象山港海洋生態環境評價方法研究

黃秀清，齊平，秦渭華，曹維，蔣曉山，劉蓮，蔡燕紅*

(1.東海海洋環境調查勘察中心，上海 200137；2.國家海洋局，北京 100860；3.寧波海洋環境監測中心站，浙江 寧波 315012；4.溫州海洋環境監測中心站，浙江 溫州 325011)

象山港海洋生態環境評價方法研究

黃秀清1，齊平2，秦渭華1，曹維3，蔣曉山4，劉蓮3，蔡燕紅3*

(1.東海海洋環境調查勘察中心，上海 200137；2.國家海洋局，北京 100860；3.寧波海洋環境監測中心站，浙江 寧波 315012；4.溫州海洋環境監測中心站，浙江 溫州 325011)

本文基于1988—2014年的監測數據，針對象山港海洋生態環境狀況，建立了象山港海洋生態環境評價的科學方法，結果表明：(1)根據象山港生物生態、水質、水動力、水團提出了三類三級評價指標體系，其中水質指標的確定綜合考慮了水體中主要超標物質、長時間序列的波動及變化趨勢；(2)根據東海E2斷面、象山港及口門監測數據統計分析確定象山港的活性磷酸鹽和無機氮的環境污染變化推薦基準年分別為1993年和1992年；結合頻數分析法，象山港海域活性磷酸鹽和無機氮的推薦基準值分別是0.023 mg/L和0.50 mg/L；(3)評價分級根據生態環境現狀及分區銜接確定為3個等級，其中水質指標選擇2011年25%、75%所對應的營養鹽濃度值為分級依據；(4)評價結果表明，2011年象山港從口門至港底生態環境分別為好、較好、一般，2014年為好、較好、一般、差；與2011年相比2014年象山港2、4、5、7、8、9區的綜合環境有所下降。

象山港；海洋生態環境；評價方法

1 引言

象山港是一個由東北向西南深入內陸的狹長型半封閉海灣，港域狹長，岸線曲折，自然環境優良，水產資源豐富，生態類型多樣，是多種經濟水產資源的集中分布區。象山港海洋環境現狀評價目前主要根據單一要素評價，即將每個站位、每項指標的檢測結果與海水水質標準(GB 3097-1997)進行比較。在河口、港灣等區域，由于環境背景值較高，用污染最嚴重的指標代表區域整體的環境現狀，無法客觀反映象山港海洋環境現狀及變化。鄭云龍等[1]、劉俊峰等[2]認為象山港水質基本上屬于中度污染，且整個港灣水質處于嚴重富營養化狀態；但象山港從陸源污染相對較小的20世紀八九十年代至今，仍為浙江省生態環境相對較好的港灣。在生物評價方面，對浮游動物、浮游植物、底棲生物、潮間帶生物的評價主要集中在群落結構分析、種類組成、生物多樣性以及生物與環境因子的相關分析方面[3—13]，沒有與水環境評價相結合。美國在海洋環境評價方面進行了較深入研究，采用綜合指數和等權評價等方法，并且在不同海域采用不同的評價標準[14]；在切薩比克灣，港灣評價從棲息地、魚類和貝類、水質進行分類評價，對于水質標準亦是在港灣的不同區域設置不同的評價標準，2000年前后美國還發布了水庫、河流、河口及近岸水域、濕地營養物基準技術指南，推動各州制定區域性營養物基準[15—16]。根據目前的水質評價方法，《寧波市海洋環境公報》顯示，象山港為劣四類海水水質，不能滿足任何功能區水質保護要求，主導功能海水增養殖更是無法發揮。但事實上，目前象山港海洋功能總體發揮較好，評價結果與實際有明顯差異。因此，為了科學反映象山港海洋環境狀況，需要在系統研究的基礎上建立基于海洋生態系統的海洋生態環境評價方法。本文在港灣海洋環境監測站位布設方法研究[17]結果的基礎上，確定象山港附近水域及象山港的無機氮、活性磷酸鹽基準年和基準值，并結合生態分區作為評價單元，探討建立較為科學的評價方法，從水動力、水質、生物等3個方面建立指標體系，根據水質數據確定分級，探討建立較為科學的評價方法，相對客觀科學地描述象山港水域生態環境狀況，以期為類似半封閉港灣建立海洋環境評價方法提供借鑒。

2 材料與方法

2.1 數據來源

本文使用的監測數據來自寧波海洋環境監測中心站1988—2014年的監測結果，其中：

(1)1988—2010年為象山港及口門附近海域歷年現狀監測，指標為pH、DO、COD、活性磷酸鹽、無機氮、石油類、Cu、Pb、Hg、As和Cd，用于評價指標的篩選確定；

(2)1988—2014年E2斷面(圖1)為東海區連續斷面調查資料，指標無機氮、活性磷酸鹽，用于計算變異系數，確定基準年；象山港1998—2014年歷年現狀監測數據結合收集到的文獻資料[2，18]用于水質指標基準值的計算及評價等級的確定；

圖1 東海區E2斷面監測站位Fig.1 Marine ecological environment monitoring stations of E2 section of East Sea

(3)2011年7月(漲落潮)、2014年8月“象山港海域海洋環境質量綜合評價方法(DOMAP-03-02)”專題在象山港海域設置31個水質、生物大面站(見圖2)，無機氮、活性磷酸鹽、浮游植物、浮游動物等監測數據用于港灣海洋環境狀況的評價及驗證。

各種樣品的采集、分析方法均按照《海洋監測規范》(GB 17378-2007)進行。

2.2 數據處理方法

水質指標的確定基于監測數據與現有海水水質標準比較，使用SPSS軟件ARIMA模型預測主要指標的變化趨勢。

為了定量反映水質要素長時間動態波動程度的大小差異，作者選擇變異系數來表示它們的變化程度大小。

水質基準則通過計算變異系數(CV)分析主要水質指標的多年變化情況，將變異系數明顯增大的前一年確定為水質基準年；同時繪制平面分布圖，統計基準年之前象山港口門無機氮、活性磷酸鹽多年數據平均值，并使用SPSS軟件進行頻數分析，結合該區域早期濃度水平確定象山港推薦基準濃度。

綜合評價采用美國USEPA發布的《全國近岸狀況報告》[14]提出的近岸海洋環境狀況的綜合評價方法，采用多要素等權平均計算綜合指數?？紤]到本文評價區域主要針對象山港水體環境，因此對評價指標適當進行調整。即：

(1)

式中，Ei、Vi、Wi和Bi分別為第i區綜合指數、水動力指數、水質環境指數和生物指數。

根據評價公式計算獲得的綜合指數Ei在1～3之間。數值越大代表環境狀況越好，一般認為Ei<1.5對應環境差；1.5≤Ei<2.0對應環境一般；2.0≤Ei<2.5對應環境較好；Ei≥2.5則對應環境狀況好。

3 結果與討論

3.1 評價單元的劃分

評價區域為象山港水域，不包括潮間帶及底質部分。根據象山港生物生態、水質、水動力、水團等指標的空間分布特征，將港灣分成9個區域，作為生態環境評價單元(圖3)[17]。

圖2 2011年、2014年象山港海洋生態環境監測站位Fig.2 Marine ecological environment monitoring stations in 2011 and 2014 of Xiangshan Bay

圖3 象山港海洋生態環境綜合分區Fig.3 The comprehensive partiton in Xiangshan Bay

3.2 評價指標的確定

象山港海洋環境狀況評價主要從水動力、水質、生物生態3個方面篩選評價指標。

(1)水質指標

根據污染物超標程度及長期變化情況確定評價指標。首先分析水質中的超標因子，根據1988—2010年象山港及附近海域水質監測結果，象山港主要污染因子為無機氮、活性磷酸鹽、石油類及重金屬鉛，無機氮和活性磷酸鹽超四類海水水質標準，超標率分別為76%、20%；石油類、鉛略超二類海水水質標準，超標率分別為7%、1.25%。其次，使用ARIMA模型對4項超標因子進行擬合和預測(圖4)，結果表明無機氮、活性磷酸鹽的濃度呈升高趨勢，石油類和鉛基本持平。據此，水質評價因子確定為無機氮和活性磷酸鹽。

圖4 象山港水體中主要水質因子多年變化情況及趨勢預測Fig.4 The changes and trend prediction of the main water quality factors in Xiangshan Bay

(2)水動力指標

象山港作為一個狹長形的半封閉港灣，各個區域的水交換能力不同(水體半交換時間為5～40 d不等)。而水交換能力的不同直接決定著港灣內水環境的自凈能力，不同的污染物質在港灣不同區域，由于水動力條件不同，污染物對區域產生不同的影響。因此，水交換周期作為衡量水動力的代表性指標。

(3)生物生態指標

生物生態方面，外來物質的輸入將導致水體中生物種類的直接變化，由于本文已經考慮水體部分環境狀況，結合象山港具體情況，生物生態因子的篩選結果為與水環境變化關系比較密切的浮游植物和浮游動物。

綜合以上分析，象山港海洋生態環境綜合評價指標體系見表1。

表1 象山港海洋生態環境評價指標體系

3.3 水質基準的確定

(1)基準年

基準年由多年歷史資料的統計分析確定，用于衡量環境響應的變化結果，不同區域的環境基準值不同。由于象山港受人類活動干擾，數據穩定性較差，而且該區域在20世紀80年代監測站位較少，因此選擇東海區E2斷面1988—2014年長期監測數據計算變異系數，確定象山港附近海域活性磷酸鹽和無機氮的基準年。通過變異系數計算，象山港附近海域活性磷酸鹽和無機氮變化趨勢拐點年分別出現在1994年和1993年(圖5)，因此，象山港活性磷酸鹽和無機氮的基準年分別確定為1993年和1992年。

(2)基準值

根據活性磷酸鹽和無機氮拐點年之前東海區E2斷面、象山港口門站位的活性磷酸鹽和無機氮監測數據，繪制平面分布圖(見圖6)。拐點年之前象山港口門區域活性磷酸鹽和無機氮的平均濃度分別為0.022 7 mg/L和0.50 mg/L，作為參照濃度(見表2)。

圖6 象山港口門活性磷酸鹽和無機氮濃度(mg/L)的平面分布Fig.6 The horizontal distribution of phosphate and inorganic nitrogen (mg/L) in Xiangshan Bay

年份PO4?P/mg·L-1無機氮/mg·L-11988年0 0120 381989年0 0220 701990年0 0300 231991年0 0240 501992年0 0200 701993年0 028/平均值0 02270 50

結合頻數分析法，根據1984—2014年監測數據頻數分布，繪制頻數分布曲線圖(圖7、圖8)，參照美國國家環境保護局USEPA推薦的方法取第25百分點作為參照狀態[16]，得到無機氮推薦基準值為0.50 mg/L，活性磷酸鹽推薦基準值0.022 9 mg/L。

結合多年監測數據統計分析，推薦0.023 mg/L和0.50 mg/L分別作為象山港海域活性磷酸鹽和無機氮的基準值。

3.4 評價等級的確定

根據3.3節基準值計算結果，象山港海域活性磷酸鹽和無機氮基準值分別為0.023 mg/L、0.50 mg/L，在此基礎上適當提高活性磷酸鹽和無機氮的濃度水平作為這兩項指標的評價等級。根據2011年同步監測數據分析，繪制正態分布曲線，分別選擇百分位數25%、75%對應的濃度作為分級依據，獲得無機氮、活性磷酸鹽的評價等級。此外，水動力根據象山港水體半交換時間進行分級；生物則根據浮游生物的生物多樣性指數進行判定(見表3)。

圖7 1984—2014年象山港營養物頻數分布曲線Fig.7 Frequency distribution curves of nutrients in Xiangshan Bay from 1984 to 2014

表3 象山港海洋生態環境評價等級

圖8 2011年象山港營養物頻數分布曲線Fig.8 Frequency distribution curves of nutrients in Xiangshan Bay in 2011

3.5 評價結果分析

根據上述方法，象山港2011年漲落潮、2014年各區水質狀況、水動力狀況、浮游生物狀況及綜合評價結果見表4～7。

表4 象山港各區水質狀況

表5 象山港水動力狀況

一般認為Vi=1，動力條件差；Vi=2，動力條件一般；Vi=3，動力條件好。

表6 象山港各區生物狀況

表7 象山港生態環境總體評價結果

象山港海洋環境狀況綜合評價結果可分為3～4類。2011年可分為好、較好、一般3個區域，2014年，分為好、較好、一般、差4個區域(見表7、圖9～11)。

1區：該區域水動力條件好，水環境狀況較好，浮游生物多樣性一般，生態結構較為穩定，可兼顧漁區發展。

2～3區：綜合評價結果為好和較好，該區水動力條件較好，浮游生物多樣性較高，豐度較大，同時該區域還是象山港藍點馬鮫魚產卵的主要區域。

4～6區：綜合評價結果為較好和一般，該區水交換能力一般；2014年與2011年相比，4區西滬港及5區烏沙山電廠前沿水環境狀況有所下降；浮游生物較為穩定。6區整體環境基本穩定，適宜作為海水增養殖區域。

7～9區：生態環境“一般”→“差”，其中7區位于國華電廠前沿、8～9區位于象山港港底，水動力條件較差，水環境有所下降，不適宜作為海水增養殖區域。

圖9 2011年象山港總體海洋生態環境狀況(落潮)Fig.9 The marine ecological environment situation in Xiangshan bay 2011(ebb tide)

圖10 2011年象山港總體海洋生態環境狀況(漲潮)Fig.10 The marine ecological environment situation in Xiangshan bay 2011(flood tide)

圖11 2014年象山港總體海洋生態環境狀況Fig.11 The marine ecological environment situation in Xiangshan Bay 2014

4 結論

(1)根據港灣海洋環境監測站位布設方法研究結果，綜合象山港生物生態、水質主要污染物(無機氮、活性磷酸鹽)、水動力、水團等指標的空間分布特征，將港灣分成9個區域，作為生態環境評價單元。

(2)建立三級三類評價指標體系，水動力指標確定為水體半交換時間(流速、流向)；水質指標的確定綜合考慮了水體中主要超標物質、長時間序列的波動及變化趨勢，確定為無機氮和活性磷酸鹽；生物生態指標主要選取水體中生活的浮游植物和浮游動物的生物多樣性。

(3)根據東海E2斷面長期數據、象山港及口門數據統計分析確定象山港的活性磷酸鹽和無機氮的基準年分別是1993年和1992年。結合頻數分析法，象山港海域活性磷酸鹽和無機氮的推薦基準值分別是0.023 mg/L和0.50 mg/L。

(4)象山港海洋環境狀況綜合評價結果為3～4

類。2011年1～2區綜合環境好，3～5區綜合環境較好，6～9區綜合環境一般；2014年1區綜合環境好，2～3區綜合環境較好，4～6區綜合環境一般，7～9區綜合差。與2011年相比，2014年象山港2、4、5、7、8、9區的綜合環境有所下降。

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Research on the evaluation method of marine ecological environment in Xiangshan Bay

Huang Xiuqing1，Qi Ping2，Qin Weihua1，Cao Wei3，Jiang Xiaoshan4，Liu Lian3，Cai Yanhong3

(1.MarineEnvironmentInvestigationCenterofEastChinaSea，Shanghai200137,China；2.StateOceanicAdministration，Beijing100860,China；3.MarineEnvironmentalMonitoringCenterofNingbo，Ningbo315012,China；4.MarineEnvironmentalMonitoringCenterofWenzhou，Wenzhou325011,China)

Based on the monitoring data from 1988 to 2014，combined with the ecological environment condition of Xiangshan Bay，a scientific evaluation method of marine ecological environment in Xiangshan Bay was established.The results showed that:(1)The evaluation index system in Xiangshan Bay was composed of biology and ecology，water quality，water power and water mass. The determination of water quality index was on the comprehensive consideration of the over standard rate，fluctuation and trend.(2)The base year of phosphate and inorganic in Xiangshan bay was 1993 and 1992 by data statistical analysis from the E2 section of east sea and the mouth of Xiangshan Bay. And then combined with the frequency analysis the recommended reference values of phosphate and inorganic nitrogen in Xiangshan Bay was 0.023 mg/L and 0.50 mg/L.(3)Three evaluation classes was determined by the present ecological environment situation and the partition，while the 25% and 75% of the nutrient concentration values was chose for the classification basis.(4) The marine environment evaluation results was “perfect”、“good”、“general” or “poor” in Xiangshan Bay，which can be divided into 3-4 different areas. The comprehensive environment of 2，4，5，7，8，9 zones in 2014 was poorer than 2011．

Xiangshan Bay; marine ecological environment; evaluation method

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.08.006

2015-05-05；

2015-06-13。

國家海洋局環保專項“象山港海域海洋環境質量綜合評價方法(DOMAP-03-02)”，“海洋生態評價制度研究”。

黃秀清(1962—)，男，福建省福清市人，教授，主要從事海洋生態研究。E-mail：xiuqinghuan1@tom.com

*通信作者：蔡燕紅(1977—)，教授，主要從事海洋生態評價。E-mail：caiyh@eastsea.gov.cn

X826

A

0253-4193(2015)08-0063-13

黃秀清，齊平，秦渭華，等. 象山港海洋生態環境評價方法研究[J].海洋學報，2015，37(8)：63—75，

Huang Xiuqing，Qi Ping，Qin Weihua，et al. Research on the evaluation method of marine ecological environment in Xiangshan Bay[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(8)：63—75，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.08.006