近江牡蛎筏式养殖活动对半封闭海湾水动力及水质的影响研究——以钦州湾为例

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高密度筏式养殖活动对海湾水环境的影响已经成为海洋环境科学、海洋动力学、生态学、环境管理学等学科领域研究的热点问题。近江牡蛎筏式养殖一般以标准浮排或沉排高密度悬挂约1.2米水泥串附着不同规格大小近江牡蛎进行养殖,其高密集覆盖在半封闭海湾对水体产生摩擦阻力,进而影响水交换和水质。为了量化近江牡蛎筏式养殖活动对半封闭海湾水动力和水质环境的影响,本研究以中国最大近江牡蛎养殖区——钦州湾为研究对象,首先采集沉排和浮排典型样本,通过多普勒流速剖面仪(ADCP)进行现场潮流测定,定量分析筏式养殖活动对潮流结构特征的影响,计算了表征摩擦阻力的表层粗糙高度系数,分析了蚝串大小、养殖密度与筏排表层粗糙高度的相关关系;在潮流实测基础上,对养殖阻力进行参数化带入二维水动力-水质耦合模型中,通过对比有无筏式养殖活动两种情景,估算近江牡蛎筏式养殖活动对钦州半封闭海湾纳潮量和半交换周期的影响以及湾区无机氮和活性磷酸盐浓度分布的影响。主要结论如下:(1)ADCP现场观测结果显示:海水通过养殖设施其表层流速会发生衰减,茅尾海沉排养殖区的单个养殖设施对表层流速的平均削减率在30.8~65.2%之间,湾颈浮排养殖区的单个养殖设施对表层流速的平均削减率在15.0~56.6%之间。水体穿过养殖设施后,上边界层的垂向剖面流速呈对数分布,通过对表层垂向流速进行对数剖面拟合,估算了各观测站位的上边界层参数,浮排观测站位的表层摩阻流速平均值为0.127 m/s,表层粗糙长度平均值为0.377 m,表层粗糙高度平均值为11.339 m;沉排观测站位的表层摩阻流速平均值为0.121 m/s,表层粗糙长度平均值为0.545 m,表层粗糙高度平均值为16.341 m。养殖密度与表层粗糙高度存在显著正向线性相关关系。(2)二维水动力-水质耦合模型模拟结果表明:茅尾海沉排养殖区、湾颈浮排养殖区、湾口浮排养殖区在小潮期有养殖较无养殖情景下的流速平均削减率分别为60.3%、40.2%、35.7%。同时,有无养殖状况下流速在涨落潮时相位发生了偏差。在有无养殖状况下,钦州湾平均纳潮量为10.20×10~8 m~3和11.28×10~8 m~3,削减了9.6%。以小潮期作为模拟开始时间,有无养殖情景下,半交换周期分别为46.1 d和36.8 d,表明高密集近江牡蛎筏式养殖活动产生的阻力使半封闭海湾平均半交换周期增加了9.3 d,可以发现,养殖活动的存在会阻碍海水的正常运动,进而影响湾区的水交换能力。(3)二维水动力-水质耦合模型模拟结果表明:无养殖较有养殖状况下,湾内高密度养殖区两个典型站位无机氮浓度变化幅度增长了45.6%和32.4%,活性磷酸盐浓度变化幅度增长了45.5%和30.8%,湾外低密度养殖区两个典型站位污染物浓度在有无养殖状况下变化幅度不大;同时,养殖活动不存在后,湾内高密度养殖区两个典型站位的无机氮浓度将会削减3.0%和3.4%,活性磷酸盐浓度将会削减3.2%和3.8%,靠近湾口的低密度养殖区的两个典型站位有无养殖情境下污染物浓度变化不大。由此可见,高密度筏式养殖活动的存在,会导致湾内水交换能力变弱,污染物浓度随潮汐变化幅度减小,从而影响养殖区内部污染物的对流扩散,污染物更容易在此区域蓄积,导致污染物浓度升高,而对于养殖密度低且水交换能力强的区域,养殖活动的存在对该区域污染物浓度变化影响不大。
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