張明慧，索安寧

(1.廣州航海學(xué)院 土木與工程管理學(xué)院，廣東 廣州 510725;2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州)，廣東 廣州 511458;3.中國科學(xué)院 南海海洋研究所 熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510301)

砂質(zhì)海岸是我國自然海岸類型之一，也是一種重要的濱海旅游休閑自然資源。近幾十年來，由于受不合理的開發(fā)利用和陸源入海排污影響，我國砂質(zhì)海岸普遍存在海灘沉積物侵蝕、近岸海域水環(huán)境質(zhì)量降低等問題[1]。砂質(zhì)海岸整治修復(fù)工程主要是通過工程措施改善砂質(zhì)海岸水沙動(dòng)力環(huán)境，海灘人工補(bǔ)沙，關(guān)停并轉(zhuǎn)砂質(zhì)海岸各種陸源入海排污口，加快砂質(zhì)海岸近岸海域水體交換等多種辦法，保護(hù)砂質(zhì)海岸海灘資源，改善砂質(zhì)海岸水環(huán)境質(zhì)量[2]。砂質(zhì)海岸整治修復(fù)工程水環(huán)境效果評價(jià)是砂質(zhì)海岸整治修復(fù)工程效果評價(jià)的重要內(nèi)容，是體現(xiàn)砂質(zhì)海岸整治修復(fù)工程效果的主要方式，主要用來評價(jià)砂質(zhì)海岸整治修復(fù)工程實(shí)施對近岸海域水環(huán)境質(zhì)量的整體改善效果。

海洋水環(huán)境評價(jià)是海洋環(huán)境評價(jià)的核心內(nèi)容，很早就引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[3]。相關(guān)學(xué)者從物理、化學(xué)、生物毒理學(xué)等方面研究構(gòu)建了很多種海洋水環(huán)境評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評價(jià)指標(biāo)[4-6]。為了衡量海水環(huán)境狀況，我國海洋管理部門先后于1982 年和1997 年兩次發(fā)布了海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，1997 年修訂的《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB3097—1997)[7]是從海水水質(zhì)評價(jià)指標(biāo)、海水水質(zhì)類別等方面對1982 年發(fā)布的《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB3097—1982)[8]進(jìn)行了大幅度修改[9-10]。當(dāng)前海水水質(zhì)評價(jià)多采用單因素評價(jià)法，這種評價(jià)方法通過尋找影響海水水環(huán)境質(zhì)量的最大因素，以其作為海水環(huán)境質(zhì)量的指示指標(biāo)，將其實(shí)測質(zhì)量濃度與海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度比較，計(jì)算海水水質(zhì)指數(shù)，這種計(jì)算方法簡單明了。但這種單因素評價(jià)方法僅僅考慮了引起海水環(huán)境污染的最嚴(yán)重因素，而忽略了其他污染因素對海水環(huán)境質(zhì)量的影響貢獻(xiàn)，評價(jià)結(jié)果被認(rèn)為過于保守[11]。在實(shí)際情況中，海水中單個(gè)污染物質(zhì)含量超標(biāo)并不會引起赤潮等海洋生態(tài)災(zāi)害事件的發(fā)生。污染指數(shù)評價(jià)法是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的整體水環(huán)境質(zhì)量定量描述方法，它采用各種數(shù)學(xué)手段計(jì)算多種水質(zhì)因子的綜合水質(zhì)級別，多用于描述水體被污染的程度。常用的污染指數(shù)評價(jià)方法的數(shù)學(xué)處理手段有均值法、均方根法、加權(quán)平均指數(shù)、豪頓水質(zhì)指數(shù)、布朗水質(zhì)指數(shù)、內(nèi)梅羅水質(zhì)指數(shù)等[12]。計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使更多的數(shù)學(xué)方法在水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)中的應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)，從而形成了許多綜合性的海水水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)方法，包括層次分析法、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法、逼近理想排序法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、灰色聚類分析法、模糊綜合評價(jià)法、單項(xiàng)污染指數(shù)法和支持向量機(jī)等[13-14]。

以上評價(jià)方法主要是針對海水環(huán)境質(zhì)量狀況而提出來的，對于砂質(zhì)海岸整治修復(fù)工程的水環(huán)境效果評價(jià)，國內(nèi)外報(bào)道較少[2]。為了體現(xiàn)砂質(zhì)海岸整治修復(fù)工程對海灣水環(huán)境質(zhì)量的改善效果，特別是反映砂質(zhì)海岸整治修復(fù)工程對影響海灣水環(huán)境質(zhì)量突出因素的整治改善效果，本文采用更能體現(xiàn)對突出影響因素改善效果的單項(xiàng)污染指數(shù)法，建立基于海洋功能區(qū)水環(huán)境質(zhì)量要求的海水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，評價(jià)砂質(zhì)海岸整治修復(fù)工程的水環(huán)境效果，為砂質(zhì)海岸整治修復(fù)工程水環(huán)境質(zhì)量效果評價(jià)探索可行方法。

1 研究區(qū)域概況

遼寧營口市月亮灣海岸位于遼東灣東岸的營口市鲅魚圈經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)(即營口市鲅魚圈區(qū))南部，西臨遼東灣，南以熊岳河為界，北至營口港鲅魚圈港區(qū)南大堤(122°03′～122°06′E，40°12′～40°15′N)，具體空間位置見圖1。月亮灣是遼東灣東岸典型的岬灣型砂質(zhì)海岸，海岸地貌類型齊全，包括海岸沙灘、岸上沙丘、熊岳河口沙壩、沙壩與海岸之間自然演變形成的河口潟湖以及水下沙壩等。為了將月亮灣海岸打造成集海水浴場、海面踏浪、海岸休閑于一體的濱海旅游休閑娛樂功能區(qū)，營口市政府結(jié)合國家海域海岸整治修復(fù)工程在月亮灣海岸實(shí)施了海灘養(yǎng)護(hù)、海岸景觀美化、海岸空間整理、海灣水環(huán)境整治等海岸整治修復(fù)工程，建設(shè)了規(guī)?；纳碁┰?、游艇碼頭、月亮湖公園以及觀景臺等旅游基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施，全面改善了月亮灣砂質(zhì)海岸資源環(huán)境狀況。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of study area

2 研究方法

2.1 海洋水環(huán)境質(zhì)量檢測

水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測采用定點(diǎn)采樣分析測試法進(jìn)行，在月亮灣海域均勻布設(shè)海水水質(zhì)調(diào)查站位點(diǎn)20個(gè)，各水質(zhì)調(diào)查站位點(diǎn)布設(shè)見圖2。在海岸整治修復(fù)工程實(shí)施前的2013年、海岸整治修復(fù)工程實(shí)施竣工后的2017年各采樣測試分析一次。按照《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB/T 12763—2007)[15]和《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB 17378—2007)[16]的要求采集和分析海水樣品。海水水質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目包括:溶解氧(Dissolved Oxygen，DO)、化學(xué)需氧量(Chemical Oxygen Demand，COD)、石油類、活性磷酸鹽、無機(jī)氮、重金屬銅(Cu)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎘(Cd)和汞(Hg)。

圖2 海水水質(zhì)調(diào)查站位點(diǎn)Fig.2 Seawater quality monitoring points

2.2 砂質(zhì)海岸整治修復(fù)工程近岸水環(huán)境效果評價(jià)方法

根據(jù)《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB3097—1997)[8]，海水主要污染物共分為五類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，《全國海洋功能區(qū)劃(2011—2020年)》[17]對8類一級海洋功能區(qū)水環(huán)境質(zhì)量有不同的具體要求，例如旅游休閑娛樂區(qū)、農(nóng)漁業(yè)區(qū)海水環(huán)境質(zhì)量不劣于二類水質(zhì)要求，港口航運(yùn)區(qū)、礦產(chǎn)與能源區(qū)海水環(huán)境質(zhì)量不劣于四類水質(zhì)要求，工業(yè)與城鎮(zhèn)用海區(qū)海水環(huán)境不劣于三類海水環(huán)境質(zhì)量要求[18]。

為了反映砂質(zhì)海岸整治修復(fù)工程對近岸海域水環(huán)境質(zhì)量的整體改善效果，特別是對突出污染因素的整治效果，本文采用單因素污染指數(shù)法計(jì)算海水中主要污染物的污染指數(shù)，具體計(jì)算方法如下[19-20]:

式中:HIi為第i類污染物的污染指數(shù)(HIi≥0);a i為第i類污染物的實(shí)測質(zhì)量濃度;A i為第i類污染物對應(yīng)的某一海洋功能區(qū)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求的質(zhì)量濃度。污染指數(shù)越小，尤其是與砂質(zhì)海岸整治修復(fù)工程實(shí)施前比較污染指數(shù)變得越小，說明砂質(zhì)海岸整治修復(fù)工程的水環(huán)境質(zhì)量改善效果越好。

采用污染指數(shù)最大值法集成海水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)(Seawater Environment Quality Index，SWEI)，具體計(jì)算公式為:

砂質(zhì)海岸整治修復(fù)工程的目標(biāo)是改善砂質(zhì)海岸資源環(huán)境整體狀況，包括清除部分陸源入海排污口、清理海灣垃圾和整理海灣漁業(yè)開發(fā)活動(dòng)等，所以水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)越小，說明砂質(zhì)海岸水環(huán)境狀況越好;而與整治修復(fù)工程實(shí)施前相比較，如果海水質(zhì)量指數(shù)變得越小，說明砂質(zhì)海岸整治修復(fù)工程對主要污染物整治的水環(huán)境效果越好。

3 結(jié)果分析

3.1 砂質(zhì)海岸整治修復(fù)工程前后主要污染物質(zhì)量濃度變化分析

對比分析月亮灣海岸整治修復(fù)工程實(shí)施前、后主要污染物評價(jià)指標(biāo)變化(表1)。DO 質(zhì)量濃度在海岸整治修復(fù)工程實(shí)施前最大值為8.18 mg/L，最小值為6.80 mg/L，平均值為7.55 mg/L;海岸整治修復(fù)工程實(shí)施后DO 質(zhì)量濃度整體有一定提升，最大值達(dá)到8.38 mg/L，最小值達(dá)到7.88 mg/L，平均值達(dá)到8.18 mg/L。COD 質(zhì)量濃度整體也有所增加，海岸整治修復(fù)工程實(shí)施前，最大值為1.44 mg/L，最小值為0.76 mg/L，平均值為1.06 mg/L:海岸整治修復(fù)工程實(shí)施后，最大值提升到1.94 mg/L，最小值為1.02 mg/L，平均值為1.46 mg/L。石油類質(zhì)量濃度變化最為顯著，海岸整治修復(fù)工程實(shí)施前，最大質(zhì)量濃度為23.20μg/L，最小質(zhì)量濃度為2.12μg/L，平均質(zhì)量濃度為4.94μg/L;海岸整治修復(fù)工程實(shí)施后石油類質(zhì)量濃度有所提升，最大值、最小值、平均值分別只有65.80、6.00和23.10μg/L。無機(jī)氮和活性磷酸鹽的質(zhì)量濃度也都略有增加，平均質(zhì)量濃度值分別由海岸整治修復(fù)工程實(shí)施前的436.39和11.43μg/L 增加到海岸整治修復(fù)工程實(shí)施后的464.83和27.05μg/L。海水重金屬污染質(zhì)量濃度在海岸整治修復(fù)工程實(shí)施前、后變化各不相同，其中Zn和Hg的質(zhì)量濃度值增加最為明顯，平均值分別由海岸整治修復(fù)工程實(shí)施前的41.50和0.03μg/L增加到海岸整治修復(fù)工程實(shí)施后的57.50和0.11μg/L;Pb的質(zhì)量濃度稍有增大，海岸整治修復(fù)工程實(shí)施前最大值和平均值分別為3.50和1.94μg/L，海岸整治修復(fù)工程實(shí)施后，分別增大到7.40和2.15μg/L;Cu和Cd的質(zhì)量濃度整體有所降低，海岸整治修復(fù)工程實(shí)施前，平均質(zhì)量濃度值分別為8.06和0.79μg/L，海岸整治修復(fù)工程實(shí)施后，平均質(zhì)量濃度值分別降低到4.35和0.23μg/L。

表1 營口月亮灣海岸整治修復(fù)工程實(shí)施后海水水質(zhì)狀況變化Table 1 Changes of the seawater quality status after the implementation of the coast renovation and restoration project in the Moon Bay of Yinkou

3.2 海岸整治修復(fù)工程前后主要污染物水質(zhì)達(dá)標(biāo)分析

營口月亮灣海岸整治修復(fù)工程區(qū)域的海洋功能區(qū)為旅游休閑娛樂區(qū)，旅游休閑娛樂區(qū)向外海為保留區(qū)。根據(jù)海洋功能區(qū)劃海水環(huán)境質(zhì)量要求，旅游休閑娛樂區(qū)海洋水環(huán)境質(zhì)量不低于二類海水環(huán)境質(zhì)量，保留區(qū)海洋水環(huán)境質(zhì)量維持現(xiàn)狀。月亮灣海岸整治修復(fù)工程實(shí)施前、后主要污染物達(dá)標(biāo)狀況見表2。溶解氧在海岸整治修復(fù)工程實(shí)施前所有調(diào)查站位點(diǎn)都滿足二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(＞5.00 mg/L)，平均達(dá)標(biāo)倍數(shù)達(dá)到1.51倍;海岸整治修復(fù)工程實(shí)施后，所有調(diào)查站位點(diǎn)的溶解氧質(zhì)量濃度都滿足二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，平均達(dá)標(biāo)倍數(shù)增加為1.64倍?；瘜W(xué)需氧量在海岸整治修復(fù)工程實(shí)施前所有調(diào)查站位點(diǎn)都達(dá)到二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(≤3.00 mg/L)，平均質(zhì)量濃度達(dá)標(biāo)倍數(shù)達(dá)到0.35;海岸整治修復(fù)工程實(shí)施后，雖然整體溶解氧質(zhì)量濃度都有所增加，但仍然能達(dá)到二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，平均達(dá)標(biāo)倍數(shù)增加到0.49倍。

表2 營口月亮灣海岸整治修復(fù)工程施工前后二類水質(zhì)站位達(dá)標(biāo)比例Table 2 Proportion of the class II seawater quality standard stations before and after the implementation of the coast renovation and restoration project in the Moon Bay of Yinkou

石油類在海岸整治修復(fù)工程實(shí)施前所有站位都滿足二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(≤0.05 mg/L)，平均達(dá)標(biāo)倍數(shù)達(dá)到0.10倍;海岸整治修復(fù)工程實(shí)施后，石油類質(zhì)量濃度有所增加，但仍有80%站位的石油類質(zhì)量濃度達(dá)到二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，平均達(dá)標(biāo)倍數(shù)增加到0.46倍。無機(jī)氮在海岸整治修復(fù)工程實(shí)施前所有站位都不滿足二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(≤0.30 mg/L)，平均達(dá)標(biāo)倍數(shù)為1.46倍;海岸整治修復(fù)工程實(shí)施后，有16.67%站位達(dá)到二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，平均達(dá)標(biāo)倍數(shù)增加到1.55 倍?；钚粤姿猁}在海岸整治修復(fù)工程實(shí)施前有95%站位滿足二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(≤0.03 mg/L)，平均達(dá)標(biāo)倍數(shù)到0.38倍;海岸整治修復(fù)工程實(shí)施后，有66.67%站位達(dá)到二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，平均達(dá)標(biāo)倍數(shù)增加到0.90倍。重金屬Cd和Hg在海岸整治修復(fù)工程實(shí)施前后，所有監(jiān)測站位都達(dá)到二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(≤5.0μg/L和≤0.2μg/L)，海岸整治修復(fù)工程實(shí)施前平均達(dá)標(biāo)倍數(shù)分別為0.16和0.15倍;海岸整治修復(fù)工程實(shí)施后Cd的平均達(dá)標(biāo)倍數(shù)沒有變化，Hg的平均達(dá)標(biāo)倍數(shù)增加到0.55倍。Cu在海岸整治修復(fù)工程實(shí)施前，有85%監(jiān)測站位達(dá)到二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(≤0.01 mg/L)，平均達(dá)標(biāo)倍數(shù)為0.81倍;海岸整治修復(fù)工程實(shí)施后，所有監(jiān)測站位Cu的質(zhì)量濃度都達(dá)到二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，平均達(dá)標(biāo)倍數(shù)降低為0.44倍。Pb在海岸整治修復(fù)工程實(shí)施前，所有監(jiān)測站位都達(dá)到二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(≤5.0μg/L)，平均達(dá)標(biāo)倍數(shù)為0.39倍;海岸整治修復(fù)工程實(shí)施后，有91.67%監(jiān)測站位達(dá)到二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，平均達(dá)標(biāo)倍數(shù)增加為0.43倍。Zn在海岸整治修復(fù)工程實(shí)施前，有95%監(jiān)測站位都達(dá)到二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(≤50.0μg/L測站位)，平均達(dá)標(biāo)倍數(shù)為0.83倍;海岸整治修復(fù)工程實(shí)施后，有33.33%監(jiān)測站位達(dá)到二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，平均達(dá)標(biāo)倍數(shù)增加為1.15倍。

3.3 海灣整治修復(fù)工程前后主要污染指數(shù)及海水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)變化

以旅游休閑娛樂區(qū)二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)分析，月亮灣海岸整治修復(fù)前，海灣水體主要污染物評價(jià)指標(biāo)為:COD(1.05 mg/L)、無機(jī)氮(421.75 mg/L)、活性磷酸鹽(9.11 mg/L)、石油類(4.07 mg/L)和重金屬Zn(38.83μg/L)、Cu、Pb、Cd和Hg、其污染指數(shù)分別為:0.35，1.46，0.38，0.10，0.83，0.81，0.39，0.16和0.15。在上述污染評價(jià)指標(biāo)中，無機(jī)氮質(zhì)量濃度最高，所有監(jiān)測站位都不滿足二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，成為月亮灣海水環(huán)境質(zhì)量的“短板”，海水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)為1.46。

海岸整治修復(fù)工程實(shí)施后，海灣水體主要污染物為:COD(1.46 mg/L)、無機(jī)氮(0.47 mg/L)、活性磷酸鹽(0.03 mg/L、石油類(0.02 mg/L)和重金屬Zn(0.06μg/L)、Cu、Pb、Cd和Hg，其污染指數(shù)分別為:0.49，1.55，0.90，0.46，1.15，0.44，0.43，0.16和0.55。海岸整治修復(fù)工程實(shí)施后，無機(jī)氮質(zhì)量濃度仍然很高，只有16.67%的站位滿足二類海水水質(zhì)要求，其他80%以上的監(jiān)測站位不滿足二類海水水質(zhì)要求，仍為月亮灣海水環(huán)境質(zhì)量的“短板”，海水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)為1.55。

4 討 論

營口月亮灣海岸整治修復(fù)工程主要包括海岸沙灘養(yǎng)護(hù)、海岸景觀美化、海岸空間整治、海岸環(huán)境整治等工程，其中在熊岳河口填海造地向海延升陸地，有效阻擋了熊岳河徑流夾帶的河流污染物向月亮灣擴(kuò)散，可能改善月亮灣海灘附近海域海水環(huán)境質(zhì)量。同時(shí)，在二道河、紅海河下游入?？谕谕脸珊?，建造了月亮湖，可以凈化部分河流入海污染物。由于海水隨潮汐、波浪、海流等水文水動(dòng)力過程具有流動(dòng)性和連通性，月亮灣外遼東灣海洋水環(huán)境質(zhì)量變化會整體影響月亮灣海岸整治修復(fù)工程的海洋水環(huán)境效果。遼寧省海洋環(huán)境狀況公報(bào)[21]顯示，2013—2017年遼東灣大遼河等河流入海氮(N)、磷(P)等污染物逐年增加，四類和劣四類海水水質(zhì)區(qū)域一直分布于從大遼河口至營口鲅魚圈的近岸海域[21]。月亮灣外遼東灣整體海洋水環(huán)境質(zhì)量變化直接影響著月亮灣海洋水體主要污染物質(zhì)量濃度變化，使得月亮灣海岸整治修復(fù)工程的水環(huán)境效果被遼東灣整體海洋水環(huán)境質(zhì)量變化所屏蔽。同時(shí)2013年?duì)I口月亮灣整治修復(fù)工程實(shí)施前，附近營口港仙人島港區(qū)還沒有完全建成運(yùn)營;2017年?duì)I口月亮灣整治修復(fù)工程實(shí)施后，營口港仙人島港區(qū)已經(jīng)全面進(jìn)入運(yùn)營期，進(jìn)出港貨船增多，石油類污染物質(zhì)量濃度提升，可能與附近營口港仙人島港區(qū)運(yùn)營有關(guān)。

5 結(jié) 語

砂質(zhì)海岸是重要的濱海旅游休閑資源，砂質(zhì)海岸整治修復(fù)工程的重要內(nèi)容之一就是整治修復(fù)近岸海域海水環(huán)境質(zhì)量。為客觀評價(jià)砂質(zhì)海岸整治修復(fù)工程的水環(huán)境質(zhì)量改善效果，采用對比分析法研究建立了基于海洋功能區(qū)水環(huán)境質(zhì)量要求的砂質(zhì)海岸整治修復(fù)工程海洋水環(huán)境效果評價(jià)方法，并以營口月亮灣砂質(zhì)海岸整治修復(fù)工程為案例進(jìn)行了實(shí)證研究，希望為砂質(zhì)海岸整治修復(fù)工程水環(huán)境效果評價(jià)提供參考。