洋山深水港海域水質(zhì)變化趨勢分析及富營養(yǎng)化評價

邊佳胤，袁林，王瓊，姜佳枚，李娟英，莊驊，薛俊增，吳惠仙

（1.上海海洋大學(xué) 水產(chǎn)種質(zhì)資源發(fā)掘與利用教育部重點實驗室，上海 201306；2.洋山同盛港口建設(shè)有限公司，上海 201308）

近年來，隨著我國海岸帶的開發(fā)、入海江河污染的增加以及海洋經(jīng)濟的發(fā)展，近岸海域的環(huán)境壓力不斷增加（陳斌林等，2006），赤潮、富營養(yǎng)化、重金屬和油類污染等在沿海海域頻繁發(fā)生（潘進華，2000；徐穎等，2001），海水水質(zhì)的監(jiān)測與評價已備受重視。

洋山深水港位于杭州灣口北部海域，依托大洋山島和小洋山島建設(shè)而成，是中國首個在海島建設(shè)的大型港口。該港區(qū)集裝箱年吞吐能力達1 300萬標(biāo)準(zhǔn)箱，已躋身于世界大港之列。隨著洋山港港口建設(shè)的興起，其生態(tài)環(huán)境的變化備受各方關(guān)注。據(jù)報道洋山深水港工程建設(shè)期間，施工對該海域的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了一定的影響，使其餌料生產(chǎn)、棲息功地能等海洋生態(tài)服務(wù)功能受損，漁業(yè)資源數(shù)量下降（畢亞梅等，2010；楊忠勇等，2010；柏育材等，2010），洋山深水港第三期工程施工結(jié)束后水質(zhì)環(huán)境及漁業(yè)資源等已基本恢復(fù)到工程前的水平（葉金清等，2011）。但隨著洋山深水港第四期擴建工程進行及前三期工程運營過程中大量船只的?？亢娃D(zhuǎn)運，可能會對深水港海域生態(tài)環(huán)境帶來更大的風(fēng)險，造成海域水環(huán)境質(zhì)量下降。通過2010年1-12月的連續(xù)調(diào)查，系統(tǒng)研究和分析洋山港海域周年水環(huán)境的變化特征，闡明洋山港海域生態(tài)環(huán)境的狀況及變化，為洋山港及周邊海域生態(tài)環(huán)境的保護、漁業(yè)資源的評估、水產(chǎn)品的食品安全以及港口的可持續(xù)性發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與分析

在洋山深水港海域大、小洋山碼頭設(shè)2個監(jiān)測點（圖1），2010年1-12月連續(xù)采集樣品，樣品的采集、保存、運輸和分析均按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》（GB 17378.4-2007）中的規(guī)定執(zhí)行。監(jiān)測要素包括溫度、鹽度、pH、溶解氧（DO）、化學(xué)需氧量（CODMn）、生化需氧量（BOD5）、總有機碳（TOC）、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮氨氮、活性磷酸鹽（PO43--P）、活性硅酸鹽及葉綠素a（Chl-a），共計13項。各檢測項目調(diào)查及分析方法均按《海洋監(jiān)測規(guī)范》執(zhí)行。

1.2 評價方法、參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的確定

目前對海域富營養(yǎng)水平和有機污染的評價方法已有多種（覃秋榮等，2000；鄒景忠等，1982；陳于望等，1999；郝建華 等，2000），本文分別采用單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)評價法、多參數(shù)水質(zhì)綜合評價法、營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)法、營養(yǎng)指數(shù)法和有機污染評價指數(shù)法對洋山深水港海域的水環(huán)境質(zhì)量狀況進行分析評價。本研究評價參數(shù)為：pH、DO、CODMn、無機氮（DIN）、SiO32--Si、PO43--P。海水水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)采用國家《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB3097-1997）。無機氮（DIN）含量為NO2--N、NO3--N、NH4+-N 3種氮化物含量之和。無機磷（DIP）含量用PO43--P含量表示。

1.3 海水水質(zhì)現(xiàn)狀評價

1.3.1 單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)評價法

采用單因子質(zhì)量指數(shù)法（海洋生態(tài)監(jiān)測技術(shù)規(guī)程，2002；海水增養(yǎng)殖區(qū)監(jiān)測技術(shù)規(guī)程，2002）對單項水質(zhì)指標(biāo)進行評價。CODMN、DIN、DIP的污染程度隨實測濃度的增加而加重，其標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)計算公式為：

圖1 洋山深水港海域采樣點分布圖

式中：Sij為評價因子i在測點j的質(zhì)量指數(shù)；Cij評價因子i在測點j的濃度；Csi調(diào)查因子i的評價標(biāo)準(zhǔn)值。

溶解氧（DO）的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)計算公式為：

式中：DOf為現(xiàn)場水溫及氯度條件下，水樣中氧的飽和濃度（mg/L），DOf=468/（31.6+T）；T 為水溫（℃）；DOs為溶解氧標(biāo)準(zhǔn)值。

pH標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)計算公式為：

式中：IpH.i為pH值的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)；C上為pH評價標(biāo)準(zhǔn)上限值；Ci為pH的實測值；7.8為pH標(biāo)準(zhǔn)值6.8～8.8（《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》）的平均值7.8。

1.3.2 多項水質(zhì)參數(shù)綜合評價

采用算術(shù)平均法進行多項水質(zhì)參數(shù)綜合評價，公式如下：

式中：Qi為綜合評價指數(shù)，Sij單因子質(zhì)量指數(shù)，n為單因子個數(shù)。

1.3.3 有機污染指數(shù)評價法（A）

其計算公式如下（姜太良等，1991；蔣國昌等，1987；蔣岳文等，1991）：

式中：A為有機污染指數(shù)；CODj、DINj、DIPj、DOj分別是以及DO的實測值；CODs、 DINs、 DIPs、 DOs分 別 為 CODMn、 DIN、以及DO的標(biāo)準(zhǔn)值。

1.4 富營養(yǎng)化指數(shù)評價

營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)法的富營養(yǎng)化指數(shù)（NQI）選取海水的化學(xué)耗氧量、總氮、總磷3種要素對其營養(yǎng)狀態(tài)進行評價。有研究者認(rèn)為由于該方法只是取營養(yǎng)鹽方面參數(shù)作為評價標(biāo)準(zhǔn)，考慮的評價要素較少，在其理論上存在一定的局限性（張慶林等，2009）。因此增加富營養(yǎng)化指數(shù)法（EI）（付海靖1979；田家怡等，1983），對該海域富營養(yǎng)化評價進行補充。

本文選用兩種不同的富營養(yǎng)化指數(shù)評價方法對洋山深水港海域的大、小洋監(jiān)測點進行富營養(yǎng)化評價。

1.4.1 營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)法（NQI）

其計算公式如下（海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)程，2002）：

式中：NQI為營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)；CCOD、CT-N、CT-P分別為水體的化學(xué)耗氧量、總氮、總磷的測量濃度；C′COD、C′T-N、C′T-P分別為水體的化學(xué)耗氧量、總氮、總磷的評價標(biāo)準(zhǔn)。參照（郭衛(wèi)東等，1998）提出的營養(yǎng)分級標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)（NQI）值可將海域營養(yǎng)水平劃分為三級。

1.4.2 富營養(yǎng)化指數(shù)法（EI）

其計算公式如下（田家怡等，1983；付海靖1979）：

式中：EI為富營養(yǎng)化指數(shù)；CCOD、CDIN、CDIP分別為水體的CODMn、DIN、DIP的測量濃度。

若EI＜1，則水體處于貧營養(yǎng)化狀況；若EI≥1時，則水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化；EI值越大，表明富營養(yǎng)化程度越嚴(yán)重。

1.5 潛在性富營養(yǎng)化評價

采用近岸海域潛在性富營養(yǎng)化評價方法進行評價（郭衛(wèi)東等，1998），其評價原則見表1。

表1 營養(yǎng)級的劃分原則

根據(jù)N∶P值的大小，將N∶P大于30劃為磷限制海區(qū)，N∶P小于8劃為氮限制海區(qū)。

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)現(xiàn)狀評價

2.1.1 單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)評價結(jié)果

對洋山深水港海域各項水質(zhì)指標(biāo)進行評價（圖2、圖3），結(jié)果顯示2010年洋山深水港海域大、小洋山2監(jiān)測點各項水質(zhì)指標(biāo)中，DIP和DIN的總平均值均超出海水四類標(biāo)準(zhǔn)；pH、DO總平均值符合海水四類標(biāo)準(zhǔn)；CODMn總平均值符合海水四類標(biāo)準(zhǔn)，其中2-5月份超標(biāo)。從單指標(biāo)分析評價來看，洋山深水港海域的水質(zhì)受到了污染，其中DIP和DIN為主要污染源。大、小洋山監(jiān)測點所顯示的污染趨勢基本一致。

圖2 洋山深水港大洋山監(jiān)測點水質(zhì)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)

圖3 洋山深水港海域小洋山監(jiān)測點水質(zhì)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)

2.1.2 多項水質(zhì)參數(shù)綜合評價

根據(jù)洋山深水港海域2010年的水質(zhì)調(diào)查結(jié)果（圖4），洋山深水港海域水質(zhì)綜合評價指數(shù)Qi總平均值為0.97，海水水質(zhì)處于四類海水標(biāo)準(zhǔn)。1-12月該指數(shù)有先上升后下降再上升的趨勢，在六月份達到最低值0.76。

圖4 洋山深水港海域大、小洋山監(jiān)測點水樣水質(zhì)綜合指數(shù)折線圖

2.1.3 有機污染指數(shù)法評價

洋山深水港海域有機污染評價指數(shù)在1.89～4.10之間（圖5），平均值為2.91，總體上處于輕度污染，大洋山和小洋山監(jiān)測點有機污染變化趨勢基本一致。大洋山監(jiān)測點A值范圍在1.89～4.10之間，平均值為3.00；小洋山監(jiān)測點A值范圍在1.93～3.53之間，平均值為2.82。

2.2 營養(yǎng)化程度評價

2.2.1 營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)法評價

全年洋山深水港海域營養(yǎng)質(zhì)量指數(shù)在1.95～3.72范圍內(nèi)（圖6），均值為2.67。依據(jù)營養(yǎng)水平劃分規(guī)定，洋山深水港海域營養(yǎng)水平全年總體上是屬于II級中營養(yǎng)水平（鄒景忠等，1983）。大、小洋山監(jiān)測點NQI最高值分別為3.70和3.17，均出現(xiàn)在4月份。

圖5 洋山深水港海域大、小洋山監(jiān)測點水樣水質(zhì)有機污染指數(shù)折線圖

圖6 洋山深水港海域大、小洋山監(jiān)測點水樣營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)NQI與營養(yǎng)指數(shù)EI值分布

2.2.2 營養(yǎng)指數(shù)法評價

洋山深水港海域EI值范圍在8.63～72.05之間，平均值為34.01，其中4月份，大洋山監(jiān)測點EI值最高值已達到72.05，EI值越高，富營養(yǎng)化程度越嚴(yán)重（鄒景忠等，1983），說明洋山深水港海域已達到富營養(yǎng)化水平，水質(zhì)較差。

綜合兩種評價方法可知，采用不同的評價方法可能會導(dǎo)致結(jié)果存在一定差異。原因在于選取營養(yǎng)鹽方面參數(shù)作為評價標(biāo)準(zhǔn)時，考慮的評價要素較少，在其理論上存在一定的局限性，因此建議增加評價要素，并結(jié)合背景值，將更有利于對該海域進行綜合分析評價。

2.3 洋山深水港海域Si∶N∶P比及潛在性富營養(yǎng)化程度評價

根據(jù)潛在性富營養(yǎng)化的方法評價模式（郭衛(wèi)東等，1998），文中將第二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)0.97 μmol/L作為貧營養(yǎng)的上限磷閾值，相應(yīng)的氮閾值為14.28 μmol/L。另外將三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（P∶1.45μmol/L；N：21.41 μmo/L）作為富營養(yǎng)的下限閾值。運用該方法對洋山深水港海域2010年1-12月的水質(zhì)進行潛在性富營養(yǎng)化程度評價，營養(yǎng)鹽濃度、Si∶N、Si∶P、N∶P值及潛在性富營養(yǎng)化程度評價見（表2）。大洋山監(jiān)測點，除2月，7-8月和10月處于磷中等限制潛在性富營養(yǎng)狀態(tài)外，其余月份均處于富營養(yǎng)狀態(tài)。小洋山監(jiān)測點，除2月處于磷中等限制潛在性富營養(yǎng)狀態(tài)外，其余月份均處于富營養(yǎng)狀態(tài)。根據(jù)大洋山監(jiān)測點Si∶N∶P比平均值（表1），其季節(jié)分布：1月，SiO32--Si為限制因素；2-6月和9月，PO43--P為限制性因素；7月和12月，PO43--P相對不足；8月和11月，SiO32--Si相對不足；10月，DIN相對不足。小洋山監(jiān)測點Si：N：P比平均值（表1），其季節(jié)分布：1月和12月，SiO32--Si為限制因素；2月和6月，PO43--P為限制性因素；3-5月和8-11月，DIN相對不足；7月，PO43--P相對不足。

表2 洋山深水港海域水體潛在性富營養(yǎng)化評價結(jié)果

3 結(jié)論

（1）根據(jù)周年的調(diào)查數(shù)據(jù)，綜合評價了洋山深水港海域水質(zhì)質(zhì)量現(xiàn)狀。評價結(jié)果表明：洋山深水港海域水質(zhì)已受到一定程度的污染，其中DO、、DIN、-P超過四類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，-P和DIN為主要污染源。

（2）采用營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)法對洋山深水港海域進行評價時，其富營養(yǎng)化指數(shù)NQI均值為2.67，該海域營養(yǎng)水平總體上屬于Ⅱ級，即中營養(yǎng)水平；然而采用富營養(yǎng)指數(shù)法對該海域進行評價，該海域全年營養(yǎng)指數(shù)EI均值為34.01，其值遠大于1，即洋山深水港海域處于嚴(yán)重的富營養(yǎng)化水平。潛在性富營養(yǎng)化評價結(jié)果顯示，洋山深水港海域全年無機氮（DIN）、活性磷酸鹽（PO43--P）及活性硅酸鹽（SiO32--Si）的平均濃度分別為40.71 μmol/L、1.94 μmol/L、37.86 μmol/L，Si∶N、Si∶P 和 N ∶P的比值分別為0.94，21.76和23.30，其中PO43--P相對不足，為潛在限制性因子。由于富營養(yǎng)指數(shù)法僅適用于沒有藻類生長限制因素（N或P）的水域（林榮根，1996），而洋山深水港海域潛在性富營養(yǎng)化評價結(jié)果顯示，該海域存在使藻類生長受限的因素，故建議采用營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)法對洋山深水港海域進行富營養(yǎng)水平評價。

（3）雖然幾種評價方法顯示洋山海域的富營養(yǎng)化及污染程度上有一定差異，但顯示的趨勢基本一致，洋山深水港海域富營養(yǎng)化程度和有機污染程度均較高，水質(zhì)狀況差。

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