應用數值模擬方法計算小尺度海域養殖容量

姚煒民，周燕，沙偉，張樹剛，張淑敏

（1. 國家海洋局溫州海洋環境監測中心站，浙江 溫州 325003；2. 浙江工業大學生物與環境工程學院，浙江 杭州 310014；3. 浙江省水產技術推廣總站，浙江 杭州 310012）

應用數值模擬方法計算小尺度海域養殖容量

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境監測中心站，浙江 溫州 325003；2. 浙江工業大學生物與環境工程學院，浙江 杭州 310014；3. 浙江省水產技術推廣總站，浙江 杭州 310012）

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

無機氮；三盤港；富營養化；養殖容量

特定海域的養殖容量大小不僅受養殖系統內外理化因子和生物因子等因素的制約，同時還受養殖海域所在國家和地區政治、經濟、文化諸因素的影響，因此養殖容量定義不一。本文認為養殖容量應將養殖區域的經濟、社會與生態效益三者結合起來，在特定的水域，單位水體養殖對象在不危害環境、保持生態系統相對穩定、保證經濟效益最大，并且符合可持續發展要求條件的最大產量。

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

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

1 材料和方法

1.1 三盤港養殖概況

三盤港海水養殖區是浙江南部重要的傳統網箱基地，至2003年，三盤港海水養殖區已經發展到魚類網箱4 200口，養殖魚類品種以美國紅魚和大黃魚為主。該養殖區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。隨著該海域養殖規模的不斷擴大和該海域周邊地區港口建設及經濟發展，水交換能力改變的同時營養物質輸入亦始終居高不下，已對該海域的生態環境造成了嚴重影響。2002年至2006年在該海域共發現赤潮11起，特別是2005年發生的米氏凱倫藻赤潮給該海域水產養殖業造成重大經濟損失。

1.2 環境現狀分析

1.2.1 三盤港海水養殖區環境質量現狀 在三盤港海水養殖區共布設監測站位6個，灣口外側海域布設站點2個。調查站位圖見圖1。2003至2005年進行了四個航次的調查，結果顯示：pH值均符合海水水質一類標準（pH 7.8～8.5）；DO的平面分布趨勢是自灣口向灣內逐步降低，灣內1和2號站點測得DO值劣于海水水質一類標準（DO＞6 mg/L）。

圖1 三盤港調查站位圖Fig. 1 Survey station in Sanpan Port

COD的平面分布DO相似，養殖密集區COD濃度值大于1.00 mg/L，部分站點超海水水質一類標準（2.00 mg/L），灣口及灣口外側站點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二類標準（3.00 mg/L）。與80年代在洞頭島附近海域調查資料[15]比較，COD的值增加了1.2倍。

三盤港海水養殖區5月份測得無機氮濃度值90% 超過海水水質四類標準（0.5 mg/L），9月份測得值除少數達到三類海水水質標準（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。

三盤港海水養殖區已經受到油類污染，靠近碼頭的4號站點濃度值最高98.1 μg/L，超海水水質二類標準（50 μg/L）；灣口外側海域濃度值為12.4 μg/L。

1.2.2 網箱養殖區環境質量 在魚類網箱養殖區（5號站點附近）設立水質監測點，網箱內、外各設兩個點。結果顯示在網箱內pH、DO低于網箱外側，非離子氨和無機氮濃度值明顯高于網箱外側水體。

1.2.3 排污口環境質量 對洞頭本島和大三盤島生活污水排污口監測結果表明，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生活污水中平均含氮量約為81.08 mg/L。

1.3 養殖容量的計算方法

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。根據網格圖（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的海圖上讀出相應點處的水深值，然后按照每個網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，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平均潮差的一半）。

根據洞頭海區多年的平均潮差得△h = 4.09 m。其結果：

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

從上述計算結果得知，三盤港海水養殖區的水交換能力相當的強，整個港灣的水體半天（即一個潮周期）就能交換一次，這一事實也由潮流場數值計算及水質點追蹤試驗結果得到證實。

圖3是在養殖區東部灣口處，于低潮時刻投放的水質點追蹤試驗的路徑圖。由圖中的軌跡可看出，水質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，水質點已經漂移到接近灣頂的出口處（離灣頂約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格圖Fig. 2 Calculated gridding of water capacity

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

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

圖4 計算坐標系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，構成右手坐標系（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；C—謝才系數；t—時間。

方程（1）－（3）的初始條件從靜止水狀態開始，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，即 ζ=ζ（t）。

通過數值運算，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 洞頭三盤港海水養殖區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域的生活污水的排放，而海域污染源則主要來自海上水產養殖。根據三盤港海水養殖區環境監測結果和養殖生物生態生理特征，初步篩選出三個污染控制因子，分別為化學需氧量（CODMn）、油類和無機氮。化學需氧量（CODMn）對污染源的定量、養殖區水質質量等均有重要的指標作用[17]，但實測得三盤港海水養殖區化學需氧量的濃度值符合都符合國家二類水質標準，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和海上船舶活動，而來自海上養殖活動所占的比例很少。無機氮輸入主要是由養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，存在方式也相對穩定，無機氮濃度的增加會破壞養殖海域的營養結構，嚴重時發生赤潮，對于實際養殖活動具有重要的意義。因此本文選擇無機氮作為養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 三盤港海水養殖區主要受網箱養殖和陸源排污的影響。以三盤港海水養殖區共有約4 200口網箱，每口網箱每年向養殖區輸入0.085 6 t無機氮計[14]，每年三盤港網箱養殖向養殖區總共輸入無機氮約359.6 t，占總輸入的82%。陸源污染以生活污水為主，根據溫州城市人均綜合供水、排污的預測指標[18]，可計算每人每天輸入的生活污水為127.9 L/人·d；根據洞頭縣統計年鑒計算得出三盤港海水養殖區周邊地區人口數量為21 430人；實測結果表明洞頭生活污水中的含氮量為81.08 mg/L。綜合以上數據得出陸源每年向養殖區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 無機氮擴散數值模擬 由于三盤港海水養殖區水深較淺，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測：

式中：P為擴散物質的深度平均濃度，

Sm為污染物源強；

Kx、Ky為擴散系數，由Elder公式確定：

方程的邊界條件為：

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

輸入參數

①流場數據由潮流場計算結果提供（一個潮周期取480 個潮流場數據）；②網格步長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，經20個潮周期計算，養殖海域無機氮的濃度已達到充分穩定。

1.3.6 模型的驗證 根據調查結果顯示，三盤港海水養殖區無機氮濃度值為0.445 mg/L；灣口外側海域無機氮濃度值為0.351 mg/L。以灣口外側海域無機氮濃度值作為背景值，代入陸源（80 t/a）和海上水產養殖（359.6 t/a）排入無機氮的量，運用無機氮擴散數值模擬計算可得三盤港海水養殖區無機氮濃度值約為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 養殖容量的計算方法 運用無機氮擴散數值模擬對三盤港的魚類養殖容量進行估算，當陸源和養殖產生的污染物排放引起的無機氮增量小于0.049 mg/L，即三盤港海水養殖區的無機氮濃度值不超過0.400 mg/L時所能養殖的魚類網箱數，我們認為將這個數量作為三盤港海水養殖區魚類的養殖容量，較為適宜。

2 養殖容量計算結果

以無機氮為控制因子，通過擴散數值模擬方法計算三盤港海水養殖區內養殖及陸源排放的無機氮影響，從而計算網箱養魚的養殖容量。計算結果顯示，增加網箱養殖數量將會使三盤港水質進一步惡化，減少網箱養殖數量則會使水質得到改善，若網箱數量減少20%時，無機氮的增量為0.078 mg/L，即養殖區內無機氮的濃度值為0.429 mg/L，比海水水質三類標準(0.400 mg/L)高出0.029 mg/L；若網箱數量減少50%時，無機氮的增量為0.051 mg/L，即養殖區內無機氮的濃度值為0.402 mg/L，比海水水質三類標準(0.400 mg/L)高出0.002 mg/L。

圖9和圖10是網箱數量減少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）出現在中部小港灣內；圖10是高潮時（濃度最低時刻，9 h）養殖區無機氮濃度分布狀況，濃度最高值（0.394 mg/L）出現在東南部養殖區附近。上述濃度計算結果表明，當網箱數量減少50%時，一個潮周期內可使養殖區水體中無機氮的濃度值降到小于或等于0.400 mg/L。如果維持目前的養殖布局，則三盤港養殖區投餌網箱養魚的養殖容量約為2 100口網箱。由圖9可知，如果將靠大三盤島的養殖網箱群適當向港灣中心海區移動，則養殖區域的水交換將加強，無機氮濃度值將下降，養殖區的養殖容量將可以進一步提高。

3 結 論

a) 洞頭三盤港屬于富營養化港灣，無機氮的濃度超過三類海水水質標準，富營養化狀況已經對海水養殖活動產生不利影響。

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

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

圖9 三盤港無機氮濃度分布數值模擬圖(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，學士，現主要從事海洋生態環境監測及研究。電子郵箱：ywm97@163.com