胶州湾石油类污染状况及其环境自净能力评估❋

李　岩， 李克强， 马云鹏， 梁生康， 王修林

(1. 中国海洋大学环境科学与工程学院， 山东 青岛 266100；

2. 中国海洋大学化学化工学院，海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室， 山东 青岛266100)



胶州湾石油类污染状况及其环境自净能力评估❋

李岩1， 李克强2❋❋， 马云鹏2， 梁生康2， 王修林2

(1. 中国海洋大学环境科学与工程学院， 山东 青岛 266100；

2. 中国海洋大学化学化工学院，海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室， 山东 青岛266100)

摘要：本文根据调查分析了胶州湾2007和2015年石油类污染状况，并应用胶州湾石油类污染物三维水动力-水质模型，评估了胶州湾石油类环境自净能力。结果表明，2007年8和11月胶州湾石油类平均浓度分别约为(72±32)和(70±41) mg·m-3，超标率分别为68%和57%，而2015年5和8月则分别约为(38±17)和(150±46) mg·m-3，超标率分别为60%和100%，分布上均在东北部近岸海域污染较严重。胶州湾石油类环境自净能力约为2 100 t·a-1，以水动力自净为主，约占54%，其次为大气挥发自净和微生物降解自净。胶州湾石油类自净能力有明显的季节变化，秋季自净能力较大，夏季较小，主要受潮汐和季风等因素影响。

关键词：石油类；自净能力；污染状况；模型；胶州湾

Li Yan,Li Ke-Qiang,Ma Yun-Peng,et al. Pollution condition and estimation of self-purification capacity of petroleum in Jiaozhou Bay[J].Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(2): 83-89.

胶州湾位于黄海之滨，山东半岛南岸，是中国北方海区典型的半封闭海湾，水域面积约320km2，湾口狭小，最窄处仅有3.1km，整个海湾水深较浅，平均8.8m[1]。随着青岛市经济高速发展、海上活动日益增强等，海上船舶活动和陆源排污致使石油类成为胶州湾海域重要的污染物之一，甚至在1980年代中后期致使胶州湾成为中国近海海域石油类污染最为严重的海域之一[2-4]，近年来尽管有所降低，但某些年份仍然是主要污染指标[5-7]，对于海域生态系统健康影响不容忽视，特别是溢油事故所引发的生态灾害问题[3]。至今很少见到有关胶州湾海域石油类污染分布的报道，这在很大程度上制约了人们对胶州湾海洋生态环境的整体了解。同时，为了对胶州湾石油类污染进行有效管理，迫切需要了解其海洋自净能力。

水动力输运扩散过程、大气挥发自净过程和微生物降解自净过程是石油类自净的主要途径，通过水动力-水质模型可以评估石油类环境自净能力[3]。其中，水动力模型主要包括箱式潮交换模型[8-9]、标识质点跟踪模型[10-11]和对流-扩散输运模型[12-13]等，石油类水质模型主要包括箱式模型[3，14]和三维水动力-水质模型[15]。其中，箱式和标识质点跟踪模型因不能刻画水交换时空结构或扩散过程，往往高估或低估水动力自净能力，而水动力对流-扩散输运模型只能评估水动力自净能力，只有三维水动力-水质模型能够比较精确、完备地描述由于对流、扩散等所产生的污染物水动力输运过程以及其他生物、化学自净过程，广泛应用于海湾、河口等近海海域自净能力研究[15-18]。应用上述模型，胶州湾海域开展了水半交换时间、存留时间等水动力自净能力等方面的研究[11,18-20]，也有分别基于箱式模型的石油类环境容量研究[14]和基于三维水动力-水质模型的石油类分配容量研究[15]，前者因水动力过程过于简单而不能准确评估水动力自净能力，而后者只有排污口分配容量结果，没有对自净能力进行研究。为此，分别于2007年8、11月和2015年5、8月在胶州湾进行了石油类分布调查，并在此基础上，根据胶州湾石油类三维水动力-水质模型，评估了胶州湾石油类环境自净能力。可为进一步加强胶州湾海域环境管理，实施“污染物排放总量控制”提供科学依据。

1材料与方法

1.1 调查站位和方法

2007年8月21日、11月24日和2015年5月16日、8月19日在胶州湾进行了4个航次污染物陆海同步调查，对石油类的含量进行了测定。海上共调查了7个站位，陆上共调查了7个入海河口和2个污水处理厂排污口(见图1)。调查中采用抛浮式无油玻璃采水器采集表层海水样品用于石油类分析，样品采集后立即用1∶3 H2SO4调节样品至弱酸性(pH ≈ 4)，然后用10 mL正己烷分2次萃取，萃取液密封后在(5±2)℃条件下避光保存，在实验室中应用紫外分光光度法[17]分析石油类浓度，平均相对标准偏差为16%(n=90)。

图1　胶州湾地理位置和海上调查站位(+)及

1.2 石油类自净能力评估方法

基于普林斯顿大学河口、陆架和海洋模式(ECOM)[18-19]所构建的胶州湾三维对流扩散数值模型[20-22]，结合胶州湾石油类多介质动力学模型[10]，可构建胶州湾石油类三维水动力-水质模型[11]。在水动力及大气挥发、生物降解等生物地球化学过程作用下，石油类从水体中去除而自净[23]，自净能力可通过积分自净过程计算[24]。

SPC=

(1)

式中：右边第一项为石油类大气挥发自净量；第二项为生物降解自净量；第三项为水动力自净量。

这样，通过设定石油类陆源岸线水质控制点位置、控制浓度标准，通过方程1，采用积分方法，可计算评估石油类自净能力。

1.3 边界条件和初始条件

模式中以大沽河、洋河、墨水河、楼山河、板桥坊河、李村河和海泊河以及廉湾和团岛污水处理厂作为陆源源强(见图1)，其年径流量和入海石油类量按照实际监测值加入，2007年陆源石油类入海共约687t·a-1(见表1)。海源主要是船舶废水排放，采用估算值，约600t·a-1[3]，合并到大港码头作为海源源强。

模型模拟校验陆地边界：河流入海口和排污口采用实际监测通量，陆地边界污染物通量为零，法向梯度为零。

自净能力评估陆地边界：河流和陆地边界污染物通量均直接给定石油类浓度，具体采用功能区国家海水水质标准。

开边界：C=0，入流段；

初始条件：t=0时，C=0。

表1　环胶州湾2007年主要河流及排污口径流量和入海石油类量

2结果与讨论

2.1 石油类污染状况及其分布特征

根据2007年海水监测结果(见图2)表明，2007年8和11月胶州湾表层海水中石油类平均浓度较为接近，分别约为(72±32)和(70±41)mg·m-3，变化幅度分别为32～135和32～158mg·m-3，以国家一、二类海水水质标准(50mg·m-3)为评价标准，污染指数(Ai)[25]分别平均为1.5±0.6和1.4±0.8，超标率分别为68%和57%，污染较为严重，检出率均为100%。浓度分布总体上均呈现出由胶州湾东北部向西南部、湾口递减的趋势，湾内大部分区域石油类浓度大于40mg·m-3，大于100mg·m-3的高值区主要集中在胶州湾东北部附近，其中楼山河口附近海域浓度最高(见图2)，与公报结果基本一致[5]。

图2　2007年8月和11月胶州湾海水中石油

2015年海水监测结果(见图3)表明，2015年5和8月胶州湾表层海水中石油类平均浓度差别较大，分别约为(38±17)和(150±46) mg·m-3，变化幅度分别为26～90和56～230mg·m-3，以国家一、二类海水水质标准为评价标准，污染指数(Ai)分别平均为0.8±0.3和3.0±0.9，超标率分别约为60%和100%，8月份污染严重，检出率均为100%。2015年8月份石油类浓度较2007年有所升高，但浓度分布整体趋势上与2007年基本一致，只是局部有所区别，如5月份西南部较中部浓度高，而8月中部和西北部出现浓度高值区，湾内大部分区域石油类浓度大于40mg·m-3，特别是8月份均超过国家一、二类海水水质标准，高值区同2007年，也集中在胶州湾东北部附近，其中李村河口附近海域浓度最高(见图3)。海上石油类的时空分布与其来源密切相关，文献结果表明，胶州湾石油类主要来自与陆源排污和海上船舶污染，东北部的李村河、墨水河以及西北部的大沽河是石油类的主要陆源，而湾东部的码头及航道船舶航运是主要海源[3]。

图3　2015年5月和8月胶州湾海水中石油

2.2 石油类环境自净能力评估

2.2.1 胶州湾石油类浓度分布模拟应用胶州湾石油类三维水动力-水质模型，经过180天左右的计算，胶州湾内的石油类浓度基本达到动态平衡。达到平衡后即为1月1日，然后模拟计算1a，石油类按照2007年陆源监测值输入，取同一潮周期的石油类浓度时间序列进行潮周期平均，从而得到胶州湾石油类2007年平均浓度的分布(见图4)，与监测值相比分布趋势基本一致。这说明，该模式能近似反映石油类的输运、扩散过程，可以用来评估石油类环境自净能力。

图4　胶州湾表层石油类浓度模拟结果分布(单位：mg·m-3)

2.2.2 胶州湾石油类环境自净能力通过模式运算，以国家一、二类海水水质为控制标准，胶州湾石油类环境自净能力约为2100t·a-1，与文献结果基本一致[10-11]，较箱式模型计算结果高约600t·a-1[10]，主要来自水动力自净贡献的增量。其中，水动力自净能力最大，约为1100t·a-1，约占54%，其次为大气挥发，约700t·a-1，约占33%，而生物降解最小，仅占13%(见图5)。受水动力输运过程影响，胶州湾石油类自净能力呈现明显的季节变化(见图6)，其中，秋季自净能力较大，平均可达6.7t·d-1，夏季自净能力较小，平均约为5.6t·d-1；每月随着胶州湾大小潮的不同，自净容量也有大小之别，大潮自净容量大，小潮自净容量小。这可能与胶州湾的潮汐和季风等因素季节变化有关。

2.2.3 影响胶州湾石油类环境自净能力的因素受潮汐的月不等影响，胶州湾海域潮汐每月有大小潮之分，通过模式可以计算一个月的石油类水动力自净量，将一个月中每天的水动力自净量除以日平均值，可定义潮汐影响因子(KT)，即潮汐对胶州湾石油类水动力自净能力的影响。结果表明，水动力自净能力随着潮汐月变化而变化，存在月极大值和极小值(见图7)。其中，大潮时期胶州湾纳潮量大，海水交换量大，自净能力大；小潮时期海水交换量小，自净能力小。结果表明，KT对石油类水动力自净能力的影响变化范围约为0.4～1.5，可用三角函数描述：

KT=0.99+0.51·sin(π·(t+9.9)/7.5)。

(2)

图5　胶州湾石油类生物降解、大气挥发和

图6　胶州湾石油类环境自净能力(SPC)季节变化

季风取团岛历年统计资料[26]，通过模式中引入季风和无季风影响下对石油类水动力自净量的计算，将每日季风影响下的石油类水动力自净量与无季风影响下的石油类水动力自净量相比，定义为季风影响因子(KW)。当KW>1时，表示季风对水动力自净起促进作用，当KW<1时，表示季风对水动力自净起阻碍作用。图8为季风影响因子的季节变化，结果表明，秋冬季节KW>1，说明石油类水动力自净受到了促进，夏季KW<1，说明石油类水动力自净受到阻碍。进一步分析表明，胶州湾口朝向东南，胶州湾常年秋冬季节以西北风为主，在风力的驱动下加强了湾内水与黄海水的交换，而夏季以南风为主，不利于海水交换。结果表明，季风影响因子(KW)对石油类水动力自净能力的影响变化范围约为0.98～1.12，可用三角函数描述：

KW=0.988+0.13·(sin(π·(t-165)/360))2-0.02·cos(2·π·(t-200)/160)。

(3)

图7　潮汐影响因子的变化

图8　季风影响因子的季节变化

4结语

本文利用2007和2015年监测数据对胶州湾石油类污染状况进行了评价，结果表明，2015年石油类污染较2007年有所增加，超过国家海水一、二类海水水质标准的范围由约60%增加到100%。应用胶州湾石油类三维水动力-水质模型，对胶州湾石油类自净能力进行了评估。结果表明，胶州湾石油类自净能力约为2100t·a-1，以水动力自净为主，并有明显的季节变化，受潮汐变化和季风的影响，表现出秋季石油类自净能力大，夏季自净能力小的特征，每月石油类水动力自净容量有大小潮之分，大潮水动力自净能力大，小潮水动力自净能力小。其结果可为胶州湾石油类环境管理提供科学依据。

致谢本文水动力模型由中国海洋大学海洋环境学院鲍献文老师提供，在此对鲍献文老师及万修全博士表示感谢！相关计算工作在中国海洋大学计算服务中心完成。

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责任编辑徐环

Pollution Condition and Estimation of Self-Purification Capacity of Petroleum in Jiaozhou Bay

LI Yan1, LI Ke-Qiang2, MA Yun-Peng2, LIANG Sheng-Kang2, WANG Xiu-Lin2

(1. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. The Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology, MOE, College of Chemistry and Chemical Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Abstract:Historically, Jiaozhou Bay was badly contaminated by petroleum, and it was a slight improvement recently. The pollution condition of petroleum was studied based on the survey in 2007 and 2015 in Jiaozhou Bay. The results show that the mean concentrations of petroleum were (72±32) and (70±41)mg·m-3in August and November, 2007, respectively, excessing the seawater quality criteria with 68% and 57%. They were (38±17) and (150±46)mg·m-3in May and August, 2015, respectively, excessing the seawater quality criteria with 60% and 100%, where northeastern part of the bay was contaminated badly. The self-purification capacity of petroleum in Jiaozhou Bay was estimated with a 3 dimensional hydrodynamical petroleum transportation model. The results illustrate that the self-purification capacity of petroleum in Jiaozhou Bay was ～2100t·a-1, higher for hydrodynamical self-purification, accounting for ～54%, and lower for volatilization and biodegradation self-purification. There was seasonal variation about hydrodynamical self-purification capacity, and it occured more in autumn, with average 6.7t·d-1, less in summer, with average 5.6t·d-1， which was mainly affected by tide and wind, with influencing factor ranging from 0.4 to 1.5 and from 0.98 to 1.12, respectively. The results can suplly scientific basis for environmental management in Jiaozhou Bay.

Key words:petroleum; self-purification capacity; pollution; dynamical model; Jiaozhou Bay

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20150312

中图法分类号：X820.3

文献标志码：A

文章编号：1672-5174(2016)02-083-07

作者简介：李岩(1980-)，男，博士生，海洋环境规划与管理方向。E-mail：liyan12@ouc.edu.cn❋❋通讯作者: E-mail:likeqiang@ouc.edu.cn

收稿日期：2015-09-07；

修订日期：2015-10-21

基金项目：❋国家自然科学基金委员会-山东省人民政府联合资助海洋科学研究中心项目(U1406403)资助

引用格式：李岩，李克强，马云鹏，等.胶州湾石油类污染状况及其环境自净能力评估[J].中国海洋大学学报(自然科学版)， 2016， 46(2)： 83-89.

Supported by NSFC-Shandong Joint Fund for Marine Science Research Centers (U1406403 )