廣西廉州灣海水環(huán)境質(zhì)量綜合監(jiān)測

崔振昂， 滕德強(qiáng)， 張亮, 夏真， 林進(jìn)清, 黃向青， 張順枝

(廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510760)

0 引言

廣西海岸帶處于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，雨量充沛，植被茂密，海岸曲折且類型多樣，有河口三角洲海岸等，灘涂寬闊連綿[1-3]，開發(fā)利用價值巨大。經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增加對自然環(huán)境和資源帶來了壓力。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，沿海圍墾造地及養(yǎng)殖日趨嚴(yán)重，對航道、岸線、紅樹林等造成了影響，養(yǎng)殖區(qū)發(fā)生蝦病、赤潮、傳染病菌以及紅樹林蟲害等問題[1-3]。廣西近岸海域岸段地質(zhì)環(huán)境差異明顯，海岸脆弱性高，陸域、海洋、地下水相互聯(lián)系性較強(qiáng)[1-3]。然而，現(xiàn)階段地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工作較為分散，起步也較晚，難以滿足社會發(fā)展的要求。因此，中國地質(zhì)調(diào)查局實施了“北部灣廣西近岸海洋地質(zhì)環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查”項目，并開展了廣西近岸海灘剖面和基線監(jiān)測試點工作，成果已應(yīng)用于當(dāng)?shù)睾０侗Ｗo(hù)和生態(tài)修復(fù)等?，F(xiàn)在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，又全面地展開了地質(zhì)環(huán)境綜合監(jiān)測工作，其中海水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測是重要的工作內(nèi)容，為進(jìn)一步開展立體化地質(zhì)環(huán)境綜合監(jiān)測評價提供數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

廉州灣年平均氣溫為22.5 ℃，全年風(fēng)向具有明顯的季節(jié)性變化[1-2]。熱帶氣旋主要影響時間集中于夏季7—9月。廣西海域處于云貴高原東南側(cè)，自高原南下的冷空氣高度落差大，常造成沿海地區(qū)風(fēng)災(zāi)，暴雨也是常見的災(zāi)害天氣之一，以5—9月最多。廉州灣潮流為不正規(guī)全日潮，平均流速20～50 cm/s，以風(fēng)浪為主，夏季水溫達(dá)到最高，而冬季則降至最低，入海河流有廣西最大河流南流江，周邊還有大風(fēng)江、欽江、茅嶺江等地區(qū)性河流，徑流量季節(jié)變率明顯。該灣最大水深8 m，平均坡降0.70×10-3，水下地形較平緩[1-3]，魚蝦資源豐富，沿岸分布有典型亞熱帶紅樹林自然生態(tài)保護(hù)區(qū)。

2 監(jiān)測技術(shù)方法

2.1 站位部署

依據(jù)整體工作部署并結(jié)合廣西海岸帶地區(qū)發(fā)展規(guī)劃需求，參照前人在廉州灣進(jìn)行的海洋生產(chǎn)力、水質(zhì)、營養(yǎng)鹽、赤潮、底棲生物群落、主要污染物運動擴(kuò)散等研究成果[4-10]，并借鑒國內(nèi)外海水監(jiān)測技術(shù)方法[12-14]進(jìn)行監(jiān)測工作部署。監(jiān)測區(qū)覆蓋廉州灣共20個站位，分為冬季和夏季采集監(jiān)測要素時空數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對比、分析和評價等。鑒于我國近岸水域陸域排污量和污染物種類呈增加趨勢[15-18]，監(jiān)測項目設(shè)置為營養(yǎng)鹽、重金屬等，充分運用當(dāng)前調(diào)查手段和測試技術(shù)，并參照《海岸帶(海區(qū))地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》(DD 2012—05)、國家《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB 17378.4—2007)等。

圖1 工作區(qū)位置圖和站位布設(shè)圖

2.2 技術(shù)方法

監(jiān)測使用的主要技術(shù)手段[11]包括： ①高精度的差分GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)； ②雙頻單波束測深儀； ③高精度和高分辨率Multi350i便攜式多參數(shù)監(jiān)測儀，其中pH值檢出限為0.01，鹽度為0.1‰，懸浮物為2 mg/L，水溫為0.1 ℃分辨率； ④實驗測試儀器有UV-759紫外可見光分光光度計(0.000 6～0.08 mg/L，檢出限，下同)、TOC-VCPH總有機(jī)碳分析儀(0.3 mg/L)、ZEEnit 700原子吸收分光光度計(0.000 03～0.003 1 mg/L)、AFS9700原子熒光光度計(0.000 03～0.000 5 mg/L)等； ⑤化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand,COD)采用堿性高錳酸鉀法，25 mL滴定管，檢出限為0.15 mg/L； ⑥生化需氧量(biochemical oxygen demand,BOD)采用SPX-250生化培養(yǎng)箱進(jìn)行5 d培養(yǎng)，25 mL滴定管，檢出限為1.0 mg/L； ⑦按照質(zhì)量管理規(guī)定和測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試儀器的檢測與標(biāo)定工作。在測試過程中進(jìn)行了質(zhì)量監(jiān)控,使用國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行測試結(jié)果比對,并對本批樣品采用隨機(jī)抽樣方法，重復(fù)抽取樣品編成密碼進(jìn)行分析，經(jīng)審核樣品測試合格率達(dá)到監(jiān)測技術(shù)規(guī)程要求。

3 主要監(jiān)測成果

3.1 要素基本特征

3.1.1 常規(guī)理化要素

海水溫度、鹽度、pH值是描述水團(tuán)運動和性質(zhì)的基本指標(biāo)，總堿度指中和一定體積海水所需酸量，是劃分水體性質(zhì)指標(biāo)之一，懸浮物是指懸浮在海水中的固體物質(zhì)，包括不溶于水中的無機(jī)物、有機(jī)物以及微生物等。廉州灣夏、冬兩季上述要素的監(jiān)測結(jié)果見表1。

表1 廉州灣常規(guī)理化要素統(tǒng)計

3.1.2 需氧量

BOD是反映水中有機(jī)污染物的一個總體指標(biāo)，是指在一定期間內(nèi)，微生物分解一定體積水中的某些可被氧化物質(zhì)特別是有機(jī)物質(zhì)，所要消耗的溶解氧的數(shù)量； COD是采用一定的強(qiáng)氧化劑還原處理水樣物質(zhì)所需要消耗氧化劑量，水中的還原性物質(zhì)有各種有機(jī)物、亞硝酸鹽、硫化物、亞鐵鹽等，這些物質(zhì)往往與水體受到污染有關(guān)。廉州灣夏、冬兩季需氧量監(jiān)測結(jié)果見表2。

3.1.3 營養(yǎng)鹽

生源要素的主要組成部分是營養(yǎng)鹽，源于地球生物化學(xué)過程以及人類活動的排放，我國氮營養(yǎng)鹽排放和大氣沉降通量維持在較高水平,并呈現(xiàn)增加的趨勢。 硝酸鹽(NO3-N)是海洋浮游生物的主要營養(yǎng)鹽之一，是無機(jī)氮再生過程的最終產(chǎn)物，是可溶性無機(jī)氮的化合物中最穩(wěn)定、最豐富的形式，其分解轉(zhuǎn)化主要受生化與物理因素制約，而硝酸鹽可被細(xì)菌還原成為亞硝酸鹽(NO2-N)，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為氨氮(NH4-N)； P為海水生物的營養(yǎng)要素之一，在水中溶解的無機(jī)磷以正磷酸鹽(PO4-P)形式存在。夏、冬兩季營養(yǎng)鹽監(jiān)測結(jié)果見表3。

表2 廉州灣有機(jī)污染物濃度統(tǒng)計

表3 廉州灣營養(yǎng)鹽濃度統(tǒng)計

3.1.4 重金屬

重金屬為非降解型物質(zhì)，具有生物毒性累積和食物鏈傳播的特征。對環(huán)境產(chǎn)生污染的重金屬有Pb、Zn、Cu、As、Cr等，亦為我國環(huán)境監(jiān)測項目的主要部分，在廉州灣進(jìn)行了該7項重金屬監(jiān)測，其中含量較高的重金屬的監(jiān)測結(jié)果見表4，兩個季節(jié)的Cu、Hg、Cr含量低，甚至低于檢出限，未作列出。

表4 廉州灣重金屬濃度統(tǒng)計

總體來說，水溫、鹽度、pH值、總堿度、懸浮物濃度、BOD、COD均為夏季>冬季，鹽度在夏季高于冬季可能與出海徑流下泄推動底層鹽水上溯補償有關(guān)； 對于營養(yǎng)鹽和重金屬來說，夏季<冬季的有硝酸鹽、磷酸鹽以及重金屬Zn，與冬季徑流收縮，灣內(nèi)排放聚集有關(guān)，而夏季>冬季的有亞硝酸鹽、氨氮和重金屬Pb、Cd、As，與夏季生化活動活躍以及徑流大量輸入等有關(guān)。

3.2 要素空間分布特征

3.2.1 常規(guī)理化要素

夏季水溫較高，其等值線多為半閉合狀分布，從遠(yuǎn)岸到近岸逐漸降低，冬季水溫等值線呈帶狀逐步向外遞減(圖2(a)和(b))。由于夏季養(yǎng)殖活動相對更為活躍，水溫除了南流江河口呈現(xiàn)帶狀分布之外，還有以近岸生活排污處、養(yǎng)殖灘涂區(qū)為中心的半封閉小型低值區(qū)，而海灣中心水域由于水深較深、熱容量較大、受到干擾小而保持水溫較高。還可見到，南流江出?？谒疁氐戎稻€密集，夏季和冬季溫度梯度依次為0.14 ℃/km、0.69 ℃/km； 夏季鹽度受徑流影響，等值線分布呈現(xiàn)由北向南逐漸遞增的趨勢，最高值位于廉州灣中心水域一帶，多數(shù)大于28‰。相對來說，鹽度表現(xiàn)出一定的保守性，夏、冬兩季均為自內(nèi)向外遞增的帶狀分布(圖2(c)和(d))，夏、冬兩季最低值均位于北部的南流江河口處，等值線僅為1‰～2‰。在南流江出?？邴}度等值線同樣呈現(xiàn)密集態(tài)勢，夏、冬兩季鹽度平均梯度依次為2.10‰/km、2.3‰/km。

(a) 夏季溫度，℃(b) 冬季溫度，℃

(c) 夏季鹽度，‰(d) 冬季鹽度，‰

圖2廉州灣夏季、冬季溫度和鹽度分布

Fig.2TemperatureandsalinitydistributionofsummerandwinterinLianzhouBay

夏季pH值等值線總體呈北低南高的階梯狀分布； 冬季pH值分布格局與夏季基本相同，均在廉州灣北部灘涂區(qū)相對較低，一般<7.2(圖3(a)和(b))。夏季總堿度等值線分布以廉州灣東南沿岸最高，均高于95 mg/L，東北部和西北部水域總堿度濃度最低，均低于70 mg/L(圖3(c)和(d))； 冬季總堿度等值線總體上由中心區(qū)域向四周逐漸遞減，最低值出現(xiàn)在西場鎮(zhèn)灘涂區(qū)為50 mg/L，最高值出現(xiàn)在中心區(qū)域為100 mg/L。東北部灘涂區(qū)由于水淺易受擾動，懸浮物濃度高于中部海域且水平梯度明顯，隨著離岸距離增大，懸浮物濃度逐漸降低； 冬季懸浮物濃度分布不均，由于呈現(xiàn)團(tuán)塊運動方式，出現(xiàn)多個小尺度高值區(qū)，以西南部灣口濃度最高(圖3(e)和(f))。

(a) 夏季pH值(b) 冬季pH值(c) 夏季總堿度，mg·L-1

(d) 冬季總堿度，mg·L-1(e) 夏季懸浮物濃度，mg·L-1(f) 冬季懸浮物濃度，mg·L-1

圖3廉州灣夏季、冬季pH值、總堿度和懸浮物濃度分布

Fig.3pH,totalalkalinityandsuspendedmatterdistributionofsummerandwinterinLianzhouBay

3.2.2 需氧量

廉州灣水域夏季BOD僅有4個站位檢出，且濃度≤2 mg/L，冬季檢出站位達(dá)到8個(圖4(a)和(b))； 夏季COD等值線呈由北向南逐漸遞減的階梯狀分布，以近岸灘涂地區(qū)濃度偏高，最高值出現(xiàn)于東北部灘涂區(qū)，冬季COD等值線分布格局與夏季相似，最高值同樣出現(xiàn)于北部灘涂區(qū)和南流江入?？?圖4(c)和(d))。

(a) 夏季BOD，mg·L-1(b) 冬季BOD，mg·L-1

(c) 夏季COD，mg·L-1(d) 冬季COD，mg·L-1

圖4廉州灣夏季、冬季BOD和COD分布

Fig.4BODandCODdistributionofsummerandwinterinLianzhouBay

3.2.3 營養(yǎng)鹽

夏、冬兩季的NO3-N和NO2-N濃度等值線均呈現(xiàn)自河口向灣外遞減的總體態(tài)勢，而NH4-N濃度等值線均以養(yǎng)殖區(qū)和東南生活排污區(qū)含量較高，3項氮營養(yǎng)鹽分布顯示出受到徑流、灘涂養(yǎng)殖區(qū)和近岸區(qū)域排放影響的特點(圖5(a)～(f))； 兩個季節(jié)PO4-P濃度等值線分布的總體態(tài)勢與氮營養(yǎng)鹽類似，均呈現(xiàn)由北向南逐漸遞減的階梯狀分布特征，最高值出現(xiàn)于東北部灘涂區(qū)，遠(yuǎn)岸海域則濃度較低(圖5(g)和(h))。

(a) 夏季NO3-N含量，mg·L-1(b) 冬季NO3-N含量，mg·L-1(c) 夏季NO2-N含量，mg·L-1

(d) 冬季NO2-N含量，mg·L-1(e) 夏季NH4-N含量，mg·L-1(f) 冬季NH4-N含量，mg·L-1

(g) 夏季PO4-P含量，mg·L-1(h) 冬季PO4-P含量，mg·L-1

圖5廉州灣夏季、冬季氮營養(yǎng)鹽和PO4-P濃度分布

Fig.5NitrogennutrientsandPO4-PconcentrationdistributionofsummerandwinterinLianzhouBay

3.2.4 重金屬

主要重金屬Pb、Zn、Cd、As的濃度等值線分布顯示，受到徑流排入和沿岸排污交匯的影響，有2種基本分布形態(tài)： ①總體呈現(xiàn)由中心水域向四周遞減或向灣外遞減的趨勢，有夏季的Pb、Zn、Cd、As以及冬季的Pb和As(圖6(a)、(b)、(c)、(e)、(g)和(h))； ②以沿岸排污區(qū)為中心呈現(xiàn)半封閉狀等值線分布，這樣的有冬季Zn和Cd(圖6(d)和(f))。

(a) 夏季Pb含量，μg·L-1(b) 冬季Pb含量，μg·L-1(c) 夏季Zn含量，μg·L-1

(d) 冬季Zn含量，μg·L-1(e) 夏季Cd含量，μg·L-1(f) 冬季Cd含量，μg·L-1

(g) 夏季As含量，μg·L-1(h) 冬季As含量，μg·L-1

圖6廉州灣夏季、冬季重金屬濃度分布

Fig.6HeavymetalsconcentrationdistributionofsummerandwinterinLianzhouBay

4 討論

(1)數(shù)據(jù)對比顯示，南流江出?？谏嫌?個控制站位的鹽度≤1‰，表明為淡水所控制，可代表出?？谏嫌魏恿饕胤植继卣鳎淙芙庋跗骄繛?.78 mg/L，與灣內(nèi)平均值5.45 mg/L相近。但其BOD和COD依次為5.78 mg/L、2.75 mg/L，比廉州灣內(nèi)總體平均值分別高出了108.33%、442.13%； 營養(yǎng)鹽之中的NO3-N兩者相近，而NO2-N、NH4-N、PO4-P平均為0.07～1.34 mg/L，依次高出1 008.93%、372.52%、67.40%，可見河流沿程匯聚了高含量的污染物質(zhì)，輸入灣內(nèi)之后經(jīng)歷了擴(kuò)散以及生化轉(zhuǎn)換，廉州灣成為陸域污染物入海的承納水域； 絕大部分重金屬也同樣如此，上述該3個控制站位重金屬含量平均為0.002～0.008 mg/L，高出灣內(nèi)平均值35.71%～789.21%，只是Zn有所降低，幅度為-41.68%，可能與廉州灣沿岸排污有關(guān)。

(2)廉州灣東南部沿岸排污處具有總堿度最高的特點，說明其排除廢水和污水之中各類雜質(zhì)較多。夏季由于灣汊貫通，生化活動活躍，腐殖質(zhì)產(chǎn)物豐富，并隨徑流泥沙大量排入海灣，所以懸浮物濃度隨之大幅度增加，平均增幅達(dá)到457.03%。由于沿岸養(yǎng)殖區(qū)和次一級灣汊養(yǎng)殖排污較為集中，BOD均在這些區(qū)域附近達(dá)到最高，即使在夏季泄入灣內(nèi)徑流量較大時也是如此。徑流帶來淡水的同時，也帶來了污染物輸入，故COD仍然以南流江出?？跐舛茸罡?。雖然受到潮流運動的混合擴(kuò)散作用，但養(yǎng)殖區(qū)附近COD居高不下，說明其污染物排放的持續(xù)性。大量殘渣和污染物的降解和轉(zhuǎn)化需要消耗氧氣，尤以夏季光熱條件好，生物活動活躍，徑流輸入量大，對氧氣的消耗尤為突出[19-22]。對比監(jiān)測站溶解氧數(shù)據(jù)，出現(xiàn)了多個低溶解氧站位，濃度范圍為3.50～4.34 mg/L，均低于4.50 mg/L，冬季個別站位也出現(xiàn)低氧，以上多分布于東北部灘涂養(yǎng)殖區(qū)(表5)。

(3)由前面可見，重金屬濃度等值線具有多種分布形態(tài)，與徑流輸入和沿岸排放交匯有關(guān)，但在夏季由于徑流強(qiáng)大，濃度以向灣外遞減為主，冬季由于徑流萎縮和向外推動力減弱，灣內(nèi)排污處污染物堆積，在養(yǎng)殖區(qū)和北海半島以西港口作業(yè)區(qū)等出現(xiàn)高濃度，以Zn和Cd為代表。

表5 廉州灣低溶解氧站位分布

(4)對比前人1996—2000年廉州灣的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，其COD、溶解態(tài)無機(jī)氮(dissolved inorganic nitrogen,DIN)(為前述三氮之和)、溶解態(tài)無機(jī)磷(dissolvecl inorganic phosphoras,DIP)(即PO4-P)逐年變化范圍依次為1.40～1.74 mg/L、0.38～0.54 mg/L、0.005～0.017 mg/L，平均值依次為1.52 mg/L、0.44 mg/L、0.008 mg/L，可得平均增幅為23.03%、82.32%、468.75%，再進(jìn)一步對比2001—2003年廉州灣漁業(yè)生態(tài)環(huán)境調(diào)查數(shù)據(jù)，其COD、DIN、DIP數(shù)據(jù)平均依次為1.92 mg/L、0.129 mg/L、0.004 5 mg/L，增幅依次為-2.34%、522.10%、903.53%，COD基本持平，總體上說明了廉州灣營養(yǎng)鹽呈增加趨向，且COD并未有改善。

(5)現(xiàn)有污染狀況與廉州灣地質(zhì)環(huán)境條件有密切關(guān)系。位于東南部的北海半島以楔狀向西延伸，對外海潮波傳入形成阻擋作用，使得灣內(nèi)尤其是東部水體物質(zhì)容易滯留于沿岸，降低了灣內(nèi)外水體交換能力； 廉州灣東西相鄰的鐵山港、欽州灣狹長喇叭形海灣的中部發(fā)育有潮流沖刷深槽，形成為槽脊動力地貌體系，漲落潮流和過水量較為集中，但廉州灣以徑流輸入泥沙堆積水下三角洲向外淤進(jìn)為主，過水?dāng)嗝鎸挏\導(dǎo)致排水較為緩慢。該灣海底表層沉積物為砂-粉砂-黏土、砂、黏土質(zhì)砂、粉砂質(zhì)砂，粒級以中砂、細(xì)砂、粉砂為主，三者共計為86.54%，該類顆粒對污染物具有吸附作用，加上海底沉積物呈現(xiàn)半含水狀態(tài)，具有一定的松散度[1-3]，均易受擾動而再次懸浮造成二次污染。

(6)采用常用的富營養(yǎng)化綜合指數(shù)(Ie)來確定富營養(yǎng)化閥值[1-3]，計算公式為

，

(1)

式中: COD、DIN(mg/L)和DIP(mg/L)意義同前。

當(dāng)Ie≥1，表示水體富營養(yǎng)化。進(jìn)一步利用綜合水質(zhì)指數(shù)法(WQI)進(jìn)行評價，再依據(jù)結(jié)果將水質(zhì)劃分為4個等級[1-3]： WQI≤0.70，清潔級； 0.701.20，重污染級。

由主要分區(qū)綜合評價結(jié)果可知(表6)，由于夏季徑流輸入大為增加，加上氣溫升高加快有機(jī)質(zhì)生成和降解，灘涂養(yǎng)殖區(qū)均為富營養(yǎng)化，Ie為3.26～126.64，WQI為1.35～4.05，均達(dá)到重污染級，冬季雖然徑流回撤，但由于水動力弱又使得污染物堆積，水質(zhì)情況也是如此，只是除了個別站位(GX36)略有改善，變?yōu)樨殸I養(yǎng)化和輕污染級； 中部水域由于遠(yuǎn)離排污處，兩季水質(zhì)有所改善，富營養(yǎng)化和貧營養(yǎng)化程度參差，除了輕、中、重污染級，清潔級有所出現(xiàn)； 灣口(GX48站)接近開闊水域，潮流擴(kuò)散稀釋作用強(qiáng)，兩季均為貧營養(yǎng)化和清潔級?？傮w來說，夏季重污染級比例占68.75%，冬季徑流輸入萎縮，重污染級比例降為43.70%，兩季平均為56.23%，由于沿岸生活和養(yǎng)殖排污持續(xù)，兩季富營養(yǎng)化程度高，富營養(yǎng)化比例同樣為81.30%。

表6 廉州灣海水營養(yǎng)化指數(shù)(Ie)和綜合水質(zhì)指數(shù)(WQI)分區(qū)統(tǒng)計

5 結(jié)論

(1)通過站位布設(shè)和不同季節(jié)進(jìn)行取樣測試以及研究評價，基本查明了廉州灣海水質(zhì)量綜合要素的時空分布變化特征以及成因。要素分布隨徑流季節(jié)變化而改變，夏季在徑流推動之下，要素自河口向灣外多呈帶狀分布，冬季雖然徑流收縮，但灣內(nèi)存在局部堆積的高值分布。該灣成為南流江河流污染輸入和周邊陸源污染的承納海盆，COD、NO3-N維持在較高水平并未有改善，局部重金屬Pb、Zn、Cd、As含量較高。該灣以灘涂養(yǎng)殖區(qū)污染最為嚴(yán)重，夏、冬兩季以重污染級居多，兩季平均超過50.00%，灣內(nèi)富營養(yǎng)化程度居高不下，所占比例均超過80%，污染負(fù)荷總體較高，應(yīng)予以重視。

(2)監(jiān)測成果為實施立體化地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測和預(yù)警提供基礎(chǔ)資料，并為當(dāng)?shù)睾０稁Лh(huán)境整治、生態(tài)維護(hù)、海洋規(guī)劃等提供科學(xué)依據(jù)，并且沿岸人類活動向海排污和整治還需要結(jié)合地質(zhì)環(huán)境條件。監(jiān)測結(jié)果揭示出要素時空變化性較大，因此下一步還需要加強(qiáng)取樣密度和進(jìn)行時空建模工作。