海洋工程影响下连云港徐圩海域海洋水环境变化

邵 帅,张爱军,张晶晶,胡亚斌,王以斌*,臧家业

(1.连云港市环境监测监控中心,江苏 连云港222000;2.自然资源部 第一海洋研究所,山东 青岛266061;3.鲁东大学 滨海生态高等研究院,山东 烟台264025)

近年来,伴随着海洋经济的不断发展,我国海洋开发力度不断增强,围填海活动频繁。比如江苏省连云港市在1985—2016年围填海累计近830 k m2,约占其陆域面积的10.9%,如此大规模的围填海,导致沿海的岸线形态和近岸潮流场已明显发生改变[1],滨海湿地和海洋资源退化严重[2]。伴随着沿岸河流和陆源排污入海的化学需氧量(che mical oxygen de mand,COD)、氨氮、总磷等污染物不断增多,连云港海洋环境污染日趋严重,近海富营养化程度较高[3-4],亦导致赤潮、浒苔“绿潮”等生态灾害频发[5-6],海洋综合承载类型已为“超载”类型,达到“重警”预警等级[7]。因此,对该海域海洋环境的保护、治理与修复已刻不容缓。

徐圩新区位于连云港东南部沿海,是新兴的石化产业基地。为推动徐圩新区石化产业园产品的输出,2010年底开工建设徐圩港区,将其作为连云港“一体三翼”港口建设的重要组成,2016年底建设完成防波堤等主体工程,形成现状岸线,后期堆场及码头等工程将在防波堤形成的港池内继续建设。徐圩港区堆场、泊位及其防波堤、航道等建设周期长,围填海面积大(约49.5 k m2),已属于“特大型”海洋工程范畴,对区域的海洋生态环境和海洋资源而言,港区围填海占用滨海湿地、破坏生物栖息地、改变区域潮流及水动力环境[8],其对生态环境的破坏性和持续影响持久且深远。

为明确该工程对海洋生态环境的影响和长期累积效应,将研究2009—2016年间徐圩港区周边海域的海洋调查数据,分析该海域在徐圩港区建设前后的海洋环境变化,探讨海洋工程建设对海洋环境的影响,进而阐明海域环境变化的控制因素和影响要素,以期为该海域海洋资源与生态环境管理、海洋开发利用决策和海洋生态修复策略制定提供重要的科学依据和数据支持。

1 材料和方法

1.1 研究海域范围

连云港徐圩港区2010年底开工建设,至2016年底完成防波堤建设,形成现状岸线和港池。研究海域在2009—2017年的岸线变化及主要海洋工程概况如图1所示,可知2016年底港区现状形成后没有继续大规模填海。2009—2016年间在研究海域进行了24个季节航次的海洋环境调查,其中2009年5月至2010年1月调查了连续4个季节,2011年2月至2012年11月调查了连续8个季节,2013年8月至2016年5月调查了连续12个季节。

图1 研究海域2009—2017年海岸线变迁及海洋开发活动示意图Fig.1 A sketch map of the coastline changes and marine exploitation activities in the study area fro m 2009 to 2017

1.2 研究要素与分析方法

调查要素包括水温()、盐度()和溶解氧( , )、化学需氧量(mand,COD)、无机氮(dissolved inorganic nitrogen,DIN)、活性磷酸盐(dissolved inorganic phosphorus,DIP)、悬浮物(suspended solids,SS)、叶绿素a(chl or ophyll a,Chl-a)、石油类(Oil)的质量浓度等。利用Origin 17.0软件绘制各水环境要素年变化图,利用SPSS 18.0软件分析要素之间的相关性。

采用富营养化指数法[9]评估海域的富营养化程度,富营养化状态指数(E)的计算方法[9]为

式中:ρCOD、ρDIN和ρDIP为海水中COD、DIN和DIP的质量浓度实测值,单位为mg/L。当E≥1时,水体为富营养化,其中,当1≤E≤3时,水体为轻度富营养化,当3＜E≤9时,水体为中度富营养化,当E＞9时,水体为重度富营养化。

采用营养状态质量指数法[10]评估海域的富营养化程度和营养状态水平,营养状态质量指数(nutrient quality index,NQI)计算式[10]为

式中:ρCOD、ρDIN,ρDIP和ρChl-a为海水中COD、DIN、DIP和Chl-a的质量浓度实测值;ρ′COD、ρ′DIN、ρ′DIP和ρ′Chl-a均为一类海水标准值,分别为3.0 mg/L、0.3 mg/L、0.03 mg/L和5μg/L。当NQI≤2时,水体营养等级为Ⅰ级,为贫营养化状态;当2＜NQI≤3时,水体营养等级为Ⅱ级,为中等营养化状态;当NQI＞3时,水体营养等级为Ⅲ级,为富营养化状态。

采用有机污染综合指数法[11]评价海域的有机污染状况,有机污染指数(A)的计算公式[11]为

式中:ρCOD、ρN、ρP和ρDO分别为海水COD,DIN,DIP和DO的质量浓度实测值;ρ′COD、ρ′N、ρ′P和ρ′DO均为一类海水标准值,分别为2.0 mg/L、0.2 mg/L、0.015 mg/L和6.0 mg/L。当A≤0时,水质良好;当0＜A≤1时,水质较好;当1＜A≤2时,水体开始受到有机污染;当2＜A≤3时,水体轻度有机污染;当3＜A≤4时,水体中度有机污染;当4＜A≤5时,水体重度有机污染。

2 结果与分析

2.1 海洋水环境状况及年际变化

以年度为单位(每一年度时间段内均含有完整的4个季节,年均值为4个季节调查结果的均值)对2009—2016年连云港徐圩海域主要水环境参数进行统计,结果见表1,主要水环境要素的年变化见图2。

表1 2009—2016年连云港徐圩海域主要水环境要素调查结果Table 1 The main water environ mental ele ments investigated in the Xu wei coastal waters of Lianyungang fro m 2009 to 2016

由表1和图2可知,连云港徐圩海域2009—2016年主要水环境要素在年际间均存在明显变化。DO、Chl-a和Oil的质量浓度(图2c、图2i、图2h)和盐度(图2b)年均值呈现下降趋势,水温(图2a)和DIN(图2e)的质量浓度呈现明显的上升趋势,而COD(图2d)和DIP(图2f)质量浓度的年际变化虽呈现波动性,但没有明显的趋势性。2009—2016年研究海域内水温的年均值已升高了约2℃。2015—2016年度的DIN质量浓度年均值已达2009—2010年度的2倍,且自2013年开始DIN质量浓度年均值已超过二类海水水质标准值(0.3 mg/L)。DIP质量浓度年均值在2009—2010年升高后基本维持稳定;COD的质量浓度年均值在2013年之前有明显增加趋势,其后大幅降低后趋于稳定。DO质量浓度年均值呈现波动性下降,趋势明显;盐度年均值经历2009—2011年的升高后呈现大幅下降,且下降趋势明显;Chl-a质量浓度年均值在2009—2010年较高,但2011年呈断崖式下降,下降了约80%,其后缓慢回升趋于稳定但质量浓度较低;油类质量浓度年均值在2009—2010年较高,其他5个年度的年均值均较低;SS质量浓度在2009—2010年和2013—2014年年均值较高,其他年份较低。

图2 连云港徐圩海域2009—2016年各水质要素的年变化Fig.2 The annual variations of water quality ele ments in the Xuwei coastal waters of Lianyungang fro m 2009 to 2016

综合分析表明,从2009—2010年度到2011—2012年度各要素均有明显的转折点。本文将根据海域内主要海洋工程的施工及运行情况分析其与海洋环境变化的关系。

2.2 水环境的营养状态评估

富营养化指数(E)和营养状态质量指数(NQI)反映了海域内COD、DIN、DIP质量浓度和Chl-a质量浓度之间的关系,与有机污染指数(A)结合分析可综合反映水体的营养状态。3种指数对营养状态评估结果的年变化见图3。

由图3可知,自2009—2011年,研究海域的海水营养状态呈急剧富营养化,E和A均有明显增幅。E从2009年的1.3急剧增加至2011年的3.8,达中度富营养化状态;A从1.3增至2.6,达到轻度有机污染状态;NQI增幅不明显,从2.3增至2.5,这表明海域为中等营养化状态。2011—2016年,E在2011年达到高值(E=3.8)后呈下降趋势,于2013年和2015年分别降至1.7和1.9,说明水体为轻度富营养化状态;但在2015—2016年E又急剧上升至4.3,水体又变为中度富营养化状态。NQI的结果表明2009—2016年间该海域均为中等营养化状态(2＜NQI≤3);A指数略有波动,但一直是A＞2,表明该海域在此时间段内均为轻度有机污染状态。这3个指数的年际变化说明研究海域水体已呈现中度富营养化和轻度污染状态。此外,该海域E和A的转折点与水环境参数的年际变化区间与趋势一致,亦说明了围填海等海洋开发利用活动对海洋生态环境的巨大影响。

图3 连云港徐圩附近海域2009—2016年海水营养状态的年变化Fig.3 The annual variations of the water nutritional status in the waters near the Xuwei coastal waters of Lianyungang fro m 2009 to 2016

综合3种指数的评价结果,自2011年以来,研究海域处于轻度到中度富营养化、中等营养化和轻度有机污染的状态,并且2009年度至2011年度增幅显著。李亚丽等[4]研究显示连云港海域2012—2013年处于富营养化状态,且程度较严重;杨华等[12]研究表明徐圩海域2012—2013年处于富营养状态,氮磷比失衡,营养状态为磷限制型;张晓昱等[13]研究显示海州湾紫菜增养殖区2012年富营养化程度最高,此后有所缓解。这些结论均与本研究结果一致,表明该海域内的外源干扰因素对于海洋水体的富营养化具有明显的影响。

2.3 水环境要素的相关性

鉴于徐圩港区自2010年后开始围填海施工,因此本文将数据分为环境本底期数据(2009—2010年)和建设期数据(2011—2016年),分别对其进行相关性分析,结果如所示。

由表2可知:水温(θ)与COD、DIN、DIP和Chl-a的质量浓度呈显著正相关关系(P＜0.01),而水温与盐度(S)和DO、SS、Oil的质量浓度呈显著负相关(P＜0.01),表明水温在控制海水各要素的变化中具有重要的作用。温盐的显著负相关关系表明低温季节盐度高,高温季节盐度低,说明了夏季较多的降雨和陆源淡水输入对海域盐度的影响。水温与DO质量浓度的显著负相关关系亦说明季节变化引起水温变化与DO质量浓度变化之间的关系,其变化规律符合北温带夏季水温高、DO质量浓度低,冬季水温低、DO质量浓度高的特点[4]。盐度与DO、SS、Oil的质量浓度呈显著正相关,与DIN、DIP、Chl-a的质量浓度呈显著负相关,同样说明当夏季随着降雨带来的大量淡水输入后降低了海水盐度,以及淡水输入携带氮磷营养盐对海水营养盐的影响以及对浮游植物生长的贡献;同时,水温与COD、DIN、DIP的质量浓度的显著正相关性说明陆源COD和氮磷的输入量在夏季是最多的。水温与Oil质量浓度的显著负相关、盐度与Oil质量浓度的正相关以及水温与盐度之间的关系,表明冬季海域内Oil的质量浓度较高,说明低温季节(秋冬季)作为紫菜养殖生产季节,养殖业船舶高密度作业以及频繁发生的油污泄漏对海洋环境的影响[4]。DIN与DIP的质量浓度呈显著正相关,同时二者与盐度呈显著负相关,表明二者分布和来源具有一致性,即主要随陆域淡水输入进入海洋。DO质量浓度与COD、DIN、DIP、Chl-a的质量浓度呈显著负相关,表明DO与富营养化的指标之间存在显著负相关关系,说明近海水体的富营养化促进了海域的低氧现象的产生[14]。Chl-a质量浓度与水温和COD、DIN、DIP的质量浓度呈显著正相关关系,Chl-a质量浓度与盐度和DO、SS、Oil的质量浓度呈显著负相关,表明了水温和营养盐对浮游植物生长的正向促进作用以及悬浮物、Oil等对其生长的抑制。SS与Oil的质量浓度的显著正相关也表明养殖活动和海洋工程施工船舶作业造成的扰动对海水SS质量浓度的影响以及因船舶含有污水排放及燃油泄漏导致的油污染[4]。

表2 连云港徐圩海域2009—2010年海洋水环境要素的相关性Table 2 Correlations a mong the water enviro mental ele ments in the Xu wei coastal waters of Lianyungang fro m 2009 to 2010

港区建设期的水环境要素相关性分析(表3)表明:水温同样在控制各要素的变化中具有重要作用,但各要素之间的相关性已不如建设期之前显著。水温与DO质量浓度的相关性依然显著,表明二者之间是自然存在的关系,与工程等没有显著关联。盐度与COD、DIN、DIP的质量浓度呈显著负相关,且COD、DIN、DIP三者的质量浓度之间存在显著正相关,表明它们具有共同的来源,即陆源淡水的输入。此外SS质量浓度与DIN和DIP的质量浓度之间存在显著正相关,表明海洋工程建设加剧了海水中SS的质量浓度,使其吸附的氮磷营养盐释放增加了海域内的氮磷质量浓度。Chl-a与DIN的质量浓度已由建设期之前的显著正相关变为显著负相关,同时与DIP质量浓度没有明显的相关关系,这表明海域内Chl-a质量浓度及其对应的浮游植物的生物量和生长过程对营养盐的依赖性发生了转变;此外结合建设期间Chl-a质量浓度大幅降低的结果,表明建设期的工程施工使得海域浮游生物量明显减少。

表3 连云港徐圩海域2011—2016年海洋水环境要素相关性Table 3 Correlations among the water enviro mental elements in the Xuwei coastal waters of Lianyungang from 2011 to 2016

2.4 环境变化与海洋开发利用的关系

研究期间该区域内的海洋工程除了徐圩港区的围填海及航道深挖清淤施工(建设期:2010—2016年)外,还有田湾核电的取水明渠施工和温排水(2011—2016年)、连云港港区的围填海(2009—2012年)、连云港跨海大桥工程施工(2013—2014年)以及近海大面积的紫菜养殖(2009—2016年)等,这些海洋开发利用活动在时空范围内所产生的叠加与累积效应,对当地海洋生态环境影响明显,不仅会导致水环境的变化,还会引起浮游生物、底栖生物等生境质量的显著下降和种群结构的演替[8,15]。

主要水环境要素的年变化趋势显示2011—2012年是变化的拐点,这一时期正是徐圩港区围填海的开始,也与连云港港区围填海以及田湾核电取水明渠的施工期重叠。海域内Chl-a质量浓度急剧下降,与围填海施工产生的扰动有明显的关系,施工引起SS质量浓度的增加,导致浮游植物生物量的降低,从而引起Chl-a质量浓度下降;SS与Oil的质量浓度的显著正相关关系亦说明围填海工程建设期间产生的大量SS和工程船舶机械等产生的油污等对海域有明显影响;同时,拐点年份的富营养化和有机污染程度是最严重的。水温年均值的升高可能受到了核电温排水的影响,因为徐圩港区围堰和防波堤建成后,影响了近岸的潮流流向和流速[1,16],使得温排水的扩散受到了影响,温升不能及时传递到外海,所以提升了徐圩港区北侧海域的水温。由连云港港区与徐圩港区之间海域(田湾核电温排水影响区域)在2009—2016年间冬季和夏季水温的累年均值空间分布(图4)可明显看出区域内温度梯度的变化:DIN的升高与陆源输入有直接关系,围填海的建设导致SS吸附的DIN释放对其增加也有影响;同时,DIN的空间分布也表明了陆源输入和围填海建设对海域DIN质量浓度的增加影响显著[4]。盐度的降低与海域降水和淡水输入有密切关系,也符合连云港海域盐度变化的大趋势[17];此外,DO质量浓度的降低与水温的升高还与沿海水体的富营养化密切相关[14]。显然,研究海域环境的变化既与海域开发利用有明显关系,亦与陆源输入有关,连云港海洋主管部门的监测结果显示陆源输入携带的COD、氨氮和磷酸盐对近岸海域水体污染严重,且逐年上升①连云港市海洋与渔业局.2016年连云港市海洋环境质量公报.2017.。

图4 田湾核电温排水影响区域2009—2016年的冬、夏季多年水温空间分布Fig.4 Spatialdistributionsofyearswatertemperatureinwinterandsummerintheareainfluenced bythewarmwaterdischargefromtheTianwanNuclearPowerStationduring2009to2016

此外,2011—2014年大规模围填海阶段海域内的浮游植物以耐污藻种中肋骨条藻和拟菱形藻占据绝对优势种,多样性指数降至较低水平;而后随着围填海施工减少,其他优势种出现(该数据另文发表),这也表明围填海对海洋生态环境有显著负面影响。研究显示连云港的赤潮多爆发于连岛及连云港港区周边海域[5],本文研究海域自2008年以来未有赤潮爆发记录,然而2017年在排淡河至徐圩埒子口附近(即环绕徐圩港区近岸海域)爆发了中肋骨条藻和链状裸甲藻赤潮[18],这或许是上述工程的生态环境累积效应所导致。

综上可知,连云港海域的海洋工程和养殖等海洋开发利用活动显著影响了当地的海洋环境,尤其是围填海施工对于水环境要素的影响十分显著,此时间段内海域富营养化最严重,生态环境生境质量明显下降。应警惕海域内围填海施工等导致水环境富营养化带来的潜在的赤潮和浒苔等生物灾害风险。

3 结 论

本文研究了2009—2016年间徐圩港区建设前后海洋水环境变化特征和趋势,利用富营养化状态指数(E)、营养状态质量指数(NQI)和有机污染指数(A)三种营养状态指数阐述了海域的营养状态及其年际变化,分析了水环境要素之间的相关性,探讨了海洋工程建设对区域海洋环境的影响,结果表明:

①2009—2016年间,研究海域表层海水年平均水温呈上升趋势,盐度逐渐下降;DIN质量浓度明显上升,2013年后其年均值已超过二类海水水质标准;DO和Chl-a的质量浓度呈波动下降趋势。

②海域处于富营养化和有机污染的状态;指数E显示2011年和2015—2016年度为中等富营养化状态,NQI显示该时期内海域均为中等营养化状态,指数A表明自2011年后海域均为轻度有机污染等级。

③相关性分析显示COD、DIN、DIP的质量浓度存在显著正相关;徐圩港区建设之前水环境要素之间的相关性较其建设期间显著;工程建设使得海域Chl-a质量浓度明显降低、其与营养盐的相关关系明显改变。

连云港徐圩港区及周边海洋工程显著影响了近岸海洋环境,工程建设期影响最显著,导致海域水环境变化剧烈、富营养化明显、生境质量下降,应警惕海洋工程引起海洋环境变化及富营养化带来的潜在生物灾害风险。