珠江口磨刀門咸潮及其對環(huán)境要素變化的影響

石榮貴, 龍愛民 周偉華, 黨愛翠, 盧東偉, 孫羚晏

(1. 中國科學(xué)院 南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國家重點實驗室, 廣東 廣州 510301; 2. 中國科學(xué)院 研究生院, 北京 100049; 3. 中國科學(xué)院 海南熱帶海洋生物實驗站, 海南 三亞 572000)

珠江口磨刀門咸潮及其對環(huán)境要素變化的影響

石榮貴1,2, 龍愛民1, 周偉華1,3, 黨愛翠1,2, 盧東偉1,2, 孫羚晏1,2

(1. 中國科學(xué)院 南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國家重點實驗室, 廣東 廣州 510301; 2. 中國科學(xué)院 研究生院, 北京 100049; 3. 中國科學(xué)院 海南熱帶海洋生物實驗站, 海南 三亞 572000)

于2011年1月25日–1月26日小潮期間對磨刀門進行26 h定點連續(xù)觀測, 研究了咸潮對環(huán)境要素變化的影響。結(jié)果表明：調(diào)查期間溶解氧沒有明顯的潮周期變化; NO2–、NH4+濃度隨著觀測時間的延長不斷降低, 無明顯潮周期變化; 底層 SiO4–, NO3–濃度具有明顯的潮周期變化, 且與底層鹽度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系; 溶解無機磷(DIP)、重金屬(Zn、Cd)的潮周期變化不明顯。當河床剪切力大于0.226 N/m2時, 發(fā)生明顯的沉積物再懸浮作用, 并對營養(yǎng)鹽與重金屬的變化產(chǎn)生顯著的影響。N, P, Si比值分析結(jié)果表明, 磨刀門水域浮游植物生長受到潛在性的 P限制, 而咸潮上溯的加強將可能使這種營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。磨刀門受N、P的污染仍不容樂觀, 咸潮不利于污染物質(zhì)的向海排出, 在潮流作用下有發(fā)生嚴重的二次污染的風(fēng)險。

磨刀門; 咸潮; 環(huán)境要素; 影響

在全球氣候變化和人類活動的共同影響下, 全球許多沿岸地區(qū)地形發(fā)生了巨大的變化, 海平面上升, 水溫升高, 層化作用加強, 淡水徑流量加大, 在河口區(qū)就表現(xiàn)為嚴重的咸潮上溯加強現(xiàn)象[1]。20世紀90年代以來, 珠江河口磨刀門咸潮出現(xiàn)了若干異常情況, 咸潮活動越來越頻繁、持續(xù)時間增加、海水上溯影響范圍越來越廣泛、強度趨于嚴重, 人類的生產(chǎn)生活活動受到嚴重影響, 造成了嚴重的經(jīng)濟損失[2]。有關(guān)磨刀門咸潮運動機理、模擬方法和防治對策等已經(jīng)開展了大量的研究[3-5], 然而有關(guān)咸潮入侵引起的環(huán)境要素短時間變化研究卻鮮見報道。在河口區(qū), 潮汐循環(huán)對水體理化特征的短期影響是各種理化參數(shù)變化的重要原因[6]。Hatje的研究指出, 在短期時間尺度(如一個潮周期)上, 淡水的退潮渦動, 漲潮時的海水上溯明顯影響著水柱中懸浮顆粒物、氧化還原電位和營養(yǎng)鹽的遷移轉(zhuǎn)化, 因大小潮狀態(tài)或者潮流幅度的不同這些變量也會發(fā)生明顯的變化[7]。

入海河口是河流和海洋兩種動力因素共同作用的區(qū)域, 動力因素的多樣性和多變性使這一區(qū)域流態(tài)異常復(fù)雜[8]。了解污染物質(zhì)受潮汐漲落的影響對磨刀門河口污染物質(zhì)的綜合治理具有重要意義。本文以珠江三角洲長期氣候變化為背景, 在分析磨刀門咸潮上溯加強成因的基礎(chǔ)上, 于 2011年冬季小潮(1月25日–1月26日)期間對磨刀門進行了連續(xù)觀測采樣, 探討磨刀門咸潮入侵的環(huán)境效應(yīng), 以期為磨刀門水環(huán)境整治、管理和保護提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

磨刀門為珠江三角洲西江干流的主要入?？?在珠江八大口門中其輸沙、輸水量均居首位[9]。磨刀門河口潮汐為不規(guī)則半日混合潮, 潮差1 m左右, 屬弱潮河口?？陂T內(nèi)潮流為往復(fù)流, 潮汐不對稱十分明顯[5]。研究表明, 磨刀門小潮期間潮流強度強于大潮時[5, 10]。

磨刀門咸水上界一般只位于掛定角和燈籠山之間[11], 近年來, 具有明顯的上移態(tài)勢。1992年, 1995年和 1998年海水分別入侵至大涌口、神灣和南鎮(zhèn),1999年外海水甚至上溯到距離磨刀門入海口50 km的全祿水廠, 2007年-2010年間測得全祿水廠的年度最大氯度值分別為5 551, 5 646, 8 134和4 415 mg/L。磨刀門上游河段大規(guī)模采砂被認為是引起磨刀門咸潮上溯加劇的主要原因[12]。在人類活動和自然環(huán)境變化的共同作用下, 磨刀門河道河床高程顯著降低,平均水深增大, 逐漸變窄變深, 潮汐動力明顯增強[13],從而導(dǎo)致咸水界上移。氣候變化也是磨刀門水道咸潮上溯加強的重要原因。近60年來, 珠江三角洲地區(qū)的氣溫明顯上升(P＜0.001), 增率達 0.015 ℃/a(圖1-a)。珠江三角洲地區(qū)近60年來總降雨量緩慢增加,增率為3.1 mm/a, 然而近10年來降雨量卻有明顯降低的態(tài)勢(圖1-b)。氣溫的升高使得水體層化作用更加明顯, 降雨量減少導(dǎo)致徑流量的減少, 潮流所受到的頂托力明顯降低, 海水更易于沿著河道入侵至磨刀門上游地區(qū)。而南海海平面的明顯上升將對磨刀門咸潮加強產(chǎn)生直接的影響(圖1-c)。此外, 磨刀門咸潮活動還受到風(fēng)速、風(fēng)向等因素的影響[9]。

圖1 珠江三角洲氣溫(a)、降雨量(b)逐年變化以及南海海平面(SHA, c)逐年變化Fig. 1 Annual variations of atmosphere temperature (a) and precipitation (b) in Pearl River Delta sand and annual variation of sea height anomaly (c) in South China Sea

1.2 數(shù)據(jù)的獲取與分析方法

1.2.1 采樣站位設(shè)置與樣品采集

于2011年1月25日–1月26日小潮期間, 在磨刀門水道燈籠山水文站附近水域設(shè)置定點連續(xù)觀測站 B(22°13'N, 113°23'E, 圖2), 進行 26 h 定點連續(xù)觀測, 采樣間隔為 2 h。調(diào)查期間西江流域天氣晴好,未發(fā)生大風(fēng)強降雨事件。

采集表層和底層水, 進行溶解氧(DO)、營養(yǎng)鹽和重金屬(Zn、Cd)的測定。水樣經(jīng)0.45 μm醋酸纖維濾膜過濾以后, 采集濾液按 1%的體積比加入飽和HgCl2固定用以測定營養(yǎng)鹽, 重金屬樣品用鹽酸(GR)調(diào)節(jié)至 pH約為 2。所有水樣和濾膜均置于–20℃下黑暗保存, 盡快測定完畢。

1.2.2 相關(guān)參數(shù)的測定

現(xiàn)場溫度和鹽度用CTD測定。水體流速和流向用RCM9 (S/N：189) 流速流向儀測定, 風(fēng)速和風(fēng)向用FYF-1便攜式三杯風(fēng)速風(fēng)向儀測定。溶解氧、營養(yǎng)鹽的測定遵照《海洋監(jiān)測規(guī)范第4部分：海水分析》(GB 17378.4-2007)進行。顆粒態(tài)重金屬(Zn、Cd)采用微波消解法消解(190℃, 900 W)[14]。溶解態(tài)的Zn、Cd的測定采用微分脈沖陽極溶出伏安法, 用 797 VA Computrace多功能極譜儀(瑞士萬通公司)測定, 儀器的主要工作參數(shù)如下：高純N2吹掃時間5 min, 富集電位–1.150 V, 富集時間1 min, 起始電位–1.15 V,終止電位0.05 V, 掃描速率0.06 V/s。為了防止污染,重金屬的測定在超凈工作臺上進行。

采樣和測定器皿均在10%鹽酸中浸泡7 d后, 用蒸餾水充分洗滌。

1.2.3 其他相關(guān)分析數(shù)據(jù)

氣溫、降雨量數(shù)據(jù)來自國家氣象信息中心數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)室(http：//cdc.cma.gov.cn/index.jsp), 南海絕對海平面數(shù)據(jù)來自美國科羅拉多大學(xué)海平面變化項目研究組。

2 結(jié)果與討論

2.1 相關(guān)環(huán)境要素的潮周期變化

2.1.1 溫度

調(diào)查期間, 表層和底層溫度的變化范圍分別為：12.77～13.31 ℃, 12.75～13.12 ℃, 表層溫度的平均值(12.97 ℃)略高于底層(12.92 ℃), 而表底層海水溫度沒有明顯的潮周期變化(圖3-a), 反映了太陽輻照對水體溫度的決定性作用。

2.1.2 鹽度

鹽度具有明顯的潮周期變化, 隨著漲潮的進行,潮流強度不斷加大, 鹽度也隨著升高(圖3-b); 退潮過程中, 徑流相對強度加大, 鹽度隨之降低。按照Haralambidou等[15]提出的水體分層指數(shù)計算公式：

圖2 磨刀門調(diào)查站位圖Fig. 2 Location of the sampling station of Modaomen

其中δS為表、底層鹽度差,S0為垂線平均鹽度。當N≥1.0時河口為高度分層型, 0.1≤N＜1.0時為部分混合型,N＜0.1時水柱完全混合。26 h連續(xù)觀測過程中, 水體總體屬于部分混合型, 分層系數(shù)具有明顯的潮周期變化。分層現(xiàn)象的發(fā)生使得水體層結(jié)穩(wěn)定, 更有利于海水的上溯, 同時表底層水體的溫度差異對水體的分層也有一定的貢獻作用。

2.1.3 溶解氧

調(diào)查期間, 表底層溶解氧的平均值分別為 9.25和9.19 mg/L, 均在凌晨4點左右達到最高值(圖3-c)。由于水體發(fā)生弱分層作用, 大氣復(fù)氧較難達到底層,底層基本無光(水體平均透明度為0.8 m, 平均水深7 m), 底層浮游植物不能進行光合產(chǎn)氧, 從而導(dǎo)致底層溶解氧濃度低于表層。近年來珠江口海區(qū)的缺氧問題日益凸顯出來, 特別是虎門及上游水域, 表底層的缺氧現(xiàn)象已有較多報道[16,17]。調(diào)查期間磨刀門溶解氧的濃度均符合一類海水水質(zhì)標準, 溶解氧平均濃度＞2 mg/L[18], 未發(fā)生缺氧現(xiàn)象。本次調(diào)查溶解氧沒有明顯的潮周期變化, 這與Bergondo等[19]在美國納拉甘西特灣研究結(jié)果不同。水體中溶解氧含量除了受到潮汐作用之外, 還受到其他各種物理[20]、化學(xué)和生物機制[21]的影響, 其變化較為復(fù)雜。

圖3 水溫(T)、鹽度(S)、溶解氧(DO)的潮汐變化Fig. 3 The tidal variations of water temperature, salinity and DO

2.1.4 營養(yǎng)鹽

如表1所示, 在26 h連續(xù)觀測時間范圍內(nèi), 表層溶解無機氮(DIN)的濃度范圍為 22.59～30.34 μmol/L,平均濃度為25.88 μmol/L, 變率為29.3%; 底層DIN的濃度范圍為 22.28～40.22 μmol/L, 平均濃度為30.22 μmol/L, 變率為 57.41%, 約為表層變率的 2倍。三氮中NH4+是DIN的主要存在形式, 所占平均比例達 59.60%, 其次為 NO3–, NO2–所占比例最小;NO3–的變率最大, 表層為 97.91%, 底層為 78.72%,NH4+與NO2–的變率相近。表層活性磷酸鹽(DIP)濃度變化范圍為 0.51～1.00 μmol/L, 平均值為 0.81 μmol/L, 變率為 32.5%; 底層 DIP的濃度范圍為0.56～1.25 μmol/L, 平均值為 0.89 μmol/L, 變率為38.1%。活性硅酸鹽(DSi)在 5種營養(yǎng)鹽中濃度最高,表底層濃度范圍分別為 119.11～150.55 μmol/L,142.59～151.30 μmol/L, 變率分別為 23.32%, 5.93%,在所有5中營養(yǎng)鹽中變率最小。

在整個潮流連續(xù)觀測過程中, 底層NH4+與NO2–濃度沒有明顯的潮流變化, 隨著觀測時間的延長,濃度不斷降低(圖4); 而底層NO3–則有明顯的潮周期變化, 其與底層鹽度具有顯著的正相關(guān)關(guān)系(R2=0.672,P＜0.001), 且底層濃度高于表層, 底層升高速率明顯高于表層, 降低速率也低于表層。硝酸鹽是氮的穩(wěn)定存在形式, 具有不被懸浮顆粒物吸附或包裹的保守行為[22], 本研究中漲潮中期和落潮中期流速最大, 與河床的摩擦系數(shù)較大, 鹽水契入侵產(chǎn)生向上的壓力, 導(dǎo)致強烈的再懸浮過程, 同時伴隨著沉積物間隙水中硝酸鹽向上覆水的釋放[23], 因此硝酸鹽具有明顯的潮周期變化。NH4+與NO2–處于活性價態(tài), 具有明顯的顆粒活性, Dilorenzo等[24]的研究結(jié)果也表明, 不同站位的 NH4+的潮周期變化情況不同, 有關(guān)NH4+與NO2–的潮周期變化還有待進一步研究。硅酸鹽的變化與硝酸鹽變化情況類似, 但其變化幅度明顯小于硝酸鹽, 說明硅酸鹽的相對保守性。磷酸鹽濃度變化比較復(fù)雜, 沒有明顯的潮周期變化, 其變化情況可能與DIP相對較強的顆粒活性有關(guān)[25]。

根據(jù) Justic[26]等提出的確定限制性因子的方法：(1)DIN：DIP＜10 和 DSi：DIN＞1時, DIN為限制因子(原子數(shù)比, 下同); (2)海水中 DSi：DIP＞22 和 DIN：DIP ＞22 時, DIP 為限制因子; (3)若 DSi：DIP＜10 和DSi：DIN＜1, 則 DSi為限制因子。計算結(jié)果表明, 在連續(xù)觀測時間范圍內(nèi), 調(diào)查區(qū)域的浮游植物生長受到磷限制。值得注意的是, DIN：DIP比值和DSi：DIN比值的變率均較大(表1), Yin等[27]的研究結(jié)果表明,珠江口外海水受到氮限制作用, 而口內(nèi)則受到磷限制的作用, 低氮的外海水入侵使得營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)發(fā)生變化, 可能會對浮游植物的群落結(jié)構(gòu)甚至整個生態(tài)系統(tǒng)的功能產(chǎn)生影響。

圖4 營養(yǎng)鹽的潮汐變化Fig. 4 Tidal variations of nutrients

2.1.5 重金屬

表底層溶解態(tài) Zn的濃度變化范圍分別為0.047～0.088 μmol/L, 0.043～0.076 μmol/L, 變率分別為60.74%, 55.46%; 表底層顆粒態(tài)Zn的變化范圍為0.156～0.385 μmol/L, 0.171～0.460 μmol/L, 變率分別為84.66%, 91.60%。表底層溶解態(tài)Cd的濃度變化范圍分別為 3.0×10–4～13.6×10–4μmol/L, 4.6×10–4～13.5×10–4μmol/L, 變率分別為 127.71%, 182.98%; 表底層顆粒態(tài) Cd的變化范圍為 0.013～0.030 μmol/L,0.013～0.198 μmol/L, 變率分別為 79.06%, 175.36%(表1)。重金屬Cd的變率高于Zn。顆粒態(tài)重金屬Zn、Cd濃度和變率明顯高于溶解態(tài), 說明顆粒物是Zn、Cd兩種重金屬的主要載體, 在潮流剪切力的作用下,易發(fā)生顆粒物質(zhì)的再懸浮作用, 使得顆粒物質(zhì)濃度發(fā)生明顯的變化, 顆粒物所具有的濃度效應(yīng)與稀釋效應(yīng)將使顆粒態(tài)重金屬的濃度發(fā)生明顯變化[28]。

表1 連續(xù)潮周期各水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計Tab. 1 Statistics of chemical parameters of continuous tidal cycles

2.2 咸潮對沉積物再懸浮的影響

沉積物是重金屬等污染物質(zhì)的最終歸宿[7], 在河床剪切力的作用下, 表層沉積物中的污染物質(zhì)發(fā)生再懸浮, 重新釋放到水體中, 可能造成嚴重的二次污染。河床剪切力主要由潮流動力和波浪作用共同產(chǎn)生[29]。在調(diào)查期間, 徑流量較小, 平均風(fēng)速只有0.12 m/s, 而B站點平均水深達7 m, 因此波浪對河床剪切力的貢獻可以忽略不計。由潮流引起的河床剪切力如下式所示[29]：

2.3 咸潮對磨刀門排污的影響

2.3.1 磨刀門海水水質(zhì)評價

參照《海水水質(zhì)標準》(GB3097-1997), 調(diào)查期間DIN濃度均只達到三類海水水質(zhì)標準; DIP濃度也只達到二類海水水質(zhì)標準, 部分時間段內(nèi)甚至接近三類水質(zhì); 溶解態(tài)Zn、Cd濃度均達到一類海水水質(zhì)標準, 說明磨刀門水域重金屬污染的治理已經(jīng)達到一定的效果。與其他海域相比(表2), 磨刀門DIN濃度與長江口相當, 顯著低于深圳灣和廣州海域; DSi濃度明顯高于長江口與珠江口其他海域, 是伶仃洋DSi濃度的3.6倍; 磨刀門DIP濃度與伶仃洋、廣州海域濃度相當, 顯著低于深圳灣DIP濃度, 但高于長江口DIP濃度。

表2 磨刀門營養(yǎng)鹽與其他海域比較Tab. 2 Comparison of nutrients in Modaomen and other sea areas

2.3.2 咸潮對磨刀門河口排污的影響

咸淡水交匯區(qū)中污染物質(zhì)的自凈及輸運過程相當復(fù)雜, 包括有機物的分解轉(zhuǎn)化、沉積與再懸浮作用、懸浮顆粒物的吸附與解析, 在潮流的作用下, 使得這個受生物、化學(xué)制約的過程再疊加上流速和流量的變化而變得更加復(fù)雜[36]。調(diào)查期間底層流速的變化情況可知, 大部分時間底層入侵海水流向向陸,而且向陸平均流速大于向海平均流速, 不利于污染物質(zhì)的向海排出(圖5)。包蕓等[5]的研究結(jié)果也表明,在整個珠江上游徑流量較小時, 由于分流比的變化,可能使磨刀門水道在小潮期間凈泄量接近于零, 從而導(dǎo)致漲落潮的流動狀態(tài)發(fā)生顯著變異, 在此動力條件下鹽水快速上溯, 污染物受海水頂托上移, 向外海輸送較慢。因此, 咸潮不利于磨刀門污染物質(zhì)的排除, 在潮水的推擁作用下, 污染物在河道來回震蕩, 可能產(chǎn)生嚴重的二次污染, 甚至產(chǎn)生多次重復(fù)污染。

圖5 底層流速隨時間變化正值表示流向向海, 負值表示流向向陸Fig. 5 Variations of flow velocities positive values indicate the seaward direction, negative values indicate the landward direction

3 結(jié)論

(1) 在 26 h連續(xù)調(diào)查期間, 磨刀門發(fā)生較為明顯的咸潮上溯, 水體為部分混合型。溶解態(tài)無機氮、硅酸鹽、無機磷的變化范圍分別為 22.28～40.22 μmol/L, 119.11～151.30 μmol/L, 0.51～1.25 μmol/L,溶解態(tài)Zn、Cd的濃度變化范圍分別為0.047～0.088 μmol/L, 3.0×10–4～13.6×10–4μmol/L, 顆粒態(tài) Zn、Cd的濃度變化范圍分別為 0.156～0.460 μmol/L,0.013～0.198 μmol/L。NO2–、NH4+濃度隨著觀測時間的延長濃度不斷降低; 底層DSi, NO3–具有明顯的潮周期變化, 與底層鹽度具有顯著的正相關(guān)關(guān)系,DIP、重金屬的潮周期變化不明顯。咸潮上溯導(dǎo)致顯著的沉積物再懸浮, 臨界剪切力小于0.226 N/m2。

(2) DIP：DIN：DSi比值分析結(jié)果表明, 磨刀門浮游植物受到磷限制作用。磨刀門受N, P的污染仍不容樂觀, 咸潮上溯不利于污染物質(zhì)的向海排出, 在潮流的作用下有發(fā)生二次污染的風(fēng)險。

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Salt-wedge intrusion and its influence on environmental factors in the Modaomen Channel, Pearl River Estuary

SHI Rong-gui1,2, LONG Ai-min1, ZHOU Wei-hua1,3, DANG Ai-cui1,2, LU Dong-wei1,2,SUN Ling-yan1,2
(1. State Key Laboratory of Oceanography in the Tropics, South China Sea Institute of Oceanology, CAS,Guangzhou 510301, China; 2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3. Tropical Marine Biological Research Station in Hainan, CAS, Sanya, 572000, China)

Sep.,10,2011

Modaomen; seawater intrusion; environment factors; impact

In order to investigate the effects of seawater intrusion on environmental factors, an anchor station survey was conducted during the neap tide from January 25 to 26, 2011. During the survey, the dissolved oxygen,PO43–and heavy metals (Zn, Cd) had no significant tidal variations. The concentration of NO2–, NH4+decreased during the survey, while SiO4–, NO3–in bottom water had concurrent variations with tidal circulation. When the shear stress was higher than 0.226 N·m–2, there was significant sediment resuspension from the river bed. The atomic ratios of N, P, Si indicated that the phytoplankton growth was potentially limited by P, however, this condition might be changed by increasing seawater intrusion intensity. The N, P pollutions were still far from being safe for environment, the seawater intrusion was not helpful for pollutants elimination in Modaomen Channel, there was consistently a risk of secondary pollution under the role of tidal circulation.

P342 文獻標識碼：A 文章編號：1000-3096(2012)08-0086-08

2011-09-10;

2011-12-20

全球變化研究國家重大科學(xué)研究計劃項目(2010CB951201);國家自然科學(xué)基金廣東省聯(lián)合基金項目(U0933005)

石榮貴(1986-), 男, 福建龍巖人, 碩士研究生, 主要從事海洋環(huán)境地球化學(xué)研究, E-mail：rgshi2010@126.com; 龍愛民, 通信作者,博士, 研究員, E-mail：longam@scsio.ac.cn

致謝：感謝中科院南海海洋研究所海洋環(huán)境工程中心陳軍,李先鵬, 張鎮(zhèn)秋等人在現(xiàn)場采樣過程中給予大力幫助。

康亦兼)