考洲洋海域水质季节变化及评价方法初步研究

梁婷婷,王军星,余清华,杨小平,钟锦明

(惠州市海洋技术中心 惠州 516008)

0 引言

随着近年我国打造海洋蓝色生态经济的快速发展,我国打造海洋蓝色生态环境所应对面临的环境挑战和发展压力也越来越大[1]。目前关于考洲洋海域海水水质状况的分布特征与评价有一些相关报道,但间隔时间较长且分析方向也有不同[2-8]。由于考洲洋海域周边经济的繁荣和发展、项目的实施、人们环境保护意识的提高和环境整治工作力度的加强等原因,考洲洋海域的水质也在发生变化。通过合理的海水水质调查站位布设能够较综合、全面地反映考洲洋海域水环境状况。为此,本研究通过对考洲洋2018年春、夏、秋、冬4个季节的水环境进行调查,探讨其海水水质现状以及富营养化季节变化情况,并依据季节变化下海水质量的变化,探究考洲洋季节更替对其海水水质的影响,为摸清考洲洋海域水环境现状以及对水环境保护和管理提供技术支持。同时,本研究通过3种不同方法分别对考洲洋的污染情况进行了分析评价,探讨单因子标准指数法、富营养化指数法以及有机污染评价指数法对当前考洲洋海域海水质量状况评价的适用性,以期能够为考洲洋海域生态环境的保护发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 站位布设

考洲洋海域整体水质调查总共设立10个监测站位,其网格化布设方式如图1所示,调查海水水质站位主要考虑在考洲洋出海口、考洲洋中部海域、考洲洋内入海河口等进行网格化布设,以确保数据分析所得的监测结果能够更加综合地反映出整个考洲洋海域水环境状况。

1.2 样品采集

本次海水水质调查分别于2018年春季(4月)、夏季(7月)、秋季(10月)和冬季(1月)分4个航次进行,采集的站点海水深度超过10 m,采集表层(水下0.5 m)和底层(离底1 m)水质样品,深度小于10 m只采集表层(水下0.5 m)样品。在考洲洋调查除现场测定项目外,其余测定项目水样低温保存带回实验室进行检测。采样、保存、运输均按照《海洋监测规范》(GB 17378.3—2007)[9]要求操作。

图1 研究区域及采样站位布设

1.3 样品分析

海水样品的溶解氧采用多参数水质分析仪(德国WTW Multi3501)测定;化学需氧量采用《海洋监测规范》GB 17378.4—2007(32)碱性高锰酸钾法测定;无机氮即亚硝酸盐氮(NO2-N)、硝酸盐氮(NO3-N)和氨氮(NH4-N)之和,分别采用GB 17378.4—2007(37)、GB 17378.4—2007(38.2)、GB 17378.4—2007(36.2)测定;活性磷酸盐采用GB 17378.4—2007(39.1)磷钼蓝分光光度法测定。

1.4 数据处理

本研究根据《惠州市海洋功能区划(2013—2020年)》中考洲洋海域功能区划将各站位按不同功能区进行划分,其中K01属于东山海增殖区,K02-K10均属于考洲洋养殖区,K01-K10所在功能区海水水质质量均执行《海水水质标准》(GB/T 3097—1997)中第二类标准。

监测数据采用Excel进行数据处理,主要统计各营养盐的最大最小值、平均值和计算各站点的单因子标准指数、富营养化指数以及有机污染指数等,并在ArcGIS的支持下经过加权平均和复合[10-11]分析得出考洲洋海域4个季度富营养化以及有机污染程度的空间分布特征。

1.5 评价方法

1.5.1 单因子标准指数法

单因子标准指数法[12-13]是利用实测值与标准值进行对比,确定水质各评价指标的等级,计算公式如下:

式中:Pi为某污染因子的污染指数即单因子污染指数;Ci为某污染因子的实测浓度(mg/L);Cio为某污染因子的评价标准浓度(mg/L)。

海水中溶解氧的单因子指数评价采用莱默罗(N.L.Nemerow)的指数公式计算,计算公式如下:

式中:Pi为溶解氧的污染指数;Ci为溶解氧的实测浓度(mg/L);Cio为溶解氧的评价标准浓度(mg/L);Cmax为本次调查中溶解氧的最大值。当P≤1时,表明该监测站位水体没有遭受该因子的污染;当P>1时,表明遭受该因子的污染且P值越大污染越严重。

1.5.2 富营养化指数法

富营养化指数法[14-15]是目前常用于我国近岸海域富营养化评价的方法之一,计算公式如下:

式中:COD、DIN和DIP分别为海域水体中的实测浓度(mg/L),当E≥1时,表明该海域水体呈现富营养化状态,E值越大,表明该海域富营养化程度越严重。其计算结果得出的富营养化指数对应的水质等级见表1。

表1 水质富营养化分级标准

1.5.3有机污染评价指数法

有机污染评价指数法[12,16]是根据DO、COD、DIN和DIP这4个水质因子的标准综合评价水质的有机污染情况,计算公式如下:

式中:COD、DIN、DIP和DO分别为海域水体中的实测浓度(mg/L);CODO、DINO、DIPO和DOO为海域水体中上述对应指标的评价标准浓度(mg/L),当A>0时,表明该水体开始受到有机污染,A值越大,受污染的程度越严重。其计算结果得出的有机污染指数对应的污染程度等级见表2。

表2 有机污染程度评价分级标准

2 结果与讨论

2.1 水质状况及评价

由表3可知,4个季节的DIP平均浓度由大到小依次为:冬季(0.058 mg/L)、春季(0.046 mg/L)、夏季(0.009 mg/L)、秋季(0.006 mg/L);DIN平均浓度由大到小依次为:冬季(0.465 mg/L)、春季(0.171 mg/L)、夏季(0.064 mg/L)、秋季(0.040 mg/L);COD平均浓度由大到小依次为:夏季(1.57 mg/L)、冬季(1.26 mg/L)、秋季(1.22 mg/L)、春季(0.89 mg/L);DO平均浓度由大到小依次为:冬季(11.70 mg/L)、夏季(7.41 mg/L)、秋季(7.36 mg/L)、春季(7.18 mg/L)。

表3 2018年考洲洋水质监测数据及单因子指数评价

利用常规单因子评价可知(表3),春季超出功能区水质标准的站位占总监测站位的80%,夏季占10%,冬季占100%,秋季均符合功能区标准,超出功能区水质标准比例由高到低依次为:冬季、春季、夏季、秋季。春季超出功能区水质标准的站位主要位于吉隆河入海口以及盐洲岛西北部,夏季超出功能区水质标准的点位主要位于考洲洋西北部。冬季因为受到DIP因子的影响,整个考洲洋海域都呈现超出功能区水质标准的状况。

2.2 考洲洋水质富营养化情况

富营养化评价(E)结果表明,冬季呈富营养化(E≥1)的监测站位占总监测站位的90%,春季占70%,夏季和秋季均未出现富营养化。富营养化指数由高到低依次为:冬季(7.340)、春季(2.765)、夏季(0.294)、秋季(0.067),主要分布在考洲洋内湾。其中,冬季和春季的重富营养化(E≥5)主要分布于吉隆河入海口以及盐洲岛西北部往内湾逐渐增大,并且冬季在考洲洋西北部出现严重富营养化(E≥15),详见图2(a)～(d)和表4。

2.3 考洲洋有机污染情况

有机污染评价(A)结果表明,有机污染指数由高到低依次为:冬季(1.57)、春季(1.37)、夏季(-0.36)、秋季(-0.77),春季和冬季受到有机污染(A≥1)的站位占总监测站位的80%,主要分布在吉隆河入海口以及考洲洋西北部内湾,其中春季在盐洲岛麒麟河入海口出现了中度有机污染(A≥3),夏季和秋季均未受到有机污染,详见图2(e)～(h)和表4。

图2 E值和A值水平分布图

表4 2018年考洲洋富营养化指数与有机污染指数季度变化

续表

2.4 3种方法比较

通过单因子指数法、富营养化指数法和有机污染评价指数法对海水水质评价的结果对比基本保持一致(由高到低依次为:冬季、春季、夏季、秋季)。但是根据监测站位超标比例分析可知,单因子指数法结果表明考洲洋冬季超出功能区水质标准的站位占总监测站位的100%,春季占80%,夏季占10%,秋季均符合功能区标准;富营养化评价(EIM)结果表明冬季呈富营养化(E≥1)的站位占总监测站位的90%,春季占70%,夏季和秋季均未出现富营养化。有机污染评价指数法结果显示春季和冬季受到有机污染(A≥1)的站位占总监测站位的80%,夏季和秋季均未受到有机污染。

单因子标准指数法对海域水质进行评价时,执行的水质等级是最差的水质因子等级,即只要有一个水质因子超出海洋功能区的水质标准,其他水质因子等级无论多好,该海域也视为超出海洋功能区水质标准。单因子标准指数法较适用于海洋环境监管执法部门在日常海洋环境监督管理、重大涉海项目的海洋环评论证以及海域使用论证等必须参照最严格的海洋环境保护要求的情况。对2018年考洲洋水环境进行单因子标准指数进行评价时,超标因子DIP起了决定性的作用。

富营养化是指水体中营养盐的过度累积导致藻类和其他高等植物的加速生长繁殖,对水体中各种生物平衡造成不良的环境干扰以及对整体水质的严重破坏。富营养化指数评价法在我国近海的富营养化评价中应用最为广泛,多在水体发生水华和赤潮时评价水环境的状况。

有机污染指数评价法综合考虑了海水的有机污染和无机污染指标,利用COD、DIN、DIP和DO 4个水质指标对海水质量状况进行评价,能反映水质整体的有机污染状况[17]。

富营养化指数评价法和有机污染指数评价法在对海域的水环境进行评价时都充分考虑各水质评价因子对水环境评价的影响。两种评价方法都计算了COD、DIN、DIP对水环境污染的影响,区别是有机污染评价指数法还计算了DO对水环境污染的影响,DO是水体中各种生物生存不可或缺的关键因子[18-19],其中DIP、DIN都是消耗DO的水质因子。利用富营养化指数评价法和有机污染指数评价法在对2018年考洲洋水环境进行评价时,春季和冬季考洲洋西北部内湾均出现了富营养化(E≥1)和有机污染(A≥1)的情况。

3 结论

本研究通过对考洲洋海域2018年4个季度水质状况分析得出以下结论:

(1)2018年考洲洋海域海水中的DIP、DIN、COD和DO平均浓度的季节变化由高到低依次为:冬季(0.058 mg/L)、春季(0.046 mg/L)、夏季(0.009 mg/L)、秋季(0.006 mg/L);冬季(0.465 mg/L)、春季(0.171 mg/L)、夏季(0.064 mg/L)、秋季(0.040 mg/L);夏季(1.57 mg/L)、冬季(1.26 mg/L)、秋季(1.22 mg/L)、春季(0.89 mg/L);冬季(11.70 mg/L)、夏季(7.41 mg/L)、秋季(7.36 mg/L)、春季(7.18 mg/L)。

(2)根据惠州市海洋功能区水质标准评价结果显示,2018年春季和冬季的主要超标因子为DIP和DIN,夏季的超标因子为DIP,秋季水质所有监测指标均满足要求。考洲洋水质质量由高到低依次为:秋季、夏季、春季、冬季。

(3)通过单因子指数法、富营养化指数法和有机污染评价指数法对海水水质评价的季节性变化结果基本一致(由高到低依次为:冬季、春季、夏季、秋季)。但是根据超标站位比例分析可知,单因子指数法(P>1)结果显示冬季占100%,春季占80%,夏季占10%,秋季均符合功能区标准;富营养化指数法(E≥1)结果显示冬季占90%,春季占70%,夏季和秋季均未呈现出富营养化;有机污染指数评价法(A≥1)结果显示春季和冬季均占80%,夏季和秋季均未受到有机污染。进一步分析结果可知,单因子标准指数法比较适用于海洋环境监管执法机构对水环境监督检查,富营养化指数法适用于水体中发生水华和赤潮时评价水环境状况,有机污染评价指数法能较好地反映整体的有机污染状况,因此,3种评价方法具有不同的评价作用和适用性。