赤潮快速預警研究＊

高曉慧,王 娟,孟慶凌

(1.國家海洋局北海環境監測中心 青島 266033;2.國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術重點實驗室 青島 266033)

赤潮快速預警研究＊

高曉慧1,2,王 娟1,2,孟慶凌1,2

(1.國家海洋局北海環境監測中心 青島 266033;2.國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術重點實驗室 青島 266033)

文章研究和探討了幾種赤潮快速預警的技術,介紹了這幾種赤潮預警技術在“863”項目“赤潮重點監控區監控預警系統”和青島奧帆賽場及鄰近海域赤潮防治行動項目中“赤潮監測預警系統”的實際應用情況,實現高精度、高時效的赤潮預警,達到了減少赤潮災害的目的。

赤潮;危害;快速預警

赤潮是一種由于局部海區的浮游生物突發性急劇繁殖,并聚集在一起而引起海面顏色出現異常和發臭的現象。隨著經濟的迅速發展,海洋生態系統的破壞、海洋污染及近海富營養化問題的加劇,赤潮發生規模呈持續上升趨勢,2009年中國沿海共發生赤潮68次,累計面積14 102 km2,造成直接經濟損失0.65億元[1]。因此,準確進行赤潮預警監測,及時采取有效防治和減災措施,減少赤潮造成的損失和危害,已成為海洋環境保護工作的當務之急。

1 赤潮的危害

近年來,赤潮的頻繁發生和規模的不斷擴大,破壞了漁業資源和海產養殖業,赤潮毒素也嚴重威脅著人類的生命安全,主要表現在如下幾方面。

1.1 赤潮對海洋生態平衡的破壞

海洋是一種生物與環境、生物與生物之間相互依存,相互制約的復雜生態系統。當赤潮發生時,海洋環境因素的改變,致使一些海洋生物不能正常生長、發育、繁殖,導致一些生物逃避甚至死亡,破壞了原有的生態平衡。

1.2 赤潮對海洋漁業和水產資源的破壞

大量赤潮生物死亡后,造成缺氧環境,引起魚、蝦、貝等大量死亡,同時,在缺氧的條件下,赤潮生物殘核被厭氧微生物分解,會釋放出大量硫化氫和甲烷等,它們對魚、蝦、貝等有致死毒效;有些赤潮生物本身就可以大量釋放毒素,赤潮生物大量繁殖,在表層聚集,吸收大量陽光,影響其他生物的生存和繁殖[2]。

1.3 赤潮對人類健康的危害

有些赤潮生物分泌赤潮毒素,當魚類和貝類處于有毒赤潮區域內,攝食這些有毒生物,雖不能被毒死,但生物毒素可在體內積累,其含量大大超過人體可接受的水平,被人食用,就會引起人體中毒,嚴重時可導致死亡。

2 赤潮形成的原因

赤潮發生的原因較復雜,但赤潮發生的首要條件是赤潮生物增殖要達到一定密度。多數學者認為,赤潮發生與下列環境因素密切相關。

2.1 海水富營養化是赤潮發生的物質基礎和首要條件

由于城市工業廢水和生活污水大量排放入海中,使營養物質在水體中富集,造成海域富營養化。此時,水域中氮、磷等營養鹽類以及有機化合物的含量大大增加,促進赤潮生物的大量繁殖。赤潮檢測的結果表明,赤潮發生海域的水體均已遭到嚴重污染,富營養化,氮磷等營養鹽物質大大超標。

2.2 水文氣象、化學和海水理化因子的變化是赤潮發生的重要原因

海水的溫度是赤潮發生的重要環境因子,20℃～30℃是赤潮發生的適宜溫度范圍,一周內水溫突然升高大于2℃是赤潮發生的先兆。海水的化學因子,如鹽度變化,也是促使生物因子——赤潮生物大量繁殖的原因之一。鹽度在26～37的范圍內均有發生赤潮的可能,但是海水鹽度在15～21.6時,容易形成溫躍層和鹽躍層。溫躍層和鹽躍層的存在為赤潮生物的聚集提供了條件,易誘發赤潮[3]。由于徑流、涌升流、水團或海流的交匯作用,使海底層營養鹽上升到水上層,造成沿海水域高度富營養化。營養鹽類含量急劇上升,引起藻類的大量繁殖,易發生赤潮。

2.3 海水養殖的自身污染亦是誘發赤潮的因素之一

海水養殖業的蓬勃發展,也產生了嚴重的自身污染問題。在養殖的過程中,由于養殖技術陳舊和不完善,人工投喂的餌料量偏大,池內殘存餌料增多,嚴重污染了養殖水質。另一方面,由于養殖池每天需要排換水,所以每天都有大量污水排入海中,這些帶有大量殘餌、糞便的水中含有氨氮、尿素、尿酸及其他形式的含氮化合物,加快了海水的富營養化,這樣為赤潮生物提供了適宜的生物環境,使其增殖加快,尤其是在高溫、悶熱和無風的條件下最易發生赤潮。由此可見,海水養殖業的自身污染也使赤潮發生的頻率增加。

3 赤潮預警技術

3.1 浮標快速預警技術

海洋浮標技術是伴隨著海洋科學的發展,在傳統技術基礎上發展起來的海洋監測新技術。浮標利用自己獨特的水質傳感器,現場自動檢測p H值、溶解氧(DO)、溫度、鹽度、葉綠素a和濁度等重要生態環境參數,采用GPS定位,并以GSM短信方式發送到用戶。用戶可利用專門的數據分析軟件或自主開發數據處理分析應用系統,對獲得的浮標監測數據進行接收、處理及分析,根據現場獲得生態環境參數的變化和異常狀況,判斷水質是否發生赤潮。浮標具有技術先進、性能可靠、自動化程度高、體積小和重量輕等特點,凸顯了布防、回收方面具有靈活性、機動的優勢,在赤潮多發區現場應用中獲得理想結果,是建立赤潮預警與監測模式獲取水質數據的有效手段[4]。因此浮標快速預警技術對赤潮的監測與預警具有重要意義。

3.2 富營養化快速預警技術

海水富營養化現象是赤潮發生的物質基礎和首要條件,可作為赤潮預警的指標之一。

海水富營養化評價采用營養狀態質量指數法,以水體中的化學耗氧量、無機氮和無機磷作為評價因子,采用公式:

E=COD×無機氮×無機磷×1 000 000/4 500(單位以mg/L表示)[5],計算出營養指數。

式中:E是營養狀態指數,來對赤潮監控區的營養水平進行判斷,如果赤潮監控區的營養指數超出標準值1,則赤潮監控區有可能發生赤潮。

3.3 赤潮發生判別快速預警技術

赤潮發生判別快速預警是以生物的臨界密度作為判斷赤潮暴發的一種技術。赤潮生物密度異常增高是一個從量變到質變的過程,多數赤潮生物平時是浮游植物群落的重點組成部分,在正常海水環境中保持較低的密度水平,當浮游生態環境發生異常變化,赤潮生物密度會異常升高,此時若遇有誘導因素,高密度的赤潮生物種群會爆發性增殖,密度呈對數基數增長從而形成赤潮。

赤潮發生判別快速預警技術的關鍵是如何判斷赤潮生物是否達到臨界密度,即確定赤潮生物的預警密度。根據多年的工作實踐,提出了一種確定赤潮生物預警密度的方法:對監測預警海域有記錄的赤潮生物種類,我們按其赤潮暴發時平均密度的75%為預警密度;對沒有赤潮記錄的優勢種類,參考日本學者安達六郎提出的不同個體大小赤潮生物形成赤潮的密度標準,按其密度的80%設定赤潮預警密度。通過近年的實踐證明,該方法給出的赤潮生物預警密度具有較強的可操作性和有效性。

日本學者安達六郎依據日本各海區多次赤潮時間的實例統計,提出了形成赤潮時水體中赤潮生物的細胞密度范圍(表1)。

表1 赤潮生物個體與生物量指標

4 應用實例

4.1 “863”項目“赤潮重點監控區監控預警系統”

“赤潮重點監控區監控預警系統”是在渤海灣赤潮監控區,建立了一個由浮標監測、船載快速監測、航空遙感監測和衛星遙感監測構成的赤潮監控預警系統。此系統對赤潮監控區進行預警,為赤潮的預警監測提供了技術支持。

4.1.1 浮標快速預警模塊

我們在分析2006年8月初的浮標在線監測數據時發現,溶解氧數值出現上升的同時,葉綠素a出現較大的波動異?，F象(圖1和圖2)。我們把浮標在線監測要素的數值與船載快速監測等手段獲得的數值進行比測,判斷赤潮爆發的可能性極大,發布了赤潮預警信息。在8月7日監控區出現赤潮,8月8日和8月9日到達高潮,8月10日和8月11日赤潮開始消亡。

4.1.2 富營養化快速預警模塊

赤潮分析人員在對常規現場監測數據進行分析時發現,2006年8月初監控區內各個站點的營養鹽出現上升趨勢,經運行富營養化快速預警模塊,發現其富營養化程度較高,超出了富營養化閾值指標1,在8月8日和9日出現了赤潮。圖3是某一站點在8月初的富營養化趨勢圖。

4.1.3 赤潮發生判別快速預警模塊

生物采用水樣和網樣兩種采樣方式,這兩種采樣方式的赤潮生物密度不同,網樣赤潮生物密度與水樣赤潮生物密度略有不同,水樣采樣方式生物密度與水深和層次有關。赤潮監測中一般采用水樣的采樣方式,海洋赤潮監控技術規程中的赤潮生物密度指標一般是以水樣赤潮生物密度為準,而在赤潮重點監控區監控預警系統中生物采用的是網樣采樣方式,所以赤潮優勢種密度與形成赤潮時水體中藻細胞的基準密度略有差距。

分析人員在2006年8月初發現夜光藻密度呈現增長趨勢(圖4),在這期間出現了夜光藻引起的赤潮。

圖4 夜光藻的變化趨勢

4.2 青島奧帆賽場“赤潮監測預警系統”

2008年奧運會帆船比賽在青島舉行,為避免赤潮的發生給賽事造成影響,國家海洋局開展了青島奧帆賽場及鄰近海域赤潮防治研究,在青島奧帆賽場建立了以船載監測、浮標監測和遙感監測集成的赤潮監測預警系統,開展赤潮監測、進行赤潮預警預報,為青島奧帆賽提供了基本的技術支持。

2008年8月上旬,我們在利用赤潮預警系統分析浮標在線監測數據時,發現溶解氧、葉綠素出現異常波動,波動比較大(圖5和圖6)。分析人員根據常規監測中要素數值,對這一海域進行富營養化程度分析,發現超出了富營養化閾值指標1,結合這幾種監測,進行預警計算,赤潮發生的可能性比較大,發布了赤潮預警信息,及時對赤潮進行了防治和消除。

圖5 溶解氧分析

圖6 葉綠素分析

5 結論

赤潮的發生,并非突發而無過程的現象,它是一個循環積累到暴發的生態異?，F象。因此,赤潮快速預警的研究,將有利于赤潮災害的預防,減輕經濟損失[6]。但是,各種赤潮生物引發赤潮危害類型和各個海域赤潮災害發生的機制也不盡相同,這給赤潮快速預警的建立帶來很大難度,赤潮快速預警是一項長期、復雜的系統工程。我們只有深入地了解赤潮的發生,發展機制,充分利用現代科技技術,在我國部分海區建立起有效的赤潮快速預警模型,實現高精度、高時效的預報,達到減災的目的。

[1] 國家海洋局.2009年中國海洋環境質量公報[Z].2010,3.

[2] 張朝賢.赤潮的危害和預測預報[J].海岸工程,2000,19(2).

[3] 曾江寧,曾淦寧.赤潮影響因素研究進展[J].東海海洋,2004,22(2).

[4] 陳芙蓉.生態水質監測浮標在赤潮監測中應用[C]∥赤潮重點監控區監控預警系統論文集.北京:海洋出版社,2008.

[5] 國家海洋局.行標:HYIT 0669—2005海洋赤潮監控區技術規程[S].2005.

[6] 趙偉,楊燦軍.新型赤潮監測系統設計研究[J].傳感技術學報,2008,21(5).

“863”國家高技術研究發展計劃(2007AA092104).