洋山深水港海域水质变化趋势分析及富营养化评价

2013-08-14边佳胤袁林王琼姜佳枚李娟英庄骅薛俊增吴惠仙

海洋通报 2013年1期

边佳胤，袁林，王琼，姜佳枚，李娟英，庄骅，薛俊增，吴惠仙

（1.上海海洋大学水产种质资源发掘与利用教育部重点实验室，上海 201306；2.洋山同盛港口建设有限公司，上海 201308）

近年来，随着我国海岸带的开发、入海江河污染的增加以及海洋经济的发展，近岸海域的环境压力不断增加（陈斌林等，2006），赤潮、富营养化、重金属和油类污染等在沿海海域频繁发生（潘进华，2000；徐颖等，2001），海水水质的监测与评价已备受重视。

洋山深水港位于杭州湾口北部海域，依托大洋山岛和小洋山岛建设而成，是中国首个在海岛建设的大型港口。该港区集装箱年吞吐能力达1 300万标准箱，已跻身于世界大港之列。随着洋山港港口建设的兴起，其生态环境的变化备受各方关注。据报道洋山深水港工程建设期间，施工对该海域的生态环境产生了一定的影响，使其饵料生产、栖息功地能等海洋生态服务功能受损，渔业资源数量下降（毕亚梅等，2010；杨忠勇等，2010；柏育材等，2010），洋山深水港第三期工程施工结束后水质环境及渔业资源等已基本恢复到工程前的水平（叶金清等，2011）。但随着洋山深水港第四期扩建工程进行及前三期工程运营过程中大量船只的停靠和转运，可能会对深水港海域生态环境带来更大的风险，造成海域水环境质量下降。通过2010年1-12月的连续调查，系统研究和分析洋山港海域周年水环境的变化特征，阐明洋山港海域生态环境的状况及变化，为洋山港及周边海域生态环境的保护、渔业资源的评估、水产品的食品安全以及港口的可持续性发展提供科学依据和理论基础。

1 材料与方法

1.1 样品的采集与分析

在洋山深水港海域大、小洋山码头设2个监测点（图1），2010年1-12月连续采集样品，样品的采集、保存、运输和分析均按照《海洋监测规范》（GB 17378.4-2007）中的规定执行。监测要素包括温度、盐度、pH、溶解氧（DO）、化学需氧量（CODMn）、生化需氧量（BOD5）、总有机碳（TOC）、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮氨氮、活性磷酸盐（PO43--P）、活性硅酸盐及叶绿素a（Chl-a），共计13项。各检测项目调查及分析方法均按《海洋监测规范》执行。

1.2 评价方法、参数和标准的确定

目前对海域富营养水平和有机污染的评价方法已有多种（覃秋荣等，2000；邹景忠等，1982；陈于望等，1999；郝建华等，2000），本文分别采用单因子标准指数评价法、多参数水质综合评价法、营养状态质量指数法、营养指数法和有机污染评价指数法对洋山深水港海域的水环境质量状况进行分析评价。本研究评价参数为：pH、DO、CODMn、无机氮（DIN）、SiO32--Si、PO43--P。海水水质评价标准采用国家《海水水质标准》（GB3097-1997）。无机氮（DIN）含量为NO2--N、NO3--N、NH4+-N 3种氮化物含量之和。无机磷（DIP）含量用PO43--P含量表示。

1.3 海水水质现状评价

1.3.1 单因子标准指数评价法

采用单因子质量指数法（海洋生态监测技术规程，2002；海水增养殖区监测技术规程，2002）对单项水质指标进行评价。CODMN、DIN、DIP的污染程度随实测浓度的增加而加重，其标准指数计算公式为：

图1 洋山深水港海域采样点分布图

式中：Sij为评价因子i在测点j的质量指数；Cij评价因子i在测点j的浓度；Csi调查因子i的评价标准值。

溶解氧（DO）的标准指数计算公式为：

式中：DOf为现场水温及氯度条件下，水样中氧的饱和浓度（mg/L），DOf=468/（31.6+T）；T 为水温（℃）；DOs为溶解氧标准值。

pH标准指数计算公式为：

式中：IpH.i为pH值的标准指数；C上为pH评价标准上限值；Ci为pH的实测值；7.8为pH标准值6.8～8.8（《海水水质标准》）的平均值7.8。

1.3.2 多项水质参数综合评价

采用算术平均法进行多项水质参数综合评价，公式如下：

式中：Qi为综合评价指数，Sij单因子质量指数，n为单因子个数。

1.3.3 有机污染指数评价法（A）

其计算公式如下（姜太良等，1991；蒋国昌等，1987；蒋岳文等，1991）：

式中：A为有机污染指数；CODj、DINj、DIPj、DOj分别是以及DO的实测值；CODs、 DINs、 DIPs、 DOs分别为 CODMn、 DIN、以及DO的标准值。

1.4 富营养化指数评价

营养状态质量指数法的富营养化指数（NQI）选取海水的化学耗氧量、总氮、总磷3种要素对其营养状态进行评价。有研究者认为由于该方法只是取营养盐方面参数作为评价标准，考虑的评价要素较少，在其理论上存在一定的局限性（张庆林等，2009）。因此增加富营养化指数法（EI）（付海靖1979；田家怡等，1983），对该海域富营养化评价进行补充。

本文选用两种不同的富营养化指数评价方法对洋山深水港海域的大、小洋监测点进行富营养化评价。

1.4.1 营养状态质量指数法（NQI）

其计算公式如下（海洋生态环境监测技术规程，2002）：

式中：NQI为营养状态质量指数；CCOD、CT-N、CT-P分别为水体的化学耗氧量、总氮、总磷的测量浓度；C′COD、C′T-N、C′T-P分别为水体的化学耗氧量、总氮、总磷的评价标准。参照（郭卫东等，1998）提出的营养分级标准，根据（NQI）值可将海域营养水平划分为三级。

1.4.2 富营养化指数法（EI）

其计算公式如下（田家怡等，1983；付海靖1979）：

式中：EI为富营养化指数；CCOD、CDIN、CDIP分别为水体的CODMn、DIN、DIP的测量浓度。

若EI＜1，则水体处于贫营养化状况；若EI≥1时，则水体出现富营养化；EI值越大，表明富营养化程度越严重。

1.5 潜在性富营养化评价

采用近岸海域潜在性富营养化评价方法进行评价（郭卫东等，1998），其评价原则见表1。

表1 营养级的划分原则

根据N∶P值的大小，将N∶P大于30划为磷限制海区，N∶P小于8划为氮限制海区。

2 结果与讨论

2.1 水质现状评价

2.1.1 单因子标准指数评价结果

对洋山深水港海域各项水质指标进行评价（图2、图3），结果显示2010年洋山深水港海域大、小洋山2监测点各项水质指标中，DIP和DIN的总平均值均超出海水四类标准；pH、DO总平均值符合海水四类标准；CODMn总平均值符合海水四类标准，其中2-5月份超标。从单指标分析评价来看，洋山深水港海域的水质受到了污染，其中DIP和DIN为主要污染源。大、小洋山监测点所显示的污染趋势基本一致。

图2 洋山深水港大洋山监测点水质参数的标准指数

图3 洋山深水港海域小洋山监测点水质参数的标准指数

2.1.2 多项水质参数综合评价

根据洋山深水港海域2010年的水质调查结果（图4），洋山深水港海域水质综合评价指数Qi总平均值为0.97，海水水质处于四类海水标准。1-12月该指数有先上升后下降再上升的趋势，在六月份达到最低值0.76。

图4 洋山深水港海域大、小洋山监测点水样水质综合指数折线图

2.1.3 有机污染指数法评价

洋山深水港海域有机污染评价指数在1.89～4.10之间（图5），平均值为2.91，总体上处于轻度污染，大洋山和小洋山监测点有机污染变化趋势基本一致。大洋山监测点A值范围在1.89～4.10之间，平均值为3.00；小洋山监测点A值范围在1.93～3.53之间，平均值为2.82。

2.2 营养化程度评价

2.2.1 营养状态质量指数法评价

全年洋山深水港海域营养质量指数在1.95～3.72范围内（图6），均值为2.67。依据营养水平划分规定，洋山深水港海域营养水平全年总体上是属于II级中营养水平（邹景忠等，1983）。大、小洋山监测点NQI最高值分别为3.70和3.17，均出现在4月份。

图5 洋山深水港海域大、小洋山监测点水样水质有机污染指数折线图

图6 洋山深水港海域大、小洋山监测点水样营养状态质量指数NQI与营养指数EI值分布

2.2.2 营养指数法评价

洋山深水港海域EI值范围在8.63～72.05之间，平均值为34.01，其中4月份，大洋山监测点EI值最高值已达到72.05，EI值越高，富营养化程度越严重（邹景忠等，1983），说明洋山深水港海域已达到富营养化水平，水质较差。

综合两种评价方法可知，采用不同的评价方法可能会导致结果存在一定差异。原因在于选取营养盐方面参数作为评价标准时，考虑的评价要素较少，在其理论上存在一定的局限性，因此建议增加评价要素，并结合背景值，将更有利于对该海域进行综合分析评价。

2.3 洋山深水港海域Si∶N∶P比及潜在性富营养化程度评价

根据潜在性富营养化的方法评价模式（郭卫东等，1998），文中将第二类水质标准0.97 μmol/L作为贫营养的上限磷阈值，相应的氮阈值为14.28 μmol/L。另外将三类水质标准（P∶1.45μmol/L；N：21.41 μmo/L）作为富营养的下限阈值。运用该方法对洋山深水港海域2010年1-12月的水质进行潜在性富营养化程度评价，营养盐浓度、Si∶N、Si∶P、N∶P值及潜在性富营养化程度评价见（表2）。大洋山监测点，除2月，7-8月和10月处于磷中等限制潜在性富营养状态外，其余月份均处于富营养状态。小洋山监测点，除2月处于磷中等限制潜在性富营养状态外，其余月份均处于富营养状态。根据大洋山监测点Si∶N∶P比平均值（表1），其季节分布：1月，SiO32--Si为限制因素；2-6月和9月，PO43--P为限制性因素；7月和12月，PO43--P相对不足；8月和11月，SiO32--Si相对不足；10月，DIN相对不足。小洋山监测点Si：N：P比平均值（表1），其季节分布：1月和12月，SiO32--Si为限制因素；2月和6月，PO43--P为限制性因素；3-5月和8-11月，DIN相对不足；7月，PO43--P相对不足。

表2 洋山深水港海域水体潜在性富营养化评价结果

3 结论

（1）根据周年的调查数据，综合评价了洋山深水港海域水质质量现状。评价结果表明：洋山深水港海域水质已受到一定程度的污染，其中DO、、DIN、-P超过四类水质标准，-P和DIN为主要污染源。

（2）采用营养状态质量指数法对洋山深水港海域进行评价时，其富营养化指数NQI均值为2.67，该海域营养水平总体上属于Ⅱ级，即中营养水平；然而采用富营养指数法对该海域进行评价，该海域全年营养指数EI均值为34.01，其值远大于1，即洋山深水港海域处于严重的富营养化水平。潜在性富营养化评价结果显示，洋山深水港海域全年无机氮（DIN）、活性磷酸盐（PO43--P）及活性硅酸盐（SiO32--Si）的平均浓度分别为40.71 μmol/L、1.94 μmol/L、37.86 μmol/L，Si∶N、Si∶P 和 N ∶P的比值分别为0.94，21.76和23.30，其中PO43--P相对不足，为潜在限制性因子。由于富营养指数法仅适用于没有藻类生长限制因素（N或P）的水域（林荣根，1996），而洋山深水港海域潜在性富营养化评价结果显示，该海域存在使藻类生长受限的因素，故建议采用营养状态质量指数法对洋山深水港海域进行富营养水平评价。

（3）虽然几种评价方法显示洋山海域的富营养化及污染程度上有一定差异，但显示的趋势基本一致，洋山深水港海域富营养化程度和有机污染程度均较高，水质状况差。

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