威海市桑溝灣及周邊海域水質(zhì)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)

韓忠,邊雄飛*,宋其峰,王恒

(1.山東省第六地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東省深部金礦探測(cè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)工程實(shí)驗(yàn)室,山東 威海 264209;2.昌樂(lè)縣規(guī)劃編制研究中心,山東 昌樂(lè) 262400)

0 引言

海洋中蘊(yùn)含著豐富的生物資源,這些生物資源已逐漸成為人類獲取食品和優(yōu)質(zhì)蛋白的“藍(lán)色糧倉(cāng)”[1],在眾多沿海國(guó)家和地區(qū),海洋經(jīng)濟(jì)成為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱。隨著捕撈業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展,出現(xiàn)了局部海水域環(huán)境惡化、漁業(yè)產(chǎn)品品質(zhì)下降、養(yǎng)殖病害嚴(yán)重等問(wèn)題[2-3]。與傳統(tǒng)海水養(yǎng)殖相比,海洋牧場(chǎng)更加重視海洋生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)與生態(tài)環(huán)境保護(hù),是實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境保護(hù)與漁業(yè)資源養(yǎng)護(hù)的重要舉措[4-5]。

截至2021年,中國(guó)國(guó)家級(jí)海洋牧場(chǎng)示范區(qū)已經(jīng)有153個(gè),其中,榮成市獲批國(guó)家級(jí)海洋牧場(chǎng)12個(gè)[6-7],省級(jí)海洋牧場(chǎng)17個(gè);規(guī)模、體量均居全國(guó)前列,實(shí)現(xiàn)年收入約30多億元,帶動(dòng)漁民增收6億多元。

桑溝灣是中國(guó)最東端、日出最早的海灣,位于威海市榮成中東部,海水水質(zhì)優(yōu)良,海產(chǎn)豐富,灣內(nèi)有我國(guó)北方最大規(guī)模的海上網(wǎng)箱養(yǎng)殖。注入桑溝灣的河流共十余條,主要河流有桑溝河、十里河、沽河和崖頭河等,年徑流總量約為2×108m3,約為灣內(nèi)總海水體積的17%,年沙輸入量為17.1×104t[8-9]。桑溝灣海洋牧場(chǎng)先后被農(nóng)業(yè)部授予“國(guó)家級(jí)海洋牧場(chǎng)”“國(guó)家級(jí)休閑漁業(yè)示范基地”“水產(chǎn)健康養(yǎng)殖示范場(chǎng)”和“河鲀魚(yú)協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)單位”等稱號(hào),具有顯著的海洋牧場(chǎng)集聚性優(yōu)勢(shì)。提升現(xiàn)代化海洋牧場(chǎng)的建設(shè)質(zhì)量需要加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)測(cè)和管理,必須重視海洋生態(tài)環(huán)境的保護(hù),為漁業(yè)資源的持續(xù)發(fā)展提供安全穩(wěn)定的生態(tài)環(huán)境[10]。水質(zhì)調(diào)查有利于了解海洋牧場(chǎng)海區(qū)的環(huán)境本底現(xiàn)狀,有利于了解海洋功能區(qū)劃執(zhí)行現(xiàn)狀以及與未來(lái)發(fā)展適應(yīng)性,為海洋牧場(chǎng)建設(shè)和海洋生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。本研究基于榮成市桑溝灣及鄰近海域30個(gè)站位共100個(gè)海水樣品,分析了研究區(qū)海水水質(zhì)特征,結(jié)合海洋功能區(qū)劃對(duì)研究區(qū)海水水質(zhì)狀況做出評(píng)價(jià)。

1 樣品與方法

1.1 樣品采集

山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第六地質(zhì)大隊(duì)于2019年10月在研究區(qū)進(jìn)行了30站位海水水質(zhì)調(diào)查工作,根據(jù)不同水深,不同站位采樣2～5層,共采集海水樣品100件(圖1),海水水質(zhì)研究包括水深、溫度、透明度、水色、pH、鹽度、溶解氧、化學(xué)需氧量、氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽、活性磷酸鹽、汞、鎘、鉛、鉻、砷、銅、鋅、石油類、活性硅酸鹽等21個(gè)水質(zhì)要素,相關(guān)分析方法見(jiàn)表1。相關(guān)分析嚴(yán)格按照《海洋調(diào)查規(guī)范》和《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》的規(guī)定進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析,采用實(shí)驗(yàn)室自控平行樣分析、現(xiàn)場(chǎng)密碼樣平行樣分析、加標(biāo)回收樣分析等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室內(nèi)質(zhì)量控制。

表1 海洋水質(zhì)水文分析方法

1—水系;2—等深線;3—水質(zhì)、水文站位

1.2 評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)

桑溝灣及鄰近海域水質(zhì)評(píng)價(jià)采用單一要素評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合指數(shù)評(píng)價(jià)。單一要素評(píng)價(jià)將各站點(diǎn)的水質(zhì)測(cè)量數(shù)據(jù)與《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB3097-1997)中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),通過(guò)判斷各項(xiàng)水質(zhì)要素的達(dá)標(biāo)情況篩選主要污染要素[11-12]?；谶x定的19項(xiàng)水質(zhì)要素,開(kāi)展綜合水質(zhì)評(píng)價(jià),建立綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,各指標(biāo)權(quán)重利用層次分析法確定,最后根據(jù)指標(biāo)賦值和加權(quán)求和計(jì)算桑溝灣及鄰近海域的水質(zhì)綜合指數(shù),以反映研究區(qū)域海水質(zhì)量的整體情況[13]。

根據(jù)《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB3097-1997),根據(jù)海域的使用功能和保護(hù)目標(biāo),我國(guó)海水水質(zhì)分為4類(表2)[14],各類水質(zhì)的適用范圍如表3所示。

表2 海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB3097-1997)

表3 海水水質(zhì)適用范圍(GB3097-1997)

1.2.1 單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法

標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)按如下方法計(jì)算:設(shè)某水質(zhì)要素一類、二類、三類和四類標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)值分別為a,b,c,d,某測(cè)量站位該要素測(cè)量值為y,設(shè)該站位該要素標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)的值為x[15]。

單位:mg/L,除pH外。

如果y

如果a

如果b

如果c

如果y>d,則x=SQRT((y-c)/(d-c))+3。

該標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)在評(píng)價(jià)中的使用,按以下規(guī)則判斷:

x≤1,則該要素符合一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);

1

2

3

海水pH有其特殊性,評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是一范圍值而不是確定的某一個(gè)數(shù)值[16],pH的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值為7.8～8.5,計(jì)算公式為:

IpH.i=|Ci-8.15|/(C上-8.15)

(1)

式中:IpH.i為pH的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù);C上為pH評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)上限值;Ci為pH的實(shí)測(cè)值。

溶解氧標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)計(jì)算公式如下:

(2)

式中:SiDO為第i站溶解氧的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù);DOi為第i站溶解氧的測(cè)量值(mg/L);DOf為與第i站溶解氧樣品相同溫度、相同鹽度條件下溶解氧的飽和濃度值(mg/L);DOs為溶解氧的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值(mg/L)。

1.2.2 綜合指數(shù)法

海水質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)采用內(nèi)梅羅指數(shù)法。內(nèi)梅羅指數(shù)法是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行水質(zhì)綜合指數(shù)計(jì)算最常用的方法之一,通過(guò)該方法可以對(duì)水質(zhì)污染做出定性分析和定量評(píng)價(jià)。該方法為計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量評(píng)級(jí)方法,具有兼顧極值或突出最大值的特點(diǎn)[17],能夠較全面地評(píng)價(jià)海域的水質(zhì)狀況。

在單項(xiàng)組分評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,按式(3)和式(4)計(jì)算內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)F。

(3)

(4)

表4 海水質(zhì)量級(jí)別劃分

2 水質(zhì)分析研究結(jié)果

研究區(qū)海域水深在5.2～41.1m之間,最深在28站位,最淺在5站位。水溫在17.4～20.6℃之間,最高溫度在30站位,最低溫度是22站位。水色在8～16之間,最高值在4站位,最低值在27、28站位。透明度在0.6～4.7之間,最高值在27站位,最低值在4、18站位。

2.1 pH特征

各站位海水中pH介于8.03～8.12,顯堿性,標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)介于0.086～0.343,19號(hào)站位第4層(取樣深度19m)和20號(hào)站位第3層(取樣深度10m)pH最大為8.12,對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)最小值0.086,pH最小值出現(xiàn)在2號(hào)站位第2層(取樣深度5m),對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)最大值0.343,各層位標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)分布如圖2所示。

a—海表層;b—5 m深度;c—10m深度;d—19 m深度

2.2 鹽度特征

各站位海水中鹽度介于28.9054～31.9512PSU,最大值出現(xiàn)在23號(hào)站位第1層(海表層),最小值出現(xiàn)在8號(hào)站位第2層。年平均鹽度表層為31.76PSU,底層為31.77PSU,表層和底層鹽度基本相同,且全年的平均鹽度平面分布趨勢(shì)大體一致。受沽河水流入的影響,位于沽河口外的22站位鹽度偏小。

2.3 懸浮體含量特征

各站位海水中懸浮物介于3.60～39.0mg/L,最大值出現(xiàn)在2號(hào)站位第5層,最小值出現(xiàn)在20號(hào)站位第1層。

2.4 溶解氧含量特征

各站位海水中溶解氧濃度介于7.02～8.30mg/L,最大值出現(xiàn)在29號(hào)站位第1層,最小值出現(xiàn)在25號(hào)站位第4層。

2.5 海水中化合物成分特征

研究區(qū)海水中化學(xué)需氧量濃度介于0.320～1.44mg/L,最大值出現(xiàn)在9號(hào)站位第3層及13站位的第2層,最小值出現(xiàn)在4號(hào)站位第4層;活性磷酸鹽:各站位海水中活性磷酸鹽濃度介于0.00214～0.0141mg/L,最大值出現(xiàn)在12號(hào)站位第3層,最小值出現(xiàn)在1號(hào)站位第1層;各站位海水中無(wú)機(jī)氮濃度介于0.0452～0.172mg/L,最大值出現(xiàn)在8號(hào)站位第3層,最小值出現(xiàn)在26號(hào)站位第1層;各站位海水中石油類物質(zhì)濃度介于0.0258～0.0696mg/L,最大值出現(xiàn)在16號(hào)站位第1層,最小值出現(xiàn)在4號(hào)站位第1層;各站位海水中硅酸鹽濃度介于0.0180～0.336mg/L,最大值出現(xiàn)在6號(hào)站位第3層,最小值出現(xiàn)在24號(hào)站位第1層。

2.6 海水中化學(xué)元素分布特征

各站位海水中銅濃度介于0.000559～0.00601mg/L,最大值出現(xiàn)在25號(hào)站位第2層,最小值出現(xiàn)在8號(hào)站位第3層;各站位海水中鋅濃度介于0.0000619～0.0257mg/L,最大值出現(xiàn)在8號(hào)站位第3層,最小值出現(xiàn)在17號(hào)站位第2層及13號(hào)站位第4層;各站位海水中鉻濃度介于0.000178～0.0416mg/L,最大值出現(xiàn)在3號(hào)站位第2層,最小值出現(xiàn)在9號(hào)站位的第3層;各站位海水中汞濃度介于0.00000582～0.000137mg/L,最大值出現(xiàn)在5號(hào)站位第4層,最小值出現(xiàn)在2號(hào)站位第1層;各站位海水中鎘濃度介于0.0000730～0.00221mg/L,最大值出現(xiàn)在30號(hào)站位第1層,最小值出現(xiàn)在25號(hào)站位第1層;各站位海水中鉛濃度介于0.000587～0.00464mg/L,最大值出現(xiàn)在20號(hào)站位第2層,最小值出現(xiàn)在10號(hào)站位第4層;各站位海水中砷濃度介于0.00147～0.00414mg/L,最大值出現(xiàn)在18號(hào)站位第2層,最小值出現(xiàn)在5號(hào)站位第4層。

3 水質(zhì)現(xiàn)狀分析研究與評(píng)價(jià)

3.1 單一要素分析

(1)從要素種類上看,區(qū)域海水水質(zhì)pH、溶解氧、無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽、化學(xué)需氧量以及鉻、砷全部符合第一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。主要污染物為石油類、銅、鉛、鋅、鎘和汞。主要污染物的濃度分布如圖3所示。石油類高值區(qū)集中在桑溝灣海域的西部沿岸近海和中部,該區(qū)域主要為港口區(qū)和航道區(qū),低值區(qū)覆蓋其他大部分海域,高值區(qū)較為集中,低值區(qū)較分散;銅元素的高值區(qū)出現(xiàn)在研究區(qū)中南部,低值區(qū)分布在研究區(qū)海域的西部、西北部,東部和東北部海域,高值區(qū)和低值區(qū)較集中;鉛元素高值區(qū)覆蓋海域的中部和西部,范圍較大,整體向東部有遞減的趨勢(shì),低值區(qū)主要分布在沿岸的近海地區(qū),較為分散;鋅元素高值區(qū)主要集中在研究區(qū)的中部海域,總體分布形勢(shì)為NW—SE方向,低值區(qū)分散在北部和南部,較為分散;鎘元素高值區(qū)主要分布在南部,整體向南發(fā)展趨勢(shì),低值區(qū)覆蓋其他大部分區(qū)域;汞元素高值區(qū)主要分布中部和南部,覆蓋研究區(qū)海域大部分海域,整體向南發(fā)展,低值區(qū)僅分布在北部。

a—石油類;b—銅;c—鉛;d—鋅;e—鎘;f—汞

銅、鉛、鋅、鎘、汞全部符合第二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);石油類9號(hào)、18號(hào)等部分站位超過(guò)了第二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),占總調(diào)查站位的6.7%,但符合第三類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)從站位分布上看,站位1符合第一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);站位13、15、16符合第三類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),石油類是主要污染物;其余站位均符合第二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),重金屬鉛、鋅以及汞是主要污染物,如圖4所示。研究區(qū)域無(wú)超過(guò)第三類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的站位。

1—水系;2—等深線;3—一類水質(zhì);4—二類水質(zhì);5—三類水質(zhì)

(3)從垂向分布上看,表層水的水質(zhì)普遍優(yōu)于深層水,圖5為不同海水層pH標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)分布特征。

a—海表層;b—5m深度;c—10m深度;d—19m深度

(4)滿足功能區(qū)水質(zhì)要求方面看,研究區(qū)海域位于桑溝灣及鄰近海域,根據(jù)《威海市海洋功能區(qū)劃(2013—2020年)》,該區(qū)域功能區(qū)主要包括:桑溝灣增養(yǎng)殖區(qū)、桑溝灣-鏌铘島養(yǎng)殖區(qū),海水水質(zhì)要求不劣于二類標(biāo)準(zhǔn);桑溝灣北部、西南和南部具有榮成灣水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)、楮島周邊藻類水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)和魁蚶水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū),要求海水水質(zhì)不劣于一類標(biāo)準(zhǔn);桑溝灣北部有榮成港口區(qū),要求水質(zhì)不劣于四類標(biāo)準(zhǔn),外部有航道區(qū)、錨地區(qū),要求水質(zhì)不劣于三類標(biāo)準(zhǔn)該海域。各站位所在功能區(qū)的分布情況見(jiàn)圖6。

1—水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū);2—養(yǎng)殖區(qū);3—增殖區(qū);4—工業(yè)與城鎮(zhèn)用海區(qū);5—港口區(qū);6—錨地區(qū);7—航道區(qū);8—文體休閑娛樂(lè)區(qū):9—風(fēng)景旅游區(qū);10—特殊利用區(qū);11—保留區(qū);12—水質(zhì)、水文站位

研究區(qū)海域位于桑溝灣及鄰近海域,根據(jù)《威海市海洋功能區(qū)劃(2013—2020年)》,該區(qū)域功能區(qū)主要包括:桑溝灣增養(yǎng)殖區(qū)、桑溝灣-鏌铘島養(yǎng)殖區(qū),海水水質(zhì)要求不劣于二類標(biāo)準(zhǔn);桑溝灣北部、西南和南部具有榮成灣水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)、楮島周邊藻類水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)和魁蚶水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū),要求海水水質(zhì)不劣于一類標(biāo)準(zhǔn);桑溝灣北部有榮成港口區(qū),要求水質(zhì)不劣于四類標(biāo)準(zhǔn),外部有航道區(qū)、錨地區(qū),要求水質(zhì)不劣于三類標(biāo)準(zhǔn)該海域。

根據(jù)海洋功能區(qū)劃,站位1、4、24位于水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)內(nèi),水質(zhì)要求滿足一類標(biāo)準(zhǔn);2、3、5、6、7、17、18、20、21、22、23、26、27、28、29位于養(yǎng)殖區(qū)內(nèi),水質(zhì)要求滿足二類標(biāo)準(zhǔn);8、9、10、13位于航道區(qū),水質(zhì)要求滿足三類標(biāo)準(zhǔn);11、12、14、15、16位于港口區(qū),水質(zhì)要求滿足四類標(biāo)準(zhǔn);19位于錨地區(qū),水質(zhì)要求滿足三類標(biāo)準(zhǔn);25、30位于保留區(qū),對(duì)水質(zhì)未做要求。

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果,站位1、4、24位于保護(hù)區(qū)內(nèi),除站位1滿足要求外,站位4、24均超過(guò)了第一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),符合第二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),超標(biāo)要素主要是鎘和汞;站位8、9、10、13、19滿足航道區(qū)和錨地區(qū)要求的第三類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);站位11、12、14、15、16滿足港口區(qū)要求的四類標(biāo)準(zhǔn);站位2、3、5、6、7、17、18、20、21、22、23、26、27、28、29位于養(yǎng)殖區(qū)內(nèi),均能滿足養(yǎng)殖區(qū)要求的第二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。綜上,研究區(qū)域海水水質(zhì)總體滿足功能區(qū)要求。

3.2 綜合評(píng)價(jià)

在單因子指數(shù)的基礎(chǔ)上,計(jì)算內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù),并對(duì)海水質(zhì)量進(jìn)行等級(jí)劃分。研究區(qū)海水質(zhì)量分為優(yōu)良、良好和較好3個(gè)級(jí)別。在100個(gè)樣品中,海水良好級(jí)水樣有11件,占總數(shù)的11%;較好級(jí)水樣89件,占總數(shù)的89%,如圖7所示。

1—水系;2—等深線;3—良好;4—較好

4 結(jié)論

桑溝灣地理環(huán)境優(yōu)越,海底地勢(shì)平坦,地質(zhì)環(huán)境優(yōu)等,海灣周邊工業(yè)污水輸入較少。研究區(qū)海水符合國(guó)家一、二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),水質(zhì)清潔,其中桑溝灣口南部附近海域水質(zhì)條件更優(yōu)于其他海域。海水透明度高,營(yíng)養(yǎng)鹽含量豐富,基礎(chǔ)生產(chǎn)力較高,適宜水產(chǎn)養(yǎng)殖活動(dòng),具備在此海域建設(shè)人工魚(yú)礁的水質(zhì)環(huán)境。

雖然我國(guó)海洋牧場(chǎng)已經(jīng)形成一定規(guī)模,并且初步實(shí)現(xiàn)了帶動(dòng)海洋產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展的目標(biāo),但是海洋牧場(chǎng)的建設(shè)仍然處在初級(jí)階段,未來(lái)還有較大的發(fā)展空間,加強(qiáng)現(xiàn)代化海洋牧場(chǎng)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、管理及相關(guān)技術(shù)研究,是未來(lái)保障我國(guó)海洋牧場(chǎng)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。