海洋環境影響評價中溶解氧評價方法的改進初探：以官井洋為例

魯超，石志洲，覃寶，郭玉臣，方文，凌信文，徐炳旭，劉煒，李益云，王金輝

（1.國家海洋局寧德海洋環境監測中心站，福建寧德352100；2.國家海洋局海洋赤潮災害立體監測技術與應用重點實驗室，上海200137）

海洋環境影響評價中溶解氧評價方法的改進初探：以官井洋為例

魯超1，2，石志洲1，2，覃寶1，2，郭玉臣1，2，方文1，2，凌信文1，2，徐炳旭1，2，劉煒1，2，李益云1，2，王金輝1，2

（1.國家海洋局寧德海洋環境監測中心站，福建寧德352100；2.國家海洋局海洋赤潮災害立體監測技術與應用重點實驗室，上海200137）

2014年官井洋增養殖區溶解氧含量在4.24~8.62 mg/L之間，平均值為6.70 mg/L，在夏季形成低氧環境（<5 mg/L），使得鮑魚在養殖中受到溶解氧影響，雖影響不大（溶解氧標準指數不超過1.5），應引起重視。水溫對全年溶解氧含量變化起到主要因素。海洋環境影響評價中溶解氧評價方法的改進：1）首先在《環境影響評價技術導則地面水環境》（HJ/T 2.3-1993）中飽和溶解氧含量計算公式基礎上增加鹽度影響因子，統一飽和溶解氧含量的計算方法；2）并針對現有評價方法存在賦值不正常以及結果無法描述實際情況等的不足，在建議修改《海水水質標準》中溶解氧的分類范圍的基礎上，提出新的溶解氧標準指數算法，并將取樣層次內所有（或特定）生物安全生存的溶解氧濃度作為溶解氧評價標準。

海洋環境影響評價；溶解氧；評價；改進；官井洋

海洋中溶解氧（dissolved oxygen，DO）分布受著大氣、生物、化學及各種物理過程的影響（于圣睿等，1980；李道季等，2002）。其不僅與海洋浮游植物的生長繁殖有著密切關系，還與大多數海洋生物生存有關。比如魚類為滿足生長需要一般要求6 mg/L的溶解氧，蝦蟹需要2~3.5 mg/L以上的溶解氧，若水中溶解氧濃度低于2 mg/L，成年魚會死亡，孵卵生境遭到破壞，漁業資源將會衰退（Gray et al，2002）。因此溶解氧含量是海水水質評價的一個重要參數。

在《海洋工程環境影響評價技術導則》（國家海洋局海洋環境保護研究所，2004）中，溶解氧一般采用單項水質參數評價方法，即標準指數法；參照《環境影響評價技術導則地面水環境》（北京市環境保護科學研究所，1993）執行，具體計算方法見公式1（以下稱折線指數算法），其中飽和溶解氧含量計算公式只考慮溫度的影響（見公式3，以下稱淡水估算公式）；在《近岸海域環境監測規范》（中國環境監測總站和浙江省舟山海洋生態環境監測站，2008）中，溶解氧的評價方法同樣采用折線指數算法，但其對飽和溶解氧含量采用回避方式處理。海水中溶解氧飽和濃度還要受到鹽度的影響，《海洋調查規范第四部分：海水化學要素調查》（國家海洋局第三海洋研究所等，2007）中給出了海水經驗公式（見公式4）。目前學者對于溶解氧評價方法的探討主要集中在兩方面問題，一方面對于溶解氧飽和含量估算存在不同看法，如：張朝能（1999）指出淡水估算公式與實際中有偏差，并且在地表水評價中需要考慮氣壓變化對飽和溶解氧含量的影響；夏炳訓等（2013）則指出在正常海水鹽度范圍（25~35）內，兩種飽和溶解氧含量估算公式結果以及由此得到的溶解氧標準指數偏差較大，認為對飽和溶解氧含量估算不能簡單套用淡水估算公式，而應該使用海水經驗公式。另外一方面認為該溶解氧標準指數不利于與其他污染物標準指數對比（朱延盛，1997）。

式中：SDO，i為溶解氧的標準指數；DOi為溶解氧的實測濃度，mg/L；DOs為溶解氧的評價標準，mg/L；DOf為飽和溶解氧濃度，mg/L；T為現場溫度，℃；T'為現場熱力學溫度，K；S為現場鹽度；DOf'為在現場溫度和鹽度下氧在海水中的飽和濃度，μmol/L；A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3：為常數。

為了解決上述問題，本文使用2014年管井洋增養殖區表層海水水質探頭數據，探討改進海洋環境影響評價中溶解氧評價方法。

1 原始數據采集與處理方法

在線水質探頭型號為HACHRhydrolab DS5，在水體溶解氧含量為8.0 mg/L左右時，與傳統的碘量法數據比對發現，水質探頭獲得的數據偏大0.06~0.17 mg/L之間，平均0.12 mg/L；此外夏季污損生物生長會影響溶解氧探頭的準確度，具體內容將另外撰寫論文進行討論，本文旨在討論溶解氧的評價方法。在線水質探頭投放于斗帽島西南部增養殖區內的鮑魚養殖網邊的水下1 m處（見圖1），每5 min采集一次數據。

其中儀器故障缺少2014年8月5日到2014年9月14日之間的數據；另外其他月份由于儀器維護原因，每月缺少幾天的數據。為了簡化數據，將每日數據求算均值，作為本文使用的數據；并將每日數據求算標準偏差作為數據離散程度的指標。

2 結果與討論

2.1表層海水溶解氧年變化與影響因素

2014年管井洋增養殖區日均表層溶解氧含量變化與水溫變化相反，在2月到3月溶解氧含量較高，大于8 mg/L，最高值為8.62 mg/L；在7月到9月溶解含量較低，大多數低于5 mg/L，最低值為4.24 mg/L；全年溶解氧平均含量為6.70 mg/L。日均溶解氧標準偏差較小，大部分小于0.2 mg/L；其中6月到9月相對較大，但小于0.4 mg/L。結果顯示在官井洋增養殖區形成了獨特的夏季低溶解氧現象，且最低值與其他研究者結果具有一致性（王顥等，2014；邵留等，2014）。

圖1 水質探頭監測站點圖

圖2 2014年溶解氧（a）與水溫（b）和鹽度（c）日均值和標準偏差變化趨勢

監測站點鹽度變化不大（26~32），但是水溫變化明顯（11.7℃~29.3℃），溶解氧含量與水溫呈現明顯負相關；說明此監測站點水溫是影響溶解氧含量的主要因素，并主要體現在兩方面：一方面水溫升高使得飽和溶解氧含量降低；另外一方面水溫升高加速水體中養殖碎屑分解消耗溶解氧；此外水體中初級生產力較低，產氧能力弱（王顥等，2014）等共同作用導致夏季低氧現象發生。

2.2飽和溶解氧含量估算方法的探討

海水經驗公式雖然可以應用于淡水中飽和溶解氧含量的估算，但是2種估算方法在水溫0~35℃之間對淡水飽和溶解氧含量估算存在差異（-0.22~ 0.02 mg/L之間）；可是由于淡水估算公式不僅在陸地水體評價中被廣泛引用，還被寫入了《海洋工程環境影響評價技術導則》（國家海洋局海洋環境保護研究所，2004）中。因而如果簡單套用海水經驗公式一方面不利于水體中溶解氧飽和含量運算公式的統一；另外一方面不利于簡化計算過程。為此本文建議在淡水估算公式的基礎上增加鹽度影響因子統一咸淡水飽和溶解氧含量的估算方法（見公式4，以下稱咸淡水估算公式），其中a為溫鹽協同效應，b為鹽度效應。通過SPSS軟件對水溫在0~35℃之間和鹽度在0~39之間的飽和溶解氧數據（國家海洋局第三海洋研究所等，2007）擬算得到未知參數：a=0.005，b=0.245。此條件能夠覆蓋絕大多數中國近海自然環境條件，咸淡水估算公式與海水經驗公式的絕對誤差在-0.14~0.22 mg/L之間，平均值為-0.01 mg/L；相對誤差在-1.4%~1.7%之間，平均值為-0.1%。說明咸淡水估算公式在絕對誤差和相對誤差上基本可以滿足在海洋環境條件下對飽和溶解氧含量的估算。

2.3溶解氧折線指數算法的不足

1）標準指數有出現非正常賦值或錯誤賦值情況在海水中由于高溫高鹽的共同影響可以使得飽和溶解氧含量介于5 mg/L到6 mg/L之間，使用第一類海水水質標準評價時，溶解氧含量不低于6 mg/L時（即溶解氧處于飽和或過飽和狀態），計算公式分母會出現負值或者零的現象。即使上述現象出現概率較低，但是卻存在這種可能。

正常情況下，水質參數的標準指數>1，表明該水質參數超過了規定的水質標準（北京市環境保護科學研究所，1993）。在溶解氧評價方面存在兩種例外：

①當溶解氧含量等于評價標準值時，溶解氧含量超標（國家海洋局第三海洋研究所和青島海洋大學，1997）；此時溶解氧標準指數為1，即未超標（北京市環境保護科學研究所，1993）。

②在赤潮發生時，浮游植物大量繁殖所產生的溶解氧積累在海水中，就是發生溶解氧含量過高，但卻標準指數大于1的現象。

因而認為在溶解氧含量等于評價標準以及部分赤潮發生時，標準指數出現錯誤的賦值，無法與《海水水質標準》（國家海洋局第三海洋研究所和青島海洋大學，1997）一致。

2）標準指數無法準確描述實際情況在溶解氧超標的情況下，溶解氧標準指數與溶解氧含量呈現線性負相關；同時在所有水質標準條件下，標準指數最大值都是10，且1的單位溶解氧含量的降低所引起的標準指數增加值隨著水質評價標準降低而增加（見公式1）。在現實環境條件下，隨著水體溶解氧含量降低，對生物體的影響梯度增加：從生長、到新陳代謝再到死亡（Gray et al,2002；王巧寧，2012）；當水體中溶解氧含量過低，不足以維持生物生命活動時，會出現大量生物死亡的死亡區（Dybas,2005）。因而認為標準指數用簡單的線性增加和唯一確定的標準指數最大值很難描述現實情況；同時此算法也沒有正確體現出飽和溶解氧含量與評價標準變化對標準指數的影響。

2.4溶解氧標準指數算法的改進

1）分類評價條件下的改進針對溶解氧折線指數算法出現的不足，本文建議海水水質標準對溶解氧含量標準進行修改：將大于評價標準含量符合海水水質標準修改為大于等于評價標準含量符合海水水質標準。這樣有利于使用標準指數法評價時，溶解氧評價結果與其他要素的評價結果一致。然后在修改海水水質標準的基礎上提出如下新的算法（見公式5，以下稱新指數算法，其中DOa為調節性溶解氧含量，本文取值為2 mg/L）。

新指數算法用飽和溶解氧含量與評價標準的幾何平均值除以調節性溶解氧含量的商作為標準指數指數性增加的底數；將評價標準與溶解氧含量差值除以調節性溶解氧含量的商作為指數。通過上述修改，標準指數賦值只能大于0，杜絕了標準指數非正常賦值情況；指數函數也使得標準指數隨溶解氧含量降低呈現指數增加，修正了簡單的線性負相關關系；標準指數的響應斜率絕對值同時也隨著飽和溶解氧含量和評價標準含量降低而降低，正確表達了飽和溶解氧含量與評價標準對標準指數的影響。將新指數算法應用到本文數據，發現一個公式計算結果與兩個公式計算得到的折線指數法計算結果具有相同的趨勢性分布，并將不同水質標準結果較好的分離開（見圖3）。

2）現實環境條件下的改進由于海洋生物對氧氣的需求不一樣（Gray et al，2002），即使在相同的溶解氧標準指數條件下，對不同生物的影響也不一樣：例如在長江口低氧區內多毛類是最多的底棲生物種類，對低氧環境的耐受程度較高（王春生，2010；劉志國等，2012）。因而上節對溶解氧的標準指數算法的修改只是針對現行評價體系的修改，為了能夠更好得將新指數算法應用于現實環境的評價，需要合理選定溶解氧的評價標準值而不是簡單引用海水水質標準作為溶解氧評價標準。

本文建議溶解氧的評價標準應該為取樣層次內適應所有（或特定）生物安全生存濃度值，如Yang等（1989）建議九孔鮑魚養殖過程中溶解氧應該維持在5 mg/L之上，所以針對本文的監測站點的溶解氧評價標準應該取5 mg/L。通過對2014年監測站點溶解氧標準指數分析可知，鮑魚養殖過程中溶解氧的影響主要發生在夏季，雖然標準指數相對較低不超過1.5（見圖3右，II）,但是夏季在官井洋增養殖區內進行鮑魚養殖時需要格外留意。

圖3 官井洋原（左）/新（右）溶解氧標準指數隨時間變化趨勢（Ⅰ，DOs=6 mg/L；Ⅱ，DOs=5 mg/L；Ⅲ，DOs=4 mg/L）

3 結論

通過本文分析得出如下結論：

（1）2014年官井洋增養殖區表層海水溶解氧含量在4.24~8.62 mg/L之間，平均值為6.70 mg/L，并在夏季發生低氧現象；水溫對溶解氧年度含量變化起到主要因素。鮑魚養殖過程中溶解氧的影響主要發生在夏季，雖然標準指數相對較低不超過1.5，但是夏季鮑魚養殖時仍需要格外留意。

（2）鑒于飽和溶解氧含量計算方法不統一，并考慮到《環境影響評價技術導則》中飽和溶解氧含量計算公式使用的廣泛性，建議在此公式的基礎上加入鹽度影響因子，統一飽和溶解氧含量的計算方法。

（3）現有溶解氧標準指數計算公式存在無法正常賦值、錯誤賦值以及無法準確描述實際情況等不足。建議在《海水水質標準》中溶解氧的分類標準范圍由大于改為不小于確保與其他指標一致的基礎上，提出新的溶解氧標準指數計算公式，修正了原有計算公式的不足，并得到本文數據的檢驗。針對現實環境中的溶解氧標準指數計算過程中，不能簡單引用《海水水質標準》中溶解氧的評價標準值進行計算，本文建議溶解氧的評價標準值為取樣層次內所有或特定生物安全生存濃度。

致謝與聲明：感謝朱峰提供的原始數據；感謝其他同事在數據處理與寫作過程中的幫助。本文在淡水飽和溶解氧計算公式的基礎上，提出同時適應淡水和海水的飽和溶解氧計算公式，簡化了溶解氧標準指數計算過程。并針對溶解氧折線指數算法的不足，提出了新的指數算法，彌補了折線指數算法的不足；但引入了新的未知參數（DOa），使得本文的取值應用范圍受到一定影響。此外在線監測數據溶解氧探頭在夏季受到污損生物的影響，溶解氧數據出現較大波動。

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（本文編輯：袁澤軼）

Preliminary study on the method improvement for the assessment of dissolved oxygen in the marine environmental impact assessment: a case study of the Guanjingyang Bay

LU Chao1,2,SHI Zhi-zhou1,2,QIN Bao1,2,GUO Yu-chen1,2,FANG Wen1,2, LING Xin-wen1,2,XU Bing-xu1,2,LIU Wei1,2,LI Yi-yun1,2,WANG Jin-hui1,2
（1.Ningde Marine Environment Monitoring Center,SOA,Ningde 352100,China；2.Key Laboratory of Integrated Monitoring and Applied Technology for Marine Harmful Algal Blooms,SOA,Shanghai 200137,China）

The concentration of dissolved oxygen(DO)in the culture area of the Guanjingyang Bay is from 4.24 mg/L to 8.62 mg/L,with the average value of 6.70 mg/L.The low DO concentration(<5 mg/L)arises in summer,which could affect the cultivation of abalone with the standard index of DO less than 1.5.The temperature of seawater is the main influencing factor for the change of dissolved oxygen.The authors first added the salinity as the influence factor to calculate the saturated concentration of DO based on the formula in the technical guidelines for environmental impact assessment(HJ/T 2.3-1993). As for the problems about the pollution index of DO,such as the abnormal values or the normal value not according with the reality,we made a new equation for computing the standard index of DO with the safe concentration of DO for all(or specific)marine organisms as the assessment standard concentration of DO in the sampling layer.

marine environmental impact assessment;dissolved oxygen;assessment;improvement;Guanjingyang Bay

P76

A

1001-6932（2017）02-0168-06

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.02.007

2015-04-01；

2016-01-20

魯超（1985-），碩士，工程師，主要從事海洋環境監測與評價、海洋生物地球化學研究。電子郵箱：luchao@eastsea.gov.cn。

王金輝，教授級高工。電子郵箱：wangjinhui@eastsea.gov.cn。