应用数值模拟方法计算小尺度海域养殖容量

姚炜民，周燕，沙伟，张树刚，张淑敏

（1. 国家海洋局温州海洋环境监测中心站，浙江 温州 325003；2. 浙江工业大学生物与环境工程学院，浙江 杭州 310014；3. 浙江省水产技术推广总站，浙江 杭州 310012）

应用数值模拟方法计算小尺度海域养殖容量

姚炜民1,2，周燕3，沙伟1，张树刚1，张淑敏1

（1. 国家海洋局温州海洋环境监测中心站，浙江 温州 325003；2. 浙江工业大学生物与环境工程学院，浙江 杭州 310014；3. 浙江省水产技术推广总站，浙江 杭州 310012）

以无机氮作为污染控制因子，应用扩散数值模拟方程估算了三盘港投饵网箱养鱼的养殖容量。结果显示：三盘港海域水交换能力较强，但富营养化程度严重，其中网箱养殖对无机氮贡献率约占82%。按照目前的养殖布局，以网箱养殖对水体无机氮增量的影响小于0.049 mg/L，即养殖区无机氮浓度值不超过0.400 mg/L为标准，三盘港投饵网箱养殖容量约为2 100口。

无机氮；三盘港；富营养化；养殖容量

特定海域的养殖容量大小不仅受养殖系统内外理化因子和生物因子等因素的制约，同时还受养殖海域所在国家和地区政治、经济、文化诸因素的影响，因此养殖容量定义不一。本文认为养殖容量应将养殖区域的经济、社会与生态效益三者结合起来，在特定的水域，单位水体养殖对象在不危害环境、保持生态系统相对稳定、保证经济效益最大，并且符合可持续发展要求条件的最大产量。

养殖容量的研究始于20世纪70年代中期。日本学者对虾夷扇贝（Patinopecten yessoensis）的养殖容量研究取得了一系列的成果[1]，为防止养殖污染等问题提供了较为可靠的理论依据。欧美学者相继进行了贝类养殖区养殖容量的研究，其中法国学者对Harennes-Oleron湾太平洋牡蛎（Crassostrea gigas）[2-4]进行了较为详细的研究，并建立了养殖容量模型；爱尔兰学者在Carlingford湾[5]也进行了类似的研究；加拿大、西班牙和荷兰学者分别对Lunenburg湾[6]、Ria de Aros湾[7]、Scotia湾[8]的养殖容量进行估算或建立了养殖容量模型；澳大利亚学者建立了塔斯马尼亚州养殖海区的悉尼岩牡蛎（Saccostrea commercialis）养殖容量模型[9]。

中国在海水养殖容量方面的研究始于20世纪90年代，侧重于依赖营养盐调查资料进行分析的常规方法[10-13]。如方建光等（1996）对桑沟湾栉孔扇贝（Chlamys farreri）的养殖容量进行了研究；宁修仁等对象山港、三门湾和乐清湾的贝类和鱼类养殖容量进行了系统的研究[14]，随着中国海洋环境保护和监测体系的日益成熟和完善，单纯依靠现场观测已不能满足实时监控、快速响应等管理需求，基于此，本文旨在通过数值模拟方法测算三盘港海域养殖容量的研究，促进建立一套适用于浙江南部海域港湾水产养殖容量计算的理论和方法，为海水养殖业的可持续发展提供技术支持。

1 材料和方法

1.1 三盘港养殖概况

三盘港海水养殖区是浙江南部重要的传统网箱基地，至2003年，三盘港海水养殖区已经发展到鱼类网箱4 200口，养殖鱼类品种以美国红鱼和大黄鱼为主。该养殖区位于洞头本岛和大三盘岛之间，海域面积约为1 365.8万m2，海区为半日潮，受江浙沿岸流和瓯江等径流的影响明显。随着该海域养殖规模的不断扩大和该海域周边地区港口建设及经济发展，水交换能力改变的同时营养物质输入亦始终居高不下，已对该海域的生态环境造成了严重影响。2002年至2006年在该海域共发现赤潮11起，特别是2005年发生的米氏凯伦藻赤潮给该海域水产养殖业造成重大经济损失。

1.2 环境现状分析

1.2.1 三盘港海水养殖区环境质量现状 在三盘港海水养殖区共布设监测站位6个，湾口外侧海域布设站点2个。调查站位图见图1。2003至2005年进行了四个航次的调查，结果显示：pH值均符合海水水质一类标准（pH 7.8～8.5）；DO的平面分布趋势是自湾口向湾内逐步降低，湾内1和2号站点测得DO值劣于海水水质一类标准（DO＞6 mg/L）。

图1 三盘港调查站位图Fig. 1 Survey station in Sanpan Port

COD的平面分布DO相似，养殖密集区COD浓度值大于1.00 mg/L，部分站点超海水水质一类标准（2.00 mg/L），湾口及湾口外侧站点COD的浓度值小于1.00 mg/L，该海域COD浓度值均符合海水水质二类标准（3.00 mg/L）。与80年代在洞头岛附近海域调查资料[15]比较，COD的值增加了1.2倍。

三盘港海水养殖区5月份测得无机氮浓度值90% 超过海水水质四类标准（0.5 mg/L），9月份测得值除少数达到三类海水水质标准（0.4 mg/L）外，80%以上站点无机氮浓度值介于三类与四类海水之间。与80年代浙江省海岸带和海涂资源调查资料[16]比较，5月份测得无机氮和无机磷浓度平均分别增加了3.8倍和4.3倍。

三盘港海水养殖区已经受到油类污染，靠近码头的4号站点浓度值最高98.1 µg/L，超海水水质二类标准（50 µg/L）；湾口外侧海域浓度值为12.4 µg/L。

1.2.2 网箱养殖区环境质量 在鱼类网箱养殖区（5号站点附近）设立水质监测点，网箱内、外各设两个点。结果显示在网箱内pH、DO低于网箱外侧，非离子氨和无机氮浓度值明显高于网箱外侧水体。

1.2.3 排污口环境质量 对洞头本岛和大三盘岛生活污水排污口监测结果表明，洞头岛排污口生活污水中含氮量为92.26 mg/L，大三盘岛排污口生活污水中含氮量为69.90 mg/L，综合平均三盘港周边地区生活污水中平均含氮量约为81.08 mg/L。

1.3 养殖容量的计算方法

1.3.1 水交换率计算方法 本文采用港湾容积与潮差移动量方法，估算三盘港的水交换能力。根据网格图（见图2）布点的位置可算出三盘港的水面面积约等于1 365.8万m2，其中潮滩面积约为374.6万m2，再由1 : 50 000的海图上读出相应点处的水深值，然后按照每个网格的面积和水深值分别求出各小立方体水柱的水体容积，再将各小立方体的容积累加一起可算得三盘港的水体容积约等于4 447万m3。

一个潮周期内，涨潮时段的进潮量：

式中：Q－涨潮时流入海湾的水量/m3；S1－港湾的水面面积/m2；S2－港湾的潮滩面积/m2；△h－平均潮差/m（潮滩的平均潮差取海区平均潮差的一半）。

根据洞头海区多年的平均潮差得△h = 4.09 m。其结果：

Q = （1 365.8-374.6/2）× 4.09 = 4 820 万m3

三盘港的水交换率计算：

R = Q/V = 4 820 万m3/4 447 万m3=1.08

从上述计算结果得知，三盘港海水养殖区的水交换能力相当的强，整个港湾的水体半天（即一个潮周期）就能交换一次，这一事实也由潮流场数值计算及水质点追踪试验结果得到证实。

图3是在养殖区东部湾口处，于低潮时刻投放的水质点追踪试验的路径图。由图中的轨迹可看出，水质点在涨潮流的作用下，沿着海湾的轴线方向向西偏南漂移，在6个小时的涨潮期间，水质点已经漂移到接近湾顶的出口处（离湾顶约1 000 m），这说明东部湾口处的外海水在涨潮期间基本上能充满整个海湾。

图2 三盘港水体容积计算网格图Fig. 2 Calculated gridding of water capacity

图3 三盘港水质点追踪试验路径图Fig. 3 Trace and route of drift

1.3.2 潮流场数值模拟 三盘港海水养殖区水深较浅，海水垂直混合较充分，采用二维单层流体动力学方程计算潮流场。由于考虑了方程中的非线性项，所以用数值计算方法进行求解。

图4 计算坐标系Fig. 4 Reference frame of numeration

式中的x,y平面取在未扰动的平均海平面上，z轴垂直向上，构成右手坐标系（图4）。式中：ζ—平均海平面以上的瞬时水位高度，m；H—水深，H=ζ+h，m；U、V—垂直平均流速在x, y轴上的分量，m/s；g— 重力加速度，m/s2；f—柯氏参数；C—谢才系数；t—时间。

方程（1）－（3）的初始条件从静止水状态开始，U=V=ζ=0。边界条件分两类：沿岸闭边界，取法向流速等于零（Vn=0）；开边界各点水位为时间的已知函数，即 ζ=ζ（t）。

通过数值运算，得出洞头三盘港潮流和潮向。图5－图8是三盘港一个潮周期内落急（0 h）、低潮（3 h）、涨急（6 h）和高潮（9 h）4个潮时的流场分布状况图。

1.3.3 污染控制因子的选择 洞头三盘港海水养殖区污染源来自陆域与海域。陆域污染源主要来自其周边所属区域的生活污水的排放，而海域污染源则主要来自海上水产养殖。根据三盘港海水养殖区环境监测结果和养殖生物生态生理特征，初步筛选出三个污染控制因子，分别为化学需氧量（CODMn）、油类和无机氮。化学需氧量（CODMn）对污染源的定量、养殖区水质质量等均有重要的指标作用[17]，但实测得三盘港海水养殖区化学需氧量的浓度值符合都符合国家二类水质标准，表明CODMn对该海域影响程度较小。油类的输入主要是港口作业和海上船舶活动，而来自海上养殖活动所占的比例很少。无机氮输入主要是由养殖活动和陆源排放引起的，水体中的无机氮测定方法简便可靠，存在方式也相对稳定，无机氮浓度的增加会破坏养殖海域的营养结构，严重时发生赤潮，对于实际养殖活动具有重要的意义。因此本文选择无机氮作为养殖容量的污染控制因子。

图5 三盘港流场图（落急）Fig. 5 Ocean current in Sanpan Port(ebb)

图6 三盘港流场图（低潮）Fig. 6 Ocean current in Sanpan Port (LW)

1.3.4 负荷量的计算方法 三盘港海水养殖区主要受网箱养殖和陆源排污的影响。以三盘港海水养殖区共有约4 200口网箱，每口网箱每年向养殖区输入0.085 6 t无机氮计[14]，每年三盘港网箱养殖向养殖区总共输入无机氮约359.6 t，占总输入的82%。陆源污染以生活污水为主，根据温州城市人均综合供水、排污的预测指标[18]，可计算每人每天输入的生活污水为127.9 L/人·d；根据洞头县统计年鉴计算得出三盘港海水养殖区周边地区人口数量为21 430人；实测结果表明洞头生活污水中的含氮量为81.08 mg/L。综合以上数据得出陆源每年向养殖区排放的无机氮的量约为80 t。

图7 三盘港流场图（涨急）Fig. 7 Ocean current in Sanpan Port (flood)

图8 三盘港流场图（高潮）Fig. 8 Ocean current in Sanpan Port (HW)

1.3.5 无机氮扩散数值模拟 由于三盘港海水养殖区水深较浅，垂向混合比较均匀，可采用垂向积分的二维方程进行浓度预测：

式中：P为扩散物质的深度平均浓度，

Sm为污染物源强；

Kx、Ky为扩散系数，由Elder公式确定：

方程的边界条件为：

本计算的目的是预测由于人为活动造成的污染物浓度的增加值，因此，设定边界浓度为零，计算结果为增量值。

输入参数

①流场数据由潮流场计算结果提供（一个潮周期取480 个潮流场数据）；②网格步长DS = 150 m；③流场时间步长DT = 6 s；④扩散时间步长PDT =180 s⑤排放点10个；⑥初始浓度由“0”开始计算；⑦边界浓度按增量浓度计算方法给定

由上述给定的诸项参数，经20个潮周期计算，养殖海域无机氮的浓度已达到充分稳定。

1.3.6 模型的验证 根据调查结果显示，三盘港海水养殖区无机氮浓度值为0.445 mg/L；湾口外侧海域无机氮浓度值为0.351 mg/L。以湾口外侧海域无机氮浓度值作为背景值，代入陆源（80 t/a）和海上水产养殖（359.6 t/a）排入无机氮的量，运用无机氮扩散数值模拟计算可得三盘港海水养殖区无机氮浓度值约为0.441 mg/L，与实测值相差0.004 mg/L，两者之间相差很小，数值模拟得出的无机氮浓度值符合实际情况，模型是可信的。

1.3.7 养殖容量的计算方法 运用无机氮扩散数值模拟对三盘港的鱼类养殖容量进行估算，当陆源和养殖产生的污染物排放引起的无机氮增量小于0.049 mg/L，即三盘港海水养殖区的无机氮浓度值不超过0.400 mg/L时所能养殖的鱼类网箱数，我们认为将这个数量作为三盘港海水养殖区鱼类的养殖容量，较为适宜。

2 养殖容量计算结果

以无机氮为控制因子，通过扩散数值模拟方法计算三盘港海水养殖区内养殖及陆源排放的无机氮影响，从而计算网箱养鱼的养殖容量。计算结果显示，增加网箱养殖数量将会使三盘港水质进一步恶化，减少网箱养殖数量则会使水质得到改善，若网箱数量减少20%时，无机氮的增量为0.078 mg/L，即养殖区内无机氮的浓度值为0.429 mg/L，比海水水质三类标准(0.400 mg/L)高出0.029 mg/L；若网箱数量减少50%时，无机氮的增量为0.051 mg/L，即养殖区内无机氮的浓度值为0.402 mg/L，比海水水质三类标准(0.400 mg/L)高出0.002 mg/L。

图9和图10是网箱数量减少50%时，无机氮浓度分布图。其中图9是低潮时（浓度最高时刻，4 h）无机氮浓度分布状况，浓度最高值（0.412 mg/L）出现在中部小港湾内；图10是高潮时（浓度最低时刻，9 h）养殖区无机氮浓度分布状况，浓度最高值（0.394 mg/L）出现在东南部养殖区附近。上述浓度计算结果表明，当网箱数量减少50%时，一个潮周期内可使养殖区水体中无机氮的浓度值降到小于或等于0.400 mg/L。如果维持目前的养殖布局，则三盘港养殖区投饵网箱养鱼的养殖容量约为2 100口网箱。由图9可知，如果将靠大三盘岛的养殖网箱群适当向港湾中心海区移动，则养殖区域的水交换将加强，无机氮浓度值将下降，养殖区的养殖容量将可以进一步提高。

3 结 论

a) 洞头三盘港属于富营养化港湾，无机氮的浓度超过三类海水水质标准，富营养化状况已经对海水养殖活动产生不利影响。

b) 通过对三盘港污染物负荷量的估算，网箱养殖引起的无机氮增加量占到82%；网箱鱼排的监测表明网箱内水体中pH、DO低于网箱外侧，非离子氨和无机氮浓度值明显高于网箱外侧水体；这些都反映了网箱养殖已经对该海域的海洋生态和环境状况产生了不利的影响。

c) 按照目前的养殖布局，以网箱养殖对水体无机氮增量的影响小于0.049 mg/L为标准，即养殖区无机氮浓度值不超过0.400 mg/L，三盘港海水养殖区的投饵网箱养殖容量约为2 100口；如果将靠大三盘岛的养殖网箱群适当向港湾中心海区移动，则养殖区域的水交换将加强，无机氮浓度值将下降，养殖区的养殖容量将可以进一步提高。

图9 三盘港无机氮浓度分布数值模拟图(低潮时)Fig. 9 Numerical value simulation of DIN distribution in Sanpan Port(LW)

图10 洞头三盘港无机氮浓度分布数值模拟图(高潮时)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

国家海洋局青年海洋科学基金（2003127）；洞头县科技计划项目基金资助（S2003Y01）

姚炜民（1978－），男，浙江温州，高级工程师，学士，现主要从事海洋生态环境监测及研究。电子邮箱：ywm97@163.com