优化沉积物再悬浮过程以提升近岸水产养殖固体废物模型预测精度：波浪与海流复合剪切应力机制研究

本文推荐研究针对近岸水产养殖环境中沉积物再悬浮过程建模的挑战，通过对比线性叠加与非线性波流相互作用（Grant-Madsen模型）两种剪切应力模型，结合现场水文与浊度观测数据，发现波浪诱导剪切应力（τw）是驱动沉积物再悬浮的主导因素，而海流诱导剪切应力（τc）贡献微弱。研究验证了1D沉积物模型Globosed在粉砂质环境中的优越性能，为波控型养殖区的废物扩散预测提供了关键理论依据。

　　

在近岸海洋环境中，沉积物的再悬浮过程是调控营养物质输运、污染物扩散和生态系统动态的核心物理机制。尤其对于开放式网箱鲑鱼养殖等海岸带经济活动，准确预测固体废物（如未食用饲料和排泄物）的扩散路径与环境影响，已成为产业可持续发展与生态管理的迫切需求。然而，传统上用于预测养殖废物“足迹”的模型（如广泛应用的新一代沉积模型NewDEPOMOD）大多基于相对静水、深水环境的假设开发，其一个重要局限是未能充分考虑波浪动力对海底沉积物起悬的关键作用。在像澳大利亚塔斯马尼亚东南部这样的浅水、波浪作用显著的海岸带养殖区，这一简化可能导致模型严重低估废物的再悬浮与扩散范围。

为填补这一知识空白并改进模型预测能力，来自塔斯马尼亚大学南极与海洋研究所的Jiaqi Zong与Scott Hadley在《Applied Ocean Research》上发表了一项研究。他们致力于厘清在复杂的波-流-海底相互作用中，究竟是何种动力因素主导着沉积物的再悬浮过程，并评估两种不同的底床剪切应力计算模型（传统的线性叠加方法与更复杂的、考虑波流非线性相互作用的Grant-Madsen模型）在模拟这一过程中的表现。

为开展研究，作者团队在塔斯马尼亚东南部两个水动力和沉积环境迥异的近岸站点（Yellow Bluff和East of Lippies）进行了现场观测。关键技术方法包括：1) 利用声学多普勒波浪与海流剖面仪（AWAC）同步获取海流速度、有效波高（H_m0）和波周期（T）等水文数据；2) 使用多参数水质监测仪（YSI EXO2 SONDE）在近底層测量浊度（NTU），并将其作为总悬浮固体（TSS）浓度的替代指标，应用区域率定关系（TSS ≈ 2.02 × Turbidity）进行转换；3) 采集海底沉积物样品进行粒度分析，据此计算底床粗糙度长度（z₀）和临界侵蚀剪切应力（τ_cr）；4) 分别采用线性模型（τ_cw1 = τ_c + τ_w）和非线性Grant-Madsen模型（τ_cw2）计算波流复合剪切应力；5) 将估算的剪切应力输入一维沉积物输运模型Globosed，模拟悬浮沉积物浓度，并与现场观测的浊度和声学反向散射数据进行对比验证。

3.1. 水动力条件

观测数据显示，两个站点的近底层平均海流速度均较低（YB: 0.08 m s^-1; EL: 0.098 m s^-1），潮流成分占比小（约30-36%）。与之相比，波浪作用显著，YB站点的平均有效波高（H_m0）为0.65 m，EL站点则观测到数次波高近1.8 m的高能波浪事件。重要的是，波向与流向之间存在大角度偏差（平均 deflection angle ≈ 92°–95°）。

3.3. 底床剪切应力

剪切应力计算表明，在所有情况下，波浪诱导的剪切应力（τ_w）的均值（YB: 0.14 ± 0.11 N m^-2; EL: 0.07 ± 0.06 N m^-2）远大于海流诱导的剪切应力（τ_c < 0.10 N m^-2）。τ_w在线性组合应力（τ_cw1）中占主导地位（比例 >0.8），在非线性组合应力（τ_cw2）中也贡献了约30-47%。而τ_c的贡献微不足道（<10%）。研究期间，复合剪切应力多次超过沉积物的临界侵蚀阈值（τ_cr），这与观测到的浊度升高事件在时间上高度吻合。

3.4. 剪切应力分析

相关性分析强化了上述发现。τ_w、τ_cw1和τ_cw2与浊度和声学反向散射均呈现中度至强相关（|r| = 0.50 – 0.67），而τ_c与悬浮固体的相关性极弱（|r| < 0.10）。这证实了波浪是驱动这两个站点沉积物再悬浮的主要动力，海流本身不足以引起显著的侵蚀。

3.5. 线性与非线性的情景比较

通过控制变量的情景分析发现，在“强流”情景下，非线性模型预测的剪切应力（τ_nlco, τ_nlor）随流速增加而显著增强，且增速快于线性模型。然而，在研究的两个实际站点所处的“强波-弱流”环境下，非线性模型对波流夹角的敏感性降低，其预测的共线与正交应力值趋于一致，表明在此环境下模型受波向与流向夹角的影响减弱。

3.7. 预测与观测的再悬浮对比

将剪切应力估算值用于参数化Globosed模型后的模拟结果显示，无论是基于线性还是非线性应力，模型都能捕捉到主要的再悬浮趋势。在粉砂含量较高的EL站点，Globosed模型的模拟结果与观测数据符合较好。然而，在砂质为主的YB站点，所有模型都表现出对低TSS时期敏感性有限，且倾向于高估峰值。这表明模型性能对底质类型较为敏感，在细颗粒、更具 cohesive（粘性）的沉积物环境中表现更佳。

本研究的主要结论在于确凿地证实了在塔斯马尼亚东南部这类波浪主导的近岸养殖环境中，波浪产生的剪切应力是沉积物（包括养殖固体废物）再悬浮的首要驱动力，而海流的作用相对次要。这一发现对现有的水产养殖环境影响评估模型（如NewDEPOMOD）提出了重要挑战，因为它们通常忽略了波浪的作用。

其重要意义体现在三个方面：首先，在方法论上，研究强调了在波能较高的浅水区，采用能处理波流非线性相互作用（如Grant-Madsen模型）的剪切应力公式的必要性，尽管研究也指出了该模型在极端波控条件下的局限性。其次，在实践应用上，研究成果建议养殖业的环境监测与管理应更加关注波浪参数（如H_m0），而不仅仅是海流速度，并将其作为预测废物再悬浮风险的关键指标。最后，模型对沉积物类型的敏感性提示，在进行任何模拟之前，必须对养殖区的底质特性（特别是粉砂/砂比例）进行详细勘察，以确保选择或校准的模型适用于当地环境。

总之，该研究为改进近岸水产养殖区的固体废物扩散模型提供了关键的科学见解和技术路径，强调将波浪动力学整合入模型框架对于实现精准预测和可持续管理至关重要。