赤潮災害處理技術概述

王玉紅，郭小勇，馬志剛，袁玲玲，徐春紅

（國家海洋標準計量中心，天津 300112）

赤潮災害處理技術概述

王玉紅，郭小勇，馬志剛，袁玲玲，徐春紅

（國家海洋標準計量中心，天津 300112）

文中介紹了包括衛(wèi)星遙感、航空遙感、船載和浮標現(xiàn)場觀測等監(jiān)測技術在內(nèi)的赤潮災害監(jiān)測技術；闡述了化學方法、物理方法和生物方法等赤潮災害消除技術；論述了赤潮災害損失評估技術；并探討了赤潮災害處理技術發(fā)展趨勢。

赤潮；監(jiān)測；災害評估；災害處理

赤潮是由某些微藻、原生動物或細菌在一定環(huán)境條件下爆發(fā)性增殖或聚集達到某一水平，引起水體變色或?qū)Ｑ笾衅渌锂a(chǎn)生危害的一種生態(tài)異常現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計，目前世界上有270多種赤潮生物。赤潮災害一旦發(fā)生，將破壞海洋生態(tài)平衡，危害海洋漁業(yè)和水產(chǎn)資源，甚至危及人類健康。

赤潮形成的原因和機制相當復雜，至今未能足量掌握赤潮發(fā)生的機理。經(jīng)過多年的不懈研究，國內(nèi)外業(yè)內(nèi)專家、學者普遍認為：赤潮生物的存在和水體富營養(yǎng)化是赤潮發(fā)生的基礎和首要條件，海洋受到源自市政排放和海水養(yǎng)殖活動的有機污染，赤潮生物利用氮、磷、碳等營養(yǎng)元素，大量繁殖和積聚。 其中，鐵、錳、鋅、鈷、硅及維生素 B1、B12、四氮雜茚、間二氮雜苯等成分增加是赤潮發(fā)生的基本因素。適宜的海洋水文氣象、地理和海水理化要素是發(fā)生赤潮的重要原因。此外，地球磁場異常與赤潮災害的發(fā)生有著極為密切的關系[1-6]。

赤潮災害爆發(fā)區(qū)域較廣，幾乎所有沿海國家都受到赤潮災害困擾。近些年來，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展、人口的劇增、人們對海洋的依賴越來越大，致使海洋污染嚴重，海洋生態(tài)環(huán)境遭到破壞，導致全球赤潮發(fā)生的范圍、頻率、面積和危害不斷增加，惡化海洋環(huán)境，造成巨額經(jīng)濟損失，嚴重影響人們的生產(chǎn)生活。如何監(jiān)測和處理赤潮災害，盡可能減少經(jīng)濟損失，成為沿海各國競相研究的重點。飽受赤潮災害困擾的沿海各國，在赤潮災害處理技術方面，投入大量的人力、物力和財力，做了大量研究工作，取得了豐碩的成果。

1 赤潮監(jiān)測技術

1.1 監(jiān)測項目

鑒于以下要素可能是誘發(fā)赤潮爆發(fā)的原因，在觀測和監(jiān)測赤潮過程中，需要做到如下幾點：

（1）現(xiàn)場觀測時，需要記錄赤潮災害發(fā)生時間、地點、面積（范圍）、周邊地形、人文設施、赤潮分布狀況與漂移速度、氣壓、氣溫、風向、風速、太陽輻照度和海況等內(nèi)容。

（2）海水理化指標監(jiān)測應包括水溫、海流、鹽度、透明度、pH值、有機碳、溶解氧、葉綠素a、化學需氧量、活性磷酸鹽、亞硝酸鹽、硝酸鹽和銨鹽等內(nèi)容。

（3）赤潮生物優(yōu)勢種類與毒性監(jiān)測應包括赤潮優(yōu)勢種種類和密度、底泥中赤潮生物孢囊、赤潮藻類毒素和貝類毒素等內(nèi)容。

（4）赤潮發(fā)生海域周邊地區(qū)人文活動、經(jīng)濟狀況及赤潮對公眾生命、財產(chǎn)、安全與健康損害的調(diào)研等。

（5）為衛(wèi)星、航空遙感地面數(shù)據(jù)反演提供地面解析信息。

1.2 監(jiān)測技術

由于赤潮的突發(fā)性及其成因的復雜性，目前，人們還沒有防止赤潮災害發(fā)生的有效方法，監(jiān)測仍是防災減災的重要手段。目前，針對赤潮監(jiān)測相關關鍵環(huán)境參數(shù)，主要監(jiān)測方法是船載和浮標現(xiàn)場觀測，輔以衛(wèi)星、航空遙感等快速大面積觀測手段。其中，衛(wèi)星遙感監(jiān)測主要為大范圍海域監(jiān)視；航空遙感監(jiān)測針對局部海域的應急大面觀測；船載和浮標現(xiàn)場觀測是獲取定點現(xiàn)場實測資料，為研究赤潮生成、發(fā)展、消亡過程，評估災害損失，為衛(wèi)星遙感、航空遙感數(shù)據(jù)反演提供實測數(shù)據(jù)或參考、佐證依據(jù)，是赤潮監(jiān)測的基本形式。

1.2.1 浮標現(xiàn)場觀測技術

浮標分為錨系浮標和漂流浮標。錨系浮標是將浮標固定在特征要素敏感的地點，對水上、水下多要素進行連續(xù)現(xiàn)場測量的浮標。錨系浮標上安裝營養(yǎng)鹽、pH值、溶解氧、重金屬等氣象、水文和化學（溫、濕、風、壓、流、浪、潮）參數(shù)的傳感器，定時記錄和傳輸所觀測的海洋數(shù)據(jù)。除水文、氣象和化學要素測量傳感器外，國外還配備生物光譜、放射性類傳感器以及可供用戶任意選擇的備用傳感器通道。

錨系浮標觀測技術不僅能低成本、高時間頻度地提供十幾種海洋環(huán)境參數(shù)，還能提供海洋動態(tài)模式和海面溢油漂移模式及遷移規(guī)律模式，亦可進行赤潮監(jiān)測；缺點是易遭人為破壞、空間連續(xù)性差、無機動性[7]。

典型的漂流浮標是ARGOS（“地轉(zhuǎn)海洋學實時觀測陣”的英文縮寫）剖面浮標，它是建立全球海洋實時觀測網(wǎng)的一種專用測量設備。它隨洋流漂移，借助深度傳感器調(diào)控深度，自動沉浮、測量海面到2 000 m之間的海水溫度、鹽度和深度；利用Argos衛(wèi)星定位和傳輸觀測資料，可跟蹤其漂移軌跡，獲取海水的移動速度和方向。

1.2.2 船載快速監(jiān)測技術[8-9]

船載監(jiān)測技術是應急監(jiān)測和現(xiàn)場監(jiān)控最有效的方式，其獲取的信息是浮標監(jiān)測和衛(wèi)星遙感、航空遙感監(jiān)測的驗證和補充。這些實測數(shù)據(jù)與信息可作為校正浮標獲取數(shù)據(jù)或信息的參考標準值，也作為反演遙感信息的參考標準，又是解析海洋數(shù)值模式不可缺少的因子或邊界條件。該技術主要通過船載采樣設備、溫鹽深儀（CTD）、多參數(shù)水質(zhì)測定儀、水下光譜測量儀及船上實驗室配備流式細胞儀等測量設備獲取赤潮監(jiān)控海域與赤潮興亡相關的海洋水文、氣象、理化及生物要素的信息。無論如何，隨著海洋儀器和設備的研制技術的不斷發(fā)展和完善，船載監(jiān)測將永遠是赤潮監(jiān)測的基本形式和其他形式的技術支撐。

1.2.3 衛(wèi)星遙感赤潮監(jiān)測技術[10-11]

赤潮衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術是通過對衛(wèi)星遙感獲取的電磁波輻射信息，依據(jù)基于地面實測數(shù)據(jù)建立的數(shù)值模式和實時實測數(shù)據(jù)反演海洋數(shù)據(jù)，分析判定赤潮發(fā)生前的信號，快速確定赤潮發(fā)生地點、發(fā)生面積、強度及遷移等動態(tài)變化信息，預測赤潮的發(fā)生、發(fā)展和消亡。衛(wèi)星遙感技術具有快速、同步和大范圍監(jiān)測海洋的能力，因此被廣泛應用于赤潮觀測和監(jiān)測工作。

我國衛(wèi)星遙感赤潮監(jiān)測技術研究開始于20世紀80年代。到目前為止，已成功研制了衛(wèi)星遙感赤潮監(jiān)測系統(tǒng)。衛(wèi)星遙感赤潮監(jiān)測系統(tǒng)主要包括衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理信息提取、數(shù)據(jù)結(jié)果分析和結(jié)果輸出等四部分（圖1）。

利用NOAA系列衛(wèi)星地面接收站與DVBS衛(wèi)星數(shù)據(jù)廣播接收系統(tǒng)建立聯(lián)系，獲取以MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)為主的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。通過反演，可以獲取赤潮監(jiān)控海區(qū)的地理編碼，海表溫度，海表溫度梯度、常規(guī)植被指數(shù)（Normalized difference vegetation index，簡稱NDVI）、浮游植物細胞密度和葉綠素a等赤潮相關參數(shù)。經(jīng)過進一步處理，最終得到監(jiān)控海區(qū)期望形式的赤潮數(shù)據(jù)文檔。

衛(wèi)星遙感赤潮監(jiān)測系統(tǒng)的建立，極大的促進了赤潮監(jiān)測工作業(yè)務化運行的開展，促使赤潮監(jiān)測格局發(fā)生了本質(zhì)的變化。利用衛(wèi)星遙感赤潮監(jiān)測系統(tǒng)開展業(yè)務化監(jiān)測可以實現(xiàn)對重點監(jiān)控區(qū)和赤潮高發(fā)區(qū)每日準時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)水色異常區(qū)域并指導相應部門進行跟蹤監(jiān)測，從而有效地在赤潮爆發(fā)初期開展災害預防減災工作。

圖1 赤潮衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)框架圖

國外開展衛(wèi)星遙感赤潮監(jiān)測技術研究比我國早一二十年，提出了單光譜波段遙感技術、多波段遙感技術和數(shù)值模擬遙感技術等。其中，數(shù)值模擬遙感技術正處于研發(fā)階段。該技術利用赤潮、葉綠素、懸浮泥沙和黃色物質(zhì)等作用下的海面離水光譜輻射率，建立輻射傳輸方程，模擬衛(wèi)星接收到的海洋信息，監(jiān)測赤潮。

1.2.4 航空遙感赤潮監(jiān)測技術[12-16]

航空遙感 （aerial remote sensing；airborne remote sensing）又稱機載遙感，是指利用各種飛機、飛艇、氣球等作為傳感器運載工具在空中進行的遙感技術，是由航空攝影偵察發(fā)展而來的一種多功能綜合性探測技術。從20世紀70年代開始，西方國家開展航空遙感技術研究，在數(shù)據(jù)獲取、輻射校正、光譜重建、數(shù)據(jù)處理分析和信息提取模型及應用等方面都有較大發(fā)展。

目前，我國成像光譜儀的研制水平已進入國際先進行列，先后研制成功了多光譜掃描儀（AMSS）以及71波段機載成像光譜儀（MAIS）和實用型模塊化成像光譜儀系統(tǒng)（OMIS）等。航空遙感具有機動靈活、覆蓋面廣、空間分辨率高等優(yōu)點。作為一種探測和研究地球資源與環(huán)境的手段，航空遙感仍是方興未艾、不可取代的。我國海洋航空遙感赤潮監(jiān)測技術已經(jīng)向業(yè)務化運行邁進。

然而，無論衛(wèi)星還是航空監(jiān)測均只能發(fā)現(xiàn)赤潮現(xiàn)象和赤潮現(xiàn)象發(fā)生的時間、地點、范圍和物理性狀等，不能采樣分析確定赤潮生物的種類和數(shù)量。它們需要地面實時觀測數(shù)據(jù)的支持和校正，且更多受到客觀條件限制。

2 赤潮災害消除技術[17-20]

2.1 化學方法

化學方法具有操作簡單、見效快的特點，是采用最早、目前使用最多、發(fā)展最快的一種方法。包括直接滅殺法、凝聚劑沉淀法和天然礦物絮凝法三種方法。

（1）直接滅殺法，即采取無機除藻劑、有機除藻劑、人工化學物質(zhì)和天然提取物質(zhì)進行赤潮生物的直接滅殺。無機除藻劑主要包括高錳酸鉀、次氯酸鈉、氯氣、雙氧水、臭氧等。這些藥劑通過氧化作用滅殺藻類，并能在水中馬上分解，殘留量少，污染輕。有機除藻劑包括人工化學物質(zhì)和天然提取物質(zhì)兩種。人工化學物質(zhì)對自然生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生危害。目前，研究較多的是天然提取物質(zhì)有機除藻劑。比如秸桿，在水中腐爛時能分泌一種天然 “殺草劑”，專門抑制有毒浮游藻類的生長，防止它們的滋生和蔓延，其用量在10 g/m3時便可起到預防赤潮的功效，而對高等植物和其他海洋動物則無影響。此方法的優(yōu)點是有機除藻劑具有藥力持續(xù)時間長、對非赤潮生物影響小等，但其速效性差，易受潮流及擴散等因素影響，故使用量較大。

（2）凝聚劑沉淀法，即采取無機的和有機的凝聚劑滅殺赤潮。此方法原理是利用物質(zhì)的膠體化學性質(zhì)，使赤潮生物凝集和沉淀，然后回收去除。所使用的絮凝劑包括無機絮凝劑、有機絮凝劑和微生物絮凝劑三種。無機絮凝劑使用較多的是鋁鹽和鐵鹽化合物。有機絮凝劑大多是聚丙烯、聚乙烯類化合物，此外，聚丙烯腈、HC型陽離子高分子絮凝劑和殼聚糖對赤潮防治有很大的應用潛力。微生物絮凝劑主要包括利用微生物細胞壁提取物的絮凝劑、利用微生物細胞代謝產(chǎn)物的絮凝劑和直接利用微生物細胞的絮凝劑等。該方法與其他絮凝劑法相比較，具有高效、無毒、易于生物降解等獨特的優(yōu)點，在赤潮治理方面有廣闊的應用前景；但目前微生物絮凝劑大多尚處于菌種的篩選階段，成本高，不能適應工業(yè)化生產(chǎn)的需要，需待進一步研究，使之實現(xiàn)實用化和產(chǎn)業(yè)化。

此方法的優(yōu)點是對赤潮生物密集時極有效，作用時間短；利于赤潮生物回收，對非赤潮生物的影響也較直接滅殺法?。煌瑫r還可消除水體其他懸浮物，凈化水質(zhì)。

（3）天然礦物絮凝法是采用包括粘土礦物、硅酸、硅酸鹽、沸石、多氯化鋁或硫酸鋁等天然礦物絮凝劑滅殺赤潮。其中，粘土礦物具有來源豐富、成本低、無污染和吸附力強等優(yōu)點，但溶膠性差，凝聚太迅速、沉淀赤潮生物的能力有限，故很少使用。其他天然礦物絮凝劑的應用性，遠不如粘土礦物治理法，可作為一種補充，為人們治理赤潮開闊思路和途徑。

2.2 物理方法

物理方法一般作為一種應急措施使用。此方法對于低密度和底層海藻殺滅效果差，并且費用較高和不宜大面積使用。物理方法包括圍隔柵法、超聲波法、氣幕法、充氧法、網(wǎng)箱與臺筏沉降法、光控制法和紫外線照射法等方法滅殺赤潮。

（1）圍格柵法，即用格柵、塑料薄膜等將養(yǎng)殖箱和一些需要保護的東西與赤潮水域隔離。

（2）超聲波法，即用超聲波技術殺死赤潮藻類生物。

（3）氣幕法，即利用養(yǎng)殖區(qū)周圍海底布設的通氣管，向上放出大量氣體，形成垂直環(huán)流氣幕，將養(yǎng)殖區(qū)同赤潮區(qū)分開，同時達到充氧目的。

（4）充氧法，利用海底布設的通氣管，向上放出大量氧氣，隔離赤潮，補充氧氣。

（5）網(wǎng)箱與臺筏沉降法，即將養(yǎng)殖箱下沉到不能造成養(yǎng)殖魚、貝類死亡的安全水域的方法。

（6）光控制法，即向赤潮區(qū)域噴灑一層木炭粉，隔離光照，消滅赤潮藻類。

（7）紫外線照射法，即利用紫外線對某些赤潮藻細胞的殺滅作用去除赤潮藻。

2.3 生物方法

用以治理赤潮的生物方法主要有三類：一是以魚類控制藻類的生長；二是以水生高等植物控制水體富營養(yǎng)鹽以及藻類；三是以微生物來控制藻類的生長。由于微生物易于繁殖的特點，所以微生物是生物控藻里最有前途的類別。這些殺藻微生物主要是包括細菌（溶藻細菌）、病毒（噬菌體）、原生動物、真菌和放線菌等五類。多數(shù)溶藻細菌能夠分泌細胞外物質(zhì)，對宿主藻類起抑制或殺滅作用，因此通過溶藻細菌篩選高效、專一，能夠生物降解的殺藻物質(zhì)是滅殺赤潮藻的一個新的研究方向。但目前比較現(xiàn)實的方法就是利用海洋微生物對赤潮藻的滅活作用，及其對藻類毒素的有效降解作用，達到防治赤潮的目的。

3 赤潮災害損失評估技術[21-24]

3.1 赤潮災害損失評估原理

通過對赤潮發(fā)生區(qū)的現(xiàn)場監(jiān)測和赤潮影響區(qū)域人文活動狀況調(diào)查，分析確認因與赤潮水體直接接觸而造成的實物損失，計算損失量，按市場價格實行損失量的貨幣化轉(zhuǎn)換，得出赤潮造成的直接經(jīng)濟損失量；根據(jù)受災范圍和受災地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等情況，調(diào)查評估赤潮的災害關聯(lián)損害及其對社會經(jīng)濟的損失量，計算間接經(jīng)濟損失；對養(yǎng)殖區(qū)、海洋工程設施、海底植被（可恢復部分）、海岸防護設施、人類身體健康生命安全（可恢復部分）等進行調(diào)查取證，確認為恢復赤潮災害影響對象原狀所需投資，計算資源的恢復費用（在目前情況下暫不計算生態(tài)環(huán)境的恢復費用）；通過對赤潮監(jiān)測、調(diào)查、消除處理等管理手段所需費用統(tǒng)計，計算管理監(jiān)測費用。進而按直接損失、間接損失、資源恢復費用和管理監(jiān)測費用，評估赤潮災害損失、分類匯總、計算赤潮災害的經(jīng)濟損失。

3.2 赤潮災害損失評估分類

赤潮災害損失評估包括人類生命與健康損失、海洋工程與城鄉(xiāng)建設設施損害與修復、沿海工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動及交通的損失與恢復、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)及漁業(yè)捕撈業(yè)經(jīng)濟損失、海洋環(huán)境條件損害與恢復、娛樂和旅游業(yè)經(jīng)濟損失、監(jiān)測和管理費用、海洋生態(tài)系統(tǒng)破壞的經(jīng)濟損失評估等。

3.3 赤潮災害損失評估模型

赤潮災害損失評估模型實際上是經(jīng)濟損失的分類匯總，在己掌握的赤潮災害損失評估具體對象及數(shù)據(jù)資料基礎上，參考自然災害的風險評估、損失評估模式及我國赤潮災害經(jīng)濟損失評估的一些研究成果，運用調(diào)查計算法、統(tǒng)計推算法、單因子指數(shù)法等統(tǒng)計方法建立赤潮災害損失評估模型。以貨幣為計量單位，將各項損失用函數(shù)式表達出來。

式中：M為折算成貨幣損失的數(shù)量；D為直接損失因子；N為間接損失因子；R為資源恢復費用；G為管理監(jiān)測費用。

總損失費用表達公式為：

式中：M為總貨幣損失量；Di為第i項直接損失；Nj為第j項間接損失；Rk為第k項資源恢復費用；Gy為第y項管理監(jiān)測費用；m為直接損失項數(shù)；n為間接損失項數(shù)；r為資源恢復費用項數(shù)；s為管理監(jiān)測費用項數(shù)。

4 結(jié)束語

海洋赤潮監(jiān)測是研究赤潮發(fā)生機理、產(chǎn)生赤潮有效預報方法的基礎，為了有效防治赤潮災害應積極開展多方法的赤潮監(jiān)測。赤潮的消除技術是有效控制降低赤潮災害的重要手段，理應通過研究和實踐摸索出優(yōu)化、高效、低負效應、低成本的方法和材料。赤潮災害評估是個重要的社會問題，需要經(jīng)過長期實踐，積累和驗證，為制定細化、量化的評估方法標準奠定基礎。赤潮災害的防治是全世界矚目的技術問題，需要各部門、各學科、各專業(yè)的共同努力，有效合作。

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Research on Red Tides Disaster Treatment

WANG Yu-hong,GUO Xiao-yong,MA Zhi-gang,YUAN Ling-ling,XU Chun-hong
(National Center of Ocean Standard and Metrology,Tianjin 300112,China)

The monitoring technique of red tides is introduced,including satellite remote sensing,aerial remote sensing,shipborne monitoring and buoy-based techniques.The methods for eliminating red tide are described,including chemical methods,physical methods and biological methods.The method how to assess damage caused by red tide is described.The technical trend of red tide treatment is discussed finally.

red tide;monitoring;disaster assessment;disaster elimination

X55

C

1003-2029（2011）03-0111-05

2011-03-01

國家公益性項目“重大海洋災害預警及應急處理技術標準研究與制定”（200705017）

王玉紅，女，天津市人，工程師，主要從事海洋標準化工作。 E-mail：hywyh022@163.com