威海市桑溝灣及周邊海域水質監測與評價

韓忠,邊雄飛*,宋其峰,王恒

(1.山東省第六地質礦產勘查院,山東省深部金礦探測大數據應用開發工程實驗室,山東 威海 264209;2.昌樂縣規劃編制研究中心,山東 昌樂 262400)

0 引言

海洋中蘊含著豐富的生物資源,這些生物資源已逐漸成為人類獲取食品和優質蛋白的“藍色糧倉”[1],在眾多沿海國家和地區,海洋經濟成為區域經濟發展的重要支柱。隨著捕撈業、養殖業的發展,出現了局部海水域環境惡化、漁業產品品質下降、養殖病害嚴重等問題[2-3]。與傳統海水養殖相比,海洋牧場更加重視海洋生態系統修復與生態環境保護,是實現海洋環境保護與漁業資源養護的重要舉措[4-5]。

截至2021年,中國國家級海洋牧場示范區已經有153個,其中,榮成市獲批國家級海洋牧場12個[6-7],省級海洋牧場17個;規模、體量均居全國前列,實現年收入約30多億元,帶動漁民增收6億多元。

桑溝灣是中國最東端、日出最早的海灣,位于威海市榮成中東部,海水水質優良,海產豐富,灣內有我國北方最大規模的海上網箱養殖。注入桑溝灣的河流共十余條,主要河流有桑溝河、十里河、沽河和崖頭河等,年徑流總量約為2×108m3,約為灣內總海水體積的17%,年沙輸入量為17.1×104t[8-9]。桑溝灣海洋牧場先后被農業部授予“國家級海洋牧場”“國家級休閑漁業示范基地”“水產健康養殖示范場”和“河鲀魚協會副會長單位”等稱號,具有顯著的海洋牧場集聚性優勢。提升現代化海洋牧場的建設質量需要加強環境監測和管理,必須重視海洋生態環境的保護,為漁業資源的持續發展提供安全穩定的生態環境[10]。水質調查有利于了解海洋牧場海區的環境本底現狀,有利于了解海洋功能區劃執行現狀以及與未來發展適應性,為海洋牧場建設和海洋生態保護提供科學依據。本研究基于榮成市桑溝灣及鄰近海域30個站位共100個海水樣品,分析了研究區海水水質特征,結合海洋功能區劃對研究區海水水質狀況做出評價。

1 樣品與方法

1.1 樣品采集

山東省地質礦產勘查開發局第六地質大隊于2019年10月在研究區進行了30站位海水水質調查工作,根據不同水深,不同站位采樣2～5層,共采集海水樣品100件(圖1),海水水質研究包括水深、溫度、透明度、水色、pH、鹽度、溶解氧、化學需氧量、氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽、活性磷酸鹽、汞、鎘、鉛、鉻、砷、銅、鋅、石油類、活性硅酸鹽等21個水質要素,相關分析方法見表1。相關分析嚴格按照《海洋調查規范》和《海洋監測規范》的規定進行實驗室分析,采用實驗室自控平行樣分析、現場密碼樣平行樣分析、加標回收樣分析等進行實驗室內質量控制。

表1 海洋水質水文分析方法

1—水系;2—等深線;3—水質、水文站位

1.2 評價方法與標準

桑溝灣及鄰近海域水質評價采用單一要素評價的基礎上進行綜合指數評價。單一要素評價將各站點的水質測量數據與《海水水質標準》(GB3097-1997)中的標準數據進行比對,通過判斷各項水質要素的達標情況篩選主要污染要素[11-12]?；谶x定的19項水質要素,開展綜合水質評價,建立綜合評價指標體系,各指標權重利用層次分析法確定,最后根據指標賦值和加權求和計算桑溝灣及鄰近海域的水質綜合指數,以反映研究區域海水質量的整體情況[13]。

根據《海水水質標準》(GB3097-1997),根據海域的使用功能和保護目標,我國海水水質分為4類(表2)[14],各類水質的適用范圍如表3所示。

表2 海水水質標準(GB3097-1997)

表3 海水水質適用范圍(GB3097-1997)

1.2.1 單因子標準指數法

標準指數按如下方法計算:設某水質要素一類、二類、三類和四類標準的標準值分別為a,b,c,d,某測量站位該要素測量值為y,設該站位該要素標準指數的值為x[15]。

單位:mg/L,除pH外。

如果y

如果a

如果b

如果c

如果y>d,則x=SQRT((y-c)/(d-c))+3。

該標準指數在評價中的使用,按以下規則判斷:

x≤1,則該要素符合一類海水水質標準;

1

2

3

海水pH有其特殊性,評價標準是一范圍值而不是確定的某一個數值[16],pH的評價標準值為7.8～8.5,計算公式為:

IpH.i=|Ci-8.15|/(C上-8.15)

(1)

式中:IpH.i為pH的標準指數;C上為pH評價標準上限值;Ci為pH的實測值。

溶解氧標準指數計算公式如下:

(2)

式中:SiDO為第i站溶解氧的標準指數;DOi為第i站溶解氧的測量值(mg/L);DOf為與第i站溶解氧樣品相同溫度、相同鹽度條件下溶解氧的飽和濃度值(mg/L);DOs為溶解氧的評價標準值(mg/L)。

1.2.2 綜合指數法

海水質量綜合評價采用內梅羅指數法。內梅羅指數法是當前國內外進行水質綜合指數計算最常用的方法之一,通過該方法可以對水質污染做出定性分析和定量評價。該方法為計權型多因子環境質量評級方法,具有兼顧極值或突出最大值的特點[17],能夠較全面地評價海域的水質狀況。

在單項組分評價的基礎上,按式(3)和式(4)計算內梅羅綜合污染指數F。

(3)

(4)

表4 海水質量級別劃分

2 水質分析研究結果

研究區海域水深在5.2～41.1m之間,最深在28站位,最淺在5站位。水溫在17.4～20.6℃之間,最高溫度在30站位,最低溫度是22站位。水色在8～16之間,最高值在4站位,最低值在27、28站位。透明度在0.6～4.7之間,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,顯堿性,標準指數介于0.086～0.343,19號站位第4層(取樣深度19m)和20號站位第3層(取樣深度10m)pH最大為8.12,對應標準指數最小值0.086,pH最小值出現在2號站位第2層(取樣深度5m),對應標準指數最大值0.343,各層位標準指數分布如圖2所示。

a—海表層;b—5 m深度;c—10m深度;d—19 m深度

2.2 鹽度特征

各站位海水中鹽度介于28.9054～31.9512PSU,最大值出現在23號站位第1層(海表層),最小值出現在8號站位第2層。年平均鹽度表層為31.76PSU,底層為31.77PSU,表層和底層鹽度基本相同,且全年的平均鹽度平面分布趨勢大體一致。受沽河水流入的影響,位于沽河口外的22站位鹽度偏小。

2.3 懸浮體含量特征

各站位海水中懸浮物介于3.60～39.0mg/L,最大值出現在2號站位第5層,最小值出現在20號站位第1層。

2.4 溶解氧含量特征

各站位海水中溶解氧濃度介于7.02～8.30mg/L,最大值出現在29號站位第1層,最小值出現在25號站位第4層。

2.5 海水中化合物成分特征

研究區海水中化學需氧量濃度介于0.320～1.44mg/L,最大值出現在9號站位第3層及13站位的第2層,最小值出現在4號站位第4層;活性磷酸鹽:各站位海水中活性磷酸鹽濃度介于0.00214～0.0141mg/L,最大值出現在12號站位第3層,最小值出現在1號站位第1層;各站位海水中無機氮濃度介于0.0452～0.172mg/L,最大值出現在8號站位第3層,最小值出現在26號站位第1層;各站位海水中石油類物質濃度介于0.0258～0.0696mg/L,最大值出現在16號站位第1層,最小值出現在4號站位第1層;各站位海水中硅酸鹽濃度介于0.0180～0.336mg/L,最大值出現在6號站位第3層,最小值出現在24號站位第1層。

2.6 海水中化學元素分布特征

各站位海水中銅濃度介于0.000559～0.00601mg/L,最大值出現在25號站位第2層,最小值出現在8號站位第3層;各站位海水中鋅濃度介于0.0000619～0.0257mg/L,最大值出現在8號站位第3層,最小值出現在17號站位第2層及13號站位第4層;各站位海水中鉻濃度介于0.000178～0.0416mg/L,最大值出現在3號站位第2層,最小值出現在9號站位的第3層;各站位海水中汞濃度介于0.00000582～0.000137mg/L,最大值出現在5號站位第4層,最小值出現在2號站位第1層;各站位海水中鎘濃度介于0.0000730～0.00221mg/L,最大值出現在30號站位第1層,最小值出現在25號站位第1層;各站位海水中鉛濃度介于0.000587～0.00464mg/L,最大值出現在20號站位第2層,最小值出現在10號站位第4層;各站位海水中砷濃度介于0.00147～0.00414mg/L,最大值出現在18號站位第2層,最小值出現在5號站位第4層。

3 水質現狀分析研究與評價

3.1 單一要素分析

(1)從要素種類上看,區域海水水質pH、溶解氧、無機氮、活性磷酸鹽、化學需氧量以及鉻、砷全部符合第一類海水水質標準。主要污染物為石油類、銅、鉛、鋅、鎘和汞。主要污染物的濃度分布如圖3所示。石油類高值區集中在桑溝灣海域的西部沿岸近海和中部,該區域主要為港口區和航道區,低值區覆蓋其他大部分海域,高值區較為集中,低值區較分散;銅元素的高值區出現在研究區中南部,低值區分布在研究區海域的西部、西北部,東部和東北部海域,高值區和低值區較集中;鉛元素高值區覆蓋海域的中部和西部,范圍較大,整體向東部有遞減的趨勢,低值區主要分布在沿岸的近海地區,較為分散;鋅元素高值區主要集中在研究區的中部海域,總體分布形勢為NW—SE方向,低值區分散在北部和南部,較為分散;鎘元素高值區主要分布在南部,整體向南發展趨勢,低值區覆蓋其他大部分區域;汞元素高值區主要分布中部和南部,覆蓋研究區海域大部分海域,整體向南發展,低值區僅分布在北部。

a—石油類;b—銅;c—鉛;d—鋅;e—鎘;f—汞

銅、鉛、鋅、鎘、汞全部符合第二類海水水質標準;石油類9號、18號等部分站位超過了第二類海水水質標準,占總調查站位的6.7%,但符合第三類海水水質標準。

(2)從站位分布上看,站位1符合第一類海水水質標準;站位13、15、16符合第三類海水水質標準,石油類是主要污染物;其余站位均符合第二類海水水質標準,重金屬鉛、鋅以及汞是主要污染物,如圖4所示。研究區域無超過第三類海水水質標準的站位。

1—水系;2—等深線;3—一類水質;4—二類水質;5—三類水質

(3)從垂向分布上看,表層水的水質普遍優于深層水,圖5為不同海水層pH標準指數分布特征。

a—海表層;b—5m深度;c—10m深度;d—19m深度

(4)滿足功能區水質要求方面看,研究區海域位于桑溝灣及鄰近海域,根據《威海市海洋功能區劃(2013—2020年)》,該區域功能區主要包括:桑溝灣增養殖區、桑溝灣-鏌铘島養殖區,海水水質要求不劣于二類標準;桑溝灣北部、西南和南部具有榮成灣水產種質資源保護區、楮島周邊藻類水產種質資源保護區和魁蚶水產種質資源保護區,要求海水水質不劣于一類標準;桑溝灣北部有榮成港口區,要求水質不劣于四類標準,外部有航道區、錨地區,要求水質不劣于三類標準該海域。各站位所在功能區的分布情況見圖6。

1—水產種質資源保護區;2—養殖區;3—增殖區;4—工業與城鎮用海區;5—港口區;6—錨地區;7—航道區;8—文體休閑娛樂區:9—風景旅游區;10—特殊利用區;11—保留區;12—水質、水文站位

研究區海域位于桑溝灣及鄰近海域,根據《威海市海洋功能區劃(2013—2020年)》,該區域功能區主要包括:桑溝灣增養殖區、桑溝灣-鏌铘島養殖區,海水水質要求不劣于二類標準;桑溝灣北部、西南和南部具有榮成灣水產種質資源保護區、楮島周邊藻類水產種質資源保護區和魁蚶水產種質資源保護區,要求海水水質不劣于一類標準;桑溝灣北部有榮成港口區,要求水質不劣于四類標準,外部有航道區、錨地區,要求水質不劣于三類標準該海域。

根據海洋功能區劃,站位1、4、24位于水產種質資源保護區內,水質要求滿足一類標準;2、3、5、6、7、17、18、20、21、22、23、26、27、28、29位于養殖區內,水質要求滿足二類標準;8、9、10、13位于航道區,水質要求滿足三類標準;11、12、14、15、16位于港口區,水質要求滿足四類標準;19位于錨地區,水質要求滿足三類標準;25、30位于保留區,對水質未做要求。

根據評價結果,站位1、4、24位于保護區內,除站位1滿足要求外,站位4、24均超過了第一類海水水質標準,符合第二類海水水質標準,超標要素主要是鎘和汞;站位8、9、10、13、19滿足航道區和錨地區要求的第三類海水水質標準;站位11、12、14、15、16滿足港口區要求的四類標準;站位2、3、5、6、7、17、18、20、21、22、23、26、27、28、29位于養殖區內,均能滿足養殖區要求的第二類海水水質標準。綜上,研究區域海水水質總體滿足功能區要求。

3.2 綜合評價

在單因子指數的基礎上,計算內梅羅綜合污染指數,并對海水質量進行等級劃分。研究區海水質量分為優良、良好和較好3個級別。在100個樣品中,海水良好級水樣有11件,占總數的11%;較好級水樣89件,占總數的89%,如圖7所示。

1—水系;2—等深線;3—良好;4—較好

4 結論

桑溝灣地理環境優越,海底地勢平坦,地質環境優等,海灣周邊工業污水輸入較少。研究區海水符合國家一、二類水質標準,水質清潔,其中桑溝灣口南部附近海域水質條件更優于其他海域。海水透明度高,營養鹽含量豐富,基礎生產力較高,適宜水產養殖活動,具備在此海域建設人工魚礁的水質環境。

雖然我國海洋牧場已經形成一定規模,并且初步實現了帶動海洋產業協調發展的目標,但是海洋牧場的建設仍然處在初級階段,未來還有較大的發展空間,加強現代化海洋牧場的生態環境監測、管理及相關技術研究,是未來保障我國海洋牧場產業可持續發展的重要保障。