匡翠萍， 董智超， 顧 杰， 單云馳

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 上海 200092； 2.上海海洋大學(xué) 海洋生態(tài)與環(huán)境學(xué)院， 上海 201306； 3.華東電力設(shè)計(jì)院有限公司， 上海 200063)

隨著海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)品和新食品供應(yīng)的需求不斷增加[1]，海產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴(kuò)大，我國海水養(yǎng)殖規(guī)模從1978年至2014年30余年間增長了22倍[2]，總產(chǎn)量占全球海水養(yǎng)殖的61.2%[3]，近岸海域水體富營養(yǎng)化程度不斷加劇[4]，近海養(yǎng)殖已經(jīng)成為海洋水環(huán)境污染的主要原因之一[5].隨著近海筏式扇貝養(yǎng)殖產(chǎn)量增加和養(yǎng)殖面積擴(kuò)大，大面積海水養(yǎng)殖網(wǎng)籠的布置，對海域水動(dòng)力條件產(chǎn)生了一定的阻礙作用，改變了養(yǎng)殖區(qū)及鄰近海域的水動(dòng)力特性，由于淺海養(yǎng)殖阻礙了海水的正常運(yùn)動(dòng)，減弱了水動(dòng)力強(qiáng)度，水體交換能力下降，交換周期增長，極大改變了區(qū)域的污染物擴(kuò)散和水環(huán)境質(zhì)量[6]，2011年5月桑溝灣爆發(fā)了大規(guī)模的赤潮[7]，2016年7月和8月秦皇島發(fā)生了兩次赤潮現(xiàn)象[8]，可見筏式養(yǎng)殖帶來的生物沉積和對水體交換能力的減弱在一定程度成為了赤潮爆發(fā)的誘因[9].因此，筏式養(yǎng)殖對區(qū)域水動(dòng)力和污染物輸運(yùn)影響關(guān)系的研究顯得極其重要.

通過對養(yǎng)殖區(qū)流場的觀測，可以發(fā)現(xiàn)海水養(yǎng)殖活動(dòng)對養(yǎng)殖海域動(dòng)力環(huán)境有顯著的影響.Boyd和Heasman[10]測量了南非Saldanha灣貝類養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)外的流速，養(yǎng)殖區(qū)外的流速是養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)的6倍.李鐵軍等[11]對浙江三門灣筏式養(yǎng)殖區(qū)前后進(jìn)行觀測，并使用潮汐觀測資料進(jìn)行調(diào)和分析，養(yǎng)殖區(qū)前后減少的流速變化率約為6%～22%.項(xiàng)福亭等[12]對蓬萊灣扇貝養(yǎng)殖區(qū)流速調(diào)查發(fā)現(xiàn)1975年至1990年15年間養(yǎng)殖中心區(qū)的最大流速減少了近75%，最小流速減少了近90%.陳清滿[13]發(fā)現(xiàn)枸杞島海域紫貽貝養(yǎng)殖設(shè)施對養(yǎng)殖海域水交換產(chǎn)生嚴(yán)重阻滯作用.趙東波等[14]研究了羅源灣養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)潮動(dòng)力結(jié)構(gòu)的特征及其對養(yǎng)殖活動(dòng)的響應(yīng)，高密度的養(yǎng)殖設(shè)施和生物的存在，阻礙了海灣水體的流動(dòng)，產(chǎn)生了雙邊界層結(jié)構(gòu)并減弱了潮汐不對稱效應(yīng).張澤華等[15]以黑泥灣為研究對象，分析了淺海海帶筏式養(yǎng)殖對周邊海域懸浮體動(dòng)力特征的影響作用，表明筏式養(yǎng)殖改變了潮流流速和懸浮體質(zhì)量濃度的垂向分布特征，抑制了海底泥沙的再懸浮作用.季如寶等[16]在對貝類養(yǎng)殖的海灣生態(tài)系統(tǒng)研究中指出，貝類密集區(qū)生物的沉降作用非常明顯.Hatcher等[17]在加拿大Upper South Cove貽貝養(yǎng)殖區(qū)進(jìn)行了測定，養(yǎng)殖區(qū)的沉降量往往是非養(yǎng)殖區(qū)的2倍以上.Bouchet和Sauriau[18]對太平洋貝類養(yǎng)殖區(qū)使用生態(tài)質(zhì)量評估發(fā)現(xiàn)，懸吊養(yǎng)殖系統(tǒng)比底播養(yǎng)殖有機(jī)物富集量更高.

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)學(xué)模型在海水養(yǎng)殖數(shù)值模擬研究上得到了廣泛應(yīng)用.Panchang等[19]認(rèn)為水動(dòng)力和粒子追蹤數(shù)學(xué)模型，是研究養(yǎng)殖區(qū)污染物的擴(kuò)散和運(yùn)移規(guī)律及其物質(zhì)歸宿是較為有效的手段.Fan等[20]運(yùn)用水動(dòng)力模型研究養(yǎng)殖區(qū)對水流的垂向結(jié)構(gòu)的分布的影響，流速垂向結(jié)構(gòu)分布主要由養(yǎng)殖區(qū)拖曳力和底摩阻共同控制.Durate等[21]基于三維模型計(jì)算加利西亞河口灣的水動(dòng)力特性，通過對余流場進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)筏式養(yǎng)殖可減少近40%的余流流速，這將助于有害藻華的發(fā)生.樊星等[22-23]基于水動(dòng)力模型和現(xiàn)場觀測，研究養(yǎng)殖密度對潮流垂直結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制，提出潮流上邊界層的概念，通過建立雙阻力模型得到養(yǎng)殖區(qū)潮流上邊界層平均阻力系數(shù)，邊界層的厚度受到養(yǎng)殖密度影響.史潔和魏浩[24]使用優(yōu)化的POM模型對桑溝灣養(yǎng)殖區(qū)進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)桑溝灣高密度的養(yǎng)殖使流速平均減小40%，平均半交換時(shí)間增長71%.

秦皇島養(yǎng)殖功能用海分布在洋河口漁港航道以南至灤河口唐山分界以北的海域，區(qū)域內(nèi)底棲生物豐富，水體透明度高，水質(zhì)良好，符合漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[25-26].秦皇島海域海灣扇貝養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展[27]，為了降低筏式養(yǎng)殖對近岸海域環(huán)境的污染，需要對筏式養(yǎng)殖對動(dòng)力環(huán)境的影響機(jī)理進(jìn)行綜合分析.國內(nèi)外的研究學(xué)者關(guān)于筏式養(yǎng)殖對水平和垂向的水流結(jié)構(gòu)的影響已經(jīng)有了諸多研究，但對養(yǎng)殖區(qū)周邊海域動(dòng)力和水質(zhì)的綜合性影響分析較少.針對秦皇島筏式養(yǎng)殖區(qū)，課題組已經(jīng)通過物理模型試驗(yàn)，研究了筏式養(yǎng)殖區(qū)垂向流速分布特征，探究了養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)外流速在不同水深、來流速度、養(yǎng)殖密度條件下的變化情況[28]，并利用明渠流理論，以對數(shù)函數(shù)曲線與拋物線曲線對流速垂向分布進(jìn)行了擬合和分析，指出養(yǎng)殖密度對流速垂向分布公式的影響特性[29].本文基于物理模型試驗(yàn)對筏式養(yǎng)殖垂向流速分布的研究成果，建立秦皇島海域水動(dòng)力和水質(zhì)模型，研究筏式養(yǎng)殖區(qū)對海域的水動(dòng)力和污染物輸運(yùn)的影響機(jī)制，為海水養(yǎng)殖的規(guī)劃和布局及海洋環(huán)境評價(jià)提供一定的理論依據(jù).

1 數(shù)學(xué)模型的建立和驗(yàn)證

1.1 控制方程

基于物理模型試驗(yàn)的成果對動(dòng)力垂向結(jié)構(gòu)進(jìn)行概化，采用二維數(shù)學(xué)模型研究筏式養(yǎng)殖區(qū)對秦皇島海域的動(dòng)力環(huán)境水平結(jié)構(gòu)的影響.水動(dòng)力模型的控制方程是建立在二維淺水方程的基礎(chǔ)上，在笛卡爾坐標(biāo)系下，通過對三維水平動(dòng)量方程和連續(xù)方程沿深度進(jìn)行積分，得到二維淺水方程如下：

(1)

(2)

(3)

式中：η表示水位，h=η+d，h為總水深，d為靜止水深；S為源流量，uS和vS表示源流入在x和y方向上的速度；t為時(shí)間；u與v表示x和y方向上的水深平均流速；g為重力加速度；f為柯氏力系數(shù)；ρ為水體密度，τsx和τsy表示x和y方向上的風(fēng)應(yīng)力；τbx和τby表示x和y方向上的底部摩擦力；側(cè)應(yīng)力Tij包括黏性摩擦和紊動(dòng)摩擦等.通過對渦黏方程沿水深平均流速梯度方向計(jì)算如下：

(4)

水質(zhì)模型的基本控制方程為

(5)

式中：C為濃度標(biāo)量；kp表示污染物的衰減率；CS為源處濃度標(biāo)量；FC為水平擴(kuò)散項(xiàng)；A為水平渦黏系數(shù).

(6)

式中：Dh為水平擴(kuò)散系數(shù).

對于營養(yǎng)鹽等非保守物質(zhì)，在隨流平流、擴(kuò)散遷移的同時(shí)，由于大氣揮發(fā)作用、微生物降解作用、浮游生物的富集作用以及懸浮顆粒的吸附作用等，其本身的性質(zhì)和質(zhì)量也在發(fā)生變化.其中的生物化學(xué)作用一般與溫度、鹽度等條件有關(guān)，本文以COD(化學(xué)需氧量)為例，污染物降解考慮一級衰減過程，滿足一級反應(yīng)方程，即

(7)

式中:K(T,S)COD為降解速率，若K(T,S)COD=0，為保守物質(zhì).

1.2 模型區(qū)域和網(wǎng)格

為保證模型計(jì)算的合理性和準(zhǔn)確性，本文采取大小模型嵌套模式進(jìn)行計(jì)算，使用驗(yàn)證過的大區(qū)域模型為小區(qū)域模型提供計(jì)算邊界.大區(qū)域模型為渤海模型[30]，使用大連老虎灘至煙臺兩個(gè)潮位站連線作為開邊界[31].小區(qū)域模型包含整個(gè)養(yǎng)殖區(qū)和鄰近海域，小區(qū)域模型沿岸南起灤河以南20 km，北至山海關(guān)以北約25 km，向外海延伸約60 km，東北和西南側(cè)外海開邊界長約50 km，東南側(cè)外海開邊界長約115 km，區(qū)域范圍為119°7′53.93″E ～ 120°29′29.83″E，39°1′32.43″N ～ 40°5′55.45″N.秦皇島計(jì)算網(wǎng)格和養(yǎng)殖區(qū)位置如圖1所示，數(shù)學(xué)模型采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格，網(wǎng)格東西跨度約110 km，南北跨度約120 km，網(wǎng)格共計(jì)9 442個(gè)節(jié)點(diǎn)，三角形單元共計(jì)17 973個(gè).網(wǎng)格分辨率按研究需要對近岸區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，外海網(wǎng)格則相對稀疏.網(wǎng)格最高分辨率約為15 m，最低分辨率約為7 km.近岸區(qū)域較高分辨率有利于合理表現(xiàn)近岸地形的變化和曲折岸線的處理，遠(yuǎn)海區(qū)較低分辨率有利于合理概化外海地形并減少模型計(jì)算時(shí)間.筏式養(yǎng)殖區(qū)主要集中于洋河和灤河之間，老虎石以北有少量分布.本文根據(jù)衛(wèi)星遙感資料顯示的養(yǎng)殖區(qū)密度，將養(yǎng)殖區(qū)概化成高密度區(qū)(Ⅰ)和低密度區(qū)(Ⅱ).

1.3 邊界條件和參數(shù)設(shè)定

模型外海開邊界N、E、S使用潮位過程和流速過程的復(fù)合邊界條件來驅(qū)動(dòng).其中，潮位和流速過程由渤海潮流模型計(jì)算提供.模型陸向開邊界為11個(gè)河口，河流邊界通過河流實(shí)測月平均流量控制.COD是表征有機(jī)污染的一個(gè)綜合因子，也是海域定量描述受污染程度的重要指標(biāo)之一.很多研究將COD與赤潮的爆發(fā)直接聯(lián)系起來，甚至將其作為海域富營養(yǎng)化的重要指標(biāo)之一，而且COD受生物活動(dòng)的影響相對來說比營養(yǎng)鹽小，它的生化降解作用也較容易確定[31].因而本文選取COD作為計(jì)算邊界.污染物COD濃度根據(jù)外海污染物平均濃度取值，N、S邊界COD濃度取1.2 mg·L-1，E邊界COD濃度取1.3 mg·L-1.河流入海條件，見表1,由7、8月實(shí)測月平均流量及入海污染物濃度提供.

a 研究區(qū)域網(wǎng)格

b 筏式養(yǎng)殖區(qū)范圍

模型計(jì)算參數(shù)主要包括時(shí)間步長、CFL數(shù)、干濕邊界判定參數(shù)、水平渦黏系數(shù)、底床摩擦力、科氏力等.模型的時(shí)間步長設(shè)置為0.01～1 s的變化步長，使CFL數(shù)小于1，可以有效地解決模型不穩(wěn)定的問題；干濕邊界判定參數(shù)中，干水深hdry取值0.005 m，淹沒水深hflood取值0.05 m，濕水深hwet取值0.1 m；水平渦黏系數(shù)設(shè)定采用Smagorinsky亞網(wǎng)格尺度模型計(jì)算，Smagorinsky系數(shù)cs取常數(shù)0.28；科氏力由模型所在區(qū)域的緯度確定.

表1 秦皇島入海河流2013年7、8月平均流量(m3·s-1)及COD濃度(mg·L-1)

底床摩擦力是二維水動(dòng)力模擬中的一個(gè)重要參數(shù)，本文采用曼寧數(shù)作為衡量底床摩擦力的指標(biāo).養(yǎng)殖區(qū)以外海域曼寧數(shù)M根據(jù)以往該區(qū)域的研究[32]取均值為74 m1/3·s-1.秦皇島海域筏式養(yǎng)殖區(qū)由多個(gè)子養(yǎng)殖區(qū)構(gòu)成，各子養(yǎng)殖區(qū)間隔大于2 km定義為低密度養(yǎng)殖區(qū)，間隔小于2 km定義為高密度養(yǎng)殖區(qū).基于物理模型試驗(yàn)養(yǎng)殖區(qū)曼寧數(shù)參考物模試驗(yàn)的率定結(jié)果取值[33]，相應(yīng)高密度養(yǎng)殖區(qū)曼寧數(shù)取值為20 m1/3·s-1，低密度養(yǎng)殖區(qū)曼寧數(shù)取值取值為30 m1/3·s-1.

水溫根據(jù)秦皇島近岸海域?qū)崪y資料，因7、8月份水溫較接近，取實(shí)測平均值為25.8 ℃；海區(qū)初始COD濃度設(shè)為1.3 mg·L-1；COD的阿倫尼烏斯溫度系數(shù)θCOD取1.02.根據(jù)秦皇島近岸海域污染物分布規(guī)律，本文取COD在20 ℃時(shí)的降解系數(shù)K20=0.001～0.032 5[33].

1.4 模型驗(yàn)證

采用養(yǎng)殖區(qū)海域?qū)崪y潮位、潮流和COD濃度資料對水動(dòng)力模型和水質(zhì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證點(diǎn)位如圖2a所示.潮位驗(yàn)證(WL1點(diǎn))采用2013年5月10日8:00至2013年5月12日8:00秦皇島潮位站點(diǎn)的實(shí)測潮位資料，流速和流向驗(yàn)證(SDL07及SDL09點(diǎn))采用2013年5月11日8:00至2013年5月12日8:00秦皇島海域潮流站點(diǎn)實(shí)測流速和流向資料，污染物COD的驗(yàn)證使用2013年秦皇島8月期間28個(gè)實(shí)測站(Q01-Q28)所測COD濃度進(jìn)行驗(yàn)證.潮位、流速、流向及COD濃度的驗(yàn)證結(jié)果如圖2所示.潮位、流速和流向的模型計(jì)算值與實(shí)測值相位一致、數(shù)值基本吻合，擬合較好.COD計(jì)算值取測量日期COD濃度日平均值，28個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)位計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值誤差較小，除Q21點(diǎn)外，絕對誤差均在±0.45mg·L-1以內(nèi)，相對誤差均在30%以內(nèi).

圖2 驗(yàn)證點(diǎn)位，潮位、流速、流向及COD濃度驗(yàn)證

為了評價(jià)模型計(jì)算結(jié)果的優(yōu)劣，比較計(jì)算值和實(shí)測值之間的差異程度，本文采用數(shù)學(xué)模型中常使用的模型評價(jià)方法進(jìn)行模型計(jì)算評價(jià).百分比模型偏差法[34]用來計(jì)算模型的模型計(jì)算值M和相應(yīng)實(shí)測值D之間的百分比偏差率，計(jì)算方法如下：

(8)

當(dāng)P≤10，擬合結(jié)果極好；當(dāng)1040，擬合結(jié)果差.使用百分比模型偏差法對秦皇島水動(dòng)力和水質(zhì)模型計(jì)算效率進(jìn)行評價(jià)，計(jì)算得到潮位百分比偏差為29、流速、流向百分比偏差均小于20，COD濃度28個(gè)站位總評價(jià)百分比偏差為12.5，所有站點(diǎn)評價(jià)均為好或非常好，該模型可以用于計(jì)算分析養(yǎng)殖區(qū)對海域水動(dòng)力和污染物輸運(yùn)的影響.

2 筏式養(yǎng)殖對水動(dòng)力的影響

為了與養(yǎng)殖區(qū)存在情況下的近岸海域水動(dòng)力進(jìn)行對比，模擬無養(yǎng)殖區(qū)情況作為模型的對照組.采用有養(yǎng)殖區(qū)流場與無養(yǎng)殖區(qū)流場流速相減，得到流速差值，如圖3所示.I為高密度養(yǎng)殖區(qū)，Ⅱ?yàn)榈兔芏瑞B(yǎng)殖區(qū).高密度養(yǎng)殖區(qū)流速有明顯減?。坏兔芏瑞B(yǎng)殖區(qū)流速也有所減小，但減小程度比低密度養(yǎng)殖區(qū)??；灤河口外由于岸線走向改變沿岸流的方向，流速減??；其他區(qū)域減小幅度自近岸向外海遞減.有養(yǎng)殖區(qū)情況下養(yǎng)殖區(qū)Ⅰ內(nèi)流速明顯減小，Ⅰ區(qū)近岸處流速減少幅度約為20%～50%，Ⅰ區(qū)向海側(cè)流速減少幅度為10%～20%；Ⅱ區(qū)流速變化較小，減少幅度小于10%；因漲落潮流方向?yàn)镹E-SW向，非養(yǎng)殖區(qū)的沿岸區(qū)域也有一定流速減小，減小幅度小于10%；受養(yǎng)殖區(qū)布置及走向影響，養(yǎng)殖區(qū)外側(cè)向外海延伸區(qū)域，流速增加，增加幅度小于10%.

圖3 平均流速變化場(有養(yǎng)殖區(qū)無養(yǎng)殖區(qū))

Fig.3 Distribution of mean flow velocity change caused by the scenarios with and without culture zone

隨著人們對海產(chǎn)品的需求不斷增加，養(yǎng)殖面積和養(yǎng)殖密度都在逐步加大，養(yǎng)殖密度增加使養(yǎng)殖區(qū)對水流的阻礙更加顯著.為探究養(yǎng)殖區(qū)密度的變化對秦皇島近岸海域水動(dòng)力影響程度和影響范圍，通過改變模型區(qū)域的曼寧數(shù)場來實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖密度的增加.由于高密度養(yǎng)殖區(qū)阻水能力更強(qiáng)，養(yǎng)殖區(qū)密度越高，曼寧數(shù)越小.在模型地形區(qū)域、邊界條件不變的條件下，將高密度養(yǎng)殖區(qū)曼寧數(shù)較初始值由20 m1/3·s-1更改為10 m1/3·s-1，低密度養(yǎng)殖區(qū)曼寧數(shù)較初始值由30 m1/3·s-1更改為20 m1/3·s-1[33]形成更高密度養(yǎng)殖區(qū).

更高密度養(yǎng)殖區(qū)與無養(yǎng)殖區(qū)流速場進(jìn)行差值的結(jié)果如圖4所示.更高密度養(yǎng)殖區(qū)條件下養(yǎng)殖區(qū)(Ⅰ、Ⅱ)內(nèi)流速明顯減小，對流速的削減量較正常養(yǎng)殖情況下更大，影響范圍增加，養(yǎng)殖區(qū)外側(cè)出現(xiàn)大范圍流速增大的現(xiàn)象.經(jīng)計(jì)算，Ⅰ區(qū)近岸處流速減少幅度約為40%～80%，Ⅰ區(qū)向海側(cè)流速減少幅度為20%～40%；Ⅱ區(qū)流速變化較小，減少幅度為10%～30%；因漲落潮流方向?yàn)镹E-SW向，沿岸區(qū)域也有一定流速減小，減小幅度小于20%；向外海延伸區(qū)域，流速增加，增加幅度小于10%.當(dāng)養(yǎng)殖密度增加時(shí)，高密度養(yǎng)殖區(qū)流速減少更加明顯，而其外部部分海域流速增加也更明顯.

圖4 平均流速變化場(更高密度養(yǎng)殖區(qū)無養(yǎng)殖區(qū))

Fig.4 Distribution of mean flow velocity change caused by the scenario with higher density culture zone and without culture zone

a P1

b P2

c P3

3 筏式養(yǎng)殖對污染物輸運(yùn)的影響

養(yǎng)殖區(qū)除影響區(qū)域水動(dòng)力、水質(zhì)分布外，自身也可成為污染源，尤其在風(fēng)暴潮等情況下，底質(zhì)污染物易隨水體擾動(dòng)釋放，造成區(qū)域污染.假定養(yǎng)殖區(qū)污染物初始濃度為單位濃度1 mg·L-1，其他海域初始濃度為0，海區(qū)邊界及陸地邊界條件污染物濃度均設(shè)置為0.根據(jù)驗(yàn)證率定參數(shù)，污染物水平擴(kuò)散系數(shù)取40～120 m2·s-1.模型不指定污染物種類，也不考慮生化降解過程，即降解系數(shù)為0.設(shè)置了有無養(yǎng)殖區(qū)兩種工況進(jìn)行模擬和對比.

將有養(yǎng)殖區(qū)濃度場與無養(yǎng)殖區(qū)濃度場進(jìn)行差值，得到濃度變化場如圖6所示，圖中深色區(qū)域表示養(yǎng)殖區(qū)導(dǎo)致污染物濃度增高，淺色表示養(yǎng)殖區(qū)導(dǎo)致污染物濃度降低.從有無養(yǎng)殖區(qū)的平均流速變化場(圖3)可以看出，有養(yǎng)殖區(qū)條件下，養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)的流速明顯降低，直接阻礙了養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)部污染物的對流擴(kuò)散能力，所以較無養(yǎng)殖區(qū)條件下，養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)污染物對流擴(kuò)散緩慢，污染物濃度增高的區(qū)域主要集中在養(yǎng)殖區(qū)內(nèi).污染物濃度降低的區(qū)域主要位于養(yǎng)殖區(qū)的南北兩側(cè)，這是由于秦皇島近岸海域潮流總體特征為順岸往復(fù)流，漲潮流為SW向，落潮流為NE向，潮流的方向決定了污染物對流擴(kuò)散的方向，而養(yǎng)殖區(qū)的存在直接降低了污染物向養(yǎng)殖區(qū)的SW和NE向擴(kuò)散的能力，所以有養(yǎng)殖區(qū)條件下養(yǎng)殖區(qū)南北兩側(cè)的濃度較無養(yǎng)殖區(qū)條件下有所降低.同時(shí)，養(yǎng)殖區(qū)作為污染源，本身結(jié)構(gòu)影響了污染物分配，污染物濃度的差值的體現(xiàn)為近海大、遠(yuǎn)海小，養(yǎng)殖區(qū)附近大、其他區(qū)域小的特點(diǎn)，導(dǎo)致海域污染物濃度差值由養(yǎng)殖區(qū)向外逐漸減小，隨著擴(kuò)散時(shí)間的增加，有無養(yǎng)殖區(qū)情況污染物濃度差逐漸降低.

根據(jù)典型點(diǎn)P1、P2、P3的進(jìn)行對比有無養(yǎng)殖區(qū)污染物濃度變化過程(圖7).有無養(yǎng)殖區(qū)對污染物對流和擴(kuò)散有一定的影響，影響程度由近岸到遠(yuǎn)岸逐漸減小.P1點(diǎn)位因在高密度養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)部，有養(yǎng)殖區(qū)存在，污染物濃度高于無養(yǎng)殖區(qū)情況，有無養(yǎng)殖區(qū)污染物濃度差較大，最高達(dá)0.14 mg·L-1，差值先增大后減??；P2點(diǎn)位同樣受養(yǎng)殖區(qū)影響，有養(yǎng)殖區(qū)情況污染物濃度高于無養(yǎng)殖區(qū)情況，二者差值最高0.05 mg·L-1，差值也是先增大后減??；P3點(diǎn)位在養(yǎng)殖區(qū)外，前期污染物濃度基本一致，后期有養(yǎng)殖區(qū)情況污染物濃度略高，差值最高0.005 mg·L-1，呈波動(dòng)性增加.可見養(yǎng)殖區(qū)的存在對養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)部污染物對流和擴(kuò)散影響較大，養(yǎng)殖區(qū)密度越高，污染物對流擴(kuò)散越慢.

圖6 污染物濃度分布變化過程(養(yǎng)殖區(qū)無養(yǎng)殖區(qū))

圖7 典型點(diǎn)污染物濃度及濃度差變化過程對比

4 結(jié)論

基于二維秦皇島海域水動(dòng)力和水質(zhì)模型，模擬和對比了秦皇島有無養(yǎng)殖區(qū)條件下近岸海域水動(dòng)力和污染物輸運(yùn)情景，探究養(yǎng)殖區(qū)與海域水動(dòng)力和污染物輸運(yùn)的響應(yīng)關(guān)系，得到如下結(jié)論：

(1) 養(yǎng)殖區(qū)的存在對海域水動(dòng)力條件有明顯的阻礙作用，養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)流速明顯減小，養(yǎng)殖區(qū)外向外海延伸區(qū)域流速略有增大，增加幅度小于10%.

(2) 當(dāng)養(yǎng)殖密度增加時(shí)，高密度養(yǎng)殖區(qū)流速減少更加明顯，而其外部部分海域流速增加也更明顯.高密度養(yǎng)殖區(qū)近岸處流速減少幅度約為20%～50%，向海側(cè)流速減少幅度為10%～20%；低密度養(yǎng)殖區(qū)流速減少幅度小于10%；向外海延伸區(qū)域，流速略增加，增加幅度小于10%.其他區(qū)域流速幾乎不變.

(3) 養(yǎng)殖區(qū)對污染輸運(yùn)有一定影響，養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)部影響大，逐漸向外海影響減小.養(yǎng)殖區(qū)存在時(shí)，污染物對流和擴(kuò)散較慢，養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)濃度高于無養(yǎng)殖區(qū)工況，外海區(qū)濃度變化不大.

致謝：感謝國家海洋局秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測中心站為本文的研究提供了充足的實(shí)測資料.