象山港內(nèi)新增網(wǎng)箱養(yǎng)殖污染物對海水水質(zhì)的影響預測

陳華偉，吳衛(wèi)飛

(1.浙江大京生態(tài)環(huán)境科技有限公司，浙江 寧波 315200；2.寧波市盛甬海洋技術有限公司，浙江 寧波 315200)

象山港是寧波市東部沿海沿西南方向楔入內(nèi)陸的一個半封閉式狹長形港灣，常年風平浪靜，受臺風影響小，港內(nèi)水文動力作用強，納潮量大，港底穩(wěn)定，底質(zhì)為泥質(zhì)，溫鹽度適中，氣候宜人，水產(chǎn)養(yǎng)殖條件良好，是我國東部沿海地區(qū)重要的水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域，也是寧波市最重要的養(yǎng)殖港灣。20世紀90年代以來，該區(qū)域網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)迅猛發(fā)展，截至2017年底，全港常規(guī)網(wǎng)箱養(yǎng)殖已發(fā)展到約11×104m2，成為當?shù)貪O民的主要經(jīng)濟收入來源[1]，但是，網(wǎng)箱養(yǎng)殖所帶來的海洋環(huán)境污染問題也不容忽視。經(jīng)調(diào)查，象山港內(nèi)網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)生的絕大部分污染物來自養(yǎng)殖基地本身，主要是過剩餌料和水生生物的排泄物，這些污染源使得水體中的有機物增多和氮磷濃度變大，致使水質(zhì)惡化，甚至引發(fā)赤潮。

目前已有不少學者針對象山港內(nèi)的養(yǎng)殖容量、污染物濃度及水質(zhì)情況進行了大量研究，結(jié)果表明：象山港水質(zhì)已處于嚴重富營養(yǎng)化狀態(tài)，水質(zhì)主要污染物因子為氮和磷，各網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)產(chǎn)生的污染物排放量已超出其容量，需采取調(diào)整餌料結(jié)構、推廣生態(tài)養(yǎng)殖、實行科學管理等措施[2-3]。蔡惠文等采用數(shù)值模擬的方法，對象山港的養(yǎng)殖污染情況進行了模擬，并討論了該海域的網(wǎng)箱養(yǎng)殖環(huán)境容量[4]。本文以2018年象山港內(nèi)某新增大黃魚網(wǎng)箱養(yǎng)殖基地為例，對大黃魚(Larimichthyscrocea)養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的污染物擴散情況進行數(shù)值模擬，分析新增網(wǎng)箱養(yǎng)殖對周邊海域環(huán)境的影響，為象山港的養(yǎng)殖承載能力和養(yǎng)殖功能區(qū)布局合理性提供參考。

1 材料與方法

2018年，象山港灣水產(chǎn)苗種有限公司擬在象山港白石山島西北側(cè)建設岱衢族大黃魚培育基地(圖1)，該項目距離白石山島嶼岸線約300 m，位于寧波市海洋與漁業(yè)研究院象山港海洋牧場試驗養(yǎng)殖用海區(qū)內(nèi)，目前周邊已有較多的養(yǎng)殖活動，如海帶養(yǎng)殖、大黃魚網(wǎng)箱養(yǎng)殖、牡蠣養(yǎng)殖等。

該養(yǎng)殖基地共有280個網(wǎng)箱，其中用于擋水的網(wǎng)箱80個，用于養(yǎng)殖的網(wǎng)箱200個。網(wǎng)箱分為兩個區(qū)塊布置，其中網(wǎng)箱養(yǎng)殖一區(qū)長74.6 m、寬36.6 m，網(wǎng)箱養(yǎng)殖二區(qū)長75.2 m、寬45 m，中間以操作平臺和管理用房進行連接，每排網(wǎng)箱之間均有泡沫浮筒及行走木板(行走木板寬約30 cm)，且每五排一組的網(wǎng)箱中間架設一排泡沫浮筒和行走木板，使網(wǎng)箱保持足夠的浮力及方便養(yǎng)殖人員行走管理。網(wǎng)箱布置區(qū)水深在-10.8 ～-8.5 m(1985國家高程基準)。

1.1 模型建立

Delft3D是由荷蘭Delft大學WL Delft Hydraulics開發(fā)的一套功能強大的軟件包，主要應用于自由地表水環(huán)境。該軟件具有靈活的框架，能夠模擬二維和三維的水流、波浪、水質(zhì)、生態(tài)、泥沙輸移及床底地貌，以及各個過程之間的相互作用。它是國際上較為先進的水動力-水質(zhì)模型之一。本文主要利用其中的Flow模塊對象山港內(nèi)網(wǎng)箱養(yǎng)殖的污染物擴散過程進行模擬研究。

質(zhì)量守恒方程：

(1)

ζ方向動量守恒方程：

(2)

η方向動量守恒方程：

(3)

其中H為水深，H=h+ξ，ζ為水位，h為相對于平均海平面的水深；u、v分別為x、y方向上的垂向平均流速分量；g為重力加速度，g=9.81 m/s2；f為柯氏力參數(shù)；Cz為謝才系數(shù)；εx、εy分別為x、y方向的水平渦動粘滯系數(shù)；qin、qout是表示源匯項，x、y為直角坐標；t為時間。

對流擴散方程：

-λd(d+ζ)c+S

(4)

其中c為污染物濃度，mg/L；DH為水平擴散系數(shù)，m2/s；λd表示一階衰減系數(shù)，1/s；S為污染物源匯項。

本文對整個象山港建立正交曲線網(wǎng)格(圖2)，網(wǎng)格布置與象山港主流方向一致，模型區(qū)域網(wǎng)格數(shù)為M326、N114，最小網(wǎng)格約2.0 m，最大網(wǎng)格約600 m，計算時間步長為30 s。需要指出的是，養(yǎng)殖網(wǎng)箱雖然是空心透水設計，尺度較小，但是仍會對潮流產(chǎn)生一定的阻流作用。根據(jù)Lader的試驗研究，由于網(wǎng)面的遮蔽效應，網(wǎng)箱內(nèi)的水流速度會減少到來流速度的80%左右。本文利用這個試驗結(jié)論，通過糙率的變化來概化網(wǎng)箱對流場的阻礙作用。

1.2 模型驗證

模型驗證資料選擇2016年3月象山港內(nèi)的潮流、潮位實測資料，其中包含2個臨時潮位測站T1和T2，9個潮流測站C1～C9。站點布置如圖3所示。

臨時潮位站驗證結(jié)果見圖4，潮流站位驗證結(jié)果見圖5。以下驗證結(jié)果表明，文章所建二維水動力模型的潮位計算相對誤差可以控制在10%以內(nèi)，計算潮流過程與實測結(jié)果基本吻合，誤差在15%以內(nèi)。因此，模擬計算結(jié)果基本能反映整個象山港的水動力情況。

1.3 源強計算

本項目初始養(yǎng)殖6 cm以上岱衢族大黃魚苗種50×104尾，餌料種類以顆粒飼料為主、冰鮮飼料為輔。每天早晚各投喂1次，按魚體重0.5%～1.5%投喂顆粒料，按魚體重3%～6%投喂冰鮮飼料。根據(jù)養(yǎng)殖工藝，養(yǎng)殖過程中的污染來源主要包括餌料和魚體自身排放的污染物。

1.3.1 餌料產(chǎn)污

養(yǎng)殖過程產(chǎn)生的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)流失量一般可由下式估算：

流失量=投餌量×餌料中氮(磷)百分含量×(1-魚蝦貝餌料吸收率)×流失率

魚蝦貝餌料吸收率在60%～70%，按60%計算；氮、磷的流失率分別以30%和50%計。

1.3.2 魚體產(chǎn)污

根據(jù)《全國污染源普查水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)污染源排放系數(shù)手冊》，污染物排放量的計算方法為：

污染物排放量=排污系數(shù)×養(yǎng)殖增產(chǎn)量，其中養(yǎng)殖增產(chǎn)量=產(chǎn)量-投放量。

根據(jù)以上資料(表1～表3)對養(yǎng)殖廢水污染物排放源強進行計算，本項目養(yǎng)殖網(wǎng)箱總面積為0.609 2 hm2，總排放廢水量為561.9456 m3/d。按照養(yǎng)殖大黃魚50×104尾，每尾體重為130 g，產(chǎn)污量最大的階段(養(yǎng)殖時間150 d)計算，網(wǎng)箱養(yǎng)殖排水總的污染物源強為N：16.08 mg/m3，P：2.72 mg/m3，COD：11.11 mg/m3(表4)。

表1 餌料氮磷含量

表2 苗種培育排污系數(shù)表

表3 大黃魚海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)排污系數(shù)

表4 養(yǎng)殖廢水污染源強

由于網(wǎng)箱養(yǎng)殖為開放式養(yǎng)殖，與外海相連通，養(yǎng)殖廢水隨著潮流的運動而擴散，因此在水動力模型計算基礎上，模型對養(yǎng)殖廢水中的污染物擴散情況進行數(shù)值模擬[5-14]。選定COD、N、P為水質(zhì)指標因子，通過計算預測養(yǎng)殖廢水實時的排放情況及養(yǎng)殖用水中各指標濃度增量的影響范圍。

2 結(jié)果

2.1 養(yǎng)殖區(qū)域的水質(zhì)情況

象山港海域水質(zhì)執(zhí)行《海水水質(zhì)標準》(GB 3097—1997)第二類標準，即COD濃度不超過3 mg/L，無機氮(以N計)不超過0.3 mg/L，活性磷酸鹽(以P計)不超過0.03 mg/L。

根據(jù)2016年寧波市海洋環(huán)境監(jiān)測中心在象山港內(nèi)的水質(zhì)調(diào)查結(jié)果，海域水體中pH、DO、COD、硫化物、石油類和重金屬(Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr)等指標的濃度滿足二類海水水質(zhì)標準的要求，只是活性磷酸鹽(0.036 8 mg/L)和無機氮(0.718 mg/L)有不同程度的超標。

2.2 養(yǎng)殖區(qū)域污染物的擴散情況

圖6～圖11為污染物N、P、COD分別在一個潮周期內(nèi)漲急時刻和落急時刻的影響范圍，從圖中可以看出，在漲急時刻污染物向象山港內(nèi)部擴散，影響距離較遠，其中N濃度的影響距離在6.0 km左右，P濃度的影響距離在6.2 km范圍內(nèi)，COD濃度的影響距離約在7.0 km范圍內(nèi)。落急時刻，污染物向象山港口擴散，受島嶼影響，擴散距離相對較近，其中N濃度的影響距離在3.8 km左右，P濃度的影響距離在5.2 km范圍內(nèi)，COD濃度的影響距離約在9.0 km范圍內(nèi)。

三種污染物的濃度增量均是在網(wǎng)箱養(yǎng)殖點較高，在網(wǎng)箱外污染物隨潮流運動迅速擴散，濃度增量降低(表5)。P在網(wǎng)箱處的濃度增量約為1×10-3～2×10-3mg/L，COD在網(wǎng)箱處的濃度增量為2×10-3～4×10-3mg/L，N在網(wǎng)箱處的濃度增量為5×10-4～6×10-4mg/L。而在網(wǎng)箱外部，污染物濃度增量迅速下降，P在網(wǎng)箱外的濃度增量約為1×10-5～3×10-5mg/L，COD在網(wǎng)箱外的濃度增量為1×10-5～3×10-5mg/L，N在網(wǎng)箱外的濃度增量為4×10-6～8×10-6mg/L。

表5 新增污染物濃度分布情況

可見，雖然污染物隨著潮流運動而往象山港內(nèi)外擴散，但是除網(wǎng)箱內(nèi)污染物濃度增量較高外，網(wǎng)箱外的污染物濃度增量極低。網(wǎng)箱內(nèi)的污染物中COD疊加象山港本底值后依然沒有超出二類水的標準，而N、P濃度由于本底值已經(jīng)超過二類水標準，疊加新產(chǎn)生的污染物后更是超出二類水標準。但是整體來說本項目大黃魚網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)生的污染物增量較小，對象山港內(nèi)的水質(zhì)產(chǎn)生影響較小。

3 討論

文章利用二維對流擴散模型預測了象山港內(nèi)某新增大黃魚網(wǎng)箱養(yǎng)殖基地產(chǎn)生的污染物對象山港水質(zhì)的影響。從計算結(jié)果可看出，由于本項目網(wǎng)箱養(yǎng)殖規(guī)模較小，養(yǎng)殖時間較短，產(chǎn)生的新增污染物濃度增量較小，因此對象山港的水質(zhì)影響不大，項目是可行的。文章所建數(shù)學模型考慮了網(wǎng)箱對流速的減緩效應，以及污染物隨潮流的實時變化，基本還原了網(wǎng)箱養(yǎng)殖污染物排放的真實情況，為象山港內(nèi)新增網(wǎng)箱養(yǎng)殖的污染物預測提供了參考，對于后續(xù)的新增網(wǎng)箱養(yǎng)殖可采取類似方法進行預測和評估。

值得一提的是，目前象山港內(nèi)存在大量的網(wǎng)箱養(yǎng)殖，單個養(yǎng)殖網(wǎng)箱產(chǎn)生的污染物可能對港內(nèi)水域環(huán)境影響不大，但是大量網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)生的污染物疊加會產(chǎn)生推波助瀾的影響，再加上工農(nóng)業(yè)、生活污水等陸源污染物的輸入，導致象山港內(nèi)海域環(huán)境質(zhì)量下降。因此，對新增網(wǎng)箱養(yǎng)殖要進行科學全面的評估，不僅要評估單個網(wǎng)箱養(yǎng)殖污染物對水質(zhì)的影響，還要從整個象山港環(huán)境容量的角度，綜合考慮整體海洋環(huán)境質(zhì)量，謹慎新增網(wǎng)箱養(yǎng)殖。同時，還應合理確定網(wǎng)箱數(shù)量和布局，調(diào)整優(yōu)化養(yǎng)殖結(jié)構與餌料結(jié)構，改進網(wǎng)箱工藝和養(yǎng)殖技術，向生態(tài)養(yǎng)殖模式過渡，從而既保證網(wǎng)箱養(yǎng)殖的經(jīng)濟效益又滿足海洋生態(tài)環(huán)境保護的要求。