（环境科学专业论文）典型养殖海区潮动力结构特征的初步研究——观测与数值模拟.pdf

阻力系数瓦和涡猫系数嵋的取值来研究养殖活动埘潮流垂直结构的影响机制。 模型的输入参数由现场观测数据得来。数值实验结果显示：在浅海非线性作 用下，潮流流速随应力的改变呈非线性变化，而不是单调递增或递减。养殖 活动和底应力对潮流流速的垂直分布和涡粘系数的垂直分布有影响：当养殖密度 减小后，水体受到的养殖阻力减小，上层海水流动加快，因此潮流上边界层变薄， 底边界层变厚：随着底应力的减小，底层海水流动加快，潮流底边界层变薄，上 边界层变厚。养殖密度的增加阻碍了流出该湾的海水的流速，加快了流入海 水的流速，而底应力的增加恰好相反，阻碍了流入该湾的海水，加快了流出海水 的流速。涡粘系数! 7 的变化既改变了潮流流速的量值，又改变了潮流流速的 垂直分布。 关键词：潮动力结构；数值模拟：海水养殖；桑沟湾 p r eiimin ar ys t u die so nt h ef e a t u r e so ft id ai d y n a mic s tr u c t u r e in at y pic aiiyhig hd e n sit ym aric uit u r e o o a s t alb a y o b s erv a tio na n ds im uia tio n s a b s t r a c t s a n g g o ub a yi sam a i nc h i n e s em a r i c u l t u r es e aa r e aa l o n gt h ey e l l o ws e a i n r e s e n ty e a r s ，t h e r eh a sa na l t e r n a t i v ef e a t u r eo ft i d a l d y n a m i cs t r u c t u r ei n d u c e db y l a r g e s c a l ea n do v e r - h e a v ym a r i c u l t u r e t h e r e f o r ef u r t h e rr e s e a r c h e so nt h ef e a t u r ea s w e l la st h em e c h a n i s mo ft h ee f f e c to fm a r i c u l t u r eo nt i d a l d y n a m i cs t r u c t u r ea r e f u n d a m e n t a lt ou n d e r s t a n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e n c a r r y i n gc a p a c i t y a n d e n v i r o n m e n ti nt h i sb a y i nt h i sp a p e r , o n eo ft h em a i np u r p o s e si st oa n a l y z et h e f e a t u r eo ft h ev e r t i c a ls t r u c t u r eo ft i d a lc u r r e n tf r o mf i e l do b s e r v i n g ，a n o t h e ri st o d i s c u s si t sm e c h a n i s mn u m e r i c a l l yt h r o u g h am o d i f i e d l d d o u b l e - d r a g h y d r o d y n a m i cm o d e l i nt h ep r e s e n ts t u d y ，t w oc o m p a n i e so ff i e l do b s e r v a t i o na r ep e r f o r m e di ns p r i n ga n d s u m m e ro f2 0 0 6r e s p e c t i v e l y t h e r ea r et o t a l l y5s t u d ys t a t i o n ss c h e m e di na llk i n d s o fa q u a c u l t u r er e g i o na sf o l l o w s ：x u n s h a n ，c h u n d a o ，a n c h o rs t a t i o n ，m i d d l eo fb a y m o u t ha n dm i d d l eo fi n n e rb a y b a s i ct ow a t e rl e v e ld a t ai nb o t hx u n s h a na n dc h u d a o a n da l la d c pa n da d vd a t a , h a r m o n i cc o e f f i c i e n t so f6m a i nc o m p o n e n t so ft i d ea n d t i d a lc u r r e n ta n de l l i p t i ce l e m e n t so ft i d a lc u r r e n ta r ea c h i e v e db ym e a n so ft h e q u a s i h a r m o n i ca n a l y s i s f e a t u r e s o ft h eh a r m o n i cc o e f f i c i e n t so ft i d e ，v e r t i c a l s t r u c t u r e so ft i d a lc u r r e n t ，t o t a lk i n e t i ce n e r g yo fw a t e rc o l u m n ，b o t hf r i c t i o n v e l o c i t i e sa n dd r a gc o e f f i c i e n t si nt i d a lu p p e rb o u n d a r yl a y e ra n db o t t o mb o u n d a r y l a y e r ，d i s t r i b u t i o n so fe d d yv i s c o s i t ya n dt h es h e a rs t r e s s ，t k ed i s s i p a t i o nr a t ea n dt h e r e y n o l d ss t r e s sn e a rt h es e ab e di nt h et w os e a s o n sa r ea n a l y z e d a sar e s u l t ，s a n g g o u b a yi s d o m i n a t e db yi r r e g u l a rs e m i d i u m a it i d ea n dr e g u l a rs e m i d i u m a lt i d a l c o m p o n e n t sw i t ht i d a lc u r r e n tf l o w i n gb a c ka n df o r t h o n l yt i d es p e e di sd e c r e a s e db y l a r g e s c a l em a r i c u i t u r e ，r a t h e rt h a nt h ec h a r a c t e ro ft i d a lw a v e t h e v e r t i c a lv e l o c i t y g r a d i e n to c c u r si nu p p e rw a t e rc o l u m nb e c a u s eo fp l e n t yo fm a r i c u l t u r eo r g a n i s m s a n dc u l t u r es t r u c t u r e s i tc h a n g e st h ev e r t i c a ls t r u c t u r eo ft i d a lc u r r e n te v i d e n t l yt o f o r map e c u l i a r l yt i d a lu p p e rb o u n d a r yl a y e r i nt h el a y e r ，t h es p e e do b e y sl a wo ft h e w a l l ，w h o s el o g a r i t h m i cp r o f i l ei so b t a i n e do ni n t e g r a t i o n t h ed r a gc o e f f i c i e n to f u p p e rb o u n d a r yl a y e rc d s e x c e e d st h a to fb o t t o mb o u n d a r yl a y e r ( ；_ ，埔，b u tb o t ho f t h e ma r eo f10 2m a g n i t u d e ，1o r d e ro fm a g n i t u d eh i g h e rt h a nt h a ti nn a t u r a la r e a t h e r o u g h n e s sl e n g t hi so f1 0 - 2 _ 1 0 mm a g n i t u d e ，3 4o r d e r so f m a g n i t u d eh i g h e rt h a nt h a t i nn a t u r a la r e a s i g n i f i c a n t1 h o u re a r l i e r e b b a n d e a r l i e r f l o o d i n ga p p e a r si ns u r f a c e i nt h ee n t i r eb a y t h ep e a kt i d a lc u r r e n to c c u r s1h o u re a r li e ri nt h eb a ym o u t ht h a n t h a ti n s i d e e d d yv i s c o s i t y 咋i s1 - 2o r d e r so fm a g n i t u d eh i g h e rt h a nt h a ti nn a t u r a l a r e a , a n dt k ed i s s i p a t i o nr a t esi s1 - - 2o r d e r so fm a g n i t u d es t r o n g e ra sw e l l o nt h eo t h e rh a n d am o d i f i e di - dd o u b l e d r a gh y d r o d y n a m i cm o d e li se s t a b l i s h e dt o s i m u l a t et h ev e r t i c a ls t r u c t u r e so fb o t ht i d a lc u r r e n ta n dt h ec o r r e s p o n d i n gs h e a rs t r e s s i nt h ek e l pc u l t u r er e g i o n ，w h o s ei n p u tp a r a m e t e r sc a nb eo b t a i n e df r o mf i e l d m e a s u r e m e n t s b a s e do nt h i sm o d e l ，t h ee f f e c t so fm a f i c u l t u r eo nt h ev e r t i c a l s t r u c t u r eo ft i d a lc u r r e n ta r ed i s c u s s e dt h r o u g ha d j u s t i n gt h ev a l u e so ft h ea v e r a g e d d r a gc o e f f i c i e n ti n t i d a lu p p e rb o u n d a r yl a y e rc ，硝，t h ea v e r a g e dd r a gc o e f f i c i e n ti n b o t t o mb o u n d a r yl a y e rc i i h o re d d yv i s c o s i t yv 1 a sar e s u l t ，t i d a l c u r r e n ts p e e dh a sa n o n l i n e a rt e n d e n c yt oc h a n g ew i t ht h es h e a rs t r e s s ，b e c a u s eo ft h en o n l i n e a r i t yi n s h a l l o ws e a 。m a r i c u lt u r ea n db o t t o ms t r e s sh a v ea ne f f e c to nt h ev e r t i c a ls t r u c t u r e so f b o t ht i d a lc u r r e n ta n de d d yv i s c o s i t y w h e nt h ea q u a c u l t u r ed e n s i t yb e c o m e sl o w e r , t h ea q u a c u l t u r ed r a gd e c r e a s e sr e s u l t i n gi nt h eu p p e r l a y e rw a t e rf l o w sr a p i d l y , t h u s h a v i n gat h i n n e rt i d a l - c u r r e n tu p p e rb o u n d a r yl a y e ra n dat h i c k e rb o t t o mb o u n d a r y l a y e r w h e nt h eb o t t o ms t r e s si sg r a d u a l l yl o w e ra n dl o w e r , t h eb o t t o m l a y e rw a t e r s p e e du p ，s ot h eb o t t o mb o u n d a r yl a y e ri st h i n n e ra n dt h eu p p e rb o u n d a r yl a y e ri s t h i c k e r t h ei n c r e a s i n ga q u a c u l t u r ed e n s i t yb l o c k st h eo u t f l o w sb u ts p e e du pt h e i n f l o w s o nt h ec o n t r a r y , t h ei n c r e a s i n gb o t t o ms t r e s sb l o c k st h ei n f l o w s ，w h i l es p e e d u pt h eo u t f l o w s t h em a g n i t u d ea n dt h ev e r t i c a ls t r u c t u r eo ft i d a lc u r r e n ta r ea f f e c t e d b yt h ee d d yv i s c o s i t y k e y w o r d s ：t i d a ld y n a m i cs t r u c t u r e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；m a r i c u l t u r e ；s a n g g o ub a y v 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 逵! 塑遗直基丝益要缱星4 直塑的! 奎拦卫窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：款岛 签字r 期：朋年歹月加曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 数岛 签字日期：砷讶年芦月矽日 导师签字期氅q 、，勰 j 典掣养矾沟：i x j 9 j 动j 构特i i l l 的初形研究一脱测，数仇校拟 0 前言 桑沟湾是我国黄海沿岸重要的水产增养殖水域，是山东省丌展海洋水产农 牧化试验的重点海湾，同时被国家环保局定为海珍品生物自然保护区。近年来 由于扩大养殖舰模，养殖生物数量超过养殖容量，养殖佃局不合理，从而导致 该湾水交换周期延长，水动力结构发生改变。因此，研究桑沟湾海区的潮动力 现状，探讨养殖活动对海域潮动力结构的影响机制是当务之急。 0 1 桑沟湾海区概况及养殖现状 0 1 1 桑沟湾海区概况 桑沟湾位于山东半岛东端( 3 7 0 0 1 3 7 0 0 9 n ，1 2 2 0 2 4 一1 2 2 0 3 5 e ) ，海湾 呈“c ”字型，如图0 1 所示。湾口宽约1 1 5 k m ，东、西宽约7 5 k m ，岸线长6 0 k m ， 水域总面积大约1 4 0 k i n 2 ，养殖水域面积为2 0 力亩。平均水深7 - 8 m ，最大水 深达1 8 m 。底质具有基岩、砂砾石、中细砂、粉砂及泥质粉砂等多种类型，潮 间带平均宽2 0 0 m ( 赵俊，周诗赉等，1 9 9 6 ) 。 桑沟湾地区属于温带季风气候，温和湿润，年平均气温1 0 9 ，全年6 级 以上大风平均8 8 d ，同照平均2 0 8 4 h 。年平均水温1 3 左右，2 月份最低，平 均1 8 ：8 月份最高，平均2 4 9 。c 。湾内盐度变化不大，年平均盐度3 1 8 ，1 月份最低，为3 1 0 ，6 月份最高，为3 2 3 ( 赵俊，周诗赉等，1 9 9 6 ) 。 从太平洋进入黄海的m 2 分潮潮波向北传播过程中受山东半岛和辽东半岛 的反射，入射波与反射波相互干涉，在黄海形成两个逆时针方向旋转的潮波系 统，无潮点位于距离桑沟湾不远处的成山角附近。受此潮波系统的控制，该湾 潮汐类型属不正规半日潮，潮汐r 不等现象十分明显，地区的潮差不超过2 m 。 全年平均波高小于0 5 m 的风浪m 现率为9 3 4 。潮流类型为证规半f 二i 潮，属往 复流类型。涨潮时湾口中、北部海水朝西南流入湾内，南部海水朝南偏东流出 湾外；落潮时相反，湾中、北部海水朝东北流出湾外，南部海水朝西北偏北流 入湾内。转流时刻相差不大，半潮时流速最强，平潮时最弱。湾 1 北部流速比 南部大。 9 l j 弘养补洵i x 潮动，7 j 纳构特t l r 的初步研究观测j 数俩梭拟 。厂t，一 8 榉一 刍t 、 i 篱琴 、- 一 7 q i n g d a o b 蕊a _ ； 参 参 ，t 一 1 2 0 。 图o i 桑沟湾地形l 刳 1 3 0 0 e 3 5 。n 桑沟湾东面与黄海相连，为半封闭海湾，三面被陆地环抱( 威海荣成市) ， 使得南、西、北方向的风对该海区的影响大为减弱。桑沟湾入湾河流有桑干河、 崖头河、沽河、小落河，年总径流量在1 6 8 2 6 4 x 1 0 8 m 3 之间。陆源物质来源 较少。海水中营养物质( n ，p ，s i ) 与其他海区相比含量较低。桑沟湾生物种 类繁多，共有生物( 不包括浮游生物) 3 l o 多种，其中底栖生物2 2 4 种，可供 选用的增养殖品种不少。基础生产力在2 5 0 9 m 2a 以上( 张为先，1 9 9 2 ) ，是基 础生产力比较高的海湾。湾内海底地势平坦，自然地理环境优越，周围进入该 湾的工业污水数量较少，水产资源丰富，因此养殖业十分发达，养殖面积已经 超过全湾的5 0 ，成为我国黄海沿岸的重要水产养殖水域。该湾的主要养殖类 型为：在湾口外或水深较大、流急处以海带养殖为主，湾内水深较浅处以海带 和贝类( 太平洋牡蛎、栉孔扇贝、贻贝等) 兼养或以贝类养殖为主，传统的鱼 类网箱养殖在近年来也发展得较快，主要分布在湾西南角，海带年产量约8 万 t ( 淡干) ，贝类养殖产量约1 2 万t ( 带壳鲜重) 。养殖业是荣成市主要的支柱 产业( 毛兴华，朱明远等，1 9 9 3 ：方建光，孙慧玲等，1 9 9 6 ) 。 0 1 2 桑沟湾养殖业现状 桑沟湾的海水养殖业始于2 0 世纪6 0 年代木期，当时海带是唯一的养殖品 种。7 0 年代期间，除了养殖海带以外，贻姒养贿办有所发展，但由于经济效益 较低，进入8 0 年代后贻贝养嫡业逐年减少。随着7 0 年代术8 0 年代初扇贝人工 茁种培育火舰模，i 广：技术的成功，栉孔扇贝养钾f 、j k 在该湾得剑了迅速发展，与 典州养舳沟l x 潮，力j 结构特抓的十j 彬i i j f 可e 一一脱测j 数由i f c l 拟 海带起成为桑沟湾的主要养殖咖ij 种。到1 9 9 4 年，该湾的海带养殖l i i i 积已达到 7 5 k m 2 ，栉孔扇贝养殖总量达2 0 亿粒，年产量达5 万t ，成为我国北方主要海 水增养殖水域之一。进入9 0 年代以来，由于受国内外水产品市场需求量r 益增 长的刺激，桑沟湾海水养殖单位为了追求高产量、高产出，在大量扩展养殖面 积的同时，办提高了养殖密度( 毛兴华，杨小龙，1 9 9 7 ：刘慧，方建光等，2 0 0 3 a ) 。 海带养殖已扩展到湾外2 0 m 深的水域，有些水域的扇贝笼i 日j 距由原来的1 m 缩 4 , n 现在的8 0 c m 左右，养成笼由原来的6 层增加到7 - 8 层。该湾的海水养殖 业随即出现了海带在4 月中旬或下旬便丌始从藻体顶部腐烂，到6 月中旬后， 有些区域的海带便腐烂得只剩下不足i m ，影响了产品的质量和产量，而栉孔扇 贝出现养殖个体小型化、养殖周期延长、死亡率升高、产品质量也在下降等问 题，严重制约了该湾海水养殖业的持续发展( 方建光，匡世焕，1 9 9 6 ) 。根据 1 9 9 6 年的养殖现状评估，湾内外的海带养殖基本是使用同一个养殖密度，即苗 绳问距i 5 m ，苗绳长5 m ，筏绳问距5 m ，每养殖4 0 0 苗绳约占水面1 5 0 0 m 2 ( 张 为先，1 9 9 2 ) ，平均产量9 0 0 k g 1 5 0 0 m 2 左右，而其养殖平均容量仅为 6 0 0 k g 1 5 0 0 m z 。二者相比实际养殖量高于养殖平均容量约5 0 ，养殖量已大 大高于养殖容量。该湾栉孔扇贝的平均养殖密度为5 0i n d m 2 ，其平均养殖容量 为壳高3 - - 4 c m 、4 - - 5 c m 、5 - - , 6 c m 的不同规格的栉孔扇贝分别为8 5i n d m 2 、5 0 i n d m 2 和3 0i n d m 2 。与养殖容量相比，壳高3 - 4 c m 的小栉孔扇贝的养殖量尚 未达到其养殖容量，尚有进步增加养殖密度的潜力：壳高4 5 c m 的中等大小的 栉孔扇贝的养殖量己基本达到其养殖容量，应保持现养殖密度；壳高5 - 6 c m 的 大栉孔扇贝的养殖量已超过其养殖容量，应将其养殖密度减少4 0 左右。通过 比较海带和栉孔扇贝实际养殖密度与理论养殖容量可以发现，桑沟湾的主要养 殖品种海带和大规格栉孔扇贝的养殖密度均大大超过其养殖容量( 方建光，孙 慧玲等，1 9 9 6 ：刘慧，方建光等，2 0 0 3 b ：方建光，匡世焕，1 9 9 6 ) 。 上述现象均说明，这种变化与近年来水产养殖迅速发展密切相关。其中有 些变化对湾内水产养殖产生负面影响。1 9 9 4 年调查数据显示，湾口最大潮流流 速为2 4 c m s ，湾内中部海区为1 0c m s ，与8 0 年代中期相比，分别减少了3 6c m s 和1 4c m s ，湾内、外海水交换率减少约1 7 ，海水半交换周期延长了1 1 个潮 周期，严重影响生物生长需要的营养物质的输送和补充( 孙耀，赵俊等，1 9 9 8 ) 。 海带的过度养殖造成局部海区营养豁产矿重缺乏，不但限制r 自身生长，也大大 减小了浮游植物的繁殖与生长速率，再加之滤食性附着生物的大量摄食，导致 湾内浮游植物生物量低下，从而造成因饵料尘物不足引起湾内养殖贝类生长速 率及肥满度降低等生态现缘。因此，深入了解桑沟湾的潮动力状况探讨养殖 对潮动力结构的影响机制，足研究该海k 的养吼容避! 孑环境之m 犬系的罐础。 典j i i 苒舶沟区潮z 力力结构特钔：的例步i i j 究一删测，数值模拟 0 2 问题的提出 养殖g 之物赖以生存的基础是环境，要从环境中获得其生长需要的营养物质。 海湾的水交换、环流输运等水动力因素对创造良好的环境条件有举足轻重的作 用。大规模发展增养殖之后，湾内水域及湾口附近海区到处充满养殖设施和养 殖生物，桑沟湾的水动力结构因此发生了重大变化( 赵俊，周诗赉等，1 9 9 6 ) 。 桑沟湾高密度筏式养殖模式在一定程度上影响了海水交换，使湾内营养赫的补 充量大大降低，从而在一定程度上制约了海带和贝类等养殖生物的质量和产量， 制约了养殖经济的发展( 孙耀，赵俊等，1 9 9 8 ) 。如何使养殖布局更加合理， 改善水动力环境，达到经济效益最大化和养殖产业的可持续发展，是目前面临 的主要问题。 增大养殖容量的主要措施之一就是缩短该湾的海水交换周期，而缩短海水 交换周期的先决条件就是加快海水流动。目前，阻碍该湾海水流动速度的主要 障碍是湾内外筏式养殖设施间隔设置过密，特别是海带生长后期，海带长度达 3 4 m ，形成了阻碍海水流动的屏障。如何缩短海水交换周期，增加营养盐和饵 料生物来源，达到扩大养殖容量，是提高产品产量和质量的关键，其中重要的 因子是营养盐、海流速度、海水交换周期以及沉积物一水界面的物质交换等。 因此，深入分析该海区的水动力结构特征，探讨高密度养殖对海区水动力 结构的影响机制，为该海区水产养殖! 也的健康、稳定、持续地发展提供可靠的 科学依据，是我们研究的主要目标。 o 3 国内外研究现状 0 3 1 养殖区水动力模型的研究 海区水动力环境的变化对估算养殖容量有着非常重要的作用。王丽霞，石 磊等( 1 9 9 4 a ) 以实测水位作为丌边界条件、采用a d i 算法模拟了桑沟湾大潮 时小海大坝打丌前后的潮流场，良好地重现了小海入口处狭窄水道及北岛礁、 鹁鸽岛岛屿周围的流场情况。由模拟结果可知，桑沟湾是不萨规半r 潮海域， 潮汐r 不等现象f 分明显；潮流特性属于正规半f 1 潮流。计算结果显示，除 湾t a # l , ，一般潮流流速不大。在湾口潮流流速较强，转流快，转流时i 日j 晚。而 湾内潮流转流慢，转流时问早。半潮面时刻涨落潮流最大，高底潮平潮时刻流 速最弱。最大涨落潮流均位于楮岛以北8 0 0 m 处。小海入口处狭窄水道流速 较大。小海大坝打开后对桑沟湾潮流场没有影响，只有小海入海口处余流值 增火，这将有利于小海海域的污水向外输运。在此基础上，- t z h n 霞，赵可胜等 ( 1 9 9 4 b ) 采用a d i 法，建立了拉格郎h 模型和j f - 流一扩散输运模型，对排污 4 典，l t ! 养帅海i x 湖动力结丰f ：j 钓i i r 的丰j 彬研究脱测。，数仇模拟 = 1 的污水输运轨迹进行了跟踪，川 p - l l 桑沟湾足一个水交换滞缓、物理自净能力 较弱的海区。 赵俊，周诗赉等( 1 9 9 6 ) 在1 9 9 4 年3 - 1 0 月间逐月进行观测，共计6 次 周日( 2 5 h ) 的海流连续观测，每站使用海流计2 台同步进行表层和底层观测。 观测结果同1 9 8 3 年国家海洋局第一海洋研究所对桑沟湾的综合调查资料作比 较，大面积高密度养殖对海水流动的阻碍使得此时的流速仅为1 9 8 3 年的5 0 左右。作采用二维单层流体力学数值模式和a d i 法对桑沟湾潮流系统进行了模 拟。模拟结果与1 0 年前( 国家海洋局第一海洋研究所，1 9 8 8 ) 即大规模增养殖 之前整个潮流流场的分布形式相比没有明显变化，潮汐、潮流性质没有变，往 复流性质没有变，潮流方向也没有变。但是，显而易见的是湾内流速大幅度地 下降，下降幅度平均约5 0 。水交换情况与各个季。1 了养殖生物量有关，夏季生 物量最多，海带生长达鼎盛期，扇贝笼挂养下海完毕，秋季则基本上没有海带， 海水流动相对畅通，因此秋季水交换最好，春季次之，夏季最差。比起1 0 年前， 湾内、外海水交换率减少1 7 ，海水半交换周期延长11 个潮周期，严重影响 生物生长需要的营养物质的输运和补充，以及污染物的迅速排除和净化，使产 量明显下降。桑沟湾海水交换状况虽然有所减弱，海水半交换周期延长了，但 与其他海湾相比，其海水交换条件还是比较好的。 王丽霞，石磊等( 1 9 9 4 a ) 和赵俊，周诗赉等( 1 9 9 6 ) 在对桑沟湾的潮流场 进行数值模拟时，均使用湾内实测的潮位资料作为丌边界的强迫水位值输入模 型，没有考虑养殖活动对流场的影响。但是，困外些学者通过对养殖区内外 流速的现场观测后发现海水养殖活动对流场的影响是十分显著的。 g i b b se 1 a 1 ( 1 9 9 1 ) 观测发现新西兰贻贝养殖区的流速比周流速减小 3 0 ：b o y da n dh e a s m a n ( 1 9 9 8 ) 在南非s a l d a n h a 湾贝类筏式养殖区观测了湾 内、外的流速，发现养殖区外的流速是养殖区内的6 倍：p i l d i t c he t a 1 ( 2 0 0 1 ) 通过现场观测得到经过扇贝养殖区后流速比周边减少4 0 。除养殖生物之外， 漂浮在水面上的养殖设施也对海水流动形成很大的阻力。在桑沟湾海区，整个 海湾都被吊放的养殖设旋占据，再加上海带和海草也对海水流动有类似的作用 效果，其摩擦效应十分显著。目前，关于摩擦效应对养殖海域的流场影响的研 究还只是在广泛的现场观测阶段( b o y d a n da n dh e a s m a n ，19 9 8 ) 。f r 6 c h e t t ep ，以 ( 1 9 8 9 ) 在s t l a w r e n c er i v e r 河e 1 ( q u k b e c ) 野生贻贝养殖区的海底也发现了 摩擦效应的存在，它的料l 糙度来源于海底而不是海表面，对摩擦速度玑和粗糙 长度z o 进行了估算。g r e e ne 1 a l ( 1 9 9 8 ) 在新西兰m a h u r a n g i 港的海底野l i 贻 贝养殖区的4 个站观测得剑了近底层的阻力系数。 l i l 掣养纠i 湘| x 潮动力 。l 构拍钔：的辛j j 步i i ) f 究观测。j 数仇模拟 从理论f ：建立水动力模型研究养殖f 再动对海隧水动力影响最早的是 j a c k s o na n dw i n a n t ( 1 9 8 3 ) ，他们通过在c a l i f o r n i a 的s a nd i e g o 湾海带养殖区 内、外历个观测站的表、中、底层流速进行3 天的流速观测，发现海带养嫡区 的流速仅为外部的l 3 。作者还从理论上证明了这一差别。在海带养殖区，阻力 d = p c , j u 2 d 其中，是海带长度，p 是海水密度，d 是将海带看作圆柱体的直径，c d 是阻 力系数。经过估算单位面积的阻力d = 0 1 5 u 2 。而非海带养殖区的底应力是 1 0 一1 0 。2 u 2 。所以推算得到非海带养殖区的流速应陔是海带养殖区的3 1 0 0 5 倍。 这一结论从理论上说明了海带养殖对水动力场的影响。在j a c k s o na n dw i n a n t ( 1 9 8 3 ) 研究的基础上，g r a n te t a 1 ( 1 9 9 8 ) 估算了b e n g u e l a 的s a l d a n h a 湾内 贻贝筏式养殖对海水流动的阻力约为底播养殖的3 0 倍，并得到了b o y da n d h e a s m a n ( 1 9 9 8 ) 的印证。对于吊放式养殖，其对流场的阻碍程度与绳子的几 何形状、养殖种类、养殖时间和收获情况等密切相关，特别是像桑沟湾这样的 海带与扇贝混养情况下对海水流动的阻碍作用尤其明显( g r a n ta n db a c h e r ， 2 0 0 1 ) 。 在现有的养殖生态系统的水动力模型参数化过程中，除底播生物( c a m p b e l l a n dn e w e i l ，1 9 9 8 ) 之外的其他养殖生物都没有被考虑进去( r a i l l a r da n d m e n e s g u e n ，1 9 9 4 ) 。此外，迄今为l e ，除b o y da n dh e a s m a n ( 1 9 9 8 ) 研究过 吊放养殖对潮流的影响之外，几乎没有模型把摩擦效应考虑进去。他们通过考 虑经过每个养殖筏后流体的分离来模拟这个过程。估算结果显示，在经过3 0 个 养殖筏后流速衰减2 8 。 在我国的高密度筏式养殖海区桑沟湾，g r a n ta n db a c h e r ( 2 0 0 1 ) 首次建立 了一个考虑全部养殖活动的二维有限元环流模型对养殖设施引起的摩擦及其对 颗粒物交换( p a r t i c l ee x c h a n g e ) 的意义进行了研究。模型将摩擦参数化，通过 调整参数来反映湾内不同的养殖布局对潮流流速和潮流类型的影响，并将结果 同没有养殖的情况作比较。由于现场观测数据十分有限，故模犁中在贝类养殖 区的阻力系数c d 取为常数0 5 ，阻力记做 d = p c d u 2 d l d 为双壳贝类养成笼的直径，约5 0c m ，为绳长( 5m ) 。在南非取d = 0 4 3 z ，2 ，是 j a c k s o na n dw i n a n t ( 1 9 8 3 ) 水1 3 0 g - 。模型输f i 的结果漫示，该海区的水平流速梯 度很大，无养嫡情况下，湾l ：j 流速在0 4 l m s ；嗣无养殖情况村i 比较，神! 二i j 航道 引起流速减慢2 0 ，在养殖区中心流速减慢5 4 ；忽略养贿设施的阻碍作刚将导 6 典掣养砷海i x 湖，山j 结构特a i ：的卡j j 步研究脱测。j 数仇模拟 致模型对颗粒物更新( p a r t i c l er e n e w a l ) 速牢的过高估计，从而商估了养殖容量。 o 3 2 养贿区底边界动力机制的研究 在浅海中，底边界动力过程是沉积物一水界面物质交换的关键环节，深入 研究浅海底边界动力过程是提高水动力和环境容纳量预测能力的重要前提( 魏 皓等，2 0 0 6 ) 。浅海能量耗散是整个海洋能量收支中的重要一环，海底摩擦产 生的湍流动力过程使得浅海底层耗散占了整个水体的4 0 ( l o z o v a t s k ya n d f e m a n d o ，2 0 0 2 ) 。目前，整个海洋科学的研究已经从区域特征的刻画进入过 程和方法的系统研究，对底边界动力过程的深入了解，使得对浅海潮流、环流 系统的预测更加可靠。众所周知，在浅海环流预测模式中环流流型高度依赖于 底摩擦的参数化和阻力系数的选取( k a n ge la 1 ，2 0 0 2 ) 。将流体力学的湍流边 界层理论应用于浅海海底流动结构研究( e g 。t e n n e k e sa n dl u m l e y ，1 9 7 2 ：g r a n t a n dm a d s e n ，19 8 6 ：s o u z aa n df r i e d r i c h s ，2 0 0 5 ；l u e c ka n dl u ，19 9 7 ：g r o s sa n d n o w e l l ，1 9 8 5 ：s t i p s ，p r a n d k e ，n e u m a n n ，1 9 9 8 ；刘志宇，魏皓，2 0 0 7 ) ，提 出了对数边界层、海底摩擦速度和海底粗糙度等概念( k a n g e la 1 ，2 0 0 2 ) ，并， 根据流速观测以最小二乘法拟合获得海底摩擦速度、海底粗糙度、阻力系数和 底应力等参数，建立了这些参数与周期性流动和风浪的关系。已有的研究都表 明海底湍流耗散与潮波、浪流相互作用、层化等影响水柱湍流状况的过程密切 相关( 汪亚平，高抒，贾建军，2 0 0 0 ；s o u z a ，a l v a r e ze la 1 ，2 0 0 4 ) ，如果不 能结合海底边界层湍流动力过程的研究，则仍将停留在对特征的描述，无法从 动力过程认识规律并上升到动力学模型的理论研究。浅海的底边界动力过程与 水体的湍流状态密切相关，因此需要研究不同动力机制下流速剖面以及相应的 动力学参数的变化，而在桑沟湾这样的养殖海区尚未歹r 展这方面的研究工作。 o 4 本文工作及研究意义 在我国近海的养殖海区，特别是桑沟湾这样的高密度筏式养殖海区，尚未 对其底边界动力过程丌展相应的研究工作。g r a n ta n db a c h e r ( 2 0 0 1 ) 在桑沟湾 建立了个二维模型对潮流场进行模拟，但阻力系数c i ) 由人为丰观臆定，并非 来自于现场观测的结果，缺乏客观依据。王丽霞，石磊等( 1 9 9 4 a ) 和g r a n ta n d b a c h e r ( 2 0 0 1 ) 在桑沟湾所建立的：二维水动力模型模拟出的均是垂向平均的潮 流场，无法对潮流流速在垂直方向上的结构特征进行描述。通过建立维水动 力模型来研究水动力垂向结构问题是个十分重要的手段，f a n ga n di c h i y e ( 1 9 8 3 ) 用混合长理论研究了证压海洋中的潮流垂直结构，c h e ne 1 以( 1 9 8 8 ) 模拟了l o n gi s l a n ds o u n d 叶响j 营养舱乖直混合的化成，l ia n de l l i o t t ( 1 9 9 3 ) 模 拟了浅海的潮流垂直结构和温度的垂直结构，e l l i o t t ( 2 0 0 2 ) 模拟了e a s t e r ni r i s h 艇j 钾养矶海i x 潮动力结构特 i l ：的仞步硼究观测。j 数f i t 模拟 s e a 的潮流的垂直结构殿棚应的剪应力的垂直结构。但是，在养殖海区进行潮 流垂直结构的研究报道尚未出现。特别是在桑沟湾，大量养殖生物和养殖设施 造成的潮流垂直结构的改变是一个十分重要的科学问题，但至今未对其进行相 关的研究工作。 本文以我国近海典型筏式高密度养嫡海区桑沟湾的潮动力结构特征为关注 点，主要研究工作如下： 1 分析了2 0 0 6 年春季( 4 5 月) 桑沟湾水动力的特征 分析湾口北侧寻山站和湾口南侧楮岛站潮汐各主要分潮的调和常数。对湾 口北侧寻山站连续1 0 天的a d c p 流速资料经调和分析得到潮流剖面，并计算 了水柱总动能随潮周期的变化；应用双阻力模型的概念采用对数剖面拟合法分 别求出潮流上边界层和潮流底边界层的摩擦速度，阻力系数：计算了涡粘系数 和应力的垂直分布。对上边界层的平均流、摩擦速度和阻力系数各自做功率谱 分析和任意两个量的互相关分析，以找出这3 个参数的主振频率和他们之间的 谐振频率。对湾中央连续站获得的天文大潮同及天文小潮同各一周同( 2 5 h ) 的 a d c p 流速资料经调和分析得到潮流剖面，并计算了水柱总动能随潮周期的变 化；比较了大潮同观测期间海水表层流速和底层流速的差异。利用大潮只的一 周同( 2 5 h ) a d v 流速资料分析了春季雷诺应力和湍动能耗散率的分伟特征。 比较湾口和湾顶的海水表层、底层潮流流速和相位的变化。 关注问题：第一，一年之中养殖生物量最大的时节中，不同养殖区的潮流 垂直结构、涡粘系数和应力的垂直分布。第二，养殖活动对该湾潮汐、潮流性 质的影响。第三，近底层的雷诺应力、湍动能耗散率的量级和分布特征。 2 分析了2 0 0 6 年夏季( 7 f j ) 桑沟湾水动力的特征 为便于比较，观测站位设置同春季航次相同。分析湾口北侧寻山站和湾口南 侧楮岛站潮汐各主要分潮的调和常数。对湾口北侧寻山站连续1 0 天的a d c p 流速 资料经调和分析得到潮流剖面，并计算了潮流相位角和水柱总动能随潮周期的变 化：应用双阻力模型概念，采