贻贝浮筏养殖设施水流阻力的量化及其生态效应研究

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浙江省嵊泗县枸杞岛贻贝养殖业闻名海内外,是我国著名的贻贝之乡。本文利用观测数据和数值模拟的方法对枸杞岛贻贝养殖海域的环境问题展开研究。分别利用对数法和阻力法量化了养殖设施和贻贝串对水流的阻力作用,并基于观测资料测算的阻力系数建立了可体现阻力作用的三维水动力模型。在通过实测数据验证后的水动力模型基础上耦合示踪剂模型,模拟养殖海域因水动力条件改变后而产生的生态效应,得到的结论如下:ADCP流场观测结果表明,上边界层的3个深度(ZS表层,Zmin平均流速最小值出现的深度,Zmax:平均流速最大值出现的深度),ZS深度处的流速约为Zmin流速的1.5倍,Zmax深度的流速约为Zmin深度流速的4.5-5倍,养殖区内部流速的垂直变化显著于养殖区外围,且小潮期间流速的垂直变化率高于大潮期间;由流速的垂直剖面可知养殖海域流速在垂向上呈梯度下降的分布结构,且符合对数规律,此外养殖活动在改变水动力条件的同时,其海域环境参数同样发生了变化,CTD的叶绿素、溶氧、浊度的实测结果有力地证明了这一点。根据流速在垂向上的对数规律,采用对数法、回归分析法计算了涨潮期间养殖海域内部的摩擦速度(*)、粗糙长度((50)和拖曳系数分别为0.087±0.027,1.718±0.280,0.146±0.038,落潮期间养殖海域内部三个参数均值分别为0.104±0.025,1.766±0.199,0.151±0.030;涨潮期间养殖海域外围三个参数的平均值分别为0.129±0.041,1.633±0.377,0.136±0.042,落潮期间养殖海域外围三个参数的平均值分别为0.132±0.037,1.561±0.318,0.124±0.037,结果呈现出养殖区内部和外围涨潮期间的*总是小于落潮期间。第二种量化枸杞岛贻贝串阻阻流效应的方法为阻力法,其主要从动量汇的角度考虑了贝串对水流的阻力作用产生的动量,并将这部分动量添加在三维数值模型的动量方程中,以实现利用数值模型模拟养殖贝串的水动力效应。分别利用两种方法建立数值模型并进行验证。验证结果表明阻力法对枸杞岛贻贝养殖海域表层流速的模拟结果精确度更高,故后续在阻力法的基础上耦合示踪剂模块,以近似实现养殖海域浮游植物的浓度、扩散及输运情况的模拟。利用数值模型分别计算了有、无阻力条件下养殖海域典型时刻的潮流流速及流向的差异性。利用模型流速计算结果调和分析求出了潮流椭圆,选取了养殖海域内外7个断面求出了单位时间流量及总流量,采用5个分潮作为开边界驱动条件计算了潮致欧拉余流。根据水动力模型在有、无阻力条件下的结果可知养殖阻力改变了养殖海域流速及流向,表层至10 m左右,有阻力时的流速仅为无阻力的1/10左右,贝串的阻流效应并不局限在养殖设施所处的深度及范围,其影响范围在垂向上波及整个水层,在水平方向上增大了周边自然海域的流速及流向,尤其在涨急时最为显著。流场的变化使得有阻力时养殖海域内M2,S2,K1,O1分潮的振幅减小,部分外围养殖海域K1,O1分潮的潮流椭圆的长轴方向发生较大变化,或发生旋转流与往复流之间的转变。此外,水体通量的计算结果表明流速的减小降低了养殖区断面通量,养殖海域内部平行于流向的断面流量差异小,而垂直于潮流椭圆长轴的断面流量差异较大,尤其在西北-东南方向的断面上表现最明显。拉格朗日质点追踪模块模拟的结果表明,当碎屑质点处于悬浮状态即质点沉降速率(w)为0 m/s质点需要约600个小时才能达到36.79%(e-1%)的沉底率;且无阻流效应时,沉底质点的分布在距养殖区中心9.0~10.5 km的区域内,有阻流效应时,质点的沉底范围分布在距养殖区中心7.5~8.5 km的区域内。当w大于0 m/s时,三种碎屑沉降速度的结果差异不大,大约在80个小时内质点的沉底率达到99%,无阻流效应时质点沉降区域为距养殖区中心10~13.5 km的范围内,有阻流效应时质点的沉降范围为距养殖区6.8~12 km的区域,大潮期间释放质点沉底范围所示的碎屑生态辐射范围较小潮释放质点广。在不考虑风应力等驱动的条件下,潮致余流是决定碎屑输运和沉底的主要动力学因子。示踪剂模拟的结果表明,养殖海域海表阻流效应降低了养殖区内部浮游植物的浓度,养殖密度越高,浮游植物被消耗的越快;小潮期间水交换能力弱,养殖区内被滤食的浮游植物得不到周边水体的及时补充,使得示踪剂浓度较低;表层养殖设施的阻流效应加强了大、小潮期间浮游植物浓度差异。
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