近海网箱阵列周围流场及被动示踪剂输运研究

《Ocean Engineering》：Investigation of the flow field and passive-tracer transport around offshore cage arrays

　　

• 网箱阵列产生局部低速尾流，且向外迅速衰减。
• 波浪强迫放大了峰值浓度和平均羽流面积。
• 污染羽流滞后于流场变化，并经历四个明显的演化阶段。
• 潮汐控制污染物输运，而波浪调节其扩散范围。
• 更强的波浪导致边际示踪剂响应减弱或反转。

引言
近海网箱养殖和海洋牧场已成为沿海渔业生产和海洋空间利用的重要形式，特别是在潮汐交换能够维持集约化养殖活动的近岸水域（Zhou et al., 2019; Zhou et al., 2022; Yu et al., 2020）。投饵网箱系统通过未摄食的饲料、粪便和代谢排泄物释放溶解性和颗粒性物质，这些释放量的大小取决于养殖物种、饲料成分、饲料转化效率、系统设计和生产环境（Sarà, 2007; Bureau and Hua, 2010; Verdegem, 2013）。在区域尺度上，与海水养殖相关的营养盐输入和颗粒有机质已被广泛认为是沿海水域重要的环境压力源（Zhang et al., 2022; Thomsen et al., 2020）。当局部平流和稀释不足时，网箱产生的物质可能会影响水体和海床环境，使得释放物质的输运和滞留成为工程布局、环境管理和场地尺度评估的关键问题（Telfer et al., 2022; Song et al., 2023; Türk ?ulha and Karaduman, 2020）。

网箱养殖释放物质的去向不仅受源强控制，还受局部水动力过程影响。潮流通常决定溶解示踪剂的主要平流路径，而剩余环流、水体交换和近场混合则调节网箱源信号的暴露时间、稀释和滞留（Doglioli et al., 2004; Choi and Lee, 2004; Periá?ez et al., 2013）。与交换相关的诊断概念为解释河口和沿海海湾的更新能力、输运效率和示踪剂持久性提供了有用信息（Monsen et al., 2002; Delhez et al., 2014）。风强迫、密度相关环流和跨等深线交换可能进一步重组沿海水域的输运路径，特别是在风驱动交换或季节性环流与潮汐交换相当的地方（Mazoyer et al., 2020; Xiong et al., 2021; Mou et al., 2022）。这些过程与网箱养殖尤其相关，因为局部流速、交换和混合的适度变化都会改变网箱阵列周围被动示踪剂信号和羽流足迹。

除了环境流场之外，网箱阵列可以通过增加分布阻力来改变局部流场，从而降低养殖场内和下游的流速，产生尾流状的低速区，并改变阵列周围的输运。在养殖场尺度上，明确解析单个网目绳股通常是不切实际的，因此网箱网衣通常使用等效多孔或分布阻力公式来表示（Zhan et al., 2006; Patursson et al., 2010）。由于有效阻力取决于网衣实体度、网目几何形状、雷诺数、入流方向、变形、污损和生物量负荷，目前的表示方法被视为阵列尺度参数化，而不是物理网衣的几何解析或场地校准模型。波浪 - 潮流强迫可能进一步改变近场混合、床面应力以及源区与周围水域的联系。养殖场扩散研究表明，网箱源物质的足迹取决于流速、水深、海床特性、物质行为和外强迫（Ali et al., 2011; Bannister et al., 2016; Broch et al., 2017）；再悬浮和波浪 - 潮流引起的底部应力可进一步重塑颗粒足迹（Carvajalino-Fernández et al., 2020）。更广泛地说，聚焦瞬态波群的模拟和孤立波实验表明，封闭沿海结构中的响应随谱宽、入射方向、波高和水深而变化（J. Gao et al., 2020; Ma et al., 2021; Gao et al., 2026a）。尽管港口共振不同于透射流穿过网箱，但这些研究表明了为什么近岸结构附近的波浪效应应被解释为依赖于几何形状和强迫的，而不是仅用整体波高来表示。

周期性地形对波浪的转化提供了这种配置依赖性的互补示例。周期性海底起伏上的布拉格反射可大幅减少港口振荡，其响应受坝波长、振幅和数量控制（Gao et al., 2021）。随后的过程分解研究阐明了反射和透射波分量如何在共振和非共振条件下与港口响应相互作用（Gao et al., 2023）。当考虑不规则波群时，谱带宽和共振模式也会影响最佳地形波长和缓解水平（Gao et al., 2024），而布拉格防波堤的性能随入射谱峰值频率而变化（Hou and Gao, 2026）。这些研究并未直接描述网箱阵列输运，但它们确立了一个相关的更广泛原则：波浪强迫的水动力效应可能非线性地依赖于谱内容、海底或结构几何形状以及测试的强迫范围。

波浪 - 潮流相互作用增加了另一层依赖性。一项针对两个相邻固定物体的粘性数值研究表明，即使低流速的跟随流和迎流流也能改变间隙共振特征和结构载荷，其响应取决于流的方向和速度（Gao et al., 2026b）。尽管间隙共振不同于穿过网箱阵列的输运，但这一结果强化了联合考察波浪和潮流的必要性。基于过程的数值模拟对于解析耦合的水动力和输运过程很有用，因为现场观测通常在持续时间和空间覆盖面上有限。数值模型可以提供受控强迫情景下关于流场结构、交换路径、羽流演化和输运相关指标的连续信息（Periá?ez et al., 2013; Sun et al., 2014a, Sun et al., 2014b; Lin et al., 2017; G. Gao et al., 2020）。然而，基于情景的建模必须得到透明模型配置、边界强迫、参数选择以及水位和流速验证的支持；否则，案例间输运差异的解释仍不确定（Daggupati et al., 2015）。对于未明确解析生物地球化学转化或校准物质负荷过程的研究，被动示踪剂提供了一种可靠的方法来隔离水动力对输运、稀释和空间再分布的物理效应。

北部湾北部是一个重要的沿海养殖区，受潮流、季节性风和波浪暴露影响，使其成为检验波浪 - 潮流强迫下近海网箱阵列水动力和输运效应的代表性环境。然而，关键的科学问题不仅是网箱养殖是否向周围水域释放物质，而是有限的网箱阵列如何改变控制被动示踪剂稀释、再分布和羽流足迹的局部流路径。现有研究提高了对养殖源物质输入、沿海水体交换和数值输运建模的理解，但近海网箱阵列的水动力响应及其对被动示踪剂输运的影响仍未得到充分解析。这个问题尤为重要，因为网箱引起的流速降低可能主要局限于网箱区域及其近场，而被动示踪剂的响应仍可通过累积滞留、羽流演化和足迹变化来表达。因此，仅评估平均流速可能会低估网箱阵列引起的水动力干扰的输运相关性。

为了解决这个问题，本研究为北部湾北部的 20 网箱阵列开发了一个深度平均的水动力 - 波浪 - 被动示踪剂建模框架。通过比较无网箱或示踪剂的背景水动力情景、有示踪剂的无波浪网箱阵列情景，以及四个波浪强迫网箱阵列情景（H2, W06T30, W10T30 和 H3），这些情景按固定边界周期波高序列（H2, W06T30 和 W10T30）和固定边界高度波周期比较（W10T30 和 H3）排列，并结合无波浪网箱情景的独立网目分辨率和有效阻力敏感性评估，研究旨在区分网箱阻力和规定波浪强迫对局部水动力和被动示踪剂输运的影响。具体目标是 (1) 评估基准水动力条件并表征规定情景下的波浪暴露，(2) 量化网箱引起的流速变化和尾流结构并表征区域低速发生情况，(3) 评估从网箱阵列释放的被动示踪剂的时间演化、浓度模式和羽流足迹，以及 (4) 评估主要水动力和被动示踪剂指标对网目分辨率和有效阻力的敏感性，并检查规定的边界波高和峰值周期如何在测试情景下修改水动力条件与被动示踪剂输运之间的关系。第 2 节描述了数值模型、计算域、网箱表示、数据来源、示踪剂源配置和情景设计。第 3 节展示了水动力模型评估和情景结果，包括网箱引起的流场改变、被动示踪剂羽流演化，以及对网目分辨率、有效阻力和规定波浪强迫的敏感性。第 4 节讨论了结果的诊断解释，重点是潮汐平流、网箱阵列阻力、局部水动力干扰以及波浪相关的被动示踪剂再分布调制。最后，第 5 节总结了主要结论，并确定了可能支持未来网箱布局评估和被动示踪剂输运解释的物理指标。

章节摘要
研究区域与网箱阵列配置
研究地点位于中国广西北海以南的近海，北部湾北部（图 1a）。北海海岸的水文记录将潮汐分类为不规则日潮，报告长期平均潮差约为 2.46 m；水位参考 1985 国家高程基准。涨潮流通常向东北流动，而通常更强的落潮流向西南流动，产生与物质输运相关的反复反转。季风风和...

网箱诱导的水动力响应与空间衰减
通过比较无网箱基准情景（R0）和仅潮流网箱阵列情景（H1）来隔离网箱阵列诱导的水动力响应。因为这两个情景中均未包含波浪强迫，H1–R0 的比较代表了网箱阵列阻力对局部流场的直接影响。分析重点关注代表性涨潮期间的瞬时流场改变以及流速降低在共同...期间的统计持久性。

网箱阵列阻力与周期性局部流速亏缺
在反向潮汐环境中，网箱阵列阻力的水动力影响通过局部流速亏缺的幅度、重现性和空间组织来表达。仅时间平均的降低并不能揭示这种影响是集中在少数显著的偏离上，还是源于在连续潮汐阶段中重现的适度亏缺，尽管这些时间模式表明了阵列与环境流场之间不同的相互作用。图 8...

结论
本研究表明，模拟的 20 网箱阵列的主要水动力效应是周期性、空间受限的动量提取，而不是区域潮汐环流的重组。六案例设计将阵列尺度阻力的响应与规定的波高和周期相关的响应分离开来。在 R0–H1 比较中，平均流速降低从网箱域内的 2.77% 减少到累积 500 m 和 1 km 域内的 0.39% 和 0.19%。

CRediT 作者贡献声明
卞洪伟：写作 - 原稿，验证，软件，方法论，数据管理。许杰：写作 - 审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念化。山欣欣：写作 - 原稿，验证，监督，软件。侯文浩：写作 - 原稿，验证，监督，数据管理。朱祖浩：资源，调查，形式分析。张永胜：可视化，资源，形式分析。

数据可用性
支持本研究发现的数据可在合理请求下从通讯作者处获得。

竞争利益声明
作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这可能出现在影响本文报告工作的地方。

致谢
作者衷心感谢自然资源部第四海洋研究所科研基金（项目编号：JKF-202602, JKF-202609, JKF-ZD202603）、广西向海经济人才发展特殊支持计划以及国家自然科学基金（项目编号：52501322）的资助。

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