王剛劉占峰張春艷張甲波

(1.河北省海洋地質(zhì)資源調(diào)查中心 秦皇島 066001;2.河北省自然資源廳 石家莊 050051;3.天津大學 天津 300072;4.河北省海洋岸線生態(tài)修復與智慧海洋監(jiān)測工程研究中心 秦皇島 066001)

0 引言

海洋對我國的政治、文化、國防和經(jīng)濟發(fā)展都有極其重要的意義。當前,我國生態(tài)文明建設正處于壓力疊加、負重前行的關鍵期,必須堅定不移地走生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展之路。在人類活動和氣候變化的雙重壓力下,我國海洋生態(tài)安全總體形勢不容樂觀。海岸帶地區(qū)受高強度開發(fā)干擾顯著,海洋生態(tài)問題存量較多,入海污染物總量依然很大,赤潮、綠潮等生態(tài)災害多發(fā),生態(tài)保護任務仍然復雜艱巨[1],最終對海洋發(fā)展造成不利影響,并對人民生命和財產(chǎn)的安全帶來嚴重危害。海洋生態(tài)問題已經(jīng)成為限制海洋強國之路建設的難點問題[2],因而亟須建設一套裝備先進、全天候的海洋監(jiān)測與預警體系[3]。

設立入海河口生態(tài)預警監(jiān)測站,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)生態(tài)敏感因子的連續(xù)、高頻、原位的監(jiān)測,更能夠為揭示陸源生態(tài)因子與近海生態(tài)互作機制和建立超前預警體系打下堅實基礎。因此,本研究通過綜述國內(nèi)外入海河口海洋生態(tài)預警監(jiān)測技術的發(fā)展歷程、建設情況和應用方向,以期為提升我國海洋生態(tài)監(jiān)測預警能力提供借鑒。

1 入海河口生態(tài)狀況對海洋生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的影響

河口是陸源污染物入海的重點區(qū)域。據(jù)統(tǒng)計,我國海洋污染物約有80%以上來自陸源,其中絕大部分來自河口輸入[4]。這些陸源污染通過促使海水富營養(yǎng)化從而引發(fā)海灣、內(nèi)灣、潟湖和城市密集海岸等生態(tài)敏感區(qū)域內(nèi)赤潮和綠潮等生態(tài)災害的發(fā)生[5-6]。例如,受長江等河流輸入的影響,東海海區(qū)無機氮和無機磷含量超過國家一類海水水質(zhì)標準,是該區(qū)域內(nèi)赤潮頻發(fā)的原因之一[7]。而國外的長期監(jiān)測也表明,1992—2000年,每年有大約1.38億kg和760萬kg的氮磷排入波羅的海是導致該區(qū)域每年發(fā)生綠潮現(xiàn)象的主因[8]。另一方面,河口污染帶來的富營養(yǎng)化問題也是近海水母暴發(fā)的重要因素之一。Riisgard、Lucas和Makabe等[9-11]研究發(fā)現(xiàn),海洋富營養(yǎng)化、小型浮游動物、人工構造物增加等因素都可能造成水母暴發(fā),近海區(qū)域性水母暴發(fā)可能是局地生境特征、環(huán)境變化和人類活動等共同作用的結(jié)果。由此可見,河口區(qū)域的生態(tài)要素對海洋生態(tài)災害的發(fā)生起著重要影響作用。

因此,河口區(qū)域是我國業(yè)務化生態(tài)預警監(jiān)測體系重點布局區(qū)域。近岸海域發(fā)生赤潮、綠潮等海洋生態(tài)災害時,通過追溯重要影響生態(tài)因子由河口入海的過程,對開展生態(tài)敏感因子預警監(jiān)測、海洋災害預警預報有著指導意義,也是防止和消除海洋生態(tài)災害,減少生態(tài)損害的重要監(jiān)測手段。

2 國內(nèi)外入海河口海洋預警監(jiān)測站發(fā)展與建設情況

2.1 國外入海河口生態(tài)預警監(jiān)測站發(fā)展與建設情況

國外在入海河口生態(tài)預警監(jiān)測方面起步較早,最早從水質(zhì)連續(xù)監(jiān)測技術開始。在20世紀70年代,隨著計算機技術和通信技術的發(fā)展,國外海洋監(jiān)測體系尤其是自動監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展迅速,許多已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并進入業(yè)務化運行階段。

到20世紀80年代初,美國就發(fā)展了岸基海洋自動觀測網(wǎng)(C-MAN),該觀測網(wǎng)共有48個站,其中包含9個近海平臺、13個岸基監(jiān)測站、8個大型導航浮標和1個錨系浮標,不僅實現(xiàn)了入海河口及近岸海域?qū)崟r自動監(jiān)測,還實現(xiàn)了部分生態(tài)預警技術或產(chǎn)品向公共服務領域的延伸[12]。20世紀90年代之前,多瑙河流域生態(tài)惡化事故時有發(fā)生,并對黑海近岸海域造成影響,因此在多瑙河流域及入?？诮ㄔO了多瑙河流域事故預警系統(tǒng)(DAEWS)。該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)收集處理系統(tǒng)、有毒有害物質(zhì)數(shù)據(jù)庫及預警模塊,在突發(fā)生態(tài)事件的預警和處置中發(fā)揮了重要作用,有效地避免了對下游的生態(tài)影響[13]。

當前,國外許多國家同時布局海洋生態(tài)監(jiān)測預警計劃,如挪威開展的SEAWATCH計劃,采用OCEANOR公司研制的海洋生態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)存儲、處理信息系統(tǒng),包含數(shù)據(jù)的采集、分析處理、預警預報及信息分發(fā)模塊,實現(xiàn)了河口和海域的數(shù)據(jù)監(jiān)測、分析處理及預警預報。其技術已日趨成熟并走向商品化,在歐洲的北海和東南亞地區(qū)得到廣泛應用[14]。

在系統(tǒng)的管理方面,歐美國家采取大區(qū)制,將大范圍采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心,便于數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和預警聯(lián)動。發(fā)達國家入海河流監(jiān)測預警技術和管理經(jīng)驗為我國實現(xiàn)在線監(jiān)測預警提供了寶貴經(jīng)驗,具有一定的參考價值。

2.2 國內(nèi)入海河口生態(tài)預警監(jiān)測站發(fā)展與建設情況

我國入海河口監(jiān)測技術與發(fā)達海洋國家相比尚有較大差距,作為海洋科學和技術的一部分,預警監(jiān)測技術水平落后于先進海洋國家10~15年。發(fā)展初期,由于國內(nèi)自主研發(fā)的一些監(jiān)測設備缺乏成果的標準化鑒定機制,一直無法進入市場。但隨著改革開放的發(fā)展,我國對海洋預警監(jiān)測給予了高度重視,經(jīng)過30余年的建設和發(fā)展,海洋生態(tài)監(jiān)測技術得到了長足的進步,已初步建立了由岸基站、浮標、調(diào)查監(jiān)測船、衛(wèi)星遙感和航空遙感組成的立體監(jiān)測網(wǎng),而國產(chǎn)化海洋監(jiān)測設備在此過程中也逐步得到應用。

當前,我國已經(jīng)在廣西、河北、山東、上海、廣東和遼寧等沿海省(自治區(qū)、直轄市)逐步建立了生態(tài)預警監(jiān)測體系。廣西自2013年11月開始在沿海重要入海河流、沿海重大工業(yè)排污口、港灣和赤潮多發(fā)區(qū)等重點敏感區(qū)域布設了16套海洋水質(zhì)生態(tài)監(jiān)測浮標,并建設完成浮標系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收控制中心,基本實現(xiàn)污染物排放情況和海洋生態(tài)變化情況的實時監(jiān)控,做到對赤潮、溢油等污染事故的預警預報[15]。河北省自2014年開展主要入海河口生態(tài)預警在線監(jiān)測能力建設工作,目前已分別在石河、戴河、洋河、人造河等共17個入海河口建設完成生態(tài)預警在線監(jiān)測系統(tǒng),并建成生態(tài)預警在線監(jiān)測運營管理中心,實現(xiàn)了水質(zhì)五參數(shù)、營養(yǎng)鹽、COD等21項海洋生態(tài)災害關鍵關聯(lián)因子和參考關聯(lián)因子的連續(xù)、自動、快速監(jiān)測。在此基礎上,運用“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進技術,初步建成了服務本省海洋生態(tài)預警監(jiān)測工作的海洋大數(shù)據(jù)平臺,為北戴河鄰近海域生態(tài)災害監(jiān)測、預警和海洋防災減災提供了技術支撐和決策依據(jù)。

山東省建立了包括15個海洋站、近10個浮標、2套地波雷達的立體監(jiān)測網(wǎng),形成覆蓋近岸到遠海不同層面的海洋立體觀測網(wǎng),為業(yè)務化海洋觀測預報、防災減災等提供實時的綜合海洋環(huán)境觀測資料[16]。上海市建設了由岸基自動監(jiān)測站、預警浮標、海床基等自動觀測系統(tǒng)和岸站接收系統(tǒng)組成的海洋災害預警系統(tǒng),監(jiān)測數(shù)據(jù)實時發(fā)送至岸站接收系統(tǒng),建立了近海海洋生態(tài)災害數(shù)字基礎信息庫和應急支持決策系統(tǒng)[3]。廣東省入海河口生態(tài)預警在線監(jiān)測系統(tǒng)建設主要集中在深圳市,目前建設有入海河口在線監(jiān)測站20座。2014年,深圳市海洋局在深圳河口建設了第一座生態(tài)預警在線監(jiān)測試點站,2020年在大沙河、福永河等19條入海河口新建成19座生態(tài)預警監(jiān)測站。

2015年,國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心在遼河建設了1座入海污染岸基在線監(jiān)測試點站。2017—2018年,國家海洋局北海分局在渤海海域入海河口建設了10余座陸源入海污染在線監(jiān)測岸基站,國家海洋局南海分局在廣州、廣西、海南、珠海、中山先后建設了6座陸源入海污染在線監(jiān)測岸基站。

綜上所述,我國已經(jīng)在多個沿海省(自治區(qū)、直轄市)初步建立了入海河口海洋預警監(jiān)測體系,其中河北省北戴河海域和深圳市海域已經(jīng)實現(xiàn)了該體系的區(qū)域性大規(guī)模業(yè)務化應用,為我國后續(xù)海洋預警監(jiān)測站的建設打下了堅實基礎并積累了寶貴經(jīng)驗。

3 入海河口海洋生態(tài)預警在線監(jiān)測站初步應用

入海河口海洋生態(tài)預警在線監(jiān)測站作為一種連續(xù)、實時、高效的河口、海灣生態(tài)預警監(jiān)測手段近年來得到了有效發(fā)展和應用。目前應用方向主要包括生態(tài)災害誘發(fā)因子入海通量監(jiān)控以及聯(lián)合其他海洋監(jiān)測手段開展的近岸海域生態(tài)過程機理研究及海洋生態(tài)災害預警監(jiān)測等功能,為有效保護重要、敏感和脆弱河口及海灣海洋生態(tài)系統(tǒng)提供基礎數(shù)據(jù)支持,為海洋行政管理部門提供輔助決策支撐。

3.1 生態(tài)災害誘發(fā)因子入海通量監(jiān)控

入海河口海洋生態(tài)預警在線監(jiān)測站最直接的應用是對河流入海的營養(yǎng)鹽的監(jiān)測。一方面,入海河口生態(tài)預警在線監(jiān)測站能夠?qū)θ牒Ａ髁颗c誘發(fā)因子濃度進行實時同步監(jiān)測,得到生態(tài)災害誘發(fā)因子連續(xù)通量數(shù)據(jù),明確營養(yǎng)鹽等生態(tài)災害誘發(fā)因子入海通量變化特征,為近岸海域生態(tài)災害誘發(fā)因子溯源分析和預防生態(tài)災害的發(fā)生提供依據(jù);另一方面,入海河口生態(tài)預警在線監(jiān)測站獲得的高時間分辨率和高精度的營養(yǎng)鹽監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠提供更為精準的營養(yǎng)鹽入海通量數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)與行政區(qū)域、功能區(qū)劃等的結(jié)合,能夠為指導海洋行政管理部門對各區(qū)域的生態(tài)災害誘發(fā)因子進行總量控制[17],以及制定入海誘發(fā)因子總量控制制度提供重要支撐。

3.2 近岸海洋生態(tài)過程機理研究

在完成海洋監(jiān)測的基礎上,通過對入海河口生態(tài)災害誘因數(shù)據(jù)的進一步分析,研究河口生態(tài)災害誘因與生態(tài)災害的相互作用關系?，F(xiàn)階段已有部分學者將入海河口生態(tài)預警在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、浮標監(jiān)測數(shù)據(jù)及近岸海域監(jiān)測結(jié)果與小波分析和系統(tǒng)動力學方法相結(jié)合,借助于計算機及仿真技術提取監(jiān)測數(shù)據(jù)的主要信息,對有限的量化數(shù)據(jù)、各參數(shù)間的因果關系、特定的結(jié)構進行推算,最終獲得河、海水水質(zhì)關鍵因子之間的關聯(lián)性及其主要影響因子的變化趨勢,闡明入海河流污染輸入對近岸海域海洋生態(tài)的影響。

3.3 海洋生態(tài)災害預警

入海河口海洋生態(tài)預警在線監(jiān)測站建設應用的最終目標,是通過將入海河流污染數(shù)據(jù)與生態(tài)災害發(fā)生機理相結(jié)合,構建出基于入海污染物在線監(jiān)測的海洋生態(tài)災害、污染事故超前預測體系。該體系的建立能夠?qū)τ锌赡馨l(fā)生的海洋災害、污染事故問題發(fā)出預警信息,有助于在海洋災害、污染事故尚未發(fā)生的時候,采取有效的措施,盡量減少海洋災害、污染事故對生態(tài)或者人類造成的傷害[18]。目前,在赤潮、綠潮、水母和病原菌等生物災害的預測預警方面相對欠缺。這與生物預測的復雜性有關,海洋生物災害的發(fā)生往往是有多個因子的交互作用,其誘導的主因還往往存在多變性,例如病原菌的污染源既可能來源于陸源的輸入,也可能來源于海底沉積物重懸浮的再釋放過程。因此,對近海生物類生態(tài)災害的預測預警工作應該建立在多要素、高頻率、大區(qū)域的生態(tài)要素數(shù)據(jù)的采集上,而入海河口海洋生態(tài)預警在線監(jiān)測站的建設是數(shù)據(jù)采集的基礎。

4 未來前景

入海河口生態(tài)預警監(jiān)測體系通過對河口生態(tài)進行在線監(jiān)測,結(jié)合海洋生態(tài)狀況和水動力條件,可實現(xiàn)海洋生態(tài)災害以及突發(fā)性污染事故的及時預警,通過采取有效處置措施,從而避免海洋生態(tài)災害和突發(fā)污染事故對海洋生態(tài)和人民財產(chǎn)造成的巨大損失,同時也是河口、海灣等典型生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)控的重要手段。總之,入海河口海洋生態(tài)預警監(jiān)測是我國海洋生態(tài)預警監(jiān)測體系的重要組成部分,將為我國海洋生態(tài)文明建設發(fā)揮重要作用。

4.1 “岸-海-空-天”立體化監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分

多種技術手段的綜合應用,是進行海洋生態(tài)監(jiān)測的有效手段。未來,建立基于“岸-海-空-天”的立體化監(jiān)測系統(tǒng)將成為新的趨勢。該手段通過綜合運用衛(wèi)星遙感監(jiān)測、航空遙感監(jiān)測和地面站點監(jiān)測等多種生態(tài)監(jiān)測手段,建立更加全面準確數(shù)據(jù)支持的立體生態(tài)監(jiān)測感知體系,能夠更為全面地掌握近岸海域生態(tài)基本特征。其中河口岸基在線監(jiān)測站是“岸-海-空-天”立體化監(jiān)測系統(tǒng)的基礎,對于摸清河口生態(tài)狀況具有重要意義,是研究陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)系統(tǒng)的紐帶,可直接服務于海洋綜合立體化生態(tài)監(jiān)測體系,為海洋生態(tài)安全和海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供保障。

4.2 典型生態(tài)系統(tǒng)長效預警監(jiān)測的重要手段

入海河口生態(tài)預警監(jiān)測體系是重要河口、海灣岸基生態(tài)監(jiān)測站的重要組成,應用原位在線等技術手段,對關鍵生境指標、關鍵威脅要素開展連續(xù)、自動、快速監(jiān)測,獲取長時序、科學、準確的監(jiān)測數(shù)據(jù),對于掌握重要河口等典型生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀與演變趨勢具有重要支撐作用。根據(jù)典型生態(tài)系統(tǒng)面臨威脅的嚴重與迫切程度,以及生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性,建立重要河口等典型生態(tài)系統(tǒng)預警體系,發(fā)布典型生態(tài)系統(tǒng)預警產(chǎn)品,為生態(tài)保護和修復決策提供有力支撐,不斷提升生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性。

4.3 近岸海域生態(tài)災害預警監(jiān)測的關鍵

基于海洋生態(tài)災害頻發(fā)、突發(fā)性海洋生態(tài)事故時有發(fā)生的現(xiàn)狀,海洋生態(tài)監(jiān)測預警的基礎性支撐作用逐漸凸顯,成為引領和推動海洋生態(tài)治理體系和治理能力現(xiàn)代化的中堅力量。入海河口生態(tài)預警在線監(jiān)測系統(tǒng)通過采集多要素、高頻率、大區(qū)域的生態(tài)要素濃度數(shù)據(jù),運用“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進技術,研究海洋生態(tài)災害誘發(fā)因子的變化趨勢和入海通量關系,構建基于入海污染物在線監(jiān)測的海洋生態(tài)災害超前預測體系,及時預警赤潮、綠潮等海洋生態(tài)災害暴發(fā)種類、規(guī)模、影響范圍和危害,為海洋防災減災和海洋生態(tài)安全保障提供決策支持。

4.4 河口、海灣生態(tài)系統(tǒng)固碳增匯研究的重要手段

河口是陸地和海洋交互作用最強烈的區(qū)域,河口區(qū)域水體中攜帶的磷、氮、碳、硅等營養(yǎng)物質(zhì)豐富,初級生產(chǎn)力明顯高于陸架區(qū)域和深海區(qū),是全球碳循環(huán)的重要組成部分[19]。入海河口生態(tài)預警監(jiān)測體系可作為海岸帶一體化藍碳綜合觀測網(wǎng)的重要組成部分,其獲取的營養(yǎng)鹽、鹽度、流量等要素數(shù)據(jù),能夠?qū)ι钊胙芯克}平衡、微生物固碳水平、營養(yǎng)鹽調(diào)控、固碳植物篩選等固碳增匯過程起到重要作用[20],為人工增匯措施的建立打下基礎。