在全球海水养殖迅猛发展、近海生境严重退化的背景下，人工鱼礁成为保护和改善生态环境、增殖资源的重要渔业管理工具[1-4]。长山群岛地处北黄海，周边海域水体交换良好[5]，是中国重要的海洋经济动物产卵场、育幼场，在近岸海域有许多重要的人工鱼礁区[5-7]，也是中国海洋牧场建设的重点地区。作为重要的海底构筑物，人工鱼礁在改变海洋环境方面扮演着关键角色[8-9]。
随着计算机软件技术的不断发展，一系列数值模型在人工鱼礁建设中获得了广泛应用。Li等[10]采用MIKE3-FM三维数值模型，模拟了珠江口万山人工鱼礁区潮汐周期的流动场，发现人工鱼礁在珠江口的部署能够显著影响局部上升流和下沉流，进而影响营养循环和物质运输。崔恩苹等[11]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，选取 720 h 进行欧拉余流计算，表明人工鱼礁建设后涨急时刻潮流流速增大的区域位于工程区域南北两侧。陈钰祥等[12]基于非结构化网格的有限体积海岸海洋模型 (finite volume coastal ocean model，FVCOM)证实人工鱼礁区建成后对研究区域的潮汐调和常数及潮汐特性几乎无影响，部分分潮潮流椭圆会改变方向和转向，礁区外则几乎无影响；礁区内部余流方向改变不大但流速呈减小趋势；礁区附近水平流场改变明显，但对礁区外部影响范围有限。王清夷等[13]提出的非结构化网格的有限体积海岸海洋模型(FVCOM)，构建了大长山岛海域的水动力数值模型，分析了投放人工鱼礁对研究海域水动力的影响，研究提供了人工鱼礁对海域水动力影响的数值模拟结果，有助于理解人工鱼礁对海洋环境的物理作用。陈勇等[14]通过对鱼类资源养护效果的研究发现，人工鱼礁区鱼类资源得到有效养护，增殖效果明显。前期研究虽有助于研究者了解长山群岛人工鱼礁建设，但仍有较多问题亟须明确，尤其是人工鱼礁投放对温度、盐度的影响。
本研究在前人研究的基础上，基于FVCOM水动力三维数值模型，在对长山群岛海域人工鱼礁投放前后的潮流特征分析的基础上，进一步分析了温盐变化，以期为海洋牧场建设提供有益参考。
1 材料与方法
1.1 模型简介
FVCOM模型(unstructured grid finite volume community ocean model)是麻省理工学院陈长胜教授主导开发的一种三维自由表面、非结构网格、有限体积海洋环流模型[15]。FVCOM模型采用有限体积法离散方程，结合有限元法的几何灵活优点，具有用于简单离散计算的有限差分法的优势，因此该模型被广泛应用于大型湖泊、 河口及区域海洋的数值模拟研究。其控制方程如下
动量方程：
(1)
(2)
(3)
连续方程：
(4)
温度方程：
(5)
盐度方程：
(6)
式中：x、y、z分别代表在笛卡尔坐标系下，正东向、正北方向和垂直方向上的坐标；u、v、w分别为速度在x、y、z方向上的分量；T表示位温(℃)；S表示盐度；Pa为海表面大气压(Pa)；pH为静水压强(Pa)；q为非静水压强(Pa)；f为科氏力参量(s-1)；g为重力加速度(m/s2)；Fu、Fv，FT，FS 分别表示水平动能、水平热量和水平盐度扩散项；Fw为垂向动能扩散项；Kh表示垂向涡黏性系数；ρ表示海水密度(kg/m3)。
表面边界条件控制方程为
(7)
(8)
(9)
(10)
固边界条件控制方程为
(11)
式中：Qn(x，y，t)表示表面热通量；SW(x，y，0，t)表示海表面的短波辐射通量；cp表示海水热能；τxx和τxy分别表示海表面风应力沿x和y方向上的分量；
和
分别表示蒸发量和降水量；n为水平方向坐标。
底边界条件控制方程为
(12)
(13)
(14)
(15)
式中：Ah为紊动动能水平扩散系数；α为底部坡度；τbx和τby分别为表面风应力在x和y方向上的分量；H为静水面时的水深(m)；Ωb为地下水通量(m3/s)；Ω为水域面积(m2)。
1.2 人工鱼礁布设方案
在海洋牧场建设中，人工鱼礁的投放布设方式主要包括鱼礁单体平铺和人工鱼礁堆等方式[16]。相较于单体平铺方式，人工鱼礁堆积能大大降低水流的通透率，满足FVCOM对水动力场的精确模拟。因此，本文的数值试验设计在长海县投放宽度为300 m、长度为150 m、高度为4 m的矩形鱼礁堆积体(图1)，并对鱼礁山采取封闭固化的处理方式来体现其效应，即鱼礁堆积体处的水深相应减少4 m。
图1 长山群岛海域人工鱼礁布设图
Fig.1 Deployment area location of artificial reefs in the sea near Changshan Islands
1.3 网格及边界条件
模型网格范围涵盖渤海及黄海北部(31°～41°N，117°～127.5°E)。岸线数据来自GSHHG(https：//github.com/GenericMappingTools/gshhg-gmt)，该数据库是由夏威夷大学和NOAA共同开发和维护的全球地理信息数据集，数据库每年更新修正一部分岸线数据。提取岸线数据后，利用水面模型系统(surface-water model system，SMS)软件制作三角形网格，参考王清夷等[13]研究长山群岛附近水动力情况时所使用的网格大小，并针对本文研究目标进行了特定修改，如在鱼礁区位置进行局部加密，水平分辨率约为120 m，同时网格的最大分辨率设置在开边界处，约为20 km。垂向σ分层设置为10层。模型的计算网格由13 335个网格节点和25 678个三角网格构成(图2)。
图2 海域模型计算网格
Fig.2 Model calculation domain and grids
模型边界有3种类型：渤海及北黄海岸线部分属于固边界，为陆地属性；北黄海32.5°～33.4°N为开边界部分，为海洋属性；大长山群岛的诸多岛屿同属固边界，为岛屿属性。地形水深数据采用ETOPO1数据集(https：//www.ngdc.noaa.gov/)，空间分辨率为1′。模型采用冷启动方式，三维斜压模式，外模时间步长设置为2 s，内外模时间步长比为10∶1，内模时长为20 s。模型时长以FVCOM模型能顺利计算为前提，尽可能缩短计算时间，节约算力及时间。模型每隔1 h输出一次计算结果。
开边界使用TPXO7给出的K1、O1、P1、Q1、M2、S2、N2、K2作为潮位驱动数据用于后续模型计算。海面风场、短波辐射、蒸发、降水等数据来自ERA5数据集(https：//cds.climate.copernicus.eu/)。温盐初始场及开边界强迫场来自欧洲哥白尼数据中心再分析数据(https：//www.copernicus.eu/en/access-data/dias)。模型模拟时间设置为2021年1月1日0时—2022年1月1日0时。模型底摩擦采用默认设置，底摩擦系数设置为0.000 5。除水深外保持其他条件和参数不变，再次运行模型，得到投放人工鱼礁前后的模拟结果，讨论人工鱼礁投放对大长山岛海域水动力、温度和盐度的影响。
2 模型验证
本研究中选取3个潮位观测站点(T1、T2、T3)的潮位，2个潮流观测站点(P1、P2)的表层流速，以及2个温盐观测站点(ST1、ST2)的表层月平均温度和盐度数据对模拟结果进行验证(图3)。
图3 研究区观测站点与人工鱼礁区特征点分布
Fig.3 Location of observation stations and feature points in the artificial reef area
2.1 水动力验证
潮位和潮流验证数据均来自国家海洋科学数据中心，均取自2021年3月1日0时—2021年3月4日0时，共72 h。潮流数据时间为2021年3月1日0时—2021年3月4日0时，共72 h的连续观测数据。
图4 潮位模拟值与实测值对比
Fig.4 Comparison of simulated and obseryed tidal values
本文采用Zhong等[17]在对Chesapeake Bay的潮汐能量通量分析时采用的潮位误差分析公式，对模拟结果进行误差分析和相关性计算。数模结果(xmod)与观测值(xobs)均方根误差(rms)的计算公式为
(16)
相关性系数r的计算式为
(17)
经计算，3个验潮站的潮位实测值与模拟值计算的均方根误差为0.24、0.20、0.17，均小于0.26，相关性系数在0.96以上。潮流站的模拟值与实测值相关性系数均在0.92以上。
潮流验证结果表明(图5)，P2站点的流速模拟值与实测值存在显著性差异，推测其成因可能源于近岸地形数据的平滑处理导致局部水深偏差。尽管如此，模拟值与实测值在整体变化趋势上呈现一致性，表明模型能够有效刻画研究区潮流的时空分布特征。
图5 流速模拟值与实测值对比
Fig.5 Comparison of simulated and obseryed tidal velocity
图6为研究区域涨急时刻和落急时刻表层流场图。在涨急时刻，长山群岛附近海域海水偏西北向流动。由于岛屿的存在，潮流表现为逆时针环流，流速在长山群岛西南部达到最大值0.99 m/s。落急时，长山群岛海域海水流动方向与涨急时刻相反。流速在长山群岛东南部达到最大值0.94 m/s。潮流模拟结果与前人的研究结果较为一致[13]，说明模型具有较高的准确性，可以准确地模拟研究区的水动力条件，并可作为温、盐模拟的基础。
图6 涨急时刻和落急时刻表层流场图
Fig.6 Surfacetidal current fields at flood tide and ebb tide
2.2 温度和盐度验证
图7为温度、盐度曲线验证图，两验证点表层温盐模拟值与实测数据变化趋势基本一致，3月与10月分别出现最大温差(ΔT=1.29 ℃)与盐度差(ΔS=2.02 )。ST1站位海表温度和盐度模拟值与实测数据最大差异均出现在3月，最大差值分别为1.2 ℃和1.02 。ST2站位温度模拟值与实测数据最大差异出现在5月，为1.29 ℃，最大盐度差出现在10月，为2.02 。温盐模拟误差主要源于ERA5再分析数据的空间分辨率(0.25°×0.25°)与局地气象过程的尺度不匹配。如长山群岛区域的小尺度海气交换过程(如局地蒸发-降水耦合效应)在ERA5数据集中未能充分解析，导致模型边界条件与真实气象强迫存在系统性偏差。但总体上本文构建的FVCOM模型模拟结果与实测数据吻合良好，基本反映了长山群岛温度、盐度的分布及年际变化趋势，对温盐的模拟真实可信，模型可以用来分析长山群岛的温盐特征。
图7 温度、盐度模拟值与实测值对比
Fig.7 Comparison of simulated and observed temperature and salinity
3 结果与分析
本研究中选取4月15日共计24 h内的涨急时刻各特征点投礁前后表、底层流速(表1)和差异(图8)进行分析；将2、4、7、9月分别代表冬季、春季、夏季和秋季，将模型的温度和盐度结果进行月平均处理，用以分析人工鱼礁投放前后温盐变化特征。选取位于鱼礁不同方向和远近的4个特征点进行对比分析(图3(b))。其中，A1和A2特征点分别位于投礁区北面和南面，距离鱼礁区分别为0.2、0.5 km；A3和A4特征点分别位于鱼礁区西面和东面，距离鱼礁区的距离均为0.4 km。
表1 投礁前后4个特征点表层底层流速变化
Tab.1 Changes of surface and bottom tidal velocities at four feature points before and after reef placement
特征点feature points表层流速 surface velocity/(m·s-1)投礁前before reef placement投礁后after reef placement变化值/(m·s-1)variable value底层流速 bottom velocity/(m·s-1)投礁前before reef placement投礁后after reef placement变化值/(m·s-1)variable valueA10.623 80.610 5-0.013 30.269 30.354 80.085 5A21.533 41.505 9-0.027 51.122 71.268 10.145 4A31.039 71.042 00.002 30.748 10.880 70.132 6A40.096 10.098 60.002 50.223 80.298 50.074 7
图8 投礁后与投礁前流速差值
Fig.8 Velocity differences before and after reef placement
3.1 投礁前后水动力变化特征
根据模拟数据显示，人工鱼礁区域内部表层流速显著减弱(图8(a))，区域内流速普遍降低0.02～0.06 m/s。礁区流速衰减现象可归因于人工鱼礁的几何阻障效应与底床粗糙度增强的协同作用。具体而言，人工鱼礁礁体三维结构增大了水流接触面积，通过底摩擦耗散和湍动能生成显著削弱了表层动量通量。人工鱼礁突出于海床表面，增加了水流与底床的摩擦接触面积，导致表层动能通过湍流耗散和波浪破碎效应被显著削弱[18]。
底层流速在投礁后呈现显著的空间差异(图8(b))。在鱼礁区域内部，流速较投礁前增加0.08～0.10 m/s。这一现象是由于水流被礁体抬升后，底层流速因垂向加速而短暂增加。同时在鱼礁迎流面，出现了负向流速，这表明在此区域，投礁后流速有所减小，表明该区域形成局部涡旋与回流。此类现象由钝体绕流引起的卡门涡街脱落导致，涡旋周期性脱落引发流速方向反转[19]。
在投放人工鱼礁后，表层流速的变化值在不同特征点之间表现出差异性，从表1可见，表层流速在A1和A2特征点呈现下降趋势，而在A3和A4特征点则呈现上升趋势。其中，A4特征点的增幅最大，达到了5.72%，而A2特征点的降幅最大，为1.05%。底层流速在所有特征点均呈现上升趋势。其中，A1和A4特征点的增幅较大，分别为31.77%和33.34%，而A2特征点的增幅最小，为12.94%。
总体而言，人工鱼礁的投放对表层和底层流速均产生了显著影响。表层流速的变化在不同特征点之间表现出差异性，既有增大也有减小的趋势。而底层流速则在所有特征点均表现出一致的增大趋势，且增幅较大。
3.2 投礁前后海水温度变化特征
从图9可见，投礁区表、底层水温呈现出显著的季节性变化规律。表层水温的季节性变化较为明显，夏季水温最高，冬季水温最低。这与太阳辐射的季节性变化密切相关。具体而言，夏季表层水温最高值可达24 ℃，而冬季最低值可降至1.2 ℃。水温的年变化幅度在不同区域有所不同，但总体上，表层水温年最高温和最低温温差较大，随深度加深，水温变化幅度变小，季节信号趋弱；夏季底层水温最高值可达23.5 ℃，而冬季最低值可降至1.1 ℃。人工鱼礁投放后，底层水温的变化较为明显，这是由于人工鱼礁改变了局部流场，底层水流的扰动增加，从而影响了水温的分布。
图9 投礁前后表层、底层温度
Fig.9 Temperature of surface and bottom layers before and after reef placement
图10为春季人工鱼礁投放后，表层和底层水温变化的差值分布情况。图10(a)表示表层水温变化，图10(b)表示底层水温变化。
图10 春季表层和底层投礁前后温度差
Fig.10 Temperature differences at surface and bottom layers before and after reef deployment in spring
表2数据显示，所有特征点的表层水温在人工鱼礁投放后普遍降低。A1特征点表层水温降幅最大，为0.138 1 ℃，A4特征点表层水温降幅最小，为0.040 8 ℃；底层水温同样呈现下降趋势，但降幅普遍小于表层，底层水温变化相对较小。A2特征点底层水温降幅最大，为0.094 2 ℃，A4特征点底层水温降幅最小，为0.017 6 ℃。
表2 春季投礁前后4个特征点表层底层温度变化
Tab.2 Temperature differences at surface and bottom layers at four feature points before and after reef placement in spring
特征点feature points表层海温 surface temperature/℃投礁前before reef placement投礁后after reef placement变化值/℃difference value底层海温bottom temperature/℃投礁前before reef placement投礁后after reef deployment变化值/℃difference valueA123.950 223.812 1-0.138 123.856 523.817 5-0.039 0A223.802 723.729 1-0.073 623.769 723.675 5-0.094 2A323.700 323.664 1-0.036 223.675 823.646 9-0.028 9A423.500 223.459 4-0.040 823.478 423.460 8-0.017 6
3.3 投礁前后海水盐度变化特征
从图11可见，投礁区表、底层盐度变化趋势相同，但变化幅度有差异。表层盐度在人工鱼礁投放后，季节性变化趋势存在差异。冬季和秋季的盐度变化较为明显，而春季和夏季的变化相对较小。冬季盐度分布较为均匀，从近岸到远岸盐度逐渐增加。人工鱼礁投放后，盐度分布变化不大；春季盐度分布与冬季类似，但整体盐度略高。人工鱼礁投放后，A2区域盐度略有降低，其他区域变化不明显；夏季盐度分布显示出更明显的变化，近岸区域盐度较低，远岸区域盐度较高；秋季盐度分布与春季相似，但整体盐度略低。人工鱼礁投放后，区域变化较小。在所有季节中，A2区域的盐度变化最为显著，尤其是夏季和秋季，盐度降低超过0.2 。A1和A4区域的盐度变化最小，变化幅度在0.05 以内。底层盐度在人工鱼礁投放后，季节性变化趋势与表层类似，但变化幅度相对较小。冬季底层盐度分布较为均匀，从近岸到远岸盐度逐渐增加。人工鱼礁投放后，盐度分布变化不大；春季底层盐度分布与冬季类似，但整体盐度略高。夏季底层盐度分布显示出更明显的变化，近岸区域盐度较低，远岸区域盐度较高；秋季底层盐度分布与春季相似，但整体盐度略低。
图11 投礁前和投礁后表层、底层盐度差异
Fig.11 Salinity differences at surface and bottom layers before and after reef placement
人工鱼礁投放区的表层盐度整体呈现减小趋势，各特征点有所差异。A2特征点表层盐度变化值为-0.024 3，降幅约为0.08%；A3特征点变化值为-0.013，降幅约为0.04%。这种小幅度的降低可能与人工鱼礁引发的局部流场扰动有关，影响了盐度分布。A1特征点表层盐度增加了0.009 3，增幅约为0.03%；A4特征点增加了0.010 9，增幅约为0.04%。
底层盐度的变化与表层类似，但变化幅度相对较小。从图11(i)～(p)可见，底层盐度在人工鱼礁投放区的也呈现下降趋势，A2特征点底层盐度从31.053 0 降至31.030 0，变化值为-0.023，降幅约为0.07%；A3特征点从31.047 3降至31.032 3，变化值为-0.015，降幅约为0.05%；A4特征点从30.978 8降至30.975 1，变化值为-0.003 7，降幅约为0.01%。
图12 春季表层底层投礁前后盐度差
Fig.12 Salinity differences at surface and bottom layers before and after reef placement in spring
表3 春季投礁前后特征点表底层盐度及变化值
Tab.3 Salinity differences at surface and bottom layers before and after reef placement in spring
特征点feature points表层盐度 surface salinity投礁前before reef placement投礁后after reef placement变化值difference value表层盐度 surface salinity投礁前before reef placement投礁后after reef placement变化值difference valueA130.894 130.903 40.009 330.895 030.903 90.008 9A231.054 731.030 4-0.024 331.053 031.030 0-0.023 0A331.044 431.031 4-0.013 031.047 331.032 3-0.015 0A430.961 330.972 20.010 930.978 830.975 1-0.003 7
4 讨论
4.1 人工鱼礁对三维流场的调控机制
涨急时刻，长山群岛附近海域海流由西南向东北流动(图6(a))，由于人工鱼礁的存在抬高了海底地形，水流被礁体抬升后形成上升流，同时在迎流面形成往复流区。底层流速因垂向加速而短暂增加，鱼礁后方形成的湍流尾流通过涡旋运动增强垂向混合，形成涡旋区域，减小了该区域内部流速；在表层，鱼礁的三维结构增加了水流的路径复杂度，通过压力梯度差和湍流生成消耗动能[20]，造成了鱼礁上方表层流速减小的现象。这与前期的研究结果存在差异，薛大文等[21]指出，人工鱼礁的流场效应主要受入流角度的影响，当入流角为30°～45°时，上升流体积和背涡体积达到最大。这一结论表明，人工鱼礁的投放不仅可能导致表层流速减小，在特定条件下也可能导致表层流速增加。在沿涨急时刻潮流方向，在鱼礁山迎流面和鱼礁山后均形成了流速减小的区域，且迎流面区域流速减小幅度较大。而类似于圆柱绕流的流场效应[16]，则使鱼礁两侧流速增加。
人工鱼礁的布设通过诱导局部流场重构，显著改变了垂向流速剖面的分布格局。具体表现为礁体迎流面因地形抬升引发垂向流速加速，背流面则因湍流耗散导致流速衰减，这一现象揭示了人工鱼礁对三维流场的分异调控机制。
4.2 温盐变化的垂向分异与生态意义
人工鱼礁引发的上升流效应驱动了温盐场的垂向分异。人工鱼礁投放后，表层和底层水温均有所下降，且表层水温的降幅普遍大于底层。这种变化可能与人工鱼礁对流场的扰动及上升流效应过程的改变有关。人工鱼礁的投放增加了局部流场的阻力，导致迎流面流速降低，水流混合作用增强，从而影响了水温分布。同时人工鱼礁会提高投放水域底层与上层水体之间的扰动，引发上升流效应，将底层较冷的海水带到表层，导致表层水温下降，底层水温变化相对较小[22]。
盐度变化的空间异质性(南侧降低、北侧微升)可能与沉积物再悬浮和环流调整的耦合作用有关(图11)，根据张雪等[23]对天津近岸人工鱼礁海域的研究，人工鱼礁的投放可以改变水流的方向，促进底层沉积物上移，引起鱼礁区出现透明度降低、营养盐垂直分布相对均匀的特征。这种改变可能会影响水体的混合，进而影响盐度的分布和季节性变化。
5 结论
本文基于FVCOM水动力模型，探讨了人工鱼礁建设前后对长山岛及其附近海域水动力和温盐变化特征的影响，主要结论如下：
1)水动力变化特征。人工鱼礁显著改变了局部流场结构。表层流速在礁区上方普遍减弱(降幅为0.02～0.06 m/s)，而底层流速因垂向加速效应增强(增幅为0.08～0.15 m/s)。鱼礁迎流面形成涡旋回流区，背流侧因卡门涡街效应流速增大，表明鱼礁通过湍流耗散和垂向混合重塑了三维流场特征。
2)温度变化规律。人工鱼礁投放后，表层与底层水温均呈下降趋势(降幅分别为0.04 ℃～0.14 ℃和0.02 ℃～0.09 ℃)，且表层降温幅度普遍大于底层。这一现象与鱼礁引发的上升流效应密切相关，底层冷水的垂向输送增强了水体混合，导致表层热能耗散。
3)盐度变化呈现空间异质性。礁区南侧(A2、A3特征点)表层盐度显著降低(降幅0.01～0.02 )，而北侧(A1、A4特征点)略有上升，可能与局部流场扰动及沉积物再悬浮导致的营养盐分布变化有关。底层盐度变化趋势与表层一致，但幅度较小，表明人工鱼礁对盐度具有垂向衰减性的影响。
4)本研究中聚焦于人工鱼礁投放对水动力及温盐环境的物理影响，未来可进一步结合计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)技术，开展礁体布局参数(如间距、高度、排列方式)的多情景数值优化研究，量化不同配置方案对流场调控效率及生态效应的差异化影响。此外，未来也可以将水动力-温盐模型与生物地球化学模型耦合，系统解析人工鱼礁对营养盐循环、初级生产力及生物资源分布的调控机制，为海洋牧场生境修复与资源管理提供更全面的科学支撑。
致谢：感谢国家海洋科学数据中心大连分中心、辽宁省海洋与极地科学数据中心、大连海洋科学数据中心提供的数据支持。
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