（环境科学专业论文）秋季桑沟湾贝类养殖对海域水质影响的数值研究.pdf

特征；预测了养殖面积、养殖密度和养殖位置的改变对周围海域水质的影响，为 政府有关部门进行海域水质管理和贝类养殖规划提供了科学依据。同时也为中国 浅海贝类养殖海域的水质污染研究和贝类养殖模式的优化研究等提供了有价值 的参考。 关键词：桑沟湾，贝类养殖，水质，数值模型 an u m e r i c a is t u d yo f s c a ii o pc u i t i v a t i o n i m p a c t so n w a t e ro u a ii t yi nt h es a n g g o ub a yi na u t u m n a b s t r a c t t h ef r e q u e n tm a r i n ea q u a c u l t u r ed i s e a s ea t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt o m a r i n ec u l t i v a t i o n t h ed i s t r i b u t i o n sa n dv a r i a t i o n so f p o l l u t a n t sa r et h em a i np o i n to f v a l u i n ge n v i r o n m e n t a lq u a l i t ya n dt h eb a s eo fe n v i r o n m e n t a lp r o g r a m m i n ga n d m a n a g e m e n t = t am o d e la p p l i e di nat y p i c a la r e ao fs c a l l o pc u l t i v a t i o nw i l lh e l pu s u n d e r s t a n dt h ew a t e rq u a l i t yt h o r o u g h l ya n d s y s t e m a l l ya n ds u p p o r tt h ed e v e l o p m e n t o f m a r i n ec u l t i v a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ep r i n c e n t o no c e a nm o d e l ( p o m ) i sa p p l i e dt os a n g g o ub a yi n o r d e rt os i m u l a t et h eh y d r o d y n a m i cf i e l d t h em o d e lr e s u l t ss h o wt h a tt h ec h a r a c t e ro f t i d a lc u r r e n ti ns a n g g o u b a y i sg o - b a c kf l o w ；t h es p e e da tm o u t hi sg r e a t e rt h a ni n s i d e ； t h em a x i m u mi sa b o u t5 5 c m s 1 1 1 er e s i d u a lc u r r e n ti nt h eb a yi sw e a k , 3 c m si nm o s t o ft h es t u d ya r e a t h e r ei sas m a l lc o u n t e r - c l o c k w i s ee d d yi nt h es o u t ha n da c l o c k w i s ec u r r e n tf l o w i n go u to ft h eb a yi nt h en o r t h i nt h eb a ym o u t h , t h er e s i d u a l c u r r e n ts h o w so u t w a r di nn o r t hw h i l ei n w a r di ns o u t h b a s e dt h es i m u l a t i o no ft i d a lc u r r e n t , aw a t e rq u a l i t ym o d e li se s t a b l i s h e d 1 1 1 e p o l l u t a n tl o a dd u et os c a l l o pc u l t i v a t i o ni sc a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h er e s u l to f i n t e r r e l a t e dr e s e a r c h w i t ht h er u n o f fa n dc u l t i v a t i o nl o a dt a k e ni n t oa c c o u n t ，t h e d i s t r i b u t i o no ft h ep o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o ni so b t a i n e d 1 1 址s t u d ys h o w s ：s c a l l o p c u l t i v a t i o nm a k e sg r e a tc o n t r i b u t i o nt ot h ei n o r g a n i cn u t r i e n t sc o n c e n t r a t i o n i nm o s t o ft h en o r t ht h ec o n c e n t r a t i o ni sa b o v ec l a s st h r e eo ft h ew a t e rq u a l i t ys t a n d a r d , i n t h es o u t ht h en o n - f a n n i n gr e g i o ni sb e l o wc l a s st w o t h i sp a t t e r ni so w i n gt ot h e r e s i d u a lc u r r e n ta n dt h el o c a t i o no f c u l t u r e dz o n e i nt h ef i n a lp a r to ft h ep a p e r , t h ei m p a c to fr c d u c ec u l t i v a t i o nd e n s i t ya n do f a d j u s tl o c a t i o na r es t u d i e db yn u m e r i c a le x p e r i m e n t s c o m p a r i s o no f t h et w om e t h o d s o l a l v i n gs c a l l o pd e n s i t yo rc u l t u r e da 观r e s p e c t i v e l y ) ，t h er e s u l to ff o r m e ri sb e t t e r a n dt h ei n o r g a n i cn i t r o g e na v e r a g ec o n c e n t r a t i o nm a yr o d u c et o5 7 t h ei n o r g a n i c n i t r o g e nc o n c e n t r a t i o nw i l lr e d u c et oh a l fa f t e rs t o p i n gf a n n i n g7 0 0d a y s t h i ss h o w s t h a tt h ee x i s t i n gc u l t i v a t i o nd e n s i t yo v e r s i z e sa n dt h ec u l t i v a t i o np o l l u t i o ns u f p a s s e s t h ep h y s i c a ls e l fp u r i f i c a t i o nc a p a c i t yo ft h ea r e a t h ea v e r a g eh a l f - l i f ot i m eo f s e a w a t e ri s4 1 7d a y s ，g r a d u a l l yi n c r e a s e sf r o mt h em o u t ht ot h eh e a d a d j u s t i n gt h e c u l t i v a t i o na r e at ot h en o r t h e a s t ，t h ea v e r a g ed i nc o n c e n t r a t i o nw i l lr e d u c e3 0 ， w h i c hi st h er e s u l to ft h ei n f l u e n c ea b o u tt h es h a p eo fr e s i d u a lc u r r e n ta n da b o u tt h e l o c a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ed i s t r i b u t i o no f d i na r es i m u l a t e d b yaw a t e rq u a l i t ym o d e l ，t h ee f f e c to nw a t e rq u a l i t yi sf o r e c a s t e dt h r o u g ht h e a d j u s t m e n to fc u l t i v a t i o ns t r u c t u r e t h er e s u l to ft h i sp a p e rc a ng i v ea l le v i d e n c ef o r w a t e rq u a l i t ym a n a g e m e n ta n ds c a l l o pc u l t i v a t i o np l a n n i n g , s i m u l t a n e o u s l yp r o v i d e t h ev a l u a b l er e f e r e n c ef o rt h er e s e a r c ho fw a t e rq u a l i t yi nm a r i n ea q u a c u l t u r ez o n e a n df o rt h er e s e a r c ho f t h eo p t i m i z a t i o no nt h es t r u c t u r eo fs h e l l f i s hc u l t u r e k e yw o r d s ：t h es a n g g o ub a y ：s c a | j o pc u i t u r e ： w a t e rq u a ii t y ：n u m e r i c a im o d e i 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，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：习放 签字日期：夕力) 辛易月，日 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。( 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：号双 导师签字： 签字日期：知0 7 年6 月1 1 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 讼锄 签字日期：。砷年舌月f 日 ， 电话； 邮编 秋季桑沟湾贝类养殖对海域水质影响的数值研究 0 前言 我国是世界水产养殖大国，近二十年来我国海水养殖业发展迅猛。至1 9 9 7 年，全国海水养殖面积扩大到9 3 8 1 0 5 h m 2 ，养殖年产量达到7 9 1 x 1 0 气。其中， 海带和贝类养殖的年产量超过l x l 0 5 t ，为我国沿海经济乃至整个国民经济发展做 出了重要贡献( 周毅，2 0 0 0 ) 。从养殖产量和面积来看，贝类养殖已成为我国海 水养殖业的第一养殖类群，而贝类筏式养殖是一种主要的贝类养殖方式。目前， 我国浅海贝类筏式养殖面积已达4 0 万“亩”l ，年产贝类4 5 0 多万吨，经济效益显 著( 杨红生，杨福绥，1 9 9 9 ) 。然而，近些年来贝类筏式养殖一直受到病害、种 质、环境等诸多方面的困扰。在高产量、高效益的利益驱动下，不少海区超负荷 运行。养殖密度过大，缺乏统一的规划管理，养殖布局不合理等诸多因素使贝类 筏式养殖生产存在较多的环境问题，致使养殖贝类规格小，产量低，而且病害肆 虐。如上世纪末期我国北方养殖栉孔扇贝曾发生大规模死亡事件，局部死亡率达 6 0 9 0 ，损失惨重( 蔡立胜，2 0 0 3 ) 。这些重大生态与环境问题已经严重影响 了我国浅海养殖业的发展，海水养殖业与近岸海洋环境的关系应当引足够的重视 与关注。 浅海养殖区环境的恶化或老化主要源自于养殖海区自身污染和陆源污染，这 也是栉孔扇贝大规模死亡的根本原因( 张福绥，1 9 9 9 ) 。由于海水养殖及海洋开发 造成的污染只占到整个近海污染的5 左右( 朱华晟，1 9 9 9 ) ，而且海水养殖对环 境的影响具有一定的积累性和滞后性，影响的范围往往也只局限在养殖区及其邻 近海域。因此在养殖与环境的关系上，人们一般比较重视环境对养殖的影响，而 海水养殖对环境的负面影响早期通常被忽视。然而随着养殖产业规模的不断扩 大，养殖方式由半集约化向高度集约化发展，海水养殖的自身污染问题逐渐显露 且日益突出，海水养殖污染问题已引起广泛的关注。如何使海水养殖与生态环境 协调发展，成为当前海水养殖业可持续发展的首要问题之一。 评价养殖海区的污染程度，研究养殖海区污染的过程，需要对养殖海区的水 质环境进行全面系统的研究。对养殖海域水质进行必要的环境监测和调查是维持 养殖业可持续发展的有效途径之一，但是调查监测得到的只是局部或者暂时的数 1 本文所用的。亩”并非国内所用计量单位一般的亩( 即6 6 6 7 m 2 ) ，丽是目前国内大部分扇贝养殖单位约 定俗成的一种面积与数量的计量行业标准，因其所代表的实际面积与数量逐年增大，且各地有异。故无法 纳入法定计量体系为避免误解而又使统计数据有计量标准，文中一律用“亩”代表行业计量标准，以示 与一般亩有别 1 秋季桑沟湾贝类养殖对海域水质影响的数值研究 据和规律。在现场调查数据的基础上，运用数值模拟手段对海水养殖业与近岸海 洋环境的关系进行研究，则可以对养殖海域水质环境总体变化趋势和分布规律有 更系统更全面的了解。从而为海水养殖业的发展规划与管理提供可靠的建议与参 考，使海水养殖业进入与海洋环境和谐相处的可持续发展阶段。 本文在前人对桑沟湾扇贝养殖海域环境现场观测与调查的基础上，建立了一 个三维的物质输运模型，分析了桑沟湾扇贝养殖海区的水动力状况，初步研究了 扇贝养殖对水质环境的影响，并在数值模拟研究的基础上提出调整养殖结构的思 路和方法。本文的研究结论虽然只是初步的，但可为贝类筏式养殖的发展与管理 提供参考依据，为贝类对环境影响的研究奠定基础。 2 秋季桑沟湾贝类养殖对海域水质影响的数值研究 1 概述 1 1 贝类养殖对海域环境的影响 1 1 1 贝类养殖对海域环境影响的因素 养殖对环境的作用主要受养殖规模的影响。近年来贝类养殖技术并没有很大 的发展，贝类养殖发展的方向主要是扩大规模。贝类养殖方式主要有三种，一是 潮间带和潮下带的底播养殖；二是潮间带插桩养殖；三是浅海筏式养殖，即浮筏 和长绳式养殖。筏式养殖能充分利用海域的空间资源，适合大面积高密度养殖， 是目前应用范围最广的养殖方式，因此也是对海区环境影响最大的养殖方式。表 1 1 1 列举了生物过程与环境相互作用的结果，可见贝类养殖对环境影响是多方 面的。贝类规模化养殖对环境的影响主要包括以下几个方面。 1 贝类对浮游植物的影响 在海湾等水生生态系统内，即使是没有养殖的水域，双壳贝类也往往是滤食 性生物的优势类群( d a m e ，1 9 9 6 ) ，它们的摄食活动被认为是导致浮游植物密度 降低的主要原因之一。因为在理论上，只要贝类对所处水体中饵料的滤清时间与 浮游植物的周转时间相当、而小于水体的更新周期，就可以导致浮游植物生物量 显著降低( d a m ea n dp r i n s ，1 9 9 8 ) 。 贝类的滤食系统十分发达，有着极高的滤水率，能够利用上覆水乃至整个水 域的颗粒物。浮游植物作为水体中颗粒物质的重要组成部分，其数量直接影响水 体中的悬浮物多少，滤食性贝类可以控制浮游植物的生物量，进而影响水体中颗 粒物的数量和质量。在荷兰w a d d e n 海贝类分布的区域，每周约4 3 的浮游植物被 转化为贝类的粪便或伪粪( 王岩，1 9 9 8 ) 。c l o e r n ( 1 9 8 2 ) ，o f f i c e re ta l ( 1 9 8 2 ) ， n i c h o l s ( 1 9 8 5 ) 的研究结果也证明，在某些海区滤食性贝类可以控制浮游植物的 生物量，而且在以下几种条件下这种控制会得到加强：一是水体较浅；二是滞留 时间长：三是滤食性贝类的生物量很高。我国浅海筏式养殖海区基本都具备上述 三个条件。尤其在养殖中后期( 8 月份以后) ，养殖贝类的生物量已接近养殖容量， 因此贝类摄食对海区浮游植物的控制作用尤为明显。滤食性贝类的滤食不仅给浮 游植物造成较大的摄食压力，同时也刺激了初级生产力，加快了浮游植物的生长 速度( 董双林等，1 9 9 9 ；p r i n se ta ，1 9 9 5 ) 。现场和室内研究均发现，贝类在通过 3 秋季桑沟湾贝类养殖对海域水质影响的数值研究 摄食控制浮游植物现存量的同时，还会促进浮游植物的生产力，其内在机理是： 由于浮游植物密度降低而使水下光照增加，摄食选择性导致生长较快的种类或细 胞较大的浮游植物增多从而提高生长率，营养盐再循环利用速率的增加也加快了 浮游植物的生长速度。 滤食性贝类的摄食不单能影响浮游植物的数量，也会改变浮游植物的群落结 构。不同种类，不同大小的滤食性贝类所选择滤食的藻类不同( 王芳等，2 0 0 0 ) ， 生长快速或贝类较难滤食的种类成为优势种( f u r n a s ，1 9 9 0 ) 。在海水池塘养殖系 统中，海湾扇贝的滤食不仅给浮游植物造成较大的摄食压力，还使浮游植物的粒 级结构向大型发展，同时也使浮游植物的生物多样性指数降低( 董双林等，1 9 9 9 ) 。 2 贝类对浮游动物的影响 贝类通过摄食作用自海水中去除大量的颗粒有机物，对水层生物群落结构有 显著的影响。n e w d l ( 1 9 8 8 ) 认为c h e s a p e a k e 湾牡蛎种群的败落使得湾内其它浮 游植物食性的动物增加，湾内的食物网变成了水层优势型食物网。该湾内较高的 浮游植物现存量被认为是栉水母动物和鱼类对中型浮游动物的下行控制作用的 结果，当湾内牡蛎种群被恢复后，由于浮游植物被大量摄食则水母类浮游动物处 于竞争劣势而衰落，而鱼类现存量有所增加( u l a n o w i c za n dt u l l e ，1 9 9 2 ) 。贝类 生物沉积作用向海洋底层输送营养物质的同时，也改变了底栖生物群落结构。 k a s p a r 等( 1 9 8 5 ) 在新西兰的一个贻贝养殖区进行了调查，通过养殖区和对照区底 栖动物群落结构的比较发现，前者以多毛类占绝对优势，其多样性远低于后者， 这与生物沉降导致的底质有机物堆积及由此产生的缺氧环境有密切的关系。 3 贝类对营养盐的影响 滤食性贝类的生物沉降使养殖水域具备了营养滞留机制，减少了养殖区内颗 粒物的外移( 季如宝等，1 9 9 8 ) ，大量沉降物构成了丰富的营养物库，经矿化作用 和再悬浮后又可重新进入水体营养盐循环。在贝类密集养殖区，滤食性贝类的代 谢产物不能被藻类全部或及时利用，增加了水体中的无机营养盐浓度，造成水体 富营养化，进而影响贝类的生长，即产生贝类养殖的自身污染问题。这一点在桑 沟湾贝类养殖生态系统得到了有力的验证，该湾周围无大河流汇入，营养盐主要 来自外海。滞留机制使得该湾的营养盐在高密度养殖前后基本保持不变且略有增 加，有些营养盐( 如氨氮) ，在贝类的代谢和生物沉降使营养盐加速释放的共同作 4 秋季桑沟湾贝类养殖对海域水质影响的数值研究 用下，出现了明显地增加。 研究发现，在一定养殖规模下，贝类养殖区的沉积物可以吸收大量p 元素， 而贝类生物沉积作用对沉积物中的有机碳、氮含量没有显著影响，造成这一结果 的原因是，底层有机物负荷促进了底层生物的呼吸和代谢，使得绝大部分沉积下 来的有机碳、氮被分解为无机碳、氮重新返回水层( h a t c h e r e t a l ，1 9 9 4 ；p r i n sa n d s m a a l ，1 9 9 4 ) 。其他研究也证实，贝类养殖区下的沉积物间隙水中氨氮浓度和底 层向水层释放氨氮的速率明显比非养殖区高( b a u d i n e t a l ，1 9 9 0 ；g r a n t e t a l ， 1 9 9 5 ) 。贝类生物沉积作用促进底层的矿化过程，沉积物向水中释放无机氮营养 盐速率增加，加速了颗粒有机氮向无机氮的转换( d a m e e ta 1 ，1 9 8 4 ) 。此外，贝类 自身还排泄部分营养盐，尤其在岩礁区牡蛎排泄的氨氮是无机氮的主要来源 ( d a m ea n dl i b e s ，1 9 9 3 ) 。 4 贝类对环境的其他影响 贝类养殖对环境的其他影响主要包括养殖对水体物理化学特性的影响和养 殖筏架对海流的影响。 贝类的生物沉降作用和由此引起的养殖水域营养物滞留，造成该养殖区及近 邻海域水体的底质缺氧、水质恶化。有机物在底层的堆积促使微生物活动加强 增加了底质的氧需求量，造成缺氧或无氧环境( t e n o r ekr ，1 9 8 2 ) ，促进了脱氮 和硫还原反应。梁玉波等( 1 9 9 8 ) 对海湾扇贝的研究表明：来源于贝类代谢物( 主 要为粪便) 的有机和无机氮造成的养殖自身污染，导致水体p f i 值和d o 下降， c o d 和b o d 增加，以及病原微生物弧菌的大量繁殖。当养殖区自身污染程度超 过水体自净能力或者环境容纳量时，便会导致养殖贝的大量死亡( 吴耀泉，1 9 9 6 ) 。 由于养殖面积的扩大和筏架对海流的阻挡作用，养殖海区的流速明显减慢。 养殖区筏架对海流的阻碍造成水体交换和物质循环减慢。桑沟湾贝类悬浮式养殖 使潮流速度比养殖前减小约3 5 4 0 ( 季如宝等，1 9 9 8 ) 。蓬莱芦洋湾浅海筏式 养殖面积从1 9 7 6 年的1 8 0 h m 2 扩大到1 9 9 0 年的4 7 6 7 h n l 2 后，其大潮期5 m 水层 最大流速和最小流速分别从4 6 c m s 和1 6 c r a s 分别降至1 6 c m s 和2 c m s ( 项福亭 等，1 9 9 6 ) 。o r e n z 也报道t h a u 湾养殖海区的流速由于贻贝筏架过密而减少。在 海流流速大的区域，水体交换和物质循环较快，可将粪便，二氧化碳，多余的营 养盐等及时带走，有助于减少自身污染形成的可能性和污染程度。而在养殖面积 5 秋季桑沟湾贝类养殖对海域水质影响的数值研究 和密度较大的养殖区则易造成自身污染，且由于筏架对潮流的阻挡作用而较难缓 解。 1 2 贝类养殖对海域环境影响机理的探讨 规模化贝类养殖对海域环境产生的作用归根到底是影响了养殖海区的物质 循环，养殖海域水质的变化也是由于物质循环的改变造成的。 从海洋生态系统角度上看，滤食性贝类养殖为自养生态系统，在缺乏人为物 质输入的基础上，生产出大量的产品，属于海洋生态系统营养盐的支出部分，理 应起到利用营养盐而净化水体的作用。但由于滤食性贝类特殊的摄食机制，即把 海洋中营养物质富集到局部养殖海区，超过海区自净能力，从而导致滤食性贝类 养殖系统的自身污染( 毛玉泽，2 0 0 4 ) 。贝类具有很强的滤水能力，通过过滤大 量水体摄食浮游植物和悬浮颗粒物，同时产生生物沉积物，使悬浮物质在某种程 度被集聚，从而对整个生态系统的结构和功能产生影响( n a k a m u r a de ta 1 。1 9 8 8 ： 周毅等，2 0 0 2 ) 。大量生物沉积物在底层的堆积，在微生物的作用下进行脱氨和 硫还原反应，加速无机营养盐从底质向水层的释放，贝类排泄的氮磷营养盐亦会 对水域环境造成冲击( g i l b e r t ，f e ta l ，1 9 9 7 ) 。通过对多个海湾的研究，s m a a l ( 1 9 9 3 ) 总结认为滤食贝类在海湾生态系统中的作用主要包括以下几点：从水体中滤食颗 粒物，减少并可能耗尽浮游植物的生物量，形成包含很高有机物质的生物沉积； 重新矿化沉积物，向水体中释放无机营养盐，增加可利用溶解无机营养盐的浓度， 影响水体中各营养盐间的比例。扇贝通过滤水、摄食、呼吸、排泄、排粪、生长 等生理功能对海水中的悬浮颗粒物质进行处理，而释放氨、无机磷酸盐和硅酸盐 等营养盐。这种营养盐的加速循环可能会导致水休的富营养化( b a u d i ，1 9 9 0 ) 。 毕远溥等( 2 0 0 2 ) 认为，一方面筏式养殖的贝类生物的排泄产生的大量无机氮 与无机磷是海区浮游植物生长发育的营养基础，加之浮筏养殖对海流的影响，这 些为浮游植物生长繁殖创造了良好的条件，另一方面海域中的浮游植物又是养殖 贝类的饵料生物，而贝类的滤食又特别的惊人，使得海域中的浮游植物生死更替 加快。营养物质在养殖区的循环加快，其结果导致高密度筏式养殖水域中的无机 氮与无机磷被利用的较充分。贝类筏式养殖区的这种物质循环极具不稳定性，一 旦上述循环被打破，如有污水排放入海的养殖区，使得无机氮与无机磷无法被充 分利用，进而得到有效积累达到富营养化将可能给养殖业和海洋环境带来严重的 6 秋季桑沟湾贝类养殖对海域水质影响的数值研究 后果，存在赤潮爆发的隐患。方建光等( 1 9 9 6 a ) 认为，沉积物释放是桑沟湾水 体中的营养盐的重要来源。底泥一方面作为营养盐的汇，接受贝类等次级生产者 的生物沉积物，另一方面作为营养盐的源向水体中释放营养物质。这种源与汇作 用的平衡关系，取决于贝类等养殖生物的数量，同时还受到各种生物因素( 细菌 分解作用) ，物理因素( 风力，潮流等的作用) 和化学因素( 化学氧化还原反应及迁 移转化) 的影响。由于底泥返还营养盐过程是不稳定的，海水交换等其他营养盐 的补充形式又难以完全抵消这种不稳定，则会造成营养盐的大幅波动，进而影响 浮游植物数量的起伏，并通过食物链对贝类造成影响。 在高密度的养殖生态系统，栉孔扇贝通过大量的生物沉积在生态系统的物质 循环和营养动力学中扮演着重要的角色。周毅等( 2 0 0 2 ) 的研究表明，在烟台四十 里湾贝类养殖海区，夏季贝类( 以栉孔扇贝计) 每天将排泄4 5 4 t 总溶解氮，同时 每天排泄0 5 7 t 总溶解磷，排泄而再循环的n 和p 分别能满足浮游植物生产所需 n ，p 的4 4 和4 0 ，其中n h 4 - n 和口分别能满足所需n ，p 的为3 3 和2 9 。 贝类生长产生的大量代谢产物，不能被海流很好的交换散解，也无法被自养生物 充分分解利用，会造成局部海域的严重污染。项福亭等( 1 9 9 6 ) 报道烟台北部养殖 海区十年间( 1 9 8 0 1 9 9 0 ) 无机氮年平均含量由4 0 5 m g m 3 增加到1 0 2 m g m 3 ，增加 了1 5 倍。四十里湾清泉寨海区的n 0 3 - n 的平均值由1 t m g m 3 ( 1 9 8 1 年6 7 月) 增加到2 3 5 m g m 3 ( 1 9 9 4 年6 - 7 月) ，1 3 年间增加了1 3 倍。 综上所述，可见贝类养殖生产活动对近岸海洋环境存在着巨大的影响作用， 研究分析我国重点养殖海区贝类养殖对海域环境的影响对于海水养殖业的可持 续发展具有重要的理论与现实意义。 1 2 国内外研究现状 国内外对贝类养殖与环境关系的研究方法主要分为两大类；1 ) 对养殖海域的 环境进行现场调查和分析( 梁玉波，1 9 9 8 ；毕远溥等，2 0 0 2 ：许忠能，2 0 0 2 ；蔡 立胜，2 0 0 3 ；舒廷飞，2 0 0 4 ：v e r h a g e n ，1 9 8 6 ) ；2 ) 利用资料建立模型，分析养 殖与环境的关系( 姜世中，1 9 9 8 ；黄小平，1 9 9 8 ：张学雷，2 0 0 3 ；s o a r e se t 以， 1 9 9 7 ) 。贝类的生物过程非常复杂，人们对养殖海区的研究也是侧重于生物方面。 而相关的模型大部分是生物模型，研究对象是环境对贝类的影响，目的是求得养 殖容量。由于海洋水动力环境对养殖区域的物质输运过程具有重要的作用，目前 7 秋季桑沟湾贝类养殖对海域水质影响的数值研究 研究趋势是在生态模型和生物能量模型的基础上加一个水动力物理模型 ( s o l i d o me ta l ，2 0 0 0 ：d u a r t ee ta 1 ，2 0 0 3 ) 。w o r k i n gg r o u po nm a r i n es h e l l f i s h c u l t u r e 在2 0 0 3 年的报告会中也特别强调了养殖区的物理环境对养殖的影响。 h u g he ta 1 ( 1 9 9 9 ) 在e r i e 湖西部模拟了贝类养殖对养殖区下游叶绿素浓度的影 响。d u a r t ee ta l ( 2 0 0 3 ) 在桑沟湾利用物理一生物化学模型计算了桑沟湾的养殖容 量。随着养殖密度的增大，养殖海区环境的恶化，人们逐步开始认识到了贝类对 环境的影响。国内外许多学者开始关注贝类对环境的影响。m i c h a e ld o w d ( 2 0 0 5 ) 利用箱式n p z d 模型，模拟了贝类通过生物作用影响半封闭海区( 加拿大的 t r a c a d i e 湾) 的浮游生物量并以此改变了物质循环的过程。但利用数值模型模拟贝 类养殖区对周围海域水质及营养盐分布影响的研究较少。 水质数值模型是指对污染物质在水环境中因物理、化学、生物作用而发生变 化的规律及影响因素之间相互关系的数学描述，是定量描述污染物在水体中迁移 转化规律的数学方程。应用水质数值模型的数学方程，可定量地进行海洋环境质 量的模拟和预测，由此可以对浅海开发过程中的环境影响进行评价，进行环境容 量、污染物允许排放量的计算，并制定水体水污染物总量控制方案或控制规划， 实施环境目标管理等。人们对海洋环境问题特别是近海海洋污染物的关注，推动 了海洋环境动力学的加速发展。目前对海洋环境动力学的研究主要集中在近岸水 域中的环流及其对污染物的输运规律，以及对污染物浓度的分布和探讨。为了规 划海水养殖的发展，有些学者已经开始利用水质模型对养殖造成的影响进行研 究。蔡惠文( 2 0 0 4 ) 利用水质模型：膜拟了象山港网箱养殖对水质的影响，并以此估 算了该港的养殖容量；骆晓明( 2 0 0 6 ) 预测了浙江宁海围垦工程投入养殖后排放的 污水对周边水环境的影响情况；杨卫华( 2 0 0 5 ) 研究了胶州湾扇贝养殖对水质的影 响，但是胶州湾的主要污染来自径流的输入，贝类养殖对水质的控制作用表现不 明显。 1 3 桑沟湾养殖现状 桑沟湾地处山东半岛东端，是开展海水增养殖的理想水域。湾内主要为浮筏 式养殖，周年养殖扇贝、牡蛎等滤食性贝类，同时每年的秋末冬初至翌年春末在 湾东部开展海带养殖。桑沟湾扇贝总养殖量为2 1 0 1 0 粒，养殖面积约为7 5 k i n 2 ， 年产量达5 万吨。按照目前养殖方法( 按养成笼问距为l m ，每笼7 层，每层放养 秋季桑沟湾贝类养殖对海域水质影响的数值研究 3 5 个，筏绳间距为5 m ) 计算，该湾扇贝的养殖密度为5 0 糕a j m 2 。桑沟湾湾内海 带现养殖面积约为3 3 3 3 k i n 2 ，现年存养海带约6 1 0 9 株( t y 建光，1 9 9 6 b ) 。目前， 桑沟湾的海带养殖密度不论是湾内湾外基本是使用同一个养殖密度。即苗绳间距 1 5 m ，苗绳长5 m ，筏绳间距5 m 。每养殖4 0 0 苗绳约占水面1 5 0 0 r a 2 ，平均产量 为9 0 0 k g 左右( 方建光，1 9 9 6 b ) 。 桑沟湾的海水养殖业始于6 0 年代末期，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贝养殖亦有所发展。但由于经济效益较低，进入 8 0 年代后贻贝养殖业逐年减少，目前除了野生贻贝外，桑沟湾己基本无人工养 殖贻贝。随着7 0 年代末8 0 年代初扇贝人工苗种培育大规模生产技术获得成功， 栉孔扇贝养殖业在该湾得到了迅速发展，与海带一起成为桑沟湾的主要养殖品 种。进入9 0 年代以来，由于受国内外水产品市场需求量日益增长的刺激，桑沟 湾海水养殖企业为了追求高产量、高产出，在大量扩展养殖面积的同时，亦提高 了养殖密度。海带养殖己扩展到湾外2 0 m 水深海域，该湾的海水养殖业近来出 现了海带在4 月下旬收获季节开始腐烂，栉孔扇贝养殖个体小型化、养殖周期延 长、死亡率升高、产品质量下降等问题，严重影响了该湾海水养殖业的可持续发 展。随着养殖规模的不断扩大，桑沟湾栉孔扇贝陆续出现死亡现象，继1 9 9 7 、 1 9 9 8 年出现大面积死亡后，2 0 0 3 年再次出现大规模死亡现象，给渔业生产和当 地渔民收入造成较大损失的同时，也给养殖业的健康发展带来很大的负面影响 ( 蒋增杰，2 0 0 4 ) 。 大量的调查研究工作随即展开，结果表明桑沟湾的生态环境较养殖前有了较 大改变。特别是水体的无机氮营养盐含量有了大幅度上升。桑沟湾自2 0 世纪8 0 年代开始发展滤食性贝类的大规模筏式养殖直至今日，对比桑沟湾开展贝类养殖 生产前( 1 9 8 3 1 9 8 4 年) 与目前湾内水体的环境可以得出：湾内海水的温、盐度与 开展贝类养殖前相近，但水体中的无机氮营养盐水平明显比开展养殖生产前高 ( 张学雷，2 0 0 3 ) ，甚至比未养殖前高十倍左右( 刘慧等，2 0 0 3 ) ( 表1 3 ) 。可见 浅海筏式养殖生产活动对海域环境产生了重大影响。 1 4 本文的研究内容和研究的意义 本文的研究内容： 首先，应用p o m 模式对桑沟湾潮流场进行模拟；其次在潮流模拟的基础上， 9 秋季桑沟湾贝类养殖对海域水质影响的数值研究 建立了一个三维的物质输运模型，研究扇贝养殖对水体中的无机氮浓度分布的影 响，探讨无机氮的分布规律。最后，结合水质模拟结果，初步探讨了降低养殖密 度及改变养殖布局对养殖海域水质环境的作用。 本文的研究目的是，模拟海水贝类养殖对海域营养盐浓度分布及变化的影 响，为合理利用海域的自净能力，对贝类养殖进行科学的管理和规划提供依据。 具体来说有三个方面：1 通过了解近岸海域的物理自净能力，掌握污染物在水体 中的浓度分布及变化，为政府部门的决策和养殖区的优化选址提供科学依据；2 重现养殖海域的水体运动规律及养殖污染物浓度分布特征；3 预测由于养殖区位 置的变动、养殖面积、养殖密度的改变对周围海域水质的影响。 如何合理地开发利用海洋生物资源，使我国的海水养殖走一条可持续发展的 道路，达到经济发展，资源节约和环境保护的统一，顺利实现“海洋农牧化”的 战略，是目前海水养殖生态研究领域的首要任务之一。而达到以上目的，进行养 殖系统营养元素分布规律的研究则是必不可少的，也是养殖生态学基础理论研究 的重要组成部分。养殖污染物在海水中的浓度及分布决定着养殖海域环境的质 量，确定这些物质在海区的时、空分布是研究养殖污染的一个重要方面。因此， 为了解决海水养殖业面临着经济发展与环境保护的矛盾，必须阐明养殖污染物在 海湾和沿岸海域迁移和扩散的过程，而采用数值模型研究的方法是解决该问题的 有效途径之一，以探索各污染因子在水体中的浓度分布规律，为决策部门进行宏 观调控提供理论依据，使我国海水养殖业步入可持续发展的轨道。 1 0 秋季桑沟湾贝类养殖对海域水质影响的数值研究 附表 表1 1 1 养殖贝类与其所处生态系统间的相互作用 表1 3 桑沟湾1 9 8 4 和2 0 0 1 2 0 0 2 年部分营养盐指标( 年平均值) 的比较 秋季桑沟湾贝类养殖对海域水质影响的数值研究 2 桑沟湾海域自然环境特征 桑沟湾位于山东半岛东端，荣成市境内( 3 7 。0 1 - 3 7 0 9 e ，1 2 2 0 2 4 一1 2 2 。3 5 q q ) ， 属半封闭性内湾( 图2 1 ) ，呈“c ”字形，湾口朝东，面临黄海。湾口宽约1 1 5 k m ， 东西宽约7 5 k i n ，岸线长约6 0 k m ，面积约1 3 2 k m 2 。海底平缓，平均水深7 - 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 。桑沟湾是我国北方重要的海水养殖基地，主要养殖双壳贝类和海带，年 产贝类、藻类数万吨。养殖区分布见图2 2 。 桑沟湾入湾河流有桑干河、崖头河、沽河、小落河，陆源物质来源较少。陆 源物质主要随工业废水和生活污水排入海中。位于湾西北部的沽河口成为了城市 污水和工业废水进入桑沟湾的入口，约占该海域等标污染负荷比的9 9 0 3 ( 武晋 宣，2 0 0 5 ) 。 桑沟湾的潮汐属于不正规半日潮类型。每个太阴日中两次高潮和两次低潮， 两次高( 低) 潮的高度不同，涨潮和落潮历时相差较大。大潮汛期大潮差平均为 1 5 m ，小潮差为1 1 m ；小潮汛期大潮差平均为1 2 m ，小潮差为o 7 5 m ( 孙耀，1 9 9 8 ) 。 从蛎江码头观测得到的潮位变化近似正弦曲线。由调和常数计算，主要的半日分 潮( m 2 ，s 2 ) 振幅与主要日分潮( o l ，k 1 ) 振幅的比值，南口为2 0 2 ，北口为1 9 4 。 说明半日分潮仍占主导地位。 桑沟湾潮流性质属于正规半日潮类型，调和分析( w o l + 、脉1 ) w m 2 小于 0 5 。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，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。 桑沟湾的余流流速不大。秋季湾的北部海域有一顺时针方向的环流趋势。而 南部海域，呈现出逆时针方向的环流趋势。湾内的余流一般不超过5 c m s 。湾口 的余流在8 c m s 左右。最大的余流出现在湾口南侧，达到1 7 c t r d s 。 桑沟湾年平均水温，表层为1 3 9 。c ，底层为1 2 7 ，表层略大于底层。表 层海水年平均温度分布较为均匀，近岸浅水区域较高( 1 4 5 c 以上) ，水较深的湾 东北部平均水温较低( 1 3 5 以下) 。最高水温出现在8 月( 2 6 c 左右) ，9 月开始 降温，到第二年2 月平均水温降至全年最低值( 2 ) ( 中国海湾志编纂委员会， 1 9 9 3 ) 。 秋季桑沟湾贝类养殖对海域水质影响的数值研究 桑沟湾年平均盐度表层为3 1 7 6 ，底层为3 1 7 7 ，表层和底层盐度基本相同。 全年的平均盐度平面分布趋势大体一致。唯独在沽河t a # h , 片海域盐度较低，这 主要是受河水流入湾内的影响。 无机氮的分布具有明显的季节变化。1 月和4 月在桑沟湾西北或西南沿岸海 域各有一个较小的相对高值区；7 月该高值区面积有所扩大；l o 月湾西北部大部 分海域均呈较高值，且在湾口南部也出现另一高值区( 如图2 3 所示) 。该海域玳 含量变化范围1 月1 2 6 2 4 9 2 ( 平均3 9 3 6 ) p 妒；4 月4 4 8 1 3 7 9 ( 平均4 7 7 8 ) p g 1 7 月4 0 2 8 3 7 4 ( 平均8 2 1 6 ) 雌l ；1 0 月2 1 4 2 7 7 5 0 4 ( 平均2 8 6 7 6 ) i 舭( 孙耀等， 1 9 9 8 ) 。其季节变化为，随着水温升高无机氮平均含量逐渐增大，然后1 0 月份达 到最高值。 无机磷的分布特点是：1 月和4 月的平面分布基本由湾口向湾内递减；7 月 相对高值区位于湾中部海域；1 0 月高值区则出现在湾口大部海域及部分沿岸海 域。含量范围1 月5 2 7 2 9 4 5 p g ：l ，平均1 4 8 2 p g 1 ；4 月2 1 7 1 4 2 6j _ t g 1 ，平均 7 3 0 p 鲈；7 月o 1 5 1 9 1 x g l ；平均5 9 5 p g 1 ；1 0 月份o 7 3 7 8 i t g 1 ，平均1 6 7 0 p g 1 。 夏季无机磷的平均浓度最低，秋冬季较高。 秋季桑沟湾贝类养殖对海域水质影响的数值研究 附图 图2 1 桑沟湾计算区域及水深图 图2 2 桑沟湾养