象山港海洋生态环境评价方法研究

黄秀清，齐平，秦渭华，曹维，蒋晓山，刘莲，蔡燕红*

(1.东海海洋环境调查勘察中心，上海 200137；2.国家海洋局，北京 100860；3.宁波海洋环境监测中心站，浙江 宁波 315012；4.温州海洋环境监测中心站，浙江 温州 325011)

象山港海洋生态环境评价方法研究

黄秀清1，齐平2，秦渭华1，曹维3，蒋晓山4，刘莲3，蔡燕红3*

(1.东海海洋环境调查勘察中心，上海 200137；2.国家海洋局，北京 100860；3.宁波海洋环境监测中心站，浙江 宁波 315012；4.温州海洋环境监测中心站，浙江 温州 325011)

本文基于1988—2014年的监测数据，针对象山港海洋生态环境状况，建立了象山港海洋生态环境评价的科学方法，结果表明：(1)根据象山港生物生态、水质、水动力、水团提出了三类三级评价指标体系，其中水质指标的确定综合考虑了水体中主要超标物质、长时间序列的波动及变化趋势；(2)根据东海E2断面、象山港及口门监测数据统计分析确定象山港的活性磷酸盐和无机氮的环境污染变化推荐基准年分别为1993年和1992年；结合频数分析法，象山港海域活性磷酸盐和无机氮的推荐基准值分别是0.023 mg/L和0.50 mg/L；(3)评价分级根据生态环境现状及分区衔接确定为3个等级，其中水质指标选择2011年25%、75%所对应的营养盐浓度值为分级依据；(4)评价结果表明，2011年象山港从口门至港底生态环境分别为好、较好、一般，2014年为好、较好、一般、差；与2011年相比2014年象山港2、4、5、7、8、9区的综合环境有所下降。

象山港；海洋生态环境；评价方法

1 引言

象山港是一个由东北向西南深入内陆的狭长型半封闭海湾，港域狭长，岸线曲折，自然环境优良，水产资源丰富，生态类型多样，是多种经济水产资源的集中分布区。象山港海洋环境现状评价目前主要根据单一要素评价，即将每个站位、每项指标的检测结果与海水水质标准(GB 3097-1997)进行比较。在河口、港湾等区域，由于环境背景值较高，用污染最严重的指标代表区域整体的环境现状，无法客观反映象山港海洋环境现状及变化。郑云龙等[1]、刘俊峰等[2]认为象山港水质基本上属于中度污染，且整个港湾水质处于严重富营养化状态；但象山港从陆源污染相对较小的20世纪八九十年代至今，仍为浙江省生态环境相对较好的港湾。在生物评价方面，对浮游动物、浮游植物、底栖生物、潮间带生物的评价主要集中在群落结构分析、种类组成、生物多样性以及生物与环境因子的相关分析方面[3—13]，没有与水环境评价相结合。美国在海洋环境评价方面进行了较深入研究，采用综合指数和等权评价等方法，并且在不同海域采用不同的评价标准[14]；在切萨比克湾，港湾评价从栖息地、鱼类和贝类、水质进行分类评价，对于水质标准亦是在港湾的不同区域设置不同的评价标准，2000年前后美国还发布了水库、河流、河口及近岸水域、湿地营养物基准技术指南，推动各州制定区域性营养物基准[15—16]。根据目前的水质评价方法，《宁波市海洋环境公报》显示，象山港为劣四类海水水质，不能满足任何功能区水质保护要求，主导功能海水增养殖更是无法发挥。但事实上，目前象山港海洋功能总体发挥较好，评价结果与实际有明显差异。因此，为了科学反映象山港海洋环境状况，需要在系统研究的基础上建立基于海洋生态系统的海洋生态环境评价方法。本文在港湾海洋环境监测站位布设方法研究[17]结果的基础上，确定象山港附近水域及象山港的无机氮、活性磷酸盐基准年和基准值，并结合生态分区作为评价单元，探讨建立较为科学的评价方法，从水动力、水质、生物等3个方面建立指标体系，根据水质数据确定分级，探讨建立较为科学的评价方法，相对客观科学地描述象山港水域生态环境状况，以期为类似半封闭港湾建立海洋环境评价方法提供借鉴。

2 材料与方法

2.1 数据来源

本文使用的监测数据来自宁波海洋环境监测中心站1988—2014年的监测结果，其中：

(1)1988—2010年为象山港及口门附近海域历年现状监测，指标为pH、DO、COD、活性磷酸盐、无机氮、石油类、Cu、Pb、Hg、As和Cd，用于评价指标的筛选确定；

(2)1988—2014年E2断面(图1)为东海区连续断面调查资料，指标无机氮、活性磷酸盐，用于计算变异系数，确定基准年；象山港1998—2014年历年现状监测数据结合收集到的文献资料[2，18]用于水质指标基准值的计算及评价等级的确定；

图1 东海区E2断面监测站位Fig.1 Marine ecological environment monitoring stations of E2 section of East Sea

(3)2011年7月(涨落潮)、2014年8月“象山港海域海洋环境质量综合评价方法(DOMAP-03-02)”专题在象山港海域设置31个水质、生物大面站(见图2)，无机氮、活性磷酸盐、浮游植物、浮游动物等监测数据用于港湾海洋环境状况的评价及验证。

各种样品的采集、分析方法均按照《海洋监测规范》(GB 17378-2007)进行。

2.2 数据处理方法

水质指标的确定基于监测数据与现有海水水质标准比较，使用SPSS软件ARIMA模型预测主要指标的变化趋势。

为了定量反映水质要素长时间动态波动程度的大小差异，作者选择变异系数来表示它们的变化程度大小。

水质基准则通过计算变异系数(CV)分析主要水质指标的多年变化情况，将变异系数明显增大的前一年确定为水质基准年；同时绘制平面分布图，统计基准年之前象山港口门无机氮、活性磷酸盐多年数据平均值，并使用SPSS软件进行频数分析，结合该区域早期浓度水平确定象山港推荐基准浓度。

综合评价采用美国USEPA发布的《全国近岸状况报告》[14]提出的近岸海洋环境状况的综合评价方法，采用多要素等权平均计算综合指数。考虑到本文评价区域主要针对象山港水体环境，因此对评价指标适当进行调整。即：

(1)

式中，Ei、Vi、Wi和Bi分别为第i区综合指数、水动力指数、水质环境指数和生物指数。

根据评价公式计算获得的综合指数Ei在1～3之间。数值越大代表环境状况越好，一般认为Ei<1.5对应环境差；1.5≤Ei<2.0对应环境一般；2.0≤Ei<2.5对应环境较好；Ei≥2.5则对应环境状况好。

3 结果与讨论

3.1 评价单元的划分

评价区域为象山港水域，不包括潮间带及底质部分。根据象山港生物生态、水质、水动力、水团等指标的空间分布特征，将港湾分成9个区域，作为生态环境评价单元(图3)[17]。

图2 2011年、2014年象山港海洋生态环境监测站位Fig.2 Marine ecological environment monitoring stations in 2011 and 2014 of Xiangshan Bay

图3 象山港海洋生态环境综合分区Fig.3 The comprehensive partiton in Xiangshan Bay

3.2 评价指标的确定

象山港海洋环境状况评价主要从水动力、水质、生物生态3个方面筛选评价指标。

(1)水质指标

根据污染物超标程度及长期变化情况确定评价指标。首先分析水质中的超标因子，根据1988—2010年象山港及附近海域水质监测结果，象山港主要污染因子为无机氮、活性磷酸盐、石油类及重金属铅，无机氮和活性磷酸盐超四类海水水质标准，超标率分别为76%、20%；石油类、铅略超二类海水水质标准，超标率分别为7%、1.25%。其次，使用ARIMA模型对4项超标因子进行拟合和预测(图4)，结果表明无机氮、活性磷酸盐的浓度呈升高趋势，石油类和铅基本持平。据此，水质评价因子确定为无机氮和活性磷酸盐。

图4 象山港水体中主要水质因子多年变化情况及趋势预测Fig.4 The changes and trend prediction of the main water quality factors in Xiangshan Bay

(2)水动力指标

象山港作为一个狭长形的半封闭港湾，各个区域的水交换能力不同(水体半交换时间为5～40 d不等)。而水交换能力的不同直接决定着港湾内水环境的自净能力，不同的污染物质在港湾不同区域，由于水动力条件不同，污染物对区域产生不同的影响。因此，水交换周期作为衡量水动力的代表性指标。

(3)生物生态指标

生物生态方面，外来物质的输入将导致水体中生物种类的直接变化，由于本文已经考虑水体部分环境状况，结合象山港具体情况，生物生态因子的筛选结果为与水环境变化关系比较密切的浮游植物和浮游动物。

综合以上分析，象山港海洋生态环境综合评价指标体系见表1。

表1 象山港海洋生态环境评价指标体系

3.3 水质基准的确定

(1)基准年

基准年由多年历史资料的统计分析确定，用于衡量环境响应的变化结果，不同区域的环境基准值不同。由于象山港受人类活动干扰，数据稳定性较差，而且该区域在20世纪80年代监测站位较少，因此选择东海区E2断面1988—2014年长期监测数据计算变异系数，确定象山港附近海域活性磷酸盐和无机氮的基准年。通过变异系数计算，象山港附近海域活性磷酸盐和无机氮变化趋势拐点年分别出现在1994年和1993年(图5)，因此，象山港活性磷酸盐和无机氮的基准年分别确定为1993年和1992年。

(2)基准值

根据活性磷酸盐和无机氮拐点年之前东海区E2断面、象山港口门站位的活性磷酸盐和无机氮监测数据，绘制平面分布图(见图6)。拐点年之前象山港口门区域活性磷酸盐和无机氮的平均浓度分别为0.022 7 mg/L和0.50 mg/L，作为参照浓度(见表2)。

图6 象山港口门活性磷酸盐和无机氮浓度(mg/L)的平面分布Fig.6 The horizontal distribution of phosphate and inorganic nitrogen (mg/L) in Xiangshan Bay

年份PO4⁃P/mg·L-1无机氮/mg·L-11988年0 0120 381989年0 0220 701990年0 0300 231991年0 0240 501992年0 0200 701993年0 028/平均值0 02270 50

结合频数分析法，根据1984—2014年监测数据频数分布，绘制频数分布曲线图(图7、图8)，参照美国国家环境保护局USEPA推荐的方法取第25百分点作为参照状态[16]，得到无机氮推荐基准值为0.50 mg/L，活性磷酸盐推荐基准值0.022 9 mg/L。

结合多年监测数据统计分析，推荐0.023 mg/L和0.50 mg/L分别作为象山港海域活性磷酸盐和无机氮的基准值。

3.4 评价等级的确定

根据3.3节基准值计算结果，象山港海域活性磷酸盐和无机氮基准值分别为0.023 mg/L、0.50 mg/L，在此基础上适当提高活性磷酸盐和无机氮的浓度水平作为这两项指标的评价等级。根据2011年同步监测数据分析，绘制正态分布曲线，分别选择百分位数25%、75%对应的浓度作为分级依据，获得无机氮、活性磷酸盐的评价等级。此外，水动力根据象山港水体半交换时间进行分级；生物则根据浮游生物的生物多样性指数进行判定(见表3)。

图7 1984—2014年象山港营养物频数分布曲线Fig.7 Frequency distribution curves of nutrients in Xiangshan Bay from 1984 to 2014

表3 象山港海洋生态环境评价等级

图8 2011年象山港营养物频数分布曲线Fig.8 Frequency distribution curves of nutrients in Xiangshan Bay in 2011

3.5 评价结果分析

根据上述方法，象山港2011年涨落潮、2014年各区水质状况、水动力状况、浮游生物状况及综合评价结果见表4～7。

表4 象山港各区水质状况

表5 象山港水动力状况

一般认为Vi=1，动力条件差；Vi=2，动力条件一般；Vi=3，动力条件好。

表6 象山港各区生物状况

表7 象山港生态环境总体评价结果

象山港海洋环境状况综合评价结果可分为3～4类。2011年可分为好、较好、一般3个区域，2014年，分为好、较好、一般、差4个区域(见表7、图9～11)。

1区：该区域水动力条件好，水环境状况较好，浮游生物多样性一般，生态结构较为稳定，可兼顾渔区发展。

2～3区：综合评价结果为好和较好，该区水动力条件较好，浮游生物多样性较高，丰度较大，同时该区域还是象山港蓝点马鲛鱼产卵的主要区域。

4～6区：综合评价结果为较好和一般，该区水交换能力一般；2014年与2011年相比，4区西沪港及5区乌沙山电厂前沿水环境状况有所下降；浮游生物较为稳定。6区整体环境基本稳定，适宜作为海水增养殖区域。

7～9区：生态环境“一般”→“差”，其中7区位于国华电厂前沿、8～9区位于象山港港底，水动力条件较差，水环境有所下降，不适宜作为海水增养殖区域。

图9 2011年象山港总体海洋生态环境状况(落潮)Fig.9 The marine ecological environment situation in Xiangshan bay 2011(ebb tide)

图10 2011年象山港总体海洋生态环境状况(涨潮)Fig.10 The marine ecological environment situation in Xiangshan bay 2011(flood tide)

图11 2014年象山港总体海洋生态环境状况Fig.11 The marine ecological environment situation in Xiangshan Bay 2014

4 结论

(1)根据港湾海洋环境监测站位布设方法研究结果，综合象山港生物生态、水质主要污染物(无机氮、活性磷酸盐)、水动力、水团等指标的空间分布特征，将港湾分成9个区域，作为生态环境评价单元。

(2)建立三级三类评价指标体系，水动力指标确定为水体半交换时间(流速、流向)；水质指标的确定综合考虑了水体中主要超标物质、长时间序列的波动及变化趋势，确定为无机氮和活性磷酸盐；生物生态指标主要选取水体中生活的浮游植物和浮游动物的生物多样性。

(3)根据东海E2断面长期数据、象山港及口门数据统计分析确定象山港的活性磷酸盐和无机氮的基准年分别是1993年和1992年。结合频数分析法，象山港海域活性磷酸盐和无机氮的推荐基准值分别是0.023 mg/L和0.50 mg/L。

(4)象山港海洋环境状况综合评价结果为3～4

类。2011年1～2区综合环境好，3～5区综合环境较好，6～9区综合环境一般；2014年1区综合环境好，2～3区综合环境较好，4～6区综合环境一般，7～9区综合差。与2011年相比，2014年象山港2、4、5、7、8、9区的综合环境有所下降。

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Research on the evaluation method of marine ecological environment in Xiangshan Bay

Huang Xiuqing1，Qi Ping2，Qin Weihua1，Cao Wei3，Jiang Xiaoshan4，Liu Lian3，Cai Yanhong3

(1.MarineEnvironmentInvestigationCenterofEastChinaSea，Shanghai200137,China；2.StateOceanicAdministration，Beijing100860,China；3.MarineEnvironmentalMonitoringCenterofNingbo，Ningbo315012,China；4.MarineEnvironmentalMonitoringCenterofWenzhou，Wenzhou325011,China)

Based on the monitoring data from 1988 to 2014，combined with the ecological environment condition of Xiangshan Bay，a scientific evaluation method of marine ecological environment in Xiangshan Bay was established.The results showed that:(1)The evaluation index system in Xiangshan Bay was composed of biology and ecology，water quality，water power and water mass. The determination of water quality index was on the comprehensive consideration of the over standard rate，fluctuation and trend.(2)The base year of phosphate and inorganic in Xiangshan bay was 1993 and 1992 by data statistical analysis from the E2 section of east sea and the mouth of Xiangshan Bay. And then combined with the frequency analysis the recommended reference values of phosphate and inorganic nitrogen in Xiangshan Bay was 0.023 mg/L and 0.50 mg/L.(3)Three evaluation classes was determined by the present ecological environment situation and the partition，while the 25% and 75% of the nutrient concentration values was chose for the classification basis.(4) The marine environment evaluation results was “perfect”、“good”、“general” or “poor” in Xiangshan Bay，which can be divided into 3-4 different areas. The comprehensive environment of 2，4，5，7，8，9 zones in 2014 was poorer than 2011．

Xiangshan Bay; marine ecological environment; evaluation method

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.08.006

2015-05-05；

2015-06-13。

国家海洋局环保专项“象山港海域海洋环境质量综合评价方法(DOMAP-03-02)”，“海洋生态评价制度研究”。

黄秀清(1962—)，男，福建省福清市人，教授，主要从事海洋生态研究。E-mail：xiuqinghuan1@tom.com

*通信作者：蔡燕红(1977—)，教授，主要从事海洋生态评价。E-mail：caiyh@eastsea.gov.cn

X826

A

0253-4193(2015)08-0063-13

黄秀清，齐平，秦渭华，等. 象山港海洋生态环境评价方法研究[J].海洋学报，2015，37(8)：63—75，

Huang Xiuqing，Qi Ping，Qin Weihua，et al. Research on the evaluation method of marine ecological environment in Xiangshan Bay[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(8)：63—75，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.08.006