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(jī)氮作為污染控制因子,應(yīng)用擴(kuò)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(qiáng),但富營養(yǎng)化程度嚴(yán)重,其中網(wǎng)箱養(yǎng)殖對無機(jī)氮貢獻(xiàn)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(jī)氮增量的影響小于0.049 mg/L,即養(yǎng)殖區(qū)無機(jī)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(jī)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(jì)、文化諸因素的影響,因此養(yǎng)殖容量定義不一。本文認(rèn)為養(yǎng)殖容量應(yīng)將養(yǎng)殖區(qū)域的經(jīng)濟(jì)、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(jì)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(jìn)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(jìn)行了較為詳細(xì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行了系統(tǒng)的研究[14],隨著中國海洋環(huán)境保護(hù)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(shí)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(jìn)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。
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(kuò)大和該海域周邊地區(qū)港口建設(shè)及經(jīng)濟(jì)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(yán)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(jì)損失。
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(diǎn)2個。調(diào)查站位圖見圖1。2003至2005年進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(jī)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(dá)到三類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(0.4 mg/L)外,80%以上站點(diǎn)無機(jī)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(jī)氮和無機(jī)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(diǎn)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(diǎn)附近)設(shè)立水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn),網(wǎng)箱內(nèi)、外各設(shè)兩個點(diǎn)。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(jī)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。
1.3.1 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(diǎn)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(diǎn)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(jìn)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?qiáng),整個港灣的水體半天(即一個潮周期)就能交換一次,這一事實(shí)也由潮流場數(shù)值計算及水質(zhì)點(diǎn)追蹤試驗結(jié)果得到證實(shí)。
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(diǎn)追蹤試驗的路徑圖。由圖中的軌跡可看出,水質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(jìn)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(diǎn)水位為時間的已知函數(shù),即 ζ=ζ(t)。
通過數(shù)值運(yùn)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(jī)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(shí)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(jī)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(jī)氮測定方法簡便可靠,存在方式也相對穩(wěn)定,無機(jī)氮濃度的增加會破壞養(yǎng)殖海域的營養(yǎng)結(jié)構(gòu),嚴(yán)重時發(fā)生赤潮,對于實(shí)際養(yǎng)殖活動具有重要的意義。因此本文選擇無機(jī)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(fù)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(jī)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(jī)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(shí)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(jī)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(jī)氮擴(kuò)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(jìn)行濃度預(yù)測:
式中:P為擴(kuò)散物質(zhì)的深度平均濃度,
Sm為污染物源強(qiáng);
Kx、Ky為擴(kuò)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(kuò)散時間步長PDT =180 s⑤排放點(diǎn)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(jī)氮的濃度已達(dá)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(jī)氮濃度值為0.445 mg/L;灣口外側(cè)海域無機(jī)氮濃度值為0.351 mg/L。以灣口外側(cè)海域無機(jī)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(jī)氮的量,運(yùn)用無機(jī)氮擴(kuò)散數(shù)值模擬計算可得三盤港海水養(yǎng)殖區(qū)無機(jī)氮濃度值約為0.441 mg/L,與實(shí)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(jī)氮濃度值符合實(shí)際情況,模型是可信的。
1.3.7 養(yǎng)殖容量的計算方法 運(yùn)用無機(jī)氮擴(kuò)散數(shù)值模擬對三盤港的魚類養(yǎng)殖容量進(jìn)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(jī)氮增量小于0.049 mg/L,即三盤港海水養(yǎng)殖區(qū)的無機(jī)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(rèn)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。
以無機(jī)氮為控制因子,通過擴(kuò)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(jī)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(jìn)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(jī)氮的增量為0.078 mg/L,即養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)無機(jī)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(jī)氮的增量為0.051 mg/L,即養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)無機(jī)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(jī)氮濃度分布圖。其中圖9是低潮時(濃度最高時刻,4 h)無機(jī)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(jī)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(jī)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(qiáng),無機(jī)氮濃度值將下降,養(yǎng)殖區(qū)的養(yǎng)殖容量將可以進(jìn)一步提高。
a) 洞頭三盤港屬于富營養(yǎng)化港灣,無機(jī)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(fù)荷量的估算,網(wǎng)箱養(yǎng)殖引起的無機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(qiáng),無機(jī)氮濃度值將下降,養(yǎng)殖區(qū)的養(yǎng)殖容量將可以進(jìn)一步提高。
圖9 三盤港無機(jī)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(jī)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