引用本文
崔振昂, 滕德强, 张亮, 夏真, 林进清, 黄向青, 张顺枝. 广西廉州湾海水环境质量综合监测[J].中国地质调查, 2018,5(5): 74-84.
CUI Zhenang, TENG Deqiang, ZHANG Liang, XIA Zhen, LIN Jinqing, HUANG Xiangqing, ZHANG Shunzhi. Comprehensive monitoring of seawater environmental quality in Lianzhou Bay of Guangxi[J].Geological Survey of China, 2018,5(5): 74-84.  
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2018.05.10
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广西廉州湾海水环境质量综合监测
崔振昂, 滕德强, 张亮, 夏真, 林进清, 黄向青, 张顺枝
广州海洋地质调查局,广州 510760
通信作者简介: 夏真(1963—),男,教授级高级工程师,主要从事海洋地质环境调查研究。Email: xia-zhen@163.com。

第一作者简介: 崔振昂(1974—),男,博士,教授级高级工程师,主要从事海洋地质环境调查研究。Email: cuizhenang@163.com。

收稿日期: 2018-03-12
基金资助: 中国地质调查局“北部湾等重点海岸带综合地质调查(编号: DD20160146)”项目资助
摘要

随着广西最大的河口三角洲廉州湾海洋环境压力的不断加大,地质环境综合监测评价工作难以满足经济发展和环境保护需求。结合前人研究成果和岸段排污特征,在廉州湾布设了20个监测站位,于夏、冬两季通过取样分析、现场测量等手段相结合进行数据采集,并分析了需氧量、营养盐、重金属等要素的时空分布以及变化特征。结果表明: 受径流输入和沿岸排污共同影响要素而变化较大,要素等值线呈现带状或者小尺度半闭合状分布,在南流江出海口等值线较为密集; 氮营养盐以硝酸盐(NO3-N)为主,平均含量0.066~4.35 mg/L,含量较高的重金属有Pb、Zn、Cd、As; 与历史数据对比显示营养盐增加明显,且化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)较高的状况并未有改善; 以滩涂养殖区污染最为严重,夏、冬两季几乎均为富营养化和重污染级,重污染等级比例两季平均值超过50.00%。总体上来看,该湾成为河流污染输入和周边陆源污染物的承纳海盆,并受到地质环境条件的限制而导致海水交换能力较差,现有污染状况同时还与人类对海岸利用开发加大有关。监测成果为进一步实施广西重点规划区海岸带立体化地质监测提供基本资料,并为当地海岸带防灾减灾等提供依据。

关键词: 海水环境质量; 监测; 评价; 廉州湾
中图分类号:X55 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2018)05-0074-11
Comprehensive monitoring of seawater environmental quality in Lianzhou Bay of Guangxi
CUI Zhenang, TENG Deqiang, ZHANG Liang, XIA Zhen, LIN Jinqing, HUANG Xiangqing, ZHANG Shunzhi
Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510760, China
Abstract

With the increasing of the marine environmental pressure of Lianzhou Bay, the largest estuarine delta in Guangxi, the comprehensive monitoring and evaluation of geological environment is difficult to meet the need of economic development and environmental protection. Combined with previous research results and pollutant discharge characteristics of coastal segments, the authors set up twenty monitoring stations in Lianzhou Bay, and these monitoring stations collected data by the sampling and analysis and in-site measurement in summer and winter respectively. And then the authors analyzed the spatio-temporal distribution and variation characteristics of the factors, such as oxygen demand, nutrients and heavy metals. The results showed that the factors are primarily influenced by runoff inflow and coastwise pollutant discharge. The distribution of the factors contours is banded or small-scale semi-closed, and the contours are dense in the estuary of Nanliu River. The nitrogen nutrients are mainly nitrates (NO3-N), whose average content is 0.066~4.35 mg/L, and the heavy metals with relatively high content include Pb, Zn, Cd, and As. The comparison with historical survey data shows that there is an obvious increasement in nutrients and the situation of high chemical oxygen demand (COD) is unimproved. The pollution grade in aquaculture area is the highest, with eutrophication and heavy pollution both in summer and winter, and the average ratio of heavy pollution grade is more than 50.00%. So, Lianzhou Bay has become the loading basin of river pollution inflow and surrounding land-based pollutants, and its seawater exchange capacity is poor because of the limit of geological settings. Meanwhile, the current pollution situation also has a relationship with human discharge and coastal utilization. The monitoring results can provide basic data for the further three-dimensional geological monitoring along the coastal zone of the key planning area in Guangxi, and give reference to disaster prevention and mitigation of the local coastal zone.

Keyword: seawater environmental quality; monitoring; evaluation; Lianzhou Bay
0 引言

广西海岸带处于亚热带湿润季风气候区, 雨量充沛, 植被茂密, 海岸曲折且类型多样, 有河口三角洲海岸等, 滩涂宽阔连绵[1, 2, 3], 开发利用价值巨大。经济发展和人口增加对自然环境和资源带来了压力。据有关资料统计, 沿海围垦造地及养殖日趋严重, 对航道、岸线、红树林等造成了影响, 养殖区发生虾病、赤潮、传染病菌以及红树林虫害等问题[1, 2, 3]。广西近岸海域岸段地质环境差异明显, 海岸脆弱性高, 陆域、海洋、地下水相互联系性较强[1, 2, 3]。然而, 现阶段地质环境监测工作较为分散, 起步也较晚, 难以满足社会发展的要求。因此, 中国地质调查局实施了“ 北部湾广西近岸海洋地质环境与地质灾害调查” 项目, 并开展了广西近岸海滩剖面和基线监测试点工作, 成果已应用于当地海岸保护和生态修复等。现在总结前人工作的基础上, 又全面地展开了地质环境综合监测工作, 其中海水环境质量监测是重要的工作内容, 为进一步开展立体化地质环境综合监测评价提供数据。

1 研究区概况

廉州湾年平均气温为22.5 ℃, 全年风向具有明显的季节性变化[1, 2]。热带气旋主要影响时间集中于夏季7— 9月。广西海域处于云贵高原东南侧, 自高原南下的冷空气高度落差大, 常造成沿海地区风灾, 暴雨也是常见的灾害天气之一, 以5— 9月最多。廉州湾潮流为不正规全日潮, 平均流速20~50 cm/s, 以风浪为主, 夏季水温达到最高, 而冬季则降至最低, 入海河流有广西最大河流南流江, 周边还有大风江、钦江、茅岭江等地区性河流, 径流量季节变率明显。该湾最大水深8 m, 平均坡降0.70× 10-3, 水下地形较平缓[1, 2, 3], 鱼虾资源丰富, 沿岸分布有典型亚热带红树林自然生态保护区。

2 监测技术方法
2.1 站位部署

依据整体工作部署并结合广西海岸带地区发展规划需求, 参照前人在廉州湾进行的海洋生产力、水质、营养盐、赤潮、底栖生物群落、主要污染物运动扩散等研究成果[4, 5, 6, 7, 8, 9, 10], 并借鉴国内外海水监测技术方法[12, 13, 14]进行监测工作部署。监测区覆盖廉州湾共20个站位, 分为冬季和夏季采集监测要素时空数据, 并进行对比、分析和评价等。鉴于我国近岸水域陆域排污量和污染物种类呈增加趋势[15, 16, 17, 18], 监测项目设置为营养盐、重金属等, 充分运用当前调查手段和测试技术, 并参照《海岸带(海区)地质环境监测规范》(DD 2012— 05)、国家《海洋监测规范》(GB 17378.4— 2007)等。

图1 工作区位置图和站位布设图Fig.1 Work area location and monitoring stations layout in Lianzhou Bay

2.2 技术方法

监测使用的主要技术手段[11]包括: ①高精度的差分GPS导航定位系统; ②双频单波束测深仪; ③高精度和高分辨率Multi350i便携式多参数监测仪, 其中pH值检出限为0.01, 盐度为0.1‰ , 悬浮物为2 mg/L, 水温为0.1 ℃分辨率; ④实验测试仪器有UV-759紫外可见光分光光度计(0.000 6~0.08 mg/L, 检出限, 下同)、TOC-VCPH总有机碳分析仪(0.3 mg/L)、ZEEnit 700原子吸收分光光度计(0.000 03~0.003 1 mg/L)、AFS9700原子荧光光度计(0.000 03~0.000 5 mg/L)等; ⑤化学需氧量(chemical oxygen demand, COD)采用碱性高锰酸钾法, 25 mL滴定管, 检出限为0.15 mg/L; ⑥生化需氧量(biochemical oxygen demand, BOD)采用SPX-250生化培养箱进行5 d培养, 25 mL滴定管, 检出限为1.0 mg/L; ⑦按照质量管理规定和测试标准进行测试仪器的检测与标定工作。在测试过程中进行了质量监控, 使用国家一级标准物质进行测试结果比对, 并对本批样品采用随机抽样方法, 重复抽取样品编成密码进行分析, 经审核样品测试合格率达到监测技术规程要求。

3 主要监测成果
3.1 要素基本特征

3.1.1 常规理化要素

海水温度、盐度、pH值是描述水团运动和性质的基本指标, 总碱度指中和一定体积海水所需酸量, 是划分水体性质指标之一, 悬浮物是指悬浮在海水中的固体物质, 包括不溶于水中的无机物、有机物以及微生物等。廉州湾夏、冬两季上述要素的监测结果见表1。

表1 廉州湾常规理化要素统计 Tab.1 Concentration statistics of regular physical and chemical factors in Lianzhou Bay

3.1.2 需氧量

BOD是反映水中有机污染物的一个总体指标, 是指在一定期间内, 微生物分解一定体积水中的某些可被氧化物质特别是有机物质, 所要消耗的溶解氧的数量; COD是采用一定的强氧化剂还原处理水样物质所需要消耗氧化剂量, 水中的还原性物质有各种有机物、亚硝酸盐、硫化物、亚铁盐等, 这些物质往往与水体受到污染有关。廉州湾夏、冬两季需氧量监测结果见表2。

表2 廉州湾有机污染物浓度统计 Tab.2 Concentration statistics of organic pollutants in Lianzhou Bay

3.1.3 营养盐

生源要素的主要组成部分是营养盐, 源于地球生物化学过程以及人类活动的排放, 我国氮营养盐排放和大气沉降通量维持在较高水平, 并呈现增加的趋势。 硝酸盐(NO3-N)是海洋浮游生物的主要营养盐之一, 是无机氮再生过程的最终产物, 是可溶性无机氮的化合物中最稳定、最丰富的形式, 其分解转化主要受生化与物理因素制约, 而硝酸盐可被细菌还原成为亚硝酸盐(NO2-N), 再进一步转换为氨氮(NH4-N); P为海水生物的营养要素之一, 在水中溶解的无机磷以正磷酸盐(PO4-P)形式存在。夏、冬两季营养盐监测结果见表3。

表3 廉州湾营养盐浓度统计 Tab.3 Concentration statistics of nutrients in Lianzhou Bay

3.1.4 重金属

重金属为非降解型物质, 具有生物毒性累积和食物链传播的特征。对环境产生污染的重金属有Pb、Zn、Cu、As、Cr等, 亦为我国环境监测项目的主要部分, 在廉州湾进行了该7项重金属监测, 其中含量较高的重金属的监测结果见表4, 两个季节的Cu、Hg、Cr含量低, 甚至低于检出限, 未作列出。

表4 廉州湾重金属浓度统计 Tab.4 Concentration statistics of heavy metals in Lianzhou Bay

总体来说, 水温、盐度、pH值、总碱度、悬浮物浓度、BOD、COD均为夏季> 冬季, 盐度在夏季高于冬季可能与出海径流下泄推动底层盐水上溯补偿有关; 对于营养盐和重金属来说, 夏季< 冬季的有硝酸盐、磷酸盐以及重金属Zn, 与冬季径流收缩, 湾内排放聚集有关, 而夏季> 冬季的有亚硝酸盐、氨氮和重金属Pb、Cd、As, 与夏季生化活动活跃以及径流大量输入等有关。

3.2 要素空间分布特征

3.2.1 常规理化要素

夏季水温较高, 其等值线多为半闭合状分布, 从远岸到近岸逐渐降低, 冬季水温等值线呈带状逐步向外递减(图2(a)和(b))。由于夏季养殖活动相对更为活跃, 水温除了南流江河口呈现带状分布之外, 还有以近岸生活排污处、养殖滩涂区为中心的半封闭小型低值区, 而海湾中心水域由于水深较深、热容量较大、受到干扰小而保持水温较高。还可见到, 南流江出海口水温等值线密集, 夏季和冬季温度梯度依次为0.14 ℃/km、0.69 ℃/km; 夏季盐度受径流影响, 等值线分布呈现由北向南逐渐递增的趋势, 最高值位于廉州湾中心水域一带, 多数大于28‰ 。相对来说, 盐度表现出一定的保守性, 夏、冬两季均为自内向外递增的带状分布(图2(c)和(d)), 夏、冬两季最低值均位于北部的南流江河口处, 等值线仅为1‰ ~2‰ 。在南流江出海口盐度等值线同样呈现密集态势, 夏、冬两季盐度平均梯度依次为2.10‰ /km、2.3‰ /km。

图2 廉州湾夏季、冬季温度和盐度分布Fig.2 Temperature and salinity distribution of summer and winter in Lianzhou Bay

夏季pH值等值线总体呈北低南高的阶梯状分布; 冬季pH值分布格局与夏季基本相同, 均在廉州湾北部滩涂区相对较低, 一般< 7.2(图3(a)和(b))。夏季总碱度等值线分布以廉州湾东南沿岸最高, 均高于95 mg/L, 东北部和西北部水域总碱度浓度最低, 均低于70 mg/L(图3(c)和(d)); 冬季总碱度等值线总体上由中心区域向四周逐渐递减, 最低值出现在西场镇滩涂区为50 mg/L, 最高值出现在中心区域为100 mg/L。东北部滩涂区由于水浅易受扰动, 悬浮物浓度高于中部海域且水平梯度明显, 随着离岸距离增大, 悬浮物浓度逐渐降低; 冬季悬浮物浓度分布不均, 由于呈现团块运动方式, 出现多个小尺度高值区, 以西南部湾口浓度最高(图3(e)和(f))。

图3 廉州湾夏季、冬季pH值、总碱度和悬浮物浓度分布Fig.3 pH, total alkalinity and suspended matter distribution of summer and winter in Lianzhou Bay

3.2.2 需氧量

廉州湾水域夏季BOD仅有4个站位检出, 且浓度≤ 2 mg/L, 冬季检出站位达到8个(图4(a)和(b)); 夏季COD等值线呈由北向南逐渐递减的阶梯状分布, 以近岸滩涂地区浓度偏高, 最高值出现于东北部滩涂区, 冬季COD等值线分布格局与夏季相似, 最高值同样出现于北部滩涂区和南流江入海口(图4(c)和(d))。

图4 廉州湾夏季、冬季BOD和COD分布Fig.4 BOD and COD distribution of summer and winter in Lianzhou Bay

3.2.3 营养盐

夏、冬两季的NO3-N和NO2-N浓度等值线均呈现自河口向湾外递减的总体态势, 而NH4-N浓度等值线均以养殖区和东南生活排污区含量较高, 3项氮营养盐分布显示出受到径流、滩涂养殖区和近岸区域排放影响的特点(图5(a)~(f)); 两个季节PO4-P浓度等值线分布的总体态势与氮营养盐类似, 均呈现由北向南逐渐递减的阶梯状分布特征, 最高值出现于东北部滩涂区, 远岸海域则浓度较低(图5(g)和(h))。

图5 廉州湾夏季、冬季氮营养盐和PO4-P浓度分布Fig.5 Nitrogen nutrients and PO4-P concentration distribution of summer and winter in Lianzhou Bay

3.2.4 重金属

主要重金属Pb、Zn、Cd、As的浓度等值线分布显示, 受到径流排入和沿岸排污交汇的影响, 有2种基本分布形态: ①总体呈现由中心水域向四周递减或向湾外递减的趋势, 有夏季的Pb、Zn、Cd、As以及冬季的Pb和As(图6(a)、(b)、(c)、(e)、(g)和(h)); ②以沿岸排污区为中心呈现半封闭状等值线分布, 这样的有冬季Zn和Cd(图6(d)和(f))。

图6 廉州湾夏季、冬季重金属浓度分布Fig.6 Heavy metals concentration distribution of summer and winter in Lianzhou Bay

4 讨论

(1)数据对比显示, 南流江出海口上游3个控制站位的盐度≤ 1‰ , 表明为淡水所控制, 可代表出海口上游河流要素分布特征, 其溶解氧平均含量为5.78 mg/L, 与湾内平均值5.45 mg/L相近。但其BOD和COD依次为5.78 mg/L、2.75 mg/L, 比廉州湾内总体平均值分别高出了108.33%、442.13%; 营养盐之中的NO3-N两者相近, 而NO2-N、NH4-N、PO4-P平均为0.07~1.34 mg/L, 依次高出1 008.93%、372.52%、67.40%, 可见河流沿程汇聚了高含量的污染物质, 输入湾内之后经历了扩散以及生化转换, 廉州湾成为陆域污染物入海的承纳水域; 绝大部分重金属也同样如此, 上述该3个控制站位重金属含量平均为0.002~0.008 mg/L, 高出湾内平均值35.71%~789.21%, 只是Zn有所降低, 幅度为-41.68%, 可能与廉州湾沿岸排污有关。

(2)廉州湾东南部沿岸排污处具有总碱度最高的特点, 说明其排除废水和污水之中各类杂质较多。夏季由于湾汊贯通, 生化活动活跃, 腐殖质产物丰富, 并随径流泥沙大量排入海湾, 所以悬浮物浓度随之大幅度增加, 平均增幅达到457.03%。由于沿岸养殖区和次一级湾汊养殖排污较为集中, BOD均在这些区域附近达到最高, 即使在夏季泄入湾内径流量较大时也是如此。径流带来淡水的同时, 也带来了污染物输入, 故COD仍然以南流江出海口浓度最高。虽然受到潮流运动的混合扩散作用, 但养殖区附近COD居高不下, 说明其污染物排放的持续性。大量残渣和污染物的降解和转化需要消耗氧气, 尤以夏季光热条件好, 生物活动活跃, 径流输入量大, 对氧气的消耗尤为突出[19, 20, 21, 22]。对比监测站溶解氧数据, 出现了多个低溶解氧站位, 浓度范围为3.50~4.34 mg/L, 均低于4.50 mg/L, 冬季个别站位也出现低氧, 以上多分布于东北部滩涂养殖区(表5)。

(3)由前面可见, 重金属浓度等值线具有多种分布形态, 与径流输入和沿岸排放交汇有关, 但在夏季由于径流强大, 浓度以向湾外递减为主, 冬季由于径流萎缩和向外推动力减弱, 湾内排污处污染物堆积, 在养殖区和北海半岛以西港口作业区等出现高浓度, 以Zn和Cd为代表。

表5 廉州湾低溶解氧站位分布 Tab.5 Monitoring stations distribution of low dissolved oxygen in the Lianzhou Bay

(4)对比前人1996— 2000年廉州湾的环境监测数据, 其COD、溶解态无机氮(dissolved inorganic nitrogen, DIN)(为前述三氮之和)、溶解态无机磷(dissolvecl inorganic phosphoras, DIP)(即PO4-P)逐年变化范围依次为1.40~1.74 mg/L、0.38~0.54 mg/L、0.005~0.017 mg/L, 平均值依次为1.52 mg/L、0.44 mg/L、0.008 mg/L, 可得平均增幅为23.03%、82.32%、468.75%, 再进一步对比2001— 2003年廉州湾渔业生态环境调查数据, 其COD、DIN、DIP数据平均依次为1.92 mg/L、0.129 mg/L、0.004 5 mg/L, 增幅依次为-2.34%、522.10%、903.53%, COD基本持平, 总体上说明了廉州湾营养盐呈增加趋向, 且COD并未有改善。

(5)现有污染状况与廉州湾地质环境条件有密切关系。位于东南部的北海半岛以楔状向西延伸, 对外海潮波传入形成阻挡作用, 使得湾内尤其是东部水体物质容易滞留于沿岸, 降低了湾内外水体交换能力; 廉州湾东西相邻的铁山港、钦州湾狭长喇叭形海湾的中部发育有潮流冲刷深槽, 形成为槽脊动力地貌体系, 涨落潮流和过水量较为集中, 但廉州湾以径流输入泥沙堆积水下三角洲向外淤进为主, 过水断面宽浅导致排水较为缓慢。该湾海底表层沉积物为砂-粉砂-黏土、砂、黏土质砂、粉砂质砂, 粒级以中砂、细砂、粉砂为主, 三者共计为86.54%, 该类颗粒对污染物具有吸附作用, 加上海底沉积物呈现半含水状态, 具有一定的松散度[1, 2, 3], 均易受扰动而再次悬浮造成二次污染。

(6)采用常用的富营养化综合指数(Ie)来确定富营养化阀值[1, 2, 3], 计算公式为

Ie=COD×DIN×DIP4500×106, (1)

式中: COD、DIN(mg/L)和DIP(mg/L)意义同前。

当Ie≥ 1, 表示水体富营养化。进一步利用综合水质指数法(WQI)进行评价, 再依据结果将水质划分为4个等级[1, 2, 3]: WQI≤ 0.70, 清洁级; 0.70< WQI≤ 0.95, 轻污染级; 0.95< WQI≤ 1.20, 中污染级; WQI> 1.20, 重污染级。

由主要分区综合评价结果可知(表6), 由于夏季径流输入大为增加, 加上气温升高加快有机质生成和降解, 滩涂养殖区均为富营养化, Ie为3.26~126.64, WQI为1.35~4.05, 均达到重污染级, 冬季虽然径流回撤, 但由于水动力弱又使得污染物堆积, 水质情况也是如此, 只是除了个别站位(GX36)略有改善, 变为贫营养化和轻污染级; 中部水域由于远离排污处, 两季水质有所改善, 富营养化和贫营养化程度参差, 除了轻、中、重污染级, 清洁级有所出现; 湾口(GX48站)接近开阔水域, 潮流扩散稀释作用强, 两季均为贫营养化和清洁级。总体来说, 夏季重污染级比例占68.75%, 冬季径流输入萎缩, 重污染级比例降为43.70%, 两季平均为56.23%, 由于沿岸生活和养殖排污持续, 两季富营养化程度高, 富营养化比例同样为81.30%。

表6 廉州湾海水营养化指数(Ie)和综合水质指数(WQI)分区统计 Tab.6 Divisional statistics of eutrophication index (Ie) and comprehensive water quality index (WQI) of Lianzhou Bay seawater
5 结论

(1)通过站位布设和不同季节进行取样测试以及研究评价, 基本查明了廉州湾海水质量综合要素的时空分布变化特征以及成因。要素分布随径流季节变化而改变, 夏季在径流推动之下, 要素自河口向湾外多呈带状分布, 冬季虽然径流收缩, 但湾内存在局部堆积的高值分布。该湾成为南流江河流污染输入和周边陆源污染的承纳海盆, COD、NO3-N维持在较高水平并未有改善, 局部重金属Pb、Zn、Cd、As含量较高。该湾以滩涂养殖区污染最为严重, 夏、冬两季以重污染级居多, 两季平均超过50.00%, 湾内富营养化程度居高不下, 所占比例均超过80%, 污染负荷总体较高, 应予以重视。

(2)监测成果为实施立体化地质环境监测和预警提供基础资料, 并为当地海岸带环境整治、生态维护、海洋规划等提供科学依据, 并且沿岸人类活动向海排污和整治还需要结合地质环境条件。监测结果揭示出要素时空变化性较大, 因此下一步还需要加强取样密度和进行时空建模工作。

(责任编辑: 刘永权)

The authors have declared that no competing interests exist.

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