近海筏式養(yǎng)殖造成的水文動力條件變化分析

李鐵軍，郭遠明，徐漢祥，丁躍平，張玉榮，薛 彬

（浙江省海洋水產(chǎn)研究所，浙江省海水增養(yǎng)殖重點試驗室，浙江舟山 316100）

三門灣位于浙江省海岸中段，三面環(huán)陸，是一個半封閉的海灣，呈西北東南走向，其形狀尤如伸開五指的手掌，眾多的港汊呈指狀深嵌內(nèi)陸。三門灣獨特的地理環(huán)境非常適合開展筏式養(yǎng)殖，并且筏式養(yǎng)殖已形成了一定的規(guī)模。由于筏式養(yǎng)殖為木質(zhì)框架結(jié)構(gòu)，高密度的連片養(yǎng)殖設(shè)施必然會引起養(yǎng)殖海域水動力結(jié)構(gòu)的變化，水流變緩養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)外海水交換能力變小。因此，研究三門灣筏式養(yǎng)殖活動對水文動力環(huán)境的影響具有重要的意義。目前，國內(nèi)外部分學者采用潮流觀測和數(shù)值模擬的方法對養(yǎng)殖設(shè)施造成的水文動力條件變化進行過分析[1-10]，但尚無關(guān)于采用調(diào)和分析方法研究養(yǎng)殖設(shè)施造成水文動力環(huán)境變化方面的報道。

本研究以旗門港附近海域假設(shè)的筏式養(yǎng)殖區(qū)作為研究對象，采用短期潮汐觀測資料分析方法對筏式布置前后25 h的連續(xù)潮流觀測資料進行調(diào)和分析，通過各個分潮的變化研究三門灣筏式養(yǎng)殖導致的水文動力條件變化，為進一步估算三門灣海域的養(yǎng)殖環(huán)境容量和優(yōu)化養(yǎng)殖布局提供參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 觀測海區(qū)

三門灣是浙江省主要的傳統(tǒng)養(yǎng)殖區(qū)。2009年6月8-9日，在旗門港附近海域布設(shè)筏架進行海流對比觀測，筏架區(qū)中心位置如圖1。筏架的規(guī)格15 m×6 m，按漲落潮方向分布，周圍100 m范圍內(nèi)均無其它養(yǎng)殖設(shè)施。

圖1 筏式區(qū)中心位置圖Fig.1 Center location of suspension aquaculture area

1.2 觀測方法

1.2.1 觀測站位布置

筏式海流觀測在筏架周圍4個方向各設(shè)立1個測點，分別為 F1(29°08'42.10＂N，121°29'07.57＂E)、F2(29°08'41.64＂N，121°29'07.02＂E)、F3(29°08'41.64＂N，121°29'07.38＂E)、F4(29°08'42.00＂N，121°29'07.86＂E)，測點布設(shè)示意圖如圖2。

1.2.2 儀器設(shè)備與觀測方法

筏式海流觀測使用1臺COMPACT-EM自容式電磁流速儀進行準同步觀測，觀測時間自6月8日15:00起至6月9日15:00止，每間隔1 h測量1次；撤去筏架觀測時間自6月10日12:00起至6月10日12:00止，每間隔1 h測量1次。

圖2 筏式養(yǎng)殖周圍調(diào)查站位示意圖Fig.2 Sampling sites around of the suspension aquaculture area

1.3 短期觀測資料的分析方法

1.3.1 準調(diào)和分潮

本次實驗觀測時間較短，屬短期觀測，采用對一個周日潮汐觀測資料進行調(diào)和分析的方法。這時只有少數(shù)幾個主要分潮的調(diào)和常數(shù)能夠由觀測值來確定，對于其他的分潮就必須引進與這些分潮的一定的已知關(guān)系，采用準調(diào)和分潮方法進行調(diào)和分析。

以一個分潮為主，對其余分潮的調(diào)和常數(shù)給出它們與這個主要分潮調(diào)和常數(shù)的一定的關(guān)系，這實際上相當于把這些分潮合并到主要分潮而成為一項。但這一項的振幅和角速率不再是常量，而是隨時間做緩慢的變化，因而稱這樣的項為準調(diào)和分潮。

1.3.2 潮流的調(diào)和常數(shù)和橢圓要素

水平流動中，由引潮力引起的叫潮流，非潮汐（主要是氣象）原因引起的叫非潮流。水平流動的方向叫流向，記作θ，通常向北為0°，順時針角度增大；流動速度叫流速，記為w。為了分析方便，常常把它們分解為向北和向東的分量，分別叫北分量和東分量，記為u和v，其中

單純從潮流預(yù)報的角度來考慮，知道了北、東分量的各個分潮的調(diào)和常數(shù)就足夠了。但是如果想了解該地點潮流變化的特征，則調(diào)和常熟就顯得不直觀。這時，可以采取的一種辦法是推算出某些特殊日期的潮流隨時間的變化過程，然后加以考察。另一種辦法是選定幾個主要的分潮，分別考察各分潮由北、東分量合成的流矢隨時間變化的特點。

從式中取出某個角速率為σ的分潮來考察，并取當ν0i=n2π時作為時間的起算點，或者引入

可以看出，上式實際上是一個橢圓參數(shù)方程，由分量等于u和v的矢量端畫出的軌跡是一個橢圓。不過這個橢圓的軸不正好在u，v軸上，而是偏轉(zhuǎn)了一個角度。分潮流橢圓長半軸和短半軸即是這個分潮流速可能達到的最大值和最小值，分別叫做該分潮的最大和最小潮流，記作W和w。最小潮流與最大潮流之比叫旋轉(zhuǎn)率，記為k，并且規(guī)定，若這個分潮矢隨著時間的增加按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，k算作正，否則，算作負。最大分潮流流速W、方向Θ、發(fā)生的時間τ以及旋轉(zhuǎn)率k決定了分潮流橢圓的基本特征，叫做潮流的橢圓要素[11]。

2 結(jié)果與討論

2.1 觀測結(jié)果

旗門港附近海域筏式養(yǎng)殖的海流觀測結(jié)果范圍見表1，撤去筏架后海流觀測結(jié)果范圍見表2。

表1 旗門港附近海域筏式養(yǎng)殖實測平均流速Tab.1 Measured mean flow velocity of the suspension aquaculture in sea area of Qimen port單位：流速/cm/s；流向/°

表2 旗門港附近海域撤去筏架后實測平均流速Tab.2 Measured mean flow velocity of nothing suspension aquaculture in sea area of Qimen port單位：流速/cm/s；流向/°

2.2 調(diào)和分析結(jié)果

2.2.1 參數(shù)選取

調(diào)和分析程序中的調(diào)和常數(shù)振幅和遲角數(shù)值來自于《渤海、黃海、東海海洋圖集(水文)》[12]。

2.2.2 分析結(jié)果

對旗門港附近海域筏式養(yǎng)殖前后各站位的周日潮汐觀測資料進行調(diào)和分析，通過調(diào)和分析得到各分潮的潮流橢圓要素，分析結(jié)果見表3～10。在潮流橢圓要素分析中Wmax表示最大流速，Wmin表示最小流速，Q表示最大流速流向，time表示最大流速發(fā)生時刻，k為橢率（“-”號表示順時針旋轉(zhuǎn)，“+”號表示逆時針旋轉(zhuǎn)）。

表3 旗門港附近海域筏式養(yǎng)殖F1站位調(diào)和分析結(jié)果Tab.3 Result for harmonic analysis of the sampling sites(F1)in sea area of Qimen port

表4 旗門港附近海域筏式養(yǎng)殖F2站位調(diào)和分析結(jié)果Tab.4 Result for harmonic analysis of the sampling sites(F2)in sea area of Qimen port

表5 旗門港附近海域筏式養(yǎng)殖F3站位調(diào)和分析結(jié)果Tab.5 Result for harmonic analysis of the sampling sites(F3)in sea area of Qimen port

表6 旗門港附近海域筏式養(yǎng)殖F4站位調(diào)和分析結(jié)果Tab.6 Result for harmonic analysis of the sampling sites(F4)in sea area of Qimen port

表7 旗門港附近海域撤去筏架F1站位調(diào)和分析結(jié)果Tab.7 Result for harmonic analysis of nothing sampling sites(F1)in sea area of Qimen port

表8 旗門港附近海域撤去筏架F2站位調(diào)和分析結(jié)果Tab.8 Result for harmonic analysis of nothing sampling sites(F2)in sea area of Qimen port

表9 旗門港附近海域撤去筏架F3站位調(diào)和分析結(jié)果Tab.9 Result for harmonic analysis of nothing sampling sites(F3)in sea area of Qimen port

表10 旗門港附近海域撤去筏架F4站位調(diào)和分析結(jié)果Tab.10 Result for harmonic analysis of nothing sampling sites(F4)in sea area of Qimen port

3 結(jié)論與討論

3.1 筏式養(yǎng)殖對海區(qū)潮流的影響

根據(jù)《渤海、黃海、東海海洋圖集水文》中的潮流類型分布圖，該海域?qū)儆谡?guī)半日潮流類型，半日分潮M2、S2為主要潮流?？刹捎梅ぜ莛B(yǎng)殖布置前后半日分潮M2、S2一個周日潮汐觀測資料的調(diào)和分析結(jié)果，分析筏式養(yǎng)殖造成水文動力條件的變化。由于調(diào)和分析結(jié)果中半日分潮并不明顯，因此，本文以調(diào)和分析結(jié)果中各分潮最大值的和做為對比值，來分析筏式養(yǎng)殖造成水文動力條件的變化。

根據(jù)2009年6月8日-11日筏架養(yǎng)殖前后的連續(xù)25 h潮流觀測資料的調(diào)和分析結(jié)果，可以看出筏式養(yǎng)殖對海區(qū)潮流有一定的影響，流速變化率為-22.05%～-6.24%。

表11 筏式養(yǎng)殖對海區(qū)潮流影響結(jié)果Ta.11 Affecting of the suspension aquaculture to the tidel cu rrent

3.2 討論

本研究對筏架布置前后一個周日潮汐觀測資料進行調(diào)和分析，通過各主要分潮的Wmax和值的變化，分析筏式養(yǎng)殖對海區(qū)水文動力環(huán)境的影響。這種方法有一定的新意。但該研究存在兩個問題：（1）該海區(qū)潮流屬于正規(guī)的半日潮流，但半日分潮M2、S2并不明顯，可能與選擇的養(yǎng)殖區(qū)域離岸太近或海底地形有關(guān)；（2）試驗設(shè)置的筏式養(yǎng)殖區(qū)域略小。

總的來說，本論文對研究養(yǎng)殖設(shè)施導致的水文動力環(huán)境變化提供了一個新的思路，研究結(jié)果對分析筏式養(yǎng)殖對海區(qū)海區(qū)潮流的影響有一定的參考價值。

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