人工鱼礁上升流涡动混合过程及其环境效应研究

Artificial reef is one of the most important technical method to solve the important problem restricted the sustainable development of the offshore marine biological resources and environment of China, such as eutrophication in offshore waters and transform of sea area hydrodynamics and sedimentary pattern. The upwelling caused by the deposition of artificial reefs can make the sea water fully exchange among different water layers and have an important impact on the improvement of the marine environment, but its specific process and mechanisms are not clarified. This project will focus on three elements, the characteristic structure of artificial reef, upwelling and vertical exchange of environmental factors of seawater, as the basic research. The method of computational fluid dynamics will be applied to build a numerical model of turbulent mixing about seawater environmental factors, which will be validated by the results of flume tank and sea tests. The environmental effects of artificial reef upwelling will be explored and a new evaluation method about environmental effect of artificial reef will be established. This study will provide theoretical support and practical guidance for the improvement and restoration of marine ecological environment with artificial reefs, and ultimately bring about the restoration of marine biological resources.

近海海域水体的富营养化、海区水动力和沉积格局的改变等环境问题是制约我国近海海洋生物资源与环境可持续发展的重要问题，人工鱼礁是解决该问题的最重要技术手段之一。人工鱼礁投放后可产生不同程度的上升流，促使底层、近底层水体与上层进行交换混合，对海域环境的改善产生重要影响，但其过程及机理远未阐明。本项目以人工鱼礁特征结构、上升流、海水环境因子的垂直交换这三个要素为基本研究链条，应用计算流体力学方法，结合水槽实验和海上实测的结果，通过构建人工鱼礁上升流引起的海水环境因子混合数值模拟模型，揭示人工鱼礁上升流的环境效应，构建人工鱼礁环境效应评价的新方法，为利用人工鱼礁技术改善和修复海洋生态环境，并最终带来海洋生物资源的恢复提供理论支撑和实践指导。

项目的背景：.有关人工鱼礁的研究，迄今主要集中在其对海洋生物资源的增殖保护、生态环境修复，水动力性能等方面，鲜有对鱼礁所引起的一系列环境效应的发生过程及机理进行深入挖掘，常用的海上实测方法所得结果也难以清楚地表达和判断其具体运转过程和影响周期，从而影响人们对人工鱼礁环境效应的评价。同样，人们虽然认可人工鱼礁的上升流效应或扰动作用，但对其水动力学性能的研究也仅限于一般性的定量分析和定性说明研究。.主要研究内容：.从鱼礁结构、上升流强度、混合模型等方面逐步深入地研究人工鱼礁上升流的扰动作用对不同水层水体间以温度、盐度、溶解氧、硝酸盐、磷酸盐为代表的理化环境因子混合过程的影响，进一步阐明人工鱼礁的环境效应机理。主要包括：人工鱼礁结构特征与上升流的发生机理研究、人工鱼礁上升流与环境因子垂直混合机理研究、人工鱼礁上升流的环境效应评价方法研究。.重要结果及其科学意义：.（1）以上升流发生的特征结构为研究对象，结合数值模拟和PIV技术，充分挖掘各类结构或造型的导流特征，分析结构对上升流高度、流量的影响差异，优化了上升流礁、车叶型礁等典型生态型人工鱼礁礁型。而且，基于水槽实验结果，本项目基本验证了计算流体力学方法在人工鱼礁水动力性能分析中的普适性。.（2）结合湍流模型和Species Transport模型，建立了适用于人工鱼礁上升流涡动混合过程的守恒方程，应用DEFINE_PROFILE宏自定义环境海水背景流场、各理化环境因子的入口边界条件，结合海试实验结果的验证，建立了可以表征人工鱼礁上升流与环境因子垂直混合的数值模拟模型。.（3）以“鱼礁结构→扰动混合→环境效应”为理论基础，以上升流礁为研究对象，以均匀度指数为指标参数，分析与评价单个鱼礁或单位鱼礁的上升流对水体的垂直涡动混合效应，重点研究了不同水层水体间温度、盐度、溶解氧、营养盐类的混合过程。结果表明，鱼礁间的纵、横向间距在2倍礁体高度以上时的效果最优，但过于疏远亦会减低单位鱼礁内部的关联性。