應(yīng)用數(shù)值模擬方法計算小尺度海域養(yǎng)殖容量

姚煒民，周燕，沙偉，張樹剛，張淑敏

（1. 國家海洋局溫州海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，浙江 溫州 325003；2. 浙江工業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；3. 浙江省水產(chǎn)技術(shù)推廣總站，浙江 杭州 310012）

應(yīng)用數(shù)值模擬方法計算小尺度海域養(yǎng)殖容量

姚煒民1,2，周燕3，沙偉1，張樹剛1，張淑敏1

（1. 國家海洋局溫州海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，浙江 溫州 325003；2. 浙江工業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；3. 浙江省水產(chǎn)技術(shù)推廣總站，浙江 杭州 310012）

以無機氮作為污染控制因子，應(yīng)用擴散數(shù)值模擬方程估算了三盤港投餌網(wǎng)箱養(yǎng)魚的養(yǎng)殖容量。結(jié)果顯示：三盤港海域水交換能力較強，但富營養(yǎng)化程度嚴重，其中網(wǎng)箱養(yǎng)殖對無機氮貢獻率約占82%。按照目前的養(yǎng)殖布局，以網(wǎng)箱養(yǎng)殖對水體無機氮增量的影響小于0.049 mg/L，即養(yǎng)殖區(qū)無機氮濃度值不超過0.400 mg/L為標(biāo)準(zhǔn)，三盤港投餌網(wǎng)箱養(yǎng)殖容量約為2 100口。

無機氮；三盤港；富營養(yǎng)化；養(yǎng)殖容量

特定海域的養(yǎng)殖容量大小不僅受養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)外理化因子和生物因子等因素的制約，同時還受養(yǎng)殖海域所在國家和地區(qū)政治、經(jīng)濟、文化諸因素的影響，因此養(yǎng)殖容量定義不一。本文認為養(yǎng)殖容量應(yīng)將養(yǎng)殖區(qū)域的經(jīng)濟、社會與生態(tài)效益三者結(jié)合起來，在特定的水域，單位水體養(yǎng)殖對象在不危害環(huán)境、保持生態(tài)系統(tǒng)相對穩(wěn)定、保證經(jīng)濟效益最大，并且符合可持續(xù)發(fā)展要求條件的最大產(chǎn)量。

養(yǎng)殖容量的研究始于20世紀(jì)70年代中期。日本學(xué)者對蝦夷扇貝（Patinopecten yessoensis）的養(yǎng)殖容量研究取得了一系列的成果[1]，為防止養(yǎng)殖污染等問題提供了較為可靠的理論依據(jù)。歐美學(xué)者相繼進行了貝類養(yǎng)殖區(qū)養(yǎng)殖容量的研究，其中法國學(xué)者對Harennes-Oleron灣太平洋牡蠣（Crassostrea gigas）[2-4]進行了較為詳細的研究，并建立了養(yǎng)殖容量模型；愛爾蘭學(xué)者在Carlingford灣[5]也進行了類似的研究；加拿大、西班牙和荷蘭學(xué)者分別對Lunenburg灣[6]、Ria de Aros灣[7]、Scotia灣[8]的養(yǎng)殖容量進行估算或建立了養(yǎng)殖容量模型；澳大利亞學(xué)者建立了塔斯馬尼亞州養(yǎng)殖海區(qū)的悉尼巖牡蠣（Saccostrea commercialis）養(yǎng)殖容量模型[9]。

中國在海水養(yǎng)殖容量方面的研究始于20世紀(jì)90年代，側(cè)重于依賴營養(yǎng)鹽調(diào)查資料進行分析的常規(guī)方法[10-13]。如方建光等（1996）對桑溝灣櫛孔扇貝（Chlamys farreri）的養(yǎng)殖容量進行了研究；寧修仁等對象山港、三門灣和樂清灣的貝類和魚類養(yǎng)殖容量進行了系統(tǒng)的研究[14]，隨著中國海洋環(huán)境保護和監(jiān)測體系的日益成熟和完善，單純依靠現(xiàn)場觀測已不能滿足實時監(jiān)控、快速響應(yīng)等管理需求，基于此，本文旨在通過數(shù)值模擬方法測算三盤港海域養(yǎng)殖容量的研究，促進建立一套適用于浙江南部海域港灣水產(chǎn)養(yǎng)殖容量計算的理論和方法，為海水養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 三盤港養(yǎng)殖概況

三盤港海水養(yǎng)殖區(qū)是浙江南部重要的傳統(tǒng)網(wǎng)箱基地，至2003年，三盤港海水養(yǎng)殖區(qū)已經(jīng)發(fā)展到魚類網(wǎng)箱4 200口，養(yǎng)殖魚類品種以美國紅魚和大黃魚為主。該養(yǎng)殖區(qū)位于洞頭本島和大三盤島之間，海域面積約為1 365.8萬m2，海區(qū)為半日潮，受江浙沿岸流和甌江等徑流的影響明顯。隨著該海域養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴大和該海域周邊地區(qū)港口建設(shè)及經(jīng)濟發(fā)展，水交換能力改變的同時營養(yǎng)物質(zhì)輸入亦始終居高不下，已對該海域的生態(tài)環(huán)境造成了嚴重影響。2002年至2006年在該海域共發(fā)現(xiàn)赤潮11起，特別是2005年發(fā)生的米氏凱倫藻赤潮給該海域水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)造成重大經(jīng)濟損失。

1.2 環(huán)境現(xiàn)狀分析

1.2.1 三盤港海水養(yǎng)殖區(qū)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀 在三盤港海水養(yǎng)殖區(qū)共布設(shè)監(jiān)測站位6個，灣口外側(cè)海域布設(shè)站點2個。調(diào)查站位圖見圖1。2003至2005年進行了四個航次的調(diào)查，結(jié)果顯示：pH值均符合海水水質(zhì)一類標(biāo)準(zhǔn)（pH 7.8～8.5）；DO的平面分布趨勢是自灣口向灣內(nèi)逐步降低，灣內(nèi)1和2號站點測得DO值劣于海水水質(zhì)一類標(biāo)準(zhǔn)（DO＞6 mg/L）。

圖1 三盤港調(diào)查站位圖Fig. 1 Survey station in Sanpan Port

COD的平面分布DO相似，養(yǎng)殖密集區(qū)COD濃度值大于1.00 mg/L，部分站點超海水水質(zhì)一類標(biāo)準(zhǔn)（2.00 mg/L），灣口及灣口外側(cè)站點COD的濃度值小于1.00 mg/L，該海域COD濃度值均符合海水水質(zhì)二類標(biāo)準(zhǔn)（3.00 mg/L）。與80年代在洞頭島附近海域調(diào)查資料[15]比較，COD的值增加了1.2倍。

三盤港海水養(yǎng)殖區(qū)5月份測得無機氮濃度值90% 超過海水水質(zhì)四類標(biāo)準(zhǔn)（0.5 mg/L），9月份測得值除少數(shù)達到三類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（0.4 mg/L）外，80%以上站點無機氮濃度值介于三類與四類海水之間。與80年代浙江省海岸帶和海涂資源調(diào)查資料[16]比較，5月份測得無機氮和無機磷濃度平均分別增加了3.8倍和4.3倍。

三盤港海水養(yǎng)殖區(qū)已經(jīng)受到油類污染，靠近碼頭的4號站點濃度值最高98.1 μg/L，超海水水質(zhì)二類標(biāo)準(zhǔn)（50 μg/L）；灣口外側(cè)海域濃度值為12.4 μg/L。

1.2.2 網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)環(huán)境質(zhì)量 在魚類網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)（5號站點附近）設(shè)立水質(zhì)監(jiān)測點，網(wǎng)箱內(nèi)、外各設(shè)兩個點。結(jié)果顯示在網(wǎng)箱內(nèi)pH、DO低于網(wǎng)箱外側(cè)，非離子氨和無機氮濃度值明顯高于網(wǎng)箱外側(cè)水體。

1.2.3 排污口環(huán)境質(zhì)量 對洞頭本島和大三盤島生活污水排污口監(jiān)測結(jié)果表明，洞頭島排污口生活污水中含氮量為92.26 mg/L，大三盤島排污口生活污水中含氮量為69.90 mg/L，綜合平均三盤港周邊地區(qū)生活污水中平均含氮量約為81.08 mg/L。

1.3 養(yǎng)殖容量的計算方法

1.3.1 水交換率計算方法 本文采用港灣容積與潮差移動量方法，估算三盤港的水交換能力。根據(jù)網(wǎng)格圖（見圖2）布點的位置可算出三盤港的水面面積約等于1 365.8萬m2，其中潮灘面積約為374.6萬m2，再由1 : 50 000的海圖上讀出相應(yīng)點處的水深值，然后按照每個網(wǎng)格的面積和水深值分別求出各小立方體水柱的水體容積，再將各小立方體的容積累加一起可算得三盤港的水體容積約等于4 447萬m3。

一個潮周期內(nèi)，漲潮時段的進潮量：

式中：Q－漲潮時流入海灣的水量/m3；S1－港灣的水面面積/m2；S2－港灣的潮灘面積/m2；△h－平均潮差/m（潮灘的平均潮差取海區(qū)平均潮差的一半）。

根據(jù)洞頭海區(qū)多年的平均潮差得△h = 4.09 m。其結(jié)果：

Q = （1 365.8-374.6/2）× 4.09 = 4 820 萬m3

三盤港的水交換率計算：

R = Q/V = 4 820 萬m3/4 447 萬m3=1.08

從上述計算結(jié)果得知，三盤港海水養(yǎng)殖區(qū)的水交換能力相當(dāng)?shù)膹姡麄€港灣的水體半天（即一個潮周期）就能交換一次，這一事實也由潮流場數(shù)值計算及水質(zhì)點追蹤試驗結(jié)果得到證實。

圖3是在養(yǎng)殖區(qū)東部灣口處，于低潮時刻投放的水質(zhì)點追蹤試驗的路徑圖。由圖中的軌跡可看出，水質(zhì)點在漲潮流的作用下，沿著海灣的軸線方向向西偏南漂移，在6個小時的漲潮期間，水質(zhì)點已經(jīng)漂移到接近灣頂?shù)某隹谔帲x灣頂約1 000 m），這說明東部灣口處的外海水在漲潮期間基本上能充滿整個海灣。

圖2 三盤港水體容積計算網(wǎng)格圖Fig. 2 Calculated gridding of water capacity

圖3 三盤港水質(zhì)點追蹤試驗路徑圖Fig. 3 Trace and route of drift

1.3.2 潮流場數(shù)值模擬 三盤港海水養(yǎng)殖區(qū)水深較淺，海水垂直混合較充分，采用二維單層流體動力學(xué)方程計算潮流場。由于考慮了方程中的非線性項，所以用數(shù)值計算方法進行求解。

圖4 計算坐標(biāo)系Fig. 4 Reference frame of numeration

式中的x,y平面取在未擾動的平均海平面上，z軸垂直向上，構(gòu)成右手坐標(biāo)系（圖4）。式中：ζ—平均海平面以上的瞬時水位高度，m；H—水深，H=ζ+h，m；U、V—垂直平均流速在x, y軸上的分量，m/s；g— 重力加速度，m/s2；f—柯氏參數(shù)；C—謝才系數(shù)；t—時間。

方程（1）－（3）的初始條件從靜止水狀態(tài)開始，U=V=ζ=0。邊界條件分兩類：沿岸閉邊界，取法向流速等于零（Vn=0）；開邊界各點水位為時間的已知函數(shù)，即 ζ=ζ（t）。

通過數(shù)值運算，得出洞頭三盤港潮流和潮向。圖5－圖8是三盤港一個潮周期內(nèi)落急（0 h）、低潮（3 h）、漲急（6 h）和高潮（9 h）4個潮時的流場分布狀況圖。

1.3.3 污染控制因子的選擇 洞頭三盤港海水養(yǎng)殖區(qū)污染源來自陸域與海域。陸域污染源主要來自其周邊所屬區(qū)域的生活污水的排放，而海域污染源則主要來自海上水產(chǎn)養(yǎng)殖。根據(jù)三盤港海水養(yǎng)殖區(qū)環(huán)境監(jiān)測結(jié)果和養(yǎng)殖生物生態(tài)生理特征，初步篩選出三個污染控制因子，分別為化學(xué)需氧量（CODMn）、油類和無機氮。化學(xué)需氧量（CODMn）對污染源的定量、養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)質(zhì)量等均有重要的指標(biāo)作用[17]，但實測得三盤港海水養(yǎng)殖區(qū)化學(xué)需氧量的濃度值符合都符合國家二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，表明CODMn對該海域影響程度較小。油類的輸入主要是港口作業(yè)和海上船舶活動，而來自海上養(yǎng)殖活動所占的比例很少。無機氮輸入主要是由養(yǎng)殖活動和陸源排放引起的，水體中的無機氮測定方法簡便可靠，存在方式也相對穩(wěn)定，無機氮濃度的增加會破壞養(yǎng)殖海域的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，嚴重時發(fā)生赤潮，對于實際養(yǎng)殖活動具有重要的意義。因此本文選擇無機氮作為養(yǎng)殖容量的污染控制因子。

圖5 三盤港流場圖（落急）Fig. 5 Ocean current in Sanpan Port(ebb)

圖6 三盤港流場圖（低潮）Fig. 6 Ocean current in Sanpan Port (LW)

1.3.4 負荷量的計算方法 三盤港海水養(yǎng)殖區(qū)主要受網(wǎng)箱養(yǎng)殖和陸源排污的影響。以三盤港海水養(yǎng)殖區(qū)共有約4 200口網(wǎng)箱，每口網(wǎng)箱每年向養(yǎng)殖區(qū)輸入0.085 6 t無機氮計[14]，每年三盤港網(wǎng)箱養(yǎng)殖向養(yǎng)殖區(qū)總共輸入無機氮約359.6 t，占總輸入的82%。陸源污染以生活污水為主，根據(jù)溫州城市人均綜合供水、排污的預(yù)測指標(biāo)[18]，可計算每人每天輸入的生活污水為127.9 L/人·d；根據(jù)洞頭縣統(tǒng)計年鑒計算得出三盤港海水養(yǎng)殖區(qū)周邊地區(qū)人口數(shù)量為21 430人；實測結(jié)果表明洞頭生活污水中的含氮量為81.08 mg/L。綜合以上數(shù)據(jù)得出陸源每年向養(yǎng)殖區(qū)排放的無機氮的量約為80 t。

圖7 三盤港流場圖（漲急）Fig. 7 Ocean current in Sanpan Port (flood)

圖8 三盤港流場圖（高潮）Fig. 8 Ocean current in Sanpan Port (HW)

1.3.5 無機氮擴散數(shù)值模擬 由于三盤港海水養(yǎng)殖區(qū)水深較淺，垂向混合比較均勻，可采用垂向積分的二維方程進行濃度預(yù)測：

式中：P為擴散物質(zhì)的深度平均濃度，

Sm為污染物源強；

Kx、Ky為擴散系數(shù)，由Elder公式確定：

方程的邊界條件為：

本計算的目的是預(yù)測由于人為活動造成的污染物濃度的增加值，因此，設(shè)定邊界濃度為零，計算結(jié)果為增量值。

輸入?yún)?shù)

①流場數(shù)據(jù)由潮流場計算結(jié)果提供（一個潮周期取480 個潮流場數(shù)據(jù)）；②網(wǎng)格步長DS = 150 m；③流場時間步長DT = 6 s；④擴散時間步長PDT =180 s⑤排放點10個；⑥初始濃度由“0”開始計算；⑦邊界濃度按增量濃度計算方法給定

由上述給定的諸項參數(shù)，經(jīng)20個潮周期計算，養(yǎng)殖海域無機氮的濃度已達到充分穩(wěn)定。

1.3.6 模型的驗證 根據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，三盤港海水養(yǎng)殖區(qū)無機氮濃度值為0.445 mg/L；灣口外側(cè)海域無機氮濃度值為0.351 mg/L。以灣口外側(cè)海域無機氮濃度值作為背景值，代入陸源（80 t/a）和海上水產(chǎn)養(yǎng)殖（359.6 t/a）排入無機氮的量，運用無機氮擴散數(shù)值模擬計算可得三盤港海水養(yǎng)殖區(qū)無機氮濃度值約為0.441 mg/L，與實測值相差0.004 mg/L，兩者之間相差很小，數(shù)值模擬得出的無機氮濃度值符合實際情況，模型是可信的。

1.3.7 養(yǎng)殖容量的計算方法 運用無機氮擴散數(shù)值模擬對三盤港的魚類養(yǎng)殖容量進行估算，當(dāng)陸源和養(yǎng)殖產(chǎn)生的污染物排放引起的無機氮增量小于0.049 mg/L，即三盤港海水養(yǎng)殖區(qū)的無機氮濃度值不超過0.400 mg/L時所能養(yǎng)殖的魚類網(wǎng)箱數(shù)，我們認為將這個數(shù)量作為三盤港海水養(yǎng)殖區(qū)魚類的養(yǎng)殖容量，較為適宜。

2 養(yǎng)殖容量計算結(jié)果

以無機氮為控制因子，通過擴散數(shù)值模擬方法計算三盤港海水養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)養(yǎng)殖及陸源排放的無機氮影響，從而計算網(wǎng)箱養(yǎng)魚的養(yǎng)殖容量。計算結(jié)果顯示，增加網(wǎng)箱養(yǎng)殖數(shù)量將會使三盤港水質(zhì)進一步惡化，減少網(wǎng)箱養(yǎng)殖數(shù)量則會使水質(zhì)得到改善，若網(wǎng)箱數(shù)量減少20%時，無機氮的增量為0.078 mg/L，即養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)無機氮的濃度值為0.429 mg/L，比海水水質(zhì)三類標(biāo)準(zhǔn)(0.400 mg/L)高出0.029 mg/L；若網(wǎng)箱數(shù)量減少50%時，無機氮的增量為0.051 mg/L，即養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)無機氮的濃度值為0.402 mg/L，比海水水質(zhì)三類標(biāo)準(zhǔn)(0.400 mg/L)高出0.002 mg/L。

圖9和圖10是網(wǎng)箱數(shù)量減少50%時，無機氮濃度分布圖。其中圖9是低潮時（濃度最高時刻，4 h）無機氮濃度分布狀況，濃度最高值（0.412 mg/L）出現(xiàn)在中部小港灣內(nèi)；圖10是高潮時（濃度最低時刻，9 h）養(yǎng)殖區(qū)無機氮濃度分布狀況，濃度最高值（0.394 mg/L）出現(xiàn)在東南部養(yǎng)殖區(qū)附近。上述濃度計算結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)箱數(shù)量減少50%時，一個潮周期內(nèi)可使養(yǎng)殖區(qū)水體中無機氮的濃度值降到小于或等于0.400 mg/L。如果維持目前的養(yǎng)殖布局，則三盤港養(yǎng)殖區(qū)投餌網(wǎng)箱養(yǎng)魚的養(yǎng)殖容量約為2 100口網(wǎng)箱。由圖9可知，如果將靠大三盤島的養(yǎng)殖網(wǎng)箱群適當(dāng)向港灣中心海區(qū)移動，則養(yǎng)殖區(qū)域的水交換將加強，無機氮濃度值將下降，養(yǎng)殖區(qū)的養(yǎng)殖容量將可以進一步提高。

3 結(jié) 論

a) 洞頭三盤港屬于富營養(yǎng)化港灣，無機氮的濃度超過三類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，富營養(yǎng)化狀況已經(jīng)對海水養(yǎng)殖活動產(chǎn)生不利影響。

b) 通過對三盤港污染物負荷量的估算，網(wǎng)箱養(yǎng)殖引起的無機氮增加量占到82%；網(wǎng)箱魚排的監(jiān)測表明網(wǎng)箱內(nèi)水體中pH、DO低于網(wǎng)箱外側(cè)，非離子氨和無機氮濃度值明顯高于網(wǎng)箱外側(cè)水體；這些都反映了網(wǎng)箱養(yǎng)殖已經(jīng)對該海域的海洋生態(tài)和環(huán)境狀況產(chǎn)生了不利的影響。

c) 按照目前的養(yǎng)殖布局，以網(wǎng)箱養(yǎng)殖對水體無機氮增量的影響小于0.049 mg/L為標(biāo)準(zhǔn)，即養(yǎng)殖區(qū)無機氮濃度值不超過0.400 mg/L，三盤港海水養(yǎng)殖區(qū)的投餌網(wǎng)箱養(yǎng)殖容量約為2 100口；如果將靠大三盤島的養(yǎng)殖網(wǎng)箱群適當(dāng)向港灣中心海區(qū)移動，則養(yǎng)殖區(qū)域的水交換將加強，無機氮濃度值將下降，養(yǎng)殖區(qū)的養(yǎng)殖容量將可以進一步提高。

圖9 三盤港無機氮濃度分布數(shù)值模擬圖(低潮時)Fig. 9 Numerical value simulation of DIN distribution in Sanpan Port(LW)

圖10 洞頭三盤港無機氮濃度分布數(shù)值模擬圖(高潮時)Fig. 10 Numerical value simulation of DIN distribution in Sanpan Port(HW)

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Application of numerical value simulation in estimating the carrying capacity of small-scale sea area

YAO Wei-min1,2, ZHOU Yan3, SHA Wei1, ZHANG Shu-gang1, ZHANG Shu-min1
(1.Wenzhou Marine Environmental Monitoring Center Station, SOA, Wenzhou 325088, China;2. College of Biological and Environmental Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;3. Zhejiang Fisheries Technical Extension Center, Hangzhou 310012, China)

In this paper, numerical simulation value is used to estimate the carrying capacity of Sanpang Port with inorganic nitrogen as a pollution control factor. The results shows that: water exchange capability is powerful in Sanpan Port, but eutrophication is serious; cage culture of inorganic nitrogen contribution rate is about 82%. According to the present culturing layout, if inorganic nitrogen increase caused by cage culture is less than 0.049 mg /L, ie inorganic nitrogen concentration in culture zones is not more than 0.400 mg / L, the carrying capacity of Sanpan Port is about 2100.

DIN；Sanpan Port；eutrophication；carrying capacity

A

1001-6932(2010)04-0432-07

2009-05-13；

2009-12-07

國家海洋局青年海洋科學(xué)基金（2003127）；洞頭縣科技計劃項目基金資助（S2003Y01）

姚煒民（1978－），男，浙江溫州，高級工程師，學(xué)士，現(xiàn)主要從事海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測及研究。電子郵箱：ywm97@163.com