不同海帶生長季的桑溝灣潮流特征變化分析

王一聰，凡仁福，聶紅濤*，魏 皓

(1.天津大學 海洋科學與技術學院,天津 300072；2.海南省海洋與漁業科學院,海南 海口 571126)

全球海水養殖業自1990年以來發展迅速,2018年世界海水養殖產量已超過3 000萬t[1]。中國是世界上海藻養殖面積和產量最大的國家,約占世界海藻產量的2/3[2-3]。然而,大規模、高密度的筏式養殖活動雖然帶來可觀經濟效益,但也會影響水體交換,對海洋環境造成影響,進而制約海洋養殖產值提升,例如:養殖密度過高,會出現海帶腐爛現象[4],海帶收獲規格減小,影響海帶品質[5]。因而需要科學認識筏式養殖活動的影響規律,合理布局養殖規模以達到更好的環境生態與經濟效益。

筏式養殖對養殖海區水動力結構產生了多方面的影響。樊星等[6]對桑溝灣7月海帶收獲季的垂直潮流特征研究發現:海表面養殖生物和養殖設施的存在造成該海區的潮流垂直結構出現了潮流上邊界層,并首次提出“雙阻力模型”概念。何宇晴等[7]從潮流橢圓要素出發對比了桑溝灣海帶播苗期和成熟期潮流垂向特征,指出在播苗期各橢圓要素在垂向上分布均勻,而在成熟期各要素在垂向上變化劇烈,例如M2潮流橢圓長軸最大值出現在中層,向海底和海表迅速減小。Zhang等[8]統計了黑泥灣海帶養殖區調查站位的流速垂向分布,發現一些站位在漲潮和落潮階段呈現出不同的流速剖面形狀,分析認為由于在落潮階段經過上游養殖區造成了潮流能量衰減。數值研究方面,Grant和Bacher[9]利用Aquadyn 3.0模型模擬發現在桑溝灣的主航道內,因為養殖筏架的存在,流速減緩了20%；而在養殖區的中心,流速減小了54%。史潔和魏皓[10]以POM 模型為基礎建立了養殖阻力參數化方案,模擬了養殖環境下桑溝灣的水動力狀況,發現加入養殖阻力后最大流速出現在中層水體,并得到觀測結果的驗證。

已有研究大多只關注海帶的非養殖季與養殖季對比分析,未考慮海帶不同生長階段對潮流結構的影響。4月份,海帶生長速度較快,但是海帶長度只有2.5～3.0 m；7月海帶生長速度變緩,但是長度增加到4～5 m[11]。實際上,不僅是海帶長度,7月收獲季相比4月生長旺盛季海帶的葉片寬度和厚度均有所增加[12],不同海帶生長季對當地水動力的影響程度差別需要進一步認識。故而,本文對桑溝灣海帶的非養殖季(10月)、生長旺盛季(4月)和收獲季(7月)的潮流特征進行了細致分析,并通過譜分析和潮能通量的對比從能量角度認識了造成不同季節潮流特征差異的原因。

1 現場調查

1.1 研究區域概況

桑溝灣地處山東半島東端,東接黃海,其他三面被陸地所包圍,屬于半封閉型海灣(圖1)。桑溝灣灣口南北寬約11 km,東西長約7.5 km,總面積約133.3 km2[13],平均水深7.5 m[7],灣內最深處為15 m。桑溝灣年平均水溫13.3 ℃,平均鹽度31.8[6]。桑溝灣海域水動力以潮流為主導,潮汐類型為不正規半日潮,潮流類型以正規半日潮流為主[14-15]。

圖1 桑溝灣調查站位Fig.1 Survey stations in the Sanggou Bay

桑溝灣從20世紀80年代中期開始大規模養殖海帶[13],一直以來是我國的海帶主產區。除了海帶,牡蠣和扇貝也是桑溝灣主要的海產品。海帶的養殖期為每年11—12月播苗至次年5—6月收獲[16]。桑溝灣由灣口至灣頂水深逐漸變淺,灣口外最深可達30 m[17]。灣口至灣頂分布著不同的養殖區,水深較深的灣口區營養物質更新速度相對較快,適宜海帶生長,為海帶養殖區；灣頂水交換能力較弱,水深較淺不適宜養殖海帶,但卻適合濾食型貝類的養殖,為貝類養殖區。灣中部為貝藻兼養區,一般是海帶和貝類在同一筏架上共同養殖,但是目前此養殖模式所占區域很小,更多的是海帶單養和貝類單養分散片區,各類養殖區呈現斑塊狀分布。

1.2 調查站位及觀測設置

我們于2019年10月在桑溝灣進行了大面水文調查和坐底流速剖面觀測。坐底流速剖面觀測站位為灣口北側尋山站(122°33′38.2″E,37°08′30.1″N,水深12 m)和南側楮島站(122°32′24.9″E,37°03′12.2″N,水深8 m),站位位置如圖1所示。2006年4月和7月同樣在尋山、楮島兩站進行流速剖面觀測,各次調查觀測儀器信息及設置如表1所示。2019年10月25日至11月4日楮島站觀測儀器受到干擾,該段時間數據質量較差,因此不采用；在2006年7月航次,楮島站流速數據同樣無法使用。由于觀測盲區等影響,流速剖面的觀測常常會缺失近底層或表層的數據,因此對數據進行了垂向插值補全。對于水位數據,2019 年航次通過AD2CP測量記錄的壓力數據獲得；2006年航次由固定在筏架上的安德拉水位儀獲得,每10 min記錄一次水位,每次的觀測時長為1個月。為了便于對比,3個航次的水位和流速數據在進行質量控制后,均被處理為10 min平均后使用。

表1 3個航次所使用的流速剖面儀儀器信息及設置Tabel 1 Configuration of current profilers used during three surveys

尋山站位于海帶養殖片區,楮島站位于牡蠣養殖片區。10月份的桑溝灣尚未開始進行海帶播苗活動,為海帶非養殖季；4月和7月分別為海帶生長旺盛季和收獲季。由于本文主要關注海帶養殖阻力的影響,因此2.1～2.3節都是以尋山站為例進行3個海帶養殖階段的對比；而2.4節探討潮流水平空間變化時,則使用了尋山和楮島兩站數據進行非養殖季和生長旺盛季的對比,這其中包含了貝類和海帶共同的影響。下文提到的養殖季,包括了4月生長旺盛季和7月海帶收獲季。

2 結果與討論

2.1 潮位調和結果比較

尋山站位于桑溝灣灣口北部潮流主要通道區。表2為尋山站非養殖季(10月)和養殖季(4月和7月)的潮位調和分析結果。從潮位調和結果可以看出,該站潮位以M2分潮為主,潮型系數介于0.5～2.0,屬于不規則半日潮[18]。M2分潮振幅在50 cm 左右,遲角在150°左右,調和結果與方國洪等[19]繪制M2分潮同潮圖所示結果相同。從非養殖季(10月)到海帶收獲季(7月),潮汐的潮型系數逐漸增加,7月的潮型系數接近于1,不規則半日潮特征愈發明顯。

表2 尋山站非養殖季與養殖季潮位調和結果Table 2 Tidal harmonic constants at Xunshan station in different seasons

2.2 垂向平均流速變化

尋山站非養殖季和養殖季深度平均流速準調和分析結果如表3所示。該站潮流以東西流向為主,M2分潮潮流明顯占優,淺水分潮M4的潮流振幅大于全日分潮。潮型系數為0.1左右,為正規半日潮流。M2分潮在非養殖季的橢率絕對值為0.19,大于養殖季,說明在養殖季,深度平均的潮流更加接近往復流特征,此現象在其他的海帶養殖區也有出現[20]。

表3 尋山站非養殖季與養殖季深度平均潮流調和結果Table 3 Depth-averaged tidal current harmonic constants at Xunshan station in different seasons

尋山站漲、落潮流不對稱現象在非養殖季十分明顯,落潮流速大于漲潮流速。在大潮日,尋山站非養殖季漲、落潮平均流速分別為17和23 cm/s；4月生長旺盛季分別為23和26 cm/s；7月收獲季漲、落潮平均流速分別為23和24 cm/s。從10月非養殖季到翌年7月收獲季,漲、落潮流速差逐漸變小。同樣在小潮日,尋山站非養殖季漲、落潮平均流速分別為13和18 cm/s,4月分別為18和19 cm/s,7月分別為23和23 cm/s。在養殖季,漲、落潮流速已經趨于相等。可見,在養殖季,潮流不對稱現象有所消減。在半日分潮主導的海灣,由其產生的1/4日分潮是導致潮波變形和潮不對稱的主要原因[21-23]。趙東波等[23]指出福建羅源灣大規模的養殖筏架和網箱對M2分潮影響不大,但卻減小了由M2誘導的M4分潮振幅,潮波變形程度降低,潮汐不對稱效應減弱。桑溝灣的大規模養殖活動同樣改變了潮的不對稱性,由表2可知,4月的尋山站M4分潮振幅相對10月非養殖季有所減小,潮波變形程度降低,潮不對稱性減弱。

2.3 流速垂向結構變化

2.3.1 流速垂向分布對比

養殖活動對流速垂向分布的影響明顯。3個時期的流速深度-時間剖面(圖2)顯示,在非養殖季,尋山站流速最大值出現在水體上部；而在4月生長旺盛季,流速最大值出現在水體中下部；在海帶收獲季的7月,流速最大值更加靠近水體底部。在養殖季,水體上層由于海帶生長阻擋了水體的流動,增大了水體的表層阻力,同時在海底摩擦阻力的共同作用下,造成了海水表層和底層流速較小、中層流速最大的垂向結構。

圖2 尋山站流速大小深度-時間剖面對比Fig.2 Comparison of the time-depth variation of current velocity at Xunshan station

尋山站漲、落潮流速垂向剖面特征分析表明:尋山站以東西方向往復流為主,漲潮時,潮水向西進入桑溝灣,流速東分量為負值；落潮時,潮水向東流出桑溝灣,流速東分量為正值。以σ(σ＝z/H)坐標繪制漲、落潮平均流速東分量剖面圖如圖3所示,圖中z為距底高度,H為總深度,z/H＝0 代表海底,z/H＝1 代表海表[7]。

在非養殖季,海表至海底流速變化相對較小,流速最大值出現在海表。在養殖季,流速垂向變化劇烈,流速最大值出現在水體中下層。在7月,流速最大值相較于4月更向水體底部移動。在7月尋山站的落潮階段出現了一種不同于漲潮階段的流速剖面(圖3e、圖3f)。在水體中上部(z/H＞0.6),即5 m 以淺,流速變化幅度較小,而這一深度正是該階段的海帶長度；在z/H＜0.6的水體中下部,流速快速增大,在靠近水體底部迅速減小。這一現象在其他筏式養殖區也有出現[20],這可能與海帶此時的長度和測量位置選取有關。首先,7月海帶收獲季的海帶長度、寬度和厚度均要大于4月[11]。當潮流能量不足以使海帶卷曲時,上層水體均會受到海帶更強的阻礙,流速變得緩慢而均勻。此時,更多水體從海帶下部流過,從而在水體中下部流速增大,在靠近海底時,由于底摩擦的作用流速減小。此外,觀測站點位于灣口落潮流的下游,當落潮時,潮流由灣口南側進入桑溝灣,然后由灣口北側流出桑溝灣。尋山站南側很多養殖區的海帶尚未完全收獲[24],落潮流在到達灣口北側前需要流經灣內更大范圍的養殖區,養殖筏架的阻力作用更大,從而潮流衰減更為明顯。而在漲潮階段,潮流由灣口北側進入桑溝灣,受到養殖區阻力作用較少,能量衰減較少,水體中上層未出現流速均勻現象(圖3e、圖3f)。實際上,類似現象在4月生長旺盛季已經初露端倪,圖3c、圖3d顯示落潮階段表層流速在一小段內(0.8＜z/H＜0.9)分布均勻,只是因為4月海帶長度、厚度和寬度小于7月,流速剖面變化沒有收獲季表現得明顯。

利用譜分析進一步探究造成圖3中流速剖面差異的原因。對10月非養殖季、4月生長旺盛季和7月收獲季的7 d的流速東分量數據進行垂向分層譜分析,結果如圖4所示。3個時期的譜分析結果均顯示半日分潮的功率譜密度值要遠大于淺水分潮和全日分潮。從10月的結果可以看出,半日分潮的功率譜密度在上部水體垂向變化較小,故而非養殖季流速垂向分布較為均勻(圖3a、圖3b)。對于生長旺盛季的4月,半日分潮的功率譜密度相比10月非養殖季變化較為劇烈,從表層向底層,先是迅速增大后迅速減小,這也形成了圖3c、圖3d的流速剖面形狀。值得注意的是,7 月收獲季的功率譜顯示半日分潮的功率譜密度在水體上層(z/H＝0.6～0.8)變化相對4月較為緩慢,在z/H＝0.5處突然增大,此變化規律同圖3e、圖3f落潮階段的流速東分量垂向變化較為一致,即在z/H＞0.5處,流速變化緩慢,z/H＜0.5后,流速突然增大,在z/H＝0.3處,流速達到最大。相比4月,7月半日分潮最大功率譜密度值更加靠近底部,導致流速最大值也更加靠近底部。

圖4 尋山站垂向各層流速東分量譜分析對比Fig.4 Comparison of vertical variation of current velocity(east component)spectrum analysis at Xunshan station

2.3.2 潮流調和要素垂向分布對比

從以上分析可知,半日分潮能量的變化是造成流速垂向剖面差異的主要原因。然而,不僅流速,半日分潮潮流橢圓要素的垂向分布在非養殖季與養殖季也有很大差別。圖5為尋山站非養殖季與養殖季的M2分潮潮流橢圓最大流速、最大流速出現時間以及橢率的垂向分布。與流速東分量一致,在非養殖季,M2分潮潮流橢圓最大流速在水體表層達到最大值；在養殖季,最大值出現在水體中下部。M2分潮最大流速出現時間在不同時期的垂向分布也有所不同。在非養殖季,最大流速出現時間差異不大,底層略早于表層,相差約為5 min。在4月生長旺盛季,潮流橢圓流速最大值最早出現在水體中上層(z/H＝0.6),在水體中下層(z/H＝0.4)出現最晚,相差10 min。在7月收獲季,水體中上層首先達到流速最大值,即表層早于底層漲落,最大相差30 min。這是由于在養殖季,海面的筏式養殖作物和養殖設施形成的養殖阻力大于底部阻力,使得表層海水先漲/落[6]。在非養殖季,橢率由海水表層至底層逐漸變小,越近底越接近于往復流；在4月,橢率由表至底保持在－0.05左右,變化不大,保持往復流特征；在7月,橢率由表至底先由正值減小至0,而后向負方向逐漸增加。

圖5 尋山站M2分潮潮流橢圓最大流速、最大流速出現時間以及橢率垂向分布對比Fig.5 Comparison of vertical variation of maximum velocity,its occurrence time and ellipticity of M2tidal current at Xunshan station

2.4 潮流水平空間變化比較

養殖活動不僅會對潮流垂向結構產生影響,還會對潮流的水平分布產生影響。在養殖季,海表密集的海帶會影響潮波傳遞的速度,更會造成潮流在養殖區內的流速衰減。史潔[25]研究了桑溝灣養殖季灣口至灣頂的流速衰減發現,表層流速由灣口至灣頂衰減了63%,且灣口海水比灣頂先漲先落,提前約1 h。匡翠萍等[26]對秦皇島筏式養殖區進行了情景模擬,發現同一站位在有養殖的情況下,漲、落潮過程相比無養殖情況下滯后1 h左右,體現了養殖活動對潮波傳遞的阻礙。由于尋山、楮島兩站水深不同,因此將兩站流速數據按照σ(σ＝z/H)坐標進行插值,便于對尋山至楮島的每一層的流速變化進行非養殖季和養殖季的對比。對比流速為尋山、楮島兩站在同一觀測時間段內測量到的平均流速。由于2006年7月海帶收獲季楮島站流速數據無法使用,圖6僅給出了非養殖季(10月)和生長旺盛季(4月)尋山站至楮島站的流速變化率的垂向分布,計算方法如式(1):

圖6 非養殖季與生長旺盛季尋山站至楮島站流速變化率的垂向分布Fig.6 Comparison of vertical variation of current velocity change rate from Xunshan station to Chudao station in non-culture season and kelp growing season

式中,P代表流速變化率,S代表兩站潮流流速,i代表兩站垂向第i層。由圖6可以看出,在非養殖季,垂向各層的流速變化率(圖6藍線)在中上層(z/H＝0.65)最大,為61%,意味著尋山至楮島在該層的流速衰減61%,在近底層(z/H＝0.23)最小,衰減48%；在生長旺盛季,流速變化率(圖6 紅線)同樣在中上層(z/H＝0.75)最大,即尋山至楮島流速衰減64%,在近底層(z/H＝0.28)最小,衰減55%。對比兩個階段,生長旺盛季的流速衰減大于非養殖季,即圖6中紅線始終處于藍線的右側。在非養殖季,海表只有養殖筏架,沒有養殖生物的影響,因此流速的衰減是由于養殖筏架和海底摩擦造成的；而在生長旺盛季,海表的養殖設施、養殖生物和底摩擦共同造成了潮流的水平衰減。在水體中上層(z/H＞0.7),非養殖季與生長旺盛季的流速變化率的差異最為顯著,表明海表筏式養殖活動對于中上層潮流的影響程度更大。在生長旺盛季,表層的流速衰減程度大于底層,說明水體表層阻力大于底層阻力,與2.3節養殖季潮流垂向分布所得結論一致；而在非養殖季,底層的流速衰減率大于表層,說明底層阻力大于表層,與養殖季存在差異。

從能量角度亦可看出桑溝灣南北方向的衰減。由渤黃海M2分潮同潮圖[19]可知,在山東半島成山頭附近存在一個M2分潮無潮點,位于桑溝灣東北部。由于潮波圍繞無潮點逆時針旋轉,因此潮波率先到達桑溝灣北部尋山站,后到達灣口南側楮島站。潮能通量,又稱潮能通量密度,指單位時間通過自海底至海面單位密度寬度斷面的潮能,具體計算式為

式中,Φ為潮能通量密度,T為潮波周期[27],ρ為海水密度,h為水深,ζ為水位,g為重力加速度,u和v分別為流速東分量和北分量。選取了非養殖季2019年10月20日至24日,11月5日至8日共9天、18個半日潮周期以及生長旺盛季2006年4月28日至5月6日共9天、18個半日潮周期的尋山站和楮島站潮能通量差(Φ尋山－Φ楮島)進行對比(圖7)。可以看出,在絕大多數的潮周期內,生長旺盛季潮能通量的衰減大于非養殖季。在生長旺盛季的5月3日,能量衰減最大達到5.4 k W·m－1,而在非養殖季能量衰減最大時僅為2.9 k W· m－1,發生在10月21日。對所有潮周期進行平均,生長旺盛季平均能量衰減為2.9 k W·m－1,而非養殖季平均能量衰減為1.5 k W·m－1,足以見得養殖活動對水平方向潮流能量的削減。

圖7 非養殖季與生長旺盛季尋山站至楮島站的潮能通量差(Φ尋山－Φ楮島)Fig.7 Comparison of tidal energy flux difference(ΦXunshan－ΦChudao)between non-culture season and kelp growing season

3 結論

本文基于桑溝灣尋山和楮島兩站的現場觀測資料,分析了不同海帶生長階段下的潮流特征差異,并從能量角度探究了造成這種差異的原因,得出以下結論:

①養殖季的深度平均潮流更加接近往復流特征。由于養殖活動的影響,淺水分潮被削弱,因此養殖季的潮不對稱性相比非養殖季有所減弱。

②尋山站在3個養殖階段的流速垂向剖面各有不同。在非養殖季,流速在垂向上變化幅度較小；在養殖季,流速最大值出現在水體中下層,7月收獲季的上層流速分布均勻,相比4月生長旺盛季更加明顯。由譜分析結果可知,半日分潮在垂向上的能量變化是造成不同流速剖面的主要原因。

③桑溝灣非養殖季與養殖季由北至南的流速衰減率在水體中上層的差異最大,這是由于在養殖季水體上層存在的養殖生物造成的。從能量衰減的角度看,在養殖季由北至南平均衰減的潮流通量密度為2.9 k W·m－1,能量衰減是非養殖季的近2倍。

本文探討了海帶養殖區的潮流特征,對于貝類養殖區,我們已在開展觀測實驗,以探究不同養殖品種對水動力環境的影響差異。同時,鑒于觀測站位和時長的限制,今后將利用數值模式進行情景模擬,更加系統地分析不同養殖布局和不同養殖密度對筏式養殖海區水動力的影響程度,以便提供更為合理的養殖規劃布局。