（环境科学专业论文）渤海湾的生态环境压力与管理对策研究.pdf

a b s t r a c t f o rd i r e c tr e a s o n so fe c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，p o p u l a t i o ng r o w t ha sw e l la s f r e q u e u th u m a na c t i v i t i e s ，b o h a ic o a s t a lz o n ee n v i r o n m e n t a l p r e s s u r e ”w a sp r o d u c e d a n da g g r a v a t e d e n v i r o n m e n td e t e r i o r a t i o nc a u s ei m m e a s u r a b l el o s s e st oc o a s t a lz o n e ， w h i c ha r ec h a r a c t e r i z e db yh i 曲p o p u l a t i o nd e n s i t ya n dh i g he c o n o m i cd e v e l o p m e n t l e v e l u n d e rt h e s ec i r c u m s t a n c e s ，g o o dc o u n t e r m e a s u r e s b a s i n go n “p r e s s u r e - r e s p o n d a n a l y s i so u g h tt ob ed e v e l o p e da n di n t e g r a t e di nc o a s t a lz o n ee n v i r o n m e n t a l m a n a g e m e n t 眦sp a p e re x p l o r e dt h ec u r r e n ts t a t u so fe n v i r o n m e n t a lp r e s s u r e sa n dr e g i o n a l r e s p o n s e st h r o u g hc o l l e c t i n ga n da n a l y z i n gh i s t o r yd a t aa b o u tr e s o u r c e ，e n v i r o n m e n t ， a n ds o c i o - e c o n o m yo fb o h a ib a y t h r o u g ha n a l y s i so f r e g i o n a lr e s p o n s e ，b o h a ig u l f w a sd i a g n o s e da sb e i n gc o n f r o n t e dw i t ha l li m p o r t a n ta n ds e v e r ep r o b l e mi e t h e d e c r e s c e n tr u n o f fa n dt h ei n c r e a s e df l u x e so fp o l l u t a n t s i no r d e rt oa n a l y z et h em a i ne n v i r o n m e n t a lp r e s s u r eo fb o h a ig u l f a q u a t i c e n v i r o n m e n t a lp r o b l e md e e p l y , a n a l y s i so fs p a c ev a r i a t i o nm o d e lh a sb e e nb u i l du p t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ei sg e n e r a l l yat r e n dt h a tt h ep o l l u t i o ng e t sw o r s ef r o m n o r t ht os o u t ha n dy e a ra f t e ry e a ri nb o h a ic o a s t a lz o n e ，a n dh e a v i l yp o l l u t e da r e a s u s u a l l yg a t h e ra r o u n de s t u a r i e st h a ta r em a i no u t l e t sf o rp o l l u t i o n t h i so v e r l a p s f u n c t i o n a lp l a n n i n go fs e a ，a n dt h em a i np o l l u t a n t si n c l u d ei n o r g a n i cn i t r o g e n ，a c t i v e p h o s p h a t e ，c h e m i c a lo x y g e nc o n s u m e r , o i la n dh e a v ym e t a l ( m a i n l yl e a d ) i nt h o s e y e a r st h a th a v er e l a t i v e l ym o r er a i n f a l la n dr i v e rf l o w , t h ep o l l u t i o ni nt h o s ea l - e ai s r e l a t i v e l ym o r es e r i o u s d u et ot h ew a t e rc o n d i t i o ni nb o h a ig u l f , t h ec o m p u t a t i o nm o d e lt oc o n t r o lt h e t o t a ln l a s so ft h ep o l l u t a n t si nt h es e aa r e aw a sd e v e l o p e d w i t hc o m b i n a t i o no fe f f e c t f r o mc o n t r i b u t i o no fp o l l u t i o ns o u r c e s ，w ec o u l dw o r ko u tt h em a x i m u mp o l l u t i o n q u a n t i t yt h a tt h eb o h a is e ac o u l dp u tu pw i t h ，a n dt h e nw ec o u l dc u tt h ep o l l u t i o n m a t e r i a li np r o p o r t i o nw i t ht h e i rc o n t r i b u t i o n ，n l i sc a nb e s tm a n i f e s tt h ep r i n c i p l et h a t e v e r y o n es h o u l ds h a r ew a t e rr e s o u r c e se q u a l l ya n ds h a r et h e i rr e s p o n s i b i l i t yf o rt h e i r e x t r ad i s c h a r g e se q u a l l yt o o ，a n di ta l s oc o u l da v o i de x t r e m es i t u a t i o nc a u s e db yt h e l i n e a rp l a n n i n gv a r i a t i o n a tl a s ti tr e a c h e sar e a s o n a b l ep l a nt h a ta l l o t sp o l l u t i o n d i s c h a r g i n ga n dc u r t a i l st h ec o dq u a n t i t yo f1 4 0 ，7 0 0t o np e ry e a r t w oo u t l e t ss e a l t i a n j i ns h o u l db ec o n t r o l l e df o rp o l l u t i o nr e d u c t i o nw i t hp f i o f i w i nt h i sp a p e r , t h ec o u n t e r m e a s u r ef o rr e l i e v i n ge n v i r o n m e n tp r e s s u r eo fb o h a i b a yh a sb e e np u tf o r w a r da n dt h ef e a s i b i l i t yo fi n c r e a s i n gt h es t r e a mh a sb e e n a n a l y z e df r o md i f f e r e n ta n g l e s - w a t e rb a l a n c ea n de c o l o g i c a le n v i r o n m e n tw a t e r d e m a n d t of i n a l l yi n c r e a s et h es t r e a mn e e d sp l e n t yo fm a n p o w e ra n dm a t e r i a l r e s o u r c e sa n dv a r i o u se f f e c te v a l u a t i o n s a n di n c r e a s i n gt h es t r e a mw o u l d , i nt h e m e a n t i m e ，i n c r e a s e t h ef l u x e so fp o l l u t a n t s s oi tn e e d st o g oas t e pf u r t h e rt o b a l a n c et h o s ef e a s i b i l i t y k e yw o r d s ：c o a s t a le n v i r o n m e n t ；p r e s s u r ea n a l y s i s ；r e g i o n a lr e s p o n s e ；s p a t i a l v a r i a t i o na n a l y s i s ；t o t a lm a s sc o n t r o lo ft h e p o l l u t a n t s ；i n c r e a s et h es t r e a m ；b o h a ib a y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞鲞苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 辫琳 签字日期： 沙口7 年，月玢日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 抹洲， 导师签名： 签字日期：矽1 年f 月啊日签字日期：日月 议不i 老 年 钧 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 海岸带是陆地、海洋和大气之间各种过程相互作用最活跃的界面，这里的 环境生态系统受到来自陆地和海洋的双重作用的影响，它们对于大范围内各种 自然过程变化所引起的波动和人类活动的影响十分敏感，生态系统相当脆弱。 海岸带环境作为一种“状态 ，受到了一系列“压力 的影响，针对“状态”的 变化，人们则因该在对策上“响应”的变化，换句话说，如果海岸带环境发生变 化，我们针对它的管理方略也会有所调整，比如海水水质恶化，对入海的排放管 制将会加强等n 1 。 海岸区域经济发展、人口增长以及人类活动的日益频繁( 如围垦、工业、 风景区发展、污染物处置等) ，是海岸带环境“压力”产生和加剧的直接动因， 海岸湿地资源环境“状态”从外部特征( 地貌、植被覆盖、面积等) 到内部性 质( 生态环境质量等) 均发生了深刻的变化：河道入海水量减少，泥沙淤堵， 洪水没有出路；各行业、各部门在河口区域从事各种行业开发和建设，由于没 有统一的发展规划和河口管理法规，有的部门任意挤占行洪滩地，加剧了泄洪 的矛盾；水资源不足，过量抽取地下水，引起地面沉降，海水入侵；各河排出 的污水集中到河口，使河口海岸带生态环境恶化；城市化、工业发发展、农业 和海洋生物养殖导致自然生物栖息地的消失，部分物种濒临灭绝；入海口和海 岸带水体导致海洋富营养化和海产品中毒；海洋资源过度以及不合理的开发导 致生物多样性和种群数量下降，陆地沉降和底下水盐渍化；海洋风险事件的发 生，包括因自然过程加快和海水水位上涨带来的海水侵蚀，导致土地资源损失、 生态系统特性改变甚至导致海洋生物死亡2 1 。一项最近的研究表明世界5 l 的海岸受到中度或重度的开发活动带来的威胁n ，。 渤海湾海岸带生态环境持续恶化，对于高人口密度、高经济发展水平的海 岸地区，将会造成不可估量的损失。因此在目前情况下，对渤海湾海岸环境的管 理，不能仅对海岸海洋环境的“状态”进行调控，而应该具体分析各种不同的“压 力”，以及“压力”的作用过程，理想的状况应该是在“压力”对“状态”发生 质的作用前，调控“压力 ，使好的“状态”得以保持。要调控“压力”，就必 须在“压力”分析的基础上，建立好的对策“响应”。通过对渤海湾生态环境 压力一区域响应的系统分析，发现渤海湾入海径流量的锐减和入海污染物通量 第一章绪论 的持续增加是渤海湾生态环境压力的主要因素，为真正改善渤海湾水资源与水 环境的状况，实现水资源合理配置，提高水资源利用效率，修复生态系统，有 效缓解水资源短缺，提出减轻流域陆源对渤海湾的污染和增加入海流量的对策 建议。 1 2 相关研究进展 1 2 1 近岸海域生态环境压力 生态环境是人类社会生存与发展的基础。然而，人类经济活动产生的各种 环境污染和生态破坏已对这个基础产生了越来越大的压力。如果这种压力超过 了生态环境的最大承受能力，则会造成自然生态系统的崩溃，进而人类社会也 会无法生存。因此，如何定量评价社会发展对生态环境的压力? 怎样减轻这种 压力? 以及如何协调经济效益、生态效益和环境效应等问题是可持续发展研究 的重要议题。关于生态环境压力的定量评价问题，国内外已进行了许多研究， 提出了一些指标和方法。如生态足迹( e c o l o g i c a lf o o d l ：l t i n t ) 分析法“，、绿色核 算( g r e e na c c o u n t i n g ) 法“1 、能值( e m e r g y ) 分析法“1 、环境质量法、污染物 排放指标法、系统动力学法1 ，投入产出法n 们、多元统计分析法n 1 1 等 1 2 2 空间分析模型 空间变异分析模型n 2 1 3 1 是在遥感技术和地理信息系统技术发展的基础上 产生的。它以海岸带生态经济系统为基础，通过把人口、资源、经济及生态环 境等大量具有空间性质的数据，按其空间位置或地理坐标输入计算机，建立具 有点、线、面属性的地理空间数据库，进行存储更新、查询检索、显示、打印 及绘图输出，进一步结合相应的评价、预测分析模型，来实施海岸带生态经济 系统的空间分析。 土壤物理性质空间变异性研究的高潮n 从2 0 世纪7 0 年代开始，在北美和 西欧就出现了；大量国外学者还将空间信息统计学方法运用到地下水水位预 测、迁移扩散参数的估计、分析预测水环境污染物浓度中：此外，空间信息统 计学的分析方法还被o l i v e r 钉、h w a n g 1 6 1 等人应用到环境质量评价与人类健 康风险评价的工作中。 在我国，空间信息统计学的理论方法与实际应用均达到了一定的水平， 但将其系统应用于环境科学领域研究工作的时间还很短，尤其在水环境污染防 治的研究中应用还比较少n 。现有的海岸带空间分析模型主要集中运用在以 2 第一章绪论 下几个方面：1 海岸带土地资源管理；2 海岸带自然资源管理；3 海岸带生态 环境管理；4 海岸带功能区划管理。然而，这类模型需要研究区域的大量数字 化信息的支持。许多海岸带综合管理研究起步较晚，原始资料积累很少，往往 限制了这类模型的应用。 1 2 3 污染物总量控制 容量总量控制是指把允许排放的污染物总量控制在受纳水体给定功能所 确定的水质标准范围内，它的“总量”系基于受纳水体中的污染物不超过水质 标准所允许的排放限额。特点是把水污染控制管理目标与水质目标紧密联系在 一起，用水环境容量计算方法直接推算受纳水体的纳污总量，并将其分配到陆 上污染控制区及污染源“盯。适用于确定总量控制的最终目标，也可作为总量 控制阶段性目标可达性分析的依据。对于水质较好、污染源治理技术经济条件 较强、管理水平较高的控制区域，容量总量控制法可直接作为现实可行的总量 控制技术路线加以推行。 国内有些学者关于大气污染物总量控制和水污染物总量控制进行了很多 案例研究，提出了一些具体的定量分配模型。研究大气污染物的总量控制模型 有：郭光焕n 钉等的a 值法、p 值法和化学质量受体平衡( c m b ) 模型纳入a - p 值 模型形成的a n m b 模型；马小明啪1 等的以区域排放当量概念为核心的大气 污染总量控制方案的制定方法；刘金兰2 1 1 等的三步平权法，等等。水污染物 总量控制模型有：胡炳清篮1 等的离散规划模型及其最速下降搜索解法，刘子 刚1 等的传递函数矩阵模型，陈文颖m 1 等的多人合作对策模型，张志耀比5 1 等的群体决策模型，等等。 1 2 4 生态修复 目前生态环境修复需水量的研究重点主要集中于河道、湖泊及湿地等陆地 生态系统，并已取得大量成果协硼1 。海陆间交互作用使河1 3 生态系统具有复 杂的环境因素和独特的生态服务功能，也给河口生态环境需水量研究造成影 响因素多、相互作用复杂等难题。b e n s o n 哪! 较早地开始了关于淡水输入对河 口生态系统影响的研究。近些年来，随着研究的不断深入，淡水输入影响研究 涉及物理、化学及不同营养层生物等不同方面。k u r u p 等3 研究了河口径流与 河1 3 盐度分布的关系及其季节性的变化。r o b e r t s o n 阮1 分析了由于季节变化和 洪水过程造成径流改变，对河口营养物质分布及初级生产力的影响。s o h m a 等 瑚1 则研究了河道流量变化对河口较高营养级( 如底栖生物等) 的影响。p o t t e r 等 3 第一章绪论 哪! 研究了河口拦门沙坝的封闭及开放造成河口淡水量变化而对河口生物资源 的影响。j a s s b y 等汹1 通过总结s a nf r a n c i s c o 海湾大量实地调查资料分析认为， 河口淡水入流与盐度梯度及相应生物种群分布和生物量具有很强的相关性。径 流是河口生态状况的重要控制因素。 我国河口生态系统相关研究主要集中在长江口，黄河口及珠江口等主要河 口。“三峡工程与长江口生态环境”研究工作分析了三峡工程建设改变入海径流 量对河口地区生态环境各项指标的影响1 。沈焕庭，茅志昌n 研究了南水北 调东线工程对长江口咸水入侵影响及相应的对策，其中考虑到由于引水造成 径流量减少，进而对水盐平衡的破坏。陈吉余，陈沈良瑚1 在南水北调工程对长 江河口生态环境的影响研究中，给出了近年来水生生物群落结构和物种的变 化。田家怡等n 盯研究了黄河断流对河口海域输沙量、污染物入海量、温度、 盐度及各种生物种类、分布的影响。黄良民等“们分析了珠江口及其邻近海域 水环境状况与基础生物结构的关系。 1 2 5 潮流一水质模型 潮流一水质模型是用于描述海岸带近岸海域潮流和水质的时空变化和 分布的数学模型。它是根据质量守恒和牛顿第二定律等基本原理建立起来的， 对于模型的维数、时空的模拟精度以及潮间带动边界的处理都需要根据所研究 的具体问题和该区域的水文地貌特征而进行选择。主要采用二维浅水潮流水质 模型来模拟研究围海造陆、浅海养殖和海洋排污等人类活动对海岸带区域水环 境状况的影响“2 邝1 。 1 3 主要研究内容 本文主要针对渤海湾海岸带，获取并融合多源信息，基于入海淡水量、污 染物和盐度的变化与海岸带水环境质量的变化，对造成渤海湾生态环境( 主要 是水环境) 压力的主要因素进行分析。针对渤海湾环境压力现状，通过建立空 间变异分析模型，对渤海湾近岸海域的水质状况进行长时间序列的系统的分 析，并阐述主要污染因子的污染源；通过对海河流域入海水量和渤海湾近岸水 环境的关联分析，建议采用增流和减污对策减缓研究区域生态环境压力。其中， 减污方案运用总量控制的原理，利用线性优化模型和排污口贡献率计算出各排 污口在最优空间分配的前提下的最大允许排放量，并求出削减量：提出缓解生 态环境压力措施，并对增流进行可行性分析。 4 第二章渤海湾生态环境压力分析 第二章渤海湾生态环境压力分析 2 1 区域概况 渤海湾位于渤海西部，面积1 4 7 0 0 平方公里，平均水深2 6 米，为陆地环 抱的浅海盆。北部有大清河口、北塘口、大沽口，西部有独流减河口、岐河口、 图2 1 渤海湾地理位置图 套尔河口、黄河口等7 个主 要河口，有海河、永定新河、 潮白新河、蓟运河、新开河、 独流减河等1 2 条河流注入。 海岸带总地势自北、西、南 向渤海缓倾，坡降o 1 - - - 0 6 ，面积6 8 6 7 4 4 平方公里。 海岸带主要由陆域堆积平 原、潮问带( 滩涂) 、水下岸 坡3 个地貌基本单元组成。 该地区由太古界、元古界、 古生界、中生界及新生界地 层组成。在我国地质构造体系中，处于燕山纬向构造体系与新华夏构造体系的 交接部位。 渤海湾处于北温带，属典型季风影响气候带，具有明显的暖温带半湿润季 风气候特点，四季分明，又因在半封闭浅海一渤海西岸，而其某些海洋性特点， 属于海洋型海陆过渡型气候。冬冷少雪，夏热多雨，春秋气候温和，多风少雨。 由于海岸带地处海陆交界的两种截然不同的下垫面，在接受同样的太阳辐射条 件下，温度变化不仅具有明显的季节差异，而且存在海陆两侧风和空气层结稳 定度变化的不同，又使海上降水量明显偏少，光照增多。所以，海岸带宽度虽 然不足5 0 公里，但是温度、风、湿度、降水、光照等在时空分布上，却有着 明显的差异。这种差异构成了这一地区独特的气候特征。 2 2 渤海湾生态环境压力分析 环境压力是一个作用因素繁多、内涵十分复杂的概念，拟定义为人类活动 s 第二章渤海湾生态环境压力分析 引起的能够造成环境服务功能退化的对环境状态的扰动力1 。环境问题的根 源是社会代谢的规模，代谢规模越大对环境的扰动范围和程度就越大，造成的 环境损害总量也就越大。 2 2 1 人口的增加 建国以来天津市社会经济快速发展给渤海湾海岸带生态系统带来巨大压 力。1 9 4 9 年以来，天津市的常住户籍人口和人口密度都呈稳定增加的趋势( 图 2 - 2 ) 。到2 0 0 2 年，总人口已经达到9 1 9 0 5 万人，其中农业人口3 7 7 9 1 万人， 非农业人口5 4 1 1 4 万人，人口密度达到8 4 5 脚。 2 2 2 社会经济发展 图2 - 2 天津市1 9 4 9 2 0 0 2 年人口增长趋势圈 2 2 2 1 产业结构趋势分析 图2 3 为天津市二十多年的产业结构的动态趋势，可以看出天津市第二 产业在国民生产总值中的比重一直很突出，自1 9 7 8 年至1 9 8 1 第二产业比重呈 稳步上升趋势，但从1 9 8 2 年至1 9 9 8 年第二产业的比例明显下降，此后虽有回 升，但总体的趋势趋于水平。而第三产业比重自1 9 7 8 年至1 9 8 9 年虽然逐年上 升，但趋于平缓，从1 9 9 0 年起第三产业有了飞速发展。第一产业变化不大， 但整体呈下降趋势。2 0 0 3 年天津市的第一、第二、第三产业结构的比例达到 3 6 ：5 0 9 ：4 5 5 。这说明天津市总体经济运行形势良好，从整体上跨入了良性运 行的轨道。但从更高要求上分析，产业结构还是存在不合理的地方。第三产业 占g d p 的比重偏低。从1 9 9 8 - 2 0 0 3 年，天津服务业占g d p 的比重一直徘徊 在4 7 左右，而全国一些经济较发达的城市服务业占g d p 的比重已超过了 第章渤海湾生态环境压力分析 5 0 。天津与这些城市相比，仍存在着差距，影响了城市总体功能的提升。 - 一 一- 一一 ij z ：王i r 一 1 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 2 2 0 0 3 图2 31 9 7 8 2 0 0 3 年天津市三产变化趋势 从产业结构的模式说明，天津市的增长模式还是呈现出高增长、高消耗、 高污染型的趋势。 工业结构变化趋势 天津市产业结构以重工业为主，重工业在产业结构演变中占有重要地位。 碡州_ 禚 一 ，? 一 擎擎亨窖擎亨擎萨 图2 - 41 9 7 8 - 2 0 0 3 年天津市轻重工业比重变化趋势 天津市轻重工业的历年工业产值变化情况( 图2 4 ) ，1 9 7 8 1 9 9 0 年间，由于经 济刚刚起步，外来投资主要以投入少的轻工业生产为主，因此轻工业比例高于 重工业比例。9 0 年代以来，随着改革开放的深入发展，经济规模日趋扩大， 外来投资增加，产业结构逐渐朝纵深发展，天津工业结构向重化工业倾斜，重 点发展了以乙烯、聚脂、蛋氨酸“三大化”为重点的化工工业；在此期间，对许 多化工产业建成投产，以及对一些老企业进行大规模的技术改造，从而使天津 市工业结构加大了向重化工业倾斜的力度。2 0 0 3 年，天津市重工业完成总产 值达到3 1 1 6 0 8 亿元，占全市工业总产值的7 1 2 9 。 从工业结构内部中主要行业占的比例情况来看，1 9 8 5 - 1 9 9 0 年问，天津市 扭转了轻工业发展缓慢的趋势，对轻工业实行优先政策，因此轻工业比例高于 7 趵 m 0 加们加m o 第二章渤海湾生态环境压力分析 重工业比例。由于轻工业对资源需求较少，对环境污染水平较轻，因此，随着 经济增长，对环境污染水平也在下降。1 9 9 3 1 9 9 7 年这5 年间，是建国以来 无津经济增长最快的时期，国民经济运行连续5 年实现了两位数的增长，年平 均增长1 35 ，国内生产总值由1 9 9 2 年的4 1 12 4 亿元增加到1 2 4 02 5 亿元。 由于产值贡献大的产业排放污染物大，而且属于高耗能、高耗水的产业 导致资源的过度消耗与短缺、环境的严重污染和生态平衡的破坏，环境污染水 平达到了高峰。 2 2 3 海岸带开发活动 图2 - 5 五个年份的海岸带滩海利用，土地覆盖懈译结果“” 改革开放以来，港口建设、大规模岸边养殖、挖沙、筑堤、围垦、石油开 采等导致海岸线的较大变化，对海岸生物产生了较大影响形成对生境及生态 系统的较大改变。图2 - 5 显示，从 9 5 4 年到2 0 0 0 年，近五十年的时期内，超 t l ，_ h 甜 嚣。 。一 ；：!t m !。赫辫辫象盐 舯 薯- - 雌_ _ - 矗_。_-i。一 第二章渤海湾生态环境压力分析 过了一半的滩涂转成了低功能景观类型。 2 2 4 入海污染物通量的增加 入海河口、北塘排污河和大沽排污河是渤海湾海岸带主要污染源。各种污 染物中c o d 的排放量最大，其次是无机氮、无机磷、石油类，以及重金属汞、 镉、铅、砷、锌和氰化物。 以c o d 的入海通量表征有机污染物的入海通量。从1 9 8 5 1 9 9 8 这1 4 年 的污染物入海通量来看，有机污染物的入海通量从1 9 8 5 年以来比较稳定，在 1 9 9 5 年之前没有明显的增加或减少的趋势，一直维持在2 0 万吨左右。1 9 9 5 年一1 9 9 8 年间对入海通量呈逐渐增加趋势，到1 9 9 8 年达到4 0 万吨。天津市 近岸海域c o d 主要来自工业污染源和城市污水，通过河流入海口、市政下水 口、直排口进入海洋。 5 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 c o 茔3 0 0 0 0 0 日 工 o o2 0 0 0 0 0 o o t j 1 0 0 0 0 0 0重l lnll l l 1 9 8 41 0 8 61 9 8 81 9 9 01 0 9 21 9 9 41 9 9 61 9 9 82 0 0 02 0 0 2 2 0 0 4 y e a r 图2 - 6c o d 入海通量 以无机氮和无机磷表征营养盐入海通量。无机氮和无机磷的年通量变化趋 势基本一致( p e a r s o n 相关系数为o 7 5 ) ，从1 9 8 5 至1 9 9 8 年整体上呈逐渐增加 趋势，其中1 9 9 5 年的入海通量最大。无机氮和无机磷的年通量与入海水量的 变化有较高的相关性。1 9 9 5 和1 9 9 6 年营养盐年通量达到较高的水平，与这两 年入海水量最大一致，说明营养盐年通量的变化主要是受入海水量的影响。无 机氮主要来自农业面源，通过农田沥水和暴雨径流进入河流并最终入海：无机 磷主要来自农业面源和城市生活污水，城市生活污水中的活性磷主要来自含磷 洗衣粉，通过市政下水口、混排口和直排口进入海洋。 9 第二章渤海湾生态环境压力分析 相比较而言，重金属的排放量较小，且年际差异很大。1 9 8 5 年以来的平均 入海量由大到小为锌、铜、铅、镉、汞。从1 9 8 5 年至1 9 9 8 年重金属入海通量 看，铅、镉、锌的入海通量在8 0 年代末( 1 9 8 8 1 9 8 9 ) 至9 0 年代中期( 1 9 9 4 - 1 9 9 6 ) 显著高于8 0 年代中期和9 0 年代末期。汞和铜的入海通量与入海水量有较好的 相关关系，在1 9 9 5 和1 9 9 6 年有较大的入海通量。汞、铬、铅、锌主要由化工 行业排出，镉的主要排放行业为机械行业。 天津市近岸海域石油类入海量整体上呈增加的趋势，主要来源为海上流动 源和污染事故。陆源主要来自工业污染源，通过入海河流、市政下水口、直排 口，少量通过混排口进入海洋。 海岸带区域工业化的迅速发展使得大片沿海地区成为工业基地及相应的 基本建设设施，工业排污量大幅度上涨，农业化肥施用量成倍增加，城市化率 大幅度提高，导致入海污染物通量量的大幅度提高，引起近海水质不断恶化。 近十年来只是由于入海径流的大幅度降低，才使污染物入海通量的增加幅度受 到限制。 2 2 5 入海径流量的减少 椒 攀 v * 建 一 0 ) 。此时的特征向量为标准特征向量，即： ? f = 1 ，以，= o ，i j ( i ，j = 1 , 2 ，p ) 特征向量矩阵为u ： 第三章渤海湾水质的空间变异性分析 u = m l “2 一p 心l 2 2 鲍p l p lp p 2 p p p 由主成分分析知，可有： y = u r z ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) 式中：y 为一组新的彼此之间互不相关但又是原始变量x 。，x ：，彳p 组合的 新变量矩阵：z 为标准化后的数据矩阵。公式3 _ 4 经变为： z = u y 因为y 为原始变量x 的组合，故应将y 进行标准化处理，使之与z 相匹配： y = m y 2 ： y p 令乃= y 石( ，= 1 2 2 ，p ) 则有 所以 】r = z = u y = y l j ，2 ： ) p 百 叫1 化 厅一 _ p 廊。风： 瓜n 仄u 毪 ；i 瓜“p l 压p 2 3 1 3 计算各特征值的贡献率和累计贡献率 侄 厩u 。p 瓜“2 p 压 z 五 ： p ( 3 5 ) 根据统计检验的要求，当前q 个特征值的累计贡献率大于7 5 ，可以考虑 忽略其他的特征根，即当主因子特征值的累计贡献率超过7 5 时的因子个数 为主因子数。用公式表示时，可令q = 8 5 ，主因子个数q 取满足： 吉喜以q 去喜 历压 污 几 ； y y y 。l1j 第三章渤海湾水质的空间变异性分析 而可将其余p - q 个因子删去的数，由此有： z = 几，协“丹。 协：。协越q f 石- q g ：， 再u 叽压再l 姆 石 l ： 。 厄玉蚺：厨p 瓜n 压 ； 厍娃瓜p 叩 + ， + ： ： p ( 3 6 ) 所以有z = a f + 占，a f 是q 个主因子所能解释的部分，占为残余部分。a 为因子荷载系数矩阵，f 为主因子矩阵，占是无法再分解的因子，其s ；对应的 工；成为特殊因子矩阵。 如果此时所得的因子荷载矩阵不满足衡量因子解优劣的瑟斯顿简单结构 准则( 即每一公因子只对少数几个原始变量具有高荷载，且每一变量旨在少数 几个公因子上具有显著的荷载) ，则需要对其加以变化使其结构简化，以便于 解释每个主因子的物理意义。 为了达到这样的目的，一般途径是对a 矩阵施以方差最大平方旋转，通过 将各个因子轴作适当的旋转，使得正交变换后的因子荷载矩阵b ( b = a t ) 中 各列元素平方的方差之和v 达到最大，即： 阳一_ 号嘉阵争2 一言c 纠 p 7 ， 式中：h ；是第i 个变量的公因子方差；b ；是因子荷载；p 是变量个数；q 是因 子数。 当1 一一。l 小于旋转收敛误差( 一般取1 0 6 ) 时，则v 值收敛到极大而停 止旋转，至此可以得到方差极大旋转因子荷载矩阵： b = a t ( 3 - 8 ) 式中a 为初始因子荷载矩阵，t 为正交变换矩阵，b 为旋转后的因子荷载矩阵。 3 1 4 主因子得分计算 通过最终的正交因子荷载矩阵，可以分析出主因子对原始监测结果的影 响。而主因子得分则是主因子在各个监测站位取值，它反映了综合后的主因子 2 4 时 研 啊厨知；知 第三章渤海湾水质的空间变异性分析 对原始变量的依赖情况。主因子得分具有如下特点：由于每个主因子代表了一 定的生态环境的成因，可以通过主因子来分析对其不同监测站位的影响；主因 子的个数往往要比依赖的指标少的多，可以使数据矩阵大大简化：在正交因子 的情况下，因子之间是彼此无关的，在研究各个因子得分时，彼此间不会产生 相互影响。 因子的得分的计算采用回归估计法，忽略特殊因子的作用，将公因子 五( 七= 1 , 2 ，七) 表示为变量z ；的组合： = q l z l + c 1 2 2 2 + + c 如z ， ( k = 1 , 2 ，的 ( 3 - 9 ) 式中：k 是因子得分函数中方程的个数。 根据多元回归方程理论，用估计量允求上式中c 茸并对五进行估计，应用 正规方程： r h c k l 1 y i 2 c k 2 + + | 口c t p = l i t r 2 t c k l + r 2 2 c 1 2 + + 乞，c 扣2 乞 ( 3 1 0 ) 名l c t l + 勺2 c t 2 + + c 扣= k 式中：k 为指标i 与公因子 的相关系数，因为因子之间是彼此无关，故而 k = k ，h ) 脚= r 是变量间相关矩阵，故上式有解： 进一步可以得出主因子得分计算公式： 户：b r r zf =“z 式中：召r 为主因子荷载矩阵的转置， 为标准化后的原始数据矩阵。 3 1 5 聚类分析 ( 3 - 1 1 ) ( 3 1 2 ) 尺一为各指标相关矩阵的逆阵，z 在得出主因子在各个监测站位得分的基础上，采用系统聚类法中的瓦尔德 聚类法，对由因子分析法得到德因子得分数据集进行聚类分析，由此确定海岸 带生态环境系统的空间变异规律。瓦尔德聚类法的主要步骤可归纳为： 卜。j ； 第三章渤海湾水质的空间变异性分析 因子得分数据集的标准化 为了防止出现“大数吃小数”的现象，需要通过标准变化使得每列数据的 平均值为0 ，方差为l 。 距离系数的计算 对于标准化后的因子得分，根据欧氏公式计算得到n 个站位监测结果两两 之间的距离系数，从而得到一个n n 阶的欧氏系数距离矩阵。 岛= ( i 、j = 1 ，2 ，一，n )( 3 1 3 ) 根据每归类一次的类间距离递推公式： d i r = - 等+ 等一焘r 1 ( 3 - 1 1 ) 玎，十，z f 刀r + ”，+ 刀， 。 式中：d 妒表示类g 与类g ，之间的距离，表示类g i 与类g ，之间的距 离，d 心表示类g f 与类g ，之间的距离，d 月表示类g p 与类g q 之间的距离，刀p 、 刀g 、力，、力f 分别表示类g ，、g g 、g ，、g i 所含监测站位个数，g l r = 刀p + 捍9 。 从中找出最小的元素( 即两次平方和增加量最小的元素) 对应的两类合并， 计算新的类，知道几个亲疏性质接近的几个样品归为一类，从而得出聚类分析 的谱系图。 3 2 渤海湾水质的空间变异性分析 3 2 12 0 0 3 年空间变异性分析 以2 0 0 3 年8 月1 8 个水质监测站位( 见图3 - 2 ) 作为水质空间变异性的研 究单元，分别代表着自己的网格区域。 第三章渤海湾水质的空间变异性分析 首先针对海域的监 测资料筛选反映海域水 环境污染情况的环境指 标，主要指标是由海水 水质标准涉及的重要的 水质指标并结合天津近 岸海域水环境压力特性 选取。这样，2 0 0 3 年8 月指标体系中共有8 项 水质指标，包括d o 、氨 氮、硝酸氨、亚硝酸氨、 p 、o i l 、h g 、c o d 。这 1 8 个站位的8 项监测指 标是开展空间变异性分 析的基础数据，它们组成 了一个1 8 x 8 阶的原始数 据矩阵x 。 图3 2 监测站点位置图 以原始数据为基础，可以得出8 项水质指标的相关系数矩阵( 见表3 1 ) 及相关系数矩阵的所有特征值z 、特征向量、方差贡献率p t 和累计贡献率p c t ( 见表3 - 2 ) 。 表3 - 1 水质指标的相关系数 d o n h 3 一n 0 3 n n 0 2 - n p o i l h g c o d d o 1 0 0 00 7 5 30 6 2 30 5 8 90 6 7 50 2 9 60 3 5 8o 1 9 0 n h 3 一n1 0 0 00 7 4 50 8 2 30 9 2 00 4 2 00 5 2 00 4 5 2 n o ，一1 0 0 00 6 1 30 7 3 70 3 1 6o 1 8 7 0 5 9 2 n 0 2 n1 0 0 0 0 6 9 8 0 0 8 70 4 9 20 3 0 2 p 1 0 0 00 5 0 3o 4 4 40 5 4