北塘口近岸海域水環境質量時空變化分析及預測

屠建波, 張秋豐, 牛福新, 徐玉山, 江洪友, 劉 洋

(1. 國家海洋局 天津海洋環境監測中心站, 天津 300450; 2. 天津市海洋環境監測預報中心, 天津 300450)

北塘口近岸海域水環境質量時空變化分析及預測

屠建波1,2, 張秋豐1,2, 牛福新1,2, 徐玉山1,2, 江洪友1,2, 劉 洋1,2

(1. 國家海洋局 天津海洋環境監測中心站, 天津 300450; 2. 天津市海洋環境監測預報中心, 天津 300450)

通過分析2005年—2010年北塘口及其鄰近海域水環境現場調查資料, 同時結合歷史數據進行對比, 結果表明： (1)北塘口河口水體中COD和BOD5超標嚴重, 整體污染態勢以2008年為界呈現先降低后升高的趨勢; 鄰近海域水體中無機氮為最主要污染物, 其中硝酸鹽是無機氮中最主要組成部分, 但豐水期時亞硝酸鹽氮和枯水期時銨鹽氮所占比例逐年升高, 說明區域水體氧化還原環境的潛在變化;N/P比值遠高于正常的Redfield 16比值表明, 區域水體已處于潛在嚴重P限制狀態, 同時, 區域嚴重富營養化狀態也極易誘導區域赤潮爆發; (2)豐水期陸源無機氮大量輸入, 使區域水體大部分時間超該區域功能區劃要求的Ⅳ類海水水質標準, 但底質沉積物環境相對比較穩定, 各監測項目全部符合一類海洋沉積物質量標準要求; (3)豐水期和枯水期時, 活性磷酸鹽含量1983年—1998年分別增加了16.6倍和17.2倍, 1998年—2010年由于監控措施的加強, 極大地降低了P排放, 豐水期和枯水期時活性磷酸鹽含量最大增幅分別降到了5.84倍和2.33倍, 無機氮含量增幅也呈現明顯減小趨勢, 1983年—1998年豐水期和枯水期分別增加了8.37倍和13.7倍, 而1998年—2010年豐水期和枯水期最大增幅也僅為3.52倍和3.28倍; 整體看來水質和底質環境有緩和趨勢, 但潛在威脅仍然嚴重。

北塘口; 環境現狀; 時空變化; 評價分析

北塘口位于天津市塘沽區, 為薊運河、永定新河和潮白新河三條河流的匯聚入海口。其中薊運河流域面積為 9 950 km2, 潮白新河流域面積為 19 559 km2, 永定新河為1971年開辟的入海河道, 自屈家店分洪閘至海口全長65 km, 除宣泄永定河洪水外, 還納北京排污河、潮白新河及薊運河的洪水入海, 并且承接沿途村鎮生活污水、農業廢水以及養殖廢水等,是天津市入海水量較大的入海河道。目前北塘口南側正在疏浚圍填建設漁人碼頭景區, 北塘口鄰近海域屬于漁業港口區, 按照海洋功能區劃要求水質為Ⅳ類海水水質質量標準[1-3]。

為了全面了解北塘口及其鄰近海域水環境質量狀況以及發展變化趨勢, 為管理、決策提供科學依據以及本底資料的積累, 研究和評價北塘口及其鄰近海域水環境時空季節變化趨勢, 提出防止進一步污染的對策, 對更好地保護區域水環境, 實現區域的可持續開發利用具有重大意義。

1 監測概況和評價方法

1.1 監測概況

根據天津市河口污染狀況調查與評估專項(908-TJ-03)和渤海環境立體監測, 2005年—2010年對天津市北塘口及其鄰近海域豐水期和枯水期污染狀況進行的11次現場調查。監測項目主要涉及水文氣象要素、水化學要素和沉積物要素。樣品采集、預處理和分析分別依據河口生態監測技術規程[4]、海洋調查規范[5]、海洋監測規范[6]和中國國家標準匯編[7]執行。

按照《河口生態監測技術規程》[4]的技術規定,天津市北塘口及其鄰近海域(東經 117°43′22″～117°49′44″, 北緯 39°02′02″～39°06′33″)共布設 3 個調查斷面, 6個調查站位(圖1), 呈扇面分布, 完全覆蓋河口區、河口混合區(簡稱 HH, 包括 BT2和 BT3站位)和河口外海區(簡稱WH, 包括BT4, BT5和BT6站位)。其中, 所有調查站位分布在5 m等深線以內區域, 站位具體布設情況依據實際情況(低潮能否進行采樣)而定。另外, 為作圖方便, 北塘口用BT代替。

圖1 北塘口及其鄰近海域監測站位Fig. 1 Monitoring sites in the BeiTang Estuary and its adjacent sea areas

1.2 評價方法

采用較為通用的單因子污染指數法對水環境和底質環境的污染現狀進行評價, 考慮到北塘口鄰近海域功能區劃要求, 河口站位水體屬于三條河流匯聚的淡水水體, 所以, 河口站位水質和鄰近海域水質質量標準分別按照地表水環境質量標準[8]Ⅴ類及海水水質質量標準[9]Ⅳ類進行評價, 鄰近海域沉積物的質量評價按海洋沉積物質量[10]Ⅰ類標準執行。

2 結果與討論

2.1 北塘口環境現狀及變化趨勢

2.1.1 河口水環境

2005年—2010年豐水期和枯水期, 對北塘口河口站位進行的 11次監測結果(表 1)表明： COD 和BOD5一直是北塘口河口區域水環境中突出污染因子, 整體河口站位水環境污染態勢為2005年—2008年逐年減緩、2008年—2010年又有所加重的趨勢,其他監測指標少數時期也出現了超Ⅴ類地表水環境質量標準現象。

表1 2005年—2010年北塘口河口水質污染指數一覽表Tab. 1 The pollution index of the water quality in the BeiTang Estuary from 2005 to 2010

圖2 2005年—2010年北塘口鄰近海域混合區和外海區水質各監測指標污染程度變化趨勢Fig. 2 The pollution extent of the water in and outer dilution zone of the BeiTang coastal sea areas from 2005 to 2010

2.1.2 河口鄰近海域水環境

2005年—2010年連續監測北塘口鄰近海域混合區和外海區豐水期(6次)和枯水期(5次), 水質污染程度變化情況見圖2。圖2表明, 豐水期航次時, 由于受到大量陸源排污污水輸入的影響, 混合區整體污染情況要重于外海區, 區域良好的水體交換能力導致整個鄰近海域豐水期污染情況相對均比較嚴重,水體普遍為劣四類水質, 污染指數也有大幅度升高。枯水期航次時, 由于受到較小陸源排污污水輸入影響, 混合區整體污染情況要輕于外海區, 鄰近海域枯水期污染狀況相對較輕, 但由于含量逐年增加的無機氮的影響, 使得區域水體普遍為劣四類水質,其他各監測指標, 除2008年活性磷酸鹽極大值超四類海水水質標準外, 其他均符合區域水質標準要求;無機氮是最突出污染因子, 其中硝酸鹽是無機氮中最主要組成部分。豐水期時, 亞硝酸鹽氮和枯水期時銨鹽氮所占比例逐年升高, 說明區域水體氧化還原環境潛在變化正在發生; 不同的浮游植物在不同的生活時期有各自獨特的營養需求, 在對營養的競爭過程中, 營養的供應狀況會對浮游植物的群落結構產生調節作用[11]。北塘口2005～2010年不同時期N/P比值(25～232, 圖 3)已遠高于海洋正常的比值 16(Redfiled比值), 表明該區域近年來一直處于明顯的潛在 P限制狀態, 并且這種狀態枯水期要重于豐水期。鄭丙輝等[12]和于志剛等[13]也通過研究監測資料證實了目前渤海灣氮、磷營養鹽結構的變化已由 20世紀80年代的“氮限制”轉化為20世紀90年代的“磷限制”。

圖3 2005年—2010年北塘口鄰近海域水質 N/P變化趨勢Fig. 3 The variation trend of the water quality N/P ratio of the BeiTang coastal sea areas from 2005 to 2010

圖4 2005年—2010年北塘口鄰近海域水質富營養化狀況圖Fig. 4 The EI of the water in BeiTang coastal sea areas from 2005 to 2010

鄰近海域水體富營養化指數[14-16]連續變化圖(圖 4)顯示該區域水體始終處于較高富營養化狀態,相比起來由于陸源高營養鹽輸入使得豐水期處于嚴重富營養化狀態, 枯水期時整個區域相比則比較均勻, 從長時期來看, 富營養化狀況明顯沒有降低, 始終處于赤潮易發狀態, 這也正解釋了天津近岸海域近年來多數赤潮發生在這個區域的原因。

2.1.3 底質環境

2005年—2010年連續監測北塘口豐水期鄰近海域底質沉積物, 各監測項目污染程度變化情況見圖5。由圖可知, 鄰近海域沉積物中個別點位存在高有機碳和石油類情況, 總體有機碳污染指數相對較高,幾年來 3項監測指標整體變化幅度不大, 整體呈現小幅升高趨勢, 一定程度上也說明了底質海洋沉積物比較穩定, 受到影響較小一些, 水質變化并未影響北塘口鄰近海域整體一類海洋沉積物質量標準的現狀。

圖5 2005年—2010年北塘口豐水期鄰近海域沉積物污染程度圖Fig. 5 The pollution extent of the sedimental environment in high water period of the BeiTang coastal sea areas from 2005 to 2010

2.2 與歷史監測資料對比

有關天津近岸北塘口及其鄰近海域海洋環境狀況監測的歷史數據比較欠缺, 僅以1983年天津市海岸帶和海涂資源綜合調查及1998年天津市水質監測結果進行列表(表 2)對比分析, 一定程度上可以反映天津近岸北塘口海洋環境狀況的變化。

北塘口鄰近海域活性磷酸鹽、無機氮(亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、氨鹽氮)呈現持續迅猛增長的趨勢; 豐水期和枯水期時活性磷酸鹽含量1983年—1998年分別增加了16.6倍和17.2倍, 而1998年—2009年由于政府加強監控, 尤其是含 P洗衣粉的大規模限制使用, 極大地降低了P排放, 豐水期和枯水期時活性磷酸鹽含量最大增幅分別降到了 5.84倍和 2.33倍;無機氮含量增幅也呈現明顯減小趨勢(1983年—1998年豐水期和枯水期分別增加了8.37倍和13.7倍;而1998年—2010年豐水期和枯水期最大增幅也僅為3.52倍和 3.28倍, 說明近年來政府的各項措施起到了明顯作用。政府的一系列控制陸源污染物排放入海的舉措已經顯現出明顯的作用, 陸源排污污染物濃度增速明顯變緩, 然而, 隨著天津濱海新區北塘口區域海洋經濟的發展, 將會有大量陸源污染物輸入, 使北塘口鄰近海域區域環境自凈容量越來越小,區域富營養化現狀更趨嚴重。

表2 天津市北塘口鄰近海域不同時期海水水質變化情況一覽表Tab. 2 Variations of the water quality monitoring items of the BeiTang coastal sea areas during different water period

3 結論及建議

(1)河口水體中 COD、BOD5、氨氮是突出污染因子, 2005年COD超《地表水環境質量標準》Ⅴ類標準達17.4倍。豐水期高無機氮輸入使得整個北塘口鄰近海域水質超過海洋功能區劃要求的區域四類海水水質標準。營養鹽是北塘口鄰近海域水體中的最主要污染物, 其中無機氮是最為突出的污染因子,而其中硝酸鹽是無機氮中最主要組成部分, 不過豐水期時亞硝酸鹽氮和枯水期時銨鹽氮所占比例正在逐年升高, 說明區域水體氧化還原環境潛在變化正在發生。

(2)極大失衡的N/P比值表明該區域水體已經處于嚴重的 P限制狀態; 區域嚴重的富營養化狀態也極易誘導赤潮大規模發生。

(3)豐水期和枯水期時, 活性磷酸鹽含量1983年—1998年分別增加了16.6倍和17.2倍, 而1998年—2009年由于政府加強監控, 尤其是含 P洗衣粉的大規模限制使用, 極大地降低了P排放, 豐水期和枯水期時活性磷酸鹽含量最大增幅分別降到了5.84倍和 2.33倍; 無機氮含量增幅也呈現明顯減小趨勢(1983年—1998年豐水期和枯水期分別增加了 8.37倍和13.7倍; 而1998年—2010年豐水期和枯水期最大增幅也僅為3.52倍和3.28倍, 說明近年來政府的各項措施起到了明顯作用, 但整體緩慢持續增加的態勢仍應引起高度重視。

針對目前北塘口及其鄰近海域的污染現狀, 海洋行政管理部門應盡快采取行動： (1)出臺相關海洋環境管理和區域開發集約用海規劃, 加強對河口鄰近海域的跟蹤監測, 加強實施監察、監督管理的力度;(2)實行陸源入海排污總量政策, 嚴控陸源污染物入海規模; (3)加強城市污水處理的資金和技術投入,提高處理效率; 最后還應當進一步增強國民環保意識, 加大環保宣傳力度, 發揮群眾的監督作用, 爭取社會各界對海洋環境保護工作的關注與支持, 促進區域資源的可持續開發利用。

[1]天津市海岸帶和海洋資源綜合調查綜合組. 天津市海岸帶和海洋資源綜合調查報告[R]. 北京： 海洋出版社, 1987.

[2]天津市海洋局.天津市海洋功能區劃(AAB30G-0303-2008-00002)[EB]. 2008. http：//www.tj.gov.cn/zwgk/fzgh/sthj/200904/t20090413_92660.htm

[3]天津市統計局編. 天津市統計年鑒 2008 [M]. 北京：中國統計出版社, 2008.

[4]國家海洋局. 河口生態監測技術規程 HY/T 085-2005[S]. 北京： 中國標準出版社2005.

[5]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局中國國家標準化管理委員會. 海洋調查規范(GB/T 12763-2007)[S]. 2008.

[6]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局中國國家標準化管理委員會. 海洋監測規范(GB/T 17378-2007)[S].2008.

[7]中國標準出版社總編室.中國國家標準匯編 252(GB 17365-17385) [S].北京： 中國標準出版社, 1999.

[8]國家環境保護總局國家質量監督檢驗檢疫總局.地表水環境質量標準(GB 3838-2002)[S].北京： 中國環境科學出版社2002.

[9]國家環境保護局.中華人民共和國國家標準.海水水質標準(GB 3097-1997)[S].北京： 環境科學出版社,1998.

[10]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.海洋沉積物質量(GB 18668-2002)[S].北京： 中國標準出版社2002.

[11]Yu Z G, Zhang J, Yao QZ,et al. Nutrients in the Bohai Sea[A]. In： HongGH, Zhang J, Chung C S (eds). Biogeochemical process in the Bohai and Yellow sea[C]. Seoul：The Dongjin Publication Assocation, 1999： 11-20.

[12]鄭丙輝, 秦延文, 孟偉, 等.1985～2003年渤海灣水質氮磷生源要素的歷史演變趨勢分析[J].環境科學,2007, 28(3)： 494-499.

[13]于志剛, 米鐵柱, 謝寶東, 等. 二十年來渤海生態環境參數的演化與相互關系[J]. 海洋環境科學, 2000,19(1)： 15-19.

[14]鄒景忠, 董麗萍, 秦保平. 渤海富營養化和赤潮問題的初步探討[J]. 海洋環境科學, 1983, 2(2)： 41-54.

[15]林榮根. 海水富營養化水平評價方法淺析[J], 海洋環境科學, 1996, 15(2)： 28-31.

[16]蔡建東, 董燕紅, 朱小山, 等. 珠江口水域富營養化分析[A].中國赤潮研究與防治(一)[C].北京： 海洋出版社, 2005, 121-127.

Spatio-temporal variational analysis and prediction of water quality in the BeiTang Estuary and its coastal sea areas

Tu Jian-bo1,2, Zhang Qiu-feng1,2, Niu Fu-xin1,2, Xu Yu-shan1,2, Jiang Hong-you1,2,Liu Yang1,2
(1. Tianjin Marine Environmental Monitoring Central Station, SOA, Tianjin 300450, China; 2. Tianjin Marine Environmental Monitoring and Forecasting Center, Tianjin 300450, China)

Sep.,20,2011

BeiTang Estuary; environmental status; Temporal and spatial variation; assessment and analysis.

Based on the analysis of the large quantity of monitoring materials on BeiTang estuary and its coastal sea areas from 2005 to 2010, and the comparison with historical data, it was shown that (1) COD and BOD5 in the water of the BeiTang estuary significantly exceeded the fifth sort of environmental quality standards for surface water.And the overall pollution decreased before 2008 and increased after 2008. IN was the major pollutant in the costal sea areas and the proportion of the nitrite nitrogen in high water period and the ammonia nitrogen in low water period was yearly increased, suggesting the potential changes of oxidation-reduction context. The fact that N/P ratios outclassed the Redfield 16 indicated the potentially serious P limits and the further badly eutrophication status,which could easily initiate the outburst of Red Tide. (2) A great deal of land-sourced IN pollutants were poured into the coastal sea areas and this make the water quality be in the inferior fourth sort of national water quality. In contrast, the sedimentary environment was relatively stationary, corresponding to the enormously changing of water environment. (3) From 1983 to 1998, the concentration of phosphate and IN was increased by 16.6 and 8.37 times in high water period and 17.2 and 13.7 times in low water period, respectively. Compared with the early rapid growth,the relatively lower growth rate of phosphate and IN was only 5.84 and 3.52 times in high water period and 2.33 and 3.28 times in low water period separately under strict control from 1998 to 2010. Although the water and sediment quality appeared a relaxed trend in the larger pollutants, there still existed serious threat.

P76

A

1000-3096(2012)08-0098-06

2011-09-20 ;

2012-01-10

國家海洋公益性行業科研專項項目(201005009); 天津市河口污染狀況調查與評估專項項目(908-TJ-03); 北海分局科技項目(2010B09)

屠建波(1980-), 男, 河南開封人, 碩士, 工程師, 主要從事海洋生態環境評價和生物地球化學循環研究; E-mail：tujb1980@163.com

致謝：國家海洋局天津海洋環境監測中心站污染監測胡延忠、石海明、陳玉斌、王彬、闞文靜、高文勝、尹翠玲、李赫、于丹、薄文杰、王芹、張亞楠等參加野外調查與取樣工作, 同時評審老師也為文章修改提出寶貴意見, 在此一并致謝。

康亦兼)