不同方法評價深圳灣富營養化問題的研究

黃徐, 羅歡, 吳瓊, 韓春陽, 黑亮

不同方法評價深圳灣富營養化問題的研究

黃徐, 羅歡, 吳瓊, 韓春陽, 黑亮*

水利部珠江河口動力學及伴生過程調控重點實驗室, 珠江水利委員會珠江水利科學研究院, 廣州 510610

首先運用單因子指數法評價深圳灣氮磷污染程度, 結果表明, 以三類海水水質標準為基準, 所有監測站點的PIDIN和PIDIP幾乎都大于1, 顯然各個站點的DIN和DIP均超過三類海水水質標準, 且各個監測站點的PIDIN和PIDIP平均值都呈現出外灣向內灣逐漸增大的趨勢, 可以看出深圳灣氮磷污染呈現外灣向內灣逐漸加重的趨勢。再運用富營養化指數法、潛在性富營養化評價模式及營養狀態質量指數法對深圳灣富營養化程度進行評價, 結果表明所有監測點的E值都大于1, NQI均大于3, 顯然所有監測站點均呈現富營養化狀態, 且各個監測點的E值和NQI幾乎都呈現外灣向內灣逐漸增大的趨勢, 表明深圳灣富營養化程度呈現外灣向內灣逐漸加重的趨勢。最后運用模型模擬深圳灣豐枯水期富營養化程度, 并用營養狀態質量指數法計算模型結果, 結果顯示所有區域NQI均大于3, 表明不管枯水期還是豐水期, 深圳灣基本處于富營養化狀態?？菟贜QI最大值為22, 最小值為3; 豐水期NQI最大值為23, 最小值為4, 表明豐水期深圳灣的富營養化程度較枯水期更為嚴重; 不管枯水期還是豐水期, 外灣的NQI基本在5左右, 而內灣NQI基本都大于外灣, 因此內灣的富營養化程度較外灣更為嚴重; 枯水期漲潮時NQI最大值為22, 落潮時NQI最大值為21; 豐水期漲潮時NQI最大值為23, 落潮時NQI最大值為22, 因此漲潮時深圳灣的富營養化程度較落潮時更為嚴重。所有結果均表明深圳灣已呈現富營養化狀態, 因此治理深圳灣富營養化問題刻不容緩。

單因子指數法; 氮磷污染; 富營養化指數法; 潛在性富營養化評價模式; 營養狀態質量指數法

0 引言

隨著經濟快速發展, 環境污染問題也日益突出, 而環境與人們的生活息息相關, 環境持續惡化對人們生活產生了很大影響, 尤其水污染問題日益顯著, 工業廢水及生活污水大量排放大大加重了水污染問題, 而這些污染水體中尤以氮磷污染物居多, 氮磷污染是水體富營養化的主要成因, 大量工業廢水和生活污水直接或間接排入是導致各水體富營養化的關鍵因素。深圳灣位處珠江口, 存于深圳和香港之間, 是一個半封閉海灣, 且灣內水深較淺, 水動力條件較差[1]。近幾十年來深圳和香港的快速發展給深圳灣輸入了大量污染物, 使深圳灣水環境問題日益明顯[2], 尤其富營養化問題一直尚未解決, 1981年以來深圳灣赤潮問題已經發生了三十多次[3–6], 影響了深圳灣生態系統的穩定, 也進一步影響了深圳及香港的經濟發展。

為了解水體富營養化程度, 國內外學者進行了深入的研究, 并提出了一些評價方法和模型[7–10], 想以此為依據更為客觀的表征水體富營養化程度, 預測水質變化趨勢, 從而為科學治理水環境問題提供依據。至今為止國內外對于水體富營養化評價方法有幾十種, 國際上也未對富營養化評價方法進行統一, 目前國內采用的主要是第一代富營養化評價方法, 如單因子指數法、綜合指數法[11–12]、富營養化模糊評判模型[13]、主要成分分析法及人工神經網絡等方法,其中綜合指數法包括富營養化指數法(EIM)和營養狀態質量指數法(NQI)等[14]。而國外主要采用以富營養化特征為基礎兼顧生態系統所受壓力和相應趨勢的第二代評價方法, 如美國的ASSETS[15]和歐盟的OSPAR-COMPP等。富營養化問題是由各個污染因子綜合形成的, 用單個指標來評價不能較為全面的反應富營養化問題, 因此綜合指數法是如今運用最廣泛的方法[16]。圍繞深圳灣富營養化問題, 國內學者也作出了相關研究[17–19], 但運用的方法都比較單一, 不能更為全面的說明深圳灣的富營養化問題, 而本文擬采用單因子指數法、富營養化指數法、潛在性富營養化評價模式及富營養化質量指數法, 將多種方法的結果結合共同研究深圳灣的富營養化問題; 并在監測數據的基礎上模擬深圳灣豐/枯水期各污染指標的變化情況, 再運用營養狀態質量指數法分析研究豐水期和枯水期不同水文條件下深圳灣富營養化問題。

1 材料、分析與評價方法

1.1 深圳灣監測與分析

本文采用海洋局2017年3月、5月、8月、10月及2018年3月、6月和9月共七期水質監測數據表征深圳灣水體富營養化特征, 監測點位圖如圖1所示。主要分析指標為無機氮(DIN)、活性磷酸鹽(DIP)、化學耗氧量(CODMn)和葉綠素-a(Chl.a)。

1.2 富營養化評價方法

1.2.1 單因子指數法(SFI)

單因子指數法(SFI)是將海水中某污染物實測含量與該污染物的評價標準進行對比, 以確定污染類別的方法[9], 公式為:

式中: PIi為某點位污染物i的污染指數; Ci為污染物i的實測值; S0i為污染物i的評價標準。評價標準采用《海水水質標準》(GB3097-1997)。由于富營養化的主要成因是氮磷污染物含量超標, 因此本文僅對無機氮(DIN)和活性磷酸鹽(DIP)進行單因子評價。若PIi≤1, 則表明該點位營養鹽i的含量符合該類海水水質標準, 若PIi≥1, 則表明該點位營養鹽i的含量超過該類海水水質標準。

Figure 1 Distribution map of Shenzhen Bay conventional monitoring site (Shenzhen Ocean Bureau)

1.2.2 富營養化指數法(EIM)

富營養指數法(EIM)是由日本的岡氏友利于1972年首次提出, 后來由國內學者鄒景忠等[7]將之引入, 結合我國海灣水體的實際情況并參考我國水質相關標準將其進行了優化, 確定為:

式中:為富營養化指數;C、C、C為COD、DIN、DIP的含量(單位均為mg·L-1)。若≥1, 則表明該水體為富營養化水體, 富營養化的程度取決于值的大小,越大富營養化程度越大。

1.2.3 潛在性富營養化評價模式(PEAM)

水中浮游植物一般按照氮磷摩爾比約為16: 1的值來攝取營養鹽, 因此肯定由一部分氮磷營養鹽相對過剩, 根據富營養化指數法的計算方法, 相對過剩的營養鹽會使被評價海域營養化水平升高, 然而該營養鹽并未被浮游植物消耗, 也未對水體富營養化產生實質性的影響, 因此只能被視作具有潛在性, 據此, 郭衛東等提出了一種可體現營養鹽限制的富營養化評價方法, 即潛在性富營養化評價模式(PEAM)[20]。該模式把富營養化狀態分為9個營養級, 其劃分原則如表1所示。

表1 潛在性富營養化評價模式營養級的劃分原則[20]

1.2.4 營養狀態質量指數法(NQI)

營養狀態質量指數(NQI)法[21–22]綜合考慮無機氮(DIN)、磷酸鹽(DIP)、化學耗氧量(CODMn)和葉綠素a(Chl.a)4個水質指標, 計算相應的營養狀態質量指數(), 具體計算公式如下:

式中: 分子項為監測值, 分母項為標準值, 依據海水水質標準(GB3097-1997), 深圳灣執行海水三類水質標準, 因此制定無機氮、磷酸鹽、化學需氧量和葉綠素a的標準值為COD=4.000 mg·L-1,DIN= 0.400 mg·L-1,DIP=0.030 mg·L-1,=5.000 mg·m-3。當＞3為富營養化水平,＜2為貧營養化水平,介于2和3之間為中營養化水平[23]。

2 結果與討論

2.1 監測數據結果與討論

2.1.1 單因子指標法評價結果與討論

采用單因子指標法對深圳灣各監測點監測數據進行評價, 統計結果如圖2和圖3顯示。由于深圳灣執行的時三類海水水質標準, 因此以三類海水水質標準為基準進行評價。從圖2可以看出, 若以DIN為評價因子,PI值的范圍為0.53–18.07, 94%的監測結果都大于三類海水水質標準, 只有6%的監測結果達標, 而且大部分監測結果的PI值都遠遠大于1, 因此深圳灣除很小區域無氮污染外, 大部分區域氮污染都比較重。監測站點GD082的PI平均數值為7.84, 監測站點ZQ019的PI平均數值為5.14, 監測站點GD083的PI平均數值為3.99, 監測站點GD084的PI平均數值為3.16, 監測站點GD085的PI平均數值為3.14, 可以看出深圳灣從外灣至內灣呈現氮污染程度逐漸加重的趨勢。由圖3可以看出, 若以DIP為評價因子,PI值的范圍為1.17~9.63, 所有監測結果均超過三類海水水質標準, 而且大部分監測結果的PI值都遠遠大于1, 因此深圳灣除很小區域磷污染比較小外, 大部分區域磷污染都比較重。監測站點GD082的PI平均數值為6.43, 監測站點ZQ019的PI平均數值為6.14, 監測站點GD083的PI平均數值為4.63, 監測站點GD084的PI平均數值為3.36, 監測站點GD085的PI平均數值為2.69, 可以看出磷污染呈現從內灣向外灣逐漸遞減的趨勢。

圖2 深圳灣各監測站點各監測時期以三類海水水質標準為基準時的PIDIN值

Figure 2PIof each monitoring station in Shenzhen Bay at each monitoring period based on class III standard of sea water quality standard

圖3 深圳灣各監測站點各監測時期以三類海水水質標準為基準時的PIDIP值

Figure 3PIof each monitoring station in Shenzhen Bay at each monitoring period based on class III standard of sea water quality standard

2.1.2 富營養化指數法評價結果與討論

富營養化指數法評價結果顯示, 所有區域均呈現富營養化, 圖中值都遠遠大于1, 因此所有區域的富營養化程度都比較大。監測站點GD082的平均數值為63.63, 監測站點ZQ019的平均數值為56.19, 監測站點GD083的平均數值為46.13, 監測站點GD084的平均數值為35.30, 監測站點GD085的平均數值為26.72, 可以看出深圳灣的富營養化程度在內灣最大, 內灣到外灣富營養化程度逐步減輕。GD082處的值都大于其余各點, 而GD082處于深圳河口附近, 因此可以看出深圳河口附近富營養化程度最高。

圖4 富營養化指數法評價結果

Figure 4 Evaluation results of eutrophication index method

2.1.3 潛在性富營養化評價模式的評價結果與討論

圖5、圖6和圖7分別為深圳灣各監測點的DIN濃度、DIP濃度和氮磷比。對比潛在性富營養化評價模式營養級的劃分原則可以看出, 77%的監測結果都屬于富營養化, 9%的監測結果屬于磷中等限制潛在性富營養。從圖5和圖6可以看出幾乎所有監測結果氮磷濃度都比較高, 特別是內灣氮磷污染相對外灣更為嚴重。

2.1.4 營養狀態質量指數法的評價結果與討論

運用監測數據對深圳灣水體營養狀態質量指數進行計算, 結果如圖8所示。深圳灣各監測站點各時期的均超過3, 表明水體為富營養化水平。監測站點GD082的平均值為21.1, 監測站點ZQ019的平均值為15.4, 監測站點GD083的平均值為8.2, 監測站點GD084的平均值為6.0, 監測站點GD085的平均值為5.3, 可以看出深圳灣從外灣至內灣呈現富營養化程度逐漸加重的趨勢。

圖5 深圳灣各監測點DIN的濃度

Figure 5 DIN concentration at each monitoring point in Shenzhen Bay

圖6 深圳灣各監測點DIP的濃度

Figure 6 DIP concentration at each monitoring point in Shenzhen Bay

圖7 深圳灣各監測點氮磷比

Figure 7 N/P at each monitoring point in Shenzhen Bay

圖8 深圳灣各監測站點各監測時期營養狀態質量指數(NQI)

Figure 8in each monitoring points in Shenzhen Bay

2.2 模型結果分析與討論

運用模型軟件對深圳灣富營養化情況進行模擬, 模擬的污染物指標為CODMn、葉綠素a、無機氮、活性磷酸鹽。枯水期和豐水期各模擬三個月, 模擬時間分別為2018年1月1日至3月31日和7月1日至9月31日。根據模擬結果算出的如圖9和圖10所示。

圖9(a)為深圳灣豐水期落潮污染物濃度最高時統計的, 從圖中可以看出, 深圳灣豐水期落潮時基本所有區域都大于3, 根據評價標準, 大于3的區域均是富營養化區域, 因此深圳灣豐水期落潮時基本所有區域都處于富營養化狀態。圖9(b)為深圳灣豐水期漲潮污染物濃度最高時統計的, 從圖中可以看出, 深圳灣豐水期漲潮時基本所有區域都大于3, 根據評價標準, 大于3的區域均是富營養化區域, 因此深圳灣豐水期漲潮時基本所有區域都有富營養化問題。對比落潮和漲潮富營養情況, 漲潮時最大值為23, 而落潮時最大值為22, 因此在豐水期漲潮時深圳灣的富營養化程度明顯比落潮時要嚴重。

圖10(a)為深圳灣枯水期落潮時污染物濃度最高時統計的, 從圖中可以看出, 深圳灣枯水期落潮時基本所有區域都大于3, 根據評價標準, 大于3的區域均是富營養化區域, 因此深圳灣枯水期落潮時基本所有區域都處于富營養化程度。圖10(b)為深圳灣枯水期漲潮時污染物濃度最高時統計的, 從圖中看出, 深圳灣枯水期漲潮時基本所有區域都大于3, 根據評價標準, 大于3的區域均是富營養化區域, 因此深圳灣枯水期漲潮時基本所有區域都有富營養化問題。對比漲、落潮深圳灣富營養化情況, 落潮時最大值為21, 而漲潮時最大值為22, 因此在枯水期也是漲潮時深圳灣的富營養化程度更為嚴重。

3 結論

采用監測數據與數學模型相結合, 運用多種評價方法對深圳灣的富營養化特征進行分析, 分析結果如下:

(1)運用單因子指數法對深圳灣氮磷污染情況進行評價。大部分監測結果的PI和PI均遠遠大于1, 表明大部分區域氮磷污染都比較嚴重。各監測點的PI和PI平均值皆由外灣向內灣遞增, 表明深圳灣從外灣至內灣呈現氮磷污染程度逐漸加重的趨勢。因此減輕深圳灣的氮磷污染必須要加強監督管理各支流和排污口的污染物排放。

圖9 深圳灣豐水期污染物濃度最高時NQI圖

Figure 9of the highest concentration of pollutants in the rainy season of Shenzhen Bay

圖10 深圳灣枯水期污染物濃度最高時NQI圖

Figure 10of the highest concentration of pollutants in the dry season of Shenzhen Bay

(2)運用富營養化指數法、潛在性富營養化評價模式和營養狀態質量指數法對深圳灣富營養化情況進行評價。結果表明幾乎所有區域均呈現富營養化, 且內灣富營養化程度較外灣更為嚴重, 豐水期富營養化程度較枯水期更為嚴重。所有監測點的值都遠遠大于1,均遠遠超過3, 表明所有區域的富營養化程度都比較大。GD082處的富營養化程度最高, 而GD082處于深圳河口附近, 可以看出深圳河口附近富營養化程度最高, 因此要治理深圳灣富營養化問題必須加強治理深圳河的污染問題。

(3)模型結果顯示不管在豐水期還是枯水期, 深圳灣整體都呈現富營養化狀態, 且呈現外灣向內灣逐漸加重的趨勢, 因此需要加強內灣污染源的治理。豐水期深圳灣的富營養化情況比枯水期更差, 因此需要加強豐水期入灣污染源的治理。不管枯水期還是豐水期, 外灣的基本在5左右, 而內灣基本都大于外灣, 這是由于入灣支流基本都在內灣, 而且內灣水動力條件較差, 污染物擴散能力較弱, 導致大量污染物囤積在灣內, 因此入灣支流的治理問題不容忽視。

(4)近幾年來深圳灣富營養化問題尤為突出, 而深圳灣又是重要的濕地生態系統, 因此治理深圳灣的污染問題尤為重要。而治理深圳灣污染問題尤其注重治理內灣污染源的排放問題, 特別是深圳河污染物排放, 因此需要加強深圳河入河污染源的監督管理。

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Study on the evaluation of eutrophication in Shenzhen Bay by different methods

HUANG Xu, LUO Huan, WU Qiong, HAN Chunyang, HEI Liang*

Key Laboratory of the Pearl River Estuarine Dynamics and Associated Process Regulation, Ministry of Water Resources, Pearl River Hydraulic Research Institute, Pearl River Water Resource Commission, Guangzhou 510611, China

The single factor index method was used to evaluate the pollution degree of nitrogen and phosphorus in Shenzhen Bay. The results show that with the class III standard of sea water quality standard, the PIDINand PIDIPof all monitoring stations are almost greater than 1. Obviously, the DIN and DIP of each station exceed the class III standard of sea water quality standard, and the average values of PIDINand PIDIPof each monitoring station show the trend of increasing gradually from outer bay to inner bay. It can be seen that the nitrogen and phosphorus pollution in Shenzhen Bay shows the trend of increasing gradually from outer bay to inner bay.The eutrophication index method, potential eutrophication assessment model and nutritional quality index method were used to evaluate the eutrophication degree of Shenzhen Bay. The results showed that the E of all monitoring points were greater than 1, and the NQI was greater than 3. Obviously, all monitoring stations were eutrophication, and the E and NQI of each monitoring point showed a tendency of gradually increasing from the outer bay to the inner bay, indicating that the eutrophication degree of the Shenzhen bay showed a trend of gradually increasing from the outer bay to the inner bay. Finally, the model was used to simulate the degree of eutrophication in the Shenzhen Bay during the high-water period and low-water period, and the model results were calculated using the nutritional quality index method. The results show that the NQI is greater than 3 in the bay, indicating that the Shenzhen Bay is basically in the state of eutrophication regardless of the dry season or the rainy season. The maximum NQI during the dry season is 22 and the minimum is 3; the maximum NQI during the rainy season is 23 and the minimum is 4, which indicates that the eutrophication of Shenzhen Bay during the high-water season is more severe than that during the dry season. Regardless of the dry season or the rainy season, the NQI of the outer bay is basically around 5, and the NQI of the inner bay is basically larger than that of the outer bay. Therefore, the eutrophication of the inner bay is more severe than that of the outer bay. The maximum NQI is 22 in the high tide during the dry season, and the maximum NQI is 21 in the ebb; the maximum NQI is 23 in the high tide during the rainy season, and the maximum NQI is 22 in the ebb, so the eutrophication of Shenzhen Bay is more serious than the ebb in the high tide. All the results indicate that the Shenzhen Bay has already become eutrophic, so it is urgent to tackle the problem of eutrophication in Shenzhen Bay.

single factor index method;nitrogen and phosphorus pollution;eutrophication index method;potential eutrophication assessment model;nutritional quality index method

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.04.028

黃徐, 羅歡, 吳瓊, 等. 不同方法評價深圳灣富營養化問題的研究[J]. 生態科學, 2020, 39(4): 226–232.

HUANG Xu, LUO Huan, WU Qiong, et al. Study on the evaluation of eutrophication in Shenzhen Bay by different methods[J]. Ecological Science, 2020, 39(4): 226–232.

X821S1

A

1008-8873(2020)04-226-07

2019-12-09;

2020-05-10

廣州市科技計劃項目(201904010367); 珠江水利科學研究院科技創新項目([2018]ky018); 廣東省水利科技創新項目([2017]07); 廣東省重點研發項目(2019B110205004); 國家自然科學基金項目(5170929)

黃徐(1995—), 男, 碩士, 主要研究水環境模擬及預測, E-mail: 1041493801@qq.com

黑亮, 女, 博士, 教授級高級工程師, 主要從事水環境研究, E-mail:hidige@sina.com