考洲洋海域水質季節變化及評價方法初步研究

梁婷婷,王軍星,余清華,楊小平,鐘錦明

(惠州市海洋技術中心 惠州 516008)

0 引言

隨著近年我國打造海洋藍色生態經濟的快速發展,我國打造海洋藍色生態環境所應對面臨的環境挑戰和發展壓力也越來越大[1]。目前關于考洲洋海域海水水質狀況的分布特征與評價有一些相關報道,但間隔時間較長且分析方向也有不同[2-8]。由于考洲洋海域周邊經濟的繁榮和發展、項目的實施、人們環境保護意識的提高和環境整治工作力度的加強等原因,考洲洋海域的水質也在發生變化。通過合理的海水水質調查站位布設能夠較綜合、全面地反映考洲洋海域水環境狀況。為此,本研究通過對考洲洋2018年春、夏、秋、冬4個季節的水環境進行調查,探討其海水水質現狀以及富營養化季節變化情況,并依據季節變化下海水質量的變化,探究考洲洋季節更替對其海水水質的影響,為摸清考洲洋海域水環境現狀以及對水環境保護和管理提供技術支持。同時,本研究通過3種不同方法分別對考洲洋的污染情況進行了分析評價,探討單因子標準指數法、富營養化指數法以及有機污染評價指數法對當前考洲洋海域海水質量狀況評價的適用性,以期能夠為考洲洋海域生態環境的保護發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 站位布設

考洲洋海域整體水質調查總共設立10個監測站位,其網格化布設方式如圖1所示,調查海水水質站位主要考慮在考洲洋出海口、考洲洋中部海域、考洲洋內入海河口等進行網格化布設,以確保數據分析所得的監測結果能夠更加綜合地反映出整個考洲洋海域水環境狀況。

1.2 樣品采集

本次海水水質調查分別于2018年春季(4月)、夏季(7月)、秋季(10月)和冬季(1月)分4個航次進行,采集的站點海水深度超過10 m,采集表層(水下0.5 m)和底層(離底1 m)水質樣品,深度小于10 m只采集表層(水下0.5 m)樣品。在考洲洋調查除現場測定項目外,其余測定項目水樣低溫保存帶回實驗室進行檢測。采樣、保存、運輸均按照《海洋監測規范》(GB 17378.3—2007)[9]要求操作。

圖1 研究區域及采樣站位布設

1.3 樣品分析

海水樣品的溶解氧采用多參數水質分析儀(德國WTW Multi3501)測定;化學需氧量采用《海洋監測規范》GB 17378.4—2007(32)堿性高錳酸鉀法測定;無機氮即亞硝酸鹽氮(NO2-N)、硝酸鹽氮(NO3-N)和氨氮(NH4-N)之和,分別采用GB 17378.4—2007(37)、GB 17378.4—2007(38.2)、GB 17378.4—2007(36.2)測定;活性磷酸鹽采用GB 17378.4—2007(39.1)磷鉬藍分光光度法測定。

1.4 數據處理

本研究根據《惠州市海洋功能區劃(2013—2020年)》中考洲洋海域功能區劃將各站位按不同功能區進行劃分,其中K01屬于東山海增殖區,K02-K10均屬于考洲洋養殖區,K01-K10所在功能區海水水質質量均執行《海水水質標準》(GB/T 3097—1997)中第二類標準。

監測數據采用Excel進行數據處理,主要統計各營養鹽的最大最小值、平均值和計算各站點的單因子標準指數、富營養化指數以及有機污染指數等,并在ArcGIS的支持下經過加權平均和復合[10-11]分析得出考洲洋海域4個季度富營養化以及有機污染程度的空間分布特征。

1.5 評價方法

1.5.1 單因子標準指數法

單因子標準指數法[12-13]是利用實測值與標準值進行對比,確定水質各評價指標的等級,計算公式如下:

式中:Pi為某污染因子的污染指數即單因子污染指數;Ci為某污染因子的實測濃度(mg/L);Cio為某污染因子的評價標準濃度(mg/L)。

海水中溶解氧的單因子指數評價采用萊默羅(N.L.Nemerow)的指數公式計算,計算公式如下:

式中:Pi為溶解氧的污染指數;Ci為溶解氧的實測濃度(mg/L);Cio為溶解氧的評價標準濃度(mg/L);Cmax為本次調查中溶解氧的最大值。當P≤1時,表明該監測站位水體沒有遭受該因子的污染;當P>1時,表明遭受該因子的污染且P值越大污染越嚴重。

1.5.2 富營養化指數法

富營養化指數法[14-15]是目前常用于我國近岸海域富營養化評價的方法之一,計算公式如下:

式中:COD、DIN和DIP分別為海域水體中的實測濃度(mg/L),當E≥1時,表明該海域水體呈現富營養化狀態,E值越大,表明該海域富營養化程度越嚴重。其計算結果得出的富營養化指數對應的水質等級見表1。

表1 水質富營養化分級標準

1.5.3有機污染評價指數法

有機污染評價指數法[12,16]是根據DO、COD、DIN和DIP這4個水質因子的標準綜合評價水質的有機污染情況,計算公式如下:

式中:COD、DIN、DIP和DO分別為海域水體中的實測濃度(mg/L);CODO、DINO、DIPO和DOO為海域水體中上述對應指標的評價標準濃度(mg/L),當A>0時,表明該水體開始受到有機污染,A值越大,受污染的程度越嚴重。其計算結果得出的有機污染指數對應的污染程度等級見表2。

表2 有機污染程度評價分級標準

2 結果與討論

2.1 水質狀況及評價

由表3可知,4個季節的DIP平均濃度由大到小依次為:冬季(0.058 mg/L)、春季(0.046 mg/L)、夏季(0.009 mg/L)、秋季(0.006 mg/L);DIN平均濃度由大到小依次為:冬季(0.465 mg/L)、春季(0.171 mg/L)、夏季(0.064 mg/L)、秋季(0.040 mg/L);COD平均濃度由大到小依次為:夏季(1.57 mg/L)、冬季(1.26 mg/L)、秋季(1.22 mg/L)、春季(0.89 mg/L);DO平均濃度由大到小依次為:冬季(11.70 mg/L)、夏季(7.41 mg/L)、秋季(7.36 mg/L)、春季(7.18 mg/L)。

表3 2018年考洲洋水質監測數據及單因子指數評價

利用常規單因子評價可知(表3),春季超出功能區水質標準的站位占總監測站位的80%,夏季占10%,冬季占100%,秋季均符合功能區標準,超出功能區水質標準比例由高到低依次為:冬季、春季、夏季、秋季。春季超出功能區水質標準的站位主要位于吉隆河入海口以及鹽洲島西北部,夏季超出功能區水質標準的點位主要位于考洲洋西北部。冬季因為受到DIP因子的影響,整個考洲洋海域都呈現超出功能區水質標準的狀況。

2.2 考洲洋水質富營養化情況

富營養化評價(E)結果表明,冬季呈富營養化(E≥1)的監測站位占總監測站位的90%,春季占70%,夏季和秋季均未出現富營養化。富營養化指數由高到低依次為:冬季(7.340)、春季(2.765)、夏季(0.294)、秋季(0.067),主要分布在考洲洋內灣。其中,冬季和春季的重富營養化(E≥5)主要分布于吉隆河入海口以及鹽洲島西北部往內灣逐漸增大,并且冬季在考洲洋西北部出現嚴重富營養化(E≥15),詳見圖2(a)～(d)和表4。

2.3 考洲洋有機污染情況

有機污染評價(A)結果表明,有機污染指數由高到低依次為:冬季(1.57)、春季(1.37)、夏季(-0.36)、秋季(-0.77),春季和冬季受到有機污染(A≥1)的站位占總監測站位的80%,主要分布在吉隆河入海口以及考洲洋西北部內灣,其中春季在鹽洲島麒麟河入海口出現了中度有機污染(A≥3),夏季和秋季均未受到有機污染,詳見圖2(e)～(h)和表4。

圖2 E值和A值水平分布圖

表4 2018年考洲洋富營養化指數與有機污染指數季度變化

續表

2.4 3種方法比較

通過單因子指數法、富營養化指數法和有機污染評價指數法對海水水質評價的結果對比基本保持一致(由高到低依次為:冬季、春季、夏季、秋季)。但是根據監測站位超標比例分析可知,單因子指數法結果表明考洲洋冬季超出功能區水質標準的站位占總監測站位的100%,春季占80%,夏季占10%,秋季均符合功能區標準;富營養化評價(EIM)結果表明冬季呈富營養化(E≥1)的站位占總監測站位的90%,春季占70%,夏季和秋季均未出現富營養化。有機污染評價指數法結果顯示春季和冬季受到有機污染(A≥1)的站位占總監測站位的80%,夏季和秋季均未受到有機污染。

單因子標準指數法對海域水質進行評價時,執行的水質等級是最差的水質因子等級,即只要有一個水質因子超出海洋功能區的水質標準,其他水質因子等級無論多好,該海域也視為超出海洋功能區水質標準。單因子標準指數法較適用于海洋環境監管執法部門在日常海洋環境監督管理、重大涉海項目的海洋環評論證以及海域使用論證等必須參照最嚴格的海洋環境保護要求的情況。對2018年考洲洋水環境進行單因子標準指數進行評價時,超標因子DIP起了決定性的作用。

富營養化是指水體中營養鹽的過度累積導致藻類和其他高等植物的加速生長繁殖,對水體中各種生物平衡造成不良的環境干擾以及對整體水質的嚴重破壞。富營養化指數評價法在我國近海的富營養化評價中應用最為廣泛,多在水體發生水華和赤潮時評價水環境的狀況。

有機污染指數評價法綜合考慮了海水的有機污染和無機污染指標,利用COD、DIN、DIP和DO 4個水質指標對海水質量狀況進行評價,能反映水質整體的有機污染狀況[17]。

富營養化指數評價法和有機污染指數評價法在對海域的水環境進行評價時都充分考慮各水質評價因子對水環境評價的影響。兩種評價方法都計算了COD、DIN、DIP對水環境污染的影響,區別是有機污染評價指數法還計算了DO對水環境污染的影響,DO是水體中各種生物生存不可或缺的關鍵因子[18-19],其中DIP、DIN都是消耗DO的水質因子。利用富營養化指數評價法和有機污染指數評價法在對2018年考洲洋水環境進行評價時,春季和冬季考洲洋西北部內灣均出現了富營養化(E≥1)和有機污染(A≥1)的情況。

3 結論

本研究通過對考洲洋海域2018年4個季度水質狀況分析得出以下結論:

(1)2018年考洲洋海域海水中的DIP、DIN、COD和DO平均濃度的季節變化由高到低依次為:冬季(0.058 mg/L)、春季(0.046 mg/L)、夏季(0.009 mg/L)、秋季(0.006 mg/L);冬季(0.465 mg/L)、春季(0.171 mg/L)、夏季(0.064 mg/L)、秋季(0.040 mg/L);夏季(1.57 mg/L)、冬季(1.26 mg/L)、秋季(1.22 mg/L)、春季(0.89 mg/L);冬季(11.70 mg/L)、夏季(7.41 mg/L)、秋季(7.36 mg/L)、春季(7.18 mg/L)。

(2)根據惠州市海洋功能區水質標準評價結果顯示,2018年春季和冬季的主要超標因子為DIP和DIN,夏季的超標因子為DIP,秋季水質所有監測指標均滿足要求。考洲洋水質質量由高到低依次為:秋季、夏季、春季、冬季。

(3)通過單因子指數法、富營養化指數法和有機污染評價指數法對海水水質評價的季節性變化結果基本一致(由高到低依次為:冬季、春季、夏季、秋季)。但是根據超標站位比例分析可知,單因子指數法(P>1)結果顯示冬季占100%,春季占80%,夏季占10%,秋季均符合功能區標準;富營養化指數法(E≥1)結果顯示冬季占90%,春季占70%,夏季和秋季均未呈現出富營養化;有機污染指數評價法(A≥1)結果顯示春季和冬季均占80%,夏季和秋季均未受到有機污染。進一步分析結果可知,單因子標準指數法比較適用于海洋環境監管執法機構對水環境監督檢查,富營養化指數法適用于水體中發生水華和赤潮時評價水環境狀況,有機污染評價指數法能較好地反映整體的有機污染狀況,因此,3種評價方法具有不同的評價作用和適用性。