七里海湿地水质季节变化与污染物排海特征

翟春梅,王 刚,张甲波,郭连军,蔡婧怡

(1.河北冀东建设工程有限公司,河北 唐山 063000;2.天津大学 建筑工程学院,天津 300350;3.河北省海洋地质资源调查中心,河北 秦皇岛 066001;4.河北省海洋岸线生态修复与智慧海洋监测工程研究中心,河北 秦皇岛 066001;5.河北省水文工程地质勘查院,河北 石家庄 050021)

陆海相互作用是当今全球环境变化研究的核心问题之一,近年来随着沿海地区经济的迅速发展、城市化进程的加快、海上开发活动的加强,海洋污染问题已经日益突出。入海河流污染物作为陆地对海洋影响的主要来源,已受到人们的广泛关注[1-3]。虽然近岸海域水体中污染物浓度的分布状况受海水污染物本底值、海域污染和陆源污染综合影响,但随着沿海人类社会经济活动的加剧和河流入海污染物通量的不断增加,陆源污染已成为近岸海域水体污染的主要影响因素,其中又以入海河流污染物的输送最为突出[4-8]。

七里海潟湖湿地是我国北方重要的湿地资源,也是重要的鸟类迁徙地。同时七里海潟湖潮汐口靠近黄金海岸旅游浴场,水质环境对近岸海域环境影响显著,因此对七里海潟湖区水质环境进行监测具有重要的生态及社会意义。但七里海潟湖区经过开发利用(主要为水产养殖、休闲旅游等),水质环境发生较大改变。笔者根据潟湖区和邻近海域同期监测数据以及潮汐通道在线监测站的高频率监测数据,开展七里海潟湖区水质环境季节变化、潟湖区水质与邻近海域水质相关性以及暑期污染物排海特征的综合分析,以期为今后七里海潟湖区的保护与科学开发提供参考。

1 区域概况

七里海潟湖区位于秦皇岛市北戴河新区,是沙丘内侧一个半封闭潟湖,为我国仅存的现代潟湖之一,在沿海湿地类型中具有较强的典型性和代表性。东岸与东南岸有沙丘与渤海相隔,东北隅有一潮汐通道(新开口)与渤海相连,潟湖西侧与西北侧有稻子沟、刘台沟、前刘坨沟、后刘坨沟、赵家港沟五条小河注入,具体见图1:

图1 七里海潟湖湿地研究区域及监测站位

2 水质环境季节变化

2.1 七里海潟湖区水质环境季节变化

2020年3月、6月、9月和12月,开展了4期七里海水质环境调查,在潟湖区设置了4个监测站位(见图1),通过监测可知七里海潟湖整体盐度较高,按海水水质标准(GB 3097—1997)开展水质评价,选取pH值、COD、DO、无机氮、活性磷酸盐5个重要水质环境参数,并计算出每期4个站位各水质参数的平均值,按照海水水质标准(GB 3097—1997)开展单因子水质评价,评价结果见表1。由表1可知,2020年七里海水质以劣于第四类为主,6月、9月和12月均为劣于第四类,3月符合第二类水质标准,主要影响因子为无机氮和活性磷酸盐,两个因子浓度值均在夏季(6月份)和冬季(12月份)增长明显,其中最大值均出现在冬季,达到1.384 mg/L和0.229 mg/L,分别为第四类海水水质标准的2.8倍和5.1倍。pH值全年整体较为稳定(平均值为8),COD浓度最大值出现在9月,DO浓度春、冬两季明显大于夏、秋两季。

表1 2020年七里海潟湖区水质等级变化

N∶P往往能够反映浮游植物生长的总效应,也可用于海水中不同区域水体的鉴定。在七里海水体中N∶P全年平均值为5.7∶1,最大值出现在3月份,最小值出现在6月份,分别为6.3∶1和4.8∶1,6月、9月和12月N∶P呈现出逐渐增大的变化特征。

2.2 七里海潮汐通道邻近海域水质变化

2020年3月、6月、9月和12月,在七里海潮汐通道邻近海域与澙湖区开展同期调查监测,3个监测站位分布在潮汐通道口向海一侧(见图1)。潮汐通道邻近海域水质明显好于同期潟湖区水质,全年以第二类为主,6月、9月和12月均为第二类,3月符合第一类水质标准,6月和9月的主要影响因子为COD,12月主要影响因子为无机氮和活性磷酸盐。pH值与潟湖区相同,全年整体较为稳定,平均值为8,COD和DO表现出明显的季节变化,其中COD在6月和9月明显高于3月和12月,最大值出现在9月,为2.96 mg/L,DO季节变化特征与COD相反,3月和12月明显高于6月和9月,最大值出现在3月为10.62 mg/L,无机氮和无机磷全年浓度整体小于潟湖区浓度,在12月份有略微增加,分别达到0.211 mg/L和0.019 mg/L,均符合第二类水质标准。

七里海潮汐通道邻近海域N∶P远大于潟湖区,表现出和潟湖区不同水团性质特征,平均值为11.51∶1,6月、9月和12月N∶P明显大于3月,平均值为13.34∶1,最大值出现在6月份,最小值出现在3月份,分别为15.6∶1和6∶1。

2.3 七里海潟湖区与邻近海域水质环境相关性分析

采用Pearson相关系数统计方法对七里海潟湖区与邻近海域水质环境开展相关性和显著性分析。其中DO、无机氮和活性磷酸盐表现出较强的相关性,相关性最好的为DO,相关系数R=1,显著性P=0.004,显著性很好,可知潮汐通道邻近海域DO浓度值对潟湖区DO变化响应密切。无机氮和活性磷酸盐的相关性系数R分别为0.90和0.88,正相关性强,N∶P(氮磷比)相关系数R为-0.89,表现为较强的负相关关系,但三个因子的显著性一般,显著性系数P均为0.1,不能排除偶然环境导致良好的相关性,今后应增加同期比对次数。七里海潟湖区与邻近海域水质因子pH值和COD之间无明显的相关性。

表2 2020年七里海潮汐通道邻近海域水质等级变化

同时利用位于七里海潮汐通道口(新开口)的在线监测站监测数据,分别计算得到2020年3月、6月、9月和12月COD、DO、无机氮和活性磷酸盐的排海总量,分析排海总量和邻近海域相应环境因子浓度值的相关性。其中七里海潟湖COD排海总量与邻近海域COD浓度值表现出较强的相关性(R=0.88),其他因子相关性较差。

3 暑期污染物排海特征

七里海潟湖湿地上游水系全年分为丰水期和枯水期,在7月和8月间的丰水期,因降雨量大,对潟湖生态环境和邻近海域水质环境影响较大,枯水期七里海生态环境上游补水很少,主要通过潮汐通道受海洋水体环境的影响,同时秦皇岛滨海旅游展现出强烈的季节性特征,七里海位于北戴河新区黄金海岸旅游区,暑期是游客全年最为集中的季节,因此本研究重点开展七里海暑期污染物排海特征研究。

3.1 排海污染物监测数据

水质监测数据由位于七里海潮汐通道口(新开口)的在线监测站获得,该在线监测站长期开展比对调试维护,保证了数据的准确性,监测频率为4 h,监测指标总计包括21项,本研究选取2020年7月1日—8月31日的监测数据进行研究分析,分析参数包括重金属(铜、铅、锌、铬)、有机物(TOC)、营养盐(总氮、总磷、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、磷酸盐)、流量等,污染物测定方法、仪器和依据见表3:

表3 污染物测定方法、仪器和依据

从监测数据可知,落潮过程中流速因潮位潮时的差异变化比较复杂,呈波动性特征,总体7月份平均流量(21.59 m3/s)高于8月份平均流量(10.43 m3/s)。重金属含量变化平缓,除铜在8月8日、11日及19日出现孤立高值外,其他重金属含量均低于0.02 mg/L。总氮浓度含量在研究期间基本保持稳定,8月份均值比7月份略有增大,总体均值为1.954 mg/L,氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮总体保持稳定。总磷和磷酸盐保持相对稳定,总磷平均浓度为0.216 mg/L。总有机碳(TOC)含量变化浮动大,7月2日—7月20日总有机碳含量约为0.7 mg/L,而7月20日后含量明显增大,在1.9 mg/L左右波动,最大达到3.8 mg/L。涨潮过程中,海水经潮汐通道会向潟湖区内流动,流量变化整体比入海流量变化幅度小。重金属含量变化平缓,除铜在8月18日出现孤立高值外,其他重金属含量均低于0.02 mg/L。总氮浓度含量保持稳定,均值为1.956 mg/L,氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮变化幅度比落潮入海水质大,呈现出相互波动状态。总磷和磷酸盐保持相对稳定,总磷平均浓度为0.223 mg/L。总有机碳(TOC)含量变化特征和落潮入海情况基本相同,7月2日—7月20日总有机碳含量约为0.8 mg/L,7月20日后含量明显增大,在1.8 mg/L左右波动,最大达到4.1 mg/L。

3.2 污染物贡献率

本研究将水体中各污染物浓度与全部污染物总浓度的比值百分含量称为污染物贡献率。为更好地对七里海水质污染物进行宏观分析,将污染物分为重金属、无机营养盐以及有机物(TOC、有机磷、有机氮)三类,并将该三类浓度含量之和作为污染物总浓度,具体平均浓度值和贡献率如表4所示。

由表4可知,入海及入潟湖水质污染物浓度贡献率特征基本相同,即有机物占主要部分(入海水质中占70.79%,入潟湖水质占68.13%),无机营养盐次之(入海水质中占28.67%,入潟湖水质占31.43%),两种水质污染物中,有机物和无机营养盐之和占比均达99%以上,重金属最少。落潮入海水质无机营养盐小于涨潮入潟湖水质营养盐,而有机物则大于入潟湖含量,这与潟湖区生物量丰富,消耗无机营养盐转化为有机物质有关。入海重金属含量大于入潟湖含量,与潟湖区上游淡水注入或人为活动有关。

表4 水质污染物平均浓度

在环境监测项目中,营养盐是生物必需物质,而氮、磷是生物成长主要营养物质。其中,总氮分为有机氮和无机氮(氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮),总磷分为有机磷和无机磷(活性磷酸盐及一些聚合性磷酸盐,本研究以活性磷酸盐代表)。由2017年和2020年7月和8月的监测数据可知,七里海潟湖排海的氮、磷污染物特征发生了巨大变化(图2),2017年排海污染物中氮、磷均以有机氮和有机磷为主,比例在80%以上,2020年无机氮和无机磷的占比增加明显,达到56.36%和71.38%,而有机氮和有机磷比例将达到43.64%和28.62%。反映出七里海潟湖区经过生态修复工程,有机质氮和有机磷的含量在急速减小。

图2 2017年和2020年水质氮、磷污染物有机与无机占比变化

3.3 污染物入海通量估算

因监测数据为在线监测站数据,监测站的监测频率为4 h,因此每批次监测数据均作为4 h的平均数据。各污染物通量按下式计算。

式(1)中:i——批次;Qi——第i批次的瞬时流量;ρi——第i批次各污染物瞬时浓度;t——第i批次的控制时间,本研究中均认为4 h。由落潮入海减去涨潮入潟湖的污染物通量得到净入海污染物通量。经过计算可知,2020年7月—8月净入海污染物浓度中有机物站绝对主要部分,约为89 t,占入海总污染物量的70.23%;无机营养盐次之,约为37 t,占入海总污染物量的29.20%;重金属最少为0.72 t,占入海总污染物量的0.57%。

4 结论

本研究通过开展七里海潟湖区水质环境季节变化、潟湖区水质与邻近海域水质相关性以及暑期污染物排海特征的综合分析,以期为后续七里海潟湖湿地环境的恢复、保护和科学化开发利用提供基础数据参考,主要得出以下结论:

(1)2020年七里海潟湖区水质等级较邻近海域水质等级差。七里海潟湖区水质在6月、9月和12月均劣于第四类水质标准,3月符合第二类水质标准,主要影响因子均为无机氮和活性磷酸盐,最大值均出现在冬季(12月),达到1.384 mg/L和0.229 mg/L,分别为第四类海水水质标准的2.8倍和5.1倍。邻近海域水质在6月、9月和12月均为第二类,3月符合第一类水质标准。七里海潟湖区水体全年N∶P平均值为5.7∶1,远小于邻近海域N∶P(11.5∶1),表现出与邻近海域不同的浮游植物生长总效应和水团性质特征。

(2)七里海潟湖区水体DO、无机氮、活性磷酸盐和COD排海总量与邻近海域水体DO、无机氮、活性磷酸盐和COD浓度表现出较强的正相关性,相关系数R分别为1,0.90,0.88和0.88,N∶P表现为较强的负相关关系,相关系数R为-0.89,但除了DO显著性好(P=0.004)外,其他显著性均一般。

(3)暑期七里海潟湖区排海污染物以有机物为主,无机营养盐次之。2017年和2020年氮、磷排海成分中,由有机氮和有机磷为主,变为无机氮和无机磷为主,反映出七里海潟湖区经过生态修复工程等人类活动,潟湖区有机质氮和有机磷的含量在急速减小。