基于浮標(biāo)觀測(cè)的2019年暴雨過(guò)后秦皇島近岸海域水質(zhì)參數(shù)變化分析

畢玉明，馬方方 ，江田田，陳作藝，周秋伶，桓清柳 ，劉會(huì)欣

(1. 深圳市朗誠(chéng)科技股份有限公司，廣東 深圳518029; 2. 河北省地礦局第八地質(zhì)大隊(duì)，河北 秦皇島 066000)

引 言

暴雨對(duì)近岸海水水質(zhì)影響較大，短期造成表層污染稀釋、中期則導(dǎo)致地表徑流將大量化學(xué)物質(zhì)從陸地輸送至河口及近岸海域[1-2]，并且由于其引起的陸源營(yíng)養(yǎng)鹽輸入突然增加，進(jìn)而導(dǎo)致近岸海域赤潮生物大量增殖[3-4]。因監(jiān)測(cè)條件限制，采用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析暴雨等對(duì)水質(zhì)影響的研究相對(duì)較少，郭衛(wèi)東等[2-3]研究了臺(tái)風(fēng)及暴雨對(duì)廈門(mén)灣的水質(zhì)影響，研究發(fā)現(xiàn)，臺(tái)風(fēng)及暴雨短期內(nèi)會(huì)造成近岸海域營(yíng)養(yǎng)鹽倍增，而對(duì)海域水質(zhì)中期變化影響則較小，主要原因是臺(tái)風(fēng)期間表層海水溶解氧充足，水體自凈能力強(qiáng)，有利于有機(jī)污染物氧化降解；且此時(shí)期水動(dòng)力條件也有利于污染物向外海擴(kuò)散。Zhou等[5]研究了一次臺(tái)風(fēng)及其導(dǎo)致的珠江徑流輸入對(duì)香港海域水質(zhì)的影響，臺(tái)風(fēng)前該海域爆發(fā)大規(guī)模赤潮將營(yíng)養(yǎng)鹽消耗至較低水平，臺(tái)風(fēng)后，陸源徑流攜入的大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)導(dǎo)致了又一次赤潮的發(fā)生。

河北省沿海受風(fēng)暴潮影響相對(duì)較小，根據(jù)2017年河北省海洋狀況公報(bào)，2013—2017年，風(fēng)暴潮增水造成的直接經(jīng)濟(jì)損失為23億元左右，其中2016年損失最重，達(dá)到9億元左右；但海域受陸源污染影響較大，且研究表明陸源入海的生源要素與秦皇島近岸海域褐潮頻發(fā)存在明顯相關(guān)關(guān)系[6-7]。河北省于2013年開(kāi)始海洋立體觀測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)工作，并于2017年開(kāi)始在入?？谔幗ㄔO(shè)在線監(jiān)測(cè)岸基站，實(shí)時(shí)監(jiān)控陸源入海污染物濃度變化。目前秦皇島海域已建成并運(yùn)行的近岸海域環(huán)境浮標(biāo)監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)達(dá)10個(gè)，入?？诎痘O(jiān)測(cè)站為9個(gè)，實(shí)現(xiàn)了利用浮標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)海域赤潮(含褐潮)發(fā)生情況的連續(xù)監(jiān)測(cè)[4,8]，同時(shí)2016年浮標(biāo)數(shù)據(jù)也對(duì)風(fēng)暴潮及其引發(fā)的赤潮進(jìn)行了監(jiān)測(cè)[4]，2018年8月中旬，受臺(tái)風(fēng)“摩羯”影響，秦皇島海域發(fā)生風(fēng)暴潮，風(fēng)暴潮及大暴雨造成陸源入海污染物急劇升高，之后也發(fā)生短期赤潮[9]。2019年8月11—12日，受臺(tái)風(fēng)“利奇馬”影響，秦皇島持續(xù)暴雨，局地大暴雨，暴雨導(dǎo)致陸源污染物集中輸入，對(duì)近岸海域水質(zhì)產(chǎn)生較大影響，本文主要采用秦皇島海域浮標(biāo)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析大暴雨對(duì)鄰近海域水質(zhì)的影響。

1 材料與方法

本文數(shù)據(jù)主要來(lái)源于秦皇島海域三個(gè)浮標(biāo)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，站位分布見(jiàn)圖1。浮標(biāo)1#位于淺海灣，水深約為9 m，離岸距離約為3 km，距湯河和小湯河入?？诩s5.5 km；浮標(biāo)2#位于人造河鄰近海域，距離海岸和入海口約4.8 km；浮標(biāo)3#位于七里海(新開(kāi)口)鄰近海域，距離海岸和入?？诩s5 km。浮標(biāo)監(jiān)測(cè)水深約為水下0.5 m。水質(zhì)及水文氣象儀器監(jiān)測(cè)頻率均為1次/0.5 h，主要用于收集氣象六參數(shù)和水溫、鹽度、pH、DO、Chla等參數(shù)；浮標(biāo)營(yíng)養(yǎng)鹽分析儀監(jiān)測(cè)頻率為1次/4 h，監(jiān)測(cè)參數(shù)包括硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮和正磷酸鹽。下文中用的數(shù)據(jù)包括實(shí)測(cè)值(浮標(biāo)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù))、日均值(每日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值)；日降雨量數(shù)據(jù)為每日48組實(shí)測(cè)值求和結(jié)果。三個(gè)浮標(biāo)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器均為美國(guó)YSI公司的EXO2型多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀，營(yíng)養(yǎng)鹽分析儀為意大利SYSTEA公司的WIZ原位營(yíng)養(yǎng)鹽分析儀，傳感器海上運(yùn)行期間均定期(每月1—2次)進(jìn)行維護(hù)、校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)比對(duì)(采用檢定后的儀器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)比對(duì))。

圖1 浮標(biāo)站位分布

2 結(jié)果與討論

2.1 過(guò)程描述

2019年8月11—12日，受第9號(hào)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”影響，秦皇島海域風(fēng)浪及降雨量均較大。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，近岸海域風(fēng)速最高為9級(jí)，陣風(fēng)最高為12級(jí)，有效波高最高達(dá)到2.4 m，最大波高達(dá)到4.34 m，8月11日和12日降雨量最高分別達(dá)到110.6 mm和138 mm，均為大暴雨級(jí)別。

2.2 大暴雨前后浮標(biāo)數(shù)據(jù)分析

將暴雨前后分為5個(gè)階段，分別為暴雨前(8月7—10日)、暴雨期間(8月11—12日)、暴雨后階段Ⅰ(8月13—15日)、暴雨后階段Ⅱ(8月16—18日)和恢復(fù)期(8月19—22日)，三個(gè)浮標(biāo)站各參數(shù)不同階段均值、變化范圍分別見(jiàn)表1—3。三個(gè)浮標(biāo)的降雨量、鹽度及水質(zhì)參數(shù)變化分別見(jiàn)圖2—6。

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，降雨主要集中在8月11日和12日，這兩日1#、2#、3#浮標(biāo)所在海域累計(jì)降雨量分別為169.3、137.4、248.6 mm，1#和3#浮標(biāo)均為12日降雨量較高，且當(dāng)日降雨量均超過(guò)100 mm，達(dá)到大暴雨級(jí)別，2#浮標(biāo)11日和12日降雨量相當(dāng)，均為在60～70 mm之間，達(dá)到暴雨級(jí)別。

圖2 8月7—22日秦皇島三個(gè)浮標(biāo)日降雨量變化

鹽度、水溫變化見(jiàn)圖3，從圖3和表中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，暴雨期間，鹽度變化不大，日均值為28.5左右，較8月10日差異不大，可能因?yàn)轱L(fēng)暴潮増水，抵消了暴雨稀釋的效果。受到河流入海徑流的影響，暴雨后階段Ⅰ期間，鹽度均降至最低；8月14日，2#和3#浮標(biāo)所在海域鹽度降至最低，1#浮標(biāo)則在15日降低至最低，1#、2#、3#浮標(biāo)鹽度日均值最低分別為25.7、26.3、26.6，日均值降幅在2～3之間，實(shí)測(cè)鹽度最低分別為25.0、22.3、25.2。暴雨后階段Ⅱ期間，鹽度均出現(xiàn)回升，在恢復(fù)期，鹽度繼續(xù)升高，接近暴雨前水平；2#和3#浮標(biāo)所在海域鹽度于8月18日回升至穩(wěn)定水平，但均略低于暴雨前，1#浮標(biāo)所在海域鹽度在8月16日至21日保持緩慢升高的趨勢(shì)，8月20日達(dá)到暴雨前鹽度水平。從鹽度變化可知，暴雨后階段Ⅰ期間，浮標(biāo)所在海域水質(zhì)受地表徑流影響最大。暴雨前，水溫較高，1#、2#和3#水溫日均值分別為28.11、27.64、27.42 ℃，暴雨期間水溫持續(xù)降低，同樣在暴雨后階段Ⅰ降至最低，最低日均值分別為24.78、24.47、24.51 ℃，水溫日均值降幅約為3 ℃；暴雨后階段Ⅱ和恢復(fù)期，水溫也有升高，但幅度不大。

圖3 8月7—22日秦皇島三個(gè)浮標(biāo)鹽度、水溫日均值變化

從圖4、圖5及數(shù)據(jù)表可以看出，營(yíng)養(yǎng)鹽變化與鹽度較為一致，各浮標(biāo)營(yíng)養(yǎng)鹽達(dá)到最高的日期與鹽度降至最低的日期均相同。營(yíng)養(yǎng)鹽均在暴雨后階段Ⅰ達(dá)到最高，2#和3#浮標(biāo)無(wú)機(jī)氮在8月14日達(dá)到最高，1#浮標(biāo)無(wú)機(jī)氮?jiǎng)t在8月15日取得最高值。暴雨前，近岸海域無(wú)機(jī)氮均較低，1#、2#、3#無(wú)機(jī)氮均值分別為0.097、0.040、0.013 mg/L，暴雨期間1#、2#無(wú)機(jī)氮均有降低，3#略有升高(見(jiàn)表1至表3)。暴雨后無(wú)機(jī)氮含量升高，暴雨后階段Ⅰ，三個(gè)浮標(biāo)無(wú)機(jī)氮日均值最高分別達(dá)到0.434、0.327、0.202 mg/L，為暴雨前均值的4.5倍、8.2倍和15.5倍，此階段平均值則分別為暴雨前的2.7倍、6.5倍和9.8倍。暴雨后階段Ⅱ，營(yíng)養(yǎng)鹽逐日下降，但本階段營(yíng)養(yǎng)鹽平均值仍明顯高于暴雨前；恢復(fù)期，營(yíng)養(yǎng)鹽含量趨于穩(wěn)定，接近暴雨前水平。暴雨前，2#和3#磷酸鹽平均值分別為0.012 mg/L和0.007 mg/L，暴雨期間磷酸鹽變化不大；暴雨后階段Ⅰ中，8月12日磷酸鹽開(kāi)始升高，同樣于8月14日達(dá)到最高，日均值分別為0.039 mg/L和0.035 mg/L，為前期均值的3.3倍和5.0倍，此階段平均值分別為暴雨前的2.8倍和3.7倍。暴雨后階段Ⅱ和恢復(fù)期，磷酸鹽變化過(guò)程與無(wú)機(jī)氮相似。

圖4 8月7—22日秦皇島三個(gè)浮標(biāo)所在海域無(wú)機(jī)氮日均值變化

圖5 8月7—22日秦皇島2#和3#浮標(biāo)所在海域磷酸鹽日均值變化

表1 暴雨前后浮標(biāo)1#主要參數(shù)平均值及變化范圍

表2 暴雨前后浮標(biāo)2#主要參數(shù)平均值及變化范圍

表3 暴雨前后浮標(biāo)3#主要參數(shù)平均值及變化范圍

近岸海域葉綠素a和溶解氧的變化較為相似，整體均為先降低、后升高(圖6)。暴雨前，2#和3#浮標(biāo)葉綠素a及溶解氧較為接近，葉綠素a均值均為4.5 μg/L左右，溶解氧均值約為7 mg/L；1#浮標(biāo)葉綠素a和溶解氧則均出現(xiàn)一次升高過(guò)程，其中溶解氧升高幅度較大，日均值達(dá)到11.38mg/L。暴雨期間，溶解氧較暴雨前均有降低，葉綠素a略有升高或變化不大。暴雨后階段Ⅰ，溶解氧和葉綠素a均保持在較低水平，1#和2#葉綠素a日均值均低于1 μg/L，3#葉綠素a在2.5～3.9 μg/L之間；暴雨后階段Ⅱ，三個(gè)浮標(biāo)葉綠素a陸續(xù)開(kāi)始升高，溶解氧也隨之升高，1#、3#浮標(biāo)葉綠素a均于8月18日取得最高指，日均值分別為8.3 μg/L和13.9 μg/L，最早開(kāi)始升高的為3#浮標(biāo)，其葉綠素a升高幅度也最大，最后升高的為2#浮標(biāo)，其葉綠素a在恢復(fù)期才達(dá)到最高，且升高幅度較小。七里海海域葉綠素a濃度已達(dá)到赤潮發(fā)生時(shí)的水平，海域應(yīng)是發(fā)生小規(guī)模赤潮。

圖6 8月7—22日秦皇島三個(gè)浮標(biāo)所在海域葉綠素a、溶解氧日均值變化

2.3 討論

2.3.1 大暴雨導(dǎo)致水質(zhì)變化的具體原因分析

本次大暴雨為臺(tái)風(fēng)所致，臺(tái)風(fēng)對(duì)近岸海域水體的影響主要表現(xiàn)在：(1)風(fēng)浪導(dǎo)致水體垂直混合加劇，底層有機(jī)物通過(guò)上升流進(jìn)入表層從而影響表層水質(zhì)；(2)強(qiáng)降雨過(guò)后，地表徑流導(dǎo)致污染物大量輸入、持續(xù)增加；(3)風(fēng)暴潮增水導(dǎo)致河流感潮區(qū)域海水倒灌、鹽度升高，清潔海水的補(bǔ)充及與海域水體的充分混合在短期內(nèi)對(duì)水質(zhì)起到一定的改善作用。本次臺(tái)風(fēng)進(jìn)入渤海時(shí)，風(fēng)力已大大減弱，故風(fēng)浪及風(fēng)暴潮增水對(duì)秦皇島近岸海域水質(zhì)影響不大，大暴雨過(guò)后，徑流攜帶的大量污染物是近岸海域水質(zhì)變化的主要原因。且從2.2中數(shù)據(jù)變化也可以發(fā)現(xiàn)，大暴雨期間鹽度及營(yíng)養(yǎng)鹽變化不大，大暴雨過(guò)后，營(yíng)養(yǎng)鹽最高的時(shí)間均對(duì)應(yīng)鹽度最低的時(shí)間，也表明增加的營(yíng)養(yǎng)鹽主要來(lái)自徑流輸入。

2.3.2 大暴雨對(duì)秦皇島近岸海域水質(zhì)的影響過(guò)程

從整個(gè)數(shù)據(jù)變化可以發(fā)現(xiàn)，大暴雨開(kāi)始的4個(gè)階段，近岸海域各參數(shù)變化過(guò)程遵循以下流程：大量降雨、營(yíng)養(yǎng)鹽降低(暴雨期)——鹽度降低、營(yíng)養(yǎng)鹽升高(暴雨后階段Ⅰ)——葉綠素a、溶解氧升高(暴雨后階段Ⅱ——小規(guī)模藻華(暴雨后階段Ⅱ至恢復(fù)期)——水質(zhì)恢復(fù)至暴雨前水平(恢復(fù)期)。降雨等級(jí)達(dá)到大暴雨情況下，暴雨后階段Ⅰ和階段Ⅱ均為3 d左右，即暴雨過(guò)后6 d，海域水質(zhì)相對(duì)較差。秦皇島近岸海域營(yíng)養(yǎng)鹽水平整體較低[10]，而大暴雨過(guò)后的徑流輸入帶來(lái)的大量營(yíng)養(yǎng)鹽，為藻類增殖提供了充足的營(yíng)養(yǎng)，進(jìn)而誘發(fā)藻華。

2.3.3 大暴雨對(duì)赤潮的誘發(fā)及在預(yù)警中的作用

秦皇島近岸海域水質(zhì)環(huán)境較好，大部分時(shí)間營(yíng)養(yǎng)鹽較低，夏季大暴雨導(dǎo)致水溫降低、陸源營(yíng)養(yǎng)鹽大量輸入，可誘發(fā)海域浮游植物大量增殖，如其他水文氣象條件持續(xù)穩(wěn)定，則會(huì)發(fā)生赤潮。秦皇島海域2016年、2018年也均出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)引起的風(fēng)暴潮及大暴雨，且大暴雨過(guò)后，海域均發(fā)生赤潮；2016年7月底[4]和2018年8月[9]兩次赤潮均始發(fā)于大暴雨過(guò)后2—3 d，水溫均受暴雨天氣影響大幅降低，保持在25℃左右，赤潮也均發(fā)生在入?？诟浇Ｓ?，兩次赤潮的誘因均為前期風(fēng)暴潮引起的大量陸源污染物輸入。結(jié)合2016年、2018年和2019年三次大暴雨過(guò)后海域的水質(zhì)變化規(guī)律，秦皇島海域暴雨過(guò)后2—4 d，受到陸源營(yíng)養(yǎng)鹽大量輸入的影響，入?？卩徑Ｓ蚋∮沃参镙^易大量增殖進(jìn)而引發(fā)赤潮，結(jié)合天氣變化及入?？诒O(jiān)測(cè)站污染物數(shù)據(jù)變化，可以對(duì)赤潮進(jìn)行早期預(yù)警。后期可繼續(xù)跟蹤在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)此規(guī)律進(jìn)行持續(xù)檢驗(yàn)，并建立預(yù)警的閾值和模型。

3 結(jié)論

(1)2019年8月11—12日，受臺(tái)風(fēng)“利奇馬”影響，秦皇島近岸海域出現(xiàn)大暴雨。大暴雨導(dǎo)致水溫日均值降低至約24.5 ℃，下降約3 ℃，鹽度日均值由28.5最低降至25.7；與此同時(shí)，三個(gè)海域營(yíng)養(yǎng)鹽也大幅升高，淺水灣、人造河口、七里海浮標(biāo)所在海域無(wú)機(jī)氮日均值分別達(dá)到0.434、0.327、0.202 mg/L，為暴雨前均值的4.5倍、8.2倍和15.5倍；人造河口和七里海磷酸鹽日均值最高達(dá)到0.039 mg/L和0.035 mg/L，為暴雨前均值的3.3倍和5.0倍。

(2)大暴雨過(guò)后約4 d，入?？谂R近海域葉綠素a和溶解氧開(kāi)始逐漸升高。淺水灣(1#)、人造河口(2#)、七里海(3#)浮標(biāo)葉綠素a日均值最高分別為8.3、3.9、13.9 μg/L；最早開(kāi)始升高的為3#浮標(biāo)，其葉綠素a升高幅度也最大。

(3)降雨為大暴雨級(jí)別時(shí)，距河流入?？诩s5 km的近岸海域，水質(zhì)受影響較大的時(shí)段為暴雨過(guò)后的6 d。本次大暴雨影響期間，入海口鄰近海域水體水質(zhì)變化主要為陸源徑流輸入所致，大暴雨帶來(lái)的大量氮、磷為藻類增殖提供了充足的營(yíng)養(yǎng)基礎(chǔ)。