七里海濕地水質(zhì)季節(jié)變化與污染物排海特征

翟春梅,王 剛,張甲波,郭連軍,蔡婧怡

(1.河北冀東建設(shè)工程有限公司,河北 唐山 063000;2.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院,天津 300350;3.河北省海洋地質(zhì)資源調(diào)查中心,河北 秦皇島 066001;4.河北省海洋岸線生態(tài)修復(fù)與智慧海洋監(jiān)測工程研究中心,河北 秦皇島 066001;5.河北省水文工程地質(zhì)勘查院,河北 石家莊 050021)

陸海相互作用是當(dāng)今全球環(huán)境變化研究的核心問題之一,近年來隨著沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展、城市化進(jìn)程的加快、海上開發(fā)活動(dòng)的加強(qiáng),海洋污染問題已經(jīng)日益突出。入海河流污染物作為陸地對海洋影響的主要來源,已受到人們的廣泛關(guān)注[1-3]。雖然近岸海域水體中污染物濃度的分布狀況受海水污染物本底值、海域污染和陸源污染綜合影響,但隨著沿海人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的加劇和河流入海污染物通量的不斷增加,陸源污染已成為近岸海域水體污染的主要影響因素,其中又以入海河流污染物的輸送最為突出[4-8]。

七里海潟湖濕地是我國北方重要的濕地資源,也是重要的鳥類遷徙地。同時(shí)七里海潟湖潮汐口靠近黃金海岸旅游浴場,水質(zhì)環(huán)境對近岸海域環(huán)境影響顯著,因此對七里海潟湖區(qū)水質(zhì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測具有重要的生態(tài)及社會(huì)意義。但七里海潟湖區(qū)經(jīng)過開發(fā)利用(主要為水產(chǎn)養(yǎng)殖、休閑旅游等),水質(zhì)環(huán)境發(fā)生較大改變。筆者根據(jù)潟湖區(qū)和鄰近海域同期監(jiān)測數(shù)據(jù)以及潮汐通道在線監(jiān)測站的高頻率監(jiān)測數(shù)據(jù),開展七里海潟湖區(qū)水質(zhì)環(huán)境季節(jié)變化、潟湖區(qū)水質(zhì)與鄰近海域水質(zhì)相關(guān)性以及暑期污染物排海特征的綜合分析,以期為今后七里海潟湖區(qū)的保護(hù)與科學(xué)開發(fā)提供參考。

1 區(qū)域概況

七里海潟湖區(qū)位于秦皇島市北戴河新區(qū),是沙丘內(nèi)側(cè)一個(gè)半封閉潟湖,為我國僅存的現(xiàn)代潟湖之一,在沿海濕地類型中具有較強(qiáng)的典型性和代表性。東岸與東南岸有沙丘與渤海相隔,東北隅有一潮汐通道(新開口)與渤海相連,潟湖西側(cè)與西北側(cè)有稻子溝、劉臺(tái)溝、前劉坨溝、后劉坨溝、趙家港溝五條小河注入,具體見圖1:

圖1 七里海潟湖濕地研究區(qū)域及監(jiān)測站位

2 水質(zhì)環(huán)境季節(jié)變化

2.1 七里海潟湖區(qū)水質(zhì)環(huán)境季節(jié)變化

2020年3月、6月、9月和12月,開展了4期七里海水質(zhì)環(huán)境調(diào)查,在潟湖區(qū)設(shè)置了4個(gè)監(jiān)測站位(見圖1),通過監(jiān)測可知七里海潟湖整體鹽度較高,按海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 3097—1997)開展水質(zhì)評價(jià),選取pH值、COD、DO、無機(jī)氮、活性磷酸鹽5個(gè)重要水質(zhì)環(huán)境參數(shù),并計(jì)算出每期4個(gè)站位各水質(zhì)參數(shù)的平均值,按照海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 3097—1997)開展單因子水質(zhì)評價(jià),評價(jià)結(jié)果見表1。由表1可知,2020年七里海水質(zhì)以劣于第四類為主,6月、9月和12月均為劣于第四類,3月符合第二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),主要影響因子為無機(jī)氮和活性磷酸鹽,兩個(gè)因子濃度值均在夏季(6月份)和冬季(12月份)增長明顯,其中最大值均出現(xiàn)在冬季,達(dá)到1.384 mg/L和0.229 mg/L,分別為第四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的2.8倍和5.1倍。pH值全年整體較為穩(wěn)定(平均值為8),COD濃度最大值出現(xiàn)在9月,DO濃度春、冬兩季明顯大于夏、秋兩季。

表1 2020年七里海潟湖區(qū)水質(zhì)等級變化

N∶P往往能夠反映浮游植物生長的總效應(yīng),也可用于海水中不同區(qū)域水體的鑒定。在七里海水體中N∶P全年平均值為5.7∶1,最大值出現(xiàn)在3月份,最小值出現(xiàn)在6月份,分別為6.3∶1和4.8∶1,6月、9月和12月N∶P呈現(xiàn)出逐漸增大的變化特征。

2.2 七里海潮汐通道鄰近海域水質(zhì)變化

2020年3月、6月、9月和12月,在七里海潮汐通道鄰近海域與澙湖區(qū)開展同期調(diào)查監(jiān)測,3個(gè)監(jiān)測站位分布在潮汐通道口向海一側(cè)(見圖1)。潮汐通道鄰近海域水質(zhì)明顯好于同期潟湖區(qū)水質(zhì),全年以第二類為主,6月、9月和12月均為第二類,3月符合第一類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),6月和9月的主要影響因子為COD,12月主要影響因子為無機(jī)氮和活性磷酸鹽。pH值與潟湖區(qū)相同,全年整體較為穩(wěn)定,平均值為8,COD和DO表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化,其中COD在6月和9月明顯高于3月和12月,最大值出現(xiàn)在9月,為2.96 mg/L,DO季節(jié)變化特征與COD相反,3月和12月明顯高于6月和9月,最大值出現(xiàn)在3月為10.62 mg/L,無機(jī)氮和無機(jī)磷全年濃度整體小于潟湖區(qū)濃度,在12月份有略微增加,分別達(dá)到0.211 mg/L和0.019 mg/L,均符合第二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

七里海潮汐通道鄰近海域N∶P遠(yuǎn)大于潟湖區(qū),表現(xiàn)出和潟湖區(qū)不同水團(tuán)性質(zhì)特征,平均值為11.51∶1,6月、9月和12月N∶P明顯大于3月,平均值為13.34∶1,最大值出現(xiàn)在6月份,最小值出現(xiàn)在3月份,分別為15.6∶1和6∶1。

2.3 七里海潟湖區(qū)與鄰近海域水質(zhì)環(huán)境相關(guān)性分析

采用Pearson相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)方法對七里海潟湖區(qū)與鄰近海域水質(zhì)環(huán)境開展相關(guān)性和顯著性分析。其中DO、無機(jī)氮和活性磷酸鹽表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性,相關(guān)性最好的為DO,相關(guān)系數(shù)R=1,顯著性P=0.004,顯著性很好,可知潮汐通道鄰近海域DO濃度值對潟湖區(qū)DO變化響應(yīng)密切。無機(jī)氮和活性磷酸鹽的相關(guān)性系數(shù)R分別為0.90和0.88,正相關(guān)性強(qiáng),N∶P(氮磷比)相關(guān)系數(shù)R為-0.89,表現(xiàn)為較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系,但三個(gè)因子的顯著性一般,顯著性系數(shù)P均為0.1,不能排除偶然環(huán)境導(dǎo)致良好的相關(guān)性,今后應(yīng)增加同期比對次數(shù)。七里海潟湖區(qū)與鄰近海域水質(zhì)因子pH值和COD之間無明顯的相關(guān)性。

表2 2020年七里海潮汐通道鄰近海域水質(zhì)等級變化

同時(shí)利用位于七里海潮汐通道口(新開口)的在線監(jiān)測站監(jiān)測數(shù)據(jù),分別計(jì)算得到2020年3月、6月、9月和12月COD、DO、無機(jī)氮和活性磷酸鹽的排?？偭?分析排?？偭亢袜徑Ｓ蛳鄳?yīng)環(huán)境因子濃度值的相關(guān)性。其中七里海潟湖COD排?？偭颗c鄰近海域COD濃度值表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性(R=0.88),其他因子相關(guān)性較差。

3 暑期污染物排海特征

七里海潟湖濕地上游水系全年分為豐水期和枯水期,在7月和8月間的豐水期,因降雨量大,對潟湖生態(tài)環(huán)境和鄰近海域水質(zhì)環(huán)境影響較大,枯水期七里海生態(tài)環(huán)境上游補(bǔ)水很少,主要通過潮汐通道受海洋水體環(huán)境的影響,同時(shí)秦皇島濱海旅游展現(xiàn)出強(qiáng)烈的季節(jié)性特征,七里海位于北戴河新區(qū)黃金海岸旅游區(qū),暑期是游客全年最為集中的季節(jié),因此本研究重點(diǎn)開展七里海暑期污染物排海特征研究。

3.1 排海污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)

水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)由位于七里海潮汐通道口(新開口)的在線監(jiān)測站獲得,該在線監(jiān)測站長期開展比對調(diào)試維護(hù),保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,監(jiān)測頻率為4 h,監(jiān)測指標(biāo)總計(jì)包括21項(xiàng),本研究選取2020年7月1日—8月31日的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析,分析參數(shù)包括重金屬(銅、鉛、鋅、鉻)、有機(jī)物(TOC)、營養(yǎng)鹽(總氮、總磷、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、磷酸鹽)、流量等,污染物測定方法、儀器和依據(jù)見表3:

表3 污染物測定方法、儀器和依據(jù)

從監(jiān)測數(shù)據(jù)可知,落潮過程中流速因潮位潮時(shí)的差異變化比較復(fù)雜,呈波動(dòng)性特征,總體7月份平均流量(21.59 m3/s)高于8月份平均流量(10.43 m3/s)。重金屬含量變化平緩,除銅在8月8日、11日及19日出現(xiàn)孤立高值外,其他重金屬含量均低于0.02 mg/L?？偟獫舛群吭谘芯科陂g基本保持穩(wěn)定,8月份均值比7月份略有增大,總體均值為1.954 mg/L,氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮總體保持穩(wěn)定?？偭缀土姿猁}保持相對穩(wěn)定,總磷平均濃度為0.216 mg/L?？傆袡C(jī)碳(TOC)含量變化浮動(dòng)大,7月2日—7月20日總有機(jī)碳含量約為0.7 mg/L,而7月20日后含量明顯增大,在1.9 mg/L左右波動(dòng),最大達(dá)到3.8 mg/L。漲潮過程中,海水經(jīng)潮汐通道會(huì)向潟湖區(qū)內(nèi)流動(dòng),流量變化整體比入海流量變化幅度小。重金屬含量變化平緩,除銅在8月18日出現(xiàn)孤立高值外,其他重金屬含量均低于0.02 mg/L。總氮濃度含量保持穩(wěn)定,均值為1.956 mg/L,氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮變化幅度比落潮入海水質(zhì)大,呈現(xiàn)出相互波動(dòng)狀態(tài)?？偭缀土姿猁}保持相對穩(wěn)定,總磷平均濃度為0.223 mg/L?？傆袡C(jī)碳(TOC)含量變化特征和落潮入海情況基本相同,7月2日—7月20日總有機(jī)碳含量約為0.8 mg/L,7月20日后含量明顯增大,在1.8 mg/L左右波動(dòng),最大達(dá)到4.1 mg/L。

3.2 污染物貢獻(xiàn)率

本研究將水體中各污染物濃度與全部污染物總濃度的比值百分含量稱為污染物貢獻(xiàn)率。為更好地對七里海水質(zhì)污染物進(jìn)行宏觀分析,將污染物分為重金屬、無機(jī)營養(yǎng)鹽以及有機(jī)物(TOC、有機(jī)磷、有機(jī)氮)三類,并將該三類濃度含量之和作為污染物總濃度,具體平均濃度值和貢獻(xiàn)率如表4所示。

由表4可知,入海及入潟湖水質(zhì)污染物濃度貢獻(xiàn)率特征基本相同,即有機(jī)物占主要部分(入海水質(zhì)中占70.79%,入潟湖水質(zhì)占68.13%),無機(jī)營養(yǎng)鹽次之(入海水質(zhì)中占28.67%,入潟湖水質(zhì)占31.43%),兩種水質(zhì)污染物中,有機(jī)物和無機(jī)營養(yǎng)鹽之和占比均達(dá)99%以上,重金屬最少。落潮入海水質(zhì)無機(jī)營養(yǎng)鹽小于漲潮入潟湖水質(zhì)營養(yǎng)鹽,而有機(jī)物則大于入潟湖含量,這與潟湖區(qū)生物量豐富,消耗無機(jī)營養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)化為有機(jī)物質(zhì)有關(guān)。入海重金屬含量大于入潟湖含量,與潟湖區(qū)上游淡水注入或人為活動(dòng)有關(guān)。

表4 水質(zhì)污染物平均濃度

在環(huán)境監(jiān)測項(xiàng)目中,營養(yǎng)鹽是生物必需物質(zhì),而氮、磷是生物成長主要營養(yǎng)物質(zhì)。其中,總氮分為有機(jī)氮和無機(jī)氮(氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮),總磷分為有機(jī)磷和無機(jī)磷(活性磷酸鹽及一些聚合性磷酸鹽,本研究以活性磷酸鹽代表)。由2017年和2020年7月和8月的監(jiān)測數(shù)據(jù)可知,七里海潟湖排海的氮、磷污染物特征發(fā)生了巨大變化(圖2),2017年排海污染物中氮、磷均以有機(jī)氮和有機(jī)磷為主,比例在80%以上,2020年無機(jī)氮和無機(jī)磷的占比增加明顯,達(dá)到56.36%和71.38%,而有機(jī)氮和有機(jī)磷比例將達(dá)到43.64%和28.62%。反映出七里海潟湖區(qū)經(jīng)過生態(tài)修復(fù)工程,有機(jī)質(zhì)氮和有機(jī)磷的含量在急速減小。

圖2 2017年和2020年水質(zhì)氮、磷污染物有機(jī)與無機(jī)占比變化

3.3 污染物入海通量估算

因監(jiān)測數(shù)據(jù)為在線監(jiān)測站數(shù)據(jù),監(jiān)測站的監(jiān)測頻率為4 h,因此每批次監(jiān)測數(shù)據(jù)均作為4 h的平均數(shù)據(jù)。各污染物通量按下式計(jì)算。

式(1)中:i——批次;Qi——第i批次的瞬時(shí)流量;ρi——第i批次各污染物瞬時(shí)濃度;t——第i批次的控制時(shí)間,本研究中均認(rèn)為4 h。由落潮入海減去漲潮入潟湖的污染物通量得到凈入海污染物通量。經(jīng)過計(jì)算可知,2020年7月—8月凈入海污染物濃度中有機(jī)物站絕對主要部分,約為89 t,占入?？偽廴疚锪康?0.23%;無機(jī)營養(yǎng)鹽次之,約為37 t,占入?？偽廴疚锪康?9.20%;重金屬最少為0.72 t,占入海總污染物量的0.57%。

4 結(jié)論

本研究通過開展七里海潟湖區(qū)水質(zhì)環(huán)境季節(jié)變化、潟湖區(qū)水質(zhì)與鄰近海域水質(zhì)相關(guān)性以及暑期污染物排海特征的綜合分析,以期為后續(xù)七里海潟湖濕地環(huán)境的恢復(fù)、保護(hù)和科學(xué)化開發(fā)利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考,主要得出以下結(jié)論:

(1)2020年七里海潟湖區(qū)水質(zhì)等級較鄰近海域水質(zhì)等級差。七里海潟湖區(qū)水質(zhì)在6月、9月和12月均劣于第四類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),3月符合第二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),主要影響因子均為無機(jī)氮和活性磷酸鹽,最大值均出現(xiàn)在冬季(12月),達(dá)到1.384 mg/L和0.229 mg/L,分別為第四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的2.8倍和5.1倍。鄰近海域水質(zhì)在6月、9月和12月均為第二類,3月符合第一類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。七里海潟湖區(qū)水體全年N∶P平均值為5.7∶1,遠(yuǎn)小于鄰近海域N∶P(11.5∶1),表現(xiàn)出與鄰近海域不同的浮游植物生長總效應(yīng)和水團(tuán)性質(zhì)特征。

(2)七里海潟湖區(qū)水體DO、無機(jī)氮、活性磷酸鹽和COD排海總量與鄰近海域水體DO、無機(jī)氮、活性磷酸鹽和COD濃度表現(xiàn)出較強(qiáng)的正相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)R分別為1,0.90,0.88和0.88,N∶P表現(xiàn)為較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)R為-0.89,但除了DO顯著性好(P=0.004)外,其他顯著性均一般。

(3)暑期七里海潟湖區(qū)排海污染物以有機(jī)物為主,無機(jī)營養(yǎng)鹽次之。2017年和2020年氮、磷排海成分中,由有機(jī)氮和有機(jī)磷為主,變?yōu)闊o機(jī)氮和無機(jī)磷為主,反映出七里海潟湖區(qū)經(jīng)過生態(tài)修復(fù)工程等人類活動(dòng),潟湖區(qū)有機(jī)質(zhì)氮和有機(jī)磷的含量在急速減小。