張 燕，隋傳國(guó)，張瑞瑾, 蔡恒江, 袁道偉

(1.大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院，遼寧大連 116023；2.國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，遼寧大連 116023)

長(zhǎng)?？h是我國(guó)北方唯一一座海島縣，也是我國(guó)唯一的海島邊境縣[1]。長(zhǎng)海縣的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)為漁業(yè)，盛產(chǎn)珍稀海產(chǎn)品，以旅游業(yè)和造船業(yè)為輔。由于漁業(yè)管理方法粗放，養(yǎng)殖規(guī)模無(wú)度擴(kuò)張，旅游業(yè)飛速發(fā)展[2]，給區(qū)域環(huán)境帶來(lái)巨大壓力。在“十五”期間，長(zhǎng)海縣政府制定了一系列政策和法律法規(guī)[3]對(duì)海域污染進(jìn)行治理，與此同時(shí)人類活動(dòng)對(duì)長(zhǎng)海海域的影響也受到諸多學(xué)者的關(guān)注。鄭莉等[4]、紀(jì)惠敏[5]采用污染綜合指數(shù)法對(duì)長(zhǎng)?？h海域水質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)；李洪波等[6]針對(duì)長(zhǎng)海海域無(wú)機(jī)氮、硅酸鹽和活性磷酸鹽等數(shù)據(jù)進(jìn)行了季節(jié)變化分析。上述調(diào)查評(píng)價(jià)均是從年際變化趨勢(shì)或季節(jié)變化展開(kāi)討論，但基于大面調(diào)查數(shù)據(jù)的長(zhǎng)海海域海洋環(huán)境空間分析仍稍顯薄弱。GIS以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)和空間分析能力使其在海洋資源環(huán)境領(lǐng)域獲得了越來(lái)越多的應(yīng)用[7-9]，筆者利用搜集的長(zhǎng)海海域環(huán)境信息，將指數(shù)法評(píng)價(jià)模型應(yīng)用到GIS的分析應(yīng)用中,利用GIS空間分析技術(shù),分析了評(píng)價(jià)指標(biāo)的空間分布特征,旨在為長(zhǎng)海海洋環(huán)境保護(hù)與管理提供技術(shù)支持。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1研究區(qū)概況長(zhǎng)?？h,位于遼東半島東側(cè)的黃海北部海域，東邊和朝鮮半島隔海相望，西、北邊與大連市、金州區(qū)、普蘭店區(qū)和莊河市隔海毗鄰，西南與山東省廟島群島相對(duì)。長(zhǎng)?？h隸屬于遼寧省大連市，全縣共由252個(gè)海島組成，其中居民海島18個(gè)，無(wú)居民海島234個(gè)，海域面積為10 324 km2，海岸線總長(zhǎng)359 km，是中國(guó)東北地區(qū)距離日本、韓國(guó)最近的區(qū)域[10]。長(zhǎng)海海域地理坐標(biāo)為122°17′36″～123°13′18″E、38°55′47″～39°34′10″N[11]。

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源數(shù)據(jù)來(lái)源于遼寧省環(huán)境保護(hù)廳發(fā)布的近岸海域環(huán)境質(zhì)量狀況(季報(bào))、大連海洋與漁業(yè)局發(fā)布養(yǎng)殖公司監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及大連長(zhǎng)?？h圍海養(yǎng)殖用海海域使用評(píng)估報(bào)告，均選取秋季監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)站位置見(jiàn)圖1。主要涉及常規(guī)海洋水質(zhì)指標(biāo)，包括pH、溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(COD)、石油類、活性磷酸鹽(DIP)和無(wú)機(jī)氮(DIN)。

1.3方法

1.3.1水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)方法。海水水質(zhì)評(píng)價(jià)有多種方法，總體可分為單因子評(píng)價(jià)法和多因子綜合評(píng)價(jià)法，其中綜合評(píng)價(jià)采用多項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，考慮整體海水污染要素，評(píng)價(jià)結(jié)果能基本反映海洋環(huán)境綜合質(zhì)量。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)海洋環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)的研究開(kāi)展了大量工作,提出了諸多有關(guān)海洋環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法和模式[12]。內(nèi)梅羅指數(shù)法既考慮了最大污染因子，同時(shí)又兼顧了各項(xiàng)污染因子平均值，成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行綜合污染指數(shù)計(jì)算很常用的方法之一[13]。內(nèi)梅羅指數(shù)法計(jì)算公式如下：

(1)

式中，P為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；ρmax、ρa(bǔ)vg分別為單因子污染指數(shù)的最大值與平均值。根據(jù)大連市人民政府辦公廳于2006年5月22日發(fā)布的《大連市近岸海域環(huán)境功能區(qū)劃》，長(zhǎng)?？h各港口港區(qū)所占海域?yàn)槿惌h(huán)境功能區(qū)，核大坨子、烏蟒島、獐子島、南坨和后套周圍500 m范圍海域?yàn)橐活惌h(huán)境功能區(qū)，除上述各類環(huán)境功能區(qū)外的近岸海域均為二類環(huán)境功能區(qū)，因此單因子評(píng)價(jià)時(shí)選用海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 3097—1997)中 Ⅱ 類標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)(P)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[14]：P≤0.6為清潔，0.65.0為重度污染。

1.3.2富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法。海水富營(yíng)養(yǎng)化與海域赤潮或綠潮的發(fā)生關(guān)系密切，海水富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)一定程度反映海洋環(huán)境質(zhì)量信息，采用海水富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)法評(píng)價(jià)海水富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)應(yīng)用區(qū)域最廣。富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)在應(yīng)用中不斷被重新定義和發(fā)展，該研究采用國(guó)家海洋局發(fā)布的《中國(guó)海洋環(huán)境質(zhì)量公報(bào)》定義的富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)(E)：

E=DIN×DIP×COD/4 500×106

(2)

式中， DIN、DIP、COD分別為無(wú)機(jī)氮、無(wú)機(jī)磷和化學(xué)需氧量濃度，單位是mg/L。E評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[15]：E<1為非富營(yíng)養(yǎng)化；1≤E≤3為輕度富營(yíng)養(yǎng)化；39為重度富營(yíng)養(yǎng)化。

1.3.3空間分析。在ArcGIS環(huán)境下, 對(duì)各單項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)值進(jìn)行空間插值, 將離散的點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為連續(xù)的面數(shù)據(jù)。利用Spatial Analyst工具，以長(zhǎng)?？h管轄海域范圍為障礙線，采用含障礙的樣條函數(shù)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，柵格數(shù)據(jù)空間分辨率為250 m。在各單項(xiàng)指標(biāo)空間插值柵格圖的基礎(chǔ)上，使用Spatial Analyst模塊，根據(jù)公式(1)、(2)進(jìn)行柵格計(jì)算，獲得水質(zhì)污染綜合指數(shù)、富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)的空間分布柵格圖，基于此可進(jìn)行長(zhǎng)?？h海洋水質(zhì)環(huán)境信息分析。

圖1 研究海域調(diào)查站位示意Fig.1 Surveyed area and sampling sites

2 結(jié)果與分析

2.1各水質(zhì)指標(biāo)的平面分布基于GIS對(duì)pH、DO、COD、石油類、DIP、DIN監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格插值，獲得各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)平面空間分布(圖2)。長(zhǎng)海海域pH分布在7.4～8.2，高值出現(xiàn)在大長(zhǎng)山島與格仙島之間海域，但仍符合一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，低值出現(xiàn)在哈仙島與廣鹿島之間海域，除此之外，長(zhǎng)海海域pH空間分布差異較小，在8.1附近。DO濃度分布在5.4～13.3 mg/L，低值出現(xiàn)在大長(zhǎng)山島西部部分水域，但亦符合二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，高值出現(xiàn)在小長(zhǎng)山島東部海域，總體而言，DO濃度空間分布差異較小，在9.0 mg/L左右。長(zhǎng)海海域石油類濃度均較低，高值位于海洋島附近海域，其值也僅是一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的1/10。COD、DIP、DIN濃度高值均高于一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)但低于二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，3項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)空間分布特征相似，總體而言，島嶼周邊及島嶼之間濃度較高，而在海域開(kāi)闊處濃度較低，分析主要是受養(yǎng)殖活動(dòng)和水體交換能力的影響。石城島附近無(wú)監(jiān)測(cè)結(jié)果，其附近出現(xiàn)的無(wú)機(jī)氮高值區(qū)，分析是柵格插值受烏蟒島高值影響而造成的。

2.2長(zhǎng)海海域海洋環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)在各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)插值結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)內(nèi)梅羅水質(zhì)綜合污染指數(shù)和富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)計(jì)算公式，采用Spatial Analyst模塊進(jìn)行柵格計(jì)算，得到水質(zhì)綜合污染指數(shù)和富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)指數(shù)的空間分布(圖3)。由圖3可知，水質(zhì)綜合污染指數(shù)位于0.50～0.72區(qū)間，表明長(zhǎng)海海域水體整體處于清潔水平，高值出現(xiàn)在廣鹿島周邊海域，屬于較清潔水平，從空間分布看，島嶼鄰近海域P值較高，在開(kāi)敞水域P值較低。富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)在0～1.5，根據(jù)富營(yíng)養(yǎng)化分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，長(zhǎng)海大部分海域未出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化，只有在廣鹿島、大長(zhǎng)山島、烏蟒島、海洋島鄰近海域出現(xiàn)輕度富營(yíng)養(yǎng)化，其中高值出現(xiàn)在廣鹿島西部海域。研究海域東北部富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)較高，主要是因?yàn)闊o(wú)機(jī)氮濃度空間插值形成高值區(qū)進(jìn)而影響了富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)。

3 結(jié)論與討論

基于GIS技術(shù)，結(jié)合水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)、富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)模型進(jìn)行了長(zhǎng)海海域海洋環(huán)境信息分析。長(zhǎng)海海域各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)空間分布表明，長(zhǎng)海海域pH、DO空間分布比較均勻，大部分海域符合一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。石油類濃度均較低。

圖2 長(zhǎng)海海域各水質(zhì)指標(biāo)含量的平面分布Fig.2 Plane distribution of water quality indexes in Changhai water

圖3 長(zhǎng)海海域水質(zhì)綜合污染指數(shù)和海水富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)平面分布Fig.3 Horizontal distribution of water quality comprehensive pollution index and eutrophication index in Changhai sea area

COD、DIP、DIN空間分布相似，島嶼周邊及島嶼之間濃度較高，而在海域開(kāi)闊處濃度較低，究其原因，主要受養(yǎng)殖活動(dòng)和水體交換能力的影響。除廣鹿島周邊海域是較清潔外，長(zhǎng)海整體屬于清潔海域，長(zhǎng)海大部分海域未出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化，只在廣鹿島、大長(zhǎng)山島、烏蟒島、海洋島鄰近海域出現(xiàn)輕度富營(yíng)養(yǎng)化，其中高值出現(xiàn)在廣鹿島西部海域。

研究海域東北部DIN濃度和富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)出現(xiàn)高值，分析是受空間插值影響。海洋環(huán)境數(shù)據(jù)常具有樣本量不充分、時(shí)間空間變異性強(qiáng)等特點(diǎn)，給準(zhǔn)確的空間插值帶來(lái)了挑戰(zhàn)，針對(duì)上述海洋數(shù)據(jù)特點(diǎn)，需加強(qiáng)GIS的空間分析技術(shù)研究力度和實(shí)際應(yīng)用。

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