淺海筏式養(yǎng)殖對周邊海域潮流和懸浮體特征影響研究*

張澤華，黃海軍，劉艷霞，嚴立文，王恩康

(1.中國科學院 海洋研究所，海洋地質與環(huán)境重點實驗室，山東 青島 266071；2.中國科學院大學 北京，100049；3.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061)

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淺海筏式養(yǎng)殖對周邊海域潮流和懸浮體特征影響研究*

張澤華1,2，黃海軍1*，劉艷霞1，嚴立文1，王恩康3

(1.中國科學院 海洋研究所，海洋地質與環(huán)境重點實驗室，山東 青島 266071；2.中國科學院大學 北京，100049；3.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061)

根據黑泥灣近岸海域養(yǎng)殖期與無養(yǎng)殖期多站同步分層潮流泥沙實測資料，對黑泥灣大規(guī)模海帶養(yǎng)殖區(qū)及周邊海域的潮流動力特征以及懸浮體分布規(guī)律和時間變化進行了動態(tài)的研究。通過對比海帶養(yǎng)殖期與無養(yǎng)殖期潮流動力與懸浮體特征的時空變化規(guī)律，分析了淺海海帶筏式養(yǎng)殖對周邊海域懸浮體動力特征的影響作用。研究結果表明，研究區(qū)大范圍分布的海帶筏式養(yǎng)殖群落使得潮流動力減弱，并改變了潮流流速和懸浮體質量濃度的垂向分布特征，海底邊界層的潮流底切應力被削弱，抑制了海底泥沙的再懸浮作用，但在一定程度上加強了水體的垂向混合作用。

筏式養(yǎng)殖；水動力；泥沙輸運；懸浮體；黑泥灣

海帶是世界上養(yǎng)殖面積和產量最大的大型經濟藻類。近年來，隨著大規(guī)模海水養(yǎng)殖技術的發(fā)展與需求的不斷擴大，我國近海海帶養(yǎng)殖的范圍與規(guī)模逐年擴大，所以人工海水養(yǎng)殖對于淺海地區(qū)環(huán)境的影響日益引起人們的重視。大型海藻群落內的水動力的研究觀測始于Jackson和Winant[1]，他們通過在美國加利福尼亞圣迭戈灣海藻床內、外的海流觀測，發(fā)現海藻群落內的流速僅為外部的 1/3。Jackson[2]在之后的研究中發(fā)現，在海岸地區(qū)的海藻床與周邊海域的物質交換中，橫向流比沿岸流起到更重要的作用。隨后很多學者[3-8]相繼通過野外調查與室內試驗的方法對海藻群落內的水動力特征進行了研究，揭示了海藻床的存在對潮流、波浪、湍流以及物質輸運的影響。這些研究都針對河口淺海區(qū)海藻床的研究，而筏式養(yǎng)殖群落作為一種懸浮的植被存在于水體的中上層，其對水動力與物質輸運的影響和附底的海藻群落相比存在很大的差別。Grant等[9]觀測了薩爾達尼亞灣內貽貝筏式養(yǎng)殖對海水的阻力作用，通過研究對比發(fā)現筏式養(yǎng)殖阻力約為底播養(yǎng)殖的 30倍，Boyd和Heasman[10]的研究進一步驗證了這個結果。Plew等[11-12]通過實地觀測新西蘭黃金灣附近離岸貽貝筏式養(yǎng)殖區(qū)內水動力特征的水平及垂向變化，研究了懸浮冠層對層流的影響作用。樊星等[13-14]根據實測資料研究分析了桑溝灣養(yǎng)殖活動影響下的潮流動力結構，并建立了一維雙阻力水動力模型對潮流垂直結構及其相應的剪應力垂直結構進行模擬，通過控制模型參數研究了養(yǎng)殖活動對潮流垂直結構的影響機制。目前對海區(qū)水動力環(huán)境變化的研究主要針對于對養(yǎng)殖容量的估算，而很少涉及大規(guī)模的養(yǎng)殖活動造成的懸浮泥沙輸運及其動力機制。本文以山東半島東南端的典型大規(guī)模海帶筏式養(yǎng)殖區(qū)——黑泥灣為研究對象，根據不同養(yǎng)殖時期近岸海域多站同步分層潮流泥沙實測資料，對該海域海帶筏式養(yǎng)殖區(qū)及周邊海域的潮流以及懸浮體分布特征進行了研究。通過對比海帶養(yǎng)殖期與無養(yǎng)殖期水動力與懸沙濃度的時空變化規(guī)律，分析了淺海海帶筏式養(yǎng)殖對周邊海域懸浮體輸運的影響作用。

1 數據與方法

1.1 研究區(qū)概況

黑泥灣地處山東省威海市，位于山東半島東南端楮島和鏌铘島之間，東向瀕臨黃海。黑泥灣為基巖岬灣海岸，由于其兩側基巖岬角突出，將其與其他海灣分隔，形成了相對獨立的泥沙運動系統，其北部褚島岬角北側為桑溝灣，那里高密度養(yǎng)殖著牡蠣、貝類、魚和海帶等[15]；西南部鏌铘島西側為海帶養(yǎng)殖為主的石島灣。黑泥灣頂海岸主要為連島和潟湖沙壩堆積地貌類型，侵蝕主要發(fā)生在岬角處[16]。灣中部有礁石分布，坡度較陡，10 m等深線直逼海岸，其將海灣分為南北兩個水下地形坡度較緩的海灣，坡度小于0.5‰，向海過渡至水深20 m附近有個地形突變的水下岸坡[17-18]。

黑泥灣附近海域的潮汐類型主要為不規(guī)則半日潮，日潮不等現象顯著，多年平均潮差2.39 m。潮流性質為規(guī)則半日潮流，具有明顯的往復流性質，漲潮偏南向、落潮偏北向。研究區(qū)夏季常浪向為S和SW向，冬季多為N向，強浪向主要為S、SE、SSE及NNE向，平均波高為0.6～1.2 m，最大波高為4～7 m。研究區(qū)近岸為自北向南的黃海沿岸流區(qū)[19]。黑泥灣外圍河流多為單獨入海的小河，其對黑泥灣的泥沙供應量很小。海岸潮灘沉積物類型為粉砂質砂，海域沉積物類型主要為黏土質粉砂，為第四紀泥質沉積區(qū)[20]。

黑泥灣所屬的榮成市素有“中國海帶之鄉(xiāng)”稱號，是全國最大的海帶養(yǎng)殖地，目前海帶養(yǎng)殖區(qū)面積已達七千多公頃，鮮海帶產量約占全國的50%[21]。黑泥灣附近5～20 m等深線范圍內的海域均為海帶養(yǎng)殖架群填充，養(yǎng)殖面積約30 km2。黑泥灣海帶養(yǎng)殖周期一般為11月至次年的5或6月，離岸較遠的水域最晚可至7月。到12月時，黑泥灣海域表層海水已被海帶群落以及養(yǎng)殖筏架覆蓋，此時海帶筏式養(yǎng)殖分布范圍如圖1所示，而到6-7月海帶收割時，海帶已可以生長到4～5 m長。圖1養(yǎng)殖范圍基于5 m分辨率的SPOT5假彩色合成影像提取得到[22]，影像獲取時間為2004-12-08，通過對比研究區(qū)相近幾年的遙感影像，海帶養(yǎng)殖范圍無太大變化，因此影像提取的養(yǎng)殖范圍具有很好的代表性。

圖1 研究海區(qū)位置及取樣站位布置圖

1.2 現場觀測與采樣

為對比探討淺海筏式養(yǎng)殖對潮流動力以及懸浮體輸移的影響，在研究海區(qū)布置了4個潮流、泥沙觀測站位，分別在2006-07和2006-12進行大、中、小潮共6個潮周期的定點同步分層潮流、泥沙觀測，用于研究養(yǎng)殖與非養(yǎng)殖期海域流場與泥沙運動特征，觀測站位布置見圖1。2006-07調查時，除外海一小范圍海域(D03站位)尚余海帶之外，黑泥灣大部分海域海帶已收獲，D04，D05和D06站位均可視為無養(yǎng)殖影響的自然海域。2006-12調查時，4個站位分別位于海帶養(yǎng)殖區(qū)外緣(D03)、養(yǎng)殖區(qū)內緣(D04)、養(yǎng)殖區(qū)中部(D05)和養(yǎng)殖區(qū)外圍的自然海域(D06)。7月和12月觀測期間，最大風速分別為3.2和5.7 m/s，天氣均狀況較好。

具體觀測與取樣、分析方法：在連續(xù)潮周期內的整點時刻，采用挪威生產的安德拉RCM-9MKII型和RCM4s型自容式海流計，以五點測量法分5層(表層、0.2H、0.6H、0.8H和底層，H為整點時刻實測水深)觀測流速、流向數據，并使用直立式采水器同步采集雙水樣進行室內粒度測試和含沙量分析。另外在大、中、小潮落憩時刻取各觀測站的底質樣品。水樣在每個潮次觀測結束后現場過濾，在實驗室中完成濾膜烘干、稱重、含沙量計算、鹽度計算，使用的濾膜孔徑為0.45 μm，直徑為60 mm。對漲急、落急、漲憩、落憩等典型時刻的懸浮體樣品以及各站位的底質樣品進行了粒度分析，分析步驟為：將取回的水樣過濾，過濾出的懸浮顆粒物加入六偏磷酸鈉在超聲波振蕩儀內振蕩、分散2 h，然后采用Cilas 940L型室內激光粒度儀進行粒度分析。

2 結果與分析

2.1 研究海區(qū)冬夏兩季潮流特征

研究海區(qū)各站實測潮流均表現出較強的往復流性質，主流向基本與岸線平行，漲潮流偏S向，落潮流偏N向?？傮w上漲潮平均流速大于落潮平均流速，且漲落潮平均流速大潮期>中潮期>小潮期。

由各站位冬夏季流速特征值(表1)可以看出，研究海區(qū)整體上由外海向近岸隨水深變淺潮流平均流速逐漸降低，四個調查站位中D06站位(平均水深約24 m)平均流速最大，D04站位(平均水深約為6.5 m)平均流速最小，D03、D05站位水深均為12 m，平均流速介于D04、D06兩者之間。比較各站位的冬夏季平均流速差別，D03、D06站位冬季平均流速均大于夏季，而位于養(yǎng)殖區(qū)內的D04、D05站位冬季平均流速均小于夏季。

由研究海區(qū)各站位各層潮流流速的垂向變化來看(圖2)，D06站位分層時均流速在冬夏兩季均表現出近似對數剖面的流速分布特征，海水表層流速最大，冬季為51.7 cm/s，夏季為52.3 cm/s，隨水深增加而逐漸減小，近底層的平均流速冬季為36.0 cm/s，夏季為23.7 cm/s。表層最大流速冬季為112 cm/s，夏季為132 cm/s；底層最大流速冬季為96 cm/s，夏季為61 cm/s。D04、D05兩站位分層時均流速在夏季時也表現出這種流速剖面特征，表層分別為14.0和35.4 cm/s；而在冬季時由于表層養(yǎng)殖阻力的存在流速剖面發(fā)生變化，平均流速最大值出現在水深中部0.6H～0.8H，其中D04站位出現在水深4 m左右，流速約為9.9 cm/s，D05站位出現在水深8 m左右，流速約為24.7 cm/s。兩站最大流速剖面特征與各自時均流速剖面特征相似，D04冬季流速最大值為22 cm/s，D05冬季流速最大值為44 cm/s，分別出現在水深4和8 m左右。D03站位分層時均流速在夏季表現出中層高，表、底層低的特征，最大值約為24.5 cm/s，出現在水深9 m左右。

表1 研究海區(qū)各站位冬夏季流速特征值(cm·s-1)比較Table 1 The characteristic values of current velocity (cm·s-1) at each sampling station in summer and winter

圖2 研究海區(qū)各站位流速剖面特征圖

2.2 研究海區(qū)冬夏兩季懸浮體分布特征

表2為研究海區(qū)各調查站位冬夏季垂向平均含沙量變化范圍，由表可以看出，D04站位水深較淺，冬夏兩季懸浮體質量濃度值均較低，夏季平均為14.5 mg/L，冬季平均為10 mg/L。另外3個站位的懸浮體質量濃度冬夏季的差異更為明顯，在夏季D03，D05和D06站位懸浮體質量濃度平均值相差不大，分別為26.7，29.0和23.1 mg/L，D05站位略高于其他兩個站位；而在冬季，D06站位的懸浮體質量濃度明顯高于D03和D05站位，前者平均值為37.5 mg/L，后兩者分別為21.2和22.2 mg/L。夏季調查期間各站位的含沙量小潮期>大潮期>中潮期；而冬季的含沙量大潮期>中潮期>小潮期。各站位冬夏季垂向平均含沙量對比，D06站位冬季大于夏季，其他3個站位均是夏季略大于冬季。

研究海區(qū)懸浮體質量濃度垂向分布在冬夏兩季也存在著很顯著的差異，主要表現為夏季比冬季懸浮體質量濃度垂向變化梯度更為明顯(圖3)。其中D05站位冬夏差異最為顯著，夏季表層、底層懸浮體質量濃度分別為16.0和63.3 mg/L；冬季分別為20.7和24.5 mg/L。D06站位夏季表層、底層懸浮體質量濃度分別為9.5和43.6 mg/L；冬季分別為34.8和40.2 mg/L。

表2 研究海區(qū)各站位冬夏季垂向平均含沙量(mg·L-1)比較Table 2 The depth-averaged silt content (mg·L-1) at each sampling station in summer and winter

圖3 研究海區(qū)各站位時均懸浮體質量濃度垂向變化圖

3 討 論

3.1 研究海區(qū)潮流流速特征季節(jié)性差異

為了研究筏式養(yǎng)殖活動對海域潮流特征的影響而選取了2個養(yǎng)殖季節(jié)進行研究，然而海域自然狀態(tài)下的水動力特征本身不可避免地也存在一定的季節(jié)差異，因此分析養(yǎng)殖活動的影響之前應首先排除季節(jié)性差異造成的水動力的變化。

D06站位調查結果可以很好地反映研究區(qū)海域自然狀態(tài)下潮流流速垂向分布特征的季節(jié)性變化。從平均流速的變化上來看，研究區(qū)海域觀測期間冬季流速略大于夏季流速。冬、夏兩季海水表層平均流速相近，而底層平均流速冬季略大于夏季，夏季比冬季具有更大的流速梯度。在夏季，海水的層化作用較強，阻礙了海水的垂向混合，致使流速剖面具有較大的梯度；而冬季則相反，由于海面風混合作用、海面冷卻造成的垂向對流以及潮流在底邊界層內的強湍流混合作用等的結果，使得水體垂向上混合均勻，從而使水體垂向各層的流速差別不大[21]。

3.2 筏式養(yǎng)殖對潮流的影響

由D04、D05站位冬、夏兩季不同潮期潮流流速對比發(fā)現，冬季海帶養(yǎng)殖時期潮流流速相比較夏季無養(yǎng)殖時期發(fā)生很明顯的衰減，D04站位夏季和冬季平均流速分別為11.3和8.0 cm/s，D05站位夏季和冬季平均流速分別為31.7和22.2 cm/s，兩站位平均流速冬季比夏季均降低了約30%(圖2)。而由于養(yǎng)殖筏架和海帶群落主要集中在海水表層(觀測期間平均水深小于1 m)，這種流速的衰減在水體表層最為明顯，D04站位夏季和冬季表層平均流速分別為14.0和6.0 cm/s，D05站位夏季和冬季平均流速分別為35.4和17.4 cm/s，兩站位表層平均流速冬季比夏季降低了50%～60%。隨著水深的加深影響逐漸減小，0.2H層平均流速冬季比夏季降低了40%左右，0.6H層平均流速降低20%左右，0.8H和底層平均流速冬夏季差值在15%以內。

從各站位潮流流速的垂向分布來看，對比海帶群落內部和外部，D06站位冬季和夏季以及D04和D05站位夏季，潮流各層平均流分布符合對數變化的剖面形態(tài)；而冬季時D04和D05站位分層平均流速在剖面存在中間層位流速大表層和底層流速小的特征(圖2)。樊星等[13]建立了一種一維雙阻力水動力模型從理論上研究了這種水流流速剖面模式，它從壁面率假設出發(fā)，將頂覆筏式海帶養(yǎng)殖群落的摩擦阻力類比海底邊界層的摩擦阻力，得到一種雙對數分布形式的流速剖面。由圖2中D04和D05站位流速剖面分布特征可以看出，雖然養(yǎng)殖筏架和海帶群落主要集中在海水表層(觀測期間平均水深小于1 m)，但是海表養(yǎng)殖阻力形成的頂邊界層的影響可以深入到0.6H～0.8H水深處。

然而這種流速剖面僅適用于海帶群落分布于海水表層的情況，冬季調查期間，D04和D05站位的流速分布即很好的反映了這種分布特征，但是，當海帶群落充分生長并覆蓋了海水垂向較大深度范圍的水體之后，海帶群落造成的阻力作用影響到海水水體的中上部，此時流速剖面特征不再呈單純的雙對數分布特征。D03站位附近海域在夏季調查期間仍存留一定范圍的海帶群落，且海帶大部分生長到4～5 m長度，此期間調查得出該站位時均流速剖面呈S型分布(圖2)，即海水時均流速由海表層至底層呈減小—增大—再減小的變化特征。

圖4是D05站位冬季大潮和D03站位夏季大潮半個潮周期的潮流流速北分量垂向分布，時間間隔為1 h，流速北方向為正。由圖可以看出各時刻的潮流流速垂向分布模式與相應的時均流速剖面模式是一致的(圖2)，即D05站位在冬季流速遵循雙對數剖面模式，D03站位在夏季流速遵循S型剖面模式。D05站位冬季時各層海水幾乎同時漲落，說明海帶藻體在約2 m長的時期對海域表層水體的阻力與海底的摩擦作用量級相當。而在D03站位，底層海水先漲先落，表層海水后漲后落，海帶已生長至4～5 m長，體積增大，其對表層海水的阻力作用將大于海底摩擦作用，從而影響水流的垂向結構。

圖4 大潮半個潮周期內潮流流速北分量垂向分布變化

將研究海區(qū)各站位各潮期的實測海流資料經過磁差等訂正后，進行潮流準調和分析[23]，得出各站位各潮期主要分潮的潮流調和常數及橢圓要素。由于研究區(qū)海域潮流類型為規(guī)則半日潮流，因此其潮流運動形式主要以M2分潮流的橢圓率作近似分析。表3為D05站位冬夏季大潮期各層M2分潮流的橢圓率K值。由表可以看出，D05各層旋轉率|K|值均為0.06～0.16，屬典型的往復流，而且冬季有海帶養(yǎng)殖群落存在的表層M2分潮流|K|值小于冬季其他層位以及夏季各層位，表明養(yǎng)殖群落使潮流的旋轉性特征減弱而更趨向于往復流。可見冬季表層海帶養(yǎng)殖群落的存在不僅可以改變潮流流速大小，而且還對潮流性質產生影響。

表3 D05站位冬夏季大潮期各層M2分潮流K值表Table 3 The ellipticity value (K) of M2 current component at each depth layer of the D05 station

3.3 研究區(qū)海域懸浮體特征季節(jié)性差異

在潮流為主要驅動力的淺海海域，無風無浪條件下潮致底應力被認為是沉積物周期性再懸浮的最重要的驅動力。半日潮流占優(yōu)的水域懸浮物濃度升高通常對應著漲急落急時刻，并呈現出M4周期變化[24]。當沉積物進入水體后，水體湍流混合強度大小決定了沉積物是否繼續(xù)隨垂向湍流擴散到上層水體中去參與水平懸移輸運，或者沉降下來回到沉積態(tài)或參與推移質輸運。

由D06站位冬夏季時均懸浮體質量濃度垂向變化(圖3)可以看出，研究區(qū)海域冬夏季懸浮體質量濃度垂向分布特征有著顯著的差異。夏季懸浮體質量濃度值垂向變化很大，水體下部懸浮體質量濃度很高，底層懸浮體質量濃度平均值為42.6 mg/L，但上部濃度則較低，表層平均濃度為9.5 mg/L。而冬季懸浮體質量濃度各層分布均勻，表層和底層懸浮體平均濃度分別為34.8和40.2 mg/L。冬夏兩季水體底層懸浮體平均濃度雖然相差不大，但水體懸浮體垂線平均濃度冬季(37.5 mg/L)要比夏季(23.1 mg/L)高很多。

自然狀態(tài)下冬季水體垂向混合近乎均勻，水體中動量及懸浮顆粒物的垂向交換非常通暢，沉積物一旦被潮流卷起，立即在湍流垂向混合作用下擴散到水體中部甚至表層。然而在夏季，由于水體層化作用，懸浮顆粒物的垂向分布、聚集及湍擴散卻是另一番景象，水體動量以及懸浮體質量濃度在垂向上具有很強的梯度分布特征。盡管海底沉積物的起動取決于起動臨界應力，但其再懸浮進入水體中后垂向輸運的高度和在水體中停留的時間取決于水體中湍擴散系數。如果水體中的湍流強度不足以克服懸浮物的重力沉降，懸浮顆粒物馬上沉積下來。研究區(qū)海域D06站位位于距離養(yǎng)殖區(qū)較遠的自由水體，實測結果表明該站位懸浮體垂向分布特征季節(jié)性變化符合以上規(guī)律，然而位于養(yǎng)殖區(qū)邊緣及內部的幾個站位的懸浮體分布季節(jié)特征存在一定的改變。

3.4 筏式養(yǎng)殖對懸浮體動力特征的影響

從懸浮泥沙來源分析，研究海區(qū)附近岸段無較大河流入海，且季節(jié)性較強，泥沙量較少，陸域來沙對整個區(qū)域的貢獻較小。該海域海岸類型均為沙質，從波浪動力和海岸性質而言，海岸可能存在沿岸輸沙，但從目前該岸線形狀以及多年的海岸線和岸灘變化判斷，沿岸輸沙的量級應該很有限。研究區(qū)海域受潮流和波浪共同作用，在正常天氣下主要受潮流影響，泥沙主要以懸移運動為主，在較大風浪條件下，近岸及破波帶水域泥沙較易起動，并隨潮流、波生流等運動。因此，就該海域而言，本地掀沙是其最主要的泥沙來源。

比較D03，D05和D06三個站位冬夏兩季垂向平均懸浮體質量濃度隨時間的變化(圖5)可以看出，在夏季各站位懸浮物濃度升高幾乎都對應著漲落急時刻，呈現M4周期變化特征，且3個站位的濃度值在相似的量級上變化，特別是D05、D06站位濃度變化過程具有很高的一致性。由此可見，研究區(qū)海域自然狀態(tài)下潮致底應力是沉積物周期性再懸浮的最重要的驅動力。在冬季處于養(yǎng)殖區(qū)外部自然海域的D06站位保持較高的懸浮體質量濃度和較大的濃度變化波動，而D03和D05站位則受到養(yǎng)殖的影響，懸浮體質量濃度降低且在20～30 mg/L波動。另一方面，D06站位懸浮體質量濃度依然具有與潮流流速相關的M4型的周期變化特征，而D03和D05的濃度變化無明顯的周期特征。

比較D03，D05和D06三個站位冬夏兩季底層懸浮體質量濃度的時間變化，在夏季D05、D06站位底層懸浮體質量濃度在較高的范圍波動，最大值可以達到130 mg/L左右，懸浮物濃度的高值均對應著漲落急時刻，可見在夏季自然海域潮流是泥沙再懸浮主要的動力因素。在冬季，處于自然海域的D06站位底層懸浮體質量濃度值波動劇烈，而受到筏式養(yǎng)殖影響的D03和D05站位底層懸浮體質量濃度較小、波動較弱。由于養(yǎng)殖阻力的作用使養(yǎng)殖區(qū)內部平均流速發(fā)生衰減，近底潮流流速剪切作用減弱抑制了泥沙的再懸浮過程，最終導致研究區(qū)冬季養(yǎng)殖區(qū)內底層懸浮體質量濃度較低且波動較弱的情況。同樣地，由于夏季D03站位附近仍有一定范圍養(yǎng)殖筏架的存在，在無風浪狀態(tài)下海底層的泥沙再懸浮量減少，近底層的懸浮體質量濃度僅為20～40 mg/L。

在養(yǎng)殖區(qū)內部的D05站位，雖然懸浮體質量濃度與流速密切相關且表現出相同的周期性變化，在冬季夏季的相同潮周期內流速極大值都出現在漲急和落急時刻，但是在養(yǎng)殖季節(jié)懸浮體質量濃度峰值往往出現在漲憩和落憩時刻，說明懸浮體質量濃度的變化存在一定的滯后性，原因一方面是懸沙沉降至底床或從底床向上再懸浮需要一定時間，另一方面是流速從極大值開始降低后，仍有一段時間不低于再懸浮的臨界速度，懸沙濃度會繼續(xù)升高。通過對D05站位漲急、落急、漲憩、落憩等典型時刻的懸浮體粒度分析(表4)，得到漲憩落憩時底層懸浮體中值粒徑Md值偏小，漲急落急時底層懸浮體中值粒徑Md值偏大，也可以說明這一特征。然而在冬季養(yǎng)殖期間，D05底層懸浮體質量濃度和粒徑參數變化均沒有很強的周期性和規(guī)律性，說明在冬季養(yǎng)殖期間，養(yǎng)殖區(qū)內的潮流流速衰減的情況下，潮流流速大小已不再是懸浮體質量濃度波動的控制因素。但是，本次調查中并未對波浪進行觀測，無法說明波浪作用對養(yǎng)殖區(qū)內泥沙再懸浮的影響。

圖5 研究海區(qū)各站位冬、夏兩季懸浮體質量濃度變化圖

表4 D05站位冬夏季大潮典型時刻懸浮體中值粒徑Table 4 The median size of SSC at the D05 station at typical moments of spring tide

由以上分析，研究區(qū)筏式養(yǎng)殖覆蓋的水體，由于養(yǎng)殖活動的存在使得海域流速明顯衰減，致使水底潮流切應力相應減弱，從而造成再懸浮作用減弱；相比于自然水域，其近底層以及垂向平均懸浮體質量濃度均顯著降低。但是與夏季無養(yǎng)殖期間水體各層懸浮體質量濃度存在較大濃度梯度不同的是，D05站位在冬季養(yǎng)殖期間大部分時間懸浮體質量濃度垂向分布是十分均勻的，而且調查期間冬季表層水體懸浮體平均濃度(20.7 mg/L)反而略大于夏季(16.0 mg/L)(圖3)。這種冬季水體懸浮體質量濃度垂向均勻分布的特征與自然水域(D06站位)的垂向分布特征是一致的。而比較夏季時D03和D05站位懸浮體垂向分布差別，底層懸浮體平均濃度前者遠低于后者的同時，表層懸浮體平均濃度前者略大于后者。這說明了養(yǎng)殖區(qū)內的垂向混合作用并不只是季節(jié)性原因造成的，筏式養(yǎng)殖對水體的垂向混合也有重要作用。研究區(qū)夏季自然狀態(tài)下水體層化作用較強，而養(yǎng)殖區(qū)內卻存在很強的混合作用，這可能是由于筏式養(yǎng)殖增強了水體的湍流擴散作用。在一般的近岸環(huán)境中，頂邊界層和底邊界層中流速的剪切作用產生的湍流是湍流生成的主要的機制。Rosman等[7]通過對海藻床內外理查森數(Ri)的研究，指出海藻群落內部由于流速降低進而速度剪切顯著減弱，以至于流速剪切不足以超過局部層化作用而產生垂向的混合。然而海帶群落內部卻存在著湍流生成的其他機制，可能包括單個海帶束與潮流相互作用而在其后部產生湍流[25-26]。另一方面，與海藻床不同的是，懸浮式的海帶養(yǎng)殖主要集中于水體的上半部分，而海帶養(yǎng)殖之下存在一定深度相對自由的水體，這部分水體收到養(yǎng)殖阻力的影響較小而表現出相對較高的流速。Waite[27]對貽貝養(yǎng)殖區(qū)內流速的觀測發(fā)現養(yǎng)殖體以下2 m存在強烈的水流波動，指出近表層阻滯水流與養(yǎng)殖區(qū)以下較快速的水流之間形成了一個混合層。這種混合層會加強水體的垂向混合作用。由此可見，筏式養(yǎng)殖群落在一定程度上加強了水體的垂向混合作用。

3.5 筏式養(yǎng)殖對沖淤演化的影響

嚴立文[28]利用海圖以及實測水深數據建立了研究海區(qū)的DEM并計算出該海域兩個不同歷史時期的底床沖淤演化特征(圖6)。由于1949-1980年期間研究區(qū)海域受養(yǎng)殖活動的擾動較少，基本上反映了海域自然演化的狀態(tài)。由該時期沖淤演化特征看出，研究區(qū)灣外水深15 m以深海域以侵蝕作用為主，而灣內水深15 m以淺海域則以淤積作用為主。在自然狀態(tài)下，研究海區(qū)沖淤演化特征受到沉積物水動力及地形地貌條件的綜合作用，灣外水域在較強的水動力條件下，沉積物很容易發(fā)生再懸浮，由潮流作攜帶向近岸擴散的過程中，隨水深變淺、水動力減弱而逐漸落淤。80年代以后筏式養(yǎng)殖活動大規(guī)模開展，研究海區(qū)大范圍分布的海帶群落減弱了灣內的水動力，增加了泥沙沉積的同時減弱了再懸浮作用，海帶養(yǎng)殖區(qū)外圍水深15～20 m海域表現最為明顯，因為外海攜帶來的泥沙首先在此處發(fā)生淤積。

然而研究海區(qū)的筏式養(yǎng)殖并非全年覆蓋水域，海帶群落存在一個生長周期，由于海帶群落密度、影響深度和覆蓋率的不斷變化，其對水動力和懸浮體擴散的影響是一個復雜的過程，同時也將影響研究海區(qū)沖淤狀態(tài)的年內變化。11月至次年6或7月海帶養(yǎng)殖期間，由外海搬運來的泥沙在養(yǎng)殖區(qū)外緣發(fā)生沉降淤積，而養(yǎng)殖區(qū)內部由于處于弱水動力狀態(tài)，泥沙很難進入缺乏補給，本身底質又較少發(fā)生擾動再懸浮，所以處于一種較穩(wěn)定的沖淤平衡狀態(tài)。而海帶收獲以后直到11月新的養(yǎng)殖活動開始這段時間，研究海區(qū)處于自然狀態(tài)，于是在養(yǎng)殖期間于養(yǎng)殖區(qū)外緣淤積的大量沉積物開始在水流的作用下往淺水區(qū)搬運。如此周期往復的過程最終形成了圖6所示的沖淤格局。

圖6 研究海區(qū)不同歷史時期的沖淤演化圖[28]

4 結 論

通過對比黑泥灣近岸海域海帶養(yǎng)殖期與無養(yǎng)殖期潮流動力與懸浮體特征的時空變化規(guī)律，分析了淺海海帶筏式養(yǎng)殖對周邊海域懸浮體動力特征的影響作用，得出以下結論：

1)研究區(qū)自然狀態(tài)下冬夏兩季潮流流速在潮周期內的變化幾乎一致，而在養(yǎng)殖季節(jié)，海帶群落內部潮流流速發(fā)生很明顯的衰減，平均流速冬季比夏季均降低了約30%，表層平均流速冬季比夏季降低了50%～60%。

2)研究區(qū)冬季海帶養(yǎng)殖群落僅覆蓋水體表層，時均流速剖面表現出明顯的雙對數剖面模式，而隨著海帶的生長，覆蓋的水體范圍加深，流速剖面轉化為S型剖面模式。海帶養(yǎng)殖群落的存在不僅可以改變潮流流速大小，而且還對潮流性質產生一定影響。養(yǎng)殖群落覆蓋的表層水體潮流的旋轉性減弱而更趨向于往復流。

3)筏式養(yǎng)殖的存在，使海底邊界層的潮流底切應力被削弱，抑制了海底泥沙的再懸浮作用，使得底層懸浮體質量濃度值大大降低且波動減弱。筏式養(yǎng)殖群落的存在一定程度上加強了水體的垂向混合作用，使得養(yǎng)殖海域的懸浮體垂向分布更為均勻。

4)研究區(qū)大范圍分布的筏式養(yǎng)殖群落減弱了灣內的水動力，使得懸浮泥沙更容易沉降淤積，近岸水域特別是養(yǎng)殖區(qū)外圍的淤積作用增強。

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Received: March 25, 2015

Effects of Suspended Culture of the Seaweed Laminaria japonica Aresch on the Flow Structure and Suspended Sediment Transport

ZHANG Ze-hua1,2, HUANG Hai-jun1, LIU Yan-xia1, YAN Li-wen1, WANG En-kang3

(1.KeyLaboratoryofMarineGeologyandEnvironment,InstituteofOceanology,ChineseAcademyofSciences,Qingdao 266071, China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences, Beijing 100049, China;3.TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061, China)

Based on the synchronous hydrological and sediment in-situ observations at fixed stations in Heini Bay during culture period and non-culture period, we studied the hydrodynamic characteristics and the distribution and variation of SPM in the Bay. By comparing the hydrodynamic and suspended sediment characteristics between culture and non-culture periods, the paper described the influence of suspended kelp aquaculture on the suspension dynamic characteristics of surrounding areas. The analytical results showed that widespread distribution of suspended culture community in the study area decreased the current velocity in culture area, and changed the suspension concentration vertical distribution structures. At the same time, the bottom shear stress of seabed boundary layer is greatly weakened, which restrains the seabed sediment re-suspension and thereby to strengthen the vertical mixing action of water to a certain extent.

suspended culture; hydrodynamics; sediment transport; SPM; Heini Bay

2015-03-25

國家自然科學基金項目——淺海大規(guī)模海帶養(yǎng)殖活動對沉積環(huán)境的影響研究(41076031)和懸浮顆粒礦物成分對近岸水體光學參數的影響及光譜響應研究(41306190)

張澤華(1988-),男,山東濟寧人,博士研究生,主要從事海洋環(huán)境地質方面研究.E-mail: zew00r@163.com*

黃海軍(1963-),男,湖南湘潭人,研究員,博士，主要從事海洋遙感和海洋環(huán)境地質方面研究. E-mail: hjhuang@ms.qdio.ac.cn

(陳 靖 編輯)

P73

A

1671-6647(2016)01-0037-13

10.3969/j.issn.1671-6647.2016.01.004