赤潮快速預警研究＊

高曉慧,王 娟,孟慶凌

(1.國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心 青島 266033;2.國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術重點實驗室 青島 266033)

赤潮快速預警研究＊

高曉慧1,2,王 娟1,2,孟慶凌1,2

(1.國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心 青島 266033;2.國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術重點實驗室 青島 266033)

文章研究和探討了幾種赤潮快速預警的技術,介紹了這幾種赤潮預警技術在“863”項目“赤潮重點監(jiān)控區(qū)監(jiān)控預警系統(tǒng)”和青島奧帆賽場及鄰近海域赤潮防治行動項目中“赤潮監(jiān)測預警系統(tǒng)”的實際應用情況,實現(xiàn)高精度、高時效的赤潮預警,達到了減少赤潮災害的目的。

赤潮;危害;快速預警

赤潮是一種由于局部海區(qū)的浮游生物突發(fā)性急劇繁殖,并聚集在一起而引起海面顏色出現(xiàn)異常和發(fā)臭的現(xiàn)象。隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展,海洋生態(tài)系統(tǒng)的破壞、海洋污染及近海富營養(yǎng)化問題的加劇,赤潮發(fā)生規(guī)模呈持續(xù)上升趨勢,2009年中國沿海共發(fā)生赤潮68次,累計面積14 102 km2,造成直接經(jīng)濟損失0.65億元[1]。因此,準確進行赤潮預警監(jiān)測,及時采取有效防治和減災措施,減少赤潮造成的損失和危害,已成為海洋環(huán)境保護工作的當務之急。

1 赤潮的危害

近年來,赤潮的頻繁發(fā)生和規(guī)模的不斷擴大,破壞了漁業(yè)資源和海產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè),赤潮毒素也嚴重威脅著人類的生命安全,主要表現(xiàn)在如下幾方面。

1.1 赤潮對海洋生態(tài)平衡的破壞

海洋是一種生物與環(huán)境、生物與生物之間相互依存,相互制約的復雜生態(tài)系統(tǒng)。當赤潮發(fā)生時,海洋環(huán)境因素的改變,致使一些海洋生物不能正常生長、發(fā)育、繁殖,導致一些生物逃避甚至死亡,破壞了原有的生態(tài)平衡。

1.2 赤潮對海洋漁業(yè)和水產(chǎn)資源的破壞

大量赤潮生物死亡后,造成缺氧環(huán)境,引起魚、蝦、貝等大量死亡,同時,在缺氧的條件下,赤潮生物殘核被厭氧微生物分解,會釋放出大量硫化氫和甲烷等,它們對魚、蝦、貝等有致死毒效;有些赤潮生物本身就可以大量釋放毒素,赤潮生物大量繁殖,在表層聚集,吸收大量陽光,影響其他生物的生存和繁殖[2]。

1.3 赤潮對人類健康的危害

有些赤潮生物分泌赤潮毒素,當魚類和貝類處于有毒赤潮區(qū)域內(nèi),攝食這些有毒生物,雖不能被毒死,但生物毒素可在體內(nèi)積累,其含量大大超過人體可接受的水平,被人食用,就會引起人體中毒,嚴重時可導致死亡。

2 赤潮形成的原因

赤潮發(fā)生的原因較復雜,但赤潮發(fā)生的首要條件是赤潮生物增殖要達到一定密度。多數(shù)學者認為,赤潮發(fā)生與下列環(huán)境因素密切相關。

2.1 海水富營養(yǎng)化是赤潮發(fā)生的物質(zhì)基礎和首要條件

由于城市工業(yè)廢水和生活污水大量排放入海中,使營養(yǎng)物質(zhì)在水體中富集,造成海域富營養(yǎng)化。此時,水域中氮、磷等營養(yǎng)鹽類以及有機化合物的含量大大增加,促進赤潮生物的大量繁殖。赤潮檢測的結(jié)果表明,赤潮發(fā)生海域的水體均已遭到嚴重污染,富營養(yǎng)化,氮磷等營養(yǎng)鹽物質(zhì)大大超標。

2.2 水文氣象、化學和海水理化因子的變化是赤潮發(fā)生的重要原因

海水的溫度是赤潮發(fā)生的重要環(huán)境因子,20℃～30℃是赤潮發(fā)生的適宜溫度范圍,一周內(nèi)水溫突然升高大于2℃是赤潮發(fā)生的先兆。海水的化學因子,如鹽度變化,也是促使生物因子——赤潮生物大量繁殖的原因之一。鹽度在26～37的范圍內(nèi)均有發(fā)生赤潮的可能,但是海水鹽度在15～21.6時,容易形成溫躍層和鹽躍層。溫躍層和鹽躍層的存在為赤潮生物的聚集提供了條件,易誘發(fā)赤潮[3]。由于徑流、涌升流、水團或海流的交匯作用,使海底層營養(yǎng)鹽上升到水上層,造成沿海水域高度富營養(yǎng)化。營養(yǎng)鹽類含量急劇上升,引起藻類的大量繁殖,易發(fā)生赤潮。

2.3 海水養(yǎng)殖的自身污染亦是誘發(fā)赤潮的因素之一

海水養(yǎng)殖業(yè)的蓬勃發(fā)展,也產(chǎn)生了嚴重的自身污染問題。在養(yǎng)殖的過程中,由于養(yǎng)殖技術陳舊和不完善,人工投喂的餌料量偏大,池內(nèi)殘存餌料增多,嚴重污染了養(yǎng)殖水質(zhì)。另一方面,由于養(yǎng)殖池每天需要排換水,所以每天都有大量污水排入海中,這些帶有大量殘餌、糞便的水中含有氨氮、尿素、尿酸及其他形式的含氮化合物,加快了海水的富營養(yǎng)化,這樣為赤潮生物提供了適宜的生物環(huán)境,使其增殖加快,尤其是在高溫、悶熱和無風的條件下最易發(fā)生赤潮。由此可見,海水養(yǎng)殖業(yè)的自身污染也使赤潮發(fā)生的頻率增加。

3 赤潮預警技術

3.1 浮標快速預警技術

海洋浮標技術是伴隨著海洋科學的發(fā)展,在傳統(tǒng)技術基礎上發(fā)展起來的海洋監(jiān)測新技術。浮標利用自己獨特的水質(zhì)傳感器,現(xiàn)場自動檢測p H值、溶解氧(DO)、溫度、鹽度、葉綠素a和濁度等重要生態(tài)環(huán)境參數(shù),采用GPS定位,并以GSM短信方式發(fā)送到用戶。用戶可利用專門的數(shù)據(jù)分析軟件或自主開發(fā)數(shù)據(jù)處理分析應用系統(tǒng),對獲得的浮標監(jiān)測數(shù)據(jù)進行接收、處理及分析,根據(jù)現(xiàn)場獲得生態(tài)環(huán)境參數(shù)的變化和異常狀況,判斷水質(zhì)是否發(fā)生赤潮。浮標具有技術先進、性能可靠、自動化程度高、體積小和重量輕等特點,凸顯了布防、回收方面具有靈活性、機動的優(yōu)勢,在赤潮多發(fā)區(qū)現(xiàn)場應用中獲得理想結(jié)果,是建立赤潮預警與監(jiān)測模式獲取水質(zhì)數(shù)據(jù)的有效手段[4]。因此浮標快速預警技術對赤潮的監(jiān)測與預警具有重要意義。

3.2 富營養(yǎng)化快速預警技術

海水富營養(yǎng)化現(xiàn)象是赤潮發(fā)生的物質(zhì)基礎和首要條件,可作為赤潮預警的指標之一。

海水富營養(yǎng)化評價采用營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)法,以水體中的化學耗氧量、無機氮和無機磷作為評價因子,采用公式:

E=COD×無機氮×無機磷×1 000 000/4 500(單位以mg/L表示)[5],計算出營養(yǎng)指數(shù)。

式中:E是營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù),來對赤潮監(jiān)控區(qū)的營養(yǎng)水平進行判斷,如果赤潮監(jiān)控區(qū)的營養(yǎng)指數(shù)超出標準值1,則赤潮監(jiān)控區(qū)有可能發(fā)生赤潮。

3.3 赤潮發(fā)生判別快速預警技術

赤潮發(fā)生判別快速預警是以生物的臨界密度作為判斷赤潮暴發(fā)的一種技術。赤潮生物密度異常增高是一個從量變到質(zhì)變的過程,多數(shù)赤潮生物平時是浮游植物群落的重點組成部分,在正常海水環(huán)境中保持較低的密度水平,當浮游生態(tài)環(huán)境發(fā)生異常變化,赤潮生物密度會異常升高,此時若遇有誘導因素,高密度的赤潮生物種群會爆發(fā)性增殖,密度呈對數(shù)基數(shù)增長從而形成赤潮。

赤潮發(fā)生判別快速預警技術的關鍵是如何判斷赤潮生物是否達到臨界密度,即確定赤潮生物的預警密度。根據(jù)多年的工作實踐,提出了一種確定赤潮生物預警密度的方法:對監(jiān)測預警海域有記錄的赤潮生物種類,我們按其赤潮暴發(fā)時平均密度的75%為預警密度;對沒有赤潮記錄的優(yōu)勢種類,參考日本學者安達六郎提出的不同個體大小赤潮生物形成赤潮的密度標準,按其密度的80%設定赤潮預警密度。通過近年的實踐證明,該方法給出的赤潮生物預警密度具有較強的可操作性和有效性。

日本學者安達六郎依據(jù)日本各海區(qū)多次赤潮時間的實例統(tǒng)計,提出了形成赤潮時水體中赤潮生物的細胞密度范圍(表1)。

表1 赤潮生物個體與生物量指標

4 應用實例

4.1 “863”項目“赤潮重點監(jiān)控區(qū)監(jiān)控預警系統(tǒng)”

“赤潮重點監(jiān)控區(qū)監(jiān)控預警系統(tǒng)”是在渤海灣赤潮監(jiān)控區(qū),建立了一個由浮標監(jiān)測、船載快速監(jiān)測、航空遙感監(jiān)測和衛(wèi)星遙感監(jiān)測構(gòu)成的赤潮監(jiān)控預警系統(tǒng)。此系統(tǒng)對赤潮監(jiān)控區(qū)進行預警,為赤潮的預警監(jiān)測提供了技術支持。

4.1.1 浮標快速預警模塊

我們在分析2006年8月初的浮標在線監(jiān)測數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn),溶解氧數(shù)值出現(xiàn)上升的同時,葉綠素a出現(xiàn)較大的波動異常現(xiàn)象(圖1和圖2)。我們把浮標在線監(jiān)測要素的數(shù)值與船載快速監(jiān)測等手段獲得的數(shù)值進行比測,判斷赤潮爆發(fā)的可能性極大,發(fā)布了赤潮預警信息。在8月7日監(jiān)控區(qū)出現(xiàn)赤潮,8月8日和8月9日到達高潮,8月10日和8月11日赤潮開始消亡。

4.1.2 富營養(yǎng)化快速預警模塊

赤潮分析人員在對常規(guī)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析時發(fā)現(xiàn),2006年8月初監(jiān)控區(qū)內(nèi)各個站點的營養(yǎng)鹽出現(xiàn)上升趨勢,經(jīng)運行富營養(yǎng)化快速預警模塊,發(fā)現(xiàn)其富營養(yǎng)化程度較高,超出了富營養(yǎng)化閾值指標1,在8月8日和9日出現(xiàn)了赤潮。圖3是某一站點在8月初的富營養(yǎng)化趨勢圖。

4.1.3 赤潮發(fā)生判別快速預警模塊

生物采用水樣和網(wǎng)樣兩種采樣方式,這兩種采樣方式的赤潮生物密度不同,網(wǎng)樣赤潮生物密度與水樣赤潮生物密度略有不同,水樣采樣方式生物密度與水深和層次有關。赤潮監(jiān)測中一般采用水樣的采樣方式,海洋赤潮監(jiān)控技術規(guī)程中的赤潮生物密度指標一般是以水樣赤潮生物密度為準,而在赤潮重點監(jiān)控區(qū)監(jiān)控預警系統(tǒng)中生物采用的是網(wǎng)樣采樣方式,所以赤潮優(yōu)勢種密度與形成赤潮時水體中藻細胞的基準密度略有差距。

分析人員在2006年8月初發(fā)現(xiàn)夜光藻密度呈現(xiàn)增長趨勢(圖4),在這期間出現(xiàn)了夜光藻引起的赤潮。

圖4 夜光藻的變化趨勢

4.2 青島奧帆賽場“赤潮監(jiān)測預警系統(tǒng)”

2008年奧運會帆船比賽在青島舉行,為避免赤潮的發(fā)生給賽事造成影響,國家海洋局開展了青島奧帆賽場及鄰近海域赤潮防治研究,在青島奧帆賽場建立了以船載監(jiān)測、浮標監(jiān)測和遙感監(jiān)測集成的赤潮監(jiān)測預警系統(tǒng),開展赤潮監(jiān)測、進行赤潮預警預報,為青島奧帆賽提供了基本的技術支持。

2008年8月上旬,我們在利用赤潮預警系統(tǒng)分析浮標在線監(jiān)測數(shù)據(jù)時,發(fā)現(xiàn)溶解氧、葉綠素出現(xiàn)異常波動,波動比較大(圖5和圖6)。分析人員根據(jù)常規(guī)監(jiān)測中要素數(shù)值,對這一海域進行富營養(yǎng)化程度分析,發(fā)現(xiàn)超出了富營養(yǎng)化閾值指標1,結(jié)合這幾種監(jiān)測,進行預警計算,赤潮發(fā)生的可能性比較大,發(fā)布了赤潮預警信息,及時對赤潮進行了防治和消除。

圖5 溶解氧分析

圖6 葉綠素分析

5 結(jié)論

赤潮的發(fā)生,并非突發(fā)而無過程的現(xiàn)象,它是一個循環(huán)積累到暴發(fā)的生態(tài)異常現(xiàn)象。因此,赤潮快速預警的研究,將有利于赤潮災害的預防,減輕經(jīng)濟損失[6]。但是,各種赤潮生物引發(fā)赤潮危害類型和各個海域赤潮災害發(fā)生的機制也不盡相同,這給赤潮快速預警的建立帶來很大難度,赤潮快速預警是一項長期、復雜的系統(tǒng)工程。我們只有深入地了解赤潮的發(fā)生,發(fā)展機制,充分利用現(xiàn)代科技技術,在我國部分海區(qū)建立起有效的赤潮快速預警模型,實現(xiàn)高精度、高時效的預報,達到減災的目的。

[1] 國家海洋局.2009年中國海洋環(huán)境質(zhì)量公報[Z].2010,3.

[2] 張朝賢.赤潮的危害和預測預報[J].海岸工程,2000,19(2).

[3] 曾江寧,曾淦寧.赤潮影響因素研究進展[J].東海海洋,2004,22(2).

[4] 陳芙蓉.生態(tài)水質(zhì)監(jiān)測浮標在赤潮監(jiān)測中應用[C]∥赤潮重點監(jiān)控區(qū)監(jiān)控預警系統(tǒng)論文集.北京:海洋出版社,2008.

[5] 國家海洋局.行標:HYIT 0669—2005海洋赤潮監(jiān)控區(qū)技術規(guī)程[S].2005.

[6] 趙偉,楊燦軍.新型赤潮監(jiān)測系統(tǒng)設計研究[J].傳感技術學報,2008,21(5).

“863”國家高技術研究發(fā)展計劃(2007AA092104).