赤潮灾害处理技术概述

王玉红，郭小勇，马志刚，袁玲玲，徐春红

（国家海洋标准计量中心，天津 300112）

赤潮灾害处理技术概述

王玉红，郭小勇，马志刚，袁玲玲，徐春红

（国家海洋标准计量中心，天津 300112）

文中介绍了包括卫星遥感、航空遥感、船载和浮标现场观测等监测技术在内的赤潮灾害监测技术；阐述了化学方法、物理方法和生物方法等赤潮灾害消除技术；论述了赤潮灾害损失评估技术；并探讨了赤潮灾害处理技术发展趋势。

赤潮；监测；灾害评估；灾害处理

赤潮是由某些微藻、原生动物或细菌在一定环境条件下爆发性增殖或聚集达到某一水平，引起水体变色或对海洋中其他生物产生危害的一种生态异常现象。据统计，目前世界上有270多种赤潮生物。赤潮灾害一旦发生，将破坏海洋生态平衡，危害海洋渔业和水产资源，甚至危及人类健康。

赤潮形成的原因和机制相当复杂，至今未能足量掌握赤潮发生的机理。经过多年的不懈研究，国内外业内专家、学者普遍认为：赤潮生物的存在和水体富营养化是赤潮发生的基础和首要条件，海洋受到源自市政排放和海水养殖活动的有机污染，赤潮生物利用氮、磷、碳等营养元素，大量繁殖和积聚。 其中，铁、锰、锌、钴、硅及维生素 B1、B12、四氮杂茚、间二氮杂苯等成分增加是赤潮发生的基本因素。适宜的海洋水文气象、地理和海水理化要素是发生赤潮的重要原因。此外，地球磁场异常与赤潮灾害的发生有着极为密切的关系[1-6]。

赤潮灾害爆发区域较广，几乎所有沿海国家都受到赤潮灾害困扰。近些年来，随着经济的高速发展、人口的剧增、人们对海洋的依赖越来越大，致使海洋污染严重，海洋生态环境遭到破坏，导致全球赤潮发生的范围、频率、面积和危害不断增加，恶化海洋环境，造成巨额经济损失，严重影响人们的生产生活。如何监测和处理赤潮灾害，尽可能减少经济损失，成为沿海各国竞相研究的重点。饱受赤潮灾害困扰的沿海各国，在赤潮灾害处理技术方面，投入大量的人力、物力和财力，做了大量研究工作，取得了丰硕的成果。

1 赤潮监测技术

1.1 监测项目

鉴于以下要素可能是诱发赤潮爆发的原因，在观测和监测赤潮过程中，需要做到如下几点：

（1）现场观测时，需要记录赤潮灾害发生时间、地点、面积（范围）、周边地形、人文设施、赤潮分布状况与漂移速度、气压、气温、风向、风速、太阳辐照度和海况等内容。

（2）海水理化指标监测应包括水温、海流、盐度、透明度、pH值、有机碳、溶解氧、叶绿素a、化学需氧量、活性磷酸盐、亚硝酸盐、硝酸盐和铵盐等内容。

（3）赤潮生物优势种类与毒性监测应包括赤潮优势种种类和密度、底泥中赤潮生物孢囊、赤潮藻类毒素和贝类毒素等内容。

（4）赤潮发生海域周边地区人文活动、经济状况及赤潮对公众生命、财产、安全与健康损害的调研等。

（5）为卫星、航空遥感地面数据反演提供地面解析信息。

1.2 监测技术

由于赤潮的突发性及其成因的复杂性，目前，人们还没有防止赤潮灾害发生的有效方法，监测仍是防灾减灾的重要手段。目前，针对赤潮监测相关关键环境参数，主要监测方法是船载和浮标现场观测，辅以卫星、航空遥感等快速大面积观测手段。其中，卫星遥感监测主要为大范围海域监视；航空遥感监测针对局部海域的应急大面观测；船载和浮标现场观测是获取定点现场实测资料，为研究赤潮生成、发展、消亡过程，评估灾害损失，为卫星遥感、航空遥感数据反演提供实测数据或参考、佐证依据，是赤潮监测的基本形式。

1.2.1 浮标现场观测技术

浮标分为锚系浮标和漂流浮标。锚系浮标是将浮标固定在特征要素敏感的地点，对水上、水下多要素进行连续现场测量的浮标。锚系浮标上安装营养盐、pH值、溶解氧、重金属等气象、水文和化学（温、湿、风、压、流、浪、潮）参数的传感器，定时记录和传输所观测的海洋数据。除水文、气象和化学要素测量传感器外，国外还配备生物光谱、放射性类传感器以及可供用户任意选择的备用传感器通道。

锚系浮标观测技术不仅能低成本、高时间频度地提供十几种海洋环境参数，还能提供海洋动态模式和海面溢油漂移模式及迁移规律模式，亦可进行赤潮监测；缺点是易遭人为破坏、空间连续性差、无机动性[7]。

典型的漂流浮标是ARGOS（“地转海洋学实时观测阵”的英文缩写）剖面浮标，它是建立全球海洋实时观测网的一种专用测量设备。它随洋流漂移，借助深度传感器调控深度，自动沉浮、测量海面到2 000 m之间的海水温度、盐度和深度；利用Argos卫星定位和传输观测资料，可跟踪其漂移轨迹，获取海水的移动速度和方向。

1.2.2 船载快速监测技术[8-9]

船载监测技术是应急监测和现场监控最有效的方式，其获取的信息是浮标监测和卫星遥感、航空遥感监测的验证和补充。这些实测数据与信息可作为校正浮标获取数据或信息的参考标准值，也作为反演遥感信息的参考标准，又是解析海洋数值模式不可缺少的因子或边界条件。该技术主要通过船载采样设备、温盐深仪（CTD）、多参数水质测定仪、水下光谱测量仪及船上实验室配备流式细胞仪等测量设备获取赤潮监控海域与赤潮兴亡相关的海洋水文、气象、理化及生物要素的信息。无论如何，随着海洋仪器和设备的研制技术的不断发展和完善，船载监测将永远是赤潮监测的基本形式和其他形式的技术支撑。

1.2.3 卫星遥感赤潮监测技术[10-11]

赤潮卫星遥感监测技术是通过对卫星遥感获取的电磁波辐射信息，依据基于地面实测数据建立的数值模式和实时实测数据反演海洋数据，分析判定赤潮发生前的信号，快速确定赤潮发生地点、发生面积、强度及迁移等动态变化信息，预测赤潮的发生、发展和消亡。卫星遥感技术具有快速、同步和大范围监测海洋的能力，因此被广泛应用于赤潮观测和监测工作。

我国卫星遥感赤潮监测技术研究开始于20世纪80年代。到目前为止，已成功研制了卫星遥感赤潮监测系统。卫星遥感赤潮监测系统主要包括卫星数据获取、数据处理信息提取、数据结果分析和结果输出等四部分（图1）。

利用NOAA系列卫星地面接收站与DVBS卫星数据广播接收系统建立联系，获取以MODIS卫星数据为主的卫星数据。通过反演，可以获取赤潮监控海区的地理编码，海表温度，海表温度梯度、常规植被指数（Normalized difference vegetation index，简称NDVI）、浮游植物细胞密度和叶绿素a等赤潮相关参数。经过进一步处理，最终得到监控海区期望形式的赤潮数据文档。

卫星遥感赤潮监测系统的建立，极大的促进了赤潮监测工作业务化运行的开展，促使赤潮监测格局发生了本质的变化。利用卫星遥感赤潮监测系统开展业务化监测可以实现对重点监控区和赤潮高发区每日准时监测，及时发现水色异常区域并指导相应部门进行跟踪监测，从而有效地在赤潮爆发初期开展灾害预防减灾工作。

图1 赤潮卫星遥感监测系统框架图

国外开展卫星遥感赤潮监测技术研究比我国早一二十年，提出了单光谱波段遥感技术、多波段遥感技术和数值模拟遥感技术等。其中，数值模拟遥感技术正处于研发阶段。该技术利用赤潮、叶绿素、悬浮泥沙和黄色物质等作用下的海面离水光谱辐射率，建立辐射传输方程，模拟卫星接收到的海洋信息，监测赤潮。

1.2.4 航空遥感赤潮监测技术[12-16]

航空遥感 （aerial remote sensing；airborne remote sensing）又称机载遥感，是指利用各种飞机、飞艇、气球等作为传感器运载工具在空中进行的遥感技术，是由航空摄影侦察发展而来的一种多功能综合性探测技术。从20世纪70年代开始，西方国家开展航空遥感技术研究，在数据获取、辐射校正、光谱重建、数据处理分析和信息提取模型及应用等方面都有较大发展。

目前，我国成像光谱仪的研制水平已进入国际先进行列，先后研制成功了多光谱扫描仪（AMSS）以及71波段机载成像光谱仪（MAIS）和实用型模块化成像光谱仪系统（OMIS）等。航空遥感具有机动灵活、覆盖面广、空间分辨率高等优点。作为一种探测和研究地球资源与环境的手段，航空遥感仍是方兴未艾、不可取代的。我国海洋航空遥感赤潮监测技术已经向业务化运行迈进。

然而，无论卫星还是航空监测均只能发现赤潮现象和赤潮现象发生的时间、地点、范围和物理性状等，不能采样分析确定赤潮生物的种类和数量。它们需要地面实时观测数据的支持和校正，且更多受到客观条件限制。

2 赤潮灾害消除技术[17-20]

2.1 化学方法

化学方法具有操作简单、见效快的特点，是采用最早、目前使用最多、发展最快的一种方法。包括直接灭杀法、凝聚剂沉淀法和天然矿物絮凝法三种方法。

（1）直接灭杀法，即采取无机除藻剂、有机除藻剂、人工化学物质和天然提取物质进行赤潮生物的直接灭杀。无机除藻剂主要包括高锰酸钾、次氯酸钠、氯气、双氧水、臭氧等。这些药剂通过氧化作用灭杀藻类，并能在水中马上分解，残留量少，污染轻。有机除藻剂包括人工化学物质和天然提取物质两种。人工化学物质对自然生态环境产生危害。目前，研究较多的是天然提取物质有机除藻剂。比如秸杆，在水中腐烂时能分泌一种天然 “杀草剂”，专门抑制有毒浮游藻类的生长，防止它们的滋生和蔓延，其用量在10 g/m3时便可起到预防赤潮的功效，而对高等植物和其他海洋动物则无影响。此方法的优点是有机除藻剂具有药力持续时间长、对非赤潮生物影响小等，但其速效性差，易受潮流及扩散等因素影响，故使用量较大。

（2）凝聚剂沉淀法，即采取无机的和有机的凝聚剂灭杀赤潮。此方法原理是利用物质的胶体化学性质，使赤潮生物凝集和沉淀，然后回收去除。所使用的絮凝剂包括无机絮凝剂、有机絮凝剂和微生物絮凝剂三种。无机絮凝剂使用较多的是铝盐和铁盐化合物。有机絮凝剂大多是聚丙烯、聚乙烯类化合物，此外，聚丙烯腈、HC型阳离子高分子絮凝剂和壳聚糖对赤潮防治有很大的应用潜力。微生物絮凝剂主要包括利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂、利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂和直接利用微生物细胞的絮凝剂等。该方法与其他絮凝剂法相比较，具有高效、无毒、易于生物降解等独特的优点，在赤潮治理方面有广阔的应用前景；但目前微生物絮凝剂大多尚处于菌种的筛选阶段，成本高，不能适应工业化生产的需要，需待进一步研究，使之实现实用化和产业化。

此方法的优点是对赤潮生物密集时极有效，作用时间短；利于赤潮生物回收，对非赤潮生物的影响也较直接灭杀法小；同时还可消除水体其他悬浮物，净化水质。

（3）天然矿物絮凝法是采用包括粘土矿物、硅酸、硅酸盐、沸石、多氯化铝或硫酸铝等天然矿物絮凝剂灭杀赤潮。其中，粘土矿物具有来源丰富、成本低、无污染和吸附力强等优点，但溶胶性差，凝聚太迅速、沉淀赤潮生物的能力有限，故很少使用。其他天然矿物絮凝剂的应用性，远不如粘土矿物治理法，可作为一种补充，为人们治理赤潮开阔思路和途径。

2.2 物理方法

物理方法一般作为一种应急措施使用。此方法对于低密度和底层海藻杀灭效果差，并且费用较高和不宜大面积使用。物理方法包括围隔栅法、超声波法、气幕法、充氧法、网箱与台筏沉降法、光控制法和紫外线照射法等方法灭杀赤潮。

（1）围格栅法，即用格栅、塑料薄膜等将养殖箱和一些需要保护的东西与赤潮水域隔离。

（2）超声波法，即用超声波技术杀死赤潮藻类生物。

（3）气幕法，即利用养殖区周围海底布设的通气管，向上放出大量气体，形成垂直环流气幕，将养殖区同赤潮区分开，同时达到充氧目的。

（4）充氧法，利用海底布设的通气管，向上放出大量氧气，隔离赤潮，补充氧气。

（5）网箱与台筏沉降法，即将养殖箱下沉到不能造成养殖鱼、贝类死亡的安全水域的方法。

（6）光控制法，即向赤潮区域喷洒一层木炭粉，隔离光照，消灭赤潮藻类。

（7）紫外线照射法，即利用紫外线对某些赤潮藻细胞的杀灭作用去除赤潮藻。

2.3 生物方法

用以治理赤潮的生物方法主要有三类：一是以鱼类控制藻类的生长；二是以水生高等植物控制水体富营养盐以及藻类；三是以微生物来控制藻类的生长。由于微生物易于繁殖的特点，所以微生物是生物控藻里最有前途的类别。这些杀藻微生物主要是包括细菌（溶藻细菌）、病毒（噬菌体）、原生动物、真菌和放线菌等五类。多数溶藻细菌能够分泌细胞外物质，对宿主藻类起抑制或杀灭作用，因此通过溶藻细菌筛选高效、专一，能够生物降解的杀藻物质是灭杀赤潮藻的一个新的研究方向。但目前比较现实的方法就是利用海洋微生物对赤潮藻的灭活作用，及其对藻类毒素的有效降解作用，达到防治赤潮的目的。

3 赤潮灾害损失评估技术[21-24]

3.1 赤潮灾害损失评估原理

通过对赤潮发生区的现场监测和赤潮影响区域人文活动状况调查，分析确认因与赤潮水体直接接触而造成的实物损失，计算损失量，按市场价格实行损失量的货币化转换，得出赤潮造成的直接经济损失量；根据受灾范围和受灾地区产业结构等情况，调查评估赤潮的灾害关联损害及其对社会经济的损失量，计算间接经济损失；对养殖区、海洋工程设施、海底植被（可恢复部分）、海岸防护设施、人类身体健康生命安全（可恢复部分）等进行调查取证，确认为恢复赤潮灾害影响对象原状所需投资，计算资源的恢复费用（在目前情况下暂不计算生态环境的恢复费用）；通过对赤潮监测、调查、消除处理等管理手段所需费用统计，计算管理监测费用。进而按直接损失、间接损失、资源恢复费用和管理监测费用，评估赤潮灾害损失、分类汇总、计算赤潮灾害的经济损失。

3.2 赤潮灾害损失评估分类

赤潮灾害损失评估包括人类生命与健康损失、海洋工程与城乡建设设施损害与修复、沿海工农业生产活动及交通的损失与恢复、水产养殖业及渔业捕捞业经济损失、海洋环境条件损害与恢复、娱乐和旅游业经济损失、监测和管理费用、海洋生态系统破坏的经济损失评估等。

3.3 赤潮灾害损失评估模型

赤潮灾害损失评估模型实际上是经济损失的分类汇总，在己掌握的赤潮灾害损失评估具体对象及数据资料基础上，参考自然灾害的风险评估、损失评估模式及我国赤潮灾害经济损失评估的一些研究成果，运用调查计算法、统计推算法、单因子指数法等统计方法建立赤潮灾害损失评估模型。以货币为计量单位，将各项损失用函数式表达出来。

式中：M为折算成货币损失的数量；D为直接损失因子；N为间接损失因子；R为资源恢复费用；G为管理监测费用。

总损失费用表达公式为：

式中：M为总货币损失量；Di为第i项直接损失；Nj为第j项间接损失；Rk为第k项资源恢复费用；Gy为第y项管理监测费用；m为直接损失项数；n为间接损失项数；r为资源恢复费用项数；s为管理监测费用项数。

4 结束语

海洋赤潮监测是研究赤潮发生机理、产生赤潮有效预报方法的基础，为了有效防治赤潮灾害应积极开展多方法的赤潮监测。赤潮的消除技术是有效控制降低赤潮灾害的重要手段，理应通过研究和实践摸索出优化、高效、低负效应、低成本的方法和材料。赤潮灾害评估是个重要的社会问题，需要经过长期实践，积累和验证，为制定细化、量化的评估方法标准奠定基础。赤潮灾害的防治是全世界瞩目的技术问题，需要各部门、各学科、各专业的共同努力，有效合作。

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Research on Red Tides Disaster Treatment

WANG Yu-hong,GUO Xiao-yong,MA Zhi-gang,YUAN Ling-ling,XU Chun-hong
(National Center of Ocean Standard and Metrology,Tianjin 300112,China)

The monitoring technique of red tides is introduced,including satellite remote sensing,aerial remote sensing,shipborne monitoring and buoy-based techniques.The methods for eliminating red tide are described,including chemical methods,physical methods and biological methods.The method how to assess damage caused by red tide is described.The technical trend of red tide treatment is discussed finally.

red tide;monitoring;disaster assessment;disaster elimination

X55

C

1003-2029（2011）03-0111-05

2011-03-01

国家公益性项目“重大海洋灾害预警及应急处理技术标准研究与制定”（200705017）

王玉红，女，天津市人，工程师，主要从事海洋标准化工作。 E-mail：hywyh022@163.com