前方的垂向速度。在垂向上, 垂向速度增大區(qū)域的面積隨著來流流速的增大而增大。當(dāng)來流流速達(dá)到0.6 m/s時, 該區(qū)域的高度可達(dá)到水體表面, 實現(xiàn)了對全水深流場的影響。不同來流流速對應(yīng)的上升流部分在垂向上大體呈扇形且面積相近。當(dāng)來流流速為0.2 m/s時, 魚礁后方出現(xiàn)微弱的上升流, 其面積隨來流流速的增大而增大。在魚礁后方, 各來流流速對應(yīng)的垂向流速方向均被迫向下, 形成背渦流區(qū)域。

圖3 來流流速為0.1 (a)、0.2 (b)、0.4 (c)、和0.6 m/s (d)時, 實驗組與對照組的垂向速度w在x-z方向上的差值

注: 灰線包裹區(qū)域為上升流區(qū)域; 黑色方塊表示魚礁;代表模擬區(qū)域長度;表示深度;代表魚礁高度

圖4展示了來流流速為0.2 m/s時, 不同深度下(-6.00、-5.67、-5.33、-5.00、-4.67、-4.33), 魚礁區(qū)的垂向速度與上升流區(qū)域在水平方向的分布。從圖4a可以看出, 上升流區(qū)域位于魚礁側(cè)后方且面積較小。對比圖4a—4f可知, 隨著深度的變淺, 上升流區(qū)域的水平分布面積在垂向上先增大后減小。魚礁后方垂向速度增大的部分與減小的部分相互脫離。在水平方向上, 魚礁上方的上升流部分形狀為圓形, 中心處的垂向速度最大, 越靠近外圍, 垂向速度越小。

圖4 來流流速為0.2 m/s時, 實驗組與對照組在深度為-6.00L (a)、-5.67L (b)、-5.33L (c)、-5.00L (d)、-4.67L (e)、-4.33L (f)處, 垂向速度w在x-y方向上的差值

注: 灰線包裹區(qū)域為上升流區(qū)域; 黑色方塊表示魚礁;代表模擬區(qū)域?qū)挾?代表模擬區(qū)域長度;代表魚礁高度

為進(jìn)一步探究上升流區(qū)域的規(guī)模與強度, 文章通過使用參數(shù)a、max、up、up對上升流區(qū)域的規(guī)模和強度進(jìn)行描述。上升流最大速度(max)、上升流平均速度(a)被用來形容上升流的強度; 上升流高度(up)、上升流面積(up)被用來形容上升流的規(guī)模。

為了使結(jié)論具有代表性, 增加兩組來流流速(0.3、0.5 m/s)。從圖5a中可以看出, 上升流的最大速度、平均速度均與來流流速(in)成線性關(guān)系, 其線性關(guān)系式分別為max=0.71in、a=0.08in, 相關(guān)系數(shù)均為1.00。從圖5b中可以看出, 隨著來流流速的增大, 上升流的高度基本不變, 均在2.42(7.25 m)附近。因此,up與in相關(guān)性不大。上升流面積與來流流速的關(guān)系可以用指數(shù)回歸多項式進(jìn)行表示。表達(dá)式為up=0.0013e14.1Um+32.92, 相關(guān)系數(shù)為0.97。

2.1.2 上升流通量 除了關(guān)注上升流區(qū)域與垂向速度在垂向以及水平方向上的分布之外, 文章還關(guān)注了魚礁產(chǎn)生的上升流通量。本文選取魚礁上方不同高度來分析各來流流速對應(yīng)的上升流通量變化。

圖5 上升流平均速度Wa及最大速度Wmax, 上升流高度Hup及面積Sup與來流流速Uin之間的關(guān)系

從圖6中可以看出, 魚礁上方, 各來流流速對應(yīng)上升流通量在垂向上的變化趨勢相近, 即隨著深度的增大,先增大后減少, 與(Jiang, 2020)研究結(jié)果類似。隨著來流流速的增大, 魚礁附近的上升流通量逐漸增大。圖4中的上升流區(qū)域垂向面積的變化趨勢(先增大后減小)解釋了上升流通量的在垂向的變化趨勢。

2.2 湍流動能收支

根據(jù)公式(1)可得水平平均的SGS-TKE(turbulent kinetic energy)方程(Skyllingstad, 2000)為:

其中,

表示壓強,m表示次網(wǎng)格的渦黏系數(shù),表示重力加速度,表示湍動能, Δ表示耗散項。公式(7)的等號右邊, 第一項表示速度剪切項、第二項表示浮力項、第三項表示次網(wǎng)格耗散項、第四項和第五項分別表示湍流動能傳輸項和壓力項、第六項表示耗散項。下文中湍流動能的耗散項包含次網(wǎng)格耗散, 即兩項之和。

人工魚礁的投放不僅會影響魚礁區(qū)域的流場分布, 還會產(chǎn)生不容忽視的湍流。圖7展示了模型的湍流動能收支情況。根據(jù)公式(8), 本文用紅線表示速度剪切項, 綠線表示湍流動能傳輸項, 藍(lán)線表示壓力項, 黑線表示耗散項。左圖為四種來流流速下的海洋湍流動能收支情況, 右圖均為左圖底部區(qū)域的局部放大圖。從圖7a、7c、7e、7g中可以發(fā)現(xiàn), 海洋湍流動能收支各項的數(shù)值在深度為-5.5處迅速增大, 然后迅速減小, 尤其是剪切項與耗散項的變化最為劇烈。此現(xiàn)象說明, 當(dāng)來流遇到魚礁后會產(chǎn)生強烈的湍流, 進(jìn)而增強混合。在圖7b中, 壓力項與湍流動能傳輸項的值在近海底處差別不大, 耗散項的最小值可以達(dá)到-1.14×10–6m2/s3; 在圖7d中, 剪切項與耗散項絕對值的最大值位置接近海底且耗散項的數(shù)值較大, 約為4.52×10–6m2/s3。在圖7f中, 耗散項在-6.33處達(dá)到最小值, 最小值為-1.89×10–5m2/s3, 在圖7h中, 對比剪切項和耗散項絕對值的最大值可知, 耗散項約為剪切項的1.5倍, 即4.46×10–5m2/s3。

圖6 來流流速為0.1、0.2、0.4和0.6 m/s時, 上升流通量Q在不同深度處的分布

注:表示深度;代表魚礁高度

隨著來流流速的增加, 在近海底處的剪切、傳輸與壓力項必然增大, 導(dǎo)致向上傳遞的距離越遠(yuǎn), 所產(chǎn)生的耗散也相應(yīng)增大, 且隨著深度減小逐漸減弱。

圖7 來流流速為0.1 (a, b)、0.2 (c, d)、0.4 (e, f)、和0.6 m/s (g, h)時水體底部的湍流動能收支

注: 右圖均為左圖底部區(qū)域的局部放大圖;表示深度;代表魚礁高度

2.3 被動示蹤物

2.3.1 被動示蹤物分布 為驗證人工魚礁產(chǎn)生的上升流對被動示蹤物是否有抬升作用, 將實驗組減去對照組的被動示蹤物濃度得到圖8, 以探究魚礁被動示蹤物在垂向上的抬升效果。圖8a—8d中人工魚礁后方, 接近底部的被動示蹤物濃度為負(fù)值, 高于人工魚礁的部分被動示蹤物濃度為正值, 說明相較于未放置人工魚礁的對照組, 在人工魚礁的抬升作用下, 底部更多的被動示蹤物進(jìn)入上層水體。在人工魚礁上部, 被動示蹤物的抬升區(qū)域與上升流區(qū)域在垂向上均成扇形。

圖8 來流流速為0.1 (a)、0.2 (b)、0.4 (c)、和0.6 m/s (d)時, 實驗組與對照組在x-z方向的被動示蹤物濃度S的差值

注: 灰線包裹區(qū)域為上升流區(qū)域; 黑色方塊表示魚礁;代表模擬區(qū)域長度;表示深度;代表魚礁高度

各來流流速對應(yīng)的被動示蹤物抬升區(qū)域, 在人工魚礁后方的不同位置處連續(xù)性明顯減弱且抬升高度降低。造成此現(xiàn)象的原因為, 在距人工魚礁一段距離后, 流場更加紊亂且垂向速度為負(fù)。

圖9展示了來流流速為0.2 m/s時, 不同深度下(-6.00、-5.67、-5.33、-5.00、-4.67、-4.33), 被動示蹤物的水平分布。從圖9a可以看出, 受到在魚礁的抬升作用, 接近魚礁底部的營養(yǎng)鹽被水體裹挾進(jìn)入上層水體, 使得魚礁后方的營養(yǎng)鹽濃度明顯降低。從圖9b—9f中可以看出距離中心越遠(yuǎn)的位置, 營養(yǎng)鹽的抬升效果越弱。在水平方向上, 相較于圖4中上升流面積的變化趨勢, 魚礁上方營養(yǎng)鹽的抬升面積不隨深度的變化而變化。

為進(jìn)一步探究魚礁對被動示蹤物的抬升效果, 在人工魚礁上方0以及后方5、10、15處, 將實驗組的被動示蹤物濃度與對照組相減得到圖10。隨著深度的加深, 被動示蹤物的抬升效果基本呈現(xiàn)先緩慢增大后迅速減小的趨勢。

圖10a—10d中, 各來流流速對應(yīng)的被動示蹤物濃度分布在魚礁上方十分接近。在距離魚礁5處, 隨著來流流速的增大, 被動示蹤物濃度有所降低。在距離魚礁10處, 來流流速為0.1、0.2、0.4 m/s時對應(yīng)被動示蹤物濃度不斷降低; 當(dāng)來流流速達(dá)到0.6 m/s時, 被動示蹤物的抬升作用明顯增強, 相較于來流流速為0.4 m/s, 抬升的被動示蹤物濃度增大約2倍左右。在距離魚礁15處, 隨著來流流速的增大, 被動示蹤物的抬升作用先減弱后增強。對比圖10a—10d中的示蹤物分布, 可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)來流流速大于0.2 m/s時, 魚礁的抬升效果有明顯的提升, 與圖8中被動示蹤物抬升區(qū)域的連續(xù)性相符合。

2.3.2 被動示蹤物通量 文章還通過計算魚礁上方的上升流區(qū)域?qū)?yīng)的被動示蹤物通量up來衡量人工魚礁的抬升效果。

其中,表示上升流通量;表示上升流區(qū)域up所含被動示蹤物濃度。研究選取魚礁上方不同高度來分析各來流流速對應(yīng)上升流區(qū)域的被動示蹤物通量的up變化。

從圖11中可以看出, 魚礁上方, 各來流流速對應(yīng)被動示蹤物通量與上升流通量變化趨勢相近。隨著來流流速的增大, 魚礁附近的被動示蹤物通量up逐漸增大。

3 討論

3.1 上升流定義的對比

黃遠(yuǎn)東等(2012)利用計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)技術(shù)研究不同流速下, 方型魚礁對應(yīng)的上升流和背渦流的分布情況, 發(fā)現(xiàn)方型魚礁的上升流高度和背渦流區(qū)寬度與來流流速無關(guān); 唐衍力等(2017)研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn), 不同人工魚礁結(jié)構(gòu)的上升流及背渦流面積的大小與來流流速不相關(guān), 最大上升流流速與來流流速呈線性關(guān)系。于定勇等(2019)發(fā)現(xiàn)隨著魚礁開口比的增大, 礁體產(chǎn)生上升流范圍以及垂向速度逐漸減少。

圖9 來流流速為0.2 m/s時, 實驗組與對照組在深度為-6.00L (a)、-5.67L (b)、-5.33L (c)、-5.00L (d)、-4.67L (e)、-4.33L (f)處, 被動示蹤物S濃度在x-y方向上的差值

注: 灰線包裹區(qū)域為上升流區(qū)域; 黑色方塊表示魚礁;代表模擬區(qū)域?qū)挾?代表模擬區(qū)域長度;代表魚礁高度

圖10 來流流速為0.1 (a)、0.2 (b)、0.4 (c)、和0.6 m/s (d)時, 在距人工魚礁0L (黑線)、5L (黃線)、15L (藍(lán)線)、20L (紅線)處, 實驗組與對照組的被動示蹤物S濃度的差值

圖11 來流流速為0.1、0.2、0.4和0.6 m/s時, 上升流區(qū)域?qū)?yīng)的營養(yǎng)鹽通量Fup在不同深度處的分布

注:表示深度;代表魚礁高度

與唐衍力等(2017)研究結(jié)果不同, 圖5中上升流面積與來流流速的關(guān)系為指數(shù)遞增。由于本文將垂向速度大于或等于來流流速in的5%的區(qū)域定義為上升流區(qū)域, 而唐衍力等(2017)則將垂向流速分量與來流流速之比等于或大于10%的區(qū)域定義為上升流區(qū)域。因此, 作者按照唐衍力等(2017)中的上升流的定義分別對上升流最大速度(max)、上升流平均速度(a)及上升流高度(up)、上升流面積(up)進(jìn)行統(tǒng)計得到圖12。圖12a中可以看出上升流的最大速度、平均速度均與來流流速成線性關(guān)系, 其線性關(guān)系式分別為max=0.71in、a=0.15in、相關(guān)系數(shù)均為1.00。從圖12b中可以看出隨著來流流速的增大, 上升流區(qū)域高度以及上升流區(qū)域面積基本不變, 均在2.42L(7.25m)以及1.44L2(13m2)附近, 與唐衍力等(2017)的研究結(jié)果一致。因此, 兩次研究結(jié)果出現(xiàn)差異的原因為對于上升流的定義不同。

圖3與圖4表明, 在投放魚礁后, 魚礁附近的垂向流速明顯增大, 從而產(chǎn)生上升流。文章通過引用兩種定義方法(唐衍力等, 2017; Jiang, 2020)對上升流區(qū)域進(jìn)行描述, 分別得到圖5以及圖12。由于上升流區(qū)域的最大速度與上升流區(qū)域的定義無關(guān), 因此, 對比圖5與圖12可知, 在兩種不同的上升流定義下, 除了上升流區(qū)域的最大速度(max)相同之外, 上升流區(qū)域的平均速度(a)、高度(up)以及面積(up)的數(shù)值均不相同。值得注意的是, 兩種上升流定義對應(yīng)的上升流的最大流速(max)及平均流速(a)與來流流速均成線性增加的關(guān)系, 上升流的高度(up)均不隨來流流速的改變而改變, 隨著來流流速的增大, 上升流區(qū)域面積(up)的變化趨勢卻完全不同。

圖12 改變上升流的定義后, 上升流平均速度Wa及最大速度Wmax, 上升流高度Hup及面積Sup與來流流速Uin之間的關(guān)系

3.2 被動示蹤物的抬升效果

在圖3中, 魚礁后方存在明顯的背渦流區(qū)域, 且隨著來流流速的增大, 魚礁產(chǎn)生背渦流隨之增強。這就使得魚礁對示蹤物的抬升效果受到限制。當(dāng)示蹤物遇到魚礁產(chǎn)生的上升流后, 會被迅速抬升至上層水體; 然后遇到魚礁后方的背渦流, 示蹤物的抬升受阻, 高度降低。因此, 從圖8中可以看出, 在垂向上各來流流速對示蹤物的最大抬升高度基本相同, 魚礁后方示蹤物的抬升高度有所降低, 示蹤物的抬升區(qū)域的面積基本相同。

在圖10中, 魚礁底部對應(yīng)各流速抬升的示蹤物濃度均為負(fù)值, 即底部的示蹤物被抬升到魚礁上方。同時, 圖7中綠線代表的湍流傳輸項顯示, 區(qū)域底部的傳輸項在垂向上的數(shù)值變化均為先負(fù)后正, 即底部的能量向上運輸。此現(xiàn)象表明, 投置魚礁后, 區(qū)域底部的動能被帶往上層水體耗散。因此, 魚礁的存在使得底部能量向上輸運, 底層的示蹤物也隨之被帶往上層, 體現(xiàn)了魚礁對于投放海域底層的能量與營養(yǎng)物質(zhì)均有抬升作用。

寧修仁等(2007)經(jīng)過現(xiàn)場觀測和取樣, 得到珠江口冬季真光層深度大約為2.9±1.5 m。陳雨(2014)發(fā)現(xiàn), 冬季長江口附近海域真光層深度在0.31—12.42 m之間變動, 且離岸越近, 真光層深度越小。從圖7中可以看出, 在近岸真光層范圍內(nèi)人工魚礁對于營養(yǎng)鹽均有抬升作用。

4 結(jié)論

為研究不同來流流速下, 方型人工魚礁對流場形態(tài)的影響以及對營養(yǎng)鹽的抬升作用, 本文設(shè)置四種來流流速(0.1、0.2、0.4和0.6 m/s), 分析不同流速下的流場形態(tài), 湍流動能收支各項的分布結(jié)果與被動示蹤物的分布狀態(tài), 并對比有無人工魚礁對被動示蹤物抬升效果的差別。主要結(jié)論如下:

(1) 對于不同流速, 魚礁上方上升流通量隨著深度的變淺, 其變化趨勢均為先增大后減小; 隨著來流流速的增大, 魚礁上方的上升流通量隨之增大; 魚礁產(chǎn)生的上升流區(qū)域均呈扇形。魚礁的存在, 不僅使得其附近垂向速度增大, 還使其后方垂向速度減小。文章引用兩種定義方法(唐衍力等, 2017; Jiang, 2020) 分別對上升流區(qū)域進(jìn)行描述。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 兩種上升流定義對應(yīng)的上升流區(qū)域的高度(up)均不隨來流流速的改變而改變, 上升流的最大流速(max)及平均流速(a)與來流流速均成線性增加的關(guān)系, 然而隨著來流流速的增大, 上升流區(qū)域面積(up)的變化趨勢卻完全不同。

(2) 受到上升流的抬升作用, 魚礁底部的示蹤物迅速進(jìn)入海洋上層, 而后遇到魚礁后方的背渦流, 示蹤物的抬升受阻, 高度逐漸降低。上升流區(qū)域以及背渦流區(qū)域的共同影響下, 示蹤物抬升區(qū)域的最大高度與來流流速無關(guān); 且在魚礁后方, 示蹤物抬升區(qū)域的高度有所降低。各流速下, 魚礁上升流區(qū)域的營養(yǎng)鹽通量的變化趨勢與上升流通量相似。隨著與魚礁的距離增大, 魚礁的抬升作用先增強后減弱; 魚礁上方的抬升效果最佳。在近海區(qū)域的真光層, 魚礁可以實現(xiàn)對營養(yǎng)鹽的抬升作用。

(3) 文章簡略探討了魚礁產(chǎn)生湍流對海洋上層的影響。剪切項、壓力項以及傳輸項為區(qū)域底部湍流動能的生成源, 平衡增大的耗散項主要靠剪切項。投放魚礁后, 魚礁區(qū)域底部的混合增強, 同時湍流剪切項與耗散項顯著增大。湍流傳輸項的分布顯示區(qū)域底部的能量被輸運至上層, 這說明, 魚礁的存在不僅對營養(yǎng)物質(zhì)具有抬升作用, 還能將能量向上層運輸; 此外, 它引起的上層混合也能使浮游生物的分布等進(jìn)行重新分配, 進(jìn)而形成特殊的生態(tài)區(qū)域。

本文通過使用并行大渦模擬模式PALM及其被動示蹤物模塊, 初步探索了魚礁區(qū)域的流場形態(tài)與湍流過程對示蹤物空間分布的影響。潮流在我國近海十分顯著, 對近岸海洋環(huán)境的水動力過程影響較大, 未來工作重點便是在模式中加入周期性的潮流動力環(huán)境, 考慮潮流作用對魚礁區(qū)域的影響。

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NUMERICAL SIMULATION OF CUBIC ARTIFICIAL REEF UNDER LARGE EDDY IN PASSIVE SCALAR MODEL

WANG Zhe-Ye, LI Shuang

( Ocean College, Zhejiang University, Zhoushan 316021, China)

Artificial reef is a widely used tool for marine ecosystem improvement. A numerical simulation was conducted in the parallel large eddy simulation model (PALM) in passive scalar mode to explore the effects of solid cubic artificial reef on flow field, turbulent kinetic energy (TKE) budget, and nutrient uplift under four inflow velocities (0.1, 0.2, 0.4, and 0.6 m/s). Results show that artificial reef significantly increases the vertical velocities near reef, and underpin inflow into upwelling. Scalars at the reef bottom are pushed up to the ocean surface quickly and then sunk by vortex at the reef rear. Under the joint effects of upwelling and vortex, the maximum height of uplift of passive scalar show no relation with inflow velocities. In addition, different definitions of upwelling present no influences on the heights and velocities of upwelling. Both average and maximum velocities of upwelling are increased linearly with inflow velocities. However, the area of upwelling change demonstrates a totally different trend. After reef is placed, mixing at the bottom is strengthened, dissipation and shear are remarkably enlarged, and energy at the bottom is transported to the upper layers. Therefore, artificial reef can not only uplift nutrients, but also transport energy upward.

large eddy simulation; artificial reef; passive scalar; TKE (turbulent kinetic energy)

* 國家自然科學(xué)基金項目, 41876003號; 國家重點研發(fā)計劃項目, 2017YFA0604101號。王者也, 碩士研究生, E-mail: 21934012@zju.edu.cn

李 爽, 博士生導(dǎo)師, 副教授, E-mail: lshuang@zju.edu.cn

2021-03-30,

2021-07-28

P731.26

10.11693/hyhz20210300075