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渤海湾是渤海三大海湾之一,其自然生态环境是环渤海湾地区经济社会发展的关键支撑系统。自20世纪70年代末以来,随着环渤海地区产业和人口的快速发展,渤海湾遭受了多重、高强度的人类活动压力,突出表现在入海污染物数量增大[1]、围海造地规模增加[2]、海上养殖等用海活动加剧[3]、入海径流量锐减[4]等方面,导致渤海湾水动力减弱、水体污染加剧、富营养化严重[5]。渤海湾已成为我国近岸生态环境问题最突出的海区,严重制约了环渤海湾经济社会的可持续发展[6-7]。
我国历来重视渤海湾的污染防治和环境保护工作。2000年初,我国实施了《渤海碧海行动计划》;2006年和2011年分别实施了以COD和氨氮为考核指标的陆源污染物总量减排计划;2018年,我国实施了《渤海综合治理攻坚战行动计划》,2020年该项计划圆满收官。国际上,围绕近岸海域污染防治,美国、欧盟等都加快了由水质目标向生态健康目标的转变。渤海湾海域的环境问题也由水体污染逐渐转变为富营养化及赤潮、缺氧等生态健康问题[8-9]。为深入打好渤海综合治理攻坚战,亟须遵循陆海统筹的理念,客观评价近十几年来渤海湾主要污染物排海通量的变化和渤海湾主要污染物浓度的时空变化趋势,分析渤海湾富营养化等生态环境健康状况。
近岸海域富营养化评价,大体分为第Ⅰ代和第Ⅱ代两类评价体系。其中,第Ⅰ代富营养化评价体系方法简单,数据易收集,主要强调海域富营养化的直接结果,但忽视了富营养化症状[10]。第Ⅱ代富营养化评价方式是在压力−状态−响应(PSR)的理论框架下,不仅关注营养盐输入、浓度等压力项,更关注富营养化导致的赤潮、缺氧等生态环境效应的变化[11]。其中,美国的“国家河口富营养化评价”(NEEA/ASSETS)和欧盟的“综合评价法”(OSPAR—COMPP)已被广泛应用[12-15]。我国尚处于第 Ⅰ 代评价体系向第Ⅱ代富营养化综合评价体系过渡的阶段[16-17],渤海湾也开展了基于第Ⅱ代富营养化评价方法的相关研究工作。如吴迪等[18]和吴在兴[19]都采用第Ⅱ代富营养化评价方法,分别评价了2004-2006年、2007年和2008年的富营养化状况。由于数据时间早且跨度短,因此,难以系统地反映渤海湾近年来的富营养化状况。
本文应用2006-2020年渤海湾海域和渤海湾主要入海河流的监测数据,系统分析了近15年渤海湾氮、磷、COD污染物的主要入海通量和海域氮、磷、COD、DO、Chl a的时空变化规律,应用第Ⅱ代富营养化评价方法,评价了渤海湾富营养化状况及变化趋势,探讨了陆源污染防治行动对渤海湾富营养化的改善成效。
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渤海湾位于渤海西部,与河北、天津和山东陆岸相邻,有海河、永定新河、独流减河、蓟运河、子牙新河和北排水河等河流汇入[20],为陆地环抱的浅海盆地。渤海湾面积约为1.6×104 km2,平均水深为12.5 m,潮差较小,平均潮差仅为2.5 m左右,整体水动力条件较差[21]。环渤海湾流域面积约47×104 km2,涵盖北京、天津、河北、山西、山东、河南、内蒙古、辽宁等8个省(自治区、直辖市)。
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渤海湾海域数据来自生态环境部相关业务化监测,监测范围为38°08′54″ N-39°09′02″ N,117°39′59″ E-118°54′03″ E,监测站位基本覆盖整个渤海湾(图1)。监测要素主要包括温度、盐度、氨态氮(NH4-N)、亚硝态氮(NO2-N)、硝态氮(NO3-N)、溶解无机磷(DIP)、COD、DO和Chl a。样品的保存及分析测定均依据《海洋监测规范》(GB 17378-2007)[22]。其中,COD采用碱性高锰酸钾法,检出限为0.150 mg/L;NH4-N采用次溴酸盐氧化法,检出限为0.001 mg/L;NO2-N采用盐酸萘乙二胺比色法,检出限为0.001 mg/L;NO3-N采用锌−镉还原比色法,检出限为0.003 mg/L;DIP采用流动注射比色法,检出限为0.001 mg/L。采用空间网格离散法[23]计算渤海湾整个海域不同环境要素的均值,以减少因年份站位布设不一致而导致计算均值的差异。
环渤海湾河流监测站位位于入海口处,总氮、总磷分别按照《地表水环境质量监测技术规范》(HJ/T 91-2002)中碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB 11894-89)和过硫酸钾消解钼酸铵分光光度法(GB 11893-89)测定。有资料表明[24],永定新河、蓟运河、海河、独流减河4条河流的入海通量约占入渤海湾河流入海污染物总量的70%,可以代表渤海湾的污染物入海通量,因此本文选取永定新河、蓟运河、海河、独流减河4条河流作为监测对象。
入海污染物通量计算公式如下:
式中:“i”代表某类污染物;F代表污染物通量;C代表污染物浓度;Q代表流量。
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本文采用王保栋等提出的第二代富营养化评价方法[25],该方法是以PSR模式为理论框架,在美国NEEA/ASSETS方法的基础上[26],根据我国近岸海域生态环境和监测数据资料现状,对第二代富营养化评价指标和赋值有所调整和修正。其中,在评价指标方面,增加COD作为压力项指标[27],鉴于我国水下植被监测数据普遍缺乏,因而删减了水下植被等指标。在评价要素取值方面,尽量采用我国《海水水质标准》(GB 3097-1997)作为阈值。各类指标的评价标准见表1,采用矩阵法对3大类指标得分进行集合[12],其中,状态指标权重最高,压力指标权重次之,响应指标权重最小(表2)。
指标类别 指示因子 评价指标 评价标准 低 中低 中 中高 高 压力 营养物质压力 化学需氧量/mg·L−1 2 3 4 5 >5 无机氮/mg·L−1 0.2 0.3 0.4 0.5 >0.5 无机磷/mg·L−1 0.015 0.03 0.04 0.05 >0.05 状态 初级症状 叶绿素a/μg·L−1 5 10 20 40 >40 溶解氧/mg·L−1 >5 5 4 3 2 次级症状 赤潮状况 累计3 d以内、
非周期性累计3 d以上、
非周期性累计1周以上、
非周期性,或持续3 d以上、周
期性累计1个月以上、
非周期性,或持续1周以上、周
期性累计1月以上,
或持续2周以
上、周期性响应 未来变化预期 未来营养盐排放
量变化−10% <−10% 0 <+10% +10% 表 1 近岸海域富营养化评价指标和分级标准[25]
Table 1. Evaluation index and classification standard of eutrophication in coastal waters
分级 5 4 3 2 1 压力 低 中低 中 中高 高 状态 低 中低 中 中高 高 响应 显著改善 改善 不变 恶化 高度恶化 指标类别 排列组合矩阵 最终级别 压力 5 5 5 4 4 4 优 状态 5 5 5 5 5 5 响应 5 4 3 5 4 3 压力 5 5 5 5 5 5 5 5 4 4 4 4 4 3 3 3 3 3 3 良 状态 5 5 4 4 4 4 4 4 5 5 4 4 4 5 5 5 4 4 4 响应 2 1 5 5 4 3 2 1 2 1 5 4 3 5 4 3 5 3 3 压力 5 5 5 5 5 4 4 4 4 4 4 4 3 3 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 中 状态 3 3 3 3 3 4 4 3 3 3 3 3 5 5 4 4 3 3 3 4 4 4 4 4 3 3 3 2 3 3 响应 2 1 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 2 1 2 1 5 4 3 5 4 3 2 1 5 4 3 5 5 4 压力 4 4 4 4 4 3 3 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 差 状态 2 2 2 2 2 3 3 2 2 2 2 2 3 3 2 2 2 2 3 3 3 2 2 响应 5 4 3 2 1 2 1 5 4 3 2 1 2 1 4 3 2 1 3 2 1 5 4 压力 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 劣 状态 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 1 1 1 1 1 响应 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 3 2 1 5 4 3 2 1 表 2 近岸海域富营养化状况最终划分矩阵表[12]
Table 2. Final division matrix of eutrophication in coastal waters
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2006-2020年渤海湾主要河流TN入海通量呈现先降低后升高再降低的波动式下降趋势(图2),2006-2012年保持在1.4×104 t左右,2014年快速下降到0.7×104 t,2018年增加到1.2×104 t,2020年又下降到0.7×104 t,较2006的TN入海通量降低了48%,RSD为35%。TP的入海通量呈现先升高后降低的变化趋势,2012年最高为0.28t×104 t,2014年最低为0.032×104 t,2020年0.033×104 t较2006年降低了55%,RSD为66%。COD入海通量呈现波动式下降的变化趋势,2006-2012年相对稳定,2012年后由11.1×104 t快速下降到2014年的4.2×104 t,又显著增加到2018年的8.6×104 t,2020年快速降低到5.5×104 t。2020年COD入海通量较2006年降低了32%,RSD为27%。
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2006-2020年,渤海湾DIN的年均浓度为先略有降低(2006-2011年),后显著升高(2011-2012年),再逐步降低(2012-2020年)的变化(图3),整体呈降低趋势,RSD为25%。2012年的浓度达到峰值(0.44 mg/L),但未达到国家第Ⅲ类海水水质标准(GB 3097-1997),这是由于该年份环渤海地区的降雨量显著高于其他年份,导致大量陆源污染物入海[28],其余年份DIN的浓度维持在Ⅱ类和Ⅲ类海水水质标准之间,表明渤海湾DIN污染较为严重。2019年DIN年均浓度最低(0.16 mg/L),相比2020年DIN的年均浓度略有升高,但较2006年和2012年分别降低了44%和60%。
图 3 2006-2020年渤海湾海域要素年均值年际变化图
Figure 3. Interannual variation of mean annual elements in Bohai Bay from 2006 to 2020
2006-2020年,渤海湾DIP年均浓度呈波动式下降的变化趋势,RSD为24%。其中,2007年最高,为0.019 mg/L,超过国家Ⅰ类海水水质标准,其余年份则符合国家Ⅰ类海水水质标准,2020年的年均浓度最低(0.008 mg/L),较2006年降低35%。
氮(N)和磷(P)是浮游植物生长的重要生源要素,浮游植物一般按照Redfield比值(16∶1的摩尔比)吸收N和P,高于或低于16∶1则对浮游植物的生长分别产生磷限制或氮限制[29-30]。2006-2020年渤海湾海域N/P的年均值呈波动变化的趋势,波动范围为40~80,远高于Redfield比值,表明P是渤海湾浮游植物生长的潜在限制因子[31-32]。
2006-2020年,渤海湾COD年均浓度呈先升高(2006-2007年)后降低(2008-2020年)的波动变化趋势,但是均符合国家Ⅰ类海水水质标准,表明该海域有机污染物的程度较轻[33]。
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图4为2006年、2010年、2015年、2018年和2020年渤海湾8月DIN、DIP和COD的空间分布。受陆源输入影响,DIN的浓度高值区主要分布在蓟运河、潮白新河、永定新河和海河等河口区[34],DIN污染较为严重,超过国家Ⅱ类海水水质标准的面积分别达到45%、48%、54%、44%和2.5%。2006年、2010年和2015年渤海湾海域DIP的浓度分布特征为河口附近高、向湾内递减,但2018年DIP在湾内出现一个等值线闭合区,由中心向外逐渐降低,结合该海域氮高、磷低的营养盐比例,表明陆源输入和浮游植物吸收对DIP的分布都有重要的调控作用[35-36]。从COD浓度的分布可以看出,该海域COD浓度呈湾底河口区向湾中央逐步降低的变化趋势,表明渤海湾COD浓度的分布主要受陆源输入的影响。
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2006-2020年,渤海湾Chl a年均浓度基本呈波动下降的趋势(图5),RSD为16%。2020年的年均浓度较2006年的年均浓度降低了32%。2006-2020年,渤海湾底层DO含量呈上升趋势,且浓度都大于6 mg/L(图5),满足国家Ⅰ类海水水质标准,表明渤海湾底层溶解氧充足。统计分析结果也表明,2010-2018年渤海湾赤潮发生频次较2009年前有所减少,年度累积规模减小,累积面积在逐渐减少[37],但仍属于赤潮的高发海域。
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图6是2006年、2010年、2015年、2018年和2020年渤海湾8月Chl a和底层DO的空间分布,Chl a的变化特点是近岸区域高、远离河口区域低,高值区一般出现在海河入海口至潮白河入海口。Chl a浓度的空间分布与DIN的分布趋势大致相同。海域底层DO的浓度呈河口附近低、向湾内递增的分布特征,但2018年的底层DO表现出海河入海口周围浓度高、湾内浓度低的特点,结合Chl a以及无机营养盐浓度,推断是因入海营养盐通量增大、浮游植物大量繁殖,光合作用产生大量氧气而引起的[38]。
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2006-2020年渤海湾海域的富营养化状况呈显著的波动变化(图7),其中,2006年、2009年、2012年和2015年度为“劣”,其余年份都为“差”或“中”,表明该海域富营养化较为严重。2015年以来,渤海湾海域的富营养化状况呈逐步变好的趋势,但2018年和2020年的评价等级均为“中”,与2013年基本持平。以上分析表明,近年来渤海湾海域的富营养化状况有所改善,但成效尚不稳定、不显著,生源环境状况尚未得到根本改善。一方面,尽管渤海湾陆源入海污染物通量有所降低,但仍然超过该海域的环境承载力[39];另一方面,由于海湾生态系统结构和功能的复杂性,其改善往往滞后于水质的改善[40]。
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2006年以来,环渤海的天津、河北等地按照陆源COD、氮等污染物总量控制考核指标等,陆续实行源头治理、城镇公共污水收集处理系统建设、流域环境修复建设等陆域防治,严格控制围填海、岸线修复等海域防治多批次综合治理措施。特别是2018年以来,按照《渤海综合治理攻坚战行动计划》的要求,进行中央环保督察问题的整改,使环渤海湾地区污染防治力度加大。针对城镇生活源,自2015年以来,天津市108家城镇污水处理厂完成改造,COD排放浓度由《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准(50 mg/L)降至40 mg/L,甚至30 mg/L,实现10亿吨污水“由废转清”[41]。“十二五”以来,天津市相关部门针对畜禽养殖业等非点源污染问题,大力实施集约化养殖生产和废物处置工程,目前已有647个村和2127家养殖场完成了污水、粪染的治理工程[41]。同时,为全面控制污染物排放,对海河、永定新河、子牙新河等入渤海湾水系的治理工作也逐渐增强,12条入渤海湾的河流全部落实“一河一策”管理[42]。另外,严控围填海,大力实施海域环境修复工程,滨海湿地修复面积达531.87 ha,整治修复岸线4.78 km。监测数据表明,2020年,入渤海湾河流COD、氨氮和TP平均浓度较2013年分别下降43.7%、74.1%和25.2%,相应的渤海湾水质的污染程度也明显下降。近15年,DIN和DIP的年均浓度显著降低,分别下降了44%和35%,渤海湾海域COD浓度维持在较低水平,符合Ⅰ 类海水水质标准。以上分析表明,陆源入海污染物的综合防治措施成效明显,不仅全面遏制了渤海湾环境质量恶化的趋势,而且陆海环境质量得到明显提升。
然而,渤海湾海域DIN浓度超标海域面积依然居高不下,优良水体面积远低于我国近海平均水平。尤其是渤海湾海域DIN年均浓度波动幅度较大,2017年DIN浓度高于2016年,出现反弹。同时,渤海湾海域的富营养化程度严重,依然处于“差”或“中”等级,赤潮等灾害发生的风险依然较高。据不完全统计,近10年渤海湾赤潮年均爆发频次为2.7,大多位于秦皇岛附近海域、渤海湾中北部、天津港附近海域等[37]。由于DIN等污染物浓度超标严重、N/P失衡、富营养化程度、赤潮发生的风险居高不下,渤海湾海域的生态系统长期处于亚健康状态[43]。这说明,渤海湾的生态环境尚未根本好转,渤海湾海域的环境综合治理仍然挑战重重。
陆源污染物入海通量是渤海湾水质变化的决定性因素。近15年,渤海湾海域的TN、TP和COD入海通量整体呈下降趋势,但年际波动幅度仍然较大。由于入海污染物来源复杂,不同类型的污染源排放方式有明显差异,导致陆源入海污染物通量波动原因复杂。通过渤海湾海域的TN、TP和COD入海通量与环渤海湾地区的降雨量比较可以发现,降雨导致的面源污染物流失可能是重要的原因之一[44]。实际上,通过污水处理厂提高标准和增大扩建,环渤海地区工业和城镇生活等点源已经得到有效控制,而种植、水产养殖等农业活动中所产生的面源污染,具有分布广泛、输移路径不明、排放数量波动大和随机性强等特点,导致其防治难度大[45],成为流域污染防治的难点和重点。
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(1)2006-2020年渤海湾海域的陆源入海污染物通量明显下降,2020年TN、TP和COD的入海通量较2006年分别下降48%、55%和32%。相应地,渤海湾海域污染物的年均浓度亦整体下降,2020年DIN和DIP较2006年分别降低44%和35%。2006-2020年,渤海湾Chl a和DO年均浓度分别降低32%和升高14%。以上分析表明,近15年渤海湾海域的水质有所改善。
(2)富营养化评价结果显示,2015-2020年,渤海湾海域的富营养化程度有所缓解,在“差”和“中”等级间波动,海洋生态环境状况整体为稳中向好。然而,当前渤海湾海域的环境质量仍存在波动较大、治理成效不稳固等问题,近15年TN、TP和COD的入海通量相对标准偏差分别为35%、66%和27%,海域DIN和DIP年均浓度的相对标准偏差分别为25%和24%,并且富营养化仍维持在高位,赤潮等生态环境风险仍居高不下。
2006-2020年渤海湾水质变化趋势分析和富营养化状况评价
Evaluation of spatial and temporal distribution of water quality and eutrophication in Bohai Bay during 2006-2020
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摘要: 本文分析了我国自2006年实施污染物总量控制到2020年渤海综合治理攻坚战的15年时间,渤海湾陆源总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)的入海通量和海域水质变化趋势,应用压力−状态−响应法评估了渤海湾的富营养化状况。近15年来,渤海湾TN、TP和COD的年入海通量整体呈波动下降趋势,分别下降了48%、55%和32%,但入海通量的年际波幅较大,相对标准偏差(RSD)分别为35%、66%和27%。相应地,近15年渤海湾海域溶解无机氮(DIN)和溶解无机磷(DIP)年均浓度整体呈下降趋势,分别降低44%和35%,RSD分别为25%和24%。受入海河流输入影响,污染物浓度呈现湾底部(河口区)高、湾中央和湾口低的分布特征。海域叶绿素a (Chl a)和底层溶解氧(DO)浓度则分别降低32%和升高14%,RSD分别为16%和7%。近15年渤海湾富营养化较为严重,但2015-2020年,渤海湾的富营养化程度有所缓解,但仍在“差”和“中”等级间波动。分析表明,实施陆源入海污染物总量控制计划以来,渤海湾水质污染和富营养化状况整体有所改善,但成效并不稳固,亟须巩固。Abstract: In this paper, the fluxes of total nitrogen (TN), total phosphorus (TP) and chemical oxygen consumption (COD) into the sea and the water quality of the Bohai Bay were analyzed during the 15 years from the implementation of the total pollutant control plan in 2006 to the end of the comprehensive treatment of the Bohai Sea in 2020. The eutrophication status of the Bohai Bay was evaluated by pressure-state-response method. In the past 15 years, the annual fluxes of TN, TP and COD into the sea in Bohai Bay have fluctuated and decreased by 48%, 55% and 32%, but the interannual fluctuation amplitude of fluxes into the sea is large, with relative standard deviations (RSDS) of 35%, 66% and 27%, respectively. Accordingly, the average annual concentrations of dissolved inorganic nitrogen (DIN) and dissolved inorganic phosphorus (DIP) in Bohai Bay decreased by 44% and 35%, and RSDS were 25% and 24%, respectively, in the past 15 years. Under the influence of the river input into the sea, the pollutant concentration basically presents the distribution characteristics of high in the estuary area at the bottom of the bay and low in the middle and estuary of the bay. The concentrations of chlorophyll a (Chl a) and bottom dissolved oxygen (DO) decreased by 32% and increased by 14%, and RSDS were 16% and 7%, respectively. In recent 15 years, the eutrophication in Bohai Bay was relatively serious, however, in the five years from 2015 to 2020, the eutrophication degree in Bohai Bay has eased somewhat, but it still fluctuates between “poor” and “medium” levels. This indicates that water pollution and eutrophication in Bohai Bay have improved since the implementation of the total amount of pollutants from land into the sea, but the results are not stable and need to be consolidated.
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Key words:
- Bohai Bay /
- water quality /
- eutrophication /
- total pollutant control
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表 1 近岸海域富营养化评价指标和分级标准[25]
Table 1. Evaluation index and classification standard of eutrophication in coastal waters
指标类别 指示因子 评价指标 评价标准 低 中低 中 中高 高 压力 营养物质压力 化学需氧量/mg·L−1 2 3 4 5 >5 无机氮/mg·L−1 0.2 0.3 0.4 0.5 >0.5 无机磷/mg·L−1 0.015 0.03 0.04 0.05 >0.05 状态 初级症状 叶绿素a/μg·L−1 5 10 20 40 >40 溶解氧/mg·L−1 >5 5 4 3 2 次级症状 赤潮状况 累计3 d以内、
非周期性累计3 d以上、
非周期性累计1周以上、
非周期性,或持续3 d以上、周
期性累计1个月以上、
非周期性,或持续1周以上、周
期性累计1月以上,
或持续2周以
上、周期性响应 未来变化预期 未来营养盐排放
量变化−10% <−10% 0 <+10% +10% 表 2 近岸海域富营养化状况最终划分矩阵表[12]
Table 2. Final division matrix of eutrophication in coastal waters
分级 5 4 3 2 1 压力 低 中低 中 中高 高 状态 低 中低 中 中高 高 响应 显著改善 改善 不变 恶化 高度恶化 指标类别 排列组合矩阵 最终级别 压力 5 5 5 4 4 4 优 状态 5 5 5 5 5 5 响应 5 4 3 5 4 3 压力 5 5 5 5 5 5 5 5 4 4 4 4 4 3 3 3 3 3 3 良 状态 5 5 4 4 4 4 4 4 5 5 4 4 4 5 5 5 4 4 4 响应 2 1 5 5 4 3 2 1 2 1 5 4 3 5 4 3 5 3 3 压力 5 5 5 5 5 4 4 4 4 4 4 4 3 3 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 中 状态 3 3 3 3 3 4 4 3 3 3 3 3 5 5 4 4 3 3 3 4 4 4 4 4 3 3 3 2 3 3 响应 2 1 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 2 1 2 1 5 4 3 5 4 3 2 1 5 4 3 5 5 4 压力 4 4 4 4 4 3 3 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 差 状态 2 2 2 2 2 3 3 2 2 2 2 2 3 3 2 2 2 2 3 3 3 2 2 响应 5 4 3 2 1 2 1 5 4 3 2 1 2 1 4 3 2 1 3 2 1 5 4 压力 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 劣 状态 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 1 1 1 1 1 响应 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 3 2 1 5 4 3 2 1 -
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