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莱州湾海洋生态环境状况与污染防治策略初探

花匠小妙招
2024-11-09 09:13

环渤海地区是我国经济社会发展的重点地区之一[1]。随着海洋强国战略深入实施，环渤海地区海洋经济迅猛发展，近岸海域开发强度日益增大，加之入海污染物总量的增长，海域生态环境压力不断增加，受到社会广泛关注。2018年12月，生态环境部等三部委联合印发《渤海综合治理攻坚战行动计划》，以期加快解决渤海存在的突出生态环境问题。

莱州湾是渤海三大海湾之一，亦是山东省面积最大的海湾，以濒临古莱州得名。2015－2020年《山东省海洋环境公报》[2-4]（下文简称《公报》）显示，莱州湾海水质量总体不高，为山东省劣四类水质的主要分布区域之一，小清河河口附近有机污染严重，富营养化问题突出，莱州湾典型生态系统长期处于亚健康状态。近年来，山东省深入开展入海河口及排污口排查，扎实推进“湾长制”及莱州湾海域综合治理工作，海洋生态环境质量在一定程度上有所改善。本文以山东省海洋环境监测数据为基础，重点分析2019－2020年莱州湾海域水质、富营养化分布特征及变化情况，并针对莱州湾环境污染问题提出建议，以期为打好莱州湾海域污染防治攻坚战提供助力。

1 材料与方法

1.1 研究范围及数据来源

海洋环境数据主要采用山东省生态环境厅公布的2019－2020年近岸海域环境监测资料[5]，监测项目包括pH、溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）、无机氮（DIN）、磷酸盐（DIP）、石油类和重金属（铜、汞、铅、镉）；为分析莱州湾生态环境质量总体变化趋势，对2015年以来《公报》中海洋生态环境相关图表数字化后进行统计整理；海岸线数据采用山东省人民政府2008年公布的管理岸线。

研究范围参考杜培培等[6]的评价范围，即沿管理岸线东起龙口屺坶岛高角，西至垦利区黄河入海口，考虑黄河入海口的北向摆动，适度向北延伸，研究范围内共有115个监测站位（图1），遍及整个莱州湾海域。

图 1 研究区域及监测站位

Fig. 1 Study area and monitoring station

1.2 分析方法

（1）单要素评价

采用自适应凸包选点的IDW评价模型[7]，对水质站位进行空间插值，得到各单要素的栅格浓度场，依据《海水水质标准》[8]，对网格单要素质量等级进行判定，质量等级分为一类、二类、三类、四类、劣四类5个等级。具体插值公式如下：

$$ Z = sumlimits_{i = 1}^n {{{textit{z}}_i}} frac{{1/d_i^4}}{{displaystylesumnolimits_{i = 1}^n {1/d_i^4} }} $$ (1)

式中：Z为插值后的浓度场；zi为实测点i的浓度值；di为待赋值网格中心点与实测点i间的距离；n为构成凸包的插值结点个数，n≤4。

（2）富营养化评价

海水富营养化状况采用富营养化指数法[4]评价，计算公式如下：

$$ E = left( {{C_{{rm{COD}}}} times {C_{{rm{DIN}}}} times {C_{{rm{DIP}}}} times {{10}^6}} right)/4500 $$ (2)

式中：E为富营养化指数；CCOD、CDIN、CDIP分别为化学需氧量、无机氮和磷酸盐浓度，单位为mg/L。当1≤E≤3时，为轻度富营养化；3<E≤9时，为中度富营养化；E>9时，为重度富营养化。

2 莱州湾海洋生态环境状况

2.1 海水水质状况

与2001年历史调查资料[9]相比（表1），莱州湾海水环境发生一定改变：一是局部区域海水表层pH减小，2020年5月和8月pHmin均小于8，较2001年同期分别降低0.2和0.17，海水有酸化风险，对近岸养殖存在一定的负面影响；二是夏季表层DO降低，平均浓度由2001年9月的7.2 mg/L降至2020年8月的6.4 mg/L，莱州市金城镇北部养殖区存在多个DO浓度小于5 mg/L的站位，超出二类水质标准；三是DIN的含量大幅增加，2020年5月和8月平均浓度分别为2001年同期的3.68倍和1.79倍，海水环境质量退化；四是DIP含量持续降低，平均浓度为第一类海水水质标准的30%。

表 1 2001年、2019年和2020年莱州湾海水水质情况统计表（单位：mg/L）

Tab. 1 Statistics of sea water quality of Laizhou Bay in 2001, 2019 and 2020 (unit: mg/L)

监测项目2001年[9]2019年2020年 6月9月5月8月10月5月8月10月 pH 最小值 8.14 8.08 7.84 7.80 7.93 7.94 7.91 8.06 最大值 8.27 8.40 8.44 8.35 8.44 8.28 8.38 8.26 平均值 8.22 8.21 8.06 8.17 8.13 8.12 8.23 8.27 DO 最小值 7.01 6.68 6.09 4.33 5.28 6.29 4.81 6.20 最大值 8.65 7.95 9.23 17.56 10.22 10.27 9.80 10.47 平均值 7.81 7.20 7.69 8.14 7.50 7.79 6.40 8.00 COD 最小值 1.29 0.56 0.98 1.30 1.02 0.25 1.06 0.59 最大值 3.50 2.63 1.46 3.14 1.82 2.98 2.61 3.61 平均值 1.77 1.40 1.23 1.72 1.42 1.52 1.73 1.69 DIN 最小值 0.0354 0.0267 0.2302 0.0648 0.0544 0.1522 0.0287 0.0853 最大值 0.2346 0.3209 1.2136 4.6780 1.0639 1.8250 1.8670 2.0695 平均值 0.0924 0.1226 0.5272 0.6580 0.3575 0.3399 0.2189 0.3111 DIP 最小值 0.0000 0.0081 0.0004 0.0006 0.0005 0.0003 0.0003 0.0004 最大值 0.0121 0.1265 0.0234 0.0331 0.0347 0.0055 0.0393 0.0147 平均值 0.0025 0.0248 0.0044 0.0040 0.0164 0.0022 0.0039 0.0027 石油类最小值 0.0132 0.0043 0.0069 0.0070 0.0105 0.0077 0.0002 0.0017 最大值 0.0413 0.0998 0.0402 0.0491 0.0436 0.1250 0.0522 0.0451 平均值 0.0201 0.0156 0.0170 0.0287 0.0259 0.0311 0.0132 0.0227

《公报》及海洋环境监测数据显示，2015年以来，莱州湾海洋环境质量状况呈现波动向好态势（图2），其中，2015－2016年，海水质量略有提升，优良水质海域面积比例由42%上升至56%；而2016－2019年莱州湾海水水质恶化，优良水质海域面积比例降至22%，劣四类水质海域范围进一步扩张；2020年莱州湾水质呈向好发展态势，pH、DO、COD、DIN、DIP、石油类以及重金属（仅8月）等指标的综合评价结果（图3、图4、表2）显示，春季（5月）、夏季（8月）和秋季（10月）优良水质海域面积比例分别为49.29%、77.53%和44.80%，年均优良水质海域面积比例达到了57%，为2015年以来的最优状态，第四类及劣四类海域集中分布在黄河入海口以及西南部小清河口海域，面积较2019年亦大幅减少，占研究海域面积的19%，是近6年来的最低值，潍坊昌邑至烟台莱州近岸海域，春、夏两季四类及劣四类水质基本消失；主要污染物为DIN，但个别月份存在DIP、pH、DO和石油类超标现象，例如，2020年10月，刁龙咀至虎头崖近岸7个监测站位的pH超过8.5，对渔业养殖活动有潜在威胁。

图 2 2015－2020年研究区域各类海水水质面积

Fig. 2 Water quality area of various types of seawater in study area from 2015 to 2020

图 3 2019－2020年研究区域海域水质分布

Fig. 3 Distribution map of water quality in study area from 2019 to 2020

图 4 2019－2020年研究区域海水水质情况

Fig. 4 Evaluation of water quality in study area from 2019 to 2020

表 2 2020年三个航次各类海水水质面积（km2）及超标污染物

Tab. 2 The area of various sea water quality and the pollutants exceeding the standard for the three voyages in 2020 (km2)

月份一类水质二类水质三类水质四类水质劣四类水质超标污染物 5月 869 2812 2453 704 629 DIN、石油类 8月 299 5491 375 209 1094 DIN、DO、DIP、石油类 10月 1094 2251 2579 1068 476 DIN、pH

进一步分析2019年、2020年主要污染物DIN的监测数据（图5），结果显示，2020年海湾DIN的含量较上一年大幅降低，平均DIN浓度由0.52 mg/L降至0.29 mg/L，表明莱州湾海洋环境综合治理工作取得显著成效。其中，海湾中部浓度变化最为明显，降幅约为0.4 mg/L；西部海域次之，降幅亦达到0.2 mg/L，但黄河入海口附近DIN含量较2019年略有上升，站位年均最大浓度达到1.11 mg/L；海湾东部DIN浓度变化较小，但全部站位均达到第二类海水水质标准，环境质量状况总体好于中、西部海区。

图 5 2019－2020年各监测站位年均无机氮浓度

Fig. 5 The average annual inorganic nitrogen concentration of each monitoring point from 2019 to 2020

2.2 富营养化状况

富营养化评价结果显示，2020年，评价海域富营养化程度明显降低，三个季节富营养化站位占比由2019年的26.96%降至2020年的3.77%，特别是莱州湾中部，富营养化现象基本消失（图6）。2020年，春、夏、秋三个季节富营养化海域面积分别为215 km2、927 km2和226 km2；富营养化站位比例为夏季>冬季>春季（图7），主要分布于小清河入海口、黄河入海口以及莱州三山岛港区附近；受河流丰水期径流量增大、广利港及众多盐化工等陆域污染企业排污、海湾水交换能力等多方面因素共同影响，重度富营养化站位集中出现在夏季的莱州湾西南部海域，存在诱发赤潮的风险。

图 6 2019－2020年研究海域富营养化分布

Fig. 6 Distribution map of eutrophication in study area from 2019 to 2020

图 7 2019－2020年莱州湾富营养化情况

Fig. 7 Eutrophication in Laizhou Bay from 2019 to 2020

此外，氮磷比（N/P）亦是衡量海水营养盐结构的重要指标。20世纪90年代以来，受DIP浓度波动减少以及DIN浓度持续增加的双重影响，莱州湾海域N/P值不断增高[10-11]，大部分海域处于磷限制潜在性富营养水平。2020年的监测结果表明（图8），莱州湾表层年均N/P为74～937，平均值为232，黄河入海口处氮、磷失衡较为严重；春、夏、秋三个季节，表层N/P平均值分别为405、140、341，夏季浓度明显小于春季，与前人的研究结论相同[11]。

图 8 2020年莱州湾氮磷比分布

Fig. 8 Distribution map of N/P ratio in Laizhou Bay in 2020

2.3 生物多样性状况

海洋生物多样性状况是衡量海湾生态环境质量的重要指标之一。本文统计了2015年以来《公报》数据，综合分析了莱州湾海域浮游植物、浮游动物和底栖生物的多样性状况及变化趋势。分析结果显示，近6年来，莱州湾海域生物群落结构未发生明显变化，浮游和底栖生物物种数和多样性指数较为稳定（图9a和图9b），但生物密度波动较大（图9c），海湾生态系统仍处于亚健康状态。

图 9 2015－2020年莱州湾海洋生物多样性统计

Fig. 9 Statistical map of marine biodiversity in Laizhou Bay from 2015 to 2020

浮游植物物种数量变化不大，为30～68；多样性指数不高，为1.02～2.6，2018年以来呈上升态势，且8月的多样性指数高于5月，存在明显的季节变化；浮游植物生物密度变化较大，如2017年8月浮游植物生物量为2.687×107 cells/m3，而2018年5月则降至7.7×104 cells/m3，降幅明显。浮游动物的物种数略低于浮游植物，多样性指数为1.44～2.41（平均值2.09），与1989年和2011－2014年航次的结果相当[12]，表明浮游动物多样性状况相对稳定；浮游动物生物密度波动较大，2018年5月达到最高值4167 ind/m3，2020年5月仅为44 ind/m3。底栖生物的多样性指数较高，为2.1～3.2（平均值2.77），且自2015年以来呈波动上升趋势；底栖生物密度为320～5291 ind/m2，丰度较高但不稳定。

此外，互花米草等外来物种入侵亦对莱州湾海洋生态环境造成一定威胁。朱玉玲[13]的研究结果显示，莱州湾互花米草分布广泛，近30年来呈增长态势，在支脉河口、小清河口、潍河口、胶莱河口以及太平湾东侧均有分布，2019年莱州湾互花米草总面积超过800公顷。大面积的互花米草可能导致滨海盐沼原生植物消失、海洋生物栖息环境破坏、生物多样性降低，从而影响莱州湾生态系统服务功能的发挥。

3 莱州湾污染问题分析

3.1 污染物来源复杂

陆源污染物（主要为DIN）的过量排放是影响莱州湾海域环境的主要因素，相关研究结果表明，莱州湾营养盐污染主要来自黄河、广利河、支脉河、小清河、白浪河等周边入海河流输入，以小清河和黄河的影响最为显著[14-16]。其中，黄河主要污染源为城市污水以及农业氮、磷肥等的不合理施用[17]；而小清河的氮输入主要源于上游工业废水的排放[18]，此外，雨污混流、沿河污水处理能力不足以及个别村居污水直排亦是小清河入海口水质污染的重要原因。2019－2020年的监测结果显示，除个别月份外，小清河和广利河入海河口地表水监测结果均为Ⅳ类、Ⅴ类，超标要素包括高锰酸盐指数、COD、氨氮（NH3-N）、总氮、石油类等，地表水环境现状不容乐观，严重影响了莱州湾海洋环境。

此外，莱州湾海域开放式养殖分布较广且投饵方式单一，商港、渔港密集，航道众多，开发利用强度较大[3]，海水养殖尾水、船舶溢油、海洋垃圾等污染亦对海湾生态环境造成一定威胁。陈敏等[19]发现，莱州湾贝类养殖产生的氮负荷是莱州湾近岸海域DIN浓度升高的重要因素。2020年5月监测结果显示，研究区域内7个监测站位的石油类浓度超过二类水质标准，其中，广利港周边最高值达到了1.25 mg/L，给水生生物的生长繁殖以及生态系统的稳定性带来不利影响（图10a）。

3.2 陆海水环境标准不衔接

陆海水环境标准存在适用范围交叉以及指标设置和标准限值不衔接等方面的问题，同样给莱州湾污染防治带来一定阻力。以氮为例，一方面，在指标设置上，《地表水环境质量标准》[20]为总氮和NH3-N，而《海水水质标准》[8]则为无机氮，评价指标不衔接，在一定程度上制约了污染物的陆海联防联控；另一方面，在标准限值要求上，NH3-N在《地表水环境质量标准》中Ⅰ－Ⅴ类的标准限值分别为0.15 mg/L、0.35 mg/L、1.0 mg/L、1.5 mg/L、2.0 mg/L，而NH3-N仅为海水DIN的组成之一，其占比不足DIN的20%[15]，大致推算对应的DIN浓度应为0.75 mg/L、1.75 mg/L、5.0 mg/L、7.5 mg/L、10 mg/L，而DIN在《海水水质标准》[8]中第一类至第四类的标准限值则为0.2 mg/L、0.3 mg/L、0.4 mg/L、0.5 mg/L，即满足Ⅰ类地表水要求的入海河流亦可能造成周边海洋环境的污染。

3.3 海湾水交换能力不足

值得一提的是，除污染源自身强度外，潮流、对流扩散等水动力因素对半封闭海湾的污染物分布有着不可忽视的影响。张燕伟等[21]通过构建水动力模型识别莱州湾拉格朗日拟序结构（Lagrangian Coherent Structure，LCS）的方法，分析了莱州湾物质运输规律，在莱州湾西岸，物质沿岸运输，海湾中部水交换能力滞缓，受地形影响，清水沟流路岬角外侧和莱州浅滩附近存在涡旋结构的输运屏障，使得物质在此处聚集，湾内物质多从湾口中部向外海缓慢运输，扩散能力较弱，这与2020年5月和10月莱州湾无机氮的分布特征相吻合（图10b和图10c）。此外，大规模的筏式养殖以及潍坊港、广利港等海岸工程建设，使得湾底水动力环境改变，易造成污染物的聚集。

图 10 2020年5月和10月莱州湾主要污染物分布

Fig. 10 Distribution map of main pollutants in Laizhou Bay in May and October 2020

4 基于生态系统的污染防治策略

4.1 确立“陆海统筹”的莱州湾综合治理总体思路

莱州湾生态环境问题的根源在陆域，应树立“陆海统筹、河海兼顾、协同共治”的治理思路，构建“陆域+海域”综合治理体系。一是建立陆海环境保护统筹管理联动机制，统筹环湾三市九县（市、区）人民政府以及自然资源、生态环境、农业农村、交通运输等多部门共同参与莱州湾污染防治工作，形成地方与地方、部门与部门之间的网络状对接与合力，实现信息互联互通，共同推动莱州湾生态环境持续改善。二是统筹衔接污染防治制度，做好莱州湾污染防治工作与“河长制”“湾长制”、排污许可、“三线一单”等制度的衔接，探索莱州湾生态环境治理新模式。三是统筹衔接陆海水环境监测与评价技术标准，鉴于《海水水质标准》《地表水环境质量标准》制订时间较早，存在一定滞后，建议结合相关政策要求，适时进行修订更新，同时探索制订河口/海湾区域专属水环境质量标准和评价技术指南，实现陆海水环境标准的有效衔接。

4.2 建立莱州湾污染物总量控制制度，强化源头控制

构建莱州湾污染物总量控制体系。全面系统地开展入海河口、直排口、地下水、海水养殖设施、海岸工程、船舶污染、溢油等陆海点源和非点源污染物调查工作，开展排污口分类登记工作，摸清COD、NH3-N、总氮、总磷等主要污染物的来源、分布特征、排放浓度、入海通量等，建立莱州湾污染源台账；基于陆海污染源调查数据、流域范围及陆海管理便利性，合理划分沿岸陆域和相关海域的水污染控制单元，开展污染物排放总量评估；结合“到2025年，主要入海河流总氮浓度较2020年下降10%，近岸海域水质优良比例达到58%左右”[22]的目标任务，合理确定莱州湾海洋环境容量和安全余量，并将其转换为对应的陆域管理单元入海污染物减排目标，从根源强化陆源污染管控；充分发挥东营、潍坊和烟台三地市生态环境局、自然资源局的数据优势，借力高校、科研机构的专业技术优势，构建水动力输运耦合模型，科学核算各污染单元总氮、总磷、氨氮等重点污染物允许排放量和削减量，协同推进减污降氮。

4.3 强化陆海生态环境监测和应急能力建设，注重过程监管

构建“河海联动”的莱州湾水环境监测、监管体系，做好“流域−河口−海域”一体化监测和应急管理工作。科学布设监测站位，将小岛河等未纳入常规监测的河流断面纳入常态化监测，并加大近岸海域的监测站位密度，尤其是入海河口、莱州湾西岸等区域，减少插值对水质评价结果可靠性带来的影响；充分运用无人机、卫星遥感、在线监测等多种手段，强化对直排口、沿河重点排污企业等具体排污主体的监督检查，定期开展河流断面、近岸海域水环境监测，及时掌握污染源变化情况；健全完善海洋突发环境事件的应急响应预案，提升对船舶溢油、赤潮等突发环境事件的响应速度，降低对海洋生态环境造成的风险。

4.4 分类多举措削减污染物排放，提升末端治理成效

采用“削减排放”和“增加容量”相结合的方式，分类多举措降低莱州湾DIN等污染物浓度。一是实施入海河流以及排污口的分类综合治理，提升环湾区域污水的收集处置能力，针对小清河、黄河等重点污染河口，根据不同的污染源类型精准治污，逐河流制定流域氮、磷控制（削减）方案，执行更加严格的排放标准。二是强化渔港、商港等港区的环境综合治理，提升含油废水、生活污水、船舶污染物等的接收处置能力，定期清理河道、海洋垃圾，降低对环境的污染。三是严格管控海水养殖空间与容量，开展水产养殖容量评估，科学地确定养殖种类、规模和密度，合理布设各类养殖功能区，加强海水养殖特别是工厂化养殖尾水的治理，引导养殖废水生态化处理后达标排放，推进生态健康养殖。四是以互花米草清理、牡蛎礁恢复、开堤通海、退养还湿、海堤生态化改造等生态修复工程为抓手，创新完善“流域−河口−海湾”综合修复模式，增强海湾的自净能力和环境容量，提升莱州湾生态系统健康状况和服务水平。

5 结　论

（1）与2019年相比，莱州湾海域水环境和富营养化情况有所改善，主要污染物DIN的浓度大幅降低，富营养化面积显著减少，渤海综合治理攻坚战环境综合治理工作取得显著成效；中部海域改善情况较为明显，但海湾西岸特别是小清河和黄河入海口附近的污染依然严重，存在四类和劣四类水体；海域水环境较2001年有所退化，主要表现为平均pH和溶解氧浓度小幅降低以及氮磷比失衡加剧。

（2）海湾生态系统长期处于亚健康状态，浮游生物、底栖生物的物种数和多样性指数较为稳定，但生物密度波动较大；互花米草入侵对莱州湾海洋生态环境造成一定威胁。

（3）建议按照“陆海统筹”的治理思路，系统开展陆海污染源普查，充分衔接“河长制”“湾长制”“三线一单”等已有制度，建立莱州湾污染物总量控制制度，科学核算总氮、氨氮等重点污染物的允许排放量，采用“削减排放”和“增加容量”相结合的方式，以互花米草清理、牡蛎礁恢复、开堤通海、退养还湿、海堤生态化改造等生态修复工程为抓手，创新完善“流域−河口−海湾”综合修复模式，通过“源头控制、过程监管、末端治理”的综合防控措施，实现重点污染物的有效防治，推动莱州湾区域生态环境质量持续改善。