澳门内港水域低氧区空间分布及形成机制研究

杨芳, 蒋然, 杨莉玲, 刘丙军

1. 珠江水利委员会珠江水利科学研究院, 广东 广州 510611;

2. 水利部珠江河口治理与保护重点实验室(珠江水利委员会珠江水利科学研究院), 广东 广州 510611;

3. 中山大学地理科学与规划学院, 广东 广州 510275

水体中的溶解氧(dissolved oxygen, DO)可以直接反映水体污染程度并评判海水水质的优劣(Rabalais et al, 2010; Zhang et al, 2010)。作为重要的生源物质之一, 海水DO 是有机体进行有氧呼吸的基础。一般而言, 鱼类维持其正常生命活动所需的DO 含量通常为6.0mg·L-1(Gray et al, 2002), 当水体中DO 的含量低于3～6mg·L-1时, 便会对虾、蟹和底栖生物的生存产生不良影响(Rabalais et al, 2010; 王巧宁, 2012)。海洋低氧区的研究对低氧区定义通常为＜2mg·L-1或＜3mg·L-1(Wiseman et al, 1997; Diaz,2001; Diaz et al, 2008)。人口增长和经济发展造成的陆源营养盐入海通量增加, 在河口和近岸海域导致的富营养化现象, 被认为是低氧区扩大的关键原因(Diaz, 2001; Diaz et al, 2008; Wang et al, 2009)。有研究表明, 海水的水体分层限制表层高氧水体与底部低氧水体交换, 生物化学过程耗氧是导致水体低氧的直接原因(Hetland et al, 2008)。然而不同海域在地形、风浪、潮汐等作用下动力场不同, 引起水体和底质的耗氧过程机制相差甚远。

目前已知的缺氧区多数出现在水体分层的半封闭海域(王海龙 等, 2010)。我国渤海是一个典型的半封闭陆架浅海, 在夏季出现大范围底部DO 低值区, 其中 DO＜3mg·L-1的低氧区总面积约为4.2×103km2, 渤海中部海水季节性层化及其对 DO的阻滞作用是低氧区产生的关键物理机制, 沉积物中累积的有机质在夏季的矿化分解是产生底部低氧和酸化环境的重要原因(张华 等, 2016)。在2015 年夏季长江口低氧区(DO＜3mg·L-1)达14800km2主要受分层和有机质分解控制, 南北方缺氧带的“双核”结构及生化物理过程的差异: 北部区域具有更强的跃斜强度, 而南部地区生物量较大, 总有机碳和总氮含量较高; 北部区域的缺氧主要以水体层化作用为主, 而南部区域的缺氧主要与有机质分解有关(Chi et al, 2017)。长江口附近调查海域溶解氧含量范围为1.25～8.55mg·L-1, 整体上由表层到底层随之降低.潮汐是影响溶解氧周变化和日变化的主要物理因素, 夏季出现的水体层化和深水中有机物的分解对低氧区的形成至关重要(王松朵 等, 2020)。也有研究表明长江口的季节性缺氧跟海底地下水排放有关系(Guo et al, 2020)。根据Li 等(2020)研究的珠江口1988—2011 年夏季溶解氧长期变化规律, 通过分析缺氧出现的调控因素, 表明高浊度、低停留时间、浅海地形为主河口下游和西部陆架提供了抗缺氧的缓冲能力, 东部陆架因深水层化而易受缺氧影响。2015 年在珠江河口夏季观测到500km2的低氧区(DO＜4mg·L-1), 该区域有明显的水体层化和高丰度的异养菌。

珠江口受径流、潮流和南海近岸环流等综合影响, 水动力条件复杂, 珠江口的缺氧现象在物理和生化过程的共同作用下, 被限制在伶仃洋的西滩和中滩及磨刀门海域(张恒 等, 2010; 蔡树群 等,2013)。罗琳 等(2008)使用三维水动力—生态耦合模型来分析珠江口缺氧现象的分布状况和产生原因。珠江口存在的底层水体缺氧现象是水体强烈层化和生化耗氧过程共同作用的结果。澳门海域局部半封闭的狭长水域(内港)长期出现低氧现象, 根据2000—2019 年澳门环境状况报告, 对澳门沿岸水质进行站点布置长期监测, 内港历年来均是在所有站点中富营养化最严重区域(澳门环境保护局, 2020)。澳门沿岸12 个监测点的水质评价表明, 内港为澳门海域污染最严重的区域, 境外污染是澳门海域水质本底值主要贡献因素, 而境内污染源及局部地形条件(如内港)则加重了澳门近岸海域的污染水平(澳门环境保护局, 2020)。内港水质恶化引发大规模死鱼现象频发, 目前对澳门大规模死鱼的现象报道较多, 然而与死鱼关系密切的内港低氧区空间分布及形成机制的研究非常匮乏。内港的外源污染主要是珠海前山水道以及沿岸的排污口, 内源污染则是长期存在严重污染的表层底泥耗氧。综上所述, 内港低氧区的形成与内外源污染物耗氧有直接关系, 由于不清楚径、潮流作用下低氧区动态变化的状态, 无法判定不同动力条件下内外源污染物的贡献, 导致缺乏对内港缺氧机制的全面认识。

本文拟利用近10 年的澳门水质监测统计数据,采用MIKE 三维水质水动力模型, 通过模拟澳门内港DO 的分布特征和水文动力过程, 研究DO 时空格局与排污口、底泥耗氧的关系, 明晰不同动力场的DO 分布特征值, 探明DO 分布与水体垂向结构的内在联系及底泥表层耗氧对DO 贡献, 揭示澳门内港低氧形成及低氧区扩展与水文动力状况的关系, 并在此基础上探讨内外源污染对不同区域低氧/DO 低值区的贡献, 以期从低氧区形成物理机制的角度为内港水环境治理提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 区域概况

本文研究区域为澳门海域的内港及附近水域。澳门海域是指位于珠海市横琴岛以东、澳门半岛以南、大九洲以西的一带水域, 处在珠江河口磨刀门在挂定角向东分出的支汊洪湾水道的出口, 属于河口范畴。东北接内伶仃洋河口湾西侧湾口, 东南则面向珠江口外海区, 受上游径流、外海潮流、沿岸流及波浪等陆、海动力的相互作用, 加上周边岛屿边界的影响, 水动力条件复杂。在珠江水系来沙的影响下, 澳门海岸线长, 海岸湾多水浅, 形成别具特色的浅水区域。澳门海域被岛群分割成4 个部分:东南部开阔海域、澳门水道、十字门水道及湾仔水道。在澳门水域管理范围的湾仔水道又称为内港,地形上呈半封闭盲肠特征, 在东南部的内港和筷子基南湾、北湾相连。本文研究内港及附近水域, 包括内港、筷子基南湾和北湾, 研究范围及排污口位置如图1 所示。

图1 模型研究布置图a. 研究范围及网格剖分; b. 内港水域网格细节及水下地形; c. DO 初始浓度分布及剖面采样、排污口(水量单位: m3·s-1 )、潮位站位置Fig. 1 Layout of model domain. (a) research area and grid; (b) grid detail and underwater topography of inner harbor waters;(c) initial DO concentration distribution and profile sampling, sewage outfall and tidal station locations

1.2 数据来源

本文收集了磨刀门河口大量的地形资料和水文资料。澳门内港底部地形资料由中国澳门特别行政区政府提供, 水文资料包括: 1960—2015 年磨刀门河口竹银、灯笼山、大横琴和三灶4 个站的年平均高潮位、年平均低潮位和年均潮差数据, 数据来源于珠江水文年鉴和珠江流域水文局, 澳门内港码头潮位站水文资料由澳门特区政府水文中心提供; 流量边界及水位具体边界则为珠江水利委员会珠江水利科学研究院的珠江河口模型提取。水质资料包括: 近20 年《澳门环境状况报告》的澳门沿岸水质状况, 以及珠江水利科学研究院于 2014年5 月8 日0 时至10 日23 时在澳门内港和筷子基实测水质资料。水质检测和沉积物检测分别按照《海洋监测规范 第4 部分: 海水分析》(GB17378.4-2007)和《海洋监测规范 第5 部分: 沉积物分析》(GB 17378.5-2007)进行。

1.3 模型构建

本研究采用丹麦水资源及水环境研究所(Danish Hydraulic Institute, DHI)研发的三维MIKE31 和生态水质模块ECOlab 计算, 该模型可较完整描述河口生态动力过程, 比如生化需氧量(biochemical oxygen demand, BOD)/DO、富营养化等, 各状态变量涉及生化转化过程描述见DHI 公司的软件介绍(DHI, 2014; 龚依琳, 2019)。采用非结构化网格对澳门海域进行划分, 水平方向共生成了23912 个网格,垂向划分为5 层, 时间步长设置为30s, 模拟时长为72h, 考虑温度及盐度因子(初始场结合实测资料设置为非均匀温盐场), 模型上边界采用竹银站流量控制, 外海边界采用调和分析所得潮位控制, 通过底泥耗氧量参数为0 或1.16g·m-2·d-1设定不考虑及考虑底泥耗氧场景。研究区DO 初始浓度分布场如图2 所示, 底部高程及网格划分结果如图3 所示。模型采用30s 动态时间步长, 以保证模型的精度和稳定性。选择2014 年水文水质数据对模型进行率定和验证(图2、3), 模拟潮位过程与实测潮位过程较吻合, 而模拟所得DO 浓度场也基本与实测一致, 反映了内港水域的DO 分布特征。海湾的生命活力与纳潮量密切相关, 其大小取决于海湾高、低潮时潮位及海域面积变化, 是海湾水动力特征的反映。为了反映水动力与溶解氧的空间分布特征, 模拟内港在涨急、落急、高高潮、低低潮等情景下的溶解氧空间分布(表1)。模拟水域面积为1326km2, 其中内港1582971m2,筷子基北湾121996.3m2, 南湾28302.3m2, 本研究区域包括内港、筷子基南北湾, 共计1.733km2。

图2 内港站潮位过程验证Fig. 2 Verification of tidal level process at an inner harbor station

图3 内港水域DO 平均浓度场验证a. 实测; b. 模拟Fig. 3 Verification of mean DO concentration field in the inner harbor area. (a) measured; (b) simulated

表1 模型情景设置Tab. 1 Scenarios of model setting

2 结果与讨论

2.1 低氧区空间分布特征

本文采用三维数值模型分别对内港2014 年潮流场、海流进行数值模拟, 在此基础上采用环境模块模拟溶解氧和盐度分布场。图4 和图5 分别为在4 种情景下(情景模式见表1)的涨急、落急、高高潮、低低潮, 表层水和底层水溶解氧空间平面分布。

从图4 和图5 可见, 可见筷子基北湾的低氧区面积最大, 南湾次之, 内港的低氧区面积最小。容易产生低氧的水动力状况为低低潮, 其次为涨急, 依次为高高潮、落急。内港靠近珠海横琴侧, 上游有前山河水道径流下泄, 水动力条件优于内港近澳门半岛侧, 存在着DO＞4mg·L-1的区域, 内港近澳门侧,存在着航道和澳门码头, 上游为水质较差的筷子基,由于筷子基的潮汐动力较差, 筷子基的表层和底层水在低低潮时均出现DO＜2.2mg·L-1的极度低氧区。在低低潮时极度低氧区(＜2.2mg·L-1)分布在筷子基北湾, 低氧区(＜3.0mg·L-1)则在整个潮周期内均出现在筷子基南湾和内港澳门侧, 在径潮流弱动力作用下极度低氧区在筷子基北湾点状分布向面状扩散,并出现在筷子基南湾。由于内港码头的底泥污染积累, 内港的低氧区与筷子基同空间存在, 只是污染程度轻于筷子基, 由于前山河水道的径流下泄, 内港的珠海侧水动力相对较强, 低氧区基本不存在。情景1 底层的低氧区比表层面积同样略大, 底层DO低氧区(DO＜3mg·L-1)面积比表层大约1.43%～2.50%,低低潮位的低氧区面积最大, 底层为0.851km2, 表层为0.839km2, 约占内港表层水域的48.4%, 落急的低氧区面积最小, 底层为 0.726km2, 表层为0.709km2, 约占研究水域的40.9%。从空间分布可见筷子基南北湾在潮周期均为低氧区, 极度低氧区核心开始出现在筷子基北湾深水区的涨急时, 在低低潮时扩散至整个筷子基北湾水域, 表层与低层溶解氧浓度差别极小, 筷子基最大水深约10m, 但大部分水域水深不超过5m, 可认为不存在水体层化现象。内港的水动力潮流场模拟如图5 可见, 筷子基流速均不超过0.1m.s-1, 为典型的弱动力区域。从低氧区的扩散踪迹可见, 低氧区在流速慢、潮位最低的低低潮扩展至最大, 极度低氧区发育成熟于筷子基北湾水域中心近似静水的缓流区, 其中筷子基北湾表水层约92.5%区域属于极度低氧区, 筷子基南湾约9.7%为极度低氧区。

图4 内港表层水DO 平面分布Fig. 4 Spatial distributions of DO at the surface in inner harbor

图5 内港底层水DO 平面分布Fig. 5 Spatial distributions of DO at the bottom in inner harbor

图6 为涨急、落急、高高潮、低低潮的溶解氧垂向分布模拟浓度场, 垂向剖面线设置从筷子基北湾至内港南端, 在内港段的剖面线为沿内港岸线外移约25m 的水域(图1)。图7 为大潮期内港表层潮流场分布。

图6 内港垂向分布(情景1)Fig. 6 Vertical distributions of DO in inner harbor (Scenario 1)

图7 大潮期内港表层潮流场分布图Fig. 7 Distribution of surface tidal currents in inner harbor during spring tide

根据图3 内港水域实测DO 平均浓度分布, 可见低氧区分布在筷子基北湾和内港码头, 与模拟的DO 平均浓度场分布趋势一致。澳门特区政府在青洲塘(筷子基北湾)、内港和 路氹 城生态保护区内设立自动水质监测站。2016 年度青洲塘和内港的DO月平均值出现两次或以上低于3.0mg·L-1, 即达不到《海水质量标准》(GB3096-1997)的四类水标准(澳门环境保护局, 2017)。由此可见, 根据上述DO 空间和垂向分布特征, 以及澳门特区政府近二十年海域水质监测资料, 可认为筷子基弱动力水环境是内港水域低氧区产生的前提条件, 水体自带的耗氧污染物长时间蓄滞可能对低氧区发展起主要贡献作用。

2.2 底泥耗氧形成低氧区的模拟分析

现有的研究表明底泥耗氧(sediment oxygen demand, SOD)对水域DO 降低有贡献, 影响因素有底泥生物作用、有机物矿化、水温、底泥组分、水质、水深和流速(邓思思 等, 2013)。根据现场采样,筷子基北湾、南湾和鸭涌河、内港, 以及珠海一侧的前山河水道下游和湾仔水道水域沉积物 pH 在6.48～7.25 之间, 沉积物全氮含量在0.383～5.81g·kg-1之间, 平均含量约 3.11g·kg-1; 有机质含量在0.638%～9.69%, 平均含量约 5.18%;全磷含量在0.294～1.71g·kg-1之间, 平均含量约1.05g·kg-1。沉积物全氮、全磷和有机质含量最低的区域位于前山河水道下游断面, 筷子基北湾则含量最高。根据文献中有机质和底泥耗氧的关系(Chen et al, 1999), 模型的底泥耗氧量取1.16g·m-2·d-1。模型在不考虑排污口,只考虑底泥耗氧的情景时, 从图4、5 的低氧区面积对比可见, 情景 2 的底层低氧区比表层面积大1.01%～1.96%, 与情景1 的低氧区面积基本相同; 低氧区形成规律一致, 低低潮位的低氧区面积最大,落急的低氧区面积最小。差异之处在于极度低氧区核心提前至涨急时明显可见, 由于内港没有明显的外海往复流, 水体层化现象也不明显, 若不考虑排污口对浅层水扰动, 则筷子基深水区污染严重的底泥耗氧效应可快速扩散至表层水。由此可见底泥耗氧对低氧区形成起关键作用, 相反沿岸排污口对低氧区发生的作用不大。

2.3 沿岸排污口对低氧区的影响

如图1 所示, 进入内港的排污口有15 个, 筷子基的水体有沿岸的3 个排污口和小型河流鸭涌河。鸭涌河是珠海市在20 世纪70 年代后期填海而形成的一条狭窄的人工河道。近年来水质污染严重, 水流在河道中东段几乎断流, 水质执行《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》中的Ⅳ类标准。根据2019年监测, 鸭涌河上游断面SS、BOD5、氨氮、石油类超过(GB3838-2002)中的Ⅳ类标准, 其中氨氮、石油类超出地表水Ⅴ类标准, 为劣Ⅴ类水。鸭涌河排入筷子基的水量较小且在枯季基本不排入, 其他各排水口的排水量如图1 所示。在不考虑底泥释放和排污的情景4, 水体耗氧以内港水域的有机物生化耗氧为主(硝化过程、有机物耗氧、藻类呼吸耗氧等),仍然是低低潮位的低氧区面积最大, 底层为0.685km2, 表层为0.668km2, 落急的低氧区面积最小, 底层为0.599km2, 表层为0.587km2。以底层水低低潮的情景模拟对比, 情景4 比情景1 的低氧区面积减少19.5%, 比仅有底泥耗氧的情景1 的低氧面积减少15.6%, 与仅有排污口设置的情景3 相比,低氧区的面积减少1.8%, 进一步证实在半封闭狭长水域内港水体自带的耗氧污染物在水域内游荡滞留,成为低氧区形成并扩展的重要因素。在图5 中, 情景3 和4 的底层水低氧区形成的规律与情景1 对比,相同之处是低氧区面积在低低潮最大, 排污口附近无明显的污染源扩散区, 不同之处是情景3 和4 在涨急时没有出现极度低氧区核心, 可见底泥的耗氧直接影响极低氧区核心的生成, 排污口对低氧区的面积和分布影响极小。

2.4 综合分析

澳门内港海域低氧现象与局部水域水动力弱关系密切。采用本文的溶解氧动力过程模型预测可见,考虑底泥和排污的情景模型, 与不考虑底泥和排污的情景相比, 表层水低氧区的面积增加0.115～0.180km2, 约占缺氧区的15.6%～21.5%, 推测由于筷子基的水体自身耗氧引起低氧区存在约占80%。澳门近二十年的海域监测资料表明, 澳门海域11 个长期监测点位中内港的富营养化指数最高。珠江水利科学研究院在2014 年5 月7—9 日进行包括筷子基和内港在内的水质监测, 采用《海水水质标准》(GB3097-1997)的四类水标准(即适用于海洋港口水域, 海洋开发作业区)进行评价, 无机氮浓度在2.57～4.85mg·L-1, 超标倍数为4.1～8.6, 其中污染严重的水样来自筷子基北湾、南湾和内港码头, 表层水溶解氧最低值在筷子基北湾, 为2.78mg·L-1。由于筷子基的水动力交换弱, 滞留在内湾的水体氮超标极可能引起弱动力水区的水体有机物的降解、无机物的氧化反应、底泥耗氧及浮游植物呼吸作用等生化耗氧过程。张恒 等(2009)利用改进的RCA(row and column of Aesop)三维水质模型对影响珠江口夏季底层缺氧的生化过程的研究结果表明, 耗氧最多的生化过程是溶解态有机碳的氧化反应, 占密度跃层以上水体总耗氧量的68.3%, 其次是硝化反应和浮游植物的呼吸作用, 在密度跃层以下的水体, 底泥耗氧占绝对优势, Zhang 等(2017)利用低氧区剖面DO 数据, 发现密度跃层以下底泥耗氧占总净氧损失量的80%以上。本研究模拟不同情景下弱动力非分层近岸海域的低氧区形成, 初步推测水体的生化耗氧对水域耗氧贡献占绝大部分, 底泥的耗氧贡献次之, 排污口的贡献较小, 与上述研究在密度跃层以上水体总耗氧量来源有相似趋势。内港在经济高度发达、人为干扰严重的弱潮型珠江河口的众多海湾中具有典型性, 低氧区形成特有机制可为弱动力海湾生态环境改善提供针对性治理方向。

有研究表明河口低氧形成机制与河口潮汐、径流共同作用引起盐度变化有一定关系(许晓飞 等,2015; 麻素挺 等, 2019), 如长江口的落潮时来水的特征表现为高泥沙和低氧水体, 涨潮时底部存在泥沙异重流。澳门内港有其特殊浅水海湾地形和不正规半日潮汐等因素的共同作用, 上游前山河水道来水受闸门控制, 与上述研究长江口的低氧形成机制差别较大。从涨急的盐度空间分布(图8)可见, 筷子基表层盐度低于1‰, 底层盐度不超过2‰, 内港南部盐度最高可达14‰, 底层高盐范围基本与表层相同, 可见不存在底层异重流。2014 年澳门海域全年水温15～31℃间, 平均水温22.5 ℃, 筷子基为澳门海域盐度最低的区域, 盐度范围在0.2‰～4.8‰, 平均盐度远低于3‰。本研究采用盐度与溶解氧耦合水动力子模块的敏感性试验预测盐度对DO 的敏感度,设定盐度在0～6‰, 水温25℃。如图9 所示, 在盐度0～3‰时DO 在垂向分布基本一致, 当盐度大于3‰的情况, DO 在垂向分布上底层缺氧更严重, 尽管在内港的盐度升高影响着极度低氧区(DO＜2.2mg·L-1)的分布空间, 但是低氧区(＜3.0mg·L-3)范围变化不大,盐度对内港的DO 分布影响极小。

图8 内港的盐度平面分布(情景1)Fig. 8 Spatial distribution of salinity in inner harbor : Scenario 1

图9 不同盐度条件的溶解氧垂向分布Fig. 9 Vertical distributions of DO under different salinity conditions

3 结论

内港区低氧现象为澳门海域潮、径流物理及生化过程综合作用的结果, 内港半封闭水域的弱动力环境造成污染物滞留作用是低氧区产生的关键物理机制, 水体和沉积物累积有机质矿化分解是低氧区形成的重要原因。筷子基水域生化耗氧是导致内港低氧的驱动要素, 底层底泥耗氧进一步加剧了内港的低氧程度。为减缓内港的低DO 问题, 建议首先盘活水系, 提高筷子基水体交换能力, 从而加强水体复氧能力, 以实现水体DO 浓度提升和水环境改善; 其次是对筷子基和内港积累数十年的表层高污染底泥进行有针对性的清淤, 降低底泥内源性污染的影响。

本研究采用溶解氧动力模型表达内港的溶解氧动力过程, 综合考虑地形、潮汐、及外内源污染排入、外海输入等因素, 初步定量分析了低氧动力过程和形成机制, 描述了内港生态动力过程, 并通过敏感性试验分析了溶解氧含量对各生态要素和物理过程变化的响应。下一步将重点开展对模型生态过程参数化中底泥和上覆水耗氧速率参数的参数率定和模型检验等研究工作。