渤海環(huán)流對(duì)近岸海域無機(jī)氮分布特征的影響

劉喜惠，劉 方，丁 頁，李 曌，李翔宇，盧勇奪

1.中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012 2.國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081 3.大連市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，遼寧 大連 116023

海洋環(huán)流動(dòng)力狀況是海洋中物理、化學(xué)和生物等過程發(fā)生的背景和載體，海洋中物質(zhì)的分布和遷移、動(dòng)量和能量的傳遞皆取決于海洋環(huán)流長期持續(xù)的輸運(yùn)過程，同時(shí)海水中理化要素的變化以及沉積元素的運(yùn)移在很大程度上也受制于流場(chǎng)的分布及其消長變化[1-3]。污染物進(jìn)入水體中，通常經(jīng)歷3種凈化過程，即物理、化學(xué)和生物過程，其中物理過程是最基本的，主要是指污染物在水域中的混合與輸運(yùn)過程，包括時(shí)均流動(dòng)引起的污染物的輸移以及紊動(dòng)引起的污染物紊動(dòng)擴(kuò)散[4]。多年來人們針對(duì)海洋物理過程(如潮流、風(fēng)暴潮等)作用下污染物的輸移擴(kuò)散及海域環(huán)境容量進(jìn)行大量數(shù)值模擬研究，分析了在潮流、風(fēng)暴潮等物理過程下，海域的水交換能力及其對(duì)各污染源的響應(yīng)關(guān)系，并計(jì)算得到排污布局和最大排放量[5-20]，筆者基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，分析渤海環(huán)流對(duì)無機(jī)氮分布特征的影響。渤海作為中國唯一的內(nèi)海，三面環(huán)陸，僅通過渤海海峽與黃海相通，平均水深只有18 m，面積小卻承接了十分廣闊的流域范圍。由于其所處的特殊地理位置，渤海內(nèi)部水交換和物質(zhì)輸運(yùn)存在與其他開闊海域鮮明的差異，而環(huán)流是影響這種差異的主要因素[21]。

2006—2017年《中國近岸海域環(huán)境質(zhì)量公報(bào)》[22]顯示，渤海近岸海域水質(zhì)一、二類點(diǎn)位比例為55.1%～73.4%，污染分布主要集中在遼東灣、渤海灣和黃河口，主要污染因子均有無機(jī)氮，氮是污染影響最大的污染物之一。按照無機(jī)氮評(píng)價(jià)渤海的污染范圍與按照全項(xiàng)評(píng)價(jià)的污染范圍基本一致，該研究以無機(jī)氮作為近岸海域污染分布特征的指示性指標(biāo)，來分析渤海環(huán)流對(duì)其近岸海域污染分布特征的影響。

1 數(shù)據(jù)與處理方法

2017年“全國近岸海域環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)”對(duì)渤海近岸海域表層國控環(huán)境質(zhì)量點(diǎn)位(圖1)進(jìn)行了春、夏、秋季的無機(jī)氮監(jiān)測(cè)，春季監(jiān)測(cè)時(shí)間為3—5月，夏季監(jiān)測(cè)時(shí)間為7—8月，秋季監(jiān)測(cè)時(shí)間為10—11月。該研究所指無機(jī)氮是氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的總和，測(cè)定方法參見《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》(HY 003.4—1991)，其中氨氮測(cè)定采用靛酚藍(lán)分光光度法，亞硝酸鹽氮測(cè)定采用萘乙二胺分光光度法，硝酸鹽氮測(cè)定采用鎘柱還原比色法，檢測(cè)設(shè)備為美國哈希公司DR6000型雙光束紫外可見分光光度計(jì)。

圖1 渤海近岸海域環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)位Fig.1 Environmental quality monitoring points in the coastal waters of the Bohai Sea

渤海流場(chǎng)數(shù)據(jù)是美國海軍的混合坐標(biāo)海洋環(huán)流模式HYCOM(Hybrid Coordinate Oceanic Circulation Model)輸出的再分析資料[23-25]。研究中使用的是HYCOM模型自身輸出的流場(chǎng)逐日數(shù)據(jù)，水平網(wǎng)格分辨率是1/12°×1/12°，時(shí)間尺度為2017年1—12月，垂向深度為表層至20 m。分別取HYCOM模型流場(chǎng)數(shù)據(jù)的3—5、7—8、10—11月的海流平均值作為春季、夏季、秋季渤海海區(qū)平均流場(chǎng)。

圖件使用ArcGIS 10.2.2、MATLAB R2014a軟件平臺(tái)繪制。

2 渤海環(huán)流概況

渤海環(huán)流的基本概念最早是管秉賢等[26-28]基于20世紀(jì)50年代全國海洋綜合調(diào)查的結(jié)果確定的，主要依據(jù)海流觀測(cè)，并結(jié)合溫、鹽結(jié)構(gòu)，推斷得到了渤海冬、夏季環(huán)流的基本流型，之后進(jìn)行了完善。渤海環(huán)流系統(tǒng)主要由外海進(jìn)入的黃海暖流余脈和渤海沿岸流組成，冬季，黃海暖流余脈通過渤海海峽北部進(jìn)入渤海，西進(jìn)至渤海西岸，受海岸阻擋分為南、北2支，北支沿遼東灣西岸北上，與沿岸流相接，而遼東灣的低鹽水則沿遼東灣南下，構(gòu)成了遼東灣的一個(gè)順時(shí)針環(huán)流，南支進(jìn)入渤海灣，沿岸南下，通過萊州灣后，由渤海海峽流出渤海，形成一個(gè)逆時(shí)針的大流環(huán)；夏季，環(huán)流流型與冬季相近，但黃海暖流在渤海海峽西北口即產(chǎn)生分支，一支同冬季一樣西行，一支沿遼東灣東岸北上。

3 結(jié)果與討論

從渤海近岸海域春、夏、秋季表層無機(jī)氮空間分布來看，無機(jī)氮污染高值區(qū)主要集中在遼東灣北部(錦州、盤錦、營口海域)，普蘭店灣，秦皇島近岸海域，渤海灣灣頂(天津、滄州海域)，山東半島北部(濱州、東營海域)和萊州灣近岸海域，詳見圖2。

圖2 2017年春、夏、秋季渤海近岸海域表層無機(jī)氮空間分布Fig.2 Spatial distribution of surface inorganic nitrogen in coastal waters of the Bohai Sea in the spring,summer and autumn of 2017

2017年春季，渤海無機(jī)氮含量高值區(qū)集中在遼東灣北部(盤錦、營口海域)，并向外部海域擴(kuò)展。造成上述分布特征的主要原因是在偏北季風(fēng)作用下，流動(dòng)自渤海西岸沿近岸北上，在遼東灣灣頂西部海域轉(zhuǎn)向，沿遼東灣東岸南下。

遼東灣灣頂北上流平均流速約為0.40 cm/s，而從灣頂流出的南向流平均流速約為0.30 cm/s，進(jìn)流流速大于出流流速，導(dǎo)致污染物在遼東灣灣頂東部不易擴(kuò)散(圖3)。盤錦、營口海區(qū)有大遼河、遼河、大凌河和小凌河4條入海河流，均有較大的無機(jī)氮輸入[29-30]，受環(huán)流影響，污染物不易擴(kuò)散，因此在該海域出現(xiàn)一個(gè)無機(jī)氮含量高值區(qū)。

夏季，遼東灣灣頂東部海域平均流速約為0.69 cm/s，西部海域平均流速約為1.21 cm/s(圖4)，與春季相比，兩者均較大，在盤錦、營口近岸海域的無機(jī)氮含量同樣存在高值，但與春季相比，污染范圍和強(qiáng)度均較小，見圖2(b)。

秋季，遼東灣灣頂環(huán)流結(jié)構(gòu)與春季大致相同，但整個(gè)渤海海區(qū)平均流速、渤海西岸流速、遼東灣北部(錦州海域)流速均比春季和夏季大，遼東灣北部(盤錦、營口)近岸海域無機(jī)氮的污染范圍、強(qiáng)度均比夏季小，見圖2(c)和圖5。

2017年夏季，在偏南季風(fēng)作用下，流動(dòng)自遼東灣東岸北上，在西岸向南流出，污染物隨流動(dòng)自東岸輸移至西岸(圖4)，與春季和秋季監(jiān)測(cè)結(jié)果相比，夏季在遼東灣(錦州)近岸海域出現(xiàn)無機(jī)氮含量高值區(qū)，見圖2(b)。

普蘭店灣春、夏、秋均出現(xiàn)高值區(qū)(圖2)，沿岸注入該灣的有普蘭店河、石河等[31]，主要由于灣內(nèi)流動(dòng)很小，同時(shí)近年來灣內(nèi)的大面積養(yǎng)殖行為已經(jīng)破壞了原始岸灘地形地貌，造成海灣納潮量急劇減少[32]，污染物在灣內(nèi)難以擴(kuò)散。

2017年夏季，在秦皇島、葫蘆島近岸海域2股流動(dòng)交匯(圖4)，其環(huán)流結(jié)構(gòu)與春季、秋季不同(在春季和秋季，流動(dòng)沿岸一路北上進(jìn)入遼東灣)，造成夏季秦皇島近岸海域出現(xiàn)無機(jī)氮含量高值區(qū),見圖2(b)。

2017年春季，渤海灣北部存在一個(gè)順時(shí)針流環(huán)，灣頂西岸存在一個(gè)沿灣頂南下的流動(dòng)，在滄州近岸海域與魯北沿岸流交匯(圖3)，天津、滄州、濱州近岸海域受薊運(yùn)河、永定新河、北塘排污河、海河等影響[6,33]，在渤海灣灣頂南部、山東半島北部(東營、濱州海域)近海出現(xiàn)無機(jī)氮含量的高值區(qū)。與春季相比，夏季高值中心隨流沿岸遷移，主要集中在渤海灣灣頂，并且無機(jī)氮含量等值線均隨流向向高值中心擴(kuò)展，見圖2(b)。秋季渤海灣環(huán)流結(jié)構(gòu)與春季大致相同，流速大于春季，秋季渤海無機(jī)氮含量高值區(qū)與春季監(jiān)測(cè)結(jié)果基本相同，但污染范圍及強(qiáng)度均減小，見圖2(c)。

2017年春季，萊州灣內(nèi)呈現(xiàn)一個(gè)從灣西岸流入，灣東岸流出的大流環(huán)，灣西岸平均流速約為1.22 cm/s，灣東岸平均流速約為0.74 cm/s，灣內(nèi)污染物擴(kuò)散能力差(圖3)。黃河是中國北方和西北部最大的河流之一，其流經(jīng)9個(gè)省(區(qū))最終流入萊州灣，是萊州灣陸源輸入的主要部分[34-36]，污染隨流擴(kuò)散，致使春季萊州灣無機(jī)氮含量均較高。萊州灣位于黃河口東南側(cè)，黃河沖淡水對(duì)萊州灣內(nèi)的環(huán)流結(jié)構(gòu)有很大影響[21]，6—9月為黃河雨季，徑流大，研究發(fā)現(xiàn)夏季和秋季，萊州灣內(nèi)流向均與春季不同，尤其是在秋季，黃河徑流量增加后，黃河口附近海域流動(dòng)增強(qiáng)，流動(dòng)在到達(dá)萊州灣中部后甚至轉(zhuǎn)而向西，在黃河口附近形成逆時(shí)針流環(huán)，與壽瑋瑋等[21]研究結(jié)果相一致，流環(huán)的出現(xiàn)導(dǎo)致污染物在此聚集，故在夏季和秋季，污染物聚集在萊州灣西部，無機(jī)氮含量高值區(qū)集中在萊州灣西部近岸海域，見圖2(b)和(c)。

圖3 2017年春季渤海深度環(huán)流分布(左)和深度平均流速大小分布(右)Fig.3 Distribution of vertical averaged circulation (left) and currents (right) of the Bohai Sea in the spring of 2017

圖4 2017年夏季渤海深度平均環(huán)流(左)和深度平均流速大小(右)Fig.4 Distribution of vertical averaged circulation (left) and currents (right) of the Bohai Sea in the summer of 2017

圖5 2017年秋季渤海深度平均環(huán)流(左)和深度平均流速大小(右)Fig.5 Distribution of vertical averaged circulation (left) and currents (right) of the Bohai Sea in the autumn of 2017

整體來看，與以往研究人員[37-39]獲得的結(jié)論基本一致：渤海不同海域的交換能力基本取決于其環(huán)流結(jié)構(gòu)，遼東灣東岸、萊州灣東岸能很快地與外海水交換，污染物不容易聚集；在渤海灣，夏季偏南風(fēng)吹刮，海水向渤海灣西北角聚集，秋季風(fēng)轉(zhuǎn)向后渤海灣污染物濃度再次降低，遼東灣西部海域水體交換能力弱，導(dǎo)致污染物再次迂回富積。

4 結(jié)論

根據(jù)2017年渤海近岸海域無機(jī)氮監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和HYCOM數(shù)值模擬結(jié)果，分析渤海環(huán)流對(duì)無機(jī)氮污染分布特征的影響，結(jié)果表明渤海無機(jī)氮的空間分布特征與其環(huán)流結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，具體結(jié)論如下：

1)渤海無機(jī)氮含量高值主要集中在遼東灣北部(錦州、盤錦、營口)海域，普蘭店灣，秦皇島近岸海域，渤海灣灣頂，山東半島北部(濱州、東營海域)和萊州灣近岸海域。

2)受渤海環(huán)流的影響，在春、夏、秋季，無機(jī)氮含量高值區(qū)呈現(xiàn)不同的強(qiáng)度和范圍。在遼東灣，與春季相比，夏季環(huán)流結(jié)構(gòu)與春季相反、平均流速大于春季，盤錦、營口近岸海域夏季無機(jī)氮污染范圍縮小、含量降低，在錦州近岸海域亦出現(xiàn)高值；秋季，遼東灣環(huán)流結(jié)構(gòu)與春季大致相同，但整個(gè)渤海海區(qū)平均流速、渤海西岸平均流速、遼東灣北部(錦州海域)平均流速均比春季和夏季大，盤錦、營口海域無機(jī)氮污染物范圍和強(qiáng)度比夏季還小。在渤海灣和萊州灣，與春季相比，夏季和秋季無機(jī)氮含量高值區(qū)范圍縮小，無機(jī)氮含量等值線均隨環(huán)流向高值中心擴(kuò)展。

3)由渤海環(huán)流對(duì)近岸海域無機(jī)氮分布特征的影響分析可以看出，無機(jī)氮含量的高值區(qū)范圍、強(qiáng)度與環(huán)流的季節(jié)變化密切相關(guān)，污染區(qū)域處于擴(kuò)散能力弱的海域；不同季節(jié)的高值區(qū)位置大致與陸源輸入的位置相同，應(yīng)嚴(yán)格控制這些區(qū)域的陸源輸入。