大鹏湾近岸海域水质状况与富营养化水平

2020-07-22党二莎龙超张楠

环境工程技术学报 2020年4期

党二莎，龙超，张楠

1.广州南科海洋工程中心 2.中国科学院南海海洋研究所，中国科学院热带海洋生物资源与生态重点实验室 3.中国科学院大学

富营养化是指水体随着营养物质浓度的增加而导致营养状况发生变化的过程[1]。近年来，我国近岸海水富营养现象较为严重，沿岸各海域均有不同程度的富营养化现象，一方面导致赤潮频发，影响沿海渔业生产，另一方面引发赤潮的某些藻类能够产生毒素，毒素在贝类和鱼类体内积累会对人体健康产生影响。《2018年中国海洋生态环境状况公报》[2]显示，2018年我国管辖海域呈富营养化状态的海域面积达56 680 km2，其中轻度、中度和重度富营养化海域面积分别为24 590、17 910和14 180 km2。现阶段，国内外关于海水水质和富营养化评价的研究较多，常用的方法包括单因子评价法[3]、综合评价法[4]、GIS空间插值法[5]、模糊评价法等[6]，研究成果主要集中在水质类别、水质污染程度及污染因子来源分析等方面，但针对富营养化程度和环境影响因子相关性方面的研究较少。

大鹏湾具有优越的地理位置和丰富的旅游资源，被称为“黄金海岸”，具有重要的研究价值。目前，针对大鹏湾海水富营养化已开展的研究侧重于污染因子时空分布[7]、环境容量计算[8]、赤潮成因分析[9]等方面，而鲜见对富营养化成因探讨的研究。笔者以连续5年的实际调查数据为基础，分析和评价了大鹏湾海域水质污染状况及富营养化水平，探讨了富营养化水平与环境因子盐度之间的相关性，以期为相关管理部门制定海域水污染策略提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

大鹏湾位于深圳市东南部，毗邻香港，东临大亚湾，濒临南海，水域面积近400 km2，是一个半封闭的海湾。湾内渔业资源丰富，东部的南澳浅海养殖区是深圳重点海水增养殖区，面积达106 km2，西北部的盐田港是四大国际中转深水港之一。大鹏湾海域旅游业发达，有梅沙滨海等多个旅游度假区。随着周边地区经济快速发展和人口的增长，大量工业、农业、第三产业和城镇生活污水通过河流和地面径流排放入海，加之海域内仍存在养殖现象，导致大鹏湾不仅接收了大量陆源污染物输入，还遭受养殖带来的内源污染释放，使海水环境质量逐渐恶化[10]。

1.2 采样站位布设及样品采集

在大鹏湾近岸海域共布设12个(D1～D12)采样站位(图1)，2012—2016年连续5年分别于3月、5月、8月、11月进行海水水质监测。采用Niskin采水器现场采集水样，水深小于10 m时，采集表层水样；水深大于10 m时，采集表层、底层水样进行混合。所有样品均按照GBT 12763.1—2007《海洋调查规范第1部分:总则》的方法进行采集、处理、保存、运输和分析[11]。

注：D1—沙头角湾；D2—盐田商港；D3、D5—梅沙湾；D4、D6—大鹏湾中；D7—沙鱼涌近岸；D8—金沙湾；D9—大鹏湾口1；D10—南澳湾；D11—公湾；D12—大鹏湾口2。图1 大鹏湾近岸海域采样站位示意Fig.1 Sampling locations in Dapeng Bay coastal area

1.3 监测指标及方法

1.4 水质评价

1.4.1单因子污染指数法

Qi=Ci/Si

(1)

式中：Qi为某监测站位指标i的污染指数；Ci为某监测站位指标i的实测值，mg/L；Si为指标i的水质标准值，mg/L。根据《广东省海洋环境功能区划(2011—2020)》[13]，大鹏湾海域主要为海洋功能区中的旅游休闲区和农渔业区，故执行GB 3097—1997《海水水质标准》中的第二类海水水质标准[14]。单因子污染指数法分级标准见表1。

表1 单因子污染指数法分级标准

1.4.2有机污染指数法

采用有机污染指数法对大鹏湾近岸海域水质污染情况进行评价，其计算公式[6]为：

(2)

式中:Q为有机污染指数；CCOD、CDIN、CDIP、CDO分别为CODMn与DIN、DIP、DO浓度的实测值；SCOD、SDIN、SDIP、SDO对应GB 3097—1997中第二类海水水质标准值，分别为3.0、0.3、0.03、5.0 mg/L。有机污染指数法污染水平等级划分见表2。

表2 海水有机污染指数分级标准[6]

1.5 富营养化水平评价

1.5.1富营养化指数法

海水富营养化指数(E)参照邹景忠等[15]提出的方法，其计算公式为：

E=CCOD×CDIN×CDIP×106/4 500

(3)

当E大于1时，表明水体呈富营养化，E越高，富营养程度越严重，详细等级划分见表3。

表3 海水富营养化水平分级标准[15]

1.5.2潜在性富营养化评价

参照郭卫东等[16]提出的以氮、磷营养盐作为评价参数的富营养化评价模式进行潜在性富营养化评价。郭卫东等[16]认为，水体只有得到适量的磷(对磷限制水体而言)或氮(对氮限制水体而言)的补充，使氮磷比(N/P)接近Redfield值(C∶N∶P平均约为106∶16∶1)，这部分过剩的营养盐才会导致海水富营养化水平提高，但实际上它们并不能被浮游植物所利用，未对实质性的富营养化作贡献，这种现象称为潜在性富营养化。潜在性富营养化评价法划分标准见表4。

表4 潜在性富营养化划分标准[16]

2 结果与分析

2.1 海域水质污染程度评价

2.1.1单因子污染指数

采用单因子污染指数法计算得到2012—2016年大鹏湾近岸海域各水质指标的年均单因子污染指数变化范围和平均值，并对超标站位数和超标率进行统计，结果如表5所示。由表5可知，2012—2016年大鹏湾近岸海域水质状况整体良好，各评价因子的年均单因子污染指数均低于1，满足GB 3097—1997中第二类海水水质标准。2012—2016年各站位的DO浓度和CODMn均未超标，部分年份受到了石油类、DIN和DIP污染，尤其以石油类污染最为严重。石油类年度超标率2012年最高(41.7%)，其次为2013年(16.7%)，2015年和2016年均有1个站位超标，超标率为8.3%；DIP在2013年和2016年均有1个站位超标，超标率为8.3%，其他年份各站位均未超标；DIN仅2016年有1个站位超标，超标率为8.3%，其他年份各站位均未超标。可见，大鹏湾近岸海域主要受石油类、DIN、DIP的污染，其中2012年石油类污染严重。海水中石油类主要来源于过往船只排放的污油，根据2012—2016年《深圳市海洋环境质量公报》[17]，2012年深圳市盐田港的巴拿马货轮发生2次单氰胺泄露事件，导致海水受到石油类的污染。DIN和DIP超标可能是受陆源污染和海域养殖污染的影响。

表5 2012—2016年大鹏湾近岸海域水质单因子污染指数

2.1.2有机污染指数

大鹏湾近岸海域10个采样站位的有机污染指数见表6。由表6结合表2可以看出，大鹏湾近岸海域各年份绝大多数采样站位有机污染处于清洁水平，少数采样站位部分年份处于轻度污染和中度污染。从年平均值来看，有机污染指数表现为2013年最高，其次是2015年，2016年、2014年和2012年较低，但均处于清洁水平。从区域差异来看，沙头角湾(D1)有机污染较严重，其中2015年最为严重，达到中度污染；其次是2016年，处于轻度污染；再次是2014年，处于较清洁水平；2012年和2013年处于清洁水平。沙头角湾污染原因主要是深圳陆源污染排放以及特殊自然条件的限制所致，该湾口属于半封闭水域，水动力条件差，水交换弱，排放物易富集[10]。2015年和2016年水质污染较严重的原因是盐田污水处理厂尾水的排放，其排放标准阈值与第三类海水水质标准有一定的差距，污水处理厂尾水排放入海，海水对其稀释作用缓慢，导致排放口附近海水水质超标[18]。此外，2013年大鹏湾中(D4、D6)区域的水体处于较清洁状态，这可能是因为大鹏湾海域靠近吐露港，极易受港口生产活动的影响，2013年受港口船只活动和海风影响，污染因子向湾内流动，引起区域海水受到轻微污染。

表6 2012—2016年大鹏湾近岸海域有机污染指数

2.2 海域富营养化水平评价

2.2.1富营养化指数

大鹏湾近岸海域富营养化指数评价结果见表7。由表7结合表3可知，2012年大鹏湾近岸海域各采样站位均处于低贫营养状态，未呈现富营养化；2013年南澳湾(D10)处于高富营养状态，其他采样站位均表现为低贫营养；2014年沙头角湾(D1)处于富营养状态，其他采样站位均表现为低贫营养；2015年和2016年的沙头角湾口(D1)处于高富营养状态，其他采样站位均表现为低贫营养。从富营养化指数年均值来看，2012—2016年大鹏湾近岸海域富营养化呈现递增趋势。周毅频等[19]于2000—2010年对大鹏湾海域DIN和DIP进行调查，结果表明DIN浓度年际变化趋势平稳，DIP浓度年际变化呈较明显的下降趋势，而N/P的年际变化呈较明显上升趋势，且高N/P区域分布于南澳养殖场和沙头角湾附近水域，与本研究的结果基本一致。沙头角湾(D1)富营养化程度较高的原因在于其地理位置特殊，易受淡水污染物输入的影响，DIN的输入量远大于DIP；另外，湾口浮游植物大量摄取磷酸盐，也会导致磷酸盐的浓度大大降低，使N/P偏离Redfield值。2013年南澳湾(D10)富营养化程度较高的原因可能与当年其附近养殖场饵料投放有关。

表7 2012—2016年大鹏湾近岸海域富营养化指数

2.2.2潜在性富营养化水平

大鹏湾近岸海域潜在性富营养化评价结果如表8所示。

表8 2012—2016年大鹏湾近岸海域潜在性富营养化评价结果

由表8可知，2012—2016年大鹏湾近岸海域的营养级主要集中在Ⅰ级(贫营养)，各年份处于Ⅰ级状态的采样站位比例均超过75.1%，说明海域整体富营养化水平较低，这与富营养化指数法的评价结果相吻合。同时，2013年处于磷限制中度营养和氮限制潜在性富营养状态的比例分别为8.3%和8.3%，主要位于南澳湾和大鹏湾口等受人类活动和养殖排放影响较明显的区域；2016年处于磷限制潜在性富营养状态的比例为8.3%，主要位于沙头角湾(D1)等易受水动力条件影响的区域。磷限制潜在性富营养或中度富营养说明水体中氮浓度大大超过了磷浓度，N/P不平衡，一般来说，沿岸和较封闭水域易发生磷限制潜在性富营养，沙头角湾靠近陆域，易受陆域水体的影响，使氮、磷浓度不平衡。

2.3 富营养化指数与盐度关系

海域的富营养化状况与水体环境因子之间存在相关关系。水体环境因子影响营养盐的水平和赋存状态，而营养盐水平和状态的改变一定程度上会改变水体的理化性质，进而影响水体中其他物质的形态分布[20]。为探讨富营养化水平的影响因素，对2012—2016年大鹏湾近岸海域水体盐度与富营养化指数进行了线性回归，结果如图2所示。

图2 2012—2016年大鹏湾海域富营养化指数和水体盐度的关系Fig.2 Relationship between eutrophication index and salinity of Dapeng Bay coastal area in 2012-2016

由图2可知，2012—2016年大鹏湾近岸海域富营养化指数与盐度均呈负相关，表明该海域营养盐主要由沿岸入海河流输入，营养盐分布受入海径流量及外海海流的混合过程影响，这与相关学者提出的营养盐和盐度呈显著负相关，咸淡水的混合作用对营养盐的空间分布有显著影响的研究结果一致[21-22]。

从年际变化来看，2012年和2015年盐度与富营养化指数的负相关性较强，2013年、2014年、2016年盐度与富营养化指数的负相关性较弱。该结果表明各年份引起海域富营养化的主要因子可能存在差异。夏斌等[23]于2007年8月对莱州湾及附近水域的调查结果表明，富营养化指数与盐度的相关性不十分显著，相关系数(R)为0.39(P>0.05，n=16)；张亮等[24]于2011年8月对莱州湾海域的调查结果表明，富营养化与盐度呈显著负相关，引起富营养化的主要因子是DIP，且DIP并非主要来自河流输入，而是以有机物的分解矿化再生为主，该结果与本研究结果相似。根据有机污染指数和富营养化水平的研究结果可知，不同年份受污染的主要区域虽存在差异，但主要分布在沙头角湾、大鹏湾口、南澳湾区域，而这3个区域接受外来污染的途径不尽相同，如沙头角湾易受陆源污染输入的影响，大鹏湾口易受溢油事件的影响，南澳湾主要受养殖污染和陆源输入的影响，也即不同区域接收外来污染的途径不同，引起富营养化的主要因子可能不同。另外，不同年份采样期间降水量的差异，也有可能引起富营养化指数和盐度间相关性存在显著差异。