近年来, 受气候变化和人类活动的影响, 海洋生态系统的结构与功能发生了很大变化。继绿潮、赤潮暴发之后, 水母作为一种胶质浮游动物, 其暴发性增长越来越受到人们的关注(孙松, 2012a)。水母暴发导致了一系列经济和社会问题, 对海洋渔业、沿海工业、滨海旅游业和海洋生态系统等造成严重威胁(Richardson et al, 2009; 孙松, 2012a, b)。其中, 水母暴发引发大量水母随流进入电厂冷却系统取水口, 堵塞取水过滤系统, 给滨海电厂的安全运行带来重大隐患。近几十年来, 美国、法国、澳大利亚、日本等多个国家发生过多起由水母聚集堵塞电厂取水系统的事件(Schrope, 2012; 韩瑞等, 2018)。随着我国滨海电厂的建设, 水母等生物堵塞取水系统而导致机组停堆运行的事件不断发生(吴彦农等, 2017), 严重影响了电厂的安全、稳定运行, 对沿海城市造成巨大电力和经济损失。由此可见, 解决水母等海洋生物入侵滨海电厂取水系统的问题已经迫在眉睫。

研究滨海电厂取水口附近的水母来源及迁移路径, 是实施水母治理的基础。目前, 对于水母迁移路径的研究, 主要利用水动力模型的流场对水母进行追踪, 并已在多个海区得到应用。Johnson等(2005)基于GOM (Guff of Mexico)环流模式对墨西哥湾的水母质点进行溯源, 指出环流是影响水母空间分布的主要驱动力。Moon等(2010)基于ROMS (Regional Ocean Modeling System)模型, 在未考虑潮汐的情况下对长江口及海州湾毗邻海域的水母进行追踪, 得出长江口附近的水母70%会进入日本海这一论断。而罗晓凡等(2012)基于含潮汐过程的POM (Princeton Ocean Model)模式, 考虑水母的昼夜垂直迁移, 得到与Moon相反的结论:长江口附近的水母主要沿沿岸锋聚集扩展, 并未进入朝鲜/对马海峡。张海彦等(2012)通过对2011年青岛外海夏季水母进行溯源, 发现长江口及苏北浅滩为青岛外海夏季水母的可能源地。Wu等(2017a, b)基于ROMS模型, 对2013年夏季秦皇岛近海暴发的大型水母进行追踪, 指出风场和环流是影响水母空间分布的关键因素。

红沿河核电站位于辽东湾东海岸, 是东北地区的第一座核电站, 也是我国典型的滨海电厂之一。为探究电厂海域水母灾害的成因, 弄清取水口附近的水母是局地发育而来还是渤海不同区域水母的物理聚集, 理解多源地、不同时间产生的水母以什么途径汇聚等问题, 本文基于张朝文等(2019)在电厂取水区及其邻近海域的调查结果, 对2015年6-9月电厂附近的大型水母进行溯源。同时结合水母生态学特性, 以适宜水母水螅体横裂生殖的温度范围确定水母源地, 并根据水母主要迁移路径设计水母高风险期的监测断面和频率, 为螅状体栖息地的寻找和水母拦截打捞提供了基础, 为建立完善的水母监测、预测体系提供了借鉴和参考。

1 方法与数据 1.1 物理模型

本文使用自由表面、随地形变化的三维斜压ROMS海洋模式(Shchepetkin et al, 2005)。模型区域涵盖渤海、黄海及邻近东海海域。水平分辨率为1/24°, 垂向分为30层, 并在海表和海底进行加密。模型在垂向上采用Meller Yamoda 2.5混合方案。模型外强迫数据包括大气强迫、潮汐强迫、开边界、初始场及河流输入等。水动力模型的具体配置可参考罗辰奕等(2019)。模式每小时输出一次瞬时流场用于追踪模型计算。

1.2 基于LTRANS的反向质点追踪模型

拉格朗日粒子追踪模型(Lagrangian TRANSport model, LTRANS)是一种三维离线粒子跟踪模型(Schlag et al, 2012), 可以与ROMS水动力模型输出的瞬时流场完全耦合, 用来模拟被动粒子、沉积物或者漂浮物的运动。LTRANS模型基于粒子的平流运动和湍流扩散来预测粒子的位移, 包括外部时间步长和内部时间步长。其中, 外部时间步长指水动力模型的输出时间, 内部时间步长为粒子位移的计算时间。

本文基于LTRANS质点追踪方法, 通过改变位移计算过程建立反向追踪模型, 不考虑水母的自主运动, 假定粒子完全随海流运动, 对红沿河电厂海域的大型水母进行溯源并获得水母迁移路径。追踪模型中设置外部时间步长为3600s, 内部时间步长为600s, 每天输出一次水母粒子的瞬时位置。

1.3 模型校验

本文以ROMS水动力模型结果驱动水母溯源模型, 其中, 罗辰奕等(2019)已经对ROMS水动力模型模拟的温度、盐度进行了校验, 模型较好地再现了温度、盐度的时空分布, 并与观测存在较高的相关性(相关系数分别为0.93、0.80)。为校验追踪模型, 本文将模型模拟的漂流浮标路径与实际观测的浮标移动轨迹进行对比, 对比时长为2018年7月28日至8月10日中的三个时段。漂流浮标由浮体、绳子和帆布3部分组成, 其中, 浮体采用球形设计, 可降低水面风力的影响, 用于实时传输和接收北斗信号(0.5-1.0h), 绳长3m, 帆长1.5m, 受力点约在帆长深度的1/2处, 因此实际海区中漂流浮标大致随3-4m海流运动。据此设置追踪模型中漂流浮标的初始释放深度为3.5m, 并使其始终在该深度下运动, 每小时输出一次模拟漂流浮标的位置与实际观测进行对比。

如图 2所示, 红线表示观测的漂流浮标运动轨迹, 蓝线表示模拟的漂流浮标运动轨迹。在7/28-7/30、8/3-8/4及8/7-8/10三个时段内两者的运动轨迹基本一致, 且通过定量计算可知, 同一时刻模拟浮标位置与观测浮标位置距离之差不超过10km的时间点占89.1%(共238个时间点), 即绝大多数时段模型均较好地模拟了漂流浮标的运动轨迹。说明本研究采用的LTRANS追踪模型模拟结果可信, 能较好地反应水母的迁移扩散过程。

1.4 水母溯源实验

温度是影响水母水螅体横裂生殖产生碟状体的最重要因素, 其中, 海月水母横裂生殖的最适温度为12-13℃ (王楠, 2015; 石岩等, 2016), 而沙海蜇横裂生殖的关键温度为10-15℃ (Kawahara et al, 2006; Sun et al, 2015; 孙松, 2016), 但10-18℃水母水螅体均可进行横裂生殖释放碟状体(Feng et al, 2015; 孙松, 2016), 故本文以10-18℃作为追踪模型的判定条件。又考虑到水母水螅体主要附着在近岸海域的海底构筑物上(王彦涛等, 2012), 因此被确定为水母源区的粒子还必须位于10m等深线以浅(辽东湾东部以20m等深线计算)。同时满足上述两个条件的粒子即认为是水母的可能源区。

辽东湾以半日潮为主, 涨落潮的潮程大概在15km左右(刘汉霖, 2018^①), 即取水口15km范围内的水母均有可能在一个涨落潮过程中顺流到达取水口附近, 威胁电厂安全, 因此本文选择红沿河电厂取水口15km的圆形区域作为粒子释放区域, 并在海表均匀布放642个质点, 对2015年6-9月聚集在电厂周围的水母进行溯源, 获得水母源区及迁移路径。每个月月初及月中分别释放一次质点, 另外结合调查经验, 在水母暴发高峰期(7月20日)增设一次溯源实验, 共计9组溯源实验, 具体方案如表 1所示。

① 刘汉霖, 2018.红沿河核电站附近海域水母灾害的短期预警研究.天津:天津大学硕士学位论文, 36-39 (未公开发表)

2 结果 2.1 水母的可能源区

溯源结果表明, 2015年6-9月出现在红沿河电厂海域的大型水母存在多个源地。6月初出现在电厂海域的水母主要来自于5月中、下旬电厂南侧释放的碟状体(95.1%) (图 3a, 表 2); 6月中旬到达电厂周围的水母, 可能来自于5月下旬至6月上旬电厂两侧及复州湾附近海域(辽东湾东部)产生的碟状体(44.3%), 也可能来自于5月初秦皇岛沿岸(辽东湾西部)产生的碟状体(55.7%) (图 3b, 表 2)。

7月上、中旬电厂附近的水母源地主要为辽东湾西部近海。80%以上(82.8%, 86.0%)的水母来自于5月上、中旬辽东湾西部近海产生的碟状体, 其余水母来自于5月初渤海湾北部(7.2%, 10.7%)及6月中、下旬电厂两侧产生的碟状体(10.0%, 3.3%) (图 3c、d, 表 2)。7月下旬电厂海域水母的源地转移至辽东湾北部近海。超过半数(54.8%)的水母来自于辽东湾北部近海, 有38.5%的水母来自于辽东湾西部沿海, 另有少部分水母来自于曹妃甸附近海域(渤海湾北部, 4.9%)和电厂南北两侧的沿岸区域(辽东湾东部, 1.8%) (图 3e, 表 2)。

8月初来自于辽东湾北部近海的水母比重进一步增加。有67.1%的水母来自于5月至6月上旬辽东湾北部近海产生的碟状体, 30.0%的水母来自于5月上、中旬辽东湾西部沿海产生的碟状体, 两者之和占水母总来源的97.0%以上, 说明辽东湾北部近海和辽东湾西部沿海区域是8月初电厂海域聚集的水母的主要源地(图 3f, 表 2)。8月中旬至9月中旬出现在电厂海域的绝大多数(78.1%以上)水母来自于辽东湾北部近海, 少部分(15.0%左右)水母来自于辽东湾西部沿海, 仅有极少数(4.0%以内)水母来自于电厂南侧或复州湾附近海域(图 3g-i, 表 2)。

总体上, 红沿河电厂海域的水母可能来自多个不同的源区。6月出现在电厂海域的水母主要来自于电厂南侧; 7月上、中旬出现的水母主要来自于辽东湾西部沿海; 7月下旬至9月出现的水母则主要来自于辽东湾北部近海。因此, 本文认为初夏(6月)出现在电厂海域的水母主要是辽东湾东部海域局地产生的, 而7-9月出现在电厂海域的水母则以渤海不同区域水母的物理聚集为主。此外, 7-9月代表“水母源地”的总粒子数远大于6月, 对电厂造成的潜在威胁更大。

就不同源地而言, 碟状体的产生时间不同, 水母到达电厂海域的时间也不同。辽东湾东部海域5月中旬至6月下旬均可产生碟状体, 6-9月期间也不断地有水母到达电厂附近, 其中6月中旬到达的水母数量最多; 辽东湾西部沿海产生碟状体的时间要早于辽东湾东部海域, 5月上、中旬产生的碟状体在6-9月期间持续有水母到达电厂附近, 且7月份数量最多; 辽东湾北部近海5月初至6月中旬均可产生碟状体, 水母最早在7月下旬到达电厂附近, 但8月中、下旬到达的水母数量最多; 渤海湾沿岸早在5月上旬便可产生碟状体, 7月、8月初及9月中旬均可运动至电厂周围, 但相对数量均较少; 黄河口及莱州湾产生的水母, 仅在8月初可到达电厂附近, 且数量最少。由此可见, 水母源地及碟状体释放时间的多样性促进了电厂海域6-9月持续高水母灾害的形成, 而多源地、不同时间产生的水母同一时间汇聚极易导致电厂取水口附近水母数量剧增, 对电厂安全运行造成障碍。

上述源地均可早在5月产生碟状体, 辽东湾东部及西部沿海地区的水母可在一个月内到达电厂附近, 渤海湾沿岸的水母大约需要两个月的时间, 而辽东湾北部近海的水母则需要两个半月以上的时间才能运动至电厂附近。这表明, 不同源地的水母到达电厂海域所需时间存在较大差异, 进而影响了其到达电厂附近的时间, 并决定了电厂附近水母源地的季节演变。

2.2 水母的迁移路径

不同月份到达电厂附近的水母主要汇聚途径不同。6月到达电厂附近的水母主要由辽东湾东部近海的水母水螅体发育而来, 其余水母则来自于辽东湾西部沿海, 向东输运并在电厂附近海域聚集(图 4a, b), 水母汇聚途径相对单一; 7月上、中旬到达电厂海域的水母主要来自于辽东湾西部沿海, 部分水母来自于渤海湾北部区域, 且该部分水母主要向东北方向运动(图 4c, d), 增加了电厂海域的水母汇聚途径; 7月下旬至8月上旬, 水母汇聚途径进一步增多, 辽东湾、渤海湾、甚至莱州湾的水母均有可能运动至电厂附近海域(图 4e, f); 8月中下旬以后, 水母汇聚途径逐渐减少, 绝大多数水母来自于辽东湾北部近海, 并以逆时针运动轨迹迁移至电厂附近(图 4g-i)。根据水母主要迁移途径, 7月下旬至8月上旬到达电厂海域的水母汇聚途径更多、更复杂, 同时结合张朝文等(2019)调查结果, 2015年电厂海域水母的最大生物量出现在7月下旬至8月上旬, 说明多途径汇聚可能对电厂造成更大的威胁, 加大水母治理难度, 增加水母治理成本。

此外, 同一源地产生的水母在各月份到达电厂海域的迁移路径相对固定。如图 4所示, 辽东湾东部海域产生的水母大致沿岸线向电厂方向移动。辽东湾西部海域的水母到达电厂的迁移路径主要有两条:一部分水母直接向东运动, 穿过辽东湾中部, 在较短的时间内(1-2个月)运动至电厂附近; 另一部分水母首先沿着辽东湾西侧岸线向北移动, 在葫芦岛沿岸与来自于辽东湾北部的水母汇合, 随后共同向南、向东运动, 于8-9月迁移至电厂附近。辽东湾北部近海的水母则沿着辽东湾西侧岸线向南移动, 在辽东湾中部转向东北方向移动, 整体呈现出逆时针运动轨迹。渤海湾北部产生的水母主要向东北方向移动, 经渤海中部在电厂附近海域聚集。而渤海湾南部、黄河口附近以及莱州湾沿岸区域产生的水母, 仅在8月1日到达电厂附近, 且水母主要向东北方向运动。

水母的实际运动轨迹影响了不同源区的水母到达电厂海域的时间。电厂南北两侧的水母距离电厂最近, 到达电厂海域所需时间也最短, 而渤海湾沿岸及黄河口附近的水母距离电厂较远, 水母到达电厂海域的时间也相对较晚。虽然辽东湾北部近海距离电厂也较近, 但因水母呈现逆时针运动轨迹增加了水母的实际移动距离, 使水母到达电厂海域所需的时间较长。

3 讨论 3.1 水母源地

以上模拟结果表明, 红沿河电厂海域的水母存在多个源地, 主要源地有电厂南侧、辽东湾西部、辽东湾北部等海域。根据观测, Dong等(2018)于2005年5月21日在辽东湾北部近海观测到沙海蜇碟状体, 王彬等(2010, 2012, 2013)在2006年、2008-2011年6月上、中旬发现大量沙海蜇幼水母, 渔获中心出现在双子台河口5m等深线的两侧水域。这些观测结果证实了辽东湾北部河口区是沙海蜇的发生地之一, 支持了本文溯源得到的“辽东湾北部近海是电厂海域聚集的大型水母的可能源地之一”这一观点。此外, Dong等(2018)通过2005-2015年间5-7月辽东湾北部近海的水母生物量逐月调查, 发现6月近岸海域水体中存在大量沙海蜇幼水母, 但随着其个体增长水母生物量显著降低, 故Dong等推测辽东湾北部近海产生的水母可能在环流作用下由近岸浅水区逐渐向辽东湾中部和南部转移。根据本文的溯源结果, 受环流影响, 辽东湾北部近海产生的水母逐渐向南运动, 可以被输运至辽东湾中部及南部, 也验证了Dong等的推测。

从幼水母出现时间来看, 辽东湾北部近海最早调查到沙海蜇幼水母的时间是6月上、中旬(王彬等, 2010, 2012, 2013; Dong et al, 2018), 最早调查到海蜇幼水母的时间是6月上、中旬(姜连新等, 2007; 王彬等, 2010, 2012)和6月下旬(李培军等, 1988, 1990), 而海月水母及霞水母幼体的出现时间相对较晚, 最早在6月下旬调查到(表 2)。本文溯源结果表明辽东湾北部近海5月至6月上旬不断有碟状体产生, 且根据Kawahara等(2006)和Sun等(2015)的研究, 碟状体经3-4周便可发育成幼水母, 由此推算辽东湾北部近海形成幼水母的时间大概在6月初至6月下旬, 这与前人观测到幼水母的时间基本吻合, 进一步支持了本文的溯源结果。

另有调查显示, 2004年及2008年7月秦皇岛近海大量海月水母暴发(Dong et al, 2010), 2013年7月沙海蜇等大型水母集中暴发(Wu et al, 2017a, b), 且郑向荣等(2014)指出秦皇岛沿海、滦河口附近的大型水母生物量较高(表 2)。此外, 渤海湾、莱州湾及辽东湾东侧海域均曾观测到水母, 但由于水母碟状体观测较少, 无法直接佐证水母源地的准确性, 而根据观测到的水母分布可知, 水母源地附近均有水母出现, 支持了模拟所得水母源地的合理性。

3.2 水母迁移路径的控制因素

水母溯源主要考虑了海流的驱动作用, 为更好理解水母迁移路径的动力过程, 本文给出了2015年5-9月月平均的渤海表层(1m)环流场。如图 5所示, 渤海大部分区域表层环流的平均流速不超过20cm/s, 这与前人研究基本一致(匡国瑞等, 1991; 王辉等, 1993; 徐如彦等, 2006; Bian et al, 2016)。6-9月渤海中部存在一个反气旋环流, 辽东湾存在一个气旋环流, 两个环状结构的大小和位置随时间而变(窦振兴等, 1986; 黄大吉等, 1998; Zhou et al, 2017)。

5月, 辽东湾气旋式环流尚未形成, 39.5°- 40.0°N之间呈现出东偏东南向流(图 4a), 为5月初秦皇岛近海的水母向东输运提供了动力。6月, 辽东湾气旋式环流初步形成, 但存在许多细小涡旋, 表层环流较为复杂; 39.5°-40.0°N之间以东向流为主, 促使秦皇岛沿岸的水母向东运动并在电厂海域聚集(图 4b; 图 3a, 3b)。7月, 辽东湾气旋式环流逐渐增强, 使辽东湾北部近海的水母在7月下旬以逆时针运动轨迹迁移至电厂附近(图 4c; 图 3e); 39.5°N附近以东偏东北流为主, 维持着辽东湾西部沿海的水母继续向东运动, 最终到达电厂海域。8月, 辽东湾气旋式环流继续南压, 同时流速值达到最大, 与6-7月形成并不断增强的气旋式环流共同作用, 使5-6月上旬辽东湾北部近海的水母向南输运, 并于8月至9月初在电厂附近聚集(图 4d; 图 3f-h)。9月, 渤海表层环流逐渐减弱, 流场方向也更加复杂(图 4e), 但此时电厂附近的水母已经开始进入衰亡期, 环流影响相对较小。此外, 5-8月渤海湾至电厂方向均为东北向流, 有助于解释“渤海湾沿岸的水母主要向东北方向运动, 穿过渤海中部并迁移至电厂附近”这一现象。

3.3 水母治理建议

(1) 源头清除。根据本文溯源结果, 渤海不同区域的水母均有可能迁移至电厂附近, 特别是辽东湾西部沿海、辽东湾北部近海的水母, 数量多而密, 对电厂的潜在风险更高。因此, 在辽东湾西部沿海、辽东湾北部近海及电厂两侧海域等水母源区, 对附着在海底构筑物上的水母水螅体进行早期(3-4月)清除可起到事半功倍的效果。

(2) 途中拦截。针对红沿河电厂海域水母暴发的高风险期, 本文综合考虑了2015年7月15日、7月20日和8月1日三个溯源算例, 通过分析7月中旬至8月上旬的水母迁移路径, 给出了水母拦截打捞的关键区域。如图 6所示, 水母主要从电厂西南方向汇聚而来, 且根据溯源结果, 电厂周围15-20km的水母3-7天便可运动至取水口附近。因此, 本文认为7月中旬至8月上旬, 在距离电厂取水口15-20km的西南方向上(红色矩形所示)对水母进行拦截打捞可大大降低水母入侵风险。

(3) 监测预测。根据水母的主要迁移路径, 建议在距离电厂取水口约15km的海域设置一条封闭监测断面(如图 6中绿色折线所示), 布放水母自主监测系统, 对水母进行原位实时监测, 以掌握电厂高风险区域的水母生物量。在距离电厂取水口约30km的外侧海域设置一条调查断面(如图 6中蓝色线所示), 于7月初至8月中旬利用船只进行定点拖网调查, 且每5天调查一次, 当水母生物量较大时, 可适当缩短调查间隔。通过船只拖网调查, 可以了解主要迁移路径中的水母分布情况, 并以此预测水母到达取水口附近的时间及风险等级。

4 结论与展望

(1) 红沿河电厂及其邻近海域的水母来自多个不同的源区。电厂南北两侧、辽东湾西部沿海、辽东湾北部近海、渤海湾沿岸以及莱州湾等区域产生的水母均有可能迁移至电厂附近, 威胁电厂安全。

(2) 受水温和环流影响, 6-9月期间到达电厂附近的水母主要源区及迁移路径不同。6月达到电厂海域的水母主要由辽东湾东部海域局地产生, 而7-9月到达电厂海域的水母则主要取决于渤海不同源区水母的物理聚集, 其中, 7月上、中旬到达电厂附近的水母主要来自于辽东湾西部沿海, 而7月下旬至9月到达的水母绝大多数来自于辽东湾北部近海。

(3) 根据水母的主要迁移路径, 可以设计水母高风险期的监测断面和监测频率。基于本文溯源结果, 建议在电厂取水口约15km的海域设置一条封闭监测断面, 实时监测水母生物量; 在距离取水口约30km的外侧海域设置一条调查断面, 于7月初至8月中旬, 每5天进行一次定点拖网调查。此外, 在距离电厂取水口15-20km的西南方向上, 对水母进行拦截打捞可大大降低水母入侵风险。

本文基于2015年6-9月的水母溯源实验, 揭示了红沿河电厂海域水母源地及迁移路径的季节内变化规律。今后, 将进一步分析水母来源及迁移路径的年际变化, 并探讨水母分布年际差异的动力机制, 以期为研究近岸海域水母等海洋生物的漂移聚集规律提供新思路, 为重要水域水母灾害防治提供支持。

致谢 本研究得到了天津科技大学赵亮教授的悉心指导, 并获得“我国近海水母灾害的形成机理、监测预测及评估防治技术”项目红沿河调查航次全体调查人员及相关工作人员的配合, 也得益于编辑及审稿人的建设性意见, 谨致谢忱。