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千里岩岛西部人工鱼礁建设对周边海域水动力影响的数值模拟

崔恩苹 张永强 祝琳 马晓歌

崔恩苹,张永强,祝琳,等. 千里岩岛西部人工鱼礁建设对周边海域水动力影响的数值模拟[J]. 海洋地质前沿,2021,37(2):10-20 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.040
引用本文: 崔恩苹,张永强,祝琳,等. 千里岩岛西部人工鱼礁建设对周边海域水动力影响的数值模拟[J]. 海洋地质前沿,2021,37(2):10-20 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.040
Enping CUI, Yongqiang ZHANG, Lin ZHU, Xiaoge MA. NUMERICAL SIMULATION OF THE INFLUENCE OF ARTIFICAL REEFS ON MARINE HYDRODYNAMICS TO THE WEST OF QIANLIYAN ISLAND[J]. Marine Geology Frontiers, 2021, 37(2): 10-20. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.040
Citation: Enping CUI, Yongqiang ZHANG, Lin ZHU, Xiaoge MA. NUMERICAL SIMULATION OF THE INFLUENCE OF ARTIFICAL REEFS ON MARINE HYDRODYNAMICS TO THE WEST OF QIANLIYAN ISLAND[J]. Marine Geology Frontiers, 2021, 37(2): 10-20. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.040

千里岩岛西部人工鱼礁建设对周边海域水动力影响的数值模拟

doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.040
基金项目: 国家自然科学基金“南海北部陆坡神狐海域峡谷区黏性土海底滑坡过程及其动力学机制研究”(41876066)
详细信息
    作者简介:

    崔恩苹(1996—),女,在读硕士,主要从事数值模拟方面的研究工作.E-mail:498328362@qq.com

    通讯作者:

    张永强(1983—),男,硕士,工程师,主要从事海洋水动力环境数值模拟方面的研究工作.E-mail:zyqiang@fio.org.cn

  • 中图分类号: P75

NUMERICAL SIMULATION OF THE INFLUENCE OF ARTIFICAL REEFS ON MARINE HYDRODYNAMICS TO THE WEST OF QIANLIYAN ISLAND

  • 摘要: 通过建立Mike21FM模型,对千里岩西部人工鱼礁建设区域及周围海域的水动力情况的数值模拟进行研究,分别选取工程前后的涨急时刻和落急时刻的潮流流速进行求差,得出2个时刻的潮流流速变化等值线与分布范围。并选取720 h进行欧拉余流计算,对工程前后的余流流速进行求差,由此得出余流在工程建设后的变化情况。由此研究工程建设对周围海域水动力情况的影响,进而对鱼礁区选址的合理性,营养盐的流失或富集区域及水质的研究提供参考。研究表明,工程建设产生的阻流效果在工程内部区域可达0.4 m·s−1;涨急时刻潮流流速增大的区域位于工程区域南北两侧,>0.05 m·s−1面积约4.52 km2;涨急时刻潮流流速减少的区域分布于工程区域东西两侧,流速减少超过0.05 m·s−1的面积约4.28 km2;工程区域内部余流流速减少均值在0.01 m·s−1左右,工程区域外周边海域余流流速整体增大,最大增值超过0.1 m·s−1的区域出现于工程东部,面积0.41 km2
  • 图  1  工程区域位置及规格

    Figure  1.  Location and specifications of the engineering areas

    图  2  研究区域地形

    Figure  2.  Topography of the study area

    图  3  模型网格划分

    Figure  3.  Model grid division

    图  4  测流站位

    Figure  4.  Current survey stations

    图  5  #1-小潮期间、#2-大潮期间站位流速、流向验证图

    Figure  5.  Verification diagram of flow velocity and flow direction of #1-neap tide period and #2-spring tide period

    图  6  工程前涨急潮流场

    Figure  6.  The tidal current field at maximum flood before the project

    图  7  工程前落急潮流场

    Figure  7.  The tidal current field at minimum flood before the project

    图  8  工程后涨急潮流场

    Figure  8.  The tidal current field at maximum flood after the project

    图  9  工程后落急潮流场

    Figure  9.  The tidal current field at minimum flood after the project

    图  10  工程前后流速对比图

    (a)工程前涨急时流速;(b)工程后涨急时流速;(c)工程前落急时流速;(d)工程后落急时流速

    Figure  10.  Comparison of flow velocities before and after the project

    图  11  涨急时工程前后流速变化等值线

    Figure  11.  Contours showing the change of flow velocity before and after the project during the maximum flood

    图  12  落急时工程前后流速变化等值线

    Figure  12.  Contours showing the change of flow velocity before and after the project during the minimum flood

    图  13  工程前余流场

    Figure  13.  Residual current field before the project

    图  14  工程后余流场

    Figure  14.  Residual current field after the project

    图  15  工程前后余流场流速变化等值线

    Figure  15.  Contours showing the change of flow velocity of residual current field before and after the project

    表  1  涨急时刻流速变化情况

    Table  1.   Changes in velocity at maximum flood

    等值线/(m·s−1向东/km向西/km向南/km向北/km影响面积/km2
    0.012.005.902.933.8017.29
    0.050.635.211.651.414.52
    0.10.494.621.100.781.12
    −0.014.355.733.882.5519.08
    −0.051.863.021.010.644.28
    −0.10.882.670.980.542.23
    −0.20.512.200.910.291.43
    −0.30.041.600.771.02
    −0.41.250.42
    注:①所测量的距离均是以工程区域中心为基点,分别向正东、正西、正南、正北方向测量的最大距离;②“−”表示在工程区域内;③“影响面积”指大于正等值线值或小于负等值线值的范围。
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    表  2  落急时刻流速变化情况

    Table  2.   Changes in flow velocity at the minimum flood

    等值线/(m·s−1向东/km向西/km向南/km向北/km影响面积/km2
    0.01 5.53 4.50 4.47 2.22 14.12
    0.0 5.54 1.15 2.95 1.16 7.75
    0.1 3.45 0.42 1.43 0.77 2.81
    −0.0 3.43 3.31 3.78 2.14 14.27
    −0.0 2.79 1.72 2.43 0.93 4.25
    −0.1 2.42 1.08 0.55 0.63 2.07
    −0.2 1.71 0.49 0.30 0.38 0.95
    −0.3 1.22 0.44
    −0.4 0.01
    注:①所测量的距离均是以工程区域中心为基点,分别向正东、正西、正南、正北方向测量的最大距离;②“−”表示在工程区域内;③“影响面积”指大于正等值线值或小于负等值线值的范围。
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    表  3  余流流速变化情况

    Table  3.   Changes in velocity of residual current

    等值线/(m·s−1向东/km向西/km向南/km向北/km影响面积/km2
    0.01 4.16 5.32 1.53 1.73 13.91
    0.05 2.26 2.09 0.83 1.46 3.07
    0.1 1.52 3.22 0.47 0.48 0.41
    −0.01 8.08 3.22 3.35 2.25 15.98
    注:①所测量的距离均是以工程区域中心为基点,分别向正东、正西、正南、正北方向测量的最大距离;②“−”表示在工程区域内;③“影响面积”指大于正等值线值或小于负等值线值的范围。
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-17
  • 网络出版日期:  2020-12-26
  • 刊出日期:  2021-02-06

千里岩岛西部人工鱼礁建设对周边海域水动力影响的数值模拟

doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.040
    基金项目:  国家自然科学基金“南海北部陆坡神狐海域峡谷区黏性土海底滑坡过程及其动力学机制研究”(41876066)
    作者简介:

    崔恩苹(1996—),女,在读硕士,主要从事数值模拟方面的研究工作.E-mail:498328362@qq.com

    通讯作者: 张永强(1983—),男,硕士,工程师,主要从事海洋水动力环境数值模拟方面的研究工作.E-mail:zyqiang@fio.org.cn
  • 中图分类号: P75

摘要: 通过建立Mike21FM模型,对千里岩西部人工鱼礁建设区域及周围海域的水动力情况的数值模拟进行研究,分别选取工程前后的涨急时刻和落急时刻的潮流流速进行求差,得出2个时刻的潮流流速变化等值线与分布范围。并选取720 h进行欧拉余流计算,对工程前后的余流流速进行求差,由此得出余流在工程建设后的变化情况。由此研究工程建设对周围海域水动力情况的影响,进而对鱼礁区选址的合理性,营养盐的流失或富集区域及水质的研究提供参考。研究表明,工程建设产生的阻流效果在工程内部区域可达0.4 m·s−1;涨急时刻潮流流速增大的区域位于工程区域南北两侧,>0.05 m·s−1面积约4.52 km2;涨急时刻潮流流速减少的区域分布于工程区域东西两侧,流速减少超过0.05 m·s−1的面积约4.28 km2;工程区域内部余流流速减少均值在0.01 m·s−1左右,工程区域外周边海域余流流速整体增大,最大增值超过0.1 m·s−1的区域出现于工程东部,面积0.41 km2

English Abstract

崔恩苹,张永强,祝琳,等. 千里岩岛西部人工鱼礁建设对周边海域水动力影响的数值模拟[J]. 海洋地质前沿,2021,37(2):10-20 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.040
引用本文: 崔恩苹,张永强,祝琳,等. 千里岩岛西部人工鱼礁建设对周边海域水动力影响的数值模拟[J]. 海洋地质前沿,2021,37(2):10-20 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.040
Enping CUI, Yongqiang ZHANG, Lin ZHU, Xiaoge MA. NUMERICAL SIMULATION OF THE INFLUENCE OF ARTIFICAL REEFS ON MARINE HYDRODYNAMICS TO THE WEST OF QIANLIYAN ISLAND[J]. Marine Geology Frontiers, 2021, 37(2): 10-20. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.040
Citation: Enping CUI, Yongqiang ZHANG, Lin ZHU, Xiaoge MA. NUMERICAL SIMULATION OF THE INFLUENCE OF ARTIFICAL REEFS ON MARINE HYDRODYNAMICS TO THE WEST OF QIANLIYAN ISLAND[J]. Marine Geology Frontiers, 2021, 37(2): 10-20. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.040
    • 千里岩岛位于南黄海,地理位置为36°15′57″N,121°23′09″E。长0.82 km,宽0.24 km,面积为0.2 km2,距大陆最近点海阳市凤城码头47.7 km[1]。千里岩岛西部海域水质清新,无污染,属一类海区,渔业资源丰富,地形平坦,依托千里岩岛的岛屿优势,是人工鱼礁建设的优良选址地[2]。千里岩岛西部海域预投礁区域与鱼礁规模如图1所示,预投放的人工鱼礁堆积体积共约15万m3,投放鱼礁区域为121°13′39″—121°13′59″E,36°16′46″—36°17′03″N,面积0.5×0.5 km2,共堆积9个鱼礁堆,呈“3×3”式分布,鱼礁堆之间间隔190 m,每个鱼礁堆占地40×40 m2,堆积高度为10 m。工程区域地形平坦,等深线大致与海岸线平行,水深约为32 m,如图2所示。

      图  1  工程区域位置及规格

      Figure 1.  Location and specifications of the engineering areas

      图  2  研究区域地形

      Figure 2.  Topography of the study area

      本文基于Mike21软件对工程前后周围海域流场的变化进行数值模拟对比研究,在模型中设置人工构筑物,以此模拟海底的人工鱼礁堆积,每个鱼礁堆的4个面设置为4道堰,工程区域内共设置36道堰,即可模拟工程完成后周围海域的水动力情况。通过对工程前后的潮流场与余流场作差,得出工程建设对周围海域水动力的影响。流向影响鱼类的活动,流速影响鱼礁的增殖效果和稳定性[3],进而对鱼礁区选址的合理性,鱼礁区营养盐的流失或富集区域及水质的研究提供参考。

    • Mike21软件是由丹麦水力研究所开发,用于对河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙等的模拟,在国内外都得到了广泛应用[4-8]

      (1)控制方程

      模型基于三向不可压缩和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程,并服从Boussinesq假定和静水压力假定。

      二维非恒定浅水方程组为:

      $$\frac{{\partial h}}{{\partial t}} + \frac{{\partial h\bar u}}{{\partial x}} + \frac{{\partial h\bar v}}{{\partial y}} = hS$$ (1)
      $$\!\!\!\begin{array}{l} \dfrac{{\partial h\bar u}}{{\partial t}} + \dfrac{{\partial h{{\bar u}^2}}}{{\partial x}} + \dfrac{{\partial h\bar v\bar u}}{{\partial y}} = \\ f\bar vh - gh\dfrac{{\partial \eta }}{{\partial x}} - \dfrac{h}{{{\rho _0}}}\dfrac{{\partial {p_a}}}{{\partial x}} - \dfrac{{g{h^2}}}{{2{\rho _0}}}\dfrac{{\partial \rho }}{{\partial x}} + \dfrac{{{\tau _{sx}}}}{{{\rho _0}}} - \dfrac{{{\tau _{bx}}}}{{{\rho _0}}} - \\ \dfrac{1}{{\rho {}_0}}\left( {\dfrac{{\partial {s_{xx}}}}{{\partial x}} + \dfrac{{\partial {s_{xy}}}}{{\partial y}}} \right) + \dfrac{\partial }{{\partial x}}\left( {h{T_{xx}}} \right) + \dfrac{\partial }{{\partial y}}\left( {h{T_{xy}}} \right) + h{u_s}s \end{array} $$ (2)
      $$\!\!\!\begin{array}{l} \dfrac{{\partial h\bar v}}{{\partial t}} + \dfrac{{\partial h\bar u\bar v}}{{\partial x}} + \dfrac{{\partial h{{\bar u}^2}}}{{\partial y}} =\\ - f\bar uh - gh\dfrac{{\partial \eta }}{{\partial y}} - \dfrac{h}{{{\rho _0}}}\dfrac{{\partial {p_a}}}{{\partial y}} - \dfrac{{g{h^2}}}{{2{\rho _0}}}\dfrac{{\partial \rho }}{{\partial y}} + \dfrac{{{\tau _{sy}}}}{{{\rho _0}}} - \dfrac{{{\tau _{by}}}}{{{\rho _0}}} - \\ \dfrac{1}{{\rho {}_0}}\left( {\dfrac{{\partial {s_{yx}}}}{{\partial x}} + \dfrac{{\partial {s_{yy}}}}{{\partial y}}} \right) + \dfrac{\partial }{{\partial x}}\left( {h{T_{xy}}} \right) + \dfrac{\partial }{{\partial y}}\left( {h{T_{yy}}} \right) + h{v_s}s \end{array} $$ (3)

      式中:t为时间,s;

      xy为Cartesian坐标系;

      η为水位,m;

      d为静水深,m;

      h为总水深,m;

      $\bar u$$\bar v$分别为沿水深平均的xy方向上速度分量,m·s−1

      f为科氏参数,f=2ωsinφω为地球自转角速度,φ为地理纬度;

      g为地球重力加速度,m·s−1

      ρ为水密度,kg·m−3

      ρ0为水的参考密度,kg·m−3

      τsxτsy为风应力分量,Pa;

      τbxτby为底部应力分量,Pa;

      sxxsxysyxsyy为辐射应力分量,Pa;

      Pa为当地大气压,Pa;

      S为源汇项;

      usvs为源汇项的水流速度分量,m·s−1

      TxxTxyTyxTyy为横向应力分量,m·s−1

      (2)边界条件

      本次模型使用水位边界作为开边界。模型开边界调和常数由MIKE21全球潮汐模型得到,然后根据得到的调和常数对开边界水位进行预报,预报公式如下:

      $$\zeta = {A_0} + \sum\limits_{i = 1}^{11} {{H_i}} {F_i}\cos \left[ {{\sigma _i}t - {{({\nu _0} + u)}_i} + {g_i}} \right]$$ (4)

      式中:A0为平均海面;

      Fi,(v0+ui为天文要素;

      σi为角频率;

      Higi为某分潮的调和常数,即振幅与迟角。

      (3)时间设置

      模型起始时间0,主时间步长3600 s,时间步数750。时间步长根据CFL条件动态调整,模型运行稳定,最短时间步长0.01 s,最长时间步长30 s。

      (4)计算范围与网格划分

      计算域东起120°38′E,西到121°58′E,北起35°36′N,南至36°48′N,东西宽约112 km,南北方向跨度约133 km,计算面积约8 898.66 km2。模型采用三角形网格计算,网格多层嵌套,向着工程区域为中心逐级加密,网格数量共23 107个,节点共11 697个,存在于工程区域内最小空间步长为46 m,最大空间步长为4 788 m,计算时间步长为3 600 s。计算区域与网格划分如图3所示。

      图  3  模型网格划分

      Figure 3.  Model grid division

    • 模型采用千里岩附近的2个站位所得的海流实测资料进行流速、流向的验证,测流站位位置见图4。1号站位的实测数据时间为2019年4月27日11时—2019年4月28日12时,为小潮期;2号站位的数据测量时间为2019年5月6日11时—2019年5月7日12时,为大潮期。验证结果显示(图5),流速除个别时段外,实测量值与模拟量值相差不大,其发生最大流时刻吻合,相位对应良好;流向的实测值和模拟值验证结果各方面均良好。由此可知,所建模型基本正确,能够反映研究海域的水动力情况。

      图  4  测流站位

      Figure 4.  Current survey stations

      图  5  #1-小潮期间、#2-大潮期间站位流速、流向验证图

      Figure 5.  Verification diagram of flow velocity and flow direction of #1-neap tide period and #2-spring tide period

    • 研究海域潮流类型为规则半日潮[9],潮流运动形式在外海开阔海区多为旋转流,近岸海区多为往复流。选取中潮时期同一时间对工程前后潮流场进行对比分析,可代表工程区域大部分时间的潮流场情况。

      经模拟得到的潮流场如图6(涨急时刻)、图7(落急时刻)所示,本文的涨落急时刻以工程区域为标准而定。整体来看,流速由近岸向海逐渐变大,涨急时刻流速大于落急时刻流速。由北向南可见,乳山口外附近海域潮流沿NW—SE方向流动,涨潮流偏NW向流动,落潮流流向则相反,此结果与刘涛等[10]研究结果相似。乳山口内流速<0.1 m·s−1,向外海逐渐变大。往南至海阳港及以东的外海和以南至丁字港的海区潮流主流向为E—W向,涨潮流流向为E向,落潮流流向相反,与汪守东等[11]研究结果近一致。丁字港以南至长门岩岛,以东至千里岩岛北,潮流流向呈NE—SW向,涨急时刻偏SW向,落急时刻流向相反,该区域涨急时刻流速主要在0.40~0.62 m·s−1范围内,落急时刻流速值在0.34~0.55 m·s−1范围内,均是由北向南增大,近岸处与千里岩岛、长门岩岛东西两侧偏小,两岛屿南北两侧偏大。鳌山湾的潮流流向由湾内向外海呈N—S向至NW—SE向过渡,涨潮时偏N—NW向,落潮时流向相反,湾内流速最大值在湾口中央处,涨急时刻为0.31 m·s−1,落急时刻为0.35 m·s−1,与赵俊等[12]、李淑玲等[13]的研究成果相似,此处落潮流速大于涨潮流速,推测是由于该区域的涨落急时刻点与测流站的涨落急时刻点有差异。以上结论也佐证了本次模拟结果的正确性。工程区域位于千里岩岛西部,所在海域涨急时刻潮流流向偏SW向,流速平稳,均在0.53 m·s−1左右;落急时刻潮流流向近E向,流速在0.43 m·s−1左右。长门岩岛东南海域潮流流向呈E—W向,涨急时刻流近W向,落急时刻近E向,流速从西到东减小。

      图  6  工程前涨急潮流场

      Figure 6.  The tidal current field at maximum flood before the project

      图  7  工程前落急潮流场

      Figure 7.  The tidal current field at minimum flood before the project

    • 工程建设后的潮流场如图89所示,除工程区域附近海域外,其余海域的潮流场与工程建设前并无二致。而工程区域附近海域,潮流的流速流向被明显改变,图中可见潮流异常区,工程区域内及东西两侧流速减小,而工程区域南北两侧流速增大。工程区域附近的潮流流向也受到工程影响发生一定的偏转。

      图  8  工程后涨急潮流场

      Figure 8.  The tidal current field at maximum flood after the project

      图  9  工程后落急潮流场

      Figure 9.  The tidal current field at minimum flood after the project

    • 工程前后的流速变化范围和大小可以直观地反映工程建设对周围海域的影响情况。流速变化概况如图10所示,涨急时刻的流速增大的区域出现在工程区域西北部和南部,流速减小区域在工程区域内部,东部和西南部;落急时刻流速增大的区域出现在工程区域北部和西南部,流速减小的区域出现在工程区域内部、东部和西部。

      图  10  工程前后流速对比图

      Figure 10.  Comparison of flow velocities before and after the project

      涨急时刻的流速变化等值线与具体影响范围如表1图11所示,以工程区域中心为距离测量基点,0.01 m·s−1流速变化范围向北0.33~3.80 km,流速增大值>0.01 m·s−1的面积约11.6 km2;向南0.56~2.93 km,面积约5.7 km2。0.05 m·s−1流速变化向北影响最远距离1.41 km,流速增值>0.05 m·s−1的面积约2.2 km2;向南影响最远距离1.65 km,面积约1.4 km2。0.1 m·s−1流速变化等值线影响最远距离向北为0.78 km,流速增值>0.1 m·s−1的范围为0.7 km2;向南最远距离为1.1 km,面积约0.3 km2。−0.01 m·s−1流速变化影响距离东至4.35 km,西至5.73 km,流速减少>0.01 m·s−1的面积约19.1 km2。−0.05 m·s−1流速变化影响距离东至1.86 km,西至3.02 km,流速减少>0.05 m·s−1的面积约4.3 km2。−0.1 m·s−1流速变化等值线东至0.88 km,西至2.67 km,流速减少>0.1 m·s−1的面积约2.2 km2。−0.2 m·s−1流速变化等值线东至0.51 km,西至2.2 km,流速减少>0.2 m·s−1的面积约1.4 km2。−0.3 m·s−1流速变化等值线东至0.04 km,西至1.6 km,流速减少>0.3 m·s−1的面积约1 km2。−0.4 m·s−1流速变化主要发生在工程区域内至偏西1.25 km处,范围较小。

      表 1  涨急时刻流速变化情况

      Table 1.  Changes in velocity at maximum flood

      等值线/(m·s−1向东/km向西/km向南/km向北/km影响面积/km2
      0.012.005.902.933.8017.29
      0.050.635.211.651.414.52
      0.10.494.621.100.781.12
      −0.014.355.733.882.5519.08
      −0.051.863.021.010.644.28
      −0.10.882.670.980.542.23
      −0.20.512.200.910.291.43
      −0.30.041.600.771.02
      −0.41.250.42
      注:①所测量的距离均是以工程区域中心为基点,分别向正东、正西、正南、正北方向测量的最大距离;②“−”表示在工程区域内;③“影响面积”指大于正等值线值或小于负等值线值的范围。

      图  11  涨急时工程前后流速变化等值线

      Figure 11.  Contours showing the change of flow velocity before and after the project during the maximum flood

      在工程区域西部约3.45 km处的流速变化−0.01 m·s−1等值线以西,有一流速增大区域,流速增大值>0.01 m·s−1的范围面积约2.5 km2,东西宽为2.4 km,南北长约1.5 km;流速增大值>0.05 m·s−1的范围面积约1 km2,东西宽为1.45 km,南北长约0.90 km;流速增大值超过0.1 m·s−1的范围面积约0.1 km2,东西宽为0.5 km,南北长约0.3 km。

      落急时刻的流速变化等值线与具体影响范围如表2图12所示,以工程区域中心为距离测量基点,0.01 m·s−1流速变化范围向北0.45~2.22 km,流速增大值>0.01 m·s−1的面积约3 km2;向南0.44~4.47 km,东至5.53 km,西至4.5 km,面积约21.1 km2。0.05 m·s−1流速变化向北影响最远距离1.16 km,流速增值>0.05 m·s−1的面积约0.66 km2;向南影响最远距离2.95 km,东至5.54 km,西至1.15 km,面积约7.1 km2。0.1 m·s−1流速变化等值线影响最远距离向北为0.77 km,流速增值>0.1 m·s−1的范围为0.12 km2;向南最远距离为1.43 km,东至3.45 km,面积约2.69 km2。−0.01 m·s−1流速变化影响距离东至3.43 km,西至3.31 km,流速减少>0.01 m·s−1的面积约10.5 km2。−0.05 m·s−1流速变化影响距离东至2.79 km,西至1.72 km,流速减少>0.05 m·s−1的面积约3.7 km2。−0.1 m·s−1流速变化等值线东至2.42 km,西至1.08 km,流速减少>0.1 m·s−1的面积约2.1 km2。−0.2 m·s−1流速变化等值线东至1.71 km,西至0.49 km,流速减少>0.2 m·s−1的面积约0.9 km2。−0.3 m·s−1流速变化主要发生在工程区域内至偏东1.22 km,流速减少>0.3 m·s−1的面积约0.4 km2。−0.4 m·s−1流速变化主要发生在工程区域内,范围较小。

      表 2  落急时刻流速变化情况

      Table 2.  Changes in flow velocity at the minimum flood

      等值线/(m·s−1向东/km向西/km向南/km向北/km影响面积/km2
      0.01 5.53 4.50 4.47 2.22 14.12
      0.0 5.54 1.15 2.95 1.16 7.75
      0.1 3.45 0.42 1.43 0.77 2.81
      −0.0 3.43 3.31 3.78 2.14 14.27
      −0.0 2.79 1.72 2.43 0.93 4.25
      −0.1 2.42 1.08 0.55 0.63 2.07
      −0.2 1.71 0.49 0.30 0.38 0.95
      −0.3 1.22 0.44
      −0.4 0.01
      注:①所测量的距离均是以工程区域中心为基点,分别向正东、正西、正南、正北方向测量的最大距离;②“−”表示在工程区域内;③“影响面积”指大于正等值线值或小于负等值线值的范围。

      图  12  落急时工程前后流速变化等值线

      Figure 12.  Contours showing the change of flow velocity before and after the project during the minimum flood

      在工程区域东南方向上,0.01 m·s−1等值线外,距工程区域中心偏南1.51 km,偏东1.89 km处有一流速较小区域,流速减小值>0.01 m·s−1的范围面积约3.8 km2,东西宽为2.26 km,南北长约2.23 km;流速减小值>0.05 m·s−1的范围面积约0.5 km2,东西宽为0.95 km,南北长约0.77 km。

    • 潮流的非线性作用产生了潮汐余流。本文主要讨论的欧拉余流可定义为所有经过某一空间点上的质点的速度矢量和在某一时间段内的平均,反映的是通过某一空间点的所有物质所表现出来的整体净输移趋势[14]

      $$ {u_{Euler}} = \frac{1}{T}\int_T u {\rm{d}}t $$ (5)

      式中:uEuler为欧拉余流的速度; T为计算潮周期; u为某一时刻潮流速度。

      本文选取720 h进行欧拉余流计算,得出工程前后的余流场如图13图14所示。除工程区域附近海域,计算域内大部分海区工程前后余流场情况均相同。大部分区域余流较弱,尤其是中央开阔水区,余流流速均在0.05 m·s−1左右;就计算域的整体流向来说,以千里岩岛为界,西、北方略低,流向偏SW,东、南方略高,流向偏S。流速最小值发生在沿岸地区,普遍<0.02 m·s−1,距岸愈近流速值愈小,其中鳌山湾内余流值最小,与李淑玲等[13]研究结果相似。流速较大值区域,除开边界附近较强潮流区域导致的较大余流外,以长门岩岛南部0.4 m·s−1和千里岩岛西南部0.3 m·s−1为最大,其余主要分布于长门岩岛北部的2个余环流及东部1个余环流和千里岩岛西部的1个余环流海域。4个余环流流向由西向东依次是逆时针、顺时针、逆时针和逆时针;流速环心小,向外渐大,依次约0.03~0.1、0.04~0.28、0.04~0.15和0.05~0.18 m·s−1

      图  13  工程前余流场

      Figure 13.  Residual current field before the project

      图  14  工程后余流场

      Figure 14.  Residual current field after the project

      工程前的工程区域流向均一,为偏SW向,余流值均为0.06 m·s−1,工程后围绕该区域呈一近似逆时针余环流,工程区域位于环流内部流速普遍减小,环流外部最大值处增至0.18 m·s−1左右。粒子运移路径和距离与欧拉余流的分布有着密切的关系,在欧拉余流场中,流向比较一致的区域,粒子运移路径和余流方向高度一致,而在欧拉余流流向分布比较复杂的区域,如余环流,粒子运移则无固定方向,在一定范围内反复运移[14]。工程建设后工程区域附近欧拉余流场呈一小型逆时针余环流,推测其物质输运方向发生改变。具体余流流速变化将在下一节进行讨论。

    • 余流的流速变化等值线与具体影响范围如表3图15所示。由图15可见,工程区域内部余流流速减少均值在0.01 m·s−1左右,周边海域余流流速整体增大,最大增值超过0.1 m·s−1的区域出现于工程东部,说明工程建设后工程区域内海水的净输运速度减小,周边海域整体的净输运加快,尤其是工程区域东部。

      表 3  余流流速变化情况

      Table 3.  Changes in velocity of residual current

      等值线/(m·s−1向东/km向西/km向南/km向北/km影响面积/km2
      0.01 4.16 5.32 1.53 1.73 13.91
      0.05 2.26 2.09 0.83 1.46 3.07
      0.1 1.52 3.22 0.47 0.48 0.41
      −0.01 8.08 3.22 3.35 2.25 15.98
      注:①所测量的距离均是以工程区域中心为基点,分别向正东、正西、正南、正北方向测量的最大距离;②“−”表示在工程区域内;③“影响面积”指大于正等值线值或小于负等值线值的范围。

      图  15  工程前后余流场流速变化等值线

      Figure 15.  Contours showing the change of flow velocity of residual current field before and after the project

      以工程区域中心点为距离测量基点,流速>0.01 m·s−1的范围向东最远距离4.16 km,向西5.32 km,向南至1.53 km,向北最远至1.73 km,流速增大值>0.01 m·s−1的海域面积约13.91 km2。流速>0.05 m·s−1的范围向东最远距离2.26 km,向西2.09 km,向南至0.83 km,向北最远至1.46 km,流速增大值>0.05 m/s的海域面积约3.07 km2。流速增值>0.1 m·s−1的范围主要出现在工程以东,向东最远影响距离为1.52 km,向南至0.47 km,向北最远至0.48 km,流速增大值>0.1 m·s−1的海域面积约0.41 km2。流速减小>0.01 m·s−1的区域东向在距基点1.15~8.08 km范围内,面积9.51 km2;西南方向的区域距基点135°直线距离0.96~4 km内,面积4.41 km2;向北直线距离0.79~2.26 km内,面积1.85 km2。流速减小>−0.05 m·s−1的流速变化发生在工程区域内部中心,影响面积极小,仅约0.004 km2

    • 本文通过建立Mike21FM模型,对比分析千里岩西部人工鱼礁建设前后周围海域的水动力情况,研究工程建设对周围海域的影响,得出以下几点结论:

      (1)工程区域在工程建设前的涨急潮流流速均为0.53 m·s−1左右,流向偏SW向,流速平稳;落急潮流流速均在0.43 m·s−1左右,流向近E向;工程建设后工程区域内部,潮流速在涨落急时刻减少均值分别在0.2 m·s−1和0.3 m·s−1左右,最大值达0.4 m·s−1,阻流效果显著。就水动力环境方面而言,该人工鱼礁的选址合理。

      (2)工程建设后工程区域附近欧拉余流场呈一小型逆时针余环流,推测其物质输运方向发生改变,对人工鱼礁有着重要意义的营养盐的含量也将随扩散速度的改变而改变。工程区域内部余流流速减少均值在0.01 m·s−1左右,工程建设后工程区域内海水的净输运速度减小,有利于营养盐的富集;工程区域外周边海域余流流速整体增大,最大增值>0.1 m·s−1的区域出现于工程东部,说明周边海域整体的净输运加快,以工程区域东部为尤,有利于水体更新。

      (3)潮流场的流速增大区主要在工程区域南北部,减少区在工程区域内部及东西部,并均有一定的影响范围。余流减少>0.01 m·s−1的面积达15.98 km2,增大值>0.1 m·s−1的范围达0.41 km2。以上数据及定位可对人工鱼礁海域水质监测等提供参考。

参考文献 (14)

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