考洲洋海域水質(zhì)季節(jié)變化及評價方法初步研究

梁婷婷,王軍星,余清華,楊小平,鐘錦明

(惠州市海洋技術(shù)中心 惠州 516008)

0 引言

隨著近年我國打造海洋藍色生態(tài)經(jīng)濟的快速發(fā)展,我國打造海洋藍色生態(tài)環(huán)境所應(yīng)對面臨的環(huán)境挑戰(zhàn)和發(fā)展壓力也越來越大[1]。目前關(guān)于考洲洋海域海水水質(zhì)狀況的分布特征與評價有一些相關(guān)報道,但間隔時間較長且分析方向也有不同[2-8]。由于考洲洋海域周邊經(jīng)濟的繁榮和發(fā)展、項目的實施、人們環(huán)境保護意識的提高和環(huán)境整治工作力度的加強等原因,考洲洋海域的水質(zhì)也在發(fā)生變化。通過合理的海水水質(zhì)調(diào)查站位布設(shè)能夠較綜合、全面地反映考洲洋海域水環(huán)境狀況。為此,本研究通過對考洲洋2018年春、夏、秋、冬4個季節(jié)的水環(huán)境進行調(diào)查,探討其海水水質(zhì)現(xiàn)狀以及富營養(yǎng)化季節(jié)變化情況,并依據(jù)季節(jié)變化下海水質(zhì)量的變化,探究考洲洋季節(jié)更替對其海水水質(zhì)的影響,為摸清考洲洋海域水環(huán)境現(xiàn)狀以及對水環(huán)境保護和管理提供技術(shù)支持。同時,本研究通過3種不同方法分別對考洲洋的污染情況進行了分析評價,探討單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法、富營養(yǎng)化指數(shù)法以及有機污染評價指數(shù)法對當(dāng)前考洲洋海域海水質(zhì)量狀況評價的適用性,以期能夠為考洲洋海域生態(tài)環(huán)境的保護發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 站位布設(shè)

考洲洋海域整體水質(zhì)調(diào)查總共設(shè)立10個監(jiān)測站位,其網(wǎng)格化布設(shè)方式如圖1所示,調(diào)查海水水質(zhì)站位主要考慮在考洲洋出?？凇⒖贾扪笾胁亢Ｓ?、考洲洋內(nèi)入海河口等進行網(wǎng)格化布設(shè),以確保數(shù)據(jù)分析所得的監(jiān)測結(jié)果能夠更加綜合地反映出整個考洲洋海域水環(huán)境狀況。

1.2 樣品采集

本次海水水質(zhì)調(diào)查分別于2018年春季(4月)、夏季(7月)、秋季(10月)和冬季(1月)分4個航次進行,采集的站點海水深度超過10 m,采集表層(水下0.5 m)和底層(離底1 m)水質(zhì)樣品,深度小于10 m只采集表層(水下0.5 m)樣品。在考洲洋調(diào)查除現(xiàn)場測定項目外,其余測定項目水樣低溫保存帶回實驗室進行檢測。采樣、保存、運輸均按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB 17378.3—2007)[9]要求操作。

圖1 研究區(qū)域及采樣站位布設(shè)

1.3 樣品分析

海水樣品的溶解氧采用多參數(shù)水質(zhì)分析儀(德國WTW Multi3501)測定;化學(xué)需氧量采用《海洋監(jiān)測規(guī)范》GB 17378.4—2007(32)堿性高錳酸鉀法測定;無機氮即亞硝酸鹽氮(NO2-N)、硝酸鹽氮(NO3-N)和氨氮(NH4-N)之和,分別采用GB 17378.4—2007(37)、GB 17378.4—2007(38.2)、GB 17378.4—2007(36.2)測定;活性磷酸鹽采用GB 17378.4—2007(39.1)磷鉬藍分光光度法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本研究根據(jù)《惠州市海洋功能區(qū)劃(2013—2020年)》中考洲洋海域功能區(qū)劃將各站位按不同功能區(qū)進行劃分,其中K01屬于東山海增殖區(qū),K02-K10均屬于考洲洋養(yǎng)殖區(qū),K01-K10所在功能區(qū)海水水質(zhì)質(zhì)量均執(zhí)行《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 3097—1997)中第二類標(biāo)準(zhǔn)。

監(jiān)測數(shù)據(jù)采用Excel進行數(shù)據(jù)處理,主要統(tǒng)計各營養(yǎng)鹽的最大最小值、平均值和計算各站點的單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)、富營養(yǎng)化指數(shù)以及有機污染指數(shù)等,并在ArcGIS的支持下經(jīng)過加權(quán)平均和復(fù)合[10-11]分析得出考洲洋海域4個季度富營養(yǎng)化以及有機污染程度的空間分布特征。

1.5 評價方法

1.5.1 單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法

單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法[12-13]是利用實測值與標(biāo)準(zhǔn)值進行對比,確定水質(zhì)各評價指標(biāo)的等級,計算公式如下:

式中:Pi為某污染因子的污染指數(shù)即單因子污染指數(shù);Ci為某污染因子的實測濃度(mg/L);Cio為某污染因子的評價標(biāo)準(zhǔn)濃度(mg/L)。

海水中溶解氧的單因子指數(shù)評價采用萊默羅(N.L.Nemerow)的指數(shù)公式計算,計算公式如下:

式中:Pi為溶解氧的污染指數(shù);Ci為溶解氧的實測濃度(mg/L);Cio為溶解氧的評價標(biāo)準(zhǔn)濃度(mg/L);Cmax為本次調(diào)查中溶解氧的最大值。當(dāng)P≤1時,表明該監(jiān)測站位水體沒有遭受該因子的污染;當(dāng)P>1時,表明遭受該因子的污染且P值越大污染越嚴(yán)重。

1.5.2 富營養(yǎng)化指數(shù)法

富營養(yǎng)化指數(shù)法[14-15]是目前常用于我國近岸海域富營養(yǎng)化評價的方法之一,計算公式如下:

式中:COD、DIN和DIP分別為海域水體中的實測濃度(mg/L),當(dāng)E≥1時,表明該海域水體呈現(xiàn)富營養(yǎng)化狀態(tài),E值越大,表明該海域富營養(yǎng)化程度越嚴(yán)重。其計算結(jié)果得出的富營養(yǎng)化指數(shù)對應(yīng)的水質(zhì)等級見表1。

表1 水質(zhì)富營養(yǎng)化分級標(biāo)準(zhǔn)

1.5.3有機污染評價指數(shù)法

有機污染評價指數(shù)法[12,16]是根據(jù)DO、COD、DIN和DIP這4個水質(zhì)因子的標(biāo)準(zhǔn)綜合評價水質(zhì)的有機污染情況,計算公式如下:

式中:COD、DIN、DIP和DO分別為海域水體中的實測濃度(mg/L);CODO、DINO、DIPO和DOO為海域水體中上述對應(yīng)指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)濃度(mg/L),當(dāng)A>0時,表明該水體開始受到有機污染,A值越大,受污染的程度越嚴(yán)重。其計算結(jié)果得出的有機污染指數(shù)對應(yīng)的污染程度等級見表2。

表2 有機污染程度評價分級標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)狀況及評價

由表3可知,4個季節(jié)的DIP平均濃度由大到小依次為:冬季(0.058 mg/L)、春季(0.046 mg/L)、夏季(0.009 mg/L)、秋季(0.006 mg/L);DIN平均濃度由大到小依次為:冬季(0.465 mg/L)、春季(0.171 mg/L)、夏季(0.064 mg/L)、秋季(0.040 mg/L);COD平均濃度由大到小依次為:夏季(1.57 mg/L)、冬季(1.26 mg/L)、秋季(1.22 mg/L)、春季(0.89 mg/L);DO平均濃度由大到小依次為:冬季(11.70 mg/L)、夏季(7.41 mg/L)、秋季(7.36 mg/L)、春季(7.18 mg/L)。

表3 2018年考洲洋水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)及單因子指數(shù)評價

利用常規(guī)單因子評價可知(表3),春季超出功能區(qū)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的站位占總監(jiān)測站位的80%,夏季占10%,冬季占100%,秋季均符合功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn),超出功能區(qū)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)比例由高到低依次為:冬季、春季、夏季、秋季。春季超出功能區(qū)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的站位主要位于吉隆河入?？谝约胞}洲島西北部,夏季超出功能區(qū)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的點位主要位于考洲洋西北部。冬季因為受到DIP因子的影響,整個考洲洋海域都呈現(xiàn)超出功能區(qū)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的狀況。

2.2 考洲洋水質(zhì)富營養(yǎng)化情況

富營養(yǎng)化評價(E)結(jié)果表明,冬季呈富營養(yǎng)化(E≥1)的監(jiān)測站位占總監(jiān)測站位的90%,春季占70%,夏季和秋季均未出現(xiàn)富營養(yǎng)化。富營養(yǎng)化指數(shù)由高到低依次為:冬季(7.340)、春季(2.765)、夏季(0.294)、秋季(0.067),主要分布在考洲洋內(nèi)灣。其中,冬季和春季的重富營養(yǎng)化(E≥5)主要分布于吉隆河入海口以及鹽洲島西北部往內(nèi)灣逐漸增大,并且冬季在考洲洋西北部出現(xiàn)嚴(yán)重富營養(yǎng)化(E≥15),詳見圖2(a)～(d)和表4。

2.3 考洲洋有機污染情況

有機污染評價(A)結(jié)果表明,有機污染指數(shù)由高到低依次為:冬季(1.57)、春季(1.37)、夏季(-0.36)、秋季(-0.77),春季和冬季受到有機污染(A≥1)的站位占總監(jiān)測站位的80%,主要分布在吉隆河入?？谝约翱贾扪笪鞅辈績?nèi)灣,其中春季在鹽洲島麒麟河入海口出現(xiàn)了中度有機污染(A≥3),夏季和秋季均未受到有機污染,詳見圖2(e)～(h)和表4。

圖2 E值和A值水平分布圖

表4 2018年考洲洋富營養(yǎng)化指數(shù)與有機污染指數(shù)季度變化

續(xù)表

2.4 3種方法比較

通過單因子指數(shù)法、富營養(yǎng)化指數(shù)法和有機污染評價指數(shù)法對海水水質(zhì)評價的結(jié)果對比基本保持一致(由高到低依次為:冬季、春季、夏季、秋季)。但是根據(jù)監(jiān)測站位超標(biāo)比例分析可知,單因子指數(shù)法結(jié)果表明考洲洋冬季超出功能區(qū)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的站位占總監(jiān)測站位的100%,春季占80%,夏季占10%,秋季均符合功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn);富營養(yǎng)化評價(EIM)結(jié)果表明冬季呈富營養(yǎng)化(E≥1)的站位占總監(jiān)測站位的90%,春季占70%,夏季和秋季均未出現(xiàn)富營養(yǎng)化。有機污染評價指數(shù)法結(jié)果顯示春季和冬季受到有機污染(A≥1)的站位占總監(jiān)測站位的80%,夏季和秋季均未受到有機污染。

單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法對海域水質(zhì)進行評價時,執(zhí)行的水質(zhì)等級是最差的水質(zhì)因子等級,即只要有一個水質(zhì)因子超出海洋功能區(qū)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),其他水質(zhì)因子等級無論多好,該海域也視為超出海洋功能區(qū)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法較適用于海洋環(huán)境監(jiān)管執(zhí)法部門在日常海洋環(huán)境監(jiān)督管理、重大涉海項目的海洋環(huán)評論證以及海域使用論證等必須參照最嚴(yán)格的海洋環(huán)境保護要求的情況。對2018年考洲洋水環(huán)境進行單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)進行評價時,超標(biāo)因子DIP起了決定性的作用。

富營養(yǎng)化是指水體中營養(yǎng)鹽的過度累積導(dǎo)致藻類和其他高等植物的加速生長繁殖,對水體中各種生物平衡造成不良的環(huán)境干擾以及對整體水質(zhì)的嚴(yán)重破壞。富營養(yǎng)化指數(shù)評價法在我國近海的富營養(yǎng)化評價中應(yīng)用最為廣泛,多在水體發(fā)生水華和赤潮時評價水環(huán)境的狀況。

有機污染指數(shù)評價法綜合考慮了海水的有機污染和無機污染指標(biāo),利用COD、DIN、DIP和DO 4個水質(zhì)指標(biāo)對海水質(zhì)量狀況進行評價,能反映水質(zhì)整體的有機污染狀況[17]。

富營養(yǎng)化指數(shù)評價法和有機污染指數(shù)評價法在對海域的水環(huán)境進行評價時都充分考慮各水質(zhì)評價因子對水環(huán)境評價的影響。兩種評價方法都計算了COD、DIN、DIP對水環(huán)境污染的影響,區(qū)別是有機污染評價指數(shù)法還計算了DO對水環(huán)境污染的影響,DO是水體中各種生物生存不可或缺的關(guān)鍵因子[18-19],其中DIP、DIN都是消耗DO的水質(zhì)因子。利用富營養(yǎng)化指數(shù)評價法和有機污染指數(shù)評價法在對2018年考洲洋水環(huán)境進行評價時,春季和冬季考洲洋西北部內(nèi)灣均出現(xiàn)了富營養(yǎng)化(E≥1)和有機污染(A≥1)的情況。

3 結(jié)論

本研究通過對考洲洋海域2018年4個季度水質(zhì)狀況分析得出以下結(jié)論:

(1)2018年考洲洋海域海水中的DIP、DIN、COD和DO平均濃度的季節(jié)變化由高到低依次為:冬季(0.058 mg/L)、春季(0.046 mg/L)、夏季(0.009 mg/L)、秋季(0.006 mg/L);冬季(0.465 mg/L)、春季(0.171 mg/L)、夏季(0.064 mg/L)、秋季(0.040 mg/L);夏季(1.57 mg/L)、冬季(1.26 mg/L)、秋季(1.22 mg/L)、春季(0.89 mg/L);冬季(11.70 mg/L)、夏季(7.41 mg/L)、秋季(7.36 mg/L)、春季(7.18 mg/L)。

(2)根據(jù)惠州市海洋功能區(qū)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)評價結(jié)果顯示,2018年春季和冬季的主要超標(biāo)因子為DIP和DIN,夏季的超標(biāo)因子為DIP,秋季水質(zhì)所有監(jiān)測指標(biāo)均滿足要求。考洲洋水質(zhì)質(zhì)量由高到低依次為:秋季、夏季、春季、冬季。

(3)通過單因子指數(shù)法、富營養(yǎng)化指數(shù)法和有機污染評價指數(shù)法對海水水質(zhì)評價的季節(jié)性變化結(jié)果基本一致(由高到低依次為:冬季、春季、夏季、秋季)。但是根據(jù)超標(biāo)站位比例分析可知,單因子指數(shù)法(P>1)結(jié)果顯示冬季占100%,春季占80%,夏季占10%,秋季均符合功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn);富營養(yǎng)化指數(shù)法(E≥1)結(jié)果顯示冬季占90%,春季占70%,夏季和秋季均未呈現(xiàn)出富營養(yǎng)化;有機污染指數(shù)評價法(A≥1)結(jié)果顯示春季和冬季均占80%,夏季和秋季均未受到有機污染。進一步分析結(jié)果可知,單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法比較適用于海洋環(huán)境監(jiān)管執(zhí)法機構(gòu)對水環(huán)境監(jiān)督檢查,富營養(yǎng)化指數(shù)法適用于水體中發(fā)生水華和赤潮時評價水環(huán)境狀況,有機污染評價指數(shù)法能較好地反映整體的有機污染狀況,因此,3種評價方法具有不同的評價作用和適用性。