物理过程对半封闭海湾养殖容量影响的数值研究

摘要

桑沟湾是我国黄海沿岸重要的水产增养殖水域，近年来，随着对水产品需求的不断提高，人们在扩大养殖面积的同时，也提高养殖密度，而随之带来的结果是养殖设施和养殖生物对桑沟湾的水动力结构产生很大影响，使该湾的潮流结构改变，潮流流速明显减小，海水交换周期延长等等，进而营养盐的补充受到限制，反过来影响养殖生物的生长和产出。 首先，为了了解养殖活动对桑沟湾水动力场的影响，于2006年4月和7月在桑沟湾进行了潮流特征综合观测。由于高密度筏式养殖，养殖设施和养殖生物占据了上层水体，阻碍了海水流动，形成了潮流上边界层，潮流垂直结构与一般非养殖海区明显不同，同一位置，最大流速出现在中下层，表层海水先涨先落；从湾口到湾顶，潮流流速显著衰减，相距仅5.2 km的两站，表层平均流速衰减达63％，湾顶站比湾口站潮流相位提前1h，可见养殖活动对海水流动的阻碍作用不容忽视。 基于观测得到的桑沟湾潮流结构特征，对养殖设施和主要养殖生物(海带)带来的阻力分别进行参数化，加入POM水动力模型中，对桑沟湾的水动力场进行模拟。进而，用此水动力模型驱动保守物质输运模型模拟该湾半交换时间的分布，并与不考虑养殖阻力的模拟结果进行比较。加入养殖阻力的水动力模型能够模拟出桑沟湾更加真实的潮流流速大小和特有的垂直结构，即高密度筏式养殖活动带来的潮流上边界层的存在；由于养殖活动的影响，桑沟湾的水动力场与开展大规模养殖前相比，平均流速减小40％，平均半交换时间延长71％。 其次，将加入养殖阻力的POM水动力模型与桑沟湾生态模型和海带个体生长模型耦合得到桑沟湾养殖模型，模拟无机氮营养盐和浮游植物的季节变化和大面分布，无机氮营养盐收支情况和海带养殖产量。无机氮与浮游植物存在明显的季节变化，养殖活动的季节性增大了无机氮和浮游植物季节变化幅度，二者的大面分布受大面积海带和贝类养殖的影响；海带生长期间，外海补充是无机氮的最重要的源；模拟得到海带的总产量为7.01万吨干重，最终产量分布受外海对营养盐补充的控制，靠近湾口的养殖区产量大，湾内营养盐补充不足的区域，产量较小。 应用桑沟湾养殖模型进行数值实验，研究各个过程的改变对海带养殖产量的影响。结果表明： (1)如果不采用贝藻间养，由于缺少贝类排泄对无机氮的补充，最终海带总产量减小0.3万吨，减产4.3％，海带-贝类混养区减产更为明显，达19.6％。 (2)如果海带养殖期内多大风事件，搅动底沉积物，使得底沉积释放无机氮增大一倍，海带的总产量增加0.29万吨，增产4.1％，贝藻混养区增产明显，达19.6％。 (3)温度对产量影响不大。 (4)在无机氮缺乏的海带养殖后期，对营养盐补充不足海带-贝类混养区集中施肥，肥料利用率最高，得到的海带产量提高最大。 (5)在不考虑养殖设施和养殖生物的水动力场的驱动下，海带生长期内，高估外海对桑沟湾内无机氮营养盐补充81.5％，进而高估海带产量38.5％。 最后，改变养殖密度，研究水动力场的变化，随之带来的无机氮营养盐补充的变化，及最终海带养殖产量的变化，探讨最适养殖密度和最大养殖产出。养殖密度越大，对海水流动的阻碍作用越强，海带生长期间由外海输送到湾内的无机氮营养盐就越少，因此，提高养殖密度，最终的海带产量不一定得到相应的增加。 不同养殖密度下，海带产量的模拟结果表明，养殖密度为现有养殖密度的0.9倍时，海带的产量最大，即由本模型计算得到，0.9倍于现有养殖密度为最适养殖密度，对应的最大海带养殖产出为7.21万吨干重。

目录

文摘

英文文摘

声明

0前言

0.1养殖容纳量概念的发展

0.2养殖容纳量的研究方法

0.3养殖容纳量模型的发展

0.4养殖活动与水动力场的相互作用

0.5本文研究内容及意义

1桑沟湾自然环境特征和养殖现状

1.1物理海洋环境基本特征

1.1.1潮汐和潮流特征

1.1.2温度分布特征

1.2太阳辐射年变化特征

1.3桑沟湾营养盐分布状况

1.4桑沟湾初级生产力和叶绿素分布特征

1.5桑沟湾悬浮颗粒物的动态变化和贝类的摄食

1.6桑沟湾养殖的发展和现状

2潮流特征的现场观测

2.1生源要素的观测结果

2.2水动力特性观测站位和项目

2.3潮汐潮流特征

2.4潮流垂直结构特征

2.5养殖带来的流速衰减

2.6本章小节

3水动力场的数值模拟

3.1 POM模型简介

3.1.1控制方程

3.1.2边界条件

3.1.3数值计算

3.2养殖阻力参数化

3.2.1海表阻力参数化

3.2.2水体阻力参数化

3.3模型配置

3.4模拟结果分析

3.4.1模型结果验证

3.4.2水平流场分布

3.4.3潮流的垂直分布特征

3.5水交换研究

3.5.1水质模型介绍

3.5.2结果分析

3.6本章小结

4海带养殖模型的建立和参数敏感性分析

4.1生态系统动力学模型的一般结构

4.2海带养殖模型的建立

4.2.1浮游植物(phyt)

4.2.2悬浮颗粒物(POM)

4.2.3溶解无机氮(DIN)

4.2.4海带(kelp)

4.3模型参数的选取

4.4初始场和强迫场

4.4.1初始场

4.4.2太阳辐射

4.4.3底沉积物溶出和贝类释放

4.4.4水温

4.4.5开边界强迫

4.5生态模型的离散与计算

4.6参数敏感性分析

4.6.1浮游植物生物量有关参数敏感性分析

4.6.2海带产量有关参数敏感性分析

4.7本章小结

5模拟结果

5.1营养盐循环及其分布变化

5.1.1营养盐(DIN)年循环

5.1.2营养盐水平分布

5.1.3营养盐垂直分布

5.1.4营养盐收支

5.2浮游植物循环及其分布变化

5.2.1浮游植物年循环

5.2.2浮游植物水平分布

5.3海带产量

5.4本章小结

6各个过程对海带产量影响的数值研究

7海带养殖容量的初步探讨

7.1实验描述

7.2不同养殖密度下水动力场的变化

7.3不同养殖密度下营养盐收支的变化

7.4不同养殖密度下海带产量的变化

7.5本章小结

8结论与展望

8.1结论

8.2展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文和研究成果