知识窗▏海洋环境监测与保护
【编者按：本文根据作者2004年文稿中节选，尽管近10年来我国的海洋环境情况有了一定的改变，海洋环境监测手段与装备也有所发展，但基本海洋环境状况及监测方法并没有发生根本性的变化。本文对于我国当前的海洋环境监测与保护工作仍有很强的启迪作用，现编发供朋友们阅读了解。吕曰恒，男，1940年出生，山东省广饶县人，国家海洋局国家海洋技术中心研究员，中国海洋学会科技开发与产业化工作委员会秘书长，1964年清华大学工程力学数学系工程热物理专业毕业，曾参于海洋浮标及海洋能源开发课题研究工作，曾任“海洋技术”杂志常务副主编，现已退休，并继续从事中国海洋学会学术团体社会工作。】
海洋面积占地球总面积的71%，海水占地球水体总量的97%，地球有大气圈、水圈、岩石圈、生物圈等四个圈层，海洋是水圈的主要构成部分。海洋不仅为人类提供了丰富的食品和生活资源，而且它是地球环境的调节器、地球主要灾害的发源地及沿海国家安全的天然屏障。 海洋吸收了30%～40%的二氧化碳，减轻了地球的温室效应。海洋通过蒸发向大气和陆地输送淡水。海洋与大气的相互作用，影响着全球的气候变化，例如台风、厄尔尼诺现象。海流的运动，特别是大洋环流，调节了温度，输送了营养物质，保持了海洋的生态平衡。全世界自然灾害经济损失的60%也是渊源于海洋的自然变异，平均每年有4000多万人遭受风暴潮的袭击；海平面上升有可能对地处低洼沿海地带和海岛的居民带来灭顶之灾。沿海海岸带区有独特的环境，是全球陆地、海洋、大气、人类能量和物质集中输入的唯一的地方,也是地球上生物和人群密度最大的地方，预计到2025年全世界约有75%的人口将生活在距海边220公里的范围内，高度密集的人类活动造成了沿海生态环境的严重恶化，同时也制约了人类自身的可持续发展。 随着人类在近海生态系统生活、工作和娱乐活动的增加，要求这些生态系统提供商业、娱乐和资源服务的需求也将随之增加，人类活动与生态系统之间的相互影响和相互冲突也将增大。有3/4的海洋污染来自陆源污染物，其它来自交通运输排污和海上油气工程，而入海污染物的90%以上保留在沉积物、湿地、沿海礁石和其它海洋生态系统中，污染物的过量排放污染了近岸海域, 恶化了生态环境，近海生态系统正经历着前所未有的破坏，从生物栖息地的恶化，氧耗损、有害藻类水华、鱼虾死亡和鱼虾资源的减少到海滩封闭、海岸侵蚀和洪水泛滥，海岸带空间利用和资源开发与环境保护的矛盾日益尖锐，人类已为并将继续为处理海岸带区资源与空间的利用和开发与环境保护间的矛盾和冲突付出高昂的代价。 为解决人类所面临的“人口、资源、环境”问题，保持社会、经济的可持续发展，海洋资源和海洋环境越来越受到国际社会的普遍关注。同时，20世纪70年代以来，《联合国海洋法公约》生效前后，沿海国家出现了一场“绿色圈地运动”，约占全球海域面积35.8%的近岸海域，将通过专属经济区的形式实行国土化管理，获得管辖海域的主权权利和经济利益，因此沿海国家全面关注近海海域的资源和环境。管理和恢复健康的近海生态系统和生物资源、实现更安全有效的海上作业、预报和减少风暴潮的影响、监测和预报气候变化的影响、保护公众健康，成为国际社会和沿海国家政府十分关注的大事。深刻认识和了解海洋环境及其变化规律，准确预报海洋自然灾害和环境灾害，对人类社会的生存和发展及沿海国家的防务十分重要。 海洋环境灾害包括海洋自然环境灾害和海洋生态环境灾害。对海洋自然环境的监测和预报，目的是对灾害环境做出预报和警报，避免或减轻灾害造成的人民生命财产损失。对污染和生态环境的监测和预报，目的是对人类活动对生态环境的影响做出评估和预测，以规范人类的自身行为，保护社会经济和人类自身的可持续发展。 我国地处西北太平洋，是海洋灾害的多发区。沿海又是我国人口最密集、经济最发达的区域,在占国土总面积13.4%的峡长区域上，承载着全国42%以上的人口和全国50%以上的大中城市，创造了60%以上的国内生产总值。但灾害脆弱区经济发展迅速，环境监测和预报能力薄弱，减灾系统不健全，虽然科学技术的进步使灾害中人员伤亡数量显著减少，但灾害造成的年经济损失呈逐年上升趋势，超过了沿海和海洋经济的发展速度。 台风及其伴随的狂浪和风暴潮、渤海的重冰等环境灾害，是制约我国沿海社会经济可持续发展的主要灾害。年海洋自然灾害经济损失从20世纪70年代的亿元级人民币，80年代的10亿元级人民币，上升到90年代的100亿元级人民币。例如，6911号台风和风暴潮灾害致使闽江口地区损失1亿余元，人员伤亡7770人；9711号台风和风暴潮灾害波及8个沿海省市，损失504亿元，死亡254人；2001年我国的海洋灾害损失超过100亿元，死亡和失踪401人，受灾人口1400万。因此，加速发展海洋环境监测和信息服务技术，提高对灾害性海洋环境的监测和预警能力，是一项迫切的社会需求。 陆源污染物超标过量排放，海洋工程和海洋交通运输的违规废弃物排放，海水增养殖业发展过快和粗放养殖，以及管理不到位和监测系统不完善，造成沿海污染和生态环境破坏，已严重制约了我国沿海社会经济的可持续发展。据有关资料报导，我国近年来沿海的年污水入海量已超过100亿吨，多数入海污水都严重超标，过量排放严重污染了沿海水体。例如，锦州湾每年有3000多万吨严重超标污水入海，汞超标5.34倍，镉超标44.7倍，锌超标18倍。沿海的海水养殖业发展迅速，1985年养殖面积仅416万亩，产量71.2万吨，而1999年达到1646.5万亩，总产量974.3万吨，但养殖粗放，造成水体污染，病害不断。污染引起沿海生态环境恶化，2000年沿海水质劣于一类标准的面积，已达到20.6万平方公里，约占沿海面积的1/3，其中渤海、长江口、珠江口海域最为严重。 污染造成沿海生态环境恶化，造成生物资源量锐减，生物多样性的破坏，并引发多种环境灾害，例如2000年沿海赤潮灾害28起，累计面积1万多平方公里，最大的1起达5800多平方公里，持续两周，渔业损失1.5亿元；2001年累计发生赤潮77次。渤海四类以上污染水体面积达1.1万平方公里，占渤海水域面积的1/7，渤海局部海域已出现了无海洋生物的“死海区”。国家有关部门已制订了治理渤海污染的“碧海行动“计划，15年内筹资数百亿元人民币，在渤海建立污染与生态环境监测系统，分别从陆上和海上控制与治理入海污染，修复生态环境，还渤海以“碧绿”。 加强对陆源排污物的总量控制，加强对海上排污的控制，提高海水增养殖水平，并积极发展污染和生态环境监测技术，发展环境监测仪器设备，提高环境监测能力，是保护海洋环境、促进海洋经济发展的社会需求。 海洋环境监测的对象是海洋水体及其界面的物理、化学、生物参量，不同的目的规定了不同的环境监测参数。 联合国政府间海洋学委员会专家组在2000年10月提出的全球海洋观测系统沿海部分计划（C-GOOS），重点是加强沿海部分的生态环境监测，其关键监测参数包括：海面风、气压和气温、降雨量等气象学参数；海平面、水深和地貌、水温和盐度、表层流和波浪、浊度/总悬浮泥沙、沉积物类型和粒径等海洋物理学参数；溶解无机氮、磷酸盐、硅酸盐、溶解氧等化学参数；叶绿素-a、浮游植物色素、海洋水色、物种构成（包括赤潮藻类和非当地物种）、光合成的有效辐射衰减等生物学参数。 我国“海洋监测规范”（HY003•1-91）规定的海洋监测参数，包括：海洋水文基本参数；水体中重要理化参数、营养盐类，有毒有害物质和放射性核素；沉积物中有关物理参数和有毒有害物质；生物体中有关生物学参数残毒及生态。其中定点环境监测的基本参数为：水质的pH、浊度、溶解氧、化学耗氧量、营养盐类，石油。 风、气压、温度和降雨量影响近岸环流，降雨量还对颗粒物质、营养盐和淡水的输入做出贡献。海洋生态系对气象作用力和输入物质的响应在很大程度上受水深和地貌的支配。水温和盐度是反映气候系统和沿岸排海流域输入情况大尺度变化的重要标志。风和海流的共同作用控制着水团、营养盐、浮游植物、悬浮沉积物、点源排放物、羽流、油膜、海冰等的运移和分布。海洋表面波浪对于双向耦合的海洋和大气来说是最重要的机理之一，同时波浪影响着动植物的分布、种类组成以及有机物质的积累和缺氧症的发生。叶绿素a的分布特征提供有关生态系统对生物资源的承载能力和有机质总量的信息。营养盐（包括无机的和有机的）的输入量常常支配着初级生产量，营养盐浓度提供了有关近海生态系统营养状况的信息，例如主要营养盐成分比（N：Si：P）的变化对监测物种演替和有害藻类水华（赤潮）的发生具有重要意义。溶解氧（DO）是需氧和不需氧有机生物的重要生境参数，溶解氧的分布是一项衡量初级生产量、异营养消耗、化学耗氧量、物理输运和交换过程、海—气界面的相互交换之间动态平衡的综合性尺度。对有毒有害物质监测的必要性是十分明确的，历史上日本水俣县发生过甲基汞中毒事件，病180多人，死亡50多人；日本富山县发生过镉中毒事件，病280多人，死亡34人，这都是海水和海生物中重金属严重超标造成的。 海洋环境监测技术和仪器设备是认识和了解海洋环境的手段。发展海洋环境立体监测系统技术，建立海洋环境立体监测系统，可以为开发海洋资源、保护海洋环境、预警海洋灾害、发展海洋科学、维护海洋权益，提供科学技术支持。 海洋环境监测已进入从沿岸、水面、水下、海床、空间进行多平台立体监测（观测）时代。岸基监测依靠沿岸的监测系统，水面监测依靠船和浮标，水下监测依靠潜标、剖面浮标、调查船及海床基监测系统，空间监测依靠卫星遥感和航空遥感。发展新型的传感器，努力提高监测仪器或系统的水平，发展多参数的集成监测系统,加强海洋污染和生态环境监测技术的研究,建立不同层次的多平台、多任务海洋环境立体监测（观测）系统，是海洋环境监测技术和仪器设备发展的基本趋势。 国际上，欧盟尤里卡海洋计划中开发的海洋环境自动监测系统（MERMAID），依靠先进的计算机、通信和传感器技术，采用模块化设计，可适用于岸基台站、平台、浮标、灯塔船等。监测参数多达27个，包括水文气象、生物、化学和物理参数，代表了当前近海海洋环境自动监测系统发展的新水平，并将营养盐现场自动分析仪应用于现场监测。 浮标是实现海洋环境离岸、现场、长时序、连续及水下自动监测的主要技术手段，包括锚系资料浮标、漂流浮标、潜标。美国早在上世纪80年代就在海湾、河口、离岸区布设了水文气象浮标和环境污染监测浮标，目前沿海已有在位监测各种浮标71套。潜标是一种水下监测平台，主要用于海流和温、盐等环境参数的定点长时序监测，目前正在发展的是可以沿锚系缆绳升降的剖面探测平台。 电导率C（盐度）、温度T、深度D、海流测量是海洋环境调查监测的最基本测量。高精度CTD剖面仪要求有高准确度、高分辨率和快速时间响应。声学多普勒海流剖面仪ADCP和声相关海流剖面仪ACCP代表了现代海流测量技术的最好水平，测量深度已达到1200 m，可同时测量128层。海洋环境探测高频地波雷达利用雷达波的绕射特性实现海浪、海流等动力环境参数和海面目标的超视距探测，探测距离和分辨率与雷达的发射频率、发射功率、天线高度、夜间电离层变化等因素有关。短程雷达作用距离60km左右，用于港湾、河口的海表动力环境监测。中程表面波雷达用于200海里专属经济区海域监测监视。 卫星遥感和航空遥感在海洋环境监测中发挥了重要作用。机载侧视雷达、紫外和红外扫描仪、多光谱扫描仪、高分辨率的数码相机等仪器设备，用于大面积溢油和赤潮监测。卫星水色遥感用于大面积的赤潮、海上溢油、泥沙运移、污染物排放的监测。 海洋环境保护监测和海洋生态环境监测仪器是国外海洋环境监测技术发展的一个热点，先后开发了多参数水质仪、营养盐现场自动分析仪、痕量重金属探测电极、叶绿素传感器、浊度传感器，正在开发的光学溶解氧传感器可以达到温克尔滴定法的测量精度和几年的稳定性。光纤传感器技术、生物技术和生物芯片技术、微型仪器技术等应用于海洋环境监测，都是近年来的研究热点技术。 建立水下长期监测站，对特定的海洋环境特别是海洋生态环境进行现场、长时序、定点监测，是海洋环境监测技术和集成系统的重要发展方向。美国的海底长期生态环境观测站LEO－15，主要仪器设备有水质仪、海流计、荧光计、辐射计、CTD剖面仪、光学/声学后向散射仪、透明度计及其它声学观测仪器和观测型潜器，在生态环境监测和研究中发挥着重要作用。 我国经过50多年的努力，海洋环境监测技术和仪器设备取得了较大的进步，研制和开发了一批海洋监测仪器设备。在海洋气象水文环境监测仪器方面，重点开发了验潮仪、海流计和海流剖面仪、测波仪、温盐深剖面仪、台站水文气象自动观测系统等仪器设备；在污染和生态环境监测仪器设备方面，开发了多种水质和底质采样器、多参数水质仪、悬浮沙浓度剖面仪和粒径谱仪、营养盐现场自动分析仪、水质监测浮标，并正在研发COD和BOD测量仪、海水中有机磷的现场分析技术、环境污染现场监测生物芯片技术及赤潮浮游生物综合测量和分析技术。同时在仪器设备开发的基础上，重视了多传感器的综合应用、仪器设备的系统集成、区域性海洋环境立体监测与信息服系统的建设和示范应用，支持沿海社会经济的发展。 克服海水屏障是海洋仪器设备首先面临的难点。仪器设备的布放、安装、使用，首先要经受海面风、海浪、海流、潮汐等动力环境的外力作用。海水屏障有可能使仪器失效的原因成为永久的秘密，埋藏在深海大洋，无人知晓。渔民无知行为对定点监测仪器的破坏性伤害也是难以解决的难题。盐雾的腐蚀会严重损害仪器设备的零部件和整机，使仪器在短期内失效。水下监测仪器设备要经受海水的腐蚀、海水的低温和高压、海生物的附着和污损。密封环节稍有不慎，哪怕是一点毛刺或一根头发的存在，都有可能因水密不良造成仪器设备因渗漏进水而全部失效和损坏，价值几十万元仍至上百万元的仪器设备，有可能转眼间变成一堆废物。如果不采取严格而有效的防护措施，海水腐蚀和海生物附着将使仪器设备在短期内完全失效，而使用的涂料还要求不能造成海水的污染。 海水是一种多离子介质，离子敏传感器在海水中会遇到其它离子干扰而严重影响测量精度，淡水中使用的离子敏传感器在海水中就难以使用。高盐环境使淡水中的生物在海水中难以生存，因而适用于淡水的生物膜BOD传感器或生物平衡法BOD测量仪就不能直接应用于海水BOD测量。海洋环境的另一重要特点是环境参数随空间和时间的变化十分显著。环境参数受地域、时间的影响，监测对象瞬息万变，难以复现，难以获得真值。因此，海洋环境监测仪器在恶劣的使用环境中要保持高的稳定性和高的可靠度，这也是海洋环境监测仪器的重要特点和设计制造中的难点。深海仪器设备主要是耐海水腐蚀、耐高压、耐低温环境问题。浅海仪器主要是抗海生物污损和抗海水腐蚀问题，特别是在高温季节，海生物在光照和高温条件下生长旺盛，海生物污损最为严重。岸边和海面监测仪器主要是抗盐雾腐蚀问题。用抗腐蚀材料、牺牲阳极保护、表面涂覆等方法提高监测仪器的环境适应能力。 ■致谢：在此，特别感谢吕曰恒研究员对我微信公众平台的关心与支持！