（环境科学专业论文）象山港电厂温排水对水体富营养化影响的模拟与评价研究.pdf

上海海洋大学硕十学位论文 隔浮游生态系统氮、磷营养盐迁移一转化影响的结论，并尝试从溶解氧、营养盐浓 度、浮游植物、浮游动物等影响角度，分析温排水加剧受纳水体富营养化程度的 机理。 结果表明，三个围隔d i n 、p 0 4 - p 浓度在实验初期浓度显著减少，在第四天以后 基本保持稳定，显示了浮游植物对营养盐吸收的情况；而相应地，c h l a 在实验初期 显著增加，在第四天以后显著减少，表明了营养盐的减少对浮游植物生长的限制 性作用。 不同温度区围隔浮游植物生物量的变化表明在一定的范围内，浮游植物生物 量与水温较显著的线性相关关系，随温度的增加而增加，臣p m i m 2 m 3 ：相应的， d i n 、p 0 4 - p 浓度随温度的增加而减少，且p m 3 m 2 m 1 。 综上，无论模拟还是评价均表明，随着温度的增高，海域富营养化趋于严重， 即象山港电厂温排水加剧了收纳水体的富营养化程度。 关键词：象山港；温升；氮磷营养盐；富营养化评价；迁移转化模型；围隔 i i 上海海洋大学硕士学位论文 a b s 瞰c t i nr e c e n t l yy e a r s ，a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fe x p l o i t i n gt h em a r i n er e s o u r c e s ， x i a n g s h a nb a yc o n f r o n t st h eh i g h e s tu p s u r g ef o ri t se x p l o i t a t i o n t h et h e r m a le f f l u e n t f r o mc o a s t a lf a c t o r i e sa f f e c t st h ee n v i r o n m e n to ft h ew a t e re c o s y s t e m sn e a r b yd i r e c t l y , t h r e a t e n i n gt h em a r i n ee n v i r o n m e n to fx i a n g s h a nb a yh e a v i l y t h o s ef a c t o r i e sa r e g u o h u ap o w e r p l a n t ，d a t a n gp o w e rp l a n t ，y i n g l o n g s h a np o w e rp l a n t ，c h u n x i a oo i l & g a sf i e l d ，e t c a sx i a n g s h a nb a yi sal o n gn a r r o wh a r b o ro fs e m i e n c l o s e ds h a p e ，i th a s w e a kh y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n s ，t h e r e f o r e ，i tt a k e st h eh a r b o rar e l a t i v e l yl o n gp e r i o dt o p u r s u ew a t e re x c h a n g ew i mt h eo u t e rs e a ( n e a r l y3m o n t h e s ) t h ei n f l u xo ft h e r m a l e f f l u e n ta c c e l e r a t e st h ee u t r o p h i c a t i o nf o r mi nt h ew a t e r s y s t e m t oe x p l o r et h ee f f e c t so ft h e r m a le f f l u e n to n t ot h ee u t r o p h i c a t i o nc o n d i t i o ni n x i a n g s h a nb a y , t h r o u g ht h ef i r s t - p h a s es u r v e ya n dr e s e a r c h , w es e l e c te x u b e r a n ts e a s o n o fb i o l o g yg r o w t h ( 2 010 ，10 ) t oc o n d u c tt h ee n c l o s u r ee x p e r i m e n t m a k es u r et h ew a t e r s i t e sf o re n c l o s u r ee x p e r i m e n t ，a n dc h o o s ew a t e ra r e a sw i t hp r o p e rd e p t h ，o c e a nc u r r e n t a n dc o n v e n i e n tt r a f f i c a c c o r d i n gt ot h ea b o v ef a c t o r , w es e tt h r e eg r o u p so fe n c l o s u r e e q u i p m e n t sw h i c hi sp u to fd i f f e r e n td i s t a n c e sf r o mt h eo u t l e to ft h ep o w e rp l a n t ， r e p r e s e n t i n gw a t e ra r e a so fd i f f e r e n tt e m p e r a t u r el e v e l s m 1r e p r e s e n t so b v i o u se l e v a t e d a r e a ，m 2r e p r e s e n t sw e a ke l e v a t e da r e a , a n dt h et l l i r dg r o u pi ss e to u t s i d et h ea r e a sw i t h a b e r r a n tt e m p e r e a t u r et ob eas i t ef o rc o n t r a s t t h ee x p e r i m e n tl a s t sh a l fam o n t h f o c u s e so nt h ew a t e rs y s t e m si na n do u t s i d et h ee n c l o s u r ee q u i p m e n t s t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h ee f f e c t so ft h et h e r m a le f f l u e n ti nx i a n g s h a nb a yo nw a t e r e u t r o p h i c a t i o nb yt h ec o m b i n a t i o no fu s i n gn u t r i e n t sm i g r a t i o na n dt r a n s f o r m a t i o n m o d e lw h i c hi sb a s e do i lt h ed a t ai nt h ee n c l o s u r ee q u i p m e n ta n de u t r o p h i c a t i o n a s s e s s m e n to nt h eg r o u n d so ft h es p o tm o n i t o r i n gd a t ac o l l e c t e do u t s i d et h ee n c l o s u r e e q u i p m e n t t h ef o r m e ra n a l y s e st h ee f f e c t sb ye u t r o p h i c a t i o na s s e s s m e n to nt h eb a s i so f t h es p o tm o n i t o r i n gd a t ao u t s i d et h ee n c l o s u r ee q u i p m e n t s ，n a m e l y , t h i sa r t i c l ec o v e r s t w op a r t s s i m u l a t i o na n da p p r a i s a l ，t h el a t t e rs i m u l a t e st e m p e r a t u r e se f f e c t so nw a t e r e u t r o p h i c a t i o no nm e c h a n i s m ；h o w e v e r , f r o mt h es t a n d p o i n to fe m p i r i c a lr e s e a r c h x i a n g s h a nh a r b o rp o w e rp l a n tt h e r m a ld i s c h a r g ew a t e r ss i xs i t es u r v e ya n d m o n i t o r i n gd a t as h o wt h a t ，i na d d i t i o nt oc o d ，o t h e ri n d i c a t o r sw e r ep r o b a b l yw a r m i n g z o n es t a t i o n 舶mh i g ht ol o ww a r m i n gt r e n do fd e c r e a s i n ga r e as t a t i o n st h a tas i n g l e i n d i c a t o ro fw a t e ra st h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e si n c r e a s ea c c o r d i n g l y 1 i t 上海海洋人学硕+ 学位论文 b a s e do no c t o b e r2 011 ，t h r e et e m p e r a t u r ez o n e sx i a n g s h a na r e ao ft h em o n i t o r i n g d a t a ，t h eu s eo fo s p a rc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n , n u t r i t i o ni n d e xm e t h o d ，p o t e n t i a l e u t r o p h i c a t i o na s s e s s m e n tm e t h o da n dt h ec a r l s o nt r o p h i cs t a t ei n d e xf o re v a l u a t i o n ， c o m p a r i s o no ff o u rm e t h o d so fe v a l u a t i o nr e s u l t s ，t og e tt h et e m p e r a t u r ee f f e c to nt h e e u t r o p h i c a t i o no fw a t e r so ft h ef i n d i n g s o ft h ef i n a lr e s u l t sf o r t h ef o u rk i n d so f e v a l u a t i o nm e t h o d sb es u m m a r i z e d ，r e s u l t si n d i f f e r e n tt e m p e r a t u r ez o n e sw a t e r s e u t r o p h i c a t i o no fd i f f e r e n c e ，t h a to f t h e r m a ld i s c h a r g ee u t r o p h i c a t i o n , t h er e s u l t sc l e a r l y w a r m i n gz o n ee u t r o p h i c a t i o nl e v e lo ft h et a b l e t h em o s ts e r i o u s ，f o l l o w e db yw e a k w a n n i n ga r e a , c o n t r o la r e al i g h t e s t ，i n d i c a t i n gt h a tc o o l i n gw a t e re x a c e r b a t e db y e u t r o p h i c a t i o no fw a t e r b o d i e s n u t r i e n t sm i g r a t i o n - t r a n s f o r m a t i o nd y n a m i cm o d e la d a p t e dt om a r i n ee n c l o s u r e p l a n k t o n i ce c o s y s t e mi s b u i l to nt h em a i nl i n eo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sn u t r i e n t s c y c l e s 1 1 1 ev a l u e so fr e l a t i v ep a r a m e t e r sa r ec o n f i r m e du s i n gt h ed a t ao ft h ee n c l o s u r e e c o s y s t e me x p e r i m e n tf r o mo n et e m p e r a t u r el e v e la r e aa m o n gt h et h r e ea r e a sc o l l e c t e d i nx i a n g s h a nb a yi n2 010 ，10 ，t os i m u l a t ei nt h em o d e l a l s o ，t h e s ep a r a m e t e r sa r eu s e d t os i m u l a t et h e p r o c e s s e s o fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sn u t r i e n t sb i o c h e m i c a l m i g r a t i o n - t r a n s f o r m a t i o ni nt h et h r e ea r e a so fd i f f e r e n tt e m p e r a t u r el e v e l s ，a n dt h e n r e a c hc o n c l u s i o na b o u tt h ee f f e c t s o ft h e r m a le f f l u e n to nn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s n u t r i e n t sm i g r a t i o n t r a n s f o r m a t i o nw i t h i ne n c l o s u r ep l a n k t o n i ce c o s y s t e m ，a n dt r yt o a n a l y s i st h er e l a t i o nb e t w e e nt h ei n c r e a s e dt e m p e r a t u r ea n dw a t e rl e v e lo ft h er e c e i v i n g m e c h a n i s mo fe u t r o p h i c a t i o nf r o mt h ed i s s o l v e do x y g e n , n u t r i e n tc o n c e n t r a t i o n s ， p h y t o p l a n k t o n ，z o o p l a n k t o na n do t h e ri m p a c ta n g l e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et h r e ee n c l o s u r e sd i n p 0 4 - pc o n c e n t r a t i o ni nt h ei n i t i a l e x p e r i m e n tw e r es i g n i f i c a n t l yr e d u c e d ，r e m a i n e ds t a b l ea f t e rt h ef o u r t hd a y , s h o w i n gt h e p h y t o p l a n k t o na b s o r p t i o no fn u t r i e n t ss i t u a t i o n ；a n da c c o r d i n g l y , c h l as i g n i f i c a n t i n c r e a s ei n t h ei n i t i a l e x p e r i m e n t s ，d e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l ya f t e rt h e f o u r t hd a y , i n d i c a t i n gt h a tt h en u t r i e n tl i m i t i n gp h y t o p l a n k t o ng r o w t ht or e d u c et h er o l e d i f f e r e n tt e m p e r a t u r ez o n ee n c l o s u r et h a tc h a n g e si np h y t o p l a n k t o nb i o m a s si na c e r t a i nr a n g e ，p h y t o p l a n k t o nb i o m a s sa n dw a t e rt e m p e r a t u r ei sm o r es i g n i f i c a n tl i n e a r c o r r e l a t i o nb e t w e e nt e m p e r a t u r ei n c r e a s e s ，t h a ti sm i m 2 m 3 ；a p p r o p r i a t e ，d i n ， p 0 4 一pc o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e sw i t l li n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e ，t h a ti sm 3 m 2 m 1 i v 上海海洋大学硕士学位论文 i ns u m ，r e g a r d l e s so fa n a l o go re v a l u a t i o ns h o wt h a t ，8 8t h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e d ， w o r s e n i n ge u t r o p h i c a t i o no fw a t e r s ，w h i c he x a c e r b a t e dt h ex i a n g s h a np l a n tc o o l i n g w a t e re u t r o p h i c a t i o no fa d m i s s i o n k e yw o r d s ：x i a n g s h a nb a y ；t e m p e r a t u r er i s e ；n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sn u t r i e n t s ； e u t r o p h i c a t i o na s s e s s m e n t ；t r a n s p o r ta n dt r a n s f o r m a t i o nm o d e l ；m e s o c o s m v 上海海洋大学硕士学位论文 答辩委员会成员名单 姓名工作单位职称备注 中国水产科学研究 沈新强教授主席 院东海水产研究所 印春生上海海洋大学教授委员 刘洪生上海海洋大学教授委员 王春峰上海海洋大学助理实验师秘书 答辩地点海洋科学学院3 2 3 室答辩日期2 0 1 1 0 6 1 1 上海海洋大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 1 1 1 研究背景 第一章引言 电厂是指将某种形式的原始能转化为电能以供固定设施或运输用电的动力 厂，例如火力、水力、蒸汽、柴油或核能发电厂等。目前我国能源生产和消费， 以煤炭和火电为主。沿海经济发展对电力的需求急剧增加，同时考虑煤炭运输便 利等因素，沿海港口电厂的建设必会发展。基于经济和便利方面的考虑，为了满 足电厂对冷却水的大量需求，同时为了降低运输成本，大型核电、火电站的选址、 改建、扩建和增容大多靠近海湾、河口、湖泊、水库等【l 】，由于受到潮汐作用的影 响，水流呈现出非恒定状态，其流速流态比较复杂。 很多象山港海域的热电厂、火电厂等出于节水问题的考虑并凭借具备靠海的 便利条件，直接采用近海海水作为电厂凝结器冷却水，而后大量排入自然水体的 温度高于自然水体水温的水( 温升约8 1 0 ) ，即电厂温排水，温排水大多数直 接排放至近海水域，其废热污染是一种潜在的大范围污染源；受纳海域热环境的 改变，对海洋生态系统的理化性状及海洋生物的生活和繁殖具有不容忽视的影响。 大量的研究表明，温排水一方面促进了受纳海域水体的流动，进而造成了原水体 中浮游植物、叶绿素等的重新迁移和分布；另一方面高温度的水带来了大量的热 量，从而使排水口附近的水域水温得到了不同程度的提高，进而从时间和空间上 改变了水体中相关物质之间的生物化学反应速率瞳1 。据相关资料显示，水体水温升 高，可以明显促进藻类的生长繁殖，在一定范围内，水域中生物量随着水体温度 的升高有着比较大的增加，同时藻类的多样性指数出现相应的下降，即优势种突 出：水温升高的同时，其溶解氧有较大幅度的下降，这加剧了菌类对水体中生物残 体的分解活动和厌氧性真菌的繁殖，进而加快了有机物中氮、磷等营养盐的分解 速度，使藻类等浮游动物生长繁殖有更加充足的营养物质，从而引发受纳海域富 营养化水平的变化。 象山港是我国著名优良的深水良港，同时也是我国极其重要的养殖水域，作 为一个半封闭式的港湾，其地理位胃是在宁波市东部沿海沿西南方向呈狭长状嵌 入大陆块，其海域的总面积为5 6 3 平方公里，岸线总长2 7 0 公里，有岛屿共5 9 个， 作为一个完整的自然地理单元，象山港是海洋生态系统与陆地生态系统的有机综 上海海洋大学硕士学位论文 合体，凭借其独特的地理位置和丰富的资源优势，对与在宁波市发展海洋经济中 具有极其重要的地位。象山港海域环境优美、资源丰富，集“港、渔、涂、岛、 景 五大优势资源于身，是浙江省乃至全国非常重要的鲈鱼、美国红鱼等多种 经济鱼种的养殖基地( 海水养殖面积达1 9 7 2 万亩) ，同时也是很多经济鱼类索饵、 洄游和繁育的场所以及菲律宾蛤仔等经济贝类良好的自然产区，是宁波市政府发 展海洋经济最重要的天然资源，其海洋开发利用功能具备多层重叠性，是宁波市 建设海洋经济强市的重要组成部份，也是促进宁波市区域经济协调发展的重要环 节。 然而随着近年来海洋开发活动的迅猛发展，象山港海域迎来了前所未有的开 发热潮，沿港的国华( 强蛟) 电厂、大唐( 乌沙山) 电厂、鹰龙山电厂等产生的 温排冷却水直接影响着附近水域的生态环境，使象山港的海洋环境受到极大威胁。 由于象山港是半封闭狭长形海湾，水动力条件相对较弱，因而港内水体与外海交 换周期较长( 约为3 个月) 【3 】，温排水的流入对水体起到了进一步促进富营养化发 展的作用。 1 1 2 研究意义 随着我国社会经济的高速发展，国家已把发展海洋科技作为极其重要的战略 性投资，同时施行以推动海洋技术产业进步为目标的“科技兴海”系列计划。海洋高 新技术被正式列入国家8 6 3 项目发展的计划，并在一些关键的海洋高技术领域， 如海洋环境监测、海洋资源和海洋环境保护探查与开发等方面，形成了具有我国 海洋科技优势的创新技术。 其中，象山港海域电厂工程采用的是亚临界机组燃煤发电供热的工艺。热电 联产，机组热效率较高，降低发电煤耗，同时大幅度减少了二氧化硫、烟尘和氮 氧化物的排放，有利于保持生态环境，提高环保水平，属国家鼓励产业。 即便是这些取代了传统的高排放、高能耗的燃煤发电厂，随着时间的推移， 象山港养殖水域附近分布的大唐乌沙山电厂、国华电厂等多个火电站对周围海域 环境的影响也在逐步呈现，尤其电厂温排水对水体富营养化的影响明显加剧。鉴 于象山港在浙江省乃至全国海洋经济中的重要地位以及目前该海域热电厂等沿港 工程建设、运行对港区生态环境构成的具大压力，有必要从整体上对象山港海洋 生态环境的损害进行评价，并研究损害的修复措施和技术，以保障象山港的可持 续利用。 为了迸一步降低此类电厂对海域环境造成的不利影响，合理利用海洋能源， 研究象山港海域电厂温排水对水体富营养化影响的特点，通过调查、现场实验以 2 上海海洋大学硕士学位论文 及模拟验证，量化评估象山港海域电厂温排水对水体富营养化的影响、也为进一 步完善象山港海域电厂生产工艺提供现实科学的指导意义，研究成果具有示范性 的作用。 而关于温排水对象山港水体富营养化的影响的研究未见诸于文献，因此，有 必要对受纳温排水的象山港海域富营养化发生的可能性进行论证和预测评价，并 提出相应对策，以保证受纳水体的良性生态循环。因此，评估量化象山港海域电 厂温排水对水体富营养化影响的预测和研究具有十分重要的意义。 1 2 温排水研究的国内外研究动态 1 2 1 国外研究动态 有关温排水的相关研究在国外已做过很多调查和研究工作，并获得了相关经 验，而这其中主要集中在温排水对周围海域环境影响的数值模拟。早在2 0 世纪6 0 年代英国学者h a r l e m a n 等人针对电厂温排水的热扩散规律进行了初步研究【4 】。而 m c g u i r k 等最早采用k 一紊流模型模拟了温排水排放周围区域的温度场分布，并 较成功的进行了验证【5 】。1 9 6 8 年美国学者b e e r 利用现场监测的数据就温排水对 m r c h i g a n 湖的环境影响作了评价工作的研列6 1 。 之后1 9 7 5 年d a e s 等就电厂温排水对洛山矶港的影响作了研究工作 7 1 ，这是学者 首次就电厂温排水对海域水环境的影响作的研究，此后热( 核) 电厂温排水温升及热 污染的预测在世界范围内引起了广泛的关注。1 9 9 4 年加拿大k i m 等学者首次建立了 海湾三维潮流模型，应用的是固定分层的方法【8 】。而c a s u l l i 博士就浅水流场的计算 分别在1 9 9 1 年和1 9 9 3 年建立了二维和三维的模型，对浅水流动进行了更精细的模 拟研究【9 】。j i a n g j 等学者于2 0 0 2 年首次采用嵌套网格技术建立了三维模型对 b u r r a r ds t a t i o n 电厂温排水进行了数值模拟，并成功的得n - f 验证【10 1 。 其中，海洋围隔实验是重要的现代海洋生态系统现场研究手段，可在保持大 部分海洋生态系特征的前提下，在较长时间尺度内进行有目的控制生态系实验， 并以此了解生态系功能。该方法自从2 0 世纪6 0 年代( s t r i c k l a n de ta l ，1 9 6 1 ) 出 现以来，经过几十年的发展已被国际学术界所认可。我国从2 0 世纪8 0 年代中期 开展了这项研究并进行了多次国际合作( w o n g ，1 9 9 2 ) 。目前我国已有大量学者 应用海洋围隔生态实验做了大量的研究。冯国灿等【lo 】( 1 9 9 5 ) 以围隔实验数据为 例，建立静态模型，初步分析环境因子对赤潮生物的影响。乔方利等【l l 】( 2 0 0 0 ) 基于中日合作长江口海域生态围隔的试验数据，建立了长江口海域六分量赤潮生 上海海洋大学硕十学位论文 态动力学模型，并用海上实测数据进行了检验，进而详细讨论了营养盐及光照强 度对赤潮形成的影响。并在其实验过程中，通过加入无机磷，成功诱发了一个典 型的赤潮过程，赤潮优势种为中华骨肋条藻。李瑞香等【lz j ( 2 0 0 1 ) 在长江口外应 用围隔生态系实验方法，研究了富磷与浮游植物生物量的相关性以及浮游植物对 磷吸收的种间竞争。曾祥波等【l3 】( 2 0 0 8 ) 利用围隔实验研究台湾海峡船基围隔实 验条件下浮游植物生长率及小型浮游动物摄食率的日变动。 1 2 2 国内研究动态 我国学者对温排水的相关研究工作进行相对较晚，最早是由吴江航在1 9 8 1 年 提出利用分步杂交法对受纳水体建立平面二维流动扩散模型，该方法是在不规则 的三角形网格上的基础上建立的分步杂交格式，对水体运动方程中的扩散项及对 流项分别给予简化处理【1 4 】，该数值模拟方法建模简单、计算快速的，并已应用于 电厂温排水相关的模拟中，其缺点是模型的扩散系数需要根据工程经验给出，参 数受主观因素影响很大。1 9 8 8 年，李燕初首次采用a d i 方法( 即交替方向隐式差分 法) ，对拟建的篙屿电厂温排水排入受纳海域后水体的温度场及流场进行计算，得 到了港湾温排水的扩散主要受水体的对流作用的影响的结论【1 5 】，但该模型存在着 一定的局限性，只适用于垂直平均分布的状况。1 9 9 0 年，南京水利研究所吴时强 教授利用欧拉法与拉格朗日法相结合的方法，初次在任意三角形网络上提出了一 种数值模型，该模型利用具有自由表面的平面紊流分离流场求解了带有非线性项 的方程，同时具有较好的稳定性和通用性i l 刚。 1 9 9 2 年旌祖蓉等学者通过在模型中增加旁侧入流项、流场计算采用显式迎流 有限元法，对时间导数采用前差，同时，对热扩散方程考虑横向流速的对流扩散 影响，采用曲线条块网格直接差分电厂温排水对水体溶解氧影响的预测研究法计 算，用这两种方法进行耦合，比较良好的模拟了电厂温排水在浦阳江中的扩散情 况【1 4 1 。 2 0 0 3 年李振海对大亚湾惠州电厂温排水进行了二维的数值计算，其中，扩散 项采用中心差分格式，动量方程的对流项采用迎风格式，最后解出了温升场和流 场1 5 1 ；2 0 0 5 年郝瑞霞等学着利用三维离散型边晁较精细的模拟了滨海电厂温排水的 热传输和水流情况【l6 。 综上所述，数值模拟是研究环境污染扩散及水体流动等问题的普遍技术和重 要方法。然而，温排水对水体富营养化的影响始终引起了环保和海洋领域的广泛 关注。国内外所开展的温排水对环境的影响研究，所采用的方法基本归纳为数学 4 上海海洋大学硕士学位论文 模拟、实地观测和遥感观测三类，尤其侧重流体力学基础上的研究。但从生态动 力学角度对受纳海域富营养化变化进的研究报道不多见于文献。基于此，本文选 用现场调查监测、围隔试验和数值模型相结合的方法，以象山港国华电厂为例， 对温排水的富营养化影响进行了系统研究。 1 3 海水富营养化的形成原因分析 1 3 1 富营养化的定义 富营养化的定义在学术界有这多种不同形式的诠释，总体而言，不同的着眼 点，决定了不同的学者对富营养化这一术语有着不同的理解。 一般而言，所谓水体富营养化，是指一定区域的水体内的营养元素( 氮、磷 等) 累积，导致水体的生产力提高，以至于藻类大量繁殖，水体缺氧，鱼类死亡 等一系列水质恶化的动态过程【l 丌。 国外学者n i x o n 认为富营养化是水体中有机质积累速度加快的原因，同时指出 氮、磷营养盐的增多可能是导致海水有机质增多的最普遍因素【l8 1 。e d m o n d s o n 从宏 观的角度指出富营养化是营养盐来源的增加导致水域营养状况变得严重的过程 【1 9 】，这一定义在当时得到了很多学者的认同。同时，从引起的对象来看，富营养 化可分为自然富营养化( n a t u r a le u t r o p h i c a t i o n ) 和人为富营养化( 或称文明富营养化， c u l t u r ee u t r o p h i c a t i i o n ) ，对此他也指出，需要慎重的对待二者的区别，并强调人为 富营养化应该受到关注。这在学术界达成共识，因为自然条件下的水体由正常状 态发展到富营养的水平一般都需要以万年作为时间单位才能完成。然而随着经济 的发展、城市化进程的推进以及工业化进程的加快，大量的城市生活污水和工业 废水排入海湾、河口等水体，导致水域迅速的呈现出富营养化状态，也就是人为 富营养化。因此，目前学术上研究的富营养化，基本都是指人为富营养化。 之后，欧盟的奥斯陆巴黎公约组织( o s p a r ，1 9 9 8 ) t 2 0 1 、欧洲环境署( e e a ， 2 0 0 1 ) t 2 1 】等学者对富营养化的学术定义进行了进一步的完善。其中欧洲环境署专家 指出人为富营养化是指由于人类的活动而导致的水体中营养盐在总量上的增加或 者在组成上的改变，以及由此造成的水体中藻类等有机物的加速累积。虽然国内 有权威学者认为这是最为全面恰当的关于富营养化的学术定义【2 2 1 ，但迄今为止其 定义在国际学术界尚未达成完全的共识。特别值得注意的是，在上述所有学术定 义中，都一致认为富营养化是水体中的营养盐特别是氮或磷营养盐累积的结果， 并且重点聚焦人为富营养化相关的研究。 5 上海海洋大学硕士学位论文 1 3 2 海域富营养化形成原因 如前所述，氮、磷等营养盐是水体发生富营养化的必要条件，但不是充分条 件，也就是说水体中氮、磷营养盐浓度的升高不一定发生富营养化。对于不同的 水体，由于存在地理特征、生态系统、自然气候条件、污染特性等差异，会出现 不同的富营养化表现特征。但是富营养化发生的必要条件是一致的，总结而言， 最主要的因素可以概况为以下几个方面：营养盐的量比较充足：如前所述，氮、 磷营养盐充足是藻类等生物生长需要的重要元素，是水体富营养化最基本的必要 条件，而一般认为藻类生长最佳的氮磷原子比为1 6 ：1 ，低于此值则氮为该水域富营 养化的限制性因子，高于此值则磷为限制性营养因子；一定的温度、光照条件 以及溶解氧的含量：在一定的范围内，藻类数量随光强的增加而增加，温度也是 如此，并且温度的影响更加大于光强。如果水体中溶解氧的含量较低，导致藻类 等水生植物增加，水体可能产生富营养化；铁，硅等元素含量适度：铁是生物 代谢硝酸盐的固定、硝酸盐一亚硝酸盐在还原酶组成的重要因子，决定着n 的代谢， 铁含量越高，代谢越旺盛，海域发生富营养化的可能性就降低。同样，水体中硅 含量越多，水体中的浮游生物中鞭毛虫的成分就越多，鞭毛虫容易导致水体富营 养化；相对缓慢的水流，即水体更新周期较长：例如，如在长江中上游流域与 滇池水域中的营养盐浓度相当，已经满足富营养化的必要条件，但滇池水体呈现 了明显的富营养化特征，而长江中上游未有类似现象，原因在于长江流域水流急 速，水体更换快，不利于富集藻类，而滇池水流缓慢，水体更新周期长。只有在 上述条件都符合的情况下，水体才会发生富营养化【2 3 1 。 与淡水水域不同，海水由于扩散、潮流、潮汐等因素的影响，水体交换比较 充分，而造成海洋富营养化的无机盐类污染来源多为陆源，所以海水富营养化通 常发生在海陆交汇处，即近海岸、海湾，特别是河口等受人类活动影响大而水体 交换充分的水域，也即满足水体更新周期长、水流缓慢的条件。如在北海、波罗 的海以及国内长江口、象山港等海域，由于水交换较缓慢，现均己表现出严重的 富营养化现象【2 4 j 。 富营养化的形成机理目前在学术界主要存在两种理论：“食物链理论 和“生 命周期理论 2 5 1 ： 食物链理论认为，水域中存在着食物链，是水体生态系统平衡的重要条件， 如果浮游动物数量减少或者捕食藻类的能力降低，自然使得藻类的数量激增，从 而发生富营养化现象。该理论认为营养盐的增加不是造成水体富营养化的唯一因 素，同时指出农药、杀虫剂等影响浮游生物捕食的污染物可能导致水体的富营养 6 上海海洋大学硕+ 学位论文 化。生命周期理论则认为，氮磷等营养物质过多的排入水体，导致了藻类等大量 繁殖，进而溶解氧消耗过大造成水体缺氧，导致鱼类等生物缺氧大量死亡，而尸 体腐烂后造成了水质的进一步恶化，这一系列的反应构成了富营养化的发生。明 显可以看出此理论认为，氮、磷等营养盐往水体的过量排放是造成富营养化的根 本原因，而藻类的数量则是表达和反映富营养化的主要因子。综上，氮磷等营养 盐充足是否为引起富营养化的主要条件是二者的不同之处。虽然在国际学术上争 论尚未结束，但生命周期理论得到了人们的广泛认同，如下重点讨论。 生命周期理论认为营养盐特别是水域的限制性营养盐的过量增加是导致近海 海域富营养化的重要原因，而海域营养盐的含量与人类活动息息相关，特别是易 于受沿海人口增长及工农业大量排放污染的影响。已有研究表明，人类活动导致 了磷由陆地向海洋的传输量提高了一倍以上。而人类对海域中氮的含量影响更大， 其负荷与人类活动呈明显正相关关系【2 6 1 。导致近海海域营养盐的急剧增加的人类 活动多种多样，包括农业化肥有机肥等排放、沿海城市生活排污、工业废水倾倒、 海洋网箱养殖、船舶污染等等都大大加速了营养盐的排入。例如，各种化h e ( 包括 合成肥料和无机肥料) 的使用量以氮计算已经由1 9 5 0 年的不足1 07 吨上升到1 9 9 6 年 的将近1 0 8 吨，并有继续明显增大的趋势【2 7 】。值得注意的是，各种肥料中的氮还有 可能氮氧化物以及氨气的形式进入大气【2 引，并进一步通过大气输送和沉降作用进 入海洋。与农业污染相比，工业化的高速进程造成的大量工业废水及生活污水分 别通过河流、地下水以及直接排放的方式输入到近海海域。根据我国海洋渔业水 域环境相关研究显示，2 0 0 9 年我国海水中的主要污染物依然是无机氮、活性磷酸 盐和石油类。而工业废水和生活污水中对氮磷营养盐贡献尤为突出【2 9 1 。 综上所述，人类活动产生的营养物质主要通过大气沉降和陆源径流排入海域。 而陆源径流又包括地下水输入和地表径流，其中，营养盐通过河流的输入是海洋 营养盐富集的主要途径。有研究表明，由于密西西比河的流入，使得墨西哥湾水 体中2 0 世纪九十年代氮磷营养盐的浓度达到了1 9 5 0 年的两倍多【3 们。类似地，对我 国长江口及珠江口等河口的研究也表明，氮磷营养盐主要来自于附近河流的输入 3 1 1 o 大气输入是外源性营养盐向海洋输入的另外一种重要途径，一部分通过大气 和水界面的交换后随陆地径流进入海洋，另一部分是直接沉降在周围海域中p z 。 大气沉降对海域中营养盐的外源性排入也占有着重要的贡献，特别是大气中营养 盐浓度浓度高高于海域中时受浓度梯度影响排入更明显。b e d d i g 对德国湾的研究调 查表明，在1 9 8 8 1 9 9 1 年里该海域3 0 左右的氮元素通过大气贡献，这与同样的研 究在北海的统计结果类似p 3 1 。在我国，大气沉降对黄海海域中溶解无机氮的外源 7 上海海洋人学硕士学位论文 性排入甚至占到了总量的6 5 t 3 4 】，明显超过了其他途径的输入。而大气沉降对磷 营养盐的输入研究较少，但在很多海域，p 的大气输入同样可观。研究表明，大气 沉降带入地中海海域溶解无机磷量可占总量的三分之一以上，甚至多达三分之二； 在中国的黄海海域，这个比例达到了7 0 ；也有个别例外：对长江口海域的研究表 明，通过大气沉降输入到海域中的营养盐明显低于河流径流输入【3 ”。 此外，网箱养殖等产生的饵料及水生动物排泄物也是造成海水中营养物质的 聚集的重要原因。研究结果表明，海洋养殖中，饵料的大部分的p ( 8 6 ) 和的n ( 5 3 - 9 4 ) 会通过海水交换、生物排泄等各种方式进入海水进而影响附近海域 的富营养化水平。如在我国的象山港海域，网箱养殖导致投喂的过剩饵料和鱼类 粪便已经达到l m 多厚，造成水体严重富营养化【j 6 。 1 4 有关温排水对富营养化影响的研究 从海域富营养化形成原因可以得出，温排水对富营养化的影响主要取决于水 温影响范围及持续时间。日本学者t a k a m u r a l 于2 0 世纪7 0 年代在霞浦湖进行了水温 与微囊藻类最大光合作用速率相关关系的研究，表明温度对富营养化有重要作用， 同时指出，当水温升高时，湖底的沉积物倾向于向水体释放磷，进而造成水体富 营养化程度加重【3 7 1 。国外最早将水温( 水文气象) 纳入到富营养化评价因子中是 在1 9 9 8 年，学者r o b e r t1 3 8 1 在s e l i n g u e 水库水体富营养化的调查研究，指出水文气象 因子尤其水温对藻类的生物量和富营养化状况有着重要影响。 有关水温对水体富营养化影响的研究，国内主要从静态实验和数值模拟两个 方面着手。中国水利水电科学研究院的李平衡等以叶绿