港湾海洋环境监测站位布设方法研究——以象山港为例

黄秀清，陈琴，姚炎明，蔡燕红

（1.上海东海海洋工程勘察设计研究院，上海200137；2.浙江大学海洋学院，浙江杭州310058；3.国家海洋局宁波海洋环境监测中心站，浙江宁波315012）

港湾海洋环境监测站位布设方法研究
——以象山港为例

黄秀清1，陈琴2，姚炎明2，蔡燕红3*

（1.上海东海海洋工程勘察设计研究院，上海200137；2.浙江大学海洋学院，浙江杭州310058；3.国家海洋局宁波海洋环境监测中心站，浙江宁波315012）

本文在水质污染物扩散模拟的基础上结合港湾生物、水质、水团、水动力等分区特征，确定港湾监测代表单元，结合质心点计算方法，建立港湾海洋环境监测站位优化布局方法，并在象山港进行示范。结果表明：（1）象山港作为典型半封闭港湾，水交换能力较差，水团分布相对均匀，根据无机氮、活性磷酸盐水质模拟结果及港湾生态分布特征，象山港分成9个区，各区内主要水质指标及生物生态特征基本一致。（2）采用质心点计算方法，在象山港9个区及区间（分界线）共设置16个代表性站位，各站位可作为象山港落潮时无机氮、活性磷酸盐、温、盐、生物等指标的监测站位；（3）站位优化验证结果表明，优化前后2组数据之间无显著性差异，说明优化后的16个监测站位能较好地代表象山港海域的生态环境质量，其所表征的监测信息量与现有监测站位的信息量等效。

象山港；监测站位；布设

黄秀清，陈琴，姚炎明，等.港湾海洋环境监测站位布设方法研究——以象山港为例［J］.海洋学报，2015，37（1）：158—170，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.01.016

Huang Xiuqing，Chen Qin，Yao Yanming，et al.The setting method of harbour marine environment monitoring station——Acase study in Xiangshan Bay［J］.Haiyang Xuebao，2015，37（1）：158—170，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.01.016

1　引言

港湾作为典型海洋生态系统处于陆地与海洋之交的枢纽地带，其生态系统相对独立，在水动力等自然条件作用下，受海洋开发活动及外来污染影响尤为突出，多年来，为了掌握海洋生态环境的变化，海洋环境监测站位、指标、频率不断增加，如浙江省象山港，从20世纪80年代至今，监测站位从5个增加到40余个，监测指标从10项增加到30余项，监测频率也从每年1次增加到4次，但是仍无法科学描述象山港海洋环境状况，而监测站位设置成为能否相对准确地反映海洋环境状况的关键因素之一。多年来国内外学者对监测站位布局优化方法进行了探索，林庆华和李涛采用指数法、水质标准级别法和贴近度法等模式对深圳近岸海域监测站位进行聚类分级和再优化［1］，蔡建堤利用Matlab和Lingo数学软件，采用二次背包模型对监测站位进行优化［2］，叶璐等采用克里金法和专家评判法对珠江口水质监测站位进行优化［3］；ACWI对美国国家水质监测网络进行设计［4］，王宠等分析美国地表水站位设计方法是在传统的判断点位设计的基础上增加概率统计点位设计方法［5］，而Truj illo-ventura利用目标的空间覆盖率、超标、数据有效性和加权方法来建立模型，寻找合适的监测网络［6］，Sarigiannis和Saisana等提出利用卫星遥感技术进行多目标监测网络优化的方法［7］。上述方法基本采用统计方法进行站位布局，站位的生态环境代表性考虑的较少。而前期象山港的海洋环境监测站位都是在调查站位的基础上增加监测站位。本文根据水质模拟结果，在生态分区的基础上确定监测的代表性单元，建立各区质心点计算方法，在常态化监测的基础上优化站位，建立基于水动力、水质、生态分布特征的港湾海洋环境监测站位优化布局方法，确定各单元的监测位置，使有限的站位获取尽可能全面的监测信息，以分析主要生态污染特征参数的长周期变化。

象山港位于宁波市东南部，地理坐标在29°24′～29°48′N，121°25′～122°03′E之间，界于穿山半岛与象山半岛之间，是一个呈NE-SW走向的狭长形海湾［8—9］，北、西、南三面环陆，东面朝海，口门外有六横、梅山等众多岛屿为屏障。港区口门宽约20 k m，纵深60 k m，海域总面积563 k m2（其中滩涂面积171 k m2），岸线曲折，海底地形复杂，平均水深8～10 m，中段最深47 m，形成两端浅、中间凹陷的舟状盆谷。港区属不正规半日潮，多年平均潮差3.1 m，最大潮差5.6 m以上；象山港有浮游植物159种，浮游动物64种，底栖生物205种，潮间带生物190种，游泳动物210种，生物多样性丰度较大，有大小岛屿共65个以及西沪港、铁港和黄墩港3个港中之港。象山港其东南通过牛鼻水道与大目洋相通，东北通过佛渡水道与舟山海域毗邻，水域主要通过这2个水道与外海进行水交换，港湾外端海水交换能力强，余环流基本上以水平结构为主，狭湾内段海域受外界影响相对较小，水体与外界交换能力弱，是一个相对稳定的水体。象山港区域环境优美、资源丰富，集“港、渔、涂、岛、景”五大优势资源于一身，是浙江省乃至全国重要的海水养殖基地和多种经济鱼类洄游、索饵和繁育场以及菲律宾蛤仔等经济贝类苗种自然产区。作为典型半封闭港湾的代表，在象山港开展监测站位优化技术方法的研究，可为其他类似港湾监测站位的优化设计提供借鉴。

2　研究方法

2.1资料来源

2011年7月18日落潮期间，对象山港31个水质、生物站开展了监测（图1），水质指标包括亚硝酸盐-氮、硝酸盐-氮、氨-氮、活性磷酸盐；生物指标包括浮游植物、浮游动物。

同时收集整理1985年至2012年丰水期无机氮、活性磷酸盐监测数据。

图1　象山港海洋生态环境监测站位Fig.1 Marine ecological environment monitoring stations of Xiangshan bay

2.2 研究方法

监测站位的优化设计是根据港湾主要污染物扩散模型计算结果，结合港湾生物生态分区结果，确定港湾监测代表性单元，布设监测站位，使有限的站位尽可能获取全面的监测信息。结合质心点位置计算方法，确定每个监测代表性单元内监测站位的位置，同时在各区交界断面上设置监测站位，每站监测结果代表某个区（水团）的污染物状况或某个界面的污染物状况。

2.2.1污染物扩散模拟

采用Delft3D软件建立污染物扩散模型［10］，模拟水体中无机氮（DIN）、活性磷酸盐（DIP）的浓度分布状况。

连续方程：

水平方向动量方程：

污染物对流扩散方程：

式中，ρ0为参考密度，单位：kg/m3；ρ为水体密度，单位：kg/m3。

式（5）和式（6）右侧第1项为水面梯度项，即正压项；第2项为密度梯度项，即斜压项和由于地形变化而形成的垂向网格变形的修正项。

2.2.2监测代表性单元划分方法

港湾监测中每个监测站位表征的主要污染参数空间代表区域，可作为监测的代表性单元。监测代表性单元的确定主要根据各类参数的重要性进行分区，以获取各区相应的监测参数，拟在港湾生态环境分布特征分析的基础上，将各指标数值的空间分布区域进行衔接，确定每个监测单元的指标特征值及分布范围。由于生物生态及水团的分布具有一定的界限，而水动力、污染等分布是一个连续的过程，因此，首先，根据象山港浮游生物群落空间分布，确定生态监测单元；然后，针对分布较广的生物区，按照浮游生物分区边界确定无机氮、活性磷酸盐分区界面的浓度值，进行水质分区；第三，根据象山港水团分布及水动力等梯度分布进行再次分区；最终使生物、水质、水动力、水团等指标的空间分布相衔接，确定监测代表性单元。

2.2.3 质心点位置计算

物理学上，质心是质量中心的简称，指物质系统上被认为质量集中于此的一个假想点。假设物体是一个由n个质点组成的质点系，每个质点的质量分别是m1、m2、…、mn，如果用r1、r2、…、rn来表示各质点相对某个固定点的矢径，则整个质点系即物体的质量中心的矢径rc就有：

当物体具有连续分布的质量时，质心的矢径可用积分来表示：

式中，ρ表示物体的密度分布，dσ表示ρ分布的体元，积分在分布密度ρ的整个物质体上进行。

在质点系中，质心可以表征整个质点系的运动特性。在本文中，将质心的概念引申到水体中，假设一个物质浓度连续分布的水团为一个质点系，也可以找出一个质心点来代表整个水团的水体浓度特性。那么，在假设垂向平均的前提下，水团质心点的水平坐标位置即可用下述公式计算得到：

式中，c（x，y）表示水团的垂向平均浓度的水平分布，x、y可按实际选取的坐标系进行代入，计算所得xc、yc即所选坐标系中该水团的质心点坐标值。

3　结果与讨论

3.1象山港无机氮（DIN）、活性磷酸盐（DIP）浓度分

布数值模拟结果

建立污染物扩散模型［10］，根据潮流场的计算时间，污染物扩散模型从2009年6月1日开始计算，经过多次计算验证，约半年左右能达到稳定。水质模型计算结果以无机氮、活性磷酸盐实测资料进行验证。

3.1.1污染物源强分布

根据污染源强调查结果，模型计算中污染源位置及计算污染源点的设置见图2，各污染源点的源强见表1。

图2　水质模拟污染源位置分布示意图Fig.2 Water qual ity simulation of pollution source distribution

表1　水质模型各污染源源强（单位：t/d）Tab.1 The pollution source strength of the water quality model（unit：t/d）

3.1.2水质无机氮、活性磷酸盐浓度分布特征

（1）无机氮计算结果分析

象山港落潮期近高潮时刻模拟结果可知（图3）：无机氮浓度分布总体呈现自湾口到湾内浓度增大的趋势。其中，外湾浓度较低，大部分区域浓度小于0.6 mg/L；西沪港、黄墩港及铁港海域的浓度较高，大部分区域浓度大于0.74 mg/L，最大浓度达0.8 mg/L，分析该处出现高浓度的原因除了陆源排放外，还可能是由于涨落潮时滩涂底泥翻搅释放所致。

图3　无机氮浓度分布数值模拟结果（高潮）Fig.3 The numerical simulation results ofinorganic nitrogen concentration distribution（high water）

（2）活性磷酸盐计算结果分析

图4　活性磷酸盐浓度分布数值模结果（高潮）Fig.4 The numerical simulation results of active phosphate concentration distribution（high water）

象山港活性磷酸盐模拟结果（见图5）表明：活性磷酸盐浓度分布在象山港总体呈现自湾口到湾内浓度增大的趋势。其中，外湾浓度较低，大部分区域浓度小于0.03 mg/L，西沪港、铁港、黄墩港海域内浓度均较其周围海域高，西沪港海域浓度基本大于0.05 mg/L，铁港、黄墩港海域浓度大于0.06 mg/L。

无机氮、活性磷酸盐模拟结果分别与实测结果（见图5、图6）相比，模拟结果与实测等值线分布基本一致，总体保持在20%误差范围内，表明模型基本符合象山港的动力条件和污染物扩散过程的情况，较好地模拟了象山港海域的水环境现状。而局部区域产生的偏差，除未能完全模拟象山港局部的源强和污染物扩散过程外，还可能与所有测站水质监测未能完全同步采样有关。

图5　无机氮实测浓度分布（高潮）Fig.5 The measured results ofinorganic nitrogen concentration distribution（high water）

3.2象山港监测代表性单元的确定

首先确定港湾的生物生态分区结果，初步确定监测单元，再结合水质主要污染物（无机氮、活性磷酸盐）、水动力、水团等指标的空间分布与生物分布进行衔接、叠加，最终确定监测代表性单元。

3.2.1生物分区

根据象山港浮游生物的空间分布特征（图7、8），夏季象山港浮游植物大致可分5个区。Ⅰ区从港口至西沪港口为沿岸种分布区，其中另有部分区域为半咸水分布区（Ⅳ区、Ⅴ区）；Ⅱ区从西沪港至铁港口为近岸温带种分布区；Ⅲ区铁港为半咸水区，部分有热带种分布。

图6　活性磷酸盐实测浓度分布（高潮）Fig.6 The measured results of active phosphate concentration distribution（high water）

浮游动物分布基本与浮游植物一致，分成5个区，Ⅰ区与浮游植物的Ⅰ区基本一致，为外海暖水生态群落分布区；Ⅱ区从西沪港至铁港、黄墩港港口，为低盐近岸生态群落分布区；Ⅲ区铁港区域、Ⅳ区西沪港区域、Ⅴ区黄墩港区域均为半咸水生态群落分布区。

图8　象山港浮游动物生态分区Fig.8 Ecological partition of zooplankton

3.2.2水质分区

由于水质中污染物的分布是相对均匀的，水质分区界面主要根据浮游生物分区边界确定无机氮、活性磷酸盐分区界面的浓度值。因此，根据无机氮、活性磷酸盐模拟结果（见图3、图4），分成5个区，除了Ⅰ区、Ⅱ区的界面位于乌沙山前沿外，其余与浮游动物分区基本一致。

3.2.3水交换特征分区

在生物分区、水质分区的基础上，根据象山港水动力、水团的等梯度分布进行再次分区。

根据象山港夏季温度、盐度的分布特征，整个港湾港口至乌沙山前沿海域为低温高盐分布区，乌沙山至港底为高温低盐分布区（见图9）；根据彭辉等对象山港水交换特性研究，西泽附近断面以东的象山港水域，水交换速度快，其半交换时间约为5 d，平均滞留时间为10 d左右。西沪港口门东侧断面水体半交换时间为20 d，平均滞留时间为25 d。由于西沪港内滩涂面积较广，水流速度缓慢，潮混合能力较口门外小得多，半交换时间和平均滞留时间明显比口门外长。乌沙山附近断面水体半交换时间为30 d，平均滞留时间为35 d。湾顶水交换速度缓慢，铁港和黄墩港内水体半交换时间在35 d左右，平均滞留时间约为40 d（见图10）［10—11］。

3.2.4最终监测代表单元的确定

综合生物、水质、水团、水动力分区结果，为了使各区分区结果相衔接，并在有限的站位获取尽可能全面的监测信息，象山港综合可以分成9个区域作为监测代表单元（见图11），各区内主要水质指标及生物生态特征基本一致，各区生态特征见表2。

3.3象山港监测站位布设

原则上在每个区内布设1个站位，站位的具体位置通过质心点位置计算确定；并在区与区之间界面上设置1个站位作为过渡点。每个站位的代表指标及特征值范围见表2。

3.3.1质心点位置计算结果

根据质心点位置计算方法，计算各区无机氮、活性磷酸盐作为表征指标的质心位置坐标，计算结果列于表3。根据海洋监测规范［12］的规定，“在河口及有陆标的近岸海域，水、沉积物及生物监测的站点的定位误差不应超过50 m，其他海域站点定位误差不应超过100 m”。因此，在本次质心位置坐标计算中，将坐标值精确到约10 m，小数点后保留至万分位（0.000 1°）。

图9　水团分区Fig.9 Thermohal ine distribution in Xiangshan Bay

图10　水体半交换时间和平均滞留时间分布Fig.10 The distribution of water half-l ife time and average residence time

表2　象山港各区生态特征（夏季）Tab.2 The ecological characteristics of each region in Xiangshan Bay（sum mer）

续表2

图11　象山港监测代表性单元Fig.11 The representative monitoring units in Xiangshan Bay

从表3中可以看出，除了2区之外，其余各区无机氮和活性磷酸盐的质心点坐标位置相差均不超过100 m（经纬度相差不超过0.001°）。因此，综合考虑取两点之间中心位置做该区的质心点位置，相对两个指标的误差在规范许可范围之内。而2区综合考虑氮、磷两个元素，虽距离较大，仍做取中点位置处理，最终得到象山港9个海区的质心点（见图12）。从图中可以看出，因为象山港内浓度分布较为均匀，每个区的质心位置基本位于水团中部。

表3　不同指标的质心点位置坐标Tab.3 Centroid coordinates of differentindex

续表3

3.3.2站位优化结果

根据质心点计算结果和分区确定的各个边界，在各区的分界面上分别布设1个站位站点（7个），结合质心点（9个），象山港共设置16个站位（表4、图12）。

表4　象山港监测站位优化结果Tab.4 The monitoring stations optimization results in Xiangshan Bay

3.4结果验证

为了验证优化后的16个站位所反映的生态环境状况与原有31个站位的生态环境状况之间是否存在差异，需对2组数据进行比较分析，通过统计学分析，对数据进行显著性检验。所谓“显著”，就是指两种或多种处理试验结果之间，本身确实存在差异。如果是“不显著”，就说明它们之间的差异是由抽样或偶然的因素引起的，不是真正有实际差异存在。在数理统计中一般以概率（p）5%作为显著评定标准，即在100次试验中，由于偶然因素造成差异的可能性在5次以上，其差异被认为是不显著。如果检验后所得的差数是由于抽样误差所引起的概率（p）少于或等于5%时，则称这差数与假设不符合，即它们之间存在的差异是显著的。

采用统计学中的T检验方法，对站位优化前后象山港海域的水质无机氮、活性磷酸盐监测数据进行方差分析，经统计检验，2组数据之间无显著性差异（表5），说明优化后的16个监测站位所表征的监测信息量与原有31个监测站位的信息量等效，可作为今后的常规监测站位。

图12　象山港监测站位优化结果Fig.12 The monitoring stations optimization results in Xiangshan Bay

表5　站位优化前后水质监测结果显著性检验Tab.5 Significant testing of water quality monitoring data in original and optimized stations

4　结论

（1）本文在水质污染物扩散模拟的基础上结合生态分区对港湾进行综合分区，确定监测代表单元，并结合质心点计算方法，建立港湾海洋环境监测站位优化布局方法。

（2）象山港作为典型半封闭港湾，水交换能力较差，水团分布相对均匀，根据无机氮、活性磷酸盐模拟结果及港湾浮游生物、水团、水动力等分布特征，将象山港分成9个监测代表单元，各区内主要水质指标及生物生态特征基本一致。

（3）根据质心点计算方法，在象山港9个监测代表单元内及单元之间（分界线）共设置16个代表性站位，该站位可作为象山港落潮时无机氮、活性磷酸盐、温、盐、生物等指标的监测站位。

（4）采用统计学中的T检验方法，对站位优化前后象山港海域生态监测数据进行方差分析，经统计检验，2组数据之间无显著性差异，说明优化后的16个监测站位能较好地代表象山港海域的生态环境质量，其所表征的监测信息量与现有监测站位的信息量等效。

（5）本文提出的港湾站位优化方法是基于无机氮、活性磷酸盐等指标分析的基础上形成的，设计的站位是为了了解主要生态污染参数的长周期变化，其他指标可以选择一定时间周期开展大面积调查以掌握详细的空间分布，并优化调整。

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The setting method of harbour marine environment monitoring station——Acase study in Xiangshan Bay

Huang Xiuqing1，Chen Qin2，Yao Yan ming2，Cai Yanhong3

（1.Shanghai East Sea Marine Engineering Survey&Design Institute，Shanghai200137，China；2.Ocean Collage，Zhejiang Univercity，Hangzhou310058，China；3.Marine Environmental Monitoring Center ofNingbo，State Oceanic Ad ministration，Ningbo 315012，China）

Based on the pollution diffusion simulation，and combined with the division characteristics of biology，water qual ity，water mass，water power，the harbor monitoring unit was determined.Then using centroid point calculation to establ ish the setting method of harbour marine environ mental monitoring stations and demonstrate in Xiangshan Bay.The results showed that：（1）The water exchange abil ity of Xiangshan Bay is poor as a typical semi-enclosed bay，and the distribution of water massis relatively uniform.Based on the simulation results ofinorganic nitrogen and phosphate，combined waith harbour ecological distribution characteristics，the Xiangshan Bay was divided into 9 regions，and the main water qual ity index and ecological characteristics was just the same in each region.（2）Set 16 representative stations as the monitoring stations of inorganic nitrogen，phosphate，temperature，salt，biologicalindicators of Xiangshan Bay at ebb tide by using centroid point calculation.（3）There was no signifi-cant difference between the 2 groups of data by using the Ttest method which indicated thatthe optimized stations can represent the ecological environ ment qual ity of Xiangshan Bay.The amount ofinformation get from the optimized stations was equivalent to the original one.

Xiangshan Bay；monitoring station；setting

X830.1

A

0253-4193（2015）01-0158-13

2014-07-02；

2014-11-24。

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-mai l：xiuqinghuan1@tom.com

蔡燕红（1977—），教授，主要从事海洋生态评价。E-mai l：caiyh@eastsea.gov.cn