人工鱼礁为具有目的性的人工建造或放置于海床上的水下结构^[1]，用于效仿天然礁石达到保护、再生、聚集和增殖海洋生物资源及促进人工鱼礁区水生栖息地生成、恢复与保护等功能^[2-3]。人工鱼礁建设之初仅通过投放简单的木料和石料达到渔获型建礁目标，面对渔业资源量逐年下降与生态环境过度消耗的现象，人工鱼礁材料逐渐向钢筋混凝土和钢结构发展^[3]，建设类型也向资源增殖与生态修复型延伸^[4-5]。目前，人工鱼礁在日本、美国、韩国、中国等国均有投放^[6]，其作用主要为改善海域生态环境 (生物多样性或生态系统管理、水质改善等)^[7]、养护海洋生物资源^[8](诱集、增殖、产卵保护、幼鱼保护等)、促进旅游和休闲活动^[9] (钓鱼、潜水、海底观光等) 等。

人工鱼礁作为海洋牧场建设的重要设施基础，近年来在我国投放量逐年增加，投放面积逐渐增多，考虑自然海域改变与鱼礁投放量间的利弊关系，我国提出“减量提质增效”的人工鱼礁建设模式^[10]，因此人工鱼礁建设需具有明确的目标性，其前提为确定各建设模式下人工鱼礁的建设效果与作用形式。流场效应是人工鱼礁建设的直接效果，高效人工鱼礁建设不仅需要在整个空间范围内使流场效率达到最佳，还需满足流场区内强度的有效性和位置的适宜性^[11]。伴随鱼礁投放的广泛性与针对性，不同建设海域对人工鱼礁的流场主体效应需求存在差异，其中上升流作为鱼礁前部产生的促进垂向流体及营养物质交换与混合的流场区^[12]，对优化水质环境、丰富生物资源作用显著，合理营造与充分利用上升流是实现高效建礁模式的基本理念^[13]。

我国人工鱼礁建设的相邻海域常伴有规模化的筏式和网箱等海水养殖区，此时人工鱼礁上升流通过垂直向上的流动控制区域内饵料残渣及排泄物等的沉降特性，减缓碎屑沉降速度，努力使碎屑在沉降中逐渐分解或悬浮；另外，转移养殖碎屑的沉降区域，因碎屑在沉降中悬浮被携带至其他海域，有效改善、优化养殖海域水体环境，提高养殖效率^[14]。开阔海域内上升流以水体流动为载体携带底层沉积物等向上运动，混合垂向不同水层的营养盐及颗粒物质，增加海域内悬浮营养物质含量，进而达到营养物质充分交换、生物资源增殖的作用^[15-16]。因此，上升流作用能力是评价人工鱼礁环境效应强弱的关键指标。本研究以上升流强度、范围和中心位置3个指标作为上升流作用能力评价因子，构建以上升流效应为目标的单位人工鱼礁最优建设模式方法流程，为合理规划、高效建设人工鱼礁奠定理论基础。研究中流场数据采用ANSYS 16.1软件的大涡模拟模型获得，模拟数据通过验证切实可用。

1.   材料与方法

1.1   数值实验方法

1.1.1   控制方程

以实际投放海域中人工鱼礁流场特性为依据，数值实验中假设流体为不可压缩、非定常、黏性流动，为保证对流场的模拟精度，本文在湍流模型上选择大涡模拟方法 (Large-eddy simulation, LES)。LES方程通过空间域N-S方程滤掉时间项得出，用瞬时的N-S方法直接模拟湍流中的大尺度涡，有效滤掉比过滤网格小的涡旋，小涡对大涡的影响通过近似的模型获得，从而得到大于网格尺度涡的动量方程^[17]，根据过滤尺寸G得出过滤后的瞬时变量$\bar \phi $的计算表达式：

其中$x' $为过滤前流动区域中的空间坐标，x为过滤后大尺度空间坐标，ϕ为流动变量，D为流体计算域，V为计算单元体积，G表示滤波函数，用来定义可解尺度湍流的空间尺度。经过滤波函数处理的不可压缩流体、瞬时状态下的N-S方程与连续方程分别为：

式中ρ为流体密度 (kg·m⁻³)；${{{\bar u}_i}}$, ${{{\bar u}_j}}$ (i, j=1, 2, 3, i≠j) 为过滤后的空间坐标系下X、Y和Z 3个方向的平均流速 (m·s⁻¹)；$\bar p$为过滤后的平均压强 (Pa)；μ为动力黏度 (Pa·s)；τ_ij为亚格子应力项，τ_ij的定义为：

1.1.2   计算域与边界条件

实验中人工鱼礁采用米字型礁体，礁体结构见图1。鱼礁呈正方体结构，单体边长(S_la)为3 m，礁体内部的交叉型结构有助于流场营造，鱼礁体制作简单且应用较广。为分析均匀布设模式下单位人工鱼礁流场强度，单位人工鱼礁区设为规则正方形，投放量分别为108 (4个)、243 (9个)、432 (16个) 和675 (25个) 空m³共4种，每种投放量鱼礁布设方式为2×2、3×3、4×4、5×5，每种布设方式的鱼礁单体间距以鱼礁单体边长的倍数表示，分别为0、0.5、1.0、1.5、2.0、3.0和4.0 S_la，共构成28种单位鱼礁建设模式。单位人工鱼礁的数值实验中，数值水槽入流面至单位鱼礁的长度为3倍单位鱼礁边长(S_lu)，即3 S_lu，单位鱼礁尾至出流面15 S_lu，鱼礁左、右至水槽壁面均为3 S_lu，根据人工鱼礁高度为水深的1/10时上升流流场效应显著的特点，数值水槽高度设为10 S_la，来流方向垂直于礁体组合正向，来流速度取实际海域符合人工鱼礁投放要求的速度值，本研究取值为0.5 m·s⁻¹。

图  1  米字型人工鱼礁

Figure  1.  Mi-zi shape artificial reefs

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数值模拟中，入口边界条件设为速度入口，出口边界条件设为速度出口 (速度为来流速度负值)，计算域底面与人工鱼礁表面设为壁面边界条件，采用无滑移边界参数，侧面与上顶面设为对称边界条件。模拟中流体密度设定为海水典型密度1 024 kg·m⁻³，重力参数为9.81 m·s⁻²，图2为数值实验中1.0 S_la间距的单位人工鱼礁水槽实验计算域示意图，其中礁体颜色深浅程度分别表示单位人工鱼礁的4种布设模式。本研究米字型人工鱼礁数值实验已通过数值水槽实验验证，所有模型构建、网格划分与数值模拟实验均在ANSYS 16.1中完成。

图  2  单位人工鱼礁水槽实验计算域示意图

Figure  2.  Schematic diagram of calculation domain of unit artificial reef flume experiment

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1.2   上升流区选定标准

人工鱼礁流场效应是指由于礁体阻隔作用而使原有稳定流场在礁体附近发生局部改变，形成一定范围的新流场形式，根据新流场的形态特征与作用形式，上升流位于单位人工鱼礁迎流面向，由于礁体阻隔而产生的沿鱼礁迎流面向上的流场作用区。上升流区域的选定标准主要根据人工鱼礁的投放目标而定。本文选取的米字型礁体常投放于东海区用于增殖养护岩礁性鱼类，如黑鲷 (Sparus macrocephalus) 等，因此以已有实验中黑鲷在人工鱼礁海域生活栖息习性为依据，确定上升流流场区域选择标准，选取礁体前端垂向流速v_z大于0.05倍来流速度的区域为上升流区，即垂向速度大于0.025 m·s⁻¹ 的区域为上升流区^[18]，图3为5×5布设模式、1.0 S_la间距的单位人工鱼礁上升流区选取示意图，图中红色线内为上升流区。

图  3  单位人工鱼礁上升流区选定

Figure  3.  Upwelling area of unit artificial reef

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1.3   上升流作用能力指标

上升流作用能力是用于评价人工鱼礁建设效果强弱的重要指标，主要包括上升流强度、上升流范围及位置说明，其中上升流强度指流场区域内流体自身扰动和对颗粒物抗沉降能力的大小，主要以流速为依据；上升流范围指水平方向上升流产生的最大作用范围的垂向面积，说明流场的空间特点；上升流位置指上升流区域内垂向速度的主轴位置，即上升流区的主体发生位置，是合理选择投礁位置的重要依据。

1.3.1   上升流强度

上升流强度指标包括流场效应的相对体积效率I_rve、平均相对速度I_arv和单位体积速度贡献率I_vcr。I_rve指实际满足速度要求的流场体积与满足速度要求区整个外围包络面体积之比，用于说明流场效应的空间密集程度 (空间强度)；I_arv指流场区特定方向速度平均值与入口速度之比，用于说明流场效应的扰动与交换能力；I_vcr指I_arv所占实际流场单位相对体积的量值，该指标从整体上说明流场速度强度规律。

图4为人工鱼礁上升流流体结构图。图中红线围成的体积为上升流区内满足速度要求的整个外围包络面体积，记为上升流流场合体积V_ut，黑线构成体积为流场区内实际满足速度要求的区域体积，记为上升流流场分体积V_up，相对体积效率I_rve=V_up/V_ut；平均相对速度为上升流区流速v_u与来流速度v_i比值的平均值，I_arv=Mean(v_u/v_i)；单位体积速度贡献率I_vcr= I_arv/V_up。

图  4  上升流流场体积空间结构示意图

Figure  4.  Space structure sketch of upwelling volume

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1.3.2   上升流范围

上升流范围指标包括流场效应的相对面积A_r和相对面积高度H_ra。A_r指上升流区水平向最大作用面积，用于说明水平向上升流的辐射范围；H_ra指上升流最大作用面积处的位置高度，作为衡量人工鱼礁适宜投放水深的参考，高度取值基准面为人工鱼礁上底面。图5-a为上升流面积选取位置，图5-b为对应人工鱼礁上升流流场面积正面示意图。

图  5  上升流面积选取位置 (a) 和上升流流场面积正面示意图 (b)

Figure  5.  Location sketch (a) and area front view sketch (b) of upwelling area

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1.3.3   上升流位置

上升流区自鱼礁迎流面礁体前端生成流场中心区，沿中心区向外流速逐渐减小，随着鱼礁投放量与布设模式差异，上升流区垂向速度主轴发生位置不同，因此整个上升流区产生位置不同，图6为上升流区流速主轴位置选择示意图。

图  6  上升流流速主轴位置

Figure  6.  Spindle location of upwelling velocity

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2.   结果

2.1   上升流流场强度

通过对上升流合体积、分体积、平均速度3种上升流直接参数的提取，进一步计算并分析各流场强度指标的变化规律，其中上升流I_rve体现流场的空间强度；上升流I_arv体现流场的作用强度；上升流I_vcr体现流场的速度强度。

2.1.1   上升流相对体积效率

图7是4种布设模式7种布设间距的单位人工鱼礁上升流I_rve对比图。相同人工鱼礁投放量，上升流I_rve随布设间距逐渐减小，布设间距为0~1.5 S_la时，体积效率减小趋势缓慢，集中分布介于90%~100%；2.0 S_la布设间距为体积效率的转折点，此时4种投放量鱼礁的上升流相对体积效率均降至约72%；布设间距大于2.0 S_la时，相对体积效率呈现骤降趋势，主要分布介于32.5%~57.2%。同时，布设间距为0~2.0 S_la时，不同投放量、相同布设间距的上升流相对体积效率基本相同，流场空间强度相近；布设间距大于2.0 S_la时，相同布设间距下，人工鱼礁投放量越大，相对体积效率越小，流场空间密集程度越低，空间强度越弱。

图  7  28种单位鱼礁建设模式下上升流相对体积效率

Figure  7.  Relative volume efficiency for upwelling under 28 types of unit reef construction modes

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结合上升流流场体积空间结构分布实际，当布设间距为4.0 S_la时，上升流流场间出现一定范围的间距，使单位鱼礁上升流间无协同效应，与单位鱼礁建设目标不符，因此本文以4.0 S_la布设间距的I_rve值作为衡量符合单位鱼礁上升流效应的最低标准，得出对应4种投放量 (108、243、432和675空m³) 下I_rve最低标准依次为44.1%、35.5%、34.8%和32.5%。

2.1.2   上升流平均相对速度

图8为4种人工鱼礁投放量的上升流I_arv随布设间距变化图。4种投放量人工鱼礁上升流I_arv均随布设间距增加呈现骤降后缓增的趋势。布设间距为2.0 S_la时，I_arv出现最低值，0 S_la布设间距处I_arv最大，0.5 S_la布设间距处次之；布设间距小于1.5 S_la时，4×4布设模式的上升流I_arv最大，其次为3×3、2×2布设模式，5×5布设模式I_arv最低，说明此布设间距下，以4×4的布设模式规划人工鱼礁，其上升流的扰动、传递与交换能力等作用强度效果最佳；布设间距为1.5~4.0 S_la时，3×3布设模式的I_arv明显高于其他3种布设模式，说明此布设间距下，若仅以上升流扰动强度即I_arv为人工鱼礁建设目标时，3×3的布设模式为最优。

图  8  28种单位鱼礁建设模式下上升流平均相对速度

Figure  8.  Average relative velocity for upwelling under 28 types of unit reef construction modes

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2.1.3   上升流单位体积速度贡献率

I_vcr表示上升流实际作用体积内速度分布的密集程度。图9为4种投放量人工鱼礁I_vcr随布设间距的变化图。4种投放量鱼礁的I_vcr随布设间距的增加呈现先降后增再降的趋势，最大值位于0 S_la布设间距处，其次为1.5 S_la处，1.5 S_la为I_vcr由降转增的拐点，说明此间距下上升流速度强度较高。4种投放量上升流I_vcr随布设间距的变化趋势相同，投放量越少，I_vcr越大，说明越少投放量，鱼礁单体对上升流作用贡献越突出。

图  9  28种单位鱼礁建设模式下上升流单位体积速度贡献率

Figure  9.  Velocity contribution rate of unit volume for upwelling under 28 types of unit reef construction modes

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2.2   上升流作用范围

图10为4种投放量下上升流A_r及其对应高度随布设间距变化图。布设间距相同时，投放量越少上升流A_r越大；随着投放量增加，A_r降低量逐渐减小。4种投放量人工鱼礁的A_r随布设间距增加呈现先增后降的趋势。布设间距为1.5~2.0 S_la时，上升流A_r最大，说明此布设间距上升流影响面积最广，鱼礁的水平空间作用效果最强，是以流场面积为建礁标准的最佳鱼礁布设模式。布设间距为0~0.5 S_la时，相同投放量的H_ra基本相同；布设间距大于0.5 S_la时，H_ra迅速降低；布设间距为0.5~3.0 S_la时，H_ra随布设间距增加逐渐降低；布设间距为4.0 S_la时，4种投放量人工鱼礁上升流H_ra降至相同高度，H_ra约为0.5，主要原因为当布设间距为4 S_la时，上升流间无协同作用，H_ra可近似为鱼礁单体所产生的上升流相对高度，因此不受人工鱼礁投放量影响，此结果也说明在规划单位人工鱼礁建设模式时，鱼礁间布设间距应小于4 S_la。

图  10  28种单位鱼礁建设模式下上升流相对面积及对应高度

Figure  10.  Relative area and corresponding height of upwelling under 28 types of unit reef construction modes

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2.3   上升流发生位置

上升流强度与作用范围是充分发挥鱼礁流场功效、合理规划人工鱼礁建设的重要判断指标，准确、高效利用上升流区是流场强度与范围指标充分发挥的前提，经过对上升流区流速特征分析，上升流区流速以迎流面礁体前端为中心，向外围逐渐减小，对流场内流速的等值线分析，将速度等值线最高处作为上升流流速主轴线，整个上升流区以主轴位置为中心向外分布，图11为4种投放量下7种布设间距的单位人工鱼礁上升流流速主轴分布位置。上升流主轴位置主要分布于迎流面鱼礁正上方1 m范围内。其中4种投放量下，上升流主轴位置随布设间距增加，逐渐向鱼礁前方移动，说明随布设间距增加，上升流区逐渐由鱼礁区后方向前方移动；同时，随着人工鱼礁投放量增加，上升流流速主轴位置逐渐向鱼礁后方移动，说明随鱼礁投放量增加，上升流区逐渐向鱼礁区正上方移动。在规划人工鱼礁建设中，需要考虑人工鱼礁投放区位置，进一步使上升流区得到充分利用，达到“提质增效”的鱼礁建设模式。

图  11  28种单位鱼礁建设模式下上升流主轴发生位置

Figure  11.  Spindle position of upwelling under 28 types of unit reef construction modes

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此外，鱼礁投放量相同时，随布设间距增加，上升流区相对高度逐渐降低；布设间距为0~0.5 S_la时，随着鱼礁投放量的增加，上升流相对高度逐渐增大；布设间距为1.0~2.0 S_la时，3×3与4×4布设模式上升流相对高度较高；布设间距为3.0~4.0 S_la时，随着鱼礁投放量增加，上升流相对高度逐渐降低。

3.   讨论

3.1   不同建设模式下上升流效应作用能力差异特征

上升流是人工鱼礁产生流场的主要类型之一，当人工鱼礁投入海中，来流受鱼礁体的阻流作用产生流动分离，向上抬升形成上升流，上升流促进了上下层海水交换，加快了底层和表层海水沉积物与营养物质运输速度，提高海洋初级生产力水平，吸引了其他次级海洋生物，增强了鱼礁区的饵料效应，对水体环境和鱼类产生了较为明显的优化和诱集效应^[19-20]。目前，鱼礁以单位人工鱼礁为基础进行有计划的投放，人工鱼礁流场效应受单位人工鱼礁建设模式 (投放量、布设间距) 影响，因此上升流流场特性与单位人工鱼礁建设模式息息相关^[21]。本研究发现，上升流I_rve主要受单位鱼礁布设间距控制，受鱼礁投放量影响较小，上升流H_ra、I_arv受单位鱼礁投放量与布设间距共同影响，布设间距为2.0 S_la时，I_arv最小，0 S_la布设间距处，I_arv最大，且布设模式为4×4、投礁量为432空m³时上升流I_arv最大，说明当以速度指标为鱼礁建设目标时，此模式下建设效果最佳。不同投放量人工鱼礁上升流A_r最大值位于1.5~2.0 S_la处，受礁体内部结构差异影响^[22]，尺寸相同的实体鱼礁上升流影响面积最大值位于1.0 S_la处^[23]，同时说明人工鱼礁透空率不同，上升流A_r最大时单位人工鱼礁布设间距存在差异^[24-25]。此外，本文首次对上升流H_ra和上升流主体位置进行了探讨，结果表明，投礁量越多，上升流H_ra越大；随布设间距增加，H_ra逐渐降低，对应上升流相对高度也随之降低；随着人工鱼礁投放量增加，整个上升流区由迎流面礁体前端向礁体正上方移动，高度与位置的补充研究为以充分利用上升流区而准确选择人工鱼礁投放位置和适宜水深提供了参考。

3.2   不同建设目标下单位鱼礁建设优化模式选择依据

目前，普遍认为上升流作用是通过不同水层物质的交换，改变海水中营养物质等的含量，进而改变水体环境，增加生物资源。实际中，上升流发挥作用的形式与原理及区域的确定随建设目标与海域的不同而发生变化，我国人工鱼礁建设目标按照功能与区域特性可分为近岸海域和养殖海域，两种区域内上升流作用形式与原理各不相同，优化模式选择依据亦不相同。

近岸海域是人工鱼礁投放的常选区，人工鱼礁上升流发挥有益效应过程即沉积物的再悬浮运动，再悬浮过程受沉积物粒径影响^[26]。沉积物一般为黏性颗粒，在上升流作用下，颗粒间受黏结力出现絮凝结合，以絮凝密度差异产生悬水或悬沙运动^[27]。发生运动的前提为上升流流速引起的起动作用力大于絮凝团粒保持稳定的作用力，促使沉积物颗粒起动的力包括推力、上举力和惯性力，使沉积物颗粒保持稳定的作用力包括颗粒在水中的自重、黏结力和附加静水压力^[28-29]。不同海域流速及沉积物颗粒粒径不同，上升流区所能带动的沉积物颗粒大小、悬浮浓度与规模不同，上升流速度取值标准亦不相同。

养殖区海域上升流作用过程研究即碎屑的沉降过程，根据沉降颗粒物特征，将此过程视为无黏性沉降^[30]。粒子沉降时受下沉力为重力，抗沉降力包括颗粒物浮力及上升流垂向速度所产生的向上作用力，当抗沉降力大于沉力时，只有深度范围足够，颗粒物可能出现匀速或悬浮状态，否则颗粒物将沉至海底^[31-32]。枸杞岛海域沉积颗粒物粒径小于2 000 μm，其中大部分为3.9~62.5 μm，粒子密度约1.7 g·cm^−3[33]，以本文中上升流速度为标准 (>0.025 m·s⁻¹)，上升流可使最大粒径为142 μm的粒子沉降过程发生改变，因此需根据所改变颗粒物的粒径大小，选择合适的上升流速度标准。颗粒物减缓或停止沉降产生悬浮的过程是否可以分解与自身物质构成和水体性质有关，有研究表明，海水盐度越高，黏性颗粒的絮凝程度越大，不利于颗粒物分解^[34]。当颗粒物处于悬浮过程中，受上升流区水平向流速影响将被携带或转移至其他海域。可见深度和垂向速度直接影响养殖海域颗粒物沉降过程的变化状态与作用规模，因此该海域人工鱼礁投放要密切关注建设区水深、流速及预期上升流速度，同时准确评价上升流作用能力，保证鱼礁投放的有效性。

3.3   以上升流效应为标准的最优单位鱼礁建设模式选择方法

上升流是人工鱼礁产生的主要流场形式之一，为实现“减量增效提质”的人工鱼礁投放目标，必须满足科学布局、因地制宜的原则。根据本研究对均匀布设模式的人工鱼礁上升流流场特征研究过程，提出以上升流为建设目标的人工鱼礁规划流程为：1) 明确人工鱼礁建设目标，主要以鱼礁建设于近岸或养殖区进行区分；2) 合理选择人工鱼礁建设位置，建设位置选择涉及人工鱼礁选址问题，主要考虑投放海域底质承载力、水深及流场流向^[35-37]，及单位鱼礁所产生的上升流位置；3) 确定上升流区选定标准，上升流区选择主要以垂向流速为准，根据不同建设目标确定速度值大小^[38-39]；4) 选取上升流流场评价指标，评价指标不仅涉及流场空间范围 (包括体积、面积、高度、长度)，还应增加对流场作用强度 (包括I_rve、I_arv和I_vcr) 及发生位置等的分析；5) 上升流流场特征分析，分析均匀布设模式下单位人工鱼礁各建设参数 (投放量与布设间距) 的上升流流场特征变化规律；6) 规划人工鱼礁建设模式，根据流场特征变化规律，选择满足鱼礁投放目的的最佳流场效应下的人工鱼礁建设模式，以此为鱼礁布设方案。

根据以上流程，本研究分析得出单位鱼礁为4×4、布设间距为1.5 S_la条件下，鱼礁的上升流效应最佳。实际中，鱼礁投放海域水深需以上升流相对高度为参考，水深太深，上升流效应无法达到效果，水深太浅，上升流效应无法充分利用，造成鱼礁浪费；同时，若鱼礁建设于近岸海域，只需将鱼礁投放于底质承载力相当且鱼礁正面与迎流面为90°夹角处；若鱼礁建设于养殖区，除兼顾上述两点外还应考虑鱼礁引起的上升流位置。

4.   结论

本文通过上升流作用说明人工鱼礁的流场效应，进一步提出以上升流效应为标准的最优单位鱼礁建设模式，为后续合理规划人工鱼礁建设提供理论基础。实际中，背涡流作为人工鱼礁流场效应的另一特征流场形式，能有效改善鱼礁后方水体环境，促进近底层水域营养物质交换与传递，其在不同海域的特征变化有待未来继续研究探讨。