Marine ecological environment evaluation and analysis of Zhuanghe temporary ocean dumping site
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摘要:
为了解庄河临时海洋倾倒区的海洋生态环境现状以及疏浚物倾倒对该海域海洋生态环境的影响情况,本文结合2011~2013年间的监测资料,通过单因子标准指数法以及水质综合污染指数法对倾倒区海水水质进行了评价;采用单因子标准指数法和地质累积指数法,结合2012年和2013年的监测资料对沉积物进行了分析;通过香农-韦佛指数方程,综合2012年和2013年的监测资料,对监测海域的浮游植物、浮游动物和大型底栖生物进行了评价。同时选取倾倒活动影响范围外一点与倾倒区监测同步进行。采用不同方法得到的评价方法均表明,监测海域海水水质基本符合《海水水质标准》中的二类标准;沉积物符合《沉积物质量标准》中的一类标准;海洋生物未受到倾倒物的明显污染。这说明,目前庄河倾倒区海洋生态环境质量良好,疏浚物倾倒未对监控海域生态环境造成明显影响。
Abstract:In order to find out the marine ecological environment of Zhuanghe temporary ocean dumping site and the influence to marine ecological environment by dumping, this paper combines the monitoring data from 2011 to 2013, with the methods of single factor index and comprehensive pollution index of water quality to evaluate the seawater quality; combines the monitoring data of 2012 and 2013, with the methods of single factor index and geological accumulation index to evaluate the sediment quality; analysises the diversity index by shannon-weaver exponential equation to evaluate the phytoplankton, zooplankton and large benthic quality of 2012 and 2013. At the same time we select a point which is outside the affective waters to compare with the monitoring datas. All the evaluation methods show that the water quality of the investigated area reached the second-class water quality from The Chinese National Standard of Seawater Quality; the sediment quality reached the first-class sediment quality from The Chinese National Standard of Sediment Quality; marine biological has not been spilled by the dumping obviously. These indicate that the marine ecological environment quality of Zhuang he is good. Dumping haven't impacted on the monitoring marine ecological environment of the monitoring area obviously.
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近年来疏浚物倾倒对海洋环境的负面影响逐渐引起关注。随着海岸工程的快速发展，海洋倾废成为人类处置废弃物的方法之一。频繁的倾倒活动导致大量物质被引入海域[1]。虽然大多数疏浚物是洁净的，而且海水具有自净化能力，但如果倾倒量大，倾倒时间长，仍会引起海洋环境问题[2]。因为疏浚物中释放出的石油类物质、重金属等元素在海水中停留时间长，不仅会影响海水质量还会对海洋沉积物和海洋生物产生长期影响[3]。庄河港区黄圈码头通用泊位临时海洋倾倒区(以下简称庄河临时海洋倾倒区)位于大连市庄河海域，2006年首次启用，到期后于2009年底关闭。因疏浚工程需要，再次于2011年获批设立。截至2013年底，使用了将近8 a，倾倒总量达467.9万m3。因而针对本倾倒区的长时间使用，本文从水质、沉积物、海洋生态三个方面出发，结合近3 a来倾倒区的监测资料，通过分析监测海域的水质、沉积物和海洋生态状况，对疏浚物影响海域的海洋生态环境质量以及疏浚物倾倒对海域的影响情况做出客观评价。这对今后庄河海域的环境保护、污染治理、海岸工程安排具有重要指导意义。
1 1材料与方法
1.1 调查区域
根据临时海洋倾倒区《海水水质标准》(GB3091.2-1997)中，一类、二类水质标准要求，监测海域悬浮物人为增加量不得高于10 mg/L。因此，在庄河临时海洋倾倒区进行选划时，对工程疏浚可能会产生影响的海域进行了模拟分析。分析中，将疏浚物的模拟浓度临界值定为10 mg/L，认为当悬浮泥沙浓度降至10 mg/L以下时对海洋环境无影响。考虑实际疏浚作业是在以预选倾倒区中心点为圆心，1 km为半径的圆形范围内进行，且海流状况不同，最终给出了不同浓度值下的最大包络面积，见图1及表1。依据模拟分析结果，最终布设了10个监测站位对监测海域的水质、沉积物、生物进行监测。为了明确倾倒区超标污染物来源以及倾倒活动对监测海域的影响程度，在对倾倒区进行监测的同时，在倾倒活动影响范围之外选取了一个监测站位作为对照点与其同时展开监测。各个监测站位以中心点为中心进行分布，具体布设方案见图2。
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图 1 预选倾倒区悬浮泥沙扩散最大包络线(由外向内浓度依次为10、 20、 50、100 、150 mg/L)Fig. 1 The maximum envelope line of suspended sediment diffusion in pre-selection Dumping(The concentration outside-in in order is 10、20、50 mg/L、100、150 mg/L)表 1 预选倾倒区悬浮泥沙最大扩散包络面积Tab. 1 The maximum envelope area of suspended sediment diffusion in pre-selection Dumping悬浮物浓度/ mg·L-1 ≥10 ≥20 ≥50 ≥100 ≥150 最大扩散包络面积/ km2 11.0571 9.7023 7.1979 5.8215 4.1735 1.2 监测项目
倾倒区水质监测项目包括：pH、溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、无机氮(DIN=NH4-N+NO2-N+NO3-N)、活性磷酸盐(PO4-P)、石油类(Oil)、铜Cu、Pb、Zn、Cd、总Hg共计13项；沉积物监测项目包括：总有机碳(TOC)、石油类(Oil)、Cu、Pb、Zn、Cd、Hg共计7项；海洋生物监测项目：浮游植物、浮游动物、大型底栖生物共计3项。样品的采集、保存、运输和分析均按照《海洋监测规范》(GB17378-2007)中的相关规定执行。
1.3 评价方法和标准
1.3.1 水质评价方法及标准
本文根据《海水水质标准》(GB3097-1997)，按二类标准对倾倒区水质进行评价。采用单因子标准指数法，计算监测项目的污染指数(Sij)。最后采用算数平均法，进行多项水质综合评价(Qi)[4]。并根据水质综合污染指数，对监测区域海水水质污染程度进行划分，具体方法见表2[5]。
表 2 水质污染程度分级Tab. 2 The grading of water pollutionQi值 污染程度分级 水质质量评价 Qi≤0.75 1 清洁 0.76＜Qi＜1 2 轻度污染 1.01＜Qi＜1.25 3 中污染级 1.25＜Qi 4 重污染级 a.单因子标准指数法：
式中：Sij为站i评价因子j的标准指数；Cij为站j评价因子i的实测值；Coi为评价因子i的评价标准值。。
当Sij大于1时，表明当前环境质量不满足功能需求。
b.多项水质综合评价法：
式中：Qi为综合评价指数；n为参与评价的项目数；Sij为单因子标准指数。
1.3.2 沉积物评价方法及标准
根据《海洋沉积物质量》(GB18668-2002)按一类质量标准并采用单因子标准指数法对沉积物进行评价。应用Muller于1979年提出的地质累积指数法，对沉积物中重金属的污染等级进行划分[6-7]。
庄河临时海洋倾倒区位于北黄海，因此沉积物中重金属的环境背景值选用李淑媛等人于1994年统计的数据[8]。李淑媛等人只对北黄海沉积物中Cu、Pb、Zn、Cd的背景值进行了统计，因此本文只对这4种重金属的污染情况进行评价。沉积物中重金属的环境背景值见表3，污染等级划分见表4。
表 3 北黄海沉积物中重金属的环境背景值Tab. 3 The background values of heavy metals in sediments of north yellow sea元素 Cu Pb Zn Cd 含量/mg·kg-1 20.43~27.25 11.92~20.58 67.00~93.44 0.057~0.159 表 4 地质累积指数与污染程度分级Tab. 4 Geological accumulation index and the grading of pollution0 1 2 3 4 5 6 lgeo ＜0 0~1 1~2 2~3 3~4 4~5 5~10 污染程度 清洁 轻度 偏中等 中等 偏重 重污染 严重 地质累积指数(lgeo)法计算公式如下：
式中：Cn为样品中元素n的浓度；Bn为背景浓度；K为修正指数，取1.5。
1.3.3 海洋生物评价方法
海洋生物评价采用香农-韦弗(Shannon-Weaver)多样性指数法。本文根据监测海域的浮游植物、浮游动物、大型底栖生物的种数、栖息密度对海洋生物的多样性指数进行统计学评价分析。并根据香农-韦弗指数(H′)，对生物的污染程度进行等级划分[9-10]。
香农-韦弗指数(H′)计算公式如下：
式中：H′为种类多样性指数；n为样品中的种类总数；Pi为第i种个体数(ni)与总个体数(N)的比值。
表 5 生物种类多样性指数与污染程度分级Tab. 5 The species diversity index and grading of pollution1 2 3 4 5 H′ 3~4 2~3 1~2 ＜1 0 污染程度 清洁 轻度污染 中等污染 重污染 严重污染 2 结果与讨论
2.1 海水水质评价
2011~2013年间对监测海域进行了表层和底层的水质监测，监测结果如表6所示。大部分监测项目的单因子污染指数小于1，符合二类海水水质标准。应用多项水质综合评价方法对监测海域水质评结果为，水质清洁。分析三年监测数据表明，2011年监测海域石油类出现超标； 2012年和2013年DIN超标；2013年Pb出现超标；其他监测项目的污染指数基本稳定。因此，庄河临时海洋倾倒区的主要影响因子为石油类物质、DIN和Pb。
表 6 倾倒区及其对照点海水水质单因子标准指数及水质污染分级Tab. 6 The single factor water quality standard index and grading of pollution in dumping and contrast point时间 区域 层次 pH DO COD DIN PO4-P Cu Pb Zn Cd Hg As Oil Qi值 污染分级 2011年 倾倒区a 表 0.19 0.14 0.48 0.76 0.65 0.18 0.33 0.32 0.11 0.06 0.29 1.50 0.42 清洁 底 0.18 0.10 0.56 0.74 0.68 0.13 0.33 0.37 0.13 0.10 0.34 - 0.33 清洁 对照点 表 0.11 0.06 0.34 0.82 0.43 - 0.09 0.37 0.06 0.04 0.26 1.48 0.37 清洁 底 0.11 0.07 0.45 0.72 0.47 0.08 0.06 0.19 0.34 0.04 0.51 - 0.25 清洁 2012年 倾倒区 表 0.61 0.44 0.42 0.91 0.44 0.16 0.32 0.57 0.06 0.21 0.05 0.38 0.38 清洁 底 0.41 0.66 0.40 0.66 0.48 0.18 0.40 0.63 0.05 0.21 0.09 - 0.38 清洁 对照点 表 0.43 0.19 0.35 1.01 0.76 - 0.04 1.09 0.01 0.14 0.07 0.80 0.41 清洁 底 0.37 0.47 0.46 0.58 0.77 0.11 0.12 - 0.23 0.16 0.07 - 0.28 清洁 2013年 倾倒区 表 0.66 0.31 0.30 1.56 0.13 0.37 1.16 0.12 0.04 0.23 0.12 0.52 0.46 清洁 底 0.75 0.35 0.30 0.88 0.14 0.34 0.93 0.12 0.02 0.23 0.13 - 0.38 清洁 对照点 表 0.42 0.21 0.32 1.46 0.13 0.38 0.25 0.13 0.08 0.16 0.15 0.36 0.34 清洁 底 0.37 - 0.29 0.81 0.12 0.61 0.33 0.12 0.07 0.13 0.09 - 0.29 清洁 注：a表示倾倒区监测站位数据数的平均值 由表6可知，2011年~2013年倾倒区监测海域及对照点监测结果如表6所示，除疏浚物影响海域监测外还引入了对照点的监测。倾倒区监测海域所有监测项目的污染因子与对照点的监测结果相差不大；2011年倾倒区监测海域石油类物质出现超标，同步监测的对照点石油类物质含量也超标。2011年~2013年两个区域的石油类物质含量接近。因此，2011年倾倒区监测海域的过量石油类物质可能和疏浚物倾倒没有直接关系，而是和整个海区的大环境状况有关；2011~2013年倾倒区监测海域Pb的含量均明显高于对照点Pb含量，因此过量的Pb可能来源于疏浚物倾倒；纵观3 a来的监测数据可以看出，DIN的含量在倾倒区监测海域和对照点都很高。查阅2011~2013年大连市海洋环境质量公报发现，DIN、PO4-P一直为大连近岸的主要污染物，这些污染物主要来源于陆源污染，虽然近年来较以往有所改善，但总体污染程度仍然很高。经调查统计庄河海域附近有鸭绿江、大洋河、碧流河、大沙河等入海河流，沿岸工农业发展迅速生活污水、废水排放量大。因而监测海域DIN含居高可能是由于陆地的NH4-N、NO3-N、NO2-N等随生活污水、降水、河流排放入海引起的。没有直接证据表明该海域DIN含量居高源于疏浚物倾倒。综上所述，倾倒区监测海域水质总体较好，与一般人类活动对海水水质产生的影响相比，疏浚物倾倒对海域的水质影响不大。
2.2 表层沉积物质量评价
海洋沉积物是经海洋沉积作用形成的海底沉积体，是海洋生态的重要组成部分。沉积物具有很高的理化稳定性，他们的特点可以反映出海洋环境的平均状况[13]。
2012年和2013年对倾倒区监测海域以及对照点表层沉积物的8个项目进行了监测。从表7可以看出，两年来倾倒区监测海沉积物各个监测项目的污染指数均小于1，未超标。与对照点相比，2012年倾倒区监测海域表层沉积物中石油类物质和Hg的含量高于对照点的含量，到了2013年这种情况得到了改善，其他项目的监测结果相近。通过对近两年倾倒区监测海域表层沉积物的地质累积指数计算可以看出(表8)，4种金属的污染等级均为0，沉积物比较清洁(只有2013年Cd为轻度污染)。通过单因子指数法和地质累积指数法以及对照监测，对沉积物进评价得出了结论相近，既疏浚物倾倒目前为止未对海洋沉积物造成明显污染，海洋沉积物较清洁。
表 7 表层沉积物单因子标准指数Tab. 7 The single factor standard index surface sediment时间 区域 oil TOC Cu Pb Zn Cd Hg As 2012 a 0.28 0.13 0.15 0.07 0.03 0.04 0.76 0.22 b 0.05 0.09 0.11 0.08 0.04 0.55 0.10 0.23 2013 a 0.07 0.10 0.48 0.31 0.21 0.16 0.25 0.17 b 0.11 0.15 0.52 0.32 0.34 0.63 0.23 0.22 注：a倾倒区；b对照点 表 8 表层沉积物污染分级Tab. 8 The pollution grading of surface sediment2012年 lgeo 污染 分级 2013年 lgeo 污染 分级 Cu -2.56~-2.94 清洁 Cu -0.85~-1.04 清洁 Pb -2.02~-2.81 清洁 Pb 0.07~-0.73 清洁 Zn -3.11~-3.59 清洁 Zn -0.45~-0.94 清洁 Cd -0.43~-1.94 清洁 Cd 1.49 ~0.009 轻度 2.3 海洋生物评价
海洋生物调查包括监控海域的浮游植物、I型网采集到的浮游动物以及大型底栖生物。应用香农-韦弗计算公式统计他们的多样性指数，来反映监测海域的海洋生物状况。
从表9可以看出，2012年和2013年浮游植物、浮游动物在倾倒区监测海域的多样性指数均高于在对照点的多样性指数，数值在2左右，海水水质为轻度污染。从两个区域的多样性指数看，疏浚物倾倒可能对监测海域的浮游植物和浮游动物产生了一定影响。大型底栖生物的多样性指数相对较好，均大于3(2013年对照点多样性指数接近3)。熊金林等人的研究表明，底栖生物处于水底，直接与沉积物接触，受到疏浚物影响比较明显，而且底栖生物是一个运动能力差、地域性较强的生物群体，能更好的反应出当前海洋环境状况[14-15]。因此，从底栖生物角度分析，庄河临时海洋倾倒区海洋环境较为清洁，而且倾倒活动对监测海域的海洋生态影响很较小。
表 9 庄河倾倒区海洋生物指数Tab. 9 Marine biological fares of Zhuang he Ocean Dumping Site时间 浮游植物 浮游动物(I型网) 大型底栖 种数/种 密度/个·m-3 多样性 指数 种数/种 密度/ 个·m-3 质量 /mg·m-3 多样性指数 种数/种 密度/ 个·m-2 质量/mg·m-2 多样性指数 2012年 20 80.8×104 2.09 14 338 31.5 1.97 24 740 2.96 3.56 对照点 9 29.6×104 2.36 9 477 76.9 2.07 15 1340 0.63 3.22 2013年 11 99.4×104 1.97 11 10.36 14.8 1.50 35 392 20.57 3.18 对照点 5 37.9×104 2.36 2 66.4 48.23 2.21 7 170 5.58 2.58 3 结论
(1)近年来庄河临时海洋倾倒区监测海域的水质、沉积物、生物研究表明，海水水质基本符合《海水水质标准》中二类海水水质标准；沉积物符合《沉积物质量标准》中一类沉积物质量标准；海洋生物状况良好。虽然倾倒区已使用了8 a，但水质、沉积物、生物三个方面的研究均表明海洋生态环境较好。这可能源于疏浚物倾倒总量不大、较为洁净，而且中间有两年的停用时间，给了海洋一定的缓冲和自净化时间。
(2)通过将2011~2013年倾倒区监测海域的水质、沉积物、生物监测数据与同时进行的对照点的测数据对比发现，疏浚物倾倒引起的海洋生态环境变化情况，与一般人类活动引起的海洋生态变化情况相近。因此，疏浚物倾倒并未对监测海域的海洋生态环境产生明显影响。
(3)虽然本次监测结果表明疏浚物倾倒未对该海域造成明显影响，但是相关主管部门仍应继续加强环保和守法意识、加强对疏浚物倾倒的监管，确保疏浚物符合倾倒标准。避免对海域的生态状况产生大的影响，保证使用海域有一个良好的生态环境。
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图 1 预选倾倒区悬浮泥沙扩散最大包络线(由外向内浓度依次为10、 20、 50、100 、150 mg/L)
Fig. 1. The maximum envelope line of suspended sediment diffusion in pre-selection Dumping(The concentration outside-in in order is 10、20、50 mg/L、100、150 mg/L)
表 1 预选倾倒区悬浮泥沙最大扩散包络面积
Tab. 1 The maximum envelope area of suspended sediment diffusion in pre-selection Dumping
悬浮物浓度/ mg·L-1 ≥10 ≥20 ≥50 ≥100 ≥150 最大扩散包络面积/ km2 11.0571 9.7023 7.1979 5.8215 4.1735 
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表 2 水质污染程度分级
Tab. 2 The grading of water pollution
Qi值 污染程度分级 水质质量评价 Qi≤0.75 1 清洁 0.76＜Qi＜1 2 轻度污染 1.01＜Qi＜1.25 3 中污染级 1.25＜Qi 4 重污染级
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表 3 北黄海沉积物中重金属的环境背景值
Tab. 3 The background values of heavy metals in sediments of north yellow sea
元素 Cu Pb Zn Cd 含量/mg·kg-1 20.43~27.25 11.92~20.58 67.00~93.44 0.057~0.159
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表 4 地质累积指数与污染程度分级
Tab. 4 Geological accumulation index and the grading of pollution
0 1 2 3 4 5 6 lgeo ＜0 0~1 1~2 2~3 3~4 4~5 5~10 污染程度 清洁 轻度 偏中等 中等 偏重 重污染 严重
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表 5 生物种类多样性指数与污染程度分级
Tab. 5 The species diversity index and grading of pollution
1 2 3 4 5 H′ 3~4 2~3 1~2 ＜1 0 污染程度 清洁 轻度污染 中等污染 重污染 严重污染
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表 6 倾倒区及其对照点海水水质单因子标准指数及水质污染分级
Tab. 6 The single factor water quality standard index and grading of pollution in dumping and contrast point
时间 区域 层次 pH DO COD DIN PO4-P Cu Pb Zn Cd Hg As Oil Qi值 污染分级 2011年 倾倒区a 表 0.19 0.14 0.48 0.76 0.65 0.18 0.33 0.32 0.11 0.06 0.29 1.50 0.42 清洁 底 0.18 0.10 0.56 0.74 0.68 0.13 0.33 0.37 0.13 0.10 0.34 - 0.33 清洁 对照点 表 0.11 0.06 0.34 0.82 0.43 - 0.09 0.37 0.06 0.04 0.26 1.48 0.37 清洁 底 0.11 0.07 0.45 0.72 0.47 0.08 0.06 0.19 0.34 0.04 0.51 - 0.25 清洁 2012年 倾倒区 表 0.61 0.44 0.42 0.91 0.44 0.16 0.32 0.57 0.06 0.21 0.05 0.38 0.38 清洁 底 0.41 0.66 0.40 0.66 0.48 0.18 0.40 0.63 0.05 0.21 0.09 - 0.38 清洁 对照点 表 0.43 0.19 0.35 1.01 0.76 - 0.04 1.09 0.01 0.14 0.07 0.80 0.41 清洁 底 0.37 0.47 0.46 0.58 0.77 0.11 0.12 - 0.23 0.16 0.07 - 0.28 清洁 2013年 倾倒区 表 0.66 0.31 0.30 1.56 0.13 0.37 1.16 0.12 0.04 0.23 0.12 0.52 0.46 清洁 底 0.75 0.35 0.30 0.88 0.14 0.34 0.93 0.12 0.02 0.23 0.13 - 0.38 清洁 对照点 表 0.42 0.21 0.32 1.46 0.13 0.38 0.25 0.13 0.08 0.16 0.15 0.36 0.34 清洁 底 0.37 - 0.29 0.81 0.12 0.61 0.33 0.12 0.07 0.13 0.09 - 0.29 清洁 注：a表示倾倒区监测站位数据数的平均值
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表 7 表层沉积物单因子标准指数
Tab. 7 The single factor standard index surface sediment
时间 区域 oil TOC Cu Pb Zn Cd Hg As 2012 a 0.28 0.13 0.15 0.07 0.03 0.04 0.76 0.22 b 0.05 0.09 0.11 0.08 0.04 0.55 0.10 0.23 2013 a 0.07 0.10 0.48 0.31 0.21 0.16 0.25 0.17 b 0.11 0.15 0.52 0.32 0.34 0.63 0.23 0.22 注：a倾倒区；b对照点
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表 8 表层沉积物污染分级
Tab. 8 The pollution grading of surface sediment
2012年 lgeo 污染 分级 2013年 lgeo 污染 分级 Cu -2.56~-2.94 清洁 Cu -0.85~-1.04 清洁 Pb -2.02~-2.81 清洁 Pb 0.07~-0.73 清洁 Zn -3.11~-3.59 清洁 Zn -0.45~-0.94 清洁 Cd -0.43~-1.94 清洁 Cd 1.49 ~0.009 轻度
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表 9 庄河倾倒区海洋生物指数
Tab. 9 Marine biological fares of Zhuang he Ocean Dumping Site
时间 浮游植物 浮游动物(I型网) 大型底栖 种数/种 密度/个·m-3 多样性 指数 种数/种 密度/ 个·m-3 质量 /mg·m-3 多样性指数 种数/种 密度/ 个·m-2 质量/mg·m-2 多样性指数 2012年 20 80.8×104 2.09 14 338 31.5 1.97 24 740 2.96 3.56 对照点 9 29.6×104 2.36 9 477 76.9 2.07 15 1340 0.63 3.22 2013年 11 99.4×104 1.97 11 10.36 14.8 1.50 35 392 20.57 3.18 对照点 5 37.9×104 2.36 2 66.4 48.23 2.21 7 170 5.58 2.58
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