象山港内新增网箱养殖污染物对海水水质的影响预测

陈华伟，吴卫飞

(1.浙江大京生态环境科技有限公司，浙江 宁波 315200；2.宁波市盛甬海洋技术有限公司，浙江 宁波 315200)

象山港是宁波市东部沿海沿西南方向楔入内陆的一个半封闭式狭长形港湾，常年风平浪静，受台风影响小，港内水文动力作用强，纳潮量大，港底稳定，底质为泥质，温盐度适中，气候宜人，水产养殖条件良好，是我国东部沿海地区重要的水产养殖区域，也是宁波市最重要的养殖港湾。20世纪90年代以来，该区域网箱养殖业迅猛发展，截至2017年底，全港常规网箱养殖已发展到约11×104m2，成为当地渔民的主要经济收入来源[1]，但是，网箱养殖所带来的海洋环境污染问题也不容忽视。经调查，象山港内网箱养殖产生的绝大部分污染物来自养殖基地本身，主要是过剩饵料和水生生物的排泄物，这些污染源使得水体中的有机物增多和氮磷浓度变大，致使水质恶化，甚至引发赤潮。

目前已有不少学者针对象山港内的养殖容量、污染物浓度及水质情况进行了大量研究，结果表明：象山港水质已处于严重富营养化状态，水质主要污染物因子为氮和磷，各网箱养殖区产生的污染物排放量已超出其容量，需采取调整饵料结构、推广生态养殖、实行科学管理等措施[2-3]。蔡惠文等采用数值模拟的方法，对象山港的养殖污染情况进行了模拟，并讨论了该海域的网箱养殖环境容量[4]。本文以2018年象山港内某新增大黄鱼网箱养殖基地为例，对大黄鱼(Larimichthyscrocea)养殖过程中产生的污染物扩散情况进行数值模拟，分析新增网箱养殖对周边海域环境的影响，为象山港的养殖承载能力和养殖功能区布局合理性提供参考。

1 材料与方法

2018年，象山港湾水产苗种有限公司拟在象山港白石山岛西北侧建设岱衢族大黄鱼培育基地(图1)，该项目距离白石山岛屿岸线约300 m，位于宁波市海洋与渔业研究院象山港海洋牧场试验养殖用海区内，目前周边已有较多的养殖活动，如海带养殖、大黄鱼网箱养殖、牡蛎养殖等。

该养殖基地共有280个网箱，其中用于挡水的网箱80个，用于养殖的网箱200个。网箱分为两个区块布置，其中网箱养殖一区长74.6 m、宽36.6 m，网箱养殖二区长75.2 m、宽45 m，中间以操作平台和管理用房进行连接，每排网箱之间均有泡沫浮筒及行走木板(行走木板宽约30 cm)，且每五排一组的网箱中间架设一排泡沫浮筒和行走木板，使网箱保持足够的浮力及方便养殖人员行走管理。网箱布置区水深在-10.8 ～-8.5 m(1985国家高程基准)。

1.1 模型建立

Delft3D是由荷兰Delft大学WL Delft Hydraulics开发的一套功能强大的软件包，主要应用于自由地表水环境。该软件具有灵活的框架，能够模拟二维和三维的水流、波浪、水质、生态、泥沙输移及床底地貌，以及各个过程之间的相互作用。它是国际上较为先进的水动力-水质模型之一。本文主要利用其中的Flow模块对象山港内网箱养殖的污染物扩散过程进行模拟研究。

质量守恒方程：

(1)

ζ方向动量守恒方程：

(2)

η方向动量守恒方程：

(3)

其中H为水深，H=h+ξ，ζ为水位，h为相对于平均海平面的水深；u、v分别为x、y方向上的垂向平均流速分量；g为重力加速度，g=9.81 m/s2；f为柯氏力参数；Cz为谢才系数；εx、εy分别为x、y方向的水平涡动粘滞系数；qin、qout是表示源汇项，x、y为直角坐标；t为时间。

对流扩散方程：

-λd(d+ζ)c+S

(4)

其中c为污染物浓度，mg/L；DH为水平扩散系数，m2/s；λd表示一阶衰减系数，1/s；S为污染物源汇项。

本文对整个象山港建立正交曲线网格(图2)，网格布置与象山港主流方向一致，模型区域网格数为M326、N114，最小网格约2.0 m，最大网格约600 m，计算时间步长为30 s。需要指出的是，养殖网箱虽然是空心透水设计，尺度较小，但是仍会对潮流产生一定的阻流作用。根据Lader的试验研究，由于网面的遮蔽效应，网箱内的水流速度会减少到来流速度的80%左右。本文利用这个试验结论，通过糙率的变化来概化网箱对流场的阻碍作用。

1.2 模型验证

模型验证资料选择2016年3月象山港内的潮流、潮位实测资料，其中包含2个临时潮位测站T1和T2，9个潮流测站C1～C9。站点布置如图3所示。

临时潮位站验证结果见图4，潮流站位验证结果见图5。以下验证结果表明，文章所建二维水动力模型的潮位计算相对误差可以控制在10%以内，计算潮流过程与实测结果基本吻合，误差在15%以内。因此，模拟计算结果基本能反映整个象山港的水动力情况。

1.3 源强计算

本项目初始养殖6 cm以上岱衢族大黄鱼苗种50×104尾，饵料种类以颗粒饲料为主、冰鲜饲料为辅。每天早晚各投喂1次，按鱼体重0.5%～1.5%投喂颗粒料，按鱼体重3%～6%投喂冰鲜饲料。根据养殖工艺，养殖过程中的污染来源主要包括饵料和鱼体自身排放的污染物。

1.3.1 饵料产污

养殖过程产生的氮、磷等营养物质流失量一般可由下式估算：

流失量=投饵量×饵料中氮(磷)百分含量×(1-鱼虾贝饵料吸收率)×流失率

鱼虾贝饵料吸收率在60%～70%，按60%计算；氮、磷的流失率分别以30%和50%计。

1.3.2 鱼体产污

根据《全国污染源普查水产养殖业污染源排放系数手册》，污染物排放量的计算方法为：

污染物排放量=排污系数×养殖增产量，其中养殖增产量=产量-投放量。

根据以上资料(表1～表3)对养殖废水污染物排放源强进行计算，本项目养殖网箱总面积为0.609 2 hm2，总排放废水量为561.9456 m3/d。按照养殖大黄鱼50×104尾，每尾体重为130 g，产污量最大的阶段(养殖时间150 d)计算，网箱养殖排水总的污染物源强为N：16.08 mg/m3，P：2.72 mg/m3，COD：11.11 mg/m3(表4)。

表1 饵料氮磷含量

表2 苗种培育排污系数表

表3 大黄鱼海水网箱养殖业排污系数

表4 养殖废水污染源强

由于网箱养殖为开放式养殖，与外海相连通，养殖废水随着潮流的运动而扩散，因此在水动力模型计算基础上，模型对养殖废水中的污染物扩散情况进行数值模拟[5-14]。选定COD、N、P为水质指标因子，通过计算预测养殖废水实时的排放情况及养殖用水中各指标浓度增量的影响范围。

2 结果

2.1 养殖区域的水质情况

象山港海域水质执行《海水水质标准》(GB 3097—1997)第二类标准，即COD浓度不超过3 mg/L，无机氮(以N计)不超过0.3 mg/L，活性磷酸盐(以P计)不超过0.03 mg/L。

根据2016年宁波市海洋环境监测中心在象山港内的水质调查结果，海域水体中pH、DO、COD、硫化物、石油类和重金属(Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr)等指标的浓度满足二类海水水质标准的要求，只是活性磷酸盐(0.036 8 mg/L)和无机氮(0.718 mg/L)有不同程度的超标。

2.2 养殖区域污染物的扩散情况

图6～图11为污染物N、P、COD分别在一个潮周期内涨急时刻和落急时刻的影响范围，从图中可以看出，在涨急时刻污染物向象山港内部扩散，影响距离较远，其中N浓度的影响距离在6.0 km左右，P浓度的影响距离在6.2 km范围内，COD浓度的影响距离约在7.0 km范围内。落急时刻，污染物向象山港口扩散，受岛屿影响，扩散距离相对较近，其中N浓度的影响距离在3.8 km左右，P浓度的影响距离在5.2 km范围内，COD浓度的影响距离约在9.0 km范围内。

三种污染物的浓度增量均是在网箱养殖点较高，在网箱外污染物随潮流运动迅速扩散，浓度增量降低(表5)。P在网箱处的浓度增量约为1×10-3～2×10-3mg/L，COD在网箱处的浓度增量为2×10-3～4×10-3mg/L，N在网箱处的浓度增量为5×10-4～6×10-4mg/L。而在网箱外部，污染物浓度增量迅速下降，P在网箱外的浓度增量约为1×10-5～3×10-5mg/L，COD在网箱外的浓度增量为1×10-5～3×10-5mg/L，N在网箱外的浓度增量为4×10-6～8×10-6mg/L。

表5 新增污染物浓度分布情况

可见，虽然污染物随着潮流运动而往象山港内外扩散，但是除网箱内污染物浓度增量较高外，网箱外的污染物浓度增量极低。网箱内的污染物中COD叠加象山港本底值后依然没有超出二类水的标准，而N、P浓度由于本底值已经超过二类水标准，叠加新产生的污染物后更是超出二类水标准。但是整体来说本项目大黄鱼网箱养殖产生的污染物增量较小，对象山港内的水质产生影响较小。

3 讨论

文章利用二维对流扩散模型预测了象山港内某新增大黄鱼网箱养殖基地产生的污染物对象山港水质的影响。从计算结果可看出，由于本项目网箱养殖规模较小，养殖时间较短，产生的新增污染物浓度增量较小，因此对象山港的水质影响不大，项目是可行的。文章所建数学模型考虑了网箱对流速的减缓效应，以及污染物随潮流的实时变化，基本还原了网箱养殖污染物排放的真实情况，为象山港内新增网箱养殖的污染物预测提供了参考，对于后续的新增网箱养殖可采取类似方法进行预测和评估。

值得一提的是，目前象山港内存在大量的网箱养殖，单个养殖网箱产生的污染物可能对港内水域环境影响不大，但是大量网箱养殖产生的污染物叠加会产生推波助澜的影响，再加上工农业、生活污水等陆源污染物的输入，导致象山港内海域环境质量下降。因此，对新增网箱养殖要进行科学全面的评估，不仅要评估单个网箱养殖污染物对水质的影响，还要从整个象山港环境容量的角度，综合考虑整体海洋环境质量，谨慎新增网箱养殖。同时，还应合理确定网箱数量和布局，调整优化养殖结构与饵料结构，改进网箱工艺和养殖技术，向生态养殖模式过渡，从而既保证网箱养殖的经济效益又满足海洋生态环境保护的要求。