澳門內(nèi)港水域低氧區(qū)空間分布及形成機(jī)制研究

楊芳, 蔣然, 楊莉玲, 劉丙軍

1. 珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院, 廣東 廣州 510611;

2. 水利部珠江河口治理與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院), 廣東 廣州 510611;

3. 中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院, 廣東 廣州 510275

水體中的溶解氧(dissolved oxygen, DO)可以直接反映水體污染程度并評(píng)判海水水質(zhì)的優(yōu)劣(Rabalais et al, 2010; Zhang et al, 2010)。作為重要的生源物質(zhì)之一, 海水DO 是有機(jī)體進(jìn)行有氧呼吸的基礎(chǔ)。一般而言, 魚類維持其正常生命活動(dòng)所需的DO 含量通常為6.0mg·L-1(Gray et al, 2002), 當(dāng)水體中DO 的含量低于3～6mg·L-1時(shí), 便會(huì)對(duì)蝦、蟹和底棲生物的生存產(chǎn)生不良影響(Rabalais et al, 2010; 王巧寧, 2012)。海洋低氧區(qū)的研究對(duì)低氧區(qū)定義通常為＜2mg·L-1或＜3mg·L-1(Wiseman et al, 1997; Diaz,2001; Diaz et al, 2008)。人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成的陸源營(yíng)養(yǎng)鹽入海通量增加, 在河口和近岸海域?qū)е碌母粻I(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象, 被認(rèn)為是低氧區(qū)擴(kuò)大的關(guān)鍵原因(Diaz, 2001; Diaz et al, 2008; Wang et al, 2009)。有研究表明, 海水的水體分層限制表層高氧水體與底部低氧水體交換, 生物化學(xué)過程耗氧是導(dǎo)致水體低氧的直接原因(Hetland et al, 2008)。然而不同海域在地形、風(fēng)浪、潮汐等作用下動(dòng)力場(chǎng)不同, 引起水體和底質(zhì)的耗氧過程機(jī)制相差甚遠(yuǎn)。

目前已知的缺氧區(qū)多數(shù)出現(xiàn)在水體分層的半封閉海域(王海龍 等, 2010)。我國渤海是一個(gè)典型的半封閉陸架淺海, 在夏季出現(xiàn)大范圍底部DO 低值區(qū), 其中 DO＜3mg·L-1的低氧區(qū)總面積約為4.2×103km2, 渤海中部海水季節(jié)性層化及其對(duì) DO的阻滯作用是低氧區(qū)產(chǎn)生的關(guān)鍵物理機(jī)制, 沉積物中累積的有機(jī)質(zhì)在夏季的礦化分解是產(chǎn)生底部低氧和酸化環(huán)境的重要原因(張華 等, 2016)。在2015 年夏季長(zhǎng)江口低氧區(qū)(DO＜3mg·L-1)達(dá)14800km2主要受分層和有機(jī)質(zhì)分解控制, 南北方缺氧帶的“雙核”結(jié)構(gòu)及生化物理過程的差異: 北部區(qū)域具有更強(qiáng)的躍斜強(qiáng)度, 而南部地區(qū)生物量較大, 總有機(jī)碳和總氮含量較高; 北部區(qū)域的缺氧主要以水體層化作用為主, 而南部區(qū)域的缺氧主要與有機(jī)質(zhì)分解有關(guān)(Chi et al, 2017)。長(zhǎng)江口附近調(diào)查海域溶解氧含量范圍為1.25～8.55mg·L-1, 整體上由表層到底層隨之降低.潮汐是影響溶解氧周變化和日變化的主要物理因素, 夏季出現(xiàn)的水體層化和深水中有機(jī)物的分解對(duì)低氧區(qū)的形成至關(guān)重要(王松朵 等, 2020)。也有研究表明長(zhǎng)江口的季節(jié)性缺氧跟海底地下水排放有關(guān)系(Guo et al, 2020)。根據(jù)Li 等(2020)研究的珠江口1988—2011 年夏季溶解氧長(zhǎng)期變化規(guī)律, 通過分析缺氧出現(xiàn)的調(diào)控因素, 表明高濁度、低停留時(shí)間、淺海地形為主河口下游和西部陸架提供了抗缺氧的緩沖能力, 東部陸架因深水層化而易受缺氧影響。2015 年在珠江河口夏季觀測(cè)到500km2的低氧區(qū)(DO＜4mg·L-1), 該區(qū)域有明顯的水體層化和高豐度的異養(yǎng)菌。

珠江口受徑流、潮流和南海近岸環(huán)流等綜合影響, 水動(dòng)力條件復(fù)雜, 珠江口的缺氧現(xiàn)象在物理和生化過程的共同作用下, 被限制在伶仃洋的西灘和中灘及磨刀門海域(張恒 等, 2010; 蔡樹群 等,2013)。羅琳 等(2008)使用三維水動(dòng)力—生態(tài)耦合模型來分析珠江口缺氧現(xiàn)象的分布狀況和產(chǎn)生原因。珠江口存在的底層水體缺氧現(xiàn)象是水體強(qiáng)烈層化和生化耗氧過程共同作用的結(jié)果。澳門海域局部半封閉的狹長(zhǎng)水域(內(nèi)港)長(zhǎng)期出現(xiàn)低氧現(xiàn)象, 根據(jù)2000—2019 年澳門環(huán)境狀況報(bào)告, 對(duì)澳門沿岸水質(zhì)進(jìn)行站點(diǎn)布置長(zhǎng)期監(jiān)測(cè), 內(nèi)港歷年來均是在所有站點(diǎn)中富營(yíng)養(yǎng)化最嚴(yán)重區(qū)域(澳門環(huán)境保護(hù)局, 2020)。澳門沿岸12 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)評(píng)價(jià)表明, 內(nèi)港為澳門海域污染最嚴(yán)重的區(qū)域, 境外污染是澳門海域水質(zhì)本底值主要貢獻(xiàn)因素, 而境內(nèi)污染源及局部地形條件(如內(nèi)港)則加重了澳門近岸海域的污染水平(澳門環(huán)境保護(hù)局, 2020)。內(nèi)港水質(zhì)惡化引發(fā)大規(guī)模死魚現(xiàn)象頻發(fā), 目前對(duì)澳門大規(guī)模死魚的現(xiàn)象報(bào)道較多, 然而與死魚關(guān)系密切的內(nèi)港低氧區(qū)空間分布及形成機(jī)制的研究非常匱乏。內(nèi)港的外源污染主要是珠海前山水道以及沿岸的排污口, 內(nèi)源污染則是長(zhǎng)期存在嚴(yán)重污染的表層底泥耗氧。綜上所述, 內(nèi)港低氧區(qū)的形成與內(nèi)外源污染物耗氧有直接關(guān)系, 由于不清楚徑、潮流作用下低氧區(qū)動(dòng)態(tài)變化的狀態(tài), 無法判定不同動(dòng)力條件下內(nèi)外源污染物的貢獻(xiàn), 導(dǎo)致缺乏對(duì)內(nèi)港缺氧機(jī)制的全面認(rèn)識(shí)。

本文擬利用近10 年的澳門水質(zhì)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),采用MIKE 三維水質(zhì)水動(dòng)力模型, 通過模擬澳門內(nèi)港DO 的分布特征和水文動(dòng)力過程, 研究DO 時(shí)空格局與排污口、底泥耗氧的關(guān)系, 明晰不同動(dòng)力場(chǎng)的DO 分布特征值, 探明DO 分布與水體垂向結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系及底泥表層耗氧對(duì)DO 貢獻(xiàn), 揭示澳門內(nèi)港低氧形成及低氧區(qū)擴(kuò)展與水文動(dòng)力狀況的關(guān)系, 并在此基礎(chǔ)上探討內(nèi)外源污染對(duì)不同區(qū)域低氧/DO 低值區(qū)的貢獻(xiàn), 以期從低氧區(qū)形成物理機(jī)制的角度為內(nèi)港水環(huán)境治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 區(qū)域概況

本文研究區(qū)域?yàn)榘拈T海域的內(nèi)港及附近水域。澳門海域是指位于珠海市橫琴島以東、澳門半島以南、大九洲以西的一帶水域, 處在珠江河口磨刀門在掛定角向東分出的支汊洪灣水道的出口, 屬于河口范疇。東北接內(nèi)伶仃洋河口灣西側(cè)灣口, 東南則面向珠江口外海區(qū), 受上游徑流、外海潮流、沿岸流及波浪等陸、海動(dòng)力的相互作用, 加上周邊島嶼邊界的影響, 水動(dòng)力條件復(fù)雜。在珠江水系來沙的影響下, 澳門海岸線長(zhǎng), 海岸灣多水淺, 形成別具特色的淺水區(qū)域。澳門海域被島群分割成4 個(gè)部分:東南部開闊海域、澳門水道、十字門水道及灣仔水道。在澳門水域管理范圍的灣仔水道又稱為內(nèi)港,地形上呈半封閉盲腸特征, 在東南部的內(nèi)港和筷子基南灣、北灣相連。本文研究?jī)?nèi)港及附近水域, 包括內(nèi)港、筷子基南灣和北灣, 研究范圍及排污口位置如圖1 所示。

圖1 模型研究布置圖a. 研究范圍及網(wǎng)格剖分; b. 內(nèi)港水域網(wǎng)格細(xì)節(jié)及水下地形; c. DO 初始濃度分布及剖面采樣、排污口(水量單位: m3·s-1 )、潮位站位置Fig. 1 Layout of model domain. (a) research area and grid; (b) grid detail and underwater topography of inner harbor waters;(c) initial DO concentration distribution and profile sampling, sewage outfall and tidal station locations

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文收集了磨刀門河口大量的地形資料和水文資料。澳門內(nèi)港底部地形資料由中國澳門特別行政區(qū)政府提供, 水文資料包括: 1960—2015 年磨刀門河口竹銀、燈籠山、大橫琴和三灶4 個(gè)站的年平均高潮位、年平均低潮位和年均潮差數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)來源于珠江水文年鑒和珠江流域水文局, 澳門內(nèi)港碼頭潮位站水文資料由澳門特區(qū)政府水文中心提供; 流量邊界及水位具體邊界則為珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院的珠江河口模型提取。水質(zhì)資料包括: 近20 年《澳門環(huán)境狀況報(bào)告》的澳門沿岸水質(zhì)狀況, 以及珠江水利科學(xué)研究院于 2014年5 月8 日0 時(shí)至10 日23 時(shí)在澳門內(nèi)港和筷子基實(shí)測(cè)水質(zhì)資料。水質(zhì)檢測(cè)和沉積物檢測(cè)分別按照《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范 第4 部分: 海水分析》(GB17378.4-2007)和《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范 第5 部分: 沉積物分析》(GB 17378.5-2007)進(jìn)行。

1.3 模型構(gòu)建

本研究采用丹麥水資源及水環(huán)境研究所(Danish Hydraulic Institute, DHI)研發(fā)的三維MIKE31 和生態(tài)水質(zhì)模塊ECOlab 計(jì)算, 該模型可較完整描述河口生態(tài)動(dòng)力過程, 比如生化需氧量(biochemical oxygen demand, BOD)/DO、富營(yíng)養(yǎng)化等, 各狀態(tài)變量涉及生化轉(zhuǎn)化過程描述見DHI 公司的軟件介紹(DHI, 2014; 龔依琳, 2019)。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)澳門海域進(jìn)行劃分, 水平方向共生成了23912 個(gè)網(wǎng)格,垂向劃分為5 層, 時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為30s, 模擬時(shí)長(zhǎng)為72h, 考慮溫度及鹽度因子(初始場(chǎng)結(jié)合實(shí)測(cè)資料設(shè)置為非均勻溫鹽場(chǎng)), 模型上邊界采用竹銀站流量控制, 外海邊界采用調(diào)和分析所得潮位控制, 通過底泥耗氧量參數(shù)為0 或1.16g·m-2·d-1設(shè)定不考慮及考慮底泥耗氧場(chǎng)景。研究區(qū)DO 初始濃度分布場(chǎng)如圖2 所示, 底部高程及網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3 所示。模型采用30s 動(dòng)態(tài)時(shí)間步長(zhǎng), 以保證模型的精度和穩(wěn)定性。選擇2014 年水文水質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證(圖2、3), 模擬潮位過程與實(shí)測(cè)潮位過程較吻合, 而模擬所得DO 濃度場(chǎng)也基本與實(shí)測(cè)一致, 反映了內(nèi)港水域的DO 分布特征。海灣的生命活力與納潮量密切相關(guān), 其大小取決于海灣高、低潮時(shí)潮位及海域面積變化, 是海灣水動(dòng)力特征的反映。為了反映水動(dòng)力與溶解氧的空間分布特征, 模擬內(nèi)港在漲急、落急、高高潮、低低潮等情景下的溶解氧空間分布(表1)。模擬水域面積為1326km2, 其中內(nèi)港1582971m2,筷子基北灣121996.3m2, 南灣28302.3m2, 本研究區(qū)域包括內(nèi)港、筷子基南北灣, 共計(jì)1.733km2。

圖2 內(nèi)港站潮位過程驗(yàn)證Fig. 2 Verification of tidal level process at an inner harbor station

圖3 內(nèi)港水域DO 平均濃度場(chǎng)驗(yàn)證a. 實(shí)測(cè); b. 模擬Fig. 3 Verification of mean DO concentration field in the inner harbor area. (a) measured; (b) simulated

表1 模型情景設(shè)置Tab. 1 Scenarios of model setting

2 結(jié)果與討論

2.1 低氧區(qū)空間分布特征

本文采用三維數(shù)值模型分別對(duì)內(nèi)港2014 年潮流場(chǎng)、海流進(jìn)行數(shù)值模擬, 在此基礎(chǔ)上采用環(huán)境模塊模擬溶解氧和鹽度分布場(chǎng)。圖4 和圖5 分別為在4 種情景下(情景模式見表1)的漲急、落急、高高潮、低低潮, 表層水和底層水溶解氧空間平面分布。

從圖4 和圖5 可見, 可見筷子基北灣的低氧區(qū)面積最大, 南灣次之, 內(nèi)港的低氧區(qū)面積最小。容易產(chǎn)生低氧的水動(dòng)力狀況為低低潮, 其次為漲急, 依次為高高潮、落急。內(nèi)港靠近珠海橫琴側(cè), 上游有前山河水道徑流下泄, 水動(dòng)力條件優(yōu)于內(nèi)港近澳門半島側(cè), 存在著DO＞4mg·L-1的區(qū)域, 內(nèi)港近澳門側(cè),存在著航道和澳門碼頭, 上游為水質(zhì)較差的筷子基,由于筷子基的潮汐動(dòng)力較差, 筷子基的表層和底層水在低低潮時(shí)均出現(xiàn)DO＜2.2mg·L-1的極度低氧區(qū)。在低低潮時(shí)極度低氧區(qū)(＜2.2mg·L-1)分布在筷子基北灣, 低氧區(qū)(＜3.0mg·L-1)則在整個(gè)潮周期內(nèi)均出現(xiàn)在筷子基南灣和內(nèi)港澳門側(cè), 在徑潮流弱動(dòng)力作用下極度低氧區(qū)在筷子基北灣點(diǎn)狀分布向面狀擴(kuò)散,并出現(xiàn)在筷子基南灣。由于內(nèi)港碼頭的底泥污染積累, 內(nèi)港的低氧區(qū)與筷子基同空間存在, 只是污染程度輕于筷子基, 由于前山河水道的徑流下泄, 內(nèi)港的珠海側(cè)水動(dòng)力相對(duì)較強(qiáng), 低氧區(qū)基本不存在。情景1 底層的低氧區(qū)比表層面積同樣略大, 底層DO低氧區(qū)(DO＜3mg·L-1)面積比表層大約1.43%～2.50%,低低潮位的低氧區(qū)面積最大, 底層為0.851km2, 表層為0.839km2, 約占內(nèi)港表層水域的48.4%, 落急的低氧區(qū)面積最小, 底層為 0.726km2, 表層為0.709km2, 約占研究水域的40.9%。從空間分布可見筷子基南北灣在潮周期均為低氧區(qū), 極度低氧區(qū)核心開始出現(xiàn)在筷子基北灣深水區(qū)的漲急時(shí), 在低低潮時(shí)擴(kuò)散至整個(gè)筷子基北灣水域, 表層與低層溶解氧濃度差別極小, 筷子基最大水深約10m, 但大部分水域水深不超過5m, 可認(rèn)為不存在水體層化現(xiàn)象。內(nèi)港的水動(dòng)力潮流場(chǎng)模擬如圖5 可見, 筷子基流速均不超過0.1m.s-1, 為典型的弱動(dòng)力區(qū)域。從低氧區(qū)的擴(kuò)散蹤跡可見, 低氧區(qū)在流速慢、潮位最低的低低潮擴(kuò)展至最大, 極度低氧區(qū)發(fā)育成熟于筷子基北灣水域中心近似靜水的緩流區(qū), 其中筷子基北灣表水層約92.5%區(qū)域?qū)儆跇O度低氧區(qū), 筷子基南灣約9.7%為極度低氧區(qū)。

圖4 內(nèi)港表層水DO 平面分布Fig. 4 Spatial distributions of DO at the surface in inner harbor

圖5 內(nèi)港底層水DO 平面分布Fig. 5 Spatial distributions of DO at the bottom in inner harbor

圖6 為漲急、落急、高高潮、低低潮的溶解氧垂向分布模擬濃度場(chǎng), 垂向剖面線設(shè)置從筷子基北灣至內(nèi)港南端, 在內(nèi)港段的剖面線為沿內(nèi)港岸線外移約25m 的水域(圖1)。圖7 為大潮期內(nèi)港表層潮流場(chǎng)分布。

圖6 內(nèi)港垂向分布(情景1)Fig. 6 Vertical distributions of DO in inner harbor (Scenario 1)

圖7 大潮期內(nèi)港表層潮流場(chǎng)分布圖Fig. 7 Distribution of surface tidal currents in inner harbor during spring tide

根據(jù)圖3 內(nèi)港水域?qū)崪y(cè)DO 平均濃度分布, 可見低氧區(qū)分布在筷子基北灣和內(nèi)港碼頭, 與模擬的DO 平均濃度場(chǎng)分布趨勢(shì)一致。澳門特區(qū)政府在青洲塘(筷子基北灣)、內(nèi)港和 路氹 城生態(tài)保護(hù)區(qū)內(nèi)設(shè)立自動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站。2016 年度青洲塘和內(nèi)港的DO月平均值出現(xiàn)兩次或以上低于3.0mg·L-1, 即達(dá)不到《海水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3096-1997)的四類水標(biāo)準(zhǔn)(澳門環(huán)境保護(hù)局, 2017)。由此可見, 根據(jù)上述DO 空間和垂向分布特征, 以及澳門特區(qū)政府近二十年海域水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料, 可認(rèn)為筷子基弱動(dòng)力水環(huán)境是內(nèi)港水域低氧區(qū)產(chǎn)生的前提條件, 水體自帶的耗氧污染物長(zhǎng)時(shí)間蓄滯可能對(duì)低氧區(qū)發(fā)展起主要貢獻(xiàn)作用。

2.2 底泥耗氧形成低氧區(qū)的模擬分析

現(xiàn)有的研究表明底泥耗氧(sediment oxygen demand, SOD)對(duì)水域DO 降低有貢獻(xiàn), 影響因素有底泥生物作用、有機(jī)物礦化、水溫、底泥組分、水質(zhì)、水深和流速(鄧思思 等, 2013)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采樣,筷子基北灣、南灣和鴨涌河、內(nèi)港, 以及珠海一側(cè)的前山河水道下游和灣仔水道水域沉積物 pH 在6.48～7.25 之間, 沉積物全氮含量在0.383～5.81g·kg-1之間, 平均含量約 3.11g·kg-1; 有機(jī)質(zhì)含量在0.638%～9.69%, 平均含量約 5.18%;全磷含量在0.294～1.71g·kg-1之間, 平均含量約1.05g·kg-1。沉積物全氮、全磷和有機(jī)質(zhì)含量最低的區(qū)域位于前山河水道下游斷面, 筷子基北灣則含量最高。根據(jù)文獻(xiàn)中有機(jī)質(zhì)和底泥耗氧的關(guān)系(Chen et al, 1999), 模型的底泥耗氧量取1.16g·m-2·d-1。模型在不考慮排污口,只考慮底泥耗氧的情景時(shí), 從圖4、5 的低氧區(qū)面積對(duì)比可見, 情景 2 的底層低氧區(qū)比表層面積大1.01%～1.96%, 與情景1 的低氧區(qū)面積基本相同; 低氧區(qū)形成規(guī)律一致, 低低潮位的低氧區(qū)面積最大,落急的低氧區(qū)面積最小。差異之處在于極度低氧區(qū)核心提前至漲急時(shí)明顯可見, 由于內(nèi)港沒有明顯的外海往復(fù)流, 水體層化現(xiàn)象也不明顯, 若不考慮排污口對(duì)淺層水?dāng)_動(dòng), 則筷子基深水區(qū)污染嚴(yán)重的底泥耗氧效應(yīng)可快速擴(kuò)散至表層水。由此可見底泥耗氧對(duì)低氧區(qū)形成起關(guān)鍵作用, 相反沿岸排污口對(duì)低氧區(qū)發(fā)生的作用不大。

2.3 沿岸排污口對(duì)低氧區(qū)的影響

如圖1 所示, 進(jìn)入內(nèi)港的排污口有15 個(gè), 筷子基的水體有沿岸的3 個(gè)排污口和小型河流鴨涌河。鴨涌河是珠海市在20 世紀(jì)70 年代后期填海而形成的一條狹窄的人工河道。近年來水質(zhì)污染嚴(yán)重, 水流在河道中東段幾乎斷流, 水質(zhì)執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》中的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)2019年監(jiān)測(cè), 鴨涌河上游斷面SS、BOD5、氨氮、石油類超過(GB3838-2002)中的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn), 其中氨氮、石油類超出地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn), 為劣Ⅴ類水。鴨涌河排入筷子基的水量較小且在枯季基本不排入, 其他各排水口的排水量如圖1 所示。在不考慮底泥釋放和排污的情景4, 水體耗氧以內(nèi)港水域的有機(jī)物生化耗氧為主(硝化過程、有機(jī)物耗氧、藻類呼吸耗氧等),仍然是低低潮位的低氧區(qū)面積最大, 底層為0.685km2, 表層為0.668km2, 落急的低氧區(qū)面積最小, 底層為0.599km2, 表層為0.587km2。以底層水低低潮的情景模擬對(duì)比, 情景4 比情景1 的低氧區(qū)面積減少19.5%, 比僅有底泥耗氧的情景1 的低氧面積減少15.6%, 與僅有排污口設(shè)置的情景3 相比,低氧區(qū)的面積減少1.8%, 進(jìn)一步證實(shí)在半封閉狹長(zhǎng)水域內(nèi)港水體自帶的耗氧污染物在水域內(nèi)游蕩滯留,成為低氧區(qū)形成并擴(kuò)展的重要因素。在圖5 中, 情景3 和4 的底層水低氧區(qū)形成的規(guī)律與情景1 對(duì)比,相同之處是低氧區(qū)面積在低低潮最大, 排污口附近無明顯的污染源擴(kuò)散區(qū), 不同之處是情景3 和4 在漲急時(shí)沒有出現(xiàn)極度低氧區(qū)核心, 可見底泥的耗氧直接影響極低氧區(qū)核心的生成, 排污口對(duì)低氧區(qū)的面積和分布影響極小。

2.4 綜合分析

澳門內(nèi)港海域低氧現(xiàn)象與局部水域水動(dòng)力弱關(guān)系密切。采用本文的溶解氧動(dòng)力過程模型預(yù)測(cè)可見,考慮底泥和排污的情景模型, 與不考慮底泥和排污的情景相比, 表層水低氧區(qū)的面積增加0.115～0.180km2, 約占缺氧區(qū)的15.6%～21.5%, 推測(cè)由于筷子基的水體自身耗氧引起低氧區(qū)存在約占80%。澳門近二十年的海域監(jiān)測(cè)資料表明, 澳門海域11 個(gè)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中內(nèi)港的富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)最高。珠江水利科學(xué)研究院在2014 年5 月7—9 日進(jìn)行包括筷子基和內(nèi)港在內(nèi)的水質(zhì)監(jiān)測(cè), 采用《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB3097-1997)的四類水標(biāo)準(zhǔn)(即適用于海洋港口水域, 海洋開發(fā)作業(yè)區(qū))進(jìn)行評(píng)價(jià), 無機(jī)氮濃度在2.57～4.85mg·L-1, 超標(biāo)倍數(shù)為4.1～8.6, 其中污染嚴(yán)重的水樣來自筷子基北灣、南灣和內(nèi)港碼頭, 表層水溶解氧最低值在筷子基北灣, 為2.78mg·L-1。由于筷子基的水動(dòng)力交換弱, 滯留在內(nèi)灣的水體氮超標(biāo)極可能引起弱動(dòng)力水區(qū)的水體有機(jī)物的降解、無機(jī)物的氧化反應(yīng)、底泥耗氧及浮游植物呼吸作用等生化耗氧過程。張恒 等(2009)利用改進(jìn)的RCA(row and column of Aesop)三維水質(zhì)模型對(duì)影響珠江口夏季底層缺氧的生化過程的研究結(jié)果表明, 耗氧最多的生化過程是溶解態(tài)有機(jī)碳的氧化反應(yīng), 占密度躍層以上水體總耗氧量的68.3%, 其次是硝化反應(yīng)和浮游植物的呼吸作用, 在密度躍層以下的水體, 底泥耗氧占絕對(duì)優(yōu)勢(shì), Zhang 等(2017)利用低氧區(qū)剖面DO 數(shù)據(jù), 發(fā)現(xiàn)密度躍層以下底泥耗氧占總凈氧損失量的80%以上。本研究模擬不同情景下弱動(dòng)力非分層近岸海域的低氧區(qū)形成, 初步推測(cè)水體的生化耗氧對(duì)水域耗氧貢獻(xiàn)占絕大部分, 底泥的耗氧貢獻(xiàn)次之, 排污口的貢獻(xiàn)較小, 與上述研究在密度躍層以上水體總耗氧量來源有相似趨勢(shì)。內(nèi)港在經(jīng)濟(jì)高度發(fā)達(dá)、人為干擾嚴(yán)重的弱潮型珠江河口的眾多海灣中具有典型性, 低氧區(qū)形成特有機(jī)制可為弱動(dòng)力海灣生態(tài)環(huán)境改善提供針對(duì)性治理方向。

有研究表明河口低氧形成機(jī)制與河口潮汐、徑流共同作用引起鹽度變化有一定關(guān)系(許曉飛 等,2015; 麻素挺 等, 2019), 如長(zhǎng)江口的落潮時(shí)來水的特征表現(xiàn)為高泥沙和低氧水體, 漲潮時(shí)底部存在泥沙異重流。澳門內(nèi)港有其特殊淺水海灣地形和不正規(guī)半日潮汐等因素的共同作用, 上游前山河水道來水受閘門控制, 與上述研究長(zhǎng)江口的低氧形成機(jī)制差別較大。從漲急的鹽度空間分布(圖8)可見, 筷子基表層鹽度低于1‰, 底層鹽度不超過2‰, 內(nèi)港南部鹽度最高可達(dá)14‰, 底層高鹽范圍基本與表層相同, 可見不存在底層異重流。2014 年澳門海域全年水溫15～31℃間, 平均水溫22.5 ℃, 筷子基為澳門海域鹽度最低的區(qū)域, 鹽度范圍在0.2‰～4.8‰, 平均鹽度遠(yuǎn)低于3‰。本研究采用鹽度與溶解氧耦合水動(dòng)力子模塊的敏感性試驗(yàn)預(yù)測(cè)鹽度對(duì)DO 的敏感度,設(shè)定鹽度在0～6‰, 水溫25℃。如圖9 所示, 在鹽度0～3‰時(shí)DO 在垂向分布基本一致, 當(dāng)鹽度大于3‰的情況, DO 在垂向分布上底層缺氧更嚴(yán)重, 盡管在內(nèi)港的鹽度升高影響著極度低氧區(qū)(DO＜2.2mg·L-1)的分布空間, 但是低氧區(qū)(＜3.0mg·L-3)范圍變化不大,鹽度對(duì)內(nèi)港的DO 分布影響極小。

圖8 內(nèi)港的鹽度平面分布(情景1)Fig. 8 Spatial distribution of salinity in inner harbor : Scenario 1

圖9 不同鹽度條件的溶解氧垂向分布Fig. 9 Vertical distributions of DO under different salinity conditions

3 結(jié)論

內(nèi)港區(qū)低氧現(xiàn)象為澳門海域潮、徑流物理及生化過程綜合作用的結(jié)果, 內(nèi)港半封閉水域的弱動(dòng)力環(huán)境造成污染物滯留作用是低氧區(qū)產(chǎn)生的關(guān)鍵物理機(jī)制, 水體和沉積物累積有機(jī)質(zhì)礦化分解是低氧區(qū)形成的重要原因?？曜踊蛏难跏菍?dǎo)致內(nèi)港低氧的驅(qū)動(dòng)要素, 底層底泥耗氧進(jìn)一步加劇了內(nèi)港的低氧程度。為減緩內(nèi)港的低DO 問題, 建議首先盤活水系, 提高筷子基水體交換能力, 從而加強(qiáng)水體復(fù)氧能力, 以實(shí)現(xiàn)水體DO 濃度提升和水環(huán)境改善; 其次是對(duì)筷子基和內(nèi)港積累數(shù)十年的表層高污染底泥進(jìn)行有針對(duì)性的清淤, 降低底泥內(nèi)源性污染的影響。

本研究采用溶解氧動(dòng)力模型表達(dá)內(nèi)港的溶解氧動(dòng)力過程, 綜合考慮地形、潮汐、及外內(nèi)源污染排入、外海輸入等因素, 初步定量分析了低氧動(dòng)力過程和形成機(jī)制, 描述了內(nèi)港生態(tài)動(dòng)力過程, 并通過敏感性試驗(yàn)分析了溶解氧含量對(duì)各生態(tài)要素和物理過程變化的響應(yīng)。下一步將重點(diǎn)開展對(duì)模型生態(tài)過程參數(shù)化中底泥和上覆水耗氧速率參數(shù)的參數(shù)率定和模型檢驗(yàn)等研究工作。