海洋工程对觉华岛国家级海洋公园海域生态环境影响研究

张雪,张云,吴英超,张笑,龚艳君,尤广然,孔重人

(1.辽宁省自然资源事务服务中心 沈阳 110001;2.辽宁省海洋水产科学研究院 大连 116023;3.大连市海域海岛开发与保护研究重点实验室 大连 116023)

0 引言

近几年,随着科学技术的不断发展,人类对海洋的开发利用程度也在不断增大[1]。由于开发方式粗放,缺乏科学管理,致使海洋生态环境出现了很多问题,主要体现在海水水质恶化、沉积物质量降低、水动力环境改变、海洋生物物种及生物量减少等方面[2-9]。目前,以海岛为基础的国家海洋公园建设是保护海洋生态环境的有效措施之一[10]。海洋公园建设是通过海洋生态环境保护,兼顾海洋景观开发、海洋研究、休闲娱乐及环境教育为一体的发展模式,使海洋生态环境保护与社会经济发展同时兼顾,受到社会各界的普遍认可[11]。自1963 年我国第一个海洋保护地——辽宁蛇岛老铁山国家级自然保护区建立以来,经过50余年的发展,我国已初步建成了以海洋自然保护区、海洋特别保护区(含海洋公园)为代表的海洋保护地网络,在保护海洋生态环境和生物多样性、推动陆海统筹、维护国家海洋权益等方面发挥了重要作用。截至2018年年底,我国共建各级各类海洋自然保护地271处,涉及沿海11个省、市、自治区,总面积达12.4 km2,其中国家级106处[12]。

觉华岛位于辽宁省葫芦岛兴城市海域,是渤海辽东湾第一大岛屿。2014年国家海洋局批准成立觉华岛国家级海洋公园。公园总面积为10 249 hm2,其中海岛面积为1 463 hm2(包括觉华岛、磨盘山岛、张家山岛、杨家山岛),占海洋公园总面积的14.27%。海洋公园的建立在一定程度上可统筹觉华岛群岛的开发与保护,最大限度地发挥区域和资源环境优势,引导海岛的合理开发利用,实现海岛资源环境的可持续发展。近几年,为提高中央分成海域使用金使用效益,增强我国管辖海域海岛管理能力和水平,国家在觉华岛周边海域开展了一系列海洋开发项目,兴建了一批海洋工程。因此,了解海洋工程建设对海洋环境造成的影响,加强海域环境管理显得尤为重要。本研究根据2016—2019年在海洋工程建设前、中、后的海域现场监测结果,分析及评价觉华岛海洋公园海域生态环境变化情况,为海域环境管理和污染控制提供依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究分别于2016年6月、2017年6月、2019年6月利用“辽葫渔25038”号调查船在觉华岛周边海域采集海水、沉积物及生物样品,调查区域与站位见图1。调查与站位布设方法依据《海洋调查规范》[13],样品的采集、保存、运输和分析按照《海洋监测规范》[14]的相关规定执行。

水质指标包括p H、溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、无机氮(DIN)、活性磷酸 盐(PO4-P)、汞(Hg)、铜(Cu)、铅(Pb)、锌(Zn)、镉(Cd)和石油类;沉积物指标包括有机碳、硫化物、石油类、汞(Hg)、铜(Cu)、铅(Pb)、锌(Zn)、镉(Cd)、砷(As);生物指标包括浮游植物、浮游动物、底栖生物的种类数、密度、生物量及香农-威纳指数。

1.2 水质要素评价方法

海水水质评价采用单因子质量指数法[15]和内梅罗水质综合评价法[16]。化学需氧量(COD)、无机氮(DIN)、活性磷酸盐(PO4-P)、汞(Hg)、铜(Cu)、铅(Pb)、锌(Zn)、镉(Cd)和石油类的计算公式如下:

图1 研究区域与监测站位分布

对于评价因子DO 和p H,其计算公式有所不同。DO 质量指数计算公式为:

式中:Cf为现场温度、盐度条件下水中氧饱和含量;C0为溶解氧的评价标准值;C 为溶解氧实测值。

p H 质量指数计算公式为:

式中:C下限为p H 评价标准值下限;C上限为p H 评价标准值上限;C 为p H 实测值。

本研究采用第二类海水水质标准(GB3097—1997)[17]。一般来说,如果I≤1,说明环境质量较好,水体较清洁;如果I＞1,则说明环境质量较差,水体受到了污染。

1.3 沉积物要素评价方法

沉积物质量评价采用单因子质量指数法[15]和综合污染指数法[18],评价模式为:

产后出血是孕妇分娩过程中较为严重的并发症以及产妇死亡的常见原因之一,其主要影响因素为产科因素,例如产程延长、体力消耗过多以及妊娠合并症等,自身原因,例如产妇精神过度紧张、恐惧等以及子宫元素[3]。

1.3.1 单因子评价

单因子评价依据质量分数模式进行,其计算公式为:

式中:Pi为第i项评价因子的污染指数;Ci为某污染因子的实测值;CSi为某污染因子引用的评价标准值。

1.3.2 多因子评价

多因子评价采用加权评价模式,即把各污染因子的质量分数乘以各因子的权重值,再综合成沉积物的环境质量总指数,然后进行评价。其计算公式为:

式中:ISQJ为沉积物的环境质量总指数;Wi为污染因子的权重值,∑Wi=1;Pi为i污染因子的质量分指数。

权重值代表各个污染因子对环境质量影响程度的比重分配。权重值可以根据污染因子的环境可容纳量来确定,其计算公式为:

式中:Ki为i污染因子的环境可容纳量,可由评价标准(Si)和背景值(C0i)来确定,其计算公式为:

本研究采用第一类海洋沉积物质量标准(GB18668—2002)[19]。与水质评价相同,若I≤1,说明环境质量较好,沉积物清洁;如果I＞1,则说明环境质量较差,沉积环境受到了污染。

1.4 生物要素评价方法

本研究采用香农-威纳指数对海洋生物进行分析,计算公式为:

式中:H'为香农-威纳种类多样性指数;S 为样品中的种类数;Pi为第i 种的个体数(ni)与总个体数(N)的比值。

一般来说,H'值越高,海洋环境越好;H'值低则说明海洋环境受到污染[20]。

2 结果与讨论

2.1 海水水质评价及变化趋势分析

影响海水水质环境质量的因素有很多,如工业废水与生活污水的排放,海水养殖过程产生的废水以及船舶的泄露与倾废等,由于评价区域是国家级海洋类型特别保护区,管理尤其严格,对入海废弃物处理标准要求非常高,故本研究忽略上述因素对海水水质的影响,仅考虑海洋工程的影响作用。

2016年、2017 年、2019 年,各 水 质 监 测 要 素 均符合二类标准,质量等级均为清洁。水质质量指数变化范围分别为0.26～0.82、0.41～0.78、0.31～0.76,平均值分别为0.41、0.55、0.50,说明海域水质质量先降低再升高,但变化幅度不大。具体表现为p H、DO 平均含量无明显变化,COD 在小幅范围内波动,磷酸盐、无机氮和石油类变化相对比较明显,呈先增大后减小的变化趋势(图2)。重金属平均含量整体水平较低,从大到小依次为锌、铜、铅、镉、汞。整体变化趋势相同,为先增大后减小(图3)。

图2 2016—2019年觉华岛周边海域海水监测要素平均含量变化

图3 2016—2019年觉华岛周边海域海水重金属平均含量变化

综上所述,2016—2019年海洋工程的建设造成了觉华岛周边海域水质环境中磷酸盐、无机氮、石油类以及重金属含量在某时段内增高,但均未超过海水二类水质标准,水质保持清洁状态。可见,海洋工程建设对觉华岛周边海域水质造成了一定负面影响,但影响较小。

2.2 海洋沉积物评价及变化趋势分析

海洋工程在施工过程中,可能将油类和重金属带入沉积物中,会成为慢性污染源,导致沉积物中的油类、重金属等污染物含量上升[21]。

2016年、2017 年、2019 年,各 沉 积 物 监 测 要 素均符合一类标准,质量等级均为清洁。沉积物综合指数变化范围分别为0.13～0.51、0.12～0.69、0.12～0.71,平均值分别为0.25、0.39、0.34,说明海域沉积质量先降低再升高,但变化幅度不大。具体表现为沉积物中有机碳、硫化物、石油类的平均含量呈先增大再减小的变化趋势(图4)。除汞外,其他重金属的含量变化与有机碳和硫化物变化相同(图5),这是由于水体中重金属易与有机物、硫化物结合形成有机络合物与硫化物而沉淀在沉积物中所致[22],而汞的含量2016—2017年呈增加趋势,2017—2019年无明显变化。

综上所述,2016—2019年海洋工程建设造成了觉华岛周边海域沉积物环境中有机碳、硫化物、石油类以及重金属含量在某时段内增高,但均未超过沉积物一类标准,沉积环境保持清洁状态。可见,海洋工程建设对觉华岛周边海域沉积物造成了一定影响,但影响程度不大。

图4 2016—2019年觉华岛周边海域沉积物监测要素平均含量变化

图5 2016—2019年觉华岛周边海域沉积物重金属平均含量变化

2.3 海洋生物评价及变化趋势分析

2016年、2017 年、2019 年,觉 华 岛 周 边 海 域 浮游植物种类、密度、生物量和香农-威纳指数呈先减少再增大的趋势,浮游动物和底栖生物种类数变化不大,密度、生物量和香农-威纳指数也呈先减少再增大的趋势(表1)。由于海洋生物种类、密度、生物量、群落结构等与很多因素相关,如调查期间的温度差异、水文条件不同均会引起其发生变化,故本研究不能完全反映海洋工程建设对其产生的影响,若要进一步了解还需进行更深入和持久的研究。

蔡立哲等[20]认为环境质量变化会影响生物种群结构,而香农-威纳指数是生物种群结构的重要指标之一,故可根据香农-威纳指数判别海洋环境质量状况。根据上述分析,研究海域生态环境质量变化趋势为先降低再增高,这与水质、沉积物的评价结果一致。

表1 2016年、2017年、2019年觉华岛周边海域海洋生物指标

3 结论

2016—2019年,本研究对觉华岛周边海域监测结果表明,水质监测要素均符合《海洋水质标准》第二类水质标准,沉积物监测要素均符合《海洋沉积物质量》一类标准。水质和沉积物的大部分监测要素平均含量年际变化均呈先降低再增加的变化趋势。海洋生物物种数年际变化不大,在一定范围内波动,密度、生物量、香农-威纳指数年际变化趋势与水质和沉积物变化基本相同。说明海洋工程建设对觉华岛国家级海洋公园海域生态环境造成一定负面影响,但影响程度不大。