丁 超

(大連市生態(tài)環(huán)境事務服務中心,遼寧 大連 116000)

引 言

近海養(yǎng)殖區(qū)的水質狀況直接影響水產品的產量及品質。因此,為了保證水產養(yǎng)殖水體的可持續(xù)利用,保障水產品的高質量產出,必須對海水養(yǎng)殖的水質環(huán)境進行嚴格科學的監(jiān)管[1]。水質評價是對海洋生態(tài)環(huán)境進行科學管理的重要手段,通過水質評價,可以分析出各水質指標的影響程度及該海域水質環(huán)境的主要污染問題,為養(yǎng)殖海域的環(huán)境管理與決策提供依據(jù)[2]。

水環(huán)境質量評價即依據(jù)各種相關的水質指標和相應的評價標準對水質進行綜合評價。自20世紀60年代,圍繞溶解氧、pH值、氨氮、磷酸鹽等[3]水質指標,國外陸續(xù)提出多種水質評價方法。其中,被廣泛關注的有單因子評價法、綜合污染指數(shù)法、營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法以及主成分分析法等[4]。單因子評價法因其計算簡單而被普遍應用,該方法主要是對水質類別進行評價,但對水體質量的反映相對片面。與之相比,綜合污染指數(shù)法和主成分分析法可將水質進行量化,但綜合污染指數(shù)法人為將污染程度分為不同級別,這種確定各項水質指標權重的方法具有一定的主觀性。Maradona等[5]通過綜合污染指數(shù)法對湖泊和河流的水質進行了評價。主成分分析法可以將多維水質參數(shù)納入同一系統(tǒng)中進行定量,從而篩選出對水質影響的關鍵水質指標,是一種較為完善的多元統(tǒng)計分析方法。Zhang等[6]采用主成分分析法對莊河池塘養(yǎng)殖和網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)的水質進行評價。結果表明,在該研究區(qū)調查的多個水質指標中,溶解氧、鹽度和抗生素抗性基因是最重要的水質指標。Xia等[7]采用單因子評價法、綜合污染指數(shù)法和主成分分析法對丹江口庫區(qū)水質進行評價。評價結果表明,深定河、泗河和犟河的水質較差。此外,該研究指出不同評價方法得出的水質質量結果稍有不同,單因子評價法僅能給出評價類別,綜合污染指數(shù)法和主成分分析法可以對不同時空的水質進行比較。隨著計算機技術的發(fā)展,隨機模型、物元分析法、人工神經網(wǎng)絡法以及灰色聚類法等方法又相繼應用在水質評價中。Salari等[8]通過電導率、溫度、pH值等參數(shù)估算了溶解氧、總溶解性固體等五種重要的水質參數(shù),并采用數(shù)學和神經網(wǎng)絡兩種建模方式對模擬水質參數(shù)進行檢驗,所有模擬水質參數(shù)的模型精度均接近0.99,該研究提出的模型和方程為水質參數(shù)的獲取提供了一種新思路。由于水環(huán)境質量具有模糊性和不確定性,又有學者將模糊評價法[9]引入水環(huán)境質量評價研究中。Wang等[10]提出了一種模糊相似性度量的方法,用于判斷兩個模糊集之間的接近度,并利用該方法對海河水質進行評價。

此外,考慮到海域的水流運動將直接影響水產養(yǎng)殖區(qū)的物質交換和餌料供應。在進行近海養(yǎng)殖區(qū)水環(huán)境質量監(jiān)測時,海域的水動力條件對水質的影響不容忽視。結合各水質評價方法的優(yōu)缺點,本文將基于實測調查數(shù)據(jù),采用單因子指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法和主成分分析法對研究區(qū)監(jiān)測站位進行評價,得出海水養(yǎng)殖對遼寧省大連市海王九島海域的環(huán)境影響,具有科研和實用價值。

1 材料與方法

1.1 調查范圍及標準

研究于2021年4月23日對大連海王九島進行水質調查,水質調查當天,天氣晴朗,風力微弱,水面基本保持靜止狀態(tài)。本次調查共設置29個監(jiān)測點位,點位分布如圖1所示。此次調查獲取了溫度、透明度、電導率、鹽度、pH和活性磷酸鹽等9項水質參數(shù)。

圖1 水質采樣點分布圖

水質調查指標中的溫度、pH值、溶解氧、總溶解性固體、鹽度和電導率由美國YSI水質測量儀現(xiàn)場實測29個監(jiān)測點位水樣獲得。YSI水質測量儀的檢測指標及性能詳見表1。透明度參數(shù)采用透明圓盤法現(xiàn)場測量?；钚粤姿猁}和無機氮等水質參數(shù)由現(xiàn)場采集的水樣低溫冷藏帶回實驗室測得。水質樣品采集及水質指標的測定操作均按照《海洋調查規(guī)范》(GB/T 12763.4—2007)[14]和《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB 17378—2007)[15]執(zhí)行。

表1 YSI水質測量儀檢測指標及性能

本文利用水深數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、鹽度數(shù)據(jù)、風場數(shù)據(jù)、潮邊界振幅和相位等參數(shù)構建大連海王九島海域的潮流模型,分析研究區(qū)潮流運動規(guī)律。高精度水深數(shù)據(jù)可由美國國家海洋和大氣管理局NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)免費下載(https://ngdc.noaa.gov/);風場數(shù)據(jù)由CFSV2模式[16]中獲取(https://rda.ucar.edu);潮邊界振幅和相位等參數(shù)來自TPXO7.2數(shù)據(jù)集[17](下載鏈接:http://g.hyyb.org/archive/Tide/TPXO/TPXO_WEB/global.html);溫度和鹽度數(shù)據(jù)來自HYCOM數(shù)據(jù)集(下載鏈接:https://www.hycom.org/dataserver)。

1.2 水質評價方法

本文研究針對2021年4月在大連海王九島海域29個調查點位的水質數(shù)據(jù),采用單因子評價法、綜合污染指數(shù)法、主成分分析法對研究區(qū)水質進行評價。

1.2.1 單因子污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)法是指將某種污染物實測濃度與該種污染物的評價標準進行比較以確定水質類別的方法[18]。該方法通常以單因子污染指數(shù)1.0作為該因子是否對環(huán)境產生污染的基本分界線,當計算結果大于1.0時,表明水質超出該類海水的評價標準[19]。單因子污染指數(shù)法中海水的水質類別由最差的單項水質指標滿足的水質標準來確定,計算公式如下:

(1)

式中,pi表示的是水質環(huán)境因子的污染指數(shù);Ci表示的是水質環(huán)境因子的測定值,單位mg/L;Cs是i類水質環(huán)境因子的水質評價標準值,單位mg/L;

其中,溶解氧的標準評價不同于其他水質指標,一般用如下公式計算:

(2)

式中,DO為實測的現(xiàn)場濃度,單位是mg/L;DOf為在現(xiàn)場溫度下的飽和溶解氧濃度,計算公式詳見公式(3),單位是mg/L;DOs是溶解氧的標準值,單位是mg/L;SDO是溶解氧的水質因子污染指數(shù)。

(3)

式中,T為水溫(℃);

pH因子指標的計算公式如下:

(4)

(5)

(6)

式中,S為pH因子指標的污染指數(shù);pHi是第i個站點pH的實測值;pHsu,pHsd分別是pH評價范圍的上限值和下限值。單因子評價法參照《海水水質標準》(GB 3097-1997)[20]對水質進行分級。

1.2.2 綜合污染指數(shù)法

水質綜合污染指數(shù)法是指通過數(shù)學的方法,得出一個代表水質污染程度的數(shù)值。水質綜合污染指數(shù)法與單因子指數(shù)法相比,對水質指標信息的利用更為充分,評價結果更客觀全面[21]。本章采用的是算術平均法,該方法首先將水體中單個監(jiān)測指標的監(jiān)測結果與評價標準之比作為該指標的污染指數(shù),然后計算各指標污染指數(shù)的算術平均值得到代表該水體污染程度的指數(shù)[22]。計算公式為(7),綜合污染指數(shù)法評價標準[23]:

(7)

1.2.3 主成分分析法

主成分分析法是基于降維分析思想的一種多元統(tǒng)計方法。近年來,一種以主成分的貢獻率作為權重,對各主成分得分進行加權求和計算綜合得分的方法被廣泛應用到水質評價研究中[24]。主成分的綜合得分越高,表明水質樣品中污染物含量越高,水質越差。采用主成分分析法取得的各監(jiān)測站點水質的綜合得分和排名,可以客觀地描述大連海王九島研究區(qū)水質的污染程度。

本文研究通過SPSS軟件對水質數(shù)據(jù)進行主成分分析。首先確定用于主成分分析的水質指標,并對其進行標準化處理;然后分析各水質指標之間的相關性;接著依據(jù)累計方差確定主成分個數(shù),以主成分貢獻率作權重,對各主成分得分進行加權求和從而計算綜合得分;最后依據(jù)綜合得分評估水質污染狀況,完成對研究區(qū)水質的綜合評價。

2 水環(huán)境質量綜合評價結果

2.1 單因子污染指數(shù)法評價結果

單因子污染指數(shù)法評價結果詳見圖2。從圖中可以看出,除監(jiān)測站點14、15、16、17和19的水質狀況滿足國家II類水質標準要求外,其余24個監(jiān)測站點均滿足國家I類水質標準。而滿足國家II類水質標準的監(jiān)測站點均位于大王家島北部與長坨子島西部海域,該海域分布有密集的浮筏、網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)。

圖2 單因子評價法水質分類結果

單因子污染指數(shù)法評價結果表明,養(yǎng)殖密集海域的監(jiān)測站點水質較差,未達到I類水質標準。但整體而言,當前大連海王九島水環(huán)境狀況仍滿足國家水產養(yǎng)殖的水質要求,適宜發(fā)展水產養(yǎng)殖業(yè)。

2.2 綜合污染指數(shù)法評價結果

評價結果表明,29個監(jiān)測站位的綜合污染指數(shù)的平均值為0.314。通過對比水質綜合指數(shù)評價表可知,整體海域水質處于相對清潔的狀態(tài)。本次調查共有4個監(jiān)測站位水質屬于輕污染狀態(tài),分別是14、15、19和27號站位,其余25個監(jiān)測站位水質處于相對清潔等級。結合圖3具體分析可知,小王家島南部及長坨子島東部海域的監(jiān)測站點遠離養(yǎng)殖區(qū),該區(qū)域的1、2、3、4、5監(jiān)測站位的綜合污染指數(shù)均小于0.3,海水水質達到相對清潔的等級。而大王家島北部以及長坨子島西部有密集養(yǎng)殖區(qū)分布,該海域設置的監(jiān)測站點14、15、16、17、19的評價結果均大于0.3。綜合污染指數(shù)法評價結果表明,雖然研究區(qū)大部分監(jiān)測站位處于相對清潔的狀態(tài),但養(yǎng)殖區(qū)密集的監(jiān)測站位出現(xiàn)輕污染的現(xiàn)象,該海域水產養(yǎng)殖對水質狀況造成的影響需引起重視。

圖3 綜合污染指數(shù)法評價結果

對各區(qū)域的綜合污染指數(shù)進行對比分析可以看出,由于小王家島周圍海域僅有少量浮筏養(yǎng)殖區(qū),水產養(yǎng)殖活動較少,所以位于小王家島的監(jiān)測站位平均污染指數(shù)最低。在壽龍島、長坨子島和大王家島海域監(jiān)測站位附近有密集的養(yǎng)殖區(qū)分布,這三個子研究區(qū)的平均綜合污染指數(shù)均大于0.3。其中,壽龍島和長坨子島監(jiān)測站位平均污染指數(shù)為0.339,大王家島平均污染指數(shù)為0.315。

2.3 主成分分析法評價結果

水質指標與主成分的相關程度可用初始因子載荷矩陣系數(shù)來表示,其絕對值越接近1,表明相關程度越高,此時該指標可以作為評價海水水質的主要指標。研究區(qū)海水主成分初始因子載荷矩陣如表2所示。從表中可以看出,成分1與總溶解性固體、鹽度、電導和透明度這4個變量上有較高的載荷,表明主成分1主要顯示這4個水質因子的信息;主成分2主要顯示溶解氧、pH和活性磷酸鹽這3個水質指標的信息;主成分3僅與氨氮有高載荷,表明主成分3主要顯示氨氮的信息。

表2 主成分初始因子載荷矩陣

成分特征向量即每個指標相應的系數(shù),將該系數(shù)與標準化后的數(shù)據(jù)Zi相乘,即可得出主成分F1、F2和F3相應的表達式。再依據(jù)初始特征值方差的百分比λ1、λ2和λ3,得到F值表達式。F值表達式如下。

(8)

其中,主成分F1、F2、F3的表達式分別為:

F1=0.545×Z1+0.496×Z2+0.449×Z3+0.343×Z4+0.235×Z5+0.228×Z6+0.137×Z7+0.105×Z8

(9)

F2=-0.145×Z1-0.195×Z2-0.392×Z3+0.476×Z4+0.542×Z5+0.445×Z6-0.257×Z7-0.045×Z8

(10)

F3=-0.117×Z1-0.130×Z2+0.090×Z3-0.217×Z4+0.343×Z5-0.079×Z6+0.057×Z7+0.887×Z8

(11)

式中,Z1為溶解氧;Z2為電導;Z3為總溶解體固體;Z4為鹽度;Z5為pH;Z6為透明度;Z7為氨氮;Z8為活性磷酸鹽。

依據(jù)F值大小對29個監(jiān)測站點水質進行排名,F值越大,表明水質污染越嚴重。F值的綜合得分與水質排名詳見表3?？梢钥闯?在29個監(jiān)測站點中,水質較好的監(jiān)測站位為2號、24號、29號、26號、11號,水質排名較差的是15號、14號、16號、17號、19號。對照養(yǎng)殖區(qū)提取結果可知,14號、15號、16號、17號和19號監(jiān)測站位附近養(yǎng)殖區(qū)密集,而24號、2號、11號監(jiān)測站位附近養(yǎng)殖區(qū)少,且離海島較遠,人類活動較少,所以水質較好。

表3 綜合得分F值與監(jiān)測站點水質排名

2.4 水動力條件分析

在漲急時刻海流從外海進入大連海王九島海域,垂向平均流速相較于漲憩偏大,各島嶼岸線東側的流速較小,壽龍島及小王家島北部海域流速最大。此外,壽龍島西北海域的海流發(fā)生繞流;漲憩時刻,整體海域的海流流速較小,但大王家島南部海域流速較大;落急時刻,海流沿岸線流向外海,小王家島北部海域流速最大,大王家島北部海域流速最小;落憩時刻,外海潮水涌入,涌入的海流在島嶼間發(fā)生繞流,整體海域流速較小且海流沿島嶼岸線涌出。

水動力條件表明,大王家島北部海域以及長坨子島西部海域的海流平緩,海水交換能力較弱,特別是在大王家島北部海域。該區(qū)域海流流速較低,一方面是由于大小島嶼聚集的影響,海流在島嶼附近發(fā)生繞流;另一方面是由于該海域海面分布有密集的浮筏與網(wǎng)箱等人工設施物,受海面人工設施物的干擾,海水交換能力減弱。結合研究區(qū)水質分析結果可知,長坨子島西部、大王家島北部及壽龍島海域部分監(jiān)測站位水質處于輕污染狀態(tài),部分監(jiān)測站位水質僅滿足國家II類水質標準。而該區(qū)域養(yǎng)殖活動密集,貝類、魚類和海參養(yǎng)殖區(qū)均有分布。海流也在該處發(fā)生繞流,海島間的流速小,不利于輸運水產品養(yǎng)殖造成的環(huán)境污染負荷,較島嶼外側,該區(qū)域的污染物質擴散較慢,最終導致水質污染狀況更嚴重。因此,可以考慮將大王家島北側的部分浮筏轉移到大王家島的南側,大王家島南側處于開闊海域,該區(qū)域水流交換能力強,有利于污染物質的擴散。

小王家島北側靠近岸線的海域,由于該處地形剪切較大,在漲急落急時刻,海流流速較大。相較于小王家島北部,小王家島南部以及長坨子島東部海域流速較小,水流交換較平緩。長坨子島東側海域僅分布有少量浮筏養(yǎng)殖區(qū),海面人工設施物較少,同時地處開闊海域,依托外海,海水交換能力強,有利于輸運水產養(yǎng)殖產生的污染物質。因此,該海域實測出的污染物濃度低,水質達到相對清潔的等級,滿足國家I類水質要求,適宜進行水產養(yǎng)殖活動。因此,整體上看,大連海王九島海域水質狀況仍滿足國家水產養(yǎng)殖標準,適宜進行水產養(yǎng)殖。但仍要注意合理規(guī)劃養(yǎng)殖區(qū),防范養(yǎng)殖活動對該海域造成嚴重的污染問題。

3 結論

本文根據(jù)實測水質數(shù)據(jù),利用單因子污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法和主成分分析法對大連海王九島研究區(qū)的水質狀況進行評價,最后結合養(yǎng)殖區(qū)的空間分布以及水動力條件對研究區(qū)的水環(huán)境質量進行綜合分析。

(1)單因子污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法和主成分分析法的評價結果基本一致。大王家島北部以及長坨子島西部海域由于密集的養(yǎng)殖區(qū)分布,導致該區(qū)域監(jiān)測站位的水質比其他站位差。小王家島南部及長坨子島東部海域,養(yǎng)殖區(qū)分布較少,水質達到相對清潔的等級。水質評價結果表明,水產養(yǎng)殖活動對該海域水質有顯著影響。該海域應注意合理規(guī)劃養(yǎng)殖區(qū),對水產養(yǎng)殖密度、養(yǎng)殖規(guī)模進行科學管控,防范水產養(yǎng)殖帶來的水質污染問題。

(2)水動力條件則表明該海域漲落潮的海流具有明顯的規(guī)律性,海流交換能力強,水產養(yǎng)殖產生的污染物質可以得到有效地輸運與擴散,緩解了該海域環(huán)境污染負荷。雖然目前大連海王九島海域水質滿足國家水產養(yǎng)殖標準要求,但可以看出,靠近水產養(yǎng)殖區(qū)的監(jiān)測站位水質比遠離養(yǎng)殖區(qū)監(jiān)測站位的水質差,水產養(yǎng)殖活動給該海域水質造成了顯著影響。因此,為了該海域水產養(yǎng)殖業(yè)的長期健康發(fā)展,科學、合理地規(guī)劃水產養(yǎng)殖活動是非常有必要的。