港灣海洋環境監測站位布設方法研究
——以象山港為例

黃秀清，陳琴，姚炎明，蔡燕紅

（1.上海東海海洋工程勘察設計研究院，上海200137；2.浙江大學海洋學院，浙江杭州310058；3.國家海洋局寧波海洋環境監測中心站，浙江寧波315012）

港灣海洋環境監測站位布設方法研究
——以象山港為例

黃秀清1，陳琴2，姚炎明2，蔡燕紅3*

（1.上海東海海洋工程勘察設計研究院，上海200137；2.浙江大學海洋學院，浙江杭州310058；3.國家海洋局寧波海洋環境監測中心站，浙江寧波315012）

本文在水質污染物擴散模擬的基礎上結合港灣生物、水質、水團、水動力等分區特征，確定港灣監測代表單元，結合質心點計算方法，建立港灣海洋環境監測站位優化布局方法，并在象山港進行示范。結果表明：（1）象山港作為典型半封閉港灣，水交換能力較差，水團分布相對均勻，根據無機氮、活性磷酸鹽水質模擬結果及港灣生態分布特征，象山港分成9個區，各區內主要水質指標及生物生態特征基本一致。（2）采用質心點計算方法，在象山港9個區及區間（分界線）共設置16個代表性站位，各站位可作為象山港落潮時無機氮、活性磷酸鹽、溫、鹽、生物等指標的監測站位；（3）站位優化驗證結果表明，優化前后2組數據之間無顯著性差異，說明優化后的16個監測站位能較好地代表象山港海域的生態環境質量，其所表征的監測信息量與現有監測站位的信息量等效。

象山港；監測站位；布設

黃秀清，陳琴，姚炎明，等.港灣海洋環境監測站位布設方法研究——以象山港為例［J］.海洋學報，2015，37（1）：158—170，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.01.016

Huang Xiuqing，Chen Qin，Yao Yanming，et al.The setting method of harbour marine environment monitoring station——Acase study in Xiangshan Bay［J］.Haiyang Xuebao，2015，37（1）：158—170，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.01.016

1　引言

港灣作為典型海洋生態系統處于陸地與海洋之交的樞紐地帶，其生態系統相對獨立，在水動力等自然條件作用下，受海洋開發活動及外來污染影響尤為突出，多年來，為了掌握海洋生態環境的變化，海洋環境監測站位、指標、頻率不斷增加，如浙江省象山港，從20世紀80年代至今，監測站位從5個增加到40余個，監測指標從10項增加到30余項，監測頻率也從每年1次增加到4次，但是仍無法科學描述象山港海洋環境狀況，而監測站位設置成為能否相對準確地反映海洋環境狀況的關鍵因素之一。多年來國內外學者對監測站位布局優化方法進行了探索，林慶華和李濤采用指數法、水質標準級別法和貼近度法等模式對深圳近岸海域監測站位進行聚類分級和再優化［1］，蔡建堤利用Matlab和Lingo數學軟件，采用二次背包模型對監測站位進行優化［2］，葉璐等采用克里金法和專家評判法對珠江口水質監測站位進行優化［3］；ACWI對美國國家水質監測網絡進行設計［4］，王寵等分析美國地表水站位設計方法是在傳統的判斷點位設計的基礎上增加概率統計點位設計方法［5］，而Truj illo-ventura利用目標的空間覆蓋率、超標、數據有效性和加權方法來建立模型，尋找合適的監測網絡［6］，Sarigiannis和Saisana等提出利用衛星遙感技術進行多目標監測網絡優化的方法［7］。上述方法基本采用統計方法進行站位布局，站位的生態環境代表性考慮的較少。而前期象山港的海洋環境監測站位都是在調查站位的基礎上增加監測站位。本文根據水質模擬結果，在生態分區的基礎上確定監測的代表性單元，建立各區質心點計算方法，在常態化監測的基礎上優化站位，建立基于水動力、水質、生態分布特征的港灣海洋環境監測站位優化布局方法，確定各單元的監測位置，使有限的站位獲取盡可能全面的監測信息，以分析主要生態污染特征參數的長周期變化。

象山港位于寧波市東南部，地理坐標在29°24′～29°48′N，121°25′～122°03′E之間，界于穿山半島與象山半島之間，是一個呈NE-SW走向的狹長形海灣［8—9］，北、西、南三面環陸，東面朝海，口門外有六橫、梅山等眾多島嶼為屏障。港區口門寬約20 k m，縱深60 k m，海域總面積563 k m2（其中灘涂面積171 k m2），岸線曲折，海底地形復雜，平均水深8～10 m，中段最深47 m，形成兩端淺、中間凹陷的舟狀盆谷。港區屬不正規半日潮，多年平均潮差3.1 m，最大潮差5.6 m以上；象山港有浮游植物159種，浮游動物64種，底棲生物205種，潮間帶生物190種，游泳動物210種，生物多樣性豐度較大，有大小島嶼共65個以及西滬港、鐵港和黃墩港3個港中之港。象山港其東南通過牛鼻水道與大目洋相通，東北通過佛渡水道與舟山海域毗鄰，水域主要通過這2個水道與外海進行水交換，港灣外端海水交換能力強，余環流基本上以水平結構為主，狹灣內段海域受外界影響相對較小，水體與外界交換能力弱，是一個相對穩定的水體。象山港區域環境優美、資源豐富，集“港、漁、涂、島、景”五大優勢資源于一身，是浙江省乃至全國重要的海水養殖基地和多種經濟魚類洄游、索餌和繁育場以及菲律賓蛤仔等經濟貝類苗種自然產區。作為典型半封閉港灣的代表，在象山港開展監測站位優化技術方法的研究，可為其他類似港灣監測站位的優化設計提供借鑒。

2　研究方法

2.1資料來源

2011年7月18日落潮期間，對象山港31個水質、生物站開展了監測（圖1），水質指標包括亞硝酸鹽-氮、硝酸鹽-氮、氨-氮、活性磷酸鹽；生物指標包括浮游植物、浮游動物。

同時收集整理1985年至2012年豐水期無機氮、活性磷酸鹽監測數據。

圖1　象山港海洋生態環境監測站位Fig.1 Marine ecological environment monitoring stations of Xiangshan bay

2.2 研究方法

監測站位的優化設計是根據港灣主要污染物擴散模型計算結果，結合港灣生物生態分區結果，確定港灣監測代表性單元，布設監測站位，使有限的站位盡可能獲取全面的監測信息。結合質心點位置計算方法，確定每個監測代表性單元內監測站位的位置，同時在各區交界斷面上設置監測站位，每站監測結果代表某個區（水團）的污染物狀況或某個界面的污染物狀況。

2.2.1污染物擴散模擬

采用Delft3D軟件建立污染物擴散模型［10］，模擬水體中無機氮（DIN）、活性磷酸鹽（DIP）的濃度分布狀況。

連續方程：

水平方向動量方程：

污染物對流擴散方程：

式中，ρ0為參考密度，單位：kg/m3；ρ為水體密度，單位：kg/m3。

式（5）和式（6）右側第1項為水面梯度項，即正壓項；第2項為密度梯度項，即斜壓項和由于地形變化而形成的垂向網格變形的修正項。

2.2.2監測代表性單元劃分方法

港灣監測中每個監測站位表征的主要污染參數空間代表區域，可作為監測的代表性單元。監測代表性單元的確定主要根據各類參數的重要性進行分區，以獲取各區相應的監測參數，擬在港灣生態環境分布特征分析的基礎上，將各指標數值的空間分布區域進行銜接，確定每個監測單元的指標特征值及分布范圍。由于生物生態及水團的分布具有一定的界限，而水動力、污染等分布是一個連續的過程，因此，首先，根據象山港浮游生物群落空間分布，確定生態監測單元；然后，針對分布較廣的生物區，按照浮游生物分區邊界確定無機氮、活性磷酸鹽分區界面的濃度值，進行水質分區；第三，根據象山港水團分布及水動力等梯度分布進行再次分區；最終使生物、水質、水動力、水團等指標的空間分布相銜接，確定監測代表性單元。

2.2.3 質心點位置計算

物理學上，質心是質量中心的簡稱，指物質系統上被認為質量集中于此的一個假想點。假設物體是一個由n個質點組成的質點系，每個質點的質量分別是m1、m2、…、mn，如果用r1、r2、…、rn來表示各質點相對某個固定點的矢徑，則整個質點系即物體的質量中心的矢徑rc就有：

當物體具有連續分布的質量時，質心的矢徑可用積分來表示：

式中，ρ表示物體的密度分布，dσ表示ρ分布的體元，積分在分布密度ρ的整個物質體上進行。

在質點系中，質心可以表征整個質點系的運動特性。在本文中，將質心的概念引申到水體中，假設一個物質濃度連續分布的水團為一個質點系，也可以找出一個質心點來代表整個水團的水體濃度特性。那么，在假設垂向平均的前提下，水團質心點的水平坐標位置即可用下述公式計算得到：

式中，c（x，y）表示水團的垂向平均濃度的水平分布，x、y可按實際選取的坐標系進行代入，計算所得xc、yc即所選坐標系中該水團的質心點坐標值。

3　結果與討論

3.1象山港無機氮（DIN）、活性磷酸鹽（DIP）濃度分

布數值模擬結果

建立污染物擴散模型［10］，根據潮流場的計算時間，污染物擴散模型從2009年6月1日開始計算，經過多次計算驗證，約半年左右能達到穩定。水質模型計算結果以無機氮、活性磷酸鹽實測資料進行驗證。

3.1.1污染物源強分布

根據污染源強調查結果，模型計算中污染源位置及計算污染源點的設置見圖2，各污染源點的源強見表1。

圖2　水質模擬污染源位置分布示意圖Fig.2 Water qual ity simulation of pollution source distribution

表1　水質模型各污染源源強（單位：t/d）Tab.1 The pollution source strength of the water quality model（unit：t/d）

3.1.2水質無機氮、活性磷酸鹽濃度分布特征

（1）無機氮計算結果分析

象山港落潮期近高潮時刻模擬結果可知（圖3）：無機氮濃度分布總體呈現自灣口到灣內濃度增大的趨勢。其中，外灣濃度較低，大部分區域濃度小于0.6 mg/L；西滬港、黃墩港及鐵港海域的濃度較高，大部分區域濃度大于0.74 mg/L，最大濃度達0.8 mg/L，分析該處出現高濃度的原因除了陸源排放外，還可能是由于漲落潮時灘涂底泥翻攪釋放所致。

圖3　無機氮濃度分布數值模擬結果（高潮）Fig.3 The numerical simulation results ofinorganic nitrogen concentration distribution（high water）

（2）活性磷酸鹽計算結果分析

圖4　活性磷酸鹽濃度分布數值模結果（高潮）Fig.4 The numerical simulation results of active phosphate concentration distribution（high water）

象山港活性磷酸鹽模擬結果（見圖5）表明：活性磷酸鹽濃度分布在象山港總體呈現自灣口到灣內濃度增大的趨勢。其中，外灣濃度較低，大部分區域濃度小于0.03 mg/L，西滬港、鐵港、黃墩港海域內濃度均較其周圍海域高，西滬港海域濃度基本大于0.05 mg/L，鐵港、黃墩港海域濃度大于0.06 mg/L。

無機氮、活性磷酸鹽模擬結果分別與實測結果（見圖5、圖6）相比，模擬結果與實測等值線分布基本一致，總體保持在20%誤差范圍內，表明模型基本符合象山港的動力條件和污染物擴散過程的情況，較好地模擬了象山港海域的水環境現狀。而局部區域產生的偏差，除未能完全模擬象山港局部的源強和污染物擴散過程外，還可能與所有測站水質監測未能完全同步采樣有關。

圖5　無機氮實測濃度分布（高潮）Fig.5 The measured results ofinorganic nitrogen concentration distribution（high water）

3.2象山港監測代表性單元的確定

首先確定港灣的生物生態分區結果，初步確定監測單元，再結合水質主要污染物（無機氮、活性磷酸鹽）、水動力、水團等指標的空間分布與生物分布進行銜接、疊加，最終確定監測代表性單元。

3.2.1生物分區

根據象山港浮游生物的空間分布特征（圖7、8），夏季象山港浮游植物大致可分5個區。Ⅰ區從港口至西滬港口為沿岸種分布區，其中另有部分區域為半咸水分布區（Ⅳ區、Ⅴ區）；Ⅱ區從西滬港至鐵港口為近岸溫帶種分布區；Ⅲ區鐵港為半咸水區，部分有熱帶種分布。

圖6　活性磷酸鹽實測濃度分布（高潮）Fig.6 The measured results of active phosphate concentration distribution（high water）

浮游動物分布基本與浮游植物一致，分成5個區，Ⅰ區與浮游植物的Ⅰ區基本一致，為外海暖水生態群落分布區；Ⅱ區從西滬港至鐵港、黃墩港港口，為低鹽近岸生態群落分布區；Ⅲ區鐵港區域、Ⅳ區西滬港區域、Ⅴ區黃墩港區域均為半咸水生態群落分布區。

圖8　象山港浮游動物生態分區Fig.8 Ecological partition of zooplankton

3.2.2水質分區

由于水質中污染物的分布是相對均勻的，水質分區界面主要根據浮游生物分區邊界確定無機氮、活性磷酸鹽分區界面的濃度值。因此，根據無機氮、活性磷酸鹽模擬結果（見圖3、圖4），分成5個區，除了Ⅰ區、Ⅱ區的界面位于烏沙山前沿外，其余與浮游動物分區基本一致。

3.2.3水交換特征分區

在生物分區、水質分區的基礎上，根據象山港水動力、水團的等梯度分布進行再次分區。

根據象山港夏季溫度、鹽度的分布特征，整個港灣港口至烏沙山前沿海域為低溫高鹽分布區，烏沙山至港底為高溫低鹽分布區（見圖9）；根據彭輝等對象山港水交換特性研究，西澤附近斷面以東的象山港水域，水交換速度快，其半交換時間約為5 d，平均滯留時間為10 d左右。西滬港口門東側斷面水體半交換時間為20 d，平均滯留時間為25 d。由于西滬港內灘涂面積較廣，水流速度緩慢，潮混合能力較口門外小得多，半交換時間和平均滯留時間明顯比口門外長。烏沙山附近斷面水體半交換時間為30 d，平均滯留時間為35 d。灣頂水交換速度緩慢，鐵港和黃墩港內水體半交換時間在35 d左右，平均滯留時間約為40 d（見圖10）［10—11］。

3.2.4最終監測代表單元的確定

綜合生物、水質、水團、水動力分區結果，為了使各區分區結果相銜接，并在有限的站位獲取盡可能全面的監測信息，象山港綜合可以分成9個區域作為監測代表單元（見圖11），各區內主要水質指標及生物生態特征基本一致，各區生態特征見表2。

3.3象山港監測站位布設

原則上在每個區內布設1個站位，站位的具體位置通過質心點位置計算確定；并在區與區之間界面上設置1個站位作為過渡點。每個站位的代表指標及特征值范圍見表2。

3.3.1質心點位置計算結果

根據質心點位置計算方法，計算各區無機氮、活性磷酸鹽作為表征指標的質心位置坐標，計算結果列于表3。根據海洋監測規范［12］的規定，“在河口及有陸標的近岸海域，水、沉積物及生物監測的站點的定位誤差不應超過50 m，其他海域站點定位誤差不應超過100 m”。因此，在本次質心位置坐標計算中，將坐標值精確到約10 m，小數點后保留至萬分位（0.000 1°）。

圖9　水團分區Fig.9 Thermohal ine distribution in Xiangshan Bay

圖10　水體半交換時間和平均滯留時間分布Fig.10 The distribution of water half-l ife time and average residence time

表2　象山港各區生態特征（夏季）Tab.2 The ecological characteristics of each region in Xiangshan Bay（sum mer）

續表2

圖11　象山港監測代表性單元Fig.11 The representative monitoring units in Xiangshan Bay

從表3中可以看出，除了2區之外，其余各區無機氮和活性磷酸鹽的質心點坐標位置相差均不超過100 m（經緯度相差不超過0.001°）。因此，綜合考慮取兩點之間中心位置做該區的質心點位置，相對兩個指標的誤差在規范許可范圍之內。而2區綜合考慮氮、磷兩個元素，雖距離較大，仍做取中點位置處理，最終得到象山港9個海區的質心點（見圖12）。從圖中可以看出，因為象山港內濃度分布較為均勻，每個區的質心位置基本位于水團中部。

表3　不同指標的質心點位置坐標Tab.3 Centroid coordinates of differentindex

續表3

3.3.2站位優化結果

根據質心點計算結果和分區確定的各個邊界，在各區的分界面上分別布設1個站位站點（7個），結合質心點（9個），象山港共設置16個站位（表4、圖12）。

表4　象山港監測站位優化結果Tab.4 The monitoring stations optimization results in Xiangshan Bay

3.4結果驗證

為了驗證優化后的16個站位所反映的生態環境狀況與原有31個站位的生態環境狀況之間是否存在差異，需對2組數據進行比較分析，通過統計學分析，對數據進行顯著性檢驗。所謂“顯著”，就是指兩種或多種處理試驗結果之間，本身確實存在差異。如果是“不顯著”，就說明它們之間的差異是由抽樣或偶然的因素引起的，不是真正有實際差異存在。在數理統計中一般以概率（p）5%作為顯著評定標準，即在100次試驗中，由于偶然因素造成差異的可能性在5次以上，其差異被認為是不顯著。如果檢驗后所得的差數是由于抽樣誤差所引起的概率（p）少于或等于5%時，則稱這差數與假設不符合，即它們之間存在的差異是顯著的。

采用統計學中的T檢驗方法，對站位優化前后象山港海域的水質無機氮、活性磷酸鹽監測數據進行方差分析，經統計檢驗，2組數據之間無顯著性差異（表5），說明優化后的16個監測站位所表征的監測信息量與原有31個監測站位的信息量等效，可作為今后的常規監測站位。

圖12　象山港監測站位優化結果Fig.12 The monitoring stations optimization results in Xiangshan Bay

表5　站位優化前后水質監測結果顯著性檢驗Tab.5 Significant testing of water quality monitoring data in original and optimized stations

4　結論

（1）本文在水質污染物擴散模擬的基礎上結合生態分區對港灣進行綜合分區，確定監測代表單元，并結合質心點計算方法，建立港灣海洋環境監測站位優化布局方法。

（2）象山港作為典型半封閉港灣，水交換能力較差，水團分布相對均勻，根據無機氮、活性磷酸鹽模擬結果及港灣浮游生物、水團、水動力等分布特征，將象山港分成9個監測代表單元，各區內主要水質指標及生物生態特征基本一致。

（3）根據質心點計算方法，在象山港9個監測代表單元內及單元之間（分界線）共設置16個代表性站位，該站位可作為象山港落潮時無機氮、活性磷酸鹽、溫、鹽、生物等指標的監測站位。

（4）采用統計學中的T檢驗方法，對站位優化前后象山港海域生態監測數據進行方差分析，經統計檢驗，2組數據之間無顯著性差異，說明優化后的16個監測站位能較好地代表象山港海域的生態環境質量，其所表征的監測信息量與現有監測站位的信息量等效。

（5）本文提出的港灣站位優化方法是基于無機氮、活性磷酸鹽等指標分析的基礎上形成的，設計的站位是為了了解主要生態污染參數的長周期變化，其他指標可以選擇一定時間周期開展大面積調查以掌握詳細的空間分布，并優化調整。

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The setting method of harbour marine environment monitoring station——Acase study in Xiangshan Bay

Huang Xiuqing1，Chen Qin2，Yao Yan ming2，Cai Yanhong3

（1.Shanghai East Sea Marine Engineering Survey&Design Institute，Shanghai200137，China；2.Ocean Collage，Zhejiang Univercity，Hangzhou310058，China；3.Marine Environmental Monitoring Center ofNingbo，State Oceanic Ad ministration，Ningbo 315012，China）

Based on the pollution diffusion simulation，and combined with the division characteristics of biology，water qual ity，water mass，water power，the harbor monitoring unit was determined.Then using centroid point calculation to establ ish the setting method of harbour marine environ mental monitoring stations and demonstrate in Xiangshan Bay.The results showed that：（1）The water exchange abil ity of Xiangshan Bay is poor as a typical semi-enclosed bay，and the distribution of water massis relatively uniform.Based on the simulation results ofinorganic nitrogen and phosphate，combined waith harbour ecological distribution characteristics，the Xiangshan Bay was divided into 9 regions，and the main water qual ity index and ecological characteristics was just the same in each region.（2）Set 16 representative stations as the monitoring stations of inorganic nitrogen，phosphate，temperature，salt，biologicalindicators of Xiangshan Bay at ebb tide by using centroid point calculation.（3）There was no signifi-cant difference between the 2 groups of data by using the Ttest method which indicated thatthe optimized stations can represent the ecological environ ment qual ity of Xiangshan Bay.The amount ofinformation get from the optimized stations was equivalent to the original one.

Xiangshan Bay；monitoring station；setting

X830.1

A

0253-4193（2015）01-0158-13

2014-07-02；

2014-11-24。

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-mai l：xiuqinghuan1@tom.com

蔡燕紅（1977—），教授，主要從事海洋生態評價。E-mai l：caiyh@eastsea.gov.cn