海洋工程對覺華島國家級海洋公園海域生態環境影響研究

張雪,張云,吳英超,張笑,龔艷君,尤廣然,孔重人

(1.遼寧省自然資源事務服務中心 沈陽 110001;2.遼寧省海洋水產科學研究院 大連 116023;3.大連市海域海島開發與保護研究重點實驗室 大連 116023)

0 引言

近幾年,隨著科學技術的不斷發展,人類對海洋的開發利用程度也在不斷增大[1]。由于開發方式粗放,缺乏科學管理,致使海洋生態環境出現了很多問題,主要體現在海水水質惡化、沉積物質量降低、水動力環境改變、海洋生物物種及生物量減少等方面[2-9]。目前,以海島為基礎的國家海洋公園建設是保護海洋生態環境的有效措施之一[10]。海洋公園建設是通過海洋生態環境保護,兼顧海洋景觀開發、海洋研究、休閑娛樂及環境教育為一體的發展模式,使海洋生態環境保護與社會經濟發展同時兼顧,受到社會各界的普遍認可[11]。自1963 年我國第一個海洋保護地——遼寧蛇島老鐵山國家級自然保護區建立以來,經過50余年的發展,我國已初步建成了以海洋自然保護區、海洋特別保護區(含海洋公園)為代表的海洋保護地網絡,在保護海洋生態環境和生物多樣性、推動陸海統籌、維護國家海洋權益等方面發揮了重要作用。截至2018年年底,我國共建各級各類海洋自然保護地271處,涉及沿海11個省、市、自治區,總面積達12.4 km2,其中國家級106處[12]。

覺華島位于遼寧省葫蘆島興城市海域,是渤海遼東灣第一大島嶼。2014年國家海洋局批準成立覺華島國家級海洋公園。公園總面積為10 249 hm2,其中海島面積為1 463 hm2(包括覺華島、磨盤山島、張家山島、楊家山島),占海洋公園總面積的14.27%。海洋公園的建立在一定程度上可統籌覺華島群島的開發與保護,最大限度地發揮區域和資源環境優勢,引導海島的合理開發利用,實現海島資源環境的可持續發展。近幾年,為提高中央分成海域使用金使用效益,增強我國管轄海域海島管理能力和水平,國家在覺華島周邊海域開展了一系列海洋開發項目,興建了一批海洋工程。因此,了解海洋工程建設對海洋環境造成的影響,加強海域環境管理顯得尤為重要。本研究根據2016—2019年在海洋工程建設前、中、后的海域現場監測結果,分析及評價覺華島海洋公園海域生態環境變化情況,為海域環境管理和污染控制提供依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究分別于2016年6月、2017年6月、2019年6月利用“遼葫漁25038”號調查船在覺華島周邊海域采集海水、沉積物及生物樣品,調查區域與站位見圖1。調查與站位布設方法依據《海洋調查規范》[13],樣品的采集、保存、運輸和分析按照《海洋監測規范》[14]的相關規定執行。

水質指標包括p H、溶解氧(DO)、化學需氧量(COD)、無機氮(DIN)、活性磷酸 鹽(PO4-P)、汞(Hg)、銅(Cu)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎘(Cd)和石油類;沉積物指標包括有機碳、硫化物、石油類、汞(Hg)、銅(Cu)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、砷(As);生物指標包括浮游植物、浮游動物、底棲生物的種類數、密度、生物量及香農-威納指數。

1.2 水質要素評價方法

海水水質評價采用單因子質量指數法[15]和內梅羅水質綜合評價法[16]。化學需氧量(COD)、無機氮(DIN)、活性磷酸鹽(PO4-P)、汞(Hg)、銅(Cu)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎘(Cd)和石油類的計算公式如下:

圖1 研究區域與監測站位分布

對于評價因子DO 和p H,其計算公式有所不同。DO 質量指數計算公式為:

式中:Cf為現場溫度、鹽度條件下水中氧飽和含量;C0為溶解氧的評價標準值;C 為溶解氧實測值。

p H 質量指數計算公式為:

式中:C下限為p H 評價標準值下限;C上限為p H 評價標準值上限;C 為p H 實測值。

本研究采用第二類海水水質標準(GB3097—1997)[17]。一般來說,如果I≤1,說明環境質量較好,水體較清潔;如果I＞1,則說明環境質量較差,水體受到了污染。

1.3 沉積物要素評價方法

沉積物質量評價采用單因子質量指數法[15]和綜合污染指數法[18],評價模式為:

產后出血是孕婦分娩過程中較為嚴重的并發癥以及產婦死亡的常見原因之一,其主要影響因素為產科因素,例如產程延長、體力消耗過多以及妊娠合并癥等,自身原因,例如產婦精神過度緊張、恐懼等以及子宮元素[3]。

1.3.1 單因子評價

單因子評價依據質量分數模式進行,其計算公式為:

式中:Pi為第i項評價因子的污染指數;Ci為某污染因子的實測值;CSi為某污染因子引用的評價標準值。

1.3.2 多因子評價

多因子評價采用加權評價模式,即把各污染因子的質量分數乘以各因子的權重值,再綜合成沉積物的環境質量總指數,然后進行評價。其計算公式為:

式中:ISQJ為沉積物的環境質量總指數;Wi為污染因子的權重值,∑Wi=1;Pi為i污染因子的質量分指數。

權重值代表各個污染因子對環境質量影響程度的比重分配。權重值可以根據污染因子的環境可容納量來確定,其計算公式為:

式中:Ki為i污染因子的環境可容納量,可由評價標準(Si)和背景值(C0i)來確定,其計算公式為:

本研究采用第一類海洋沉積物質量標準(GB18668—2002)[19]。與水質評價相同,若I≤1,說明環境質量較好,沉積物清潔;如果I＞1,則說明環境質量較差,沉積環境受到了污染。

1.4 生物要素評價方法

本研究采用香農-威納指數對海洋生物進行分析,計算公式為:

式中:H'為香農-威納種類多樣性指數;S 為樣品中的種類數;Pi為第i 種的個體數(ni)與總個體數(N)的比值。

一般來說,H'值越高,海洋環境越好;H'值低則說明海洋環境受到污染[20]。

2 結果與討論

2.1 海水水質評價及變化趨勢分析

影響海水水質環境質量的因素有很多,如工業廢水與生活污水的排放,海水養殖過程產生的廢水以及船舶的泄露與傾廢等,由于評價區域是國家級海洋類型特別保護區,管理尤其嚴格,對入海廢棄物處理標準要求非常高,故本研究忽略上述因素對海水水質的影響,僅考慮海洋工程的影響作用。

2016年、2017 年、2019 年,各 水 質 監 測 要 素 均符合二類標準,質量等級均為清潔。水質質量指數變化范圍分別為0.26～0.82、0.41～0.78、0.31～0.76,平均值分別為0.41、0.55、0.50,說明海域水質質量先降低再升高,但變化幅度不大。具體表現為p H、DO 平均含量無明顯變化,COD 在小幅范圍內波動,磷酸鹽、無機氮和石油類變化相對比較明顯,呈先增大后減小的變化趨勢(圖2)。重金屬平均含量整體水平較低,從大到小依次為鋅、銅、鉛、鎘、汞。整體變化趨勢相同,為先增大后減小(圖3)。

圖2 2016—2019年覺華島周邊海域海水監測要素平均含量變化

圖3 2016—2019年覺華島周邊海域海水重金屬平均含量變化

綜上所述,2016—2019年海洋工程的建設造成了覺華島周邊海域水質環境中磷酸鹽、無機氮、石油類以及重金屬含量在某時段內增高,但均未超過海水二類水質標準,水質保持清潔狀態。可見,海洋工程建設對覺華島周邊海域水質造成了一定負面影響,但影響較小。

2.2 海洋沉積物評價及變化趨勢分析

海洋工程在施工過程中,可能將油類和重金屬帶入沉積物中,會成為慢性污染源,導致沉積物中的油類、重金屬等污染物含量上升[21]。

2016年、2017 年、2019 年,各 沉 積 物 監 測 要 素均符合一類標準,質量等級均為清潔。沉積物綜合指數變化范圍分別為0.13～0.51、0.12～0.69、0.12～0.71,平均值分別為0.25、0.39、0.34,說明海域沉積質量先降低再升高,但變化幅度不大。具體表現為沉積物中有機碳、硫化物、石油類的平均含量呈先增大再減小的變化趨勢(圖4)。除汞外,其他重金屬的含量變化與有機碳和硫化物變化相同(圖5),這是由于水體中重金屬易與有機物、硫化物結合形成有機絡合物與硫化物而沉淀在沉積物中所致[22],而汞的含量2016—2017年呈增加趨勢,2017—2019年無明顯變化。

綜上所述,2016—2019年海洋工程建設造成了覺華島周邊海域沉積物環境中有機碳、硫化物、石油類以及重金屬含量在某時段內增高,但均未超過沉積物一類標準,沉積環境保持清潔狀態。可見,海洋工程建設對覺華島周邊海域沉積物造成了一定影響,但影響程度不大。

圖4 2016—2019年覺華島周邊海域沉積物監測要素平均含量變化

圖5 2016—2019年覺華島周邊海域沉積物重金屬平均含量變化

2.3 海洋生物評價及變化趨勢分析

2016年、2017 年、2019 年,覺 華 島 周 邊 海 域 浮游植物種類、密度、生物量和香農-威納指數呈先減少再增大的趨勢,浮游動物和底棲生物種類數變化不大,密度、生物量和香農-威納指數也呈先減少再增大的趨勢(表1)。由于海洋生物種類、密度、生物量、群落結構等與很多因素相關,如調查期間的溫度差異、水文條件不同均會引起其發生變化,故本研究不能完全反映海洋工程建設對其產生的影響,若要進一步了解還需進行更深入和持久的研究。

蔡立哲等[20]認為環境質量變化會影響生物種群結構,而香農-威納指數是生物種群結構的重要指標之一,故可根據香農-威納指數判別海洋環境質量狀況。根據上述分析,研究海域生態環境質量變化趨勢為先降低再增高,這與水質、沉積物的評價結果一致。

表1 2016年、2017年、2019年覺華島周邊海域海洋生物指標

3 結論

2016—2019年,本研究對覺華島周邊海域監測結果表明,水質監測要素均符合《海洋水質標準》第二類水質標準,沉積物監測要素均符合《海洋沉積物質量》一類標準。水質和沉積物的大部分監測要素平均含量年際變化均呈先降低再增加的變化趨勢。海洋生物物種數年際變化不大,在一定范圍內波動,密度、生物量、香農-威納指數年際變化趨勢與水質和沉積物變化基本相同。說明海洋工程建設對覺華島國家級海洋公園海域生態環境造成一定負面影響,但影響程度不大。