生態礁體布置形式對水流特征的影響

丁 潔，田 鵬，沈雨生

(1.中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120；2.南京水利科學研究院 河流海岸研究所，江蘇 南京 210024)

隨著工程建設中對生態環保的重視程度日益提高，水運、水利及海洋工程建設中投入越來越多的生態、環境補償措施。生態礁體是人為設置在海中的結構物，可為魚類等水生生物營造適宜的棲息、生長和繁育場所，具有良好的生態保育效果。近年，生態礁體也越來越多地應用到相關涉水工程建設的生態修復領域中。

生態礁體通常以礁群的形式，通過自身結構和布置形成新的水環境，營造適宜目標生物的棲息地和覓食區。生態礁體對周圍物理環境的改變，尤其是局部流環境的改變，是礁體發揮生態效應的主要表現之一。合理的礁體布置有利于營造好的環境。對于深水區礁體，礁體的構造設計與布置會使海流形成上升流，將海底有機物和近底層的營養鹽帶到海水中上層，促進各種餌料生物大量繁殖生長，從而誘使各種魚類聚集，形成良好的漁場。目前，人工魚礁技術較成熟，已通過物理模型試驗、風洞試驗或數值模擬等方法開展了相關研究和應用[1-3]。對于以波浪影響為主的淤積型潮間帶環境，也主要針對堤壩結構的生態功能開展了相關研究[4-5]，但還沒有專門針對礁體開展水動力環境研究和論證的案例。本文主要針對受波浪荷載作用且水流動力環境相對較弱、工程區呈微淤形態的潮間帶區域開展生態礁體對水流影響的物理模型試驗研究，并根據設計生態需求選取最優布置形式。

1 工程概況

1.1 建設要求

某沿海促淤整治工程的建設促進了泥沙淤積、灘面淤漲，潮間帶逐漸趨向于陸域化，水生生物受到一定的影響。根據工程生態補償建議，通過投放生態礁體修復生境。生態礁體投放位于促淤整治工程南側堤外坡腳處，根據對補償對象生物特性的研究，在平常波浪狀態下，在生態礁體結構內和礁群內營造三維流場，生態礁體區域場內流速0.5～1.0 m∕s，且礁體結構內部空間不能被泥沙淤堵。

1.2 建設條件

1.2.1 水文條件

礁體設計標準為30 a 一遇，結合礁體布置位置，同步考慮平均高潮位和平均潮位下的波浪作用，見表1。

表1 礁體設計水文條件

1.2.2 灘涂淤積情況

工程區灘坡平緩、灘域廣闊，灘涂總體為淤漲型潮灘，盡管隨動力、泥沙條件的各種周期變化出現周期性的沖淤變化，但其歷史演變趨勢總體呈現向海淤漲延伸。2013 年6 月—2019 年11 月測圖顯示，促淤整治工程實施后，工程區周邊淤積效果明顯，淤積幅度大多在0.5～2.0 m；2020 年3 月局部地形測圖數據顯示，南側堤護腳拋石及外側現狀泥面在0.5～1.2 m，淤積厚度在1.5～2.2 m。

2 生態礁體設計方案

2.1 礁體結構

礁體結構有兩種形式:Ⅰ型礁體為梯形框架結構，頂板尺寸為0.8 m×0.8 m，開設9 個φ10 cm 的孔洞，底板尺寸為1.37 m×1.37 m，開設9 個φ16 cm的孔洞，底部角點處有4 個高0.4 m 的支腳，總高1.4 m；礁體一組相對的兩個側面分別設3 個0.6 m×0.1 m 的縱向孔槽，另一側貫通，單個礁體質量1.35 t。Ⅱ型礁體是在Ⅰ型礁體結構基礎上去除了4 個支腳，其他與Ⅰ型結構相同，單個礁體質量1.2 t。

圖1 礁體結構

2.2 礁體布置

2.2.1 礁群布置

生態礁體擬布置于南側堤外側坡腳處，呈條帶狀分布，長約961 m、寬約21 m。工程生態礁群規模均為16 m×18 m 的矩形，礁群間距為5 m。每個魚礁群由120 個單體生態礁體組成，單體生態礁之間緊密布置。

圖2 生態礁體平面布置(單位:m)

2.2.2 斷面布置

考慮到現狀底部浮泥較厚，為保障礁體的穩定性，在現狀灘面上拋填塊石作為礁體安放基床。拋石基床頂高程控制在0.5 m、底寬約18 m(連同原拋石護腳0.5 m 平臺形成約21 m 的拋石基床)。生態礁體規則擺放在拋石基床上，從原拋石護腳0.5 m平臺向外側依次擺放12 塊礁體，礁體頂高程1.5～1.9 m。為滿足礁體結構的穩定性，并與堤壩結構有效銜接，考慮采用兩種礁體結構，內側放置Ⅰ型礁體、外側放置Ⅱ型礁體，生態礁體布置見圖3。

圖3 生態礁體斷面(單位:m)

3 模型設計

3.1 研究內容及工況

試驗內容為:在設計波要素作用下對生態礁體區域流速進行測量和對比分析，比較生態礁體不同擺放方式對水流環境的影響。

試驗工況為:生態礁體擺放采用格柵面迎浪對齊擺放、中空面迎浪對齊擺放和交錯擺放3 種方式。見圖4。

圖4 生態礁體擺放方式

試驗條件包括:平均水位(1.86 m)及相應的30 a 一遇波浪(不規則波:H13%＝0.75 m，T＝6.24 s)，平均水位(1.86 m)及相應的平常波浪(不規則波:H13%＝0.4 m，T＝4.0 s)。

3.2 模型設計

試驗在水槽中進行，采用正態模型，按重力相似進行模型設計。模型比尺取1∶10。

1)試驗斷面的模擬。試驗中，模型斷面(包括生態礁體、拋石基床等)與原型保持幾何相似。對于生態礁體結構，除了與原型保持幾何相似外，還與原型保持質量相似。拋石基床塊石經嚴格挑選，以保證與原型質量相似。

2)生態礁體結構內外流速試驗。為了分析波浪作用下生態礁體結構內外的流速并對比生態礁體不同擺放方式的效果，采用多普勒流速儀(ADV)測量生態礁體結構內外的流速。

3.3 測點布置

對齊擺放時，分別測量Ⅰ型和Ⅱ型生態礁體第4 排礁體內側和相鄰礁體中間的流速；交錯擺放時，分別測量Ⅰ型和Ⅱ型生態礁體第2、4、6 排礁體內和相鄰礁體中間的流速。對于Ⅰ型生態礁體內的流速，同一排內分別測量了格柵面迎浪礁體和中空面迎浪礁體內的流速，還測量了礁體底板下部的流速。流速測點布置見圖5。

圖5 流速測點布置(單位:m)

除了在礁體區域測量流速外，試驗中還測量了堤前流速，測量堤前流速時，測點位于中間水深處。

4 結構布置研究

4.1 流速過程與流場特征

根據試驗，生態礁體受結構的阻攔作用，不同擺放方式下(格柵面迎浪對齊擺放、中空面迎浪對齊擺放和交錯擺放)，在波浪作用下礁體之間和礁體內部流場均呈不同程度的三維特征。其中，波浪傳播方向上的前后方向(X向)流速最大、上下方向(Z向)其次，左右方向(Y向)最小，見圖6。

圖6 Ⅱ型礁體第4 排礁體內流速過程線(平常波浪)

4.2 流速沿程分布特征

不同擺放方式下，礁體區域結構內、外側流速均沿著波浪傳播方向呈減小趨勢，見圖7。

圖7 礁體區域的沿程流速分布

1)在30 a 一遇波浪條件下，除礁群外側流速衰減較快外，礁群內各點流速衰減呈均勻遞減的形態，衰減率基本相當?？傮w上，各布置方式下的流速均在0.5 m∕s 以上。

2)在平常波浪條件下，流速衰減較30 a 一遇波浪條件下快。在外側的Ⅱ型生態礁體區內流速衰減較快，兩種對齊擺放方式下，流速仍基本在0.5m∕s以上；交錯擺放方式下，流速基本在0.5m∕s附近。在內側的Ⅰ型生態礁體區內，流速衰減較慢，中空迎浪對齊擺放方式下，流速仍基本在0.5 m∕s 以上；格柵面迎浪對齊擺放方式下，流速基本在0.5 m∕s；交錯擺放方式下，流速則基本在0.5 m∕s 以下。

4.3 擺放方式對流速大小的影響

由不同擺放方式下礁體結構內外的流速對比結果(表2、圖8)可見，與格柵面迎浪對齊擺放方式相比，礁體交錯擺放時相鄰礁體中間的流速平均減小了13%，礁體內側流速略有增大，流速分布更為均勻；礁體中空面迎浪對齊擺放時，相鄰礁體中間和礁體內側的流速均較大，與中空面迎浪對齊擺放方式相比，交錯擺放時礁體內外側流速均明顯減小，相鄰礁體中間的流速平均減小了35%，礁體內側流速平均減小了28%。

圖8 不同擺放方式下礁體結構內外的流速對比

表2 第4 排流速測量結果

只有保證礁體內有充分的水體交換，才能使礁體表面積得到有效利用，確保礁體表面固著生物的養料供給，因為水的流動可保證所有附著生物的代謝保持穩定。根據前述試驗結果，各種擺放方式都能夠營造復雜的流速，滿足研究對象生物所需的三維流場環境。格柵面迎浪對齊擺放方式和交錯擺放方式阻水作用明顯，在30 a 一遇波浪條件下，流速沿程衰減至0.86～1.68 m∕s；在平常波浪條件下，流速沿程衰減至0.48～0.92 m∕s。中空迎浪對齊擺放方式阻水作用相對較小，在30 a一遇波浪條件下，流速沿程衰減至1.21～1.95 m∕s；在平常波浪條件下，流速沿程衰減至0.68～1.17 m∕s。由于工程區為淤積型潮間帶環境，過小的流速不利于泥沙起動，礁體群及礁體結構內部容易在泥沙淤積后被堵塞，影響生態功能的發揮。中空迎浪對齊擺放方式在平常波浪條件下要求生態礁體場內流速達到0.5～1.0 m∕s 的指標，且流速相對較大可以增加礁體場內底沙的起動，減緩淤積；在30 a 一遇波浪條件下，還可以較多地從結構內攜帶泥沙至礁體外部?？傮w上，中空迎浪對齊擺放方案效果較好。

5 結論

1)對于不同擺放方式的生態礁體，在波浪作用下礁體結構內外側流場均呈三維特征。其中，波浪傳播方向上的前后方向(X向)流速最大、上下方向(Z向)其次，左右方向(Y 向)最小。

2)在設計波浪條件下，除外側流速衰減較快外，其他各點流速衰減呈均勻遞減的形態，衰減率基本相當；在平常波浪條件下，在外側的II 型生態礁體區流速衰減較快，在內側的I 型生態礁體區流速衰減較慢。

3)由于工程區為淤積型潮間帶環境，過小的流速不利于泥沙起動。中空迎浪對齊擺放方式在平常波浪條件下具備生態需求對場內流速的要求外，且流速相對較大，可以增加礁體場內底沙的起動，減緩淤積；在30 a 一遇波浪條件下，還可以較多地從結構內攜帶泥沙至礁體外部?？傮w上，中空迎浪對齊擺放方案效果較好。