胡展銘,方海超,楊永俊,林忠勝,孫家文

國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心,遼寧 大連 116023

入海河口是人類活動對海洋環(huán)境影響最大的區(qū)域之一。近10年的監(jiān)測數據表明,我國海洋環(huán)境污染和重度富營養(yǎng)化主要集中發(fā)生在入海河口,并且主要河口生態(tài)系統(tǒng)功能退化明顯,連續(xù)多年處于亞健康或不健康狀態(tài)[1-3]。通過2020年監(jiān)測數據可知,遼東灣、渤海灣、萊州灣、長江口-杭州灣、珠江口等海域分別受遼河、海河、黃河、長江、珠江等入海河流影響,劣四類水質海域面積占我國嚴重污染海域總面積的比例達75%。依據相關公報[3],2021年開展監(jiān)測的7個河口生態(tài)系統(tǒng)均呈亞健康狀態(tài),部分河口海水富營養(yǎng)化嚴重。我國入海河口生態(tài)環(huán)境問題突出,已成為制約我國海洋生態(tài)環(huán)境質量持續(xù)改善的重點和難點。

我國近岸海水中的污染物主要來自于陸源。與排污口、大氣沉降、海上養(yǎng)殖相比,江河入海污染物貢獻比例最大[4]。江河入海水通量的環(huán)境影響見圖1。江河入海水通量不僅直接影響污染物和多種形態(tài)碳的濃度,也決定了江河污染物和碳的入海通量。全球每年經陸地侵蝕由河流輸入海洋的碳約為10億t,其中約60%為無機碳、40%為有機碳[5]。此外,江河入海水通量還會對河口生態(tài)系統(tǒng)的鹽度、泥沙等要素的時空變化產生顯著影響?？傊?江河入海水通量是維持河口生態(tài)系統(tǒng)平衡和保持河口生境功能的關鍵指標。

圖1 江河入海水通量的環(huán)境影響

1 監(jiān)測歷史

2002年,原國家環(huán)境保護總局發(fā)布了《地表水和污水監(jiān)測技術規(guī)范》(HJ/T 91—2002),對流域污染物通量監(jiān)測方法進行了規(guī)范,要求流量監(jiān)測主要采用簡易方法(如浮標法),一般潮汐河流的流量監(jiān)測對照斷面設在潮區(qū)界以上,消減斷面設在近入?？谔?。2005年,國家海洋局發(fā)布了《江河入海污染物總量監(jiān)測技術規(guī)程》(HY/T 077—2005),對江河入海污染物總量監(jiān)測作出了規(guī)定,要求斷面流量監(jiān)測參考水利部門技術標準,并且監(jiān)測斷面原則上應布設在零鹽度處(鹽度最高不得超過5)。但HY/T 077—2005針對的是通過江河攜帶入海(至感潮河段起點)的污染物總量,并未考慮整個感潮河段污染物的輸入。2006年,中國環(huán)境監(jiān)測總站印發(fā)《沿海地區(qū)入海河流污染物通量監(jiān)測實施方案(試行)》,規(guī)定流量按月或季度監(jiān)測,可參照《河流流量測驗規(guī)范》(GB 50179—1993)執(zhí)行,不具備實測條件的地方也可采用當地水利部門測得的流量數據。2015年,國家海洋局印發(fā)《江河入海污染物總量監(jiān)測與評估技術規(guī)程(試行)》(海環(huán)字〔2015〕27號)。該規(guī)程規(guī)定了監(jiān)測斷面的設置方法,即：原則上,水質和水文監(jiān)測斷面應一致,布設在感潮河段起點(鹽度<2),并在河流受潮汐影響最小的時段采樣;若感潮河段起點難以實施監(jiān)測,應從可監(jiān)測河段的最小鹽度處開始設置監(jiān)測斷面,按照鹽度梯度向海一側布設5個以上,各監(jiān)測斷面之間的鹽度梯度不大于5,并在江河受潮汐影響最小的時段采樣。2020年,生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《近岸海域環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范 第七部分 入海河流監(jiān)測》(HJ 442.7—2020),對入海河流環(huán)境監(jiān)測各個環(huán)節(jié)的技術要求作出規(guī)定,將流速和流量劃歸為收集數據項目,頻次要求一般為每月一次。

以上方案和技術規(guī)范在我國過去20年的河流水環(huán)境評價、河口與近岸海洋環(huán)境保護工作中發(fā)揮了積極作用,并為今后的江河入海水通量監(jiān)測技術的發(fā)展奠定了基礎,但仍存在監(jiān)測位置遠離河口口門、關鍵區(qū)域(如感潮河段)存在監(jiān)測盲區(qū)、月度或季度監(jiān)測頻率偏低、跨部門收集流量數據的時效性較低且操作性較差、監(jiān)測數據缺少統(tǒng)一的質量保證和質量控制要求、監(jiān)測結果不確定性較大等諸多問題,已無法滿足《中共中央 國務院關于深入打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見》和《重點海域綜合治理攻堅戰(zhàn)行動方案》[6]中的相關要求,即以突出生態(tài)環(huán)境問題為導向,堅持精準治污、科學治污、依法治污,深入實施陸海統(tǒng)籌的綜合治理、系統(tǒng)治理、源頭治理,推進美麗海灣建設和示范引領。

2 發(fā)展現狀

“十四五”期間,我國擬在國家地表水監(jiān)測網絡中設置230個入海河流監(jiān)測斷面,覆蓋223條入海河流。目前,盡管我國已開展了一些江河入海水通量監(jiān)測和評估研究工作,但大多數工作只是集中在長江、黃河等幾條大的江河[7-9],其他河流鮮少涉及。因此,進一步加強我國江河入海水通量監(jiān)測研究,對全面掌握我國江河入海污染狀況和促進海洋環(huán)境保護管理有著重要的意義。

《“十四五”生態(tài)環(huán)境監(jiān)測規(guī)劃》[10]明確提出,要加強陸海統(tǒng)籌,研究實施入海河流—入海河口—海灣聯動監(jiān)測;要加強長江、黃河等重點流域監(jiān)測,試點開展水環(huán)境和生態(tài)流量協(xié)同監(jiān)測,為流域生態(tài)補償提供客觀依據。《“十四五”海洋生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》[11]在加強海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)管基礎能力建設方面提出,要探索開展入海河流主要污染物排海通量監(jiān)測評估試點?！渡鷳B(tài)環(huán)境監(jiān)測規(guī)劃綱要(2020—2035年)》[12]明確了海洋環(huán)境監(jiān)測工作未來的發(fā)展目標和重點任務,即：從濃度監(jiān)測、通量監(jiān)測向成因機理解析拓展;監(jiān)測領域從陸地向海洋、從地上向地下、從水里向岸上拓展;開展主要河流及入海排污口污染物入海、海洋大氣污染物沉降監(jiān)測,評估不同來源污染物貢獻率;探索開展入海河流污染通量監(jiān)測。以上規(guī)劃對我國江河入海水通量監(jiān)測工作提出了更高的要求。雖然目前已開展的監(jiān)測工作對全國海洋生態(tài)環(huán)境質量持續(xù)改善提供了有力支撐,但仍然存在一些問題,主要是對決定江河污染物入海通量的關鍵指標——江河入海水通量的監(jiān)測未取得突破,具體表現在以下3個方面。

2.1 江河污染物入海通量未得到有效掌握

對于入海河口及近岸海域,我國現行污染物總量控制方法多以達到不同類型功能區(qū)水環(huán)境管理要求為目標。然而,如果不能掌握每年江河入海污染物的通量,就無法分析江河污染物入海的現狀和變化趨勢,也就無法給出科學合理的海灣環(huán)境容量,與之相應的總量控制方案就很難達到預期效果。

我國每年通過江河入海的營養(yǎng)鹽、重金屬、油類、抗生素、塑料等污染物有多少?這一問題的答案目前仍未得到有效掌握,導致海洋納污能力難以評估,從而無法科學合理地給出最大允許排放量/控制指標。將最大允許排放量/控制指標設計得太低會導致無法達到環(huán)境約束目標,而設計得過高則會影響經濟社會發(fā)展。此外,國際社會對此類問題也存在一定關注。例如：美國學者基于人口數量、人均年垃圾產生量等因素,估算了入海垃圾通量,在《Science》雜志刊文稱我國是海洋塑料垃圾的最大源頭,北太平洋58%～65%的塑料垃圾來自我國[13];德國學者估算了全球1 350條入海河流的塑料通量,得出90%的塑料垃圾通過10條河流輸入海洋的結論,而我國長江、黃河、海河、珠江位列其中[14]。盡管上述報道存在相當大的不確定性,但由于缺少相應的監(jiān)測數據予以回應,給我國造成了較大的負面輿論影響。

2.2 江河入海水通量監(jiān)管體系未得以構建運行

2018年國務院開啟機構改革,將水利部的編制水功能區(qū)劃、排污口設置管理、流域水環(huán)境保護職責和國家海洋局的海洋環(huán)境保護職責劃轉至生態(tài)環(huán)境部,實現了陸地、海洋生態(tài)環(huán)境保護職責、機構與職能的統(tǒng)一。但由于河口感潮河段水體具有一定的獨特性,我國以往圍繞地表水和海水構建而成的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測管理體系并不完全適用于感潮河段。目前,感潮河段已成為河流—河口—海灣聯動監(jiān)測的矛盾集中區(qū)域,給陸海統(tǒng)籌環(huán)境監(jiān)測工作帶來了很大的技術障礙。

現階段,河流入海水通量估算主要是采用水利部水資源評價方法,即：若水利控制站距入海河口較近并有巡測年徑流資料,則直接以控制站實測年徑流量作為入海水通量。但在大多數情況下,控制站距入?？谳^遠,這就需要增加區(qū)間產水量(一般根據降雨資料和匯水面積間接求得,如有支流,還需估算其匯水量),并扣除區(qū)間用水量(控制站以下至入海口的工農業(yè)、生活和景觀等用水量)和河道輸水損失量,以此求得入海水通量。河流年入海水通量計算公式可表示為

W年入海=W控制站年徑流+W區(qū)間年產水-

W區(qū)間年用水-β×W控制站年徑流

(1)

式中：β為河道輸水損失系數,主要與蒸發(fā)、滲水有關。

由于水利部的主要職責是保障水資源的合理開發(fā)利用,其設置的控制站多是把口站(入海河流最后一個水文站)。若將把口站測得的水量作為入海水通量,則存在3個方面的問題：一是把口站往往距河口較遠,少則幾十公里,多則幾百公里;二是一些把口站下游存在閘壩升降等人工影響,導致流經把口站的地表水大多被閘壩攔截,作為工業(yè)、農業(yè)、景觀和生活用水;三是把口站與河口之間的河段既有“水量出”(蒸發(fā)、取用水),也有“水量入”(雨水匯入、排水)。綜上,影響河流入海水通量的很多因子和參數目前都無法得到準確測量,若采用水利控制站水量監(jiān)測數據結合數學模型進行估算,會導致結果偏差較大,難以滿足評估江河污染物入海通量和河口生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)需水量的準確度要求。

2.3 江河入海水通量監(jiān)測技術未得到建立和規(guī)范

目前我國并沒有發(fā)布江河入海水通量監(jiān)測技術規(guī)范。水利部門編制的《河流流量測驗規(guī)范》(GB 50179—2015)主要是針對流向單一的河流段;《感潮水文測驗規(guī)范》(SL 732—2015)規(guī)定了潮汐水文條件下的測站布設、潮水位觀測、潮流觀測和泥沙測驗等內容,但并未從海洋環(huán)境保護的角度對江河入海水通量監(jiān)測作出相應規(guī)定。海洋部門起草編制的《海洋調查規(guī)范 第2部分：海洋水文觀測》(GB/T 12763.2—2007)、《海洋監(jiān)測規(guī)范 第1部分：總則》(GB 17378.1—2007)、《海濱觀測規(guī)范》(GB/T 14914—2006)和《海洋監(jiān)測技術規(guī)程 第6部分：海洋水文、氣象與海冰》(HY/T 147.6—2013)規(guī)定了不同場景條件下的海流、水位等要素的監(jiān)測技術要求。生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《近岸海域環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范 第七部分 入海河流監(jiān)測》(HJ 442.7—2020)[15]只是規(guī)定了入海河流水質監(jiān)測過程中的點位布設,樣品采集、保存、運輸,現場測試,實驗室分析和質量控制等環(huán)節(jié)的技術要求。

目前國內的流量測量技術規(guī)范主要是針對河流徑流量,并不完全適用于受徑流和外海潮汐相互作用、流態(tài)復雜的感潮河段。根據生態(tài)環(huán)境部在《2021年生態(tài)環(huán)境工作要點》中明確提出的“試點開展通量監(jiān)測,鼓勵有條件的地方先行先試,力爭在若干難點和關鍵環(huán)節(jié)實現突破”的要求,亟需開展針對江河入海水通量監(jiān)測的技術標準體系建設。

3 監(jiān)測實踐

針對江河污染物入?？偭坎幻鞯膯栴},國家海洋局制定了《國家海洋局海洋生態(tài)文明建設實施方案(2015—2020年)》和《關于推進海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網絡建設的意見》(國海發(fā)〔2015〕13號),明確提出對污染物排海量較大的長江、珠江、黃河等20條主要河流開展入海水通量監(jiān)測。2018年,因機構改革,相關工作在推進過程中有所停滯或調整。

2017年,國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心在遼河口建設了“海洋環(huán)境在線監(jiān)測試驗基地”(以下簡稱遼河站)(圖2),開展江河入海水通量監(jiān)測試驗工作,已連續(xù)獲取了近5年的試驗數據資料。

圖2 遼河站位置示意圖

遼河站監(jiān)測斷面流態(tài)復雜,單一代表點、代表層、代表垂線的測流法測量結果無法反映斷面流態(tài)狀況,因此,在該站采用組合式測流法測定水通量,監(jiān)測儀器主要包括聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)和電磁海流計。監(jiān)測方案示意圖如圖3所示,監(jiān)測儀器信息見表1。首先,在河岸兩側打下兩根長2.8 m的木樁;然后,跨越河道,在垂直于河岸的方向固定一根直徑0.6 cm的鋼絲繩;最后,采用Infinity AEM型自容式電磁海流計(日本JEF公司)對河兩岸表層和河道中部表層、中層、底層進行典型大小潮單點流監(jiān)測,采用Stream型ADCP(美國TRDI公司)進行典型大小潮垂向剖面流走航監(jiān)測,采用SL 500型ADCP(美國SonTek公司)進行定點水平剖面流長期監(jiān)測,采用FlowQuest 1000k型ADCP(美國LinkQuest公司)進行定點垂向剖面流長期監(jiān)測。后兩種ADCP的監(jiān)測時間覆蓋感潮河段的豐水期、平水期和枯水期,采樣時間間隔為10 min。

表1 監(jiān)測儀器信息

圖3 監(jiān)測方案示意圖

海床基監(jiān)測方式具有如下特點：一是流速代表性強。與水平剖面流相比,垂向剖面流更能表征河段流態(tài)狀況。二是測量準確度高。相比浮標、船舶、索道方式,以海床基為固定監(jiān)測平臺不受海況影響,沒有相對運動速度。三是測量位置一致。相比浮標,海床基搭載ADCP可使不同波束層位置統(tǒng)一。四是測量范圍大。與浮標的自身吃水深度相比,海床基搭載ADCP的垂向有效監(jiān)測范圍更大。五是更宜操作實施。與其他3種監(jiān)測方式相比,海床基監(jiān)測對船舶通航的影響最小。因此,選取采用FlowQuest 1000k ADCP長期監(jiān)測得到的垂向剖面流作為主要代表流速。

根據監(jiān)測結果可知,遼河站位于感潮河段,受上游徑流和下游潮流耦合作用影響,監(jiān)測斷面流態(tài)呈復雜的往復流特征。入海流量不僅受上游來水和下游潮水的影響,還受人工閘壩的影響,導致入海流量的季節(jié)和日變化較大。一般情況下,豐水期的流量日變化幅度可達600 m3/s。此外,當橡膠壩出現升降變動時,流量變化的規(guī)律性較差(圖4);反之,流量變化表現出一定的規(guī)律性(圖5)。因此,僅采用傳統(tǒng)的季節(jié)性瞬時流量監(jiān)測,根本無法反映出河口流量的變化過程,也無法合理測算全年入海水通量。

圖4 2017年7月監(jiān)測斷面入海流量變化(受橡膠壩影響)

圖5 2019年9月監(jiān)測斷面入海流量變化(未受橡膠壩影響)

遼河站上游約55 km處為水利部遼河把口站——六間房水文站(以下簡稱六間房站)。該站位于非感潮河段,距離遼河口較遠(約74 km),而且其下游有一個蓄水閘(盤山閘)和一處攔水橡膠壩。2019年、2020年遼河站和六間房站月水通量對比情況分別見圖6、圖7。2019年,遼河站全年水通量約為22.16億m3,六間房站徑流通量約為31.08億m3,遼河站占六間房站的71%;2020年,遼河站全年水通量約為19.78億m3,六間房站徑流通量約為35.27億m3,遼河站占六間房站的56%。

圖6 2019年遼河站和六間房站水通量比對

圖7 2020年遼河站和六間房站水通量比對

通過對比可知,兩站全年水通量差異較大,六間房站水通量明顯大于遼河站。流經六間房站的河水一部分被盤山閘攔蓄,以滿足工農業(yè)用水和景觀用水等需求,只有部分河水從遼河口入海,并且受盤山閘起落影響,入海水通量變化有一定的滯后性和不確定性。遼河站距離入海口較近,除去蒸發(fā)作用和下滲作用的微量影響外,流經遼河站的河水幾乎全部入海。因此,相比六間房站,遼河站的水通量值更適宜代表遼河入海水通量。

研究人員依托遼河站開展的主要工作如下：一是開展江河入海流量在線監(jiān)測系統(tǒng)設計研究。制定江河入海流量在線監(jiān)測系統(tǒng)設計方案,提出了系統(tǒng)設計原則,以及系統(tǒng)組成、結構、功能、運行流程等方面的設計要求[16]。二是開展江河入海水通量監(jiān)測技術研發(fā)。開展基于底基、樁基、橋基等不同方式的監(jiān)測技術研究,以及江河入海水通量估算方法和不確定度評估方法研究等[17-18]。三是開展江河入海水通量監(jiān)測技術標準化研究。編制生態(tài)環(huán)境部行業(yè)標準《感潮河段流量在線監(jiān)測技術規(guī)程》(已報批),以實現感潮河段流量在線監(jiān)測站位、監(jiān)測儀器、監(jiān)測流程和計算方法等的設置和選取有據可依。四是開展2017—2022年遼河入海水通量監(jiān)測試驗。對監(jiān)測流程、監(jiān)測系統(tǒng)、監(jiān)測技術方法等進行了全面的試驗測試[19],為我國實施江河入海污染物通量監(jiān)測積累了多年連續(xù)原位監(jiān)測資料。同時,完成了監(jiān)測技術框架設計,系統(tǒng)推進了監(jiān)測技術研發(fā),奠定了規(guī)范化和業(yè)務化運行的基礎。

4 對策建議

4.1 總結分析江河入海水通量監(jiān)測試驗工作

“十四五”國家地表水監(jiān)測網絡擬覆蓋的223條入海河流涉及的地形多樣,南北方河流的數量、季節(jié)性變化差異較大,不同入海河流的徑流量差異巨大(可達到3～4個數量級)。此外,部分河流感潮河段存在閘壩,入海水通量受其影響較大。目前,只有長江、黃河等幾條主要河流的沿海省份監(jiān)測機構根據各自的監(jiān)測需求和能力,對主要河流開展了規(guī)范的入海水通量業(yè)務化監(jiān)測工作,對一些河流(如遼河)開展了試驗性的監(jiān)測工作,而對絕大多數入海河流并未開展此項工作。根據機構改革后的職責定位,建議由生態(tài)環(huán)境部組織,盡快啟動對我國各地已開展的江河入海水通量監(jiān)測業(yè)務、試驗和研究工作的總結,梳理我國入海河流自然環(huán)境特點、監(jiān)測方案(部門、人員、儀器設備、資金來源等),分析存在的問題和取得的成功經驗,為我國全面開展江河入海水通量監(jiān)測工作打基礎、定調子。

4.2 深入開展江河入海水通量監(jiān)測頂層設計

建議按照深入打好污染防治攻堅戰(zhàn)的要求,進一步明確江河入海水通量監(jiān)測工作定位,充分依托現有工作基礎,進行國家層面的系統(tǒng)頂層設計和全面統(tǒng)籌規(guī)劃。為規(guī)范我國江河入海水通量監(jiān)管工作,建議分階段建立監(jiān)管規(guī)劃、實施方案、管理手冊、監(jiān)測標準、質量控制通用規(guī)程等,以實現我國江河入海水通量監(jiān)測點位統(tǒng)一規(guī)范化布置、監(jiān)測儀器統(tǒng)一規(guī)范化選型、監(jiān)測數據統(tǒng)一規(guī)范化處理。加強入海河流監(jiān)測網絡建設,強化國家—省—市入海河流監(jiān)測統(tǒng)籌,實現國家和地方入海河流監(jiān)測網絡統(tǒng)籌管理。選擇有條件的入海河口開展規(guī)范化試點工作,為下一步全面實施江河入海水通量監(jiān)測工作做示范、起引領。

4.3 加強江河入海水通量監(jiān)測關鍵技術方法研究

以監(jiān)測數據“真、準、全、快、新”為目標,建議加強江河入海水通量監(jiān)測關鍵技術方法研究,包括不同環(huán)境條件下的岸基、樁基、橋基和底基感潮河段流量監(jiān)測方法,多種方式的水下有纜和無纜數據實時通信技術,基于系統(tǒng)和隨機不確定度的質量保證和質量控制機制,以及入海水通量評估方法等。選擇不同流量級別的江河進行入海水通量關鍵技術研發(fā)和應用示范,開展江河污染物入海通量精細化評估及江河入海水通量和海水水質變化響應分析,厘清陸海水質響應變化規(guī)律,明確貢獻責任,進一步指導陸源污染防治。補充完善我國現行水環(huán)境質量監(jiān)測評價技術體系,力爭在若干難點和關鍵環(huán)節(jié)有突破、勇創(chuàng)新。

5 結語

入海河口是深入打好污染防治攻堅戰(zhàn)的主要戰(zhàn)場,也是反映各類污染防治工作成效的窗口。開展江河入海水通量監(jiān)測,是生態(tài)環(huán)境部履行監(jiān)督管理國家減排目標的落實、組織制定海洋各類污染物排放總量控制制度并監(jiān)督實施、確定海洋納污能力、提出實施總量控制的污染物名稱和控制指標職責的重要舉措,也是依據“實現大監(jiān)測、確保真準全、支撐大保護”發(fā)展思路,加快完善生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系,進一步提升生態(tài)環(huán)境監(jiān)測“頂梁柱”支撐能力,著力構建與攻堅任務相適應的現代化治理體系和治理能力的重要舉措。其必將有助于對海洋生態(tài)環(huán)境保護問題精準定位、科學施策,對我國海洋生態(tài)環(huán)境質量改善由量變到質變具有十分重要的現實意義。