不同海带生长季的桑沟湾潮流特征变化分析

王一聪，凡仁福，聂红涛*，魏 皓

(1.天津大学 海洋科学与技术学院,天津 300072；2.海南省海洋与渔业科学院,海南 海口 571126)

全球海水养殖业自1990年以来发展迅速,2018年世界海水养殖产量已超过3 000万t[1]。中国是世界上海藻养殖面积和产量最大的国家,约占世界海藻产量的2/3[2-3]。然而,大规模、高密度的筏式养殖活动虽然带来可观经济效益,但也会影响水体交换,对海洋环境造成影响,进而制约海洋养殖产值提升,例如:养殖密度过高,会出现海带腐烂现象[4],海带收获规格减小,影响海带品质[5]。因而需要科学认识筏式养殖活动的影响规律,合理布局养殖规模以达到更好的环境生态与经济效益。

筏式养殖对养殖海区水动力结构产生了多方面的影响。樊星等[6]对桑沟湾7月海带收获季的垂直潮流特征研究发现:海表面养殖生物和养殖设施的存在造成该海区的潮流垂直结构出现了潮流上边界层,并首次提出“双阻力模型”概念。何宇晴等[7]从潮流椭圆要素出发对比了桑沟湾海带播苗期和成熟期潮流垂向特征,指出在播苗期各椭圆要素在垂向上分布均匀,而在成熟期各要素在垂向上变化剧烈,例如M2潮流椭圆长轴最大值出现在中层,向海底和海表迅速减小。Zhang等[8]统计了黑泥湾海带养殖区调查站位的流速垂向分布,发现一些站位在涨潮和落潮阶段呈现出不同的流速剖面形状,分析认为由于在落潮阶段经过上游养殖区造成了潮流能量衰减。数值研究方面,Grant和Bacher[9]利用Aquadyn 3.0模型模拟发现在桑沟湾的主航道内,因为养殖筏架的存在,流速减缓了20%；而在养殖区的中心,流速减小了54%。史洁和魏皓[10]以POM 模型为基础建立了养殖阻力参数化方案,模拟了养殖环境下桑沟湾的水动力状况,发现加入养殖阻力后最大流速出现在中层水体,并得到观测结果的验证。

已有研究大多只关注海带的非养殖季与养殖季对比分析,未考虑海带不同生长阶段对潮流结构的影响。4月份,海带生长速度较快,但是海带长度只有2.5～3.0 m；7月海带生长速度变缓,但是长度增加到4～5 m[11]。实际上,不仅是海带长度,7月收获季相比4月生长旺盛季海带的叶片宽度和厚度均有所增加[12],不同海带生长季对当地水动力的影响程度差别需要进一步认识。故而,本文对桑沟湾海带的非养殖季(10月)、生长旺盛季(4月)和收获季(7月)的潮流特征进行了细致分析,并通过谱分析和潮能通量的对比从能量角度认识了造成不同季节潮流特征差异的原因。

1 现场调查

1.1 研究区域概况

桑沟湾地处山东半岛东端,东接黄海,其他三面被陆地所包围,属于半封闭型海湾(图1)。桑沟湾湾口南北宽约11 km,东西长约7.5 km,总面积约133.3 km2[13],平均水深7.5 m[7],湾内最深处为15 m。桑沟湾年平均水温13.3 ℃,平均盐度31.8[6]。桑沟湾海域水动力以潮流为主导,潮汐类型为不正规半日潮,潮流类型以正规半日潮流为主[14-15]。

图1 桑沟湾调查站位Fig.1 Survey stations in the Sanggou Bay

桑沟湾从20世纪80年代中期开始大规模养殖海带[13],一直以来是我国的海带主产区。除了海带,牡蛎和扇贝也是桑沟湾主要的海产品。海带的养殖期为每年11—12月播苗至次年5—6月收获[16]。桑沟湾由湾口至湾顶水深逐渐变浅,湾口外最深可达30 m[17]。湾口至湾顶分布着不同的养殖区,水深较深的湾口区营养物质更新速度相对较快,适宜海带生长,为海带养殖区；湾顶水交换能力较弱,水深较浅不适宜养殖海带,但却适合滤食型贝类的养殖,为贝类养殖区。湾中部为贝藻兼养区,一般是海带和贝类在同一筏架上共同养殖,但是目前此养殖模式所占区域很小,更多的是海带单养和贝类单养分散片区,各类养殖区呈现斑块状分布。

1.2 调查站位及观测设置

我们于2019年10月在桑沟湾进行了大面水文调查和坐底流速剖面观测。坐底流速剖面观测站位为湾口北侧寻山站(122°33′38.2″E,37°08′30.1″N,水深12 m)和南侧楮岛站(122°32′24.9″E,37°03′12.2″N,水深8 m),站位位置如图1所示。2006年4月和7月同样在寻山、楮岛两站进行流速剖面观测,各次调查观测仪器信息及设置如表1所示。2019年10月25日至11月4日楮岛站观测仪器受到干扰,该段时间数据质量较差,因此不采用；在2006年7月航次,楮岛站流速数据同样无法使用。由于观测盲区等影响,流速剖面的观测常常会缺失近底层或表层的数据,因此对数据进行了垂向插值补全。对于水位数据,2019 年航次通过AD2CP测量记录的压力数据获得；2006年航次由固定在筏架上的安德拉水位仪获得,每10 min记录一次水位,每次的观测时长为1个月。为了便于对比,3个航次的水位和流速数据在进行质量控制后,均被处理为10 min平均后使用。

表1 3个航次所使用的流速剖面仪仪器信息及设置Tabel 1 Configuration of current profilers used during three surveys

寻山站位于海带养殖片区,楮岛站位于牡蛎养殖片区。10月份的桑沟湾尚未开始进行海带播苗活动,为海带非养殖季；4月和7月分别为海带生长旺盛季和收获季。由于本文主要关注海带养殖阻力的影响,因此2.1～2.3节都是以寻山站为例进行3个海带养殖阶段的对比；而2.4节探讨潮流水平空间变化时,则使用了寻山和楮岛两站数据进行非养殖季和生长旺盛季的对比,这其中包含了贝类和海带共同的影响。下文提到的养殖季,包括了4月生长旺盛季和7月海带收获季。

2 结果与讨论

2.1 潮位调和结果比较

寻山站位于桑沟湾湾口北部潮流主要通道区。表2为寻山站非养殖季(10月)和养殖季(4月和7月)的潮位调和分析结果。从潮位调和结果可以看出,该站潮位以M2分潮为主,潮型系数介于0.5～2.0,属于不规则半日潮[18]。M2分潮振幅在50 cm 左右,迟角在150°左右,调和结果与方国洪等[19]绘制M2分潮同潮图所示结果相同。从非养殖季(10月)到海带收获季(7月),潮汐的潮型系数逐渐增加,7月的潮型系数接近于1,不规则半日潮特征愈发明显。

表2 寻山站非养殖季与养殖季潮位调和结果Table 2 Tidal harmonic constants at Xunshan station in different seasons

2.2 垂向平均流速变化

寻山站非养殖季和养殖季深度平均流速准调和分析结果如表3所示。该站潮流以东西流向为主,M2分潮潮流明显占优,浅水分潮M4的潮流振幅大于全日分潮。潮型系数为0.1左右,为正规半日潮流。M2分潮在非养殖季的椭率绝对值为0.19,大于养殖季,说明在养殖季,深度平均的潮流更加接近往复流特征,此现象在其他的海带养殖区也有出现[20]。

表3 寻山站非养殖季与养殖季深度平均潮流调和结果Table 3 Depth-averaged tidal current harmonic constants at Xunshan station in different seasons

寻山站涨、落潮流不对称现象在非养殖季十分明显,落潮流速大于涨潮流速。在大潮日,寻山站非养殖季涨、落潮平均流速分别为17和23 cm/s；4月生长旺盛季分别为23和26 cm/s；7月收获季涨、落潮平均流速分别为23和24 cm/s。从10月非养殖季到翌年7月收获季,涨、落潮流速差逐渐变小。同样在小潮日,寻山站非养殖季涨、落潮平均流速分别为13和18 cm/s,4月分别为18和19 cm/s,7月分别为23和23 cm/s。在养殖季,涨、落潮流速已经趋于相等。可见,在养殖季,潮流不对称现象有所消减。在半日分潮主导的海湾,由其产生的1/4日分潮是导致潮波变形和潮不对称的主要原因[21-23]。赵东波等[23]指出福建罗源湾大规模的养殖筏架和网箱对M2分潮影响不大,但却减小了由M2诱导的M4分潮振幅,潮波变形程度降低,潮汐不对称效应减弱。桑沟湾的大规模养殖活动同样改变了潮的不对称性,由表2可知,4月的寻山站M4分潮振幅相对10月非养殖季有所减小,潮波变形程度降低,潮不对称性减弱。

2.3 流速垂向结构变化

2.3.1 流速垂向分布对比

养殖活动对流速垂向分布的影响明显。3个时期的流速深度-时间剖面(图2)显示,在非养殖季,寻山站流速最大值出现在水体上部；而在4月生长旺盛季,流速最大值出现在水体中下部；在海带收获季的7月,流速最大值更加靠近水体底部。在养殖季,水体上层由于海带生长阻挡了水体的流动,增大了水体的表层阻力,同时在海底摩擦阻力的共同作用下,造成了海水表层和底层流速较小、中层流速最大的垂向结构。

图2 寻山站流速大小深度-时间剖面对比Fig.2 Comparison of the time-depth variation of current velocity at Xunshan station

寻山站涨、落潮流速垂向剖面特征分析表明:寻山站以东西方向往复流为主,涨潮时,潮水向西进入桑沟湾,流速东分量为负值；落潮时,潮水向东流出桑沟湾,流速东分量为正值。以σ(σ＝z/H)坐标绘制涨、落潮平均流速东分量剖面图如图3所示,图中z为距底高度,H为总深度,z/H＝0 代表海底,z/H＝1 代表海表[7]。

在非养殖季,海表至海底流速变化相对较小,流速最大值出现在海表。在养殖季,流速垂向变化剧烈,流速最大值出现在水体中下层。在7月,流速最大值相较于4月更向水体底部移动。在7月寻山站的落潮阶段出现了一种不同于涨潮阶段的流速剖面(图3e、图3f)。在水体中上部(z/H＞0.6),即5 m 以浅,流速变化幅度较小,而这一深度正是该阶段的海带长度；在z/H＜0.6的水体中下部,流速快速增大,在靠近水体底部迅速减小。这一现象在其他筏式养殖区也有出现[20],这可能与海带此时的长度和测量位置选取有关。首先,7月海带收获季的海带长度、宽度和厚度均要大于4月[11]。当潮流能量不足以使海带卷曲时,上层水体均会受到海带更强的阻碍,流速变得缓慢而均匀。此时,更多水体从海带下部流过,从而在水体中下部流速增大,在靠近海底时,由于底摩擦的作用流速减小。此外,观测站点位于湾口落潮流的下游,当落潮时,潮流由湾口南侧进入桑沟湾,然后由湾口北侧流出桑沟湾。寻山站南侧很多养殖区的海带尚未完全收获[24],落潮流在到达湾口北侧前需要流经湾内更大范围的养殖区,养殖筏架的阻力作用更大,从而潮流衰减更为明显。而在涨潮阶段,潮流由湾口北侧进入桑沟湾,受到养殖区阻力作用较少,能量衰减较少,水体中上层未出现流速均匀现象(图3e、图3f)。实际上,类似现象在4月生长旺盛季已经初露端倪,图3c、图3d显示落潮阶段表层流速在一小段内(0.8＜z/H＜0.9)分布均匀,只是因为4月海带长度、厚度和宽度小于7月,流速剖面变化没有收获季表现得明显。

利用谱分析进一步探究造成图3中流速剖面差异的原因。对10月非养殖季、4月生长旺盛季和7月收获季的7 d的流速东分量数据进行垂向分层谱分析,结果如图4所示。3个时期的谱分析结果均显示半日分潮的功率谱密度值要远大于浅水分潮和全日分潮。从10月的结果可以看出,半日分潮的功率谱密度在上部水体垂向变化较小,故而非养殖季流速垂向分布较为均匀(图3a、图3b)。对于生长旺盛季的4月,半日分潮的功率谱密度相比10月非养殖季变化较为剧烈,从表层向底层,先是迅速增大后迅速减小,这也形成了图3c、图3d的流速剖面形状。值得注意的是,7 月收获季的功率谱显示半日分潮的功率谱密度在水体上层(z/H＝0.6～0.8)变化相对4月较为缓慢,在z/H＝0.5处突然增大,此变化规律同图3e、图3f落潮阶段的流速东分量垂向变化较为一致,即在z/H＞0.5处,流速变化缓慢,z/H＜0.5后,流速突然增大,在z/H＝0.3处,流速达到最大。相比4月,7月半日分潮最大功率谱密度值更加靠近底部,导致流速最大值也更加靠近底部。

图4 寻山站垂向各层流速东分量谱分析对比Fig.4 Comparison of vertical variation of current velocity(east component)spectrum analysis at Xunshan station

2.3.2 潮流调和要素垂向分布对比

从以上分析可知,半日分潮能量的变化是造成流速垂向剖面差异的主要原因。然而,不仅流速,半日分潮潮流椭圆要素的垂向分布在非养殖季与养殖季也有很大差别。图5为寻山站非养殖季与养殖季的M2分潮潮流椭圆最大流速、最大流速出现时间以及椭率的垂向分布。与流速东分量一致,在非养殖季,M2分潮潮流椭圆最大流速在水体表层达到最大值；在养殖季,最大值出现在水体中下部。M2分潮最大流速出现时间在不同时期的垂向分布也有所不同。在非养殖季,最大流速出现时间差异不大,底层略早于表层,相差约为5 min。在4月生长旺盛季,潮流椭圆流速最大值最早出现在水体中上层(z/H＝0.6),在水体中下层(z/H＝0.4)出现最晚,相差10 min。在7月收获季,水体中上层首先达到流速最大值,即表层早于底层涨落,最大相差30 min。这是由于在养殖季,海面的筏式养殖作物和养殖设施形成的养殖阻力大于底部阻力,使得表层海水先涨/落[6]。在非养殖季,椭率由海水表层至底层逐渐变小,越近底越接近于往复流；在4月,椭率由表至底保持在－0.05左右,变化不大,保持往复流特征；在7月,椭率由表至底先由正值减小至0,而后向负方向逐渐增加。

图5 寻山站M2分潮潮流椭圆最大流速、最大流速出现时间以及椭率垂向分布对比Fig.5 Comparison of vertical variation of maximum velocity,its occurrence time and ellipticity of M2tidal current at Xunshan station

2.4 潮流水平空间变化比较

养殖活动不仅会对潮流垂向结构产生影响,还会对潮流的水平分布产生影响。在养殖季,海表密集的海带会影响潮波传递的速度,更会造成潮流在养殖区内的流速衰减。史洁[25]研究了桑沟湾养殖季湾口至湾顶的流速衰减发现,表层流速由湾口至湾顶衰减了63%,且湾口海水比湾顶先涨先落,提前约1 h。匡翠萍等[26]对秦皇岛筏式养殖区进行了情景模拟,发现同一站位在有养殖的情况下,涨、落潮过程相比无养殖情况下滞后1 h左右,体现了养殖活动对潮波传递的阻碍。由于寻山、楮岛两站水深不同,因此将两站流速数据按照σ(σ＝z/H)坐标进行插值,便于对寻山至楮岛的每一层的流速变化进行非养殖季和养殖季的对比。对比流速为寻山、楮岛两站在同一观测时间段内测量到的平均流速。由于2006年7月海带收获季楮岛站流速数据无法使用,图6仅给出了非养殖季(10月)和生长旺盛季(4月)寻山站至楮岛站的流速变化率的垂向分布,计算方法如式(1):

图6 非养殖季与生长旺盛季寻山站至楮岛站流速变化率的垂向分布Fig.6 Comparison of vertical variation of current velocity change rate from Xunshan station to Chudao station in non-culture season and kelp growing season

式中,P代表流速变化率,S代表两站潮流流速,i代表两站垂向第i层。由图6可以看出,在非养殖季,垂向各层的流速变化率(图6蓝线)在中上层(z/H＝0.65)最大,为61%,意味着寻山至楮岛在该层的流速衰减61%,在近底层(z/H＝0.23)最小,衰减48%；在生长旺盛季,流速变化率(图6 红线)同样在中上层(z/H＝0.75)最大,即寻山至楮岛流速衰减64%,在近底层(z/H＝0.28)最小,衰减55%。对比两个阶段,生长旺盛季的流速衰减大于非养殖季,即图6中红线始终处于蓝线的右侧。在非养殖季,海表只有养殖筏架,没有养殖生物的影响,因此流速的衰减是由于养殖筏架和海底摩擦造成的；而在生长旺盛季,海表的养殖设施、养殖生物和底摩擦共同造成了潮流的水平衰减。在水体中上层(z/H＞0.7),非养殖季与生长旺盛季的流速变化率的差异最为显著,表明海表筏式养殖活动对于中上层潮流的影响程度更大。在生长旺盛季,表层的流速衰减程度大于底层,说明水体表层阻力大于底层阻力,与2.3节养殖季潮流垂向分布所得结论一致；而在非养殖季,底层的流速衰减率大于表层,说明底层阻力大于表层,与养殖季存在差异。

从能量角度亦可看出桑沟湾南北方向的衰减。由渤黄海M2分潮同潮图[19]可知,在山东半岛成山头附近存在一个M2分潮无潮点,位于桑沟湾东北部。由于潮波围绕无潮点逆时针旋转,因此潮波率先到达桑沟湾北部寻山站,后到达湾口南侧楮岛站。潮能通量,又称潮能通量密度,指单位时间通过自海底至海面单位密度宽度断面的潮能,具体计算式为

式中,Φ为潮能通量密度,T为潮波周期[27],ρ为海水密度,h为水深,ζ为水位,g为重力加速度,u和v分别为流速东分量和北分量。选取了非养殖季2019年10月20日至24日,11月5日至8日共9天、18个半日潮周期以及生长旺盛季2006年4月28日至5月6日共9天、18个半日潮周期的寻山站和楮岛站潮能通量差(Φ寻山－Φ楮岛)进行对比(图7)。可以看出,在绝大多数的潮周期内,生长旺盛季潮能通量的衰减大于非养殖季。在生长旺盛季的5月3日,能量衰减最大达到5.4 k W·m－1,而在非养殖季能量衰减最大时仅为2.9 k W· m－1,发生在10月21日。对所有潮周期进行平均,生长旺盛季平均能量衰减为2.9 k W·m－1,而非养殖季平均能量衰减为1.5 k W·m－1,足以见得养殖活动对水平方向潮流能量的削减。

图7 非养殖季与生长旺盛季寻山站至楮岛站的潮能通量差(Φ寻山－Φ楮岛)Fig.7 Comparison of tidal energy flux difference(ΦXunshan－ΦChudao)between non-culture season and kelp growing season

3 结论

本文基于桑沟湾寻山和楮岛两站的现场观测资料,分析了不同海带生长阶段下的潮流特征差异,并从能量角度探究了造成这种差异的原因,得出以下结论:

①养殖季的深度平均潮流更加接近往复流特征。由于养殖活动的影响,浅水分潮被削弱,因此养殖季的潮不对称性相比非养殖季有所减弱。

②寻山站在3个养殖阶段的流速垂向剖面各有不同。在非养殖季,流速在垂向上变化幅度较小；在养殖季,流速最大值出现在水体中下层,7月收获季的上层流速分布均匀,相比4月生长旺盛季更加明显。由谱分析结果可知,半日分潮在垂向上的能量变化是造成不同流速剖面的主要原因。

③桑沟湾非养殖季与养殖季由北至南的流速衰减率在水体中上层的差异最大,这是由于在养殖季水体上层存在的养殖生物造成的。从能量衰减的角度看,在养殖季由北至南平均衰减的潮流通量密度为2.9 k W·m－1,能量衰减是非养殖季的近2倍。

本文探讨了海带养殖区的潮流特征,对于贝类养殖区,我们已在开展观测实验,以探究不同养殖品种对水动力环境的影响差异。同时,鉴于观测站位和时长的限制,今后将利用数值模式进行情景模拟,更加系统地分析不同养殖布局和不同养殖密度对筏式养殖海区水动力的影响程度,以便提供更为合理的养殖规划布局。