威海市桑沟湾及周边海域水质监测与评价

2023-09-05韩忠边雄飞宋其峰王恒

山东国土资源 2023年8期

韩忠,边雄飞*,宋其峰,王恒

(1.山东省第六地质矿产勘查院,山东省深部金矿探测大数据应用开发工程实验室,山东威海 264209;2.昌乐县规划编制研究中心,山东昌乐 262400)

0 引言

海洋中蕴含着丰富的生物资源,这些生物资源已逐渐成为人类获取食品和优质蛋白的“蓝色粮仓”[1],在众多沿海国家和地区,海洋经济成为区域经济发展的重要支柱。随着捕捞业、养殖业的发展,出现了局部海水域环境恶化、渔业产品品质下降、养殖病害严重等问题[2-3]。与传统海水养殖相比,海洋牧场更加重视海洋生态系统修复与生态环境保护,是实现海洋环境保护与渔业资源养护的重要举措[4-5]。

截至2021年,中国国家级海洋牧场示范区已经有153个,其中,荣成市获批国家级海洋牧场12个[6-7],省级海洋牧场17个;规模、体量均居全国前列,实现年收入约30多亿元,带动渔民增收6亿多元。

桑沟湾是中国最东端、日出最早的海湾,位于威海市荣成中东部,海水水质优良,海产丰富,湾内有我国北方最大规模的海上网箱养殖。注入桑沟湾的河流共十余条,主要河流有桑沟河、十里河、沽河和崖头河等,年径流总量约为2×108m3,约为湾内总海水体积的17%,年沙输入量为17.1×104t[8-9]。桑沟湾海洋牧场先后被农业部授予“国家级海洋牧场”“国家级休闲渔业示范基地”“水产健康养殖示范场”和“河鲀鱼协会副会长单位”等称号,具有显著的海洋牧场集聚性优势。提升现代化海洋牧场的建设质量需要加强环境监测和管理,必须重视海洋生态环境的保护,为渔业资源的持续发展提供安全稳定的生态环境[10]。水质调查有利于了解海洋牧场海区的环境本底现状,有利于了解海洋功能区划执行现状以及与未来发展适应性,为海洋牧场建设和海洋生态保护提供科学依据。本研究基于荣成市桑沟湾及邻近海域30个站位共100个海水样品,分析了研究区海水水质特征,结合海洋功能区划对研究区海水水质状况做出评价。

1 样品与方法

1.1 样品采集

山东省地质矿产勘查开发局第六地质大队于2019年10月在研究区进行了30站位海水水质调查工作,根据不同水深,不同站位采样2～5层,共采集海水样品100件(图1),海水水质研究包括水深、温度、透明度、水色、pH、盐度、溶解氧、化学需氧量、氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐、活性磷酸盐、汞、镉、铅、铬、砷、铜、锌、石油类、活性硅酸盐等21个水质要素,相关分析方法见表1。相关分析严格按照《海洋调查规范》和《海洋监测规范》的规定进行实验室分析,采用实验室自控平行样分析、现场密码样平行样分析、加标回收样分析等进行实验室内质量控制。

表1 海洋水质水文分析方法

1—水系;2—等深线;3—水质、水文站位

1.2 评价方法与标准

桑沟湾及邻近海域水质评价采用单一要素评价的基础上进行综合指数评价。单一要素评价将各站点的水质测量数据与《海水水质标准》(GB3097-1997)中的标准数据进行比对,通过判断各项水质要素的达标情况筛选主要污染要素[11-12]。基于选定的19项水质要素,开展综合水质评价,建立综合评价指标体系,各指标权重利用层次分析法确定,最后根据指标赋值和加权求和计算桑沟湾及邻近海域的水质综合指数,以反映研究区域海水质量的整体情况[13]。

根据《海水水质标准》(GB3097-1997),根据海域的使用功能和保护目标,我国海水水质分为4类(表2)[14],各类水质的适用范围如表3所示。

表2 海水水质标准(GB3097-1997)

表3 海水水质适用范围(GB3097-1997)

1.2.1 单因子标准指数法

标准指数按如下方法计算:设某水质要素一类、二类、三类和四类标准的标准值分别为a,b,c,d,某测量站位该要素测量值为y,设该站位该要素标准指数的值为x[15]。

单位:mg/L,除pH外。

如果y

如果a

如果b

如果c

如果y>d,则x=SQRT((y-c)/(d-c))+3。

该标准指数在评价中的使用,按以下规则判断:

x≤1,则该要素符合一类海水水质标准;

海水pH有其特殊性,评价标准是一范围值而不是确定的某一个数值[16],pH的评价标准值为7.8～8.5,计算公式为:

IpH.i=|Ci-8.15|/(C上-8.15)

(1)

式中:IpH.i为pH的标准指数;C上为pH评价标准上限值;Ci为pH的实测值。

溶解氧标准指数计算公式如下:

(2)

式中:SiDO为第i站溶解氧的标准指数;DOi为第i站溶解氧的测量值(mg/L);DOf为与第i站溶解氧样品相同温度、相同盐度条件下溶解氧的饱和浓度值(mg/L);DOs为溶解氧的评价标准值(mg/L)。

1.2.2 综合指数法

海水质量综合评价采用内梅罗指数法。内梅罗指数法是当前国内外进行水质综合指数计算最常用的方法之一,通过该方法可以对水质污染做出定性分析和定量评价。该方法为计权型多因子环境质量评级方法,具有兼顾极值或突出最大值的特点[17],能够较全面地评价海域的水质状况。

在单项组分评价的基础上,按式(3)和式(4)计算内梅罗综合污染指数F。

(3)

(4)

表4 海水质量级别划分

2 水质分析研究结果

研究区海域水深在5.2～41.1m之间,最深在28站位,最浅在5站位。水温在17.4～20.6℃之间,最高温度在30站位,最低温度是22站位。水色在8～16之间,最高值在4站位,最低值在27、28站位。透明度在0.6～4.7之间,最高值在27站位,最低值在4、18站位。

2.1 pH特征

各站位海水中pH介于8.03～8.12,显碱性,标准指数介于0.086～0.343,19号站位第4层(取样深度19m)和20号站位第3层(取样深度10m)pH最大为8.12,对应标准指数最小值0.086,pH最小值出现在2号站位第2层(取样深度5m),对应标准指数最大值0.343,各层位标准指数分布如图2所示。

a—海表层;b—5 m深度;c—10m深度;d—19 m深度

2.2 盐度特征

各站位海水中盐度介于28.9054～31.9512PSU,最大值出现在23号站位第1层(海表层),最小值出现在8号站位第2层。年平均盐度表层为31.76PSU,底层为31.77PSU,表层和底层盐度基本相同,且全年的平均盐度平面分布趋势大体一致。受沽河水流入的影响,位于沽河口外的22站位盐度偏小。

2.3 悬浮体含量特征

各站位海水中悬浮物介于3.60～39.0mg/L,最大值出现在2号站位第5层,最小值出现在20号站位第1层。

2.4 溶解氧含量特征

各站位海水中溶解氧浓度介于7.02～8.30mg/L,最大值出现在29号站位第1层,最小值出现在25号站位第4层。

2.5 海水中化合物成分特征

研究区海水中化学需氧量浓度介于0.320～1.44mg/L,最大值出现在9号站位第3层及13站位的第2层,最小值出现在4号站位第4层;活性磷酸盐:各站位海水中活性磷酸盐浓度介于0.00214～0.0141mg/L,最大值出现在12号站位第3层,最小值出现在1号站位第1层;各站位海水中无机氮浓度介于0.0452～0.172mg/L,最大值出现在8号站位第3层,最小值出现在26号站位第1层;各站位海水中石油类物质浓度介于0.0258～0.0696mg/L,最大值出现在16号站位第1层,最小值出现在4号站位第1层;各站位海水中硅酸盐浓度介于0.0180～0.336mg/L,最大值出现在6号站位第3层,最小值出现在24号站位第1层。

2.6 海水中化学元素分布特征

各站位海水中铜浓度介于0.000559～0.00601mg/L,最大值出现在25号站位第2层,最小值出现在8号站位第3层;各站位海水中锌浓度介于0.0000619～0.0257mg/L,最大值出现在8号站位第3层,最小值出现在17号站位第2层及13号站位第4层;各站位海水中铬浓度介于0.000178～0.0416mg/L,最大值出现在3号站位第2层,最小值出现在9号站位的第3层;各站位海水中汞浓度介于0.00000582～0.000137mg/L,最大值出现在5号站位第4层,最小值出现在2号站位第1层;各站位海水中镉浓度介于0.0000730～0.00221mg/L,最大值出现在30号站位第1层,最小值出现在25号站位第1层;各站位海水中铅浓度介于0.000587～0.00464mg/L,最大值出现在20号站位第2层,最小值出现在10号站位第4层;各站位海水中砷浓度介于0.00147～0.00414mg/L,最大值出现在18号站位第2层,最小值出现在5号站位第4层。

3 水质现状分析研究与评价

3.1 单一要素分析

(1)从要素种类上看,区域海水水质pH、溶解氧、无机氮、活性磷酸盐、化学需氧量以及铬、砷全部符合第一类海水水质标准。主要污染物为石油类、铜、铅、锌、镉和汞。主要污染物的浓度分布如图3所示。石油类高值区集中在桑沟湾海域的西部沿岸近海和中部,该区域主要为港口区和航道区,低值区覆盖其他大部分海域,高值区较为集中,低值区较分散;铜元素的高值区出现在研究区中南部,低值区分布在研究区海域的西部、西北部,东部和东北部海域,高值区和低值区较集中;铅元素高值区覆盖海域的中部和西部,范围较大,整体向东部有递减的趋势,低值区主要分布在沿岸的近海地区,较为分散;锌元素高值区主要集中在研究区的中部海域,总体分布形势为NW—SE方向,低值区分散在北部和南部,较为分散;镉元素高值区主要分布在南部,整体向南发展趋势,低值区覆盖其他大部分区域;汞元素高值区主要分布中部和南部,覆盖研究区海域大部分海域,整体向南发展,低值区仅分布在北部。

a—石油类;b—铜;c—铅;d—锌;e—镉;f—汞

铜、铅、锌、镉、汞全部符合第二类海水水质标准;石油类9号、18号等部分站位超过了第二类海水水质标准,占总调查站位的6.7%,但符合第三类海水水质标准。

(2)从站位分布上看,站位1符合第一类海水水质标准;站位13、15、16符合第三类海水水质标准,石油类是主要污染物;其余站位均符合第二类海水水质标准,重金属铅、锌以及汞是主要污染物,如图4所示。研究区域无超过第三类海水水质标准的站位。

1—水系;2—等深线;3—一类水质;4—二类水质;5—三类水质

(3)从垂向分布上看,表层水的水质普遍优于深层水,图5为不同海水层pH标准指数分布特征。

a—海表层;b—5m深度;c—10m深度;d—19m深度

(4)满足功能区水质要求方面看,研究区海域位于桑沟湾及邻近海域,根据《威海市海洋功能区划(2013—2020年)》,该区域功能区主要包括:桑沟湾增养殖区、桑沟湾-镆铘岛养殖区,海水水质要求不劣于二类标准;桑沟湾北部、西南和南部具有荣成湾水产种质资源保护区、楮岛周边藻类水产种质资源保护区和魁蚶水产种质资源保护区,要求海水水质不劣于一类标准;桑沟湾北部有荣成港口区,要求水质不劣于四类标准,外部有航道区、锚地区,要求水质不劣于三类标准该海域。各站位所在功能区的分布情况见图6。

1—水产种质资源保护区;2—养殖区;3—增殖区;4—工业与城镇用海区;5—港口区;6—锚地区;7—航道区;8—文体休闲娱乐区:9—风景旅游区;10—特殊利用区;11—保留区;12—水质、水文站位

研究区海域位于桑沟湾及邻近海域,根据《威海市海洋功能区划(2013—2020年)》,该区域功能区主要包括:桑沟湾增养殖区、桑沟湾-镆铘岛养殖区,海水水质要求不劣于二类标准;桑沟湾北部、西南和南部具有荣成湾水产种质资源保护区、楮岛周边藻类水产种质资源保护区和魁蚶水产种质资源保护区,要求海水水质不劣于一类标准;桑沟湾北部有荣成港口区,要求水质不劣于四类标准,外部有航道区、锚地区,要求水质不劣于三类标准该海域。

根据海洋功能区划,站位1、4、24位于水产种质资源保护区内,水质要求满足一类标准;2、3、5、6、7、17、18、20、21、22、23、26、27、28、29位于养殖区内,水质要求满足二类标准;8、9、10、13位于航道区,水质要求满足三类标准;11、12、14、15、16位于港口区,水质要求满足四类标准;19位于锚地区,水质要求满足三类标准;25、30位于保留区,对水质未做要求。

根据评价结果,站位1、4、24位于保护区内,除站位1满足要求外,站位4、24均超过了第一类海水水质标准,符合第二类海水水质标准,超标要素主要是镉和汞;站位8、9、10、13、19满足航道区和锚地区要求的第三类海水水质标准;站位11、12、14、15、16满足港口区要求的四类标准;站位2、3、5、6、7、17、18、20、21、22、23、26、27、28、29位于养殖区内,均能满足养殖区要求的第二类海水水质标准。综上,研究区域海水水质总体满足功能区要求。