畢玉明，馬方方 ，江田田，陳作藝，周秋伶，桓清柳 ，劉會欣

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

引 言

暴雨對近岸海水水質影響較大，短期造成表層污染稀釋、中期則導致地表徑流將大量化學物質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養(yǎng)鹽輸入突然增加，進而導致近岸海域赤潮生物大量增殖[3-4]。因監(jiān)測條件限制，采用現場數據分析暴雨等對水質影響的研究相對較少，郭衛(wèi)東等[2-3]研究了臺風及暴雨對廈門灣的水質影響，研究發(fā)現，臺風及暴雨短期內會造成近岸海域營養(yǎng)鹽倍增，而對海域水質中期變化影響則較小，主要原因是臺風期間表層海水溶解氧充足，水體自凈能力強，有利于有機污染物氧化降解；且此時期水動力條件也有利于污染物向外海擴散。Zhou等[5]研究了一次臺風及其導致的珠江徑流輸入對香港海域水質的影響，臺風前該海域爆發(fā)大規(guī)模赤潮將營養(yǎng)鹽消耗至較低水平，臺風后，陸源徑流攜入的大量營養(yǎng)物質導致了又一次赤潮的發(fā)生。

河北省沿海受風暴潮影響相對較小，根據2017年河北省海洋狀況公報，2013—2017年，風暴潮增水造成的直接經濟損失為23億元左右，其中2016年損失最重，達到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)存在明顯相關關系[6-7]。河北省于2013年開始海洋立體觀測系統的建設工作，并于2017年開始在入海口處建設在線監(jiān)測岸基站，實時監(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行的近岸海域環(huán)境浮標監(jiān)測監(jiān)測站點達10個，入?？诎痘O(jiān)測站為9個，實現了利用浮標數據對海域赤潮(含褐潮)發(fā)生情況的連續(xù)監(jiān)測[4,8]，同時2016年浮標數據也對風暴潮及其引發(fā)的赤潮進行了監(jiān)測[4]，2018年8月中旬，受臺風“摩羯”影響，秦皇島海域發(fā)生風暴潮，風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，受臺風“利奇馬”影響，秦皇島持續(xù)暴雨，局地大暴雨，暴雨導致陸源污染物集中輸入，對近岸海域水質產生較大影響，本文主要采用秦皇島海域浮標在線監(jiān)測數據，分析大暴雨對鄰近海域水質的影響。

1 材料與方法

本文數據主要來源于秦皇島海域三個浮標的監(jiān)測數據，站位分布見圖1。浮標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2#位于人造河鄰近海域，距離海岸和入?？诩s4.8 km；浮標3#位于七里海(新開口)鄰近海域，距離海岸和入?？诩s5 km。浮標監(jiān)測水深約為水下0.5 m。水質及水文氣象儀器監(jiān)測頻率均為1次/0.5 h，主要用于收集氣象六參數和水溫、鹽度、pH、DO、Chla等參數；浮標營養(yǎng)鹽分析儀監(jiān)測頻率為1次/4 h，監(jiān)測參數包括硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮和正磷酸鹽。下文中用的數據包括實測值(浮標實際監(jiān)測數據)、日均值(每日監(jiān)測數據的平均值)；日降雨量數據為每日48組實測值求和結果。三個浮標的水質監(jiān)測傳感器均為美國YSI公司的EXO2型多參數水質監(jiān)測儀，營養(yǎng)鹽分析儀為意大利SYSTEA公司的WIZ原位營養(yǎng)鹽分析儀，傳感器海上運行期間均定期(每月1—2次)進行維護、校準和數據比對(采用檢定后的儀器進行現場比對)。

圖1 浮標站位分布

2 結果與討論

2.1 過程描述

2019年8月11—12日，受第9號臺風“利奇馬”影響，秦皇島海域風浪及降雨量均較大。根據監(jiān)測數據，近岸海域風速最高為9級，陣風最高為12級，有效波高最高達到2.4 m，最大波高達到4.34 m，8月11日和12日降雨量最高分別達到110.6 mm和138 mm，均為大暴雨級別。

2.2 大暴雨前后浮標數據分析

將暴雨前后分為5個階段，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)和恢復期(8月19—22日)，三個浮標站各參數不同階段均值、變化范圍分別見表1—3。三個浮標的降雨量、鹽度及水質參數變化分別見圖2—6。

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

圖2 8月7—22日秦皇島三個浮標日降雨量變化

鹽度、水溫變化見圖3，從圖3和表中統計數據可以看出，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，可能因為風暴潮増水，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#浮標所在海域鹽度降至最低，1#浮標則在15日降低至最低，1#、2#、3#浮標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，實測鹽度最低分別為25.0、22.3、25.2。暴雨后階段Ⅱ期間，鹽度均出現回升，在恢復期，鹽度繼續(xù)升高，接近暴雨前水平；2#和3#浮標所在海域鹽度于8月18日回升至穩(wěn)定水平，但均略低于暴雨前，1#浮標所在海域鹽度在8月16日至21日保持緩慢升高的趨勢，8月20日達到暴雨前鹽度水平。從鹽度變化可知，暴雨后階段Ⅰ期間，浮標所在海域水質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和恢復期，水溫也有升高，但幅度不大。

圖3 8月7—22日秦皇島三個浮標鹽度、水溫日均值變化

從圖4、圖5及數據表可以看出，營養(yǎng)鹽變化與鹽度較為一致，各浮標營養(yǎng)鹽達到最高的日期與鹽度降至最低的日期均相同。營養(yǎng)鹽均在暴雨后階段Ⅰ達到最高，2#和3#浮標無機氮在8月14日達到最高，1#浮標無機氮則在8月15日取得最高值。暴雨前，近岸海域無機氮均較低，1#、2#、3#無機氮均值分別為0.097、0.040、0.013 mg/L，暴雨期間1#、2#無機氮均有降低，3#略有升高(見表1至表3)。暴雨后無機氮含量升高，暴雨后階段Ⅰ，三個浮標無機氮日均值最高分別達到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，營養(yǎng)鹽逐日下降，但本階段營養(yǎng)鹽平均值仍明顯高于暴雨前；恢復期，營養(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日磷酸鹽開始升高，同樣于8月14日達到最高，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和恢復期，磷酸鹽變化過程與無機氮相似。

圖4 8月7—22日秦皇島三個浮標所在海域無機氮日均值變化

圖5 8月7—22日秦皇島2#和3#浮標所在海域磷酸鹽日均值變化

表1 暴雨前后浮標1#主要參數平均值及變化范圍

表2 暴雨前后浮標2#主要參數平均值及變化范圍

表3 暴雨前后浮標3#主要參數平均值及變化范圍

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#浮標葉綠素a和溶解氧則均出現一次升高過程，其中溶解氧升高幅度較大，日均值達到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，三個浮標葉綠素a陸續(xù)開始升高，溶解氧也隨之升高，1#、3#浮標葉綠素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，最早開始升高的為3#浮標，其葉綠素a升高幅度也最大，最后升高的為2#浮標，其葉綠素a在恢復期才達到最高，且升高幅度較小。七里海海域葉綠素a濃度已達到赤潮發(fā)生時的水平，海域應是發(fā)生小規(guī)模赤潮。

圖6 8月7—22日秦皇島三個浮標所在海域葉綠素a、溶解氧日均值變化

2.3 討論

2.3.1 大暴雨導致水質變化的具體原因分析

本次大暴雨為臺風所致，臺風對近岸海域水體的影響主要表現在：(1)風浪導致水體垂直混合加劇，底層有機物通過上升流進入表層從而影響表層水質；(2)強降雨過后，地表徑流導致污染物大量輸入、持續(xù)增加；(3)風暴潮增水導致河流感潮區(qū)域海水倒灌、鹽度升高，清潔海水的補充及與海域水體的充分混合在短期內對水質起到一定的改善作用。本次臺風進入渤海時，風力已大大減弱，故風浪及風暴潮增水對秦皇島近岸海域水質影響不大，大暴雨過后，徑流攜帶的大量污染物是近岸海域水質變化的主要原因。且從2.2中數據變化也可以發(fā)現，大暴雨期間鹽度及營養(yǎng)鹽變化不大，大暴雨過后，營養(yǎng)鹽最高的時間均對應鹽度最低的時間，也表明增加的營養(yǎng)鹽主要來自徑流輸入。

2.3.2 大暴雨對秦皇島近岸海域水質的影響過程

從整個數據變化可以發(fā)現，大暴雨開始的4個階段，近岸海域各參數變化過程遵循以下流程：大量降雨、營養(yǎng)鹽降低(暴雨期)——鹽度降低、營養(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至恢復期)——水質恢復至暴雨前水平(恢復期)。降雨等級達到大暴雨情況下，暴雨后階段Ⅰ和階段Ⅱ均為3 d左右，即暴雨過后6 d，海域水質相對較差。秦皇島近岸海域營養(yǎng)鹽水平整體較低[10]，而大暴雨過后的徑流輸入帶來的大量營養(yǎng)鹽，為藻類增殖提供了充足的營養(yǎng)，進而誘發(fā)藻華。

2.3.3 大暴雨對赤潮的誘發(fā)及在預警中的作用

秦皇島近岸海域水質環(huán)境較好，大部分時間營養(yǎng)鹽較低，夏季大暴雨導致水溫降低、陸源營養(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，則會發(fā)生赤潮。秦皇島海域2016年、2018年也均出現臺風引起的風暴潮及大暴雨，且大暴雨過后，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暴潮引起的大量陸源污染物輸入。結合2016年、2018年和2019年三次大暴雨過后海域的水質變化規(guī)律，秦皇島海域暴雨過后2—4 d，受到陸源營養(yǎng)鹽大量輸入的影響，入?？卩徑Ｓ蚋∮沃参镙^易大量增殖進而引發(fā)赤潮，結合天氣變化及入?？诒O(jiān)測站污染物數據變化，可以對赤潮進行早期預警。后期可繼續(xù)跟蹤在線監(jiān)測數據，對此規(guī)律進行持續(xù)檢驗，并建立預警的閾值和模型。

3 結論

(1)2019年8月11—12日，受臺風“利奇馬”影響，秦皇島近岸海域出現大暴雨。大暴雨導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，三個海域營養(yǎng)鹽也大幅升高，淺水灣、人造河口、七里海浮標所在海域無機氮日均值分別達到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)大暴雨過后約4 d，入?？谂R近海域葉綠素a和溶解氧開始逐漸升高。淺水灣(1#)、人造河口(2#)、七里海(3#)浮標葉綠素a日均值最高分別為8.3、3.9、13.9 μg/L；最早開始升高的為3#浮標，其葉綠素a升高幅度也最大。

(3)降雨為大暴雨級別時，距河流入?？诩s5 km的近岸海域，水質受影響較大的時段為暴雨過后的6 d。本次大暴雨影響期間，入?？卩徑Ｓ蛩w水質變化主要為陸源徑流輸入所致，大暴雨帶來的大量氮、磷為藻類增殖提供了充足的營養(yǎng)基礎。