象山港內新增網箱養殖污染物對海水水質的影響預測

陳華偉，吳衛飛

(1.浙江大京生態環境科技有限公司，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，港內水文動力作用強，納潮量大，港底穩定，底質為泥質，溫鹽度適中，氣候宜人，水產養殖條件良好，是我國東部沿海地區重要的水產養殖區域，也是寧波市最重要的養殖港灣。20世紀90年代以來，該區域網箱養殖業迅猛發展，截至2017年底，全港常規網箱養殖已發展到約11×104m2，成為當地漁民的主要經濟收入來源[1]，但是，網箱養殖所帶來的海洋環境污染問題也不容忽視。經調查，象山港內網箱養殖產生的絕大部分污染物來自養殖基地本身，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，致使水質惡化，甚至引發赤潮。

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

1 材料與方法

2018年，象山港灣水產苗種有限公司擬在象山港白石山島西北側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研究院象山港海洋牧場試驗養殖用海區內，目前周邊已有較多的養殖活動，如海帶養殖、大黃魚網箱養殖、牡蠣養殖等。

該養殖基地共有280個網箱，其中用于擋水的網箱80個，用于養殖的網箱200個。網箱分為兩個區塊布置，其中網箱養殖一區長74.6 m、寬36.6 m，網箱養殖二區長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)，且每五排一組的網箱中間架設一排泡沫浮筒和行走木板，使網箱保持足夠的浮力及方便養殖人員行走管理。網箱布置區水深在-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開發的一套功能強大的軟件包，主要應用于自由地表水環境。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、生態、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-水質模型之一。本文主要利用其中的Flow模塊對象山港內網箱養殖的污染物擴散過程進行模擬研究。

質量守恒方程：

(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；Cz為謝才系數；εx、εy分別為x、y方向的水平渦動粘滯系數；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，m2/s；λd表示一階衰減系數，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格(圖2)，網格布置與象山港主流方向一致，模型區域網格數為M326、N114，最小網格約2.0 m，最大網格約600 m，計算時間步長為30 s。需要指出的是，養殖網箱雖然是空心透水設計，尺度較小，但是仍會對潮流產生一定的阻流作用。根據Lader的試驗研究，由于網面的遮蔽效應，網箱內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論，通過糙率的變化來概化網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。

臨時潮位站驗證結果見圖4，潮流站位驗證結果見圖5。以下驗證結果表明，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，計算潮流過程與實測結果基本吻合，誤差在15%以內。因此，模擬計算結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。根據養殖工藝，養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 餌料產污

養殖過程產生的氮、磷等營養物質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 魚體產污

根據《全國污染源普查水產養殖業污染源排放系數手冊》，污染物排放量的計算方法為：

污染物排放量=排污系數×養殖增產量，其中養殖增產量=產量-投放量。

根據以上資料(表1～表3)對養殖廢水污染物排放源強進行計算，本項目養殖網箱總面積為0.609 2 hm2，總排放廢水量為561.9456 m3/d。按照養殖大黃魚50×104尾，每尾體重為130 g，產污量最大的階段(養殖時間150 d)計算，網箱養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 苗種培育排污系數表

表3 大黃魚海水網箱養殖業排污系數

表4 養殖廢水污染源強

由于網箱養殖為開放式養殖，與外海相連通，養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，模型對養殖廢水中的污染物擴散情況進行數值模擬[5-14]。選定COD、N、P為水質指標因子，通過計算預測養殖廢水實時的排放情況及養殖用水中各指標濃度增量的影響范圍。

2 結果

2.1 養殖區域的水質情況

象山港海域水質執行《海水水質標準》(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2016年寧波市海洋環境監測中心在象山港內的水質調查結果，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 養殖區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，COD濃度的影響距離約在7.0 km范圍內。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，COD濃度的影響距離約在9.0 km范圍內。

三種污染物的濃度增量均是在網箱養殖點較高，在網箱外污染物隨潮流運動迅速擴散，濃度增量降低(表5)。P在網箱處的濃度增量約為1×10-3～2×10-3mg/L，COD在網箱處的濃度增量為2×10-3～4×10-3mg/L，N在網箱處的濃度增量為5×10-4～6×10-4mg/L。而在網箱外部，污染物濃度增量迅速下降，P在網箱外的濃度增量約為1×10-5～3×10-5mg/L，COD在網箱外的濃度增量為1×10-5～3×10-5mg/L，N在網箱外的濃度增量為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外擴散，但是除網箱內污染物濃度增量較高外，網箱外的污染物濃度增量極低。網箱內的污染物中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超過二類水標準，疊加新產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箱養殖產生的污染物增量較小，對象山港內的水質產生影響較小。

3 討論

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

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