渤海海冰资源理化品质的空间分布特征

1、 第 32卷 第 3期 2010年 3月2010, 32(3 :405-411Resources ScienceVol. 32, No. 3Mar. ,2010文章编号:1007-7588(2010 03-0405-07渤海海冰资源理化品质的空间分布特征许映军 1, 顾 卫 1, 袁 帅 2, 林叶彬 1, 史培军 1, 黄树青 1(1. 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室, 北京 100875;2. 国家海洋环境监测中心, 大连 116023摘 要:海冰资源品质评定是实际工程性开采选址的有效依据, 海冰理化特征分析是海冰资源品质评定的基础和内容。本文主要选择海冰全盐量、 氯度、 硬

2、度、 pH 值、 硫酸根、 油类含量、 悬浮物含量等 7项理化特征指标。研 究结果显示, 平整冰的全盐量、 氯度、 硬度、 硫酸根以及油类含量要高于堆积冰, 但低于母体海水; 冰样的硫酸根和 油类含量高于母体海水。海冰全盐量、 氯度、 硬度、 硫酸根空间分布特征为:海上>辽东湾>渤海湾; 近海区总体 上随离岸距离的增加而呈现加大的趋势。海冰 pH 值总体呈碱性:海上>辽东湾>渤海湾; 近海区总体随离岸距 离的增加而呈现减小的趋势。海冰悬浮物含量:渤海湾>辽东湾>海上, 迎风岸>背风岸; 近海区总体随离岸距 离的增加而呈现减小的趋势。海冰油类含量:辽东湾

3、西北海岸>渤海湾>辽东湾东南海岸>海上; 迎风岸>背风 岸。实际进行工程性开采时, 需要结合海冰理化特征和冰情参数, 进行资源品质评估。关键词:渤海; 海冰资源; 理化品质; 空间分布1引 言经过十余年的研究, 开发利用渤海海冰资源已 经从一个科学设想, 逐渐成为一个具有理论基础、 技术基础、 工程试验基础和产业化开发前景的资源 利用现实问题 1-3。渤海海冰资源工程性开采和产 业化开发是海冰资源开发利用的关键环节, 而海冰 资源品质评定是工程性开采选址的有效依据。笔 者认为海冰资源品质包括冰量 (海冰资源量 和冰 质 (海冰资源质地 两个方面, 其中冰量指渤海海冰 资

4、源量; 冰质指渤海海冰资源品味, 具体涉及一年 生特定冰型海冰的理化特征空间分布, 包括特定冰 体和冰源区两个层面。区域海冰资源品质总体性 差异主要表现为冰期、 冰型、 盛冰期一次冰厚、 生长 周期 4以及工程性开采次数的不同, 而局域海冰资 源品质个体性差异主要表现为海冰理化指标的时 空分异。海源性原生海冰资源的形成过程是热力 作用和海洋动力作用的耦合过程, 因而其基于海冰 理化指标时空分异的品质差异具有显著性。目前, 渤海海冰资源化研究在海冰资源量估算 5-10和水质分析 11方面开展了大量的研究工作, 但缺少从冰量 和冰质的角度进行海冰资源品质综合分析和评价 以及品区区划的有效研究工作。

5、所以本文基于以 往海冰水质方面的研究工作基础, 并结合 2006年冰 期渤海冰调采集冰样水质分析数据, 初步归纳渤海 海冰资源理化品质空间分布的总体特征, 以期推动 海冰资源品质评价指标体系和品区区划研究, 进而 为渤海海冰资源实际开采和脱盐工程 12-17设计提供 背景数据和科学依据。2研究方法2.1冰调路线和冰样采集渤海海冰资源是漂浮在海上的海水冻结物, 具 有面积广、 流动性强、 空间分布不均匀的特点。实 际工程性开采时, 如果考虑到海冰淡化、 储存、 供水 等环节, 原料冰移送 (输送 距离将决定海冰资源量 获取的难易程度, 即冰源离岸越近, 可获取性越强; 离岸越远, 可获取性越差。

6、渤海海冰资源主要分布 在辽东湾和渤海湾, 主要为平整冰和堆积冰。辽东 湾海冰资源自然储量最为丰富, 常冰年盛冰期海冰收稿日期:2010-01-15; 修订日期:2010-02-23基金项目:国家 “ 863” 计划重点项目课题 (编号:2006AA100206 ; 国家科技支撑计划重大项目课题 (编号:2006BAB03A03 ; 国家自然科 学基金项目 (编号:40801230, 40335048 ; 国家高技术产业化专项:“ 渤海海冰淡化关键设备研制及工程试验” 。 作者简介:许映军, 男, 江苏南通人, 博士, 讲师, 主要从事海岸带资源开发利用研究。 E-mail:xyj通讯作者:顾卫

7、, E-mail:weigu第 32卷 第 3期资 源 科 学自然储量多年均值约占渤海海 冰自然储量的 60%70%, 而渤 海湾约占 20%。根据历史冰情 资料分析和多年多点现场观测 可知, 渤海湾海冰基本都分布 在沿岸 20km 以内, 而辽东湾海 冰分布很广, 冰量随着离岸距 离不同有着明显的差异。以常 冰年 (1999年 /2000年 为例, 辽东湾主要结冰区 (营口、 兴城 等 各离岸等间距海冰分区海 冰量随着离岸距离的增加呈现 逐渐减少的趋势 5-8。基于渤海海冰资源的空间 分布特征和未来各海区海冰资 源工程性开采实际可操作性, 特选定沉积型海岸 (渤海湾 和 基岩性海岸 (辽东湾

8、 海冰资源 富集区代表点为检测站点 (采 样点, 见图 1 , 具体划分为渤海湾西海岸、 渤海湾东海岸、 辽东湾西北海岸、 辽东湾 东南海岸以及辽东湾东北近海区 5个区域 (营口鲅 鱼圈港区外近岸海区, 见表 1 。冰调时间为 2006年 1月 30到 2006年 3月 5日, 其中租破冰船进行海 上调查 (营口鲅鱼圈港区外近岸海区 3天。海冰采 集冰样为平整冰和堆积冰, 海水水样为冰层下表层 海水。近岸海冰监测站点均离岸 1km 左右, 每个站 点每类水样平行采集 2组。样品采集后放入随车携 带的冰柜, 在 -15温度条件下储存。 2.2冰样检测指标与分析前期海冰理化检测分析结果表明:海冰水

9、质超 标的检测项目主要为盐度 (S 、 全盐量 (TS 、 硫酸根 (SO 42- 以及氯度 (Cl - 四项 11。参照国家生活饮用 水 标 准 (GB5749-2006 、 地 表 水 环 境 质 量 标 准 (GHZB1-1999 以 及 农 田 灌 溉 水 质 标 准 (GB5084-2005 的相关水质指标, 同时为有效考察 渤海近岸海区海冰资源品质的空间差异, 特选定以 下理化检测指标:全盐量 (TS 、 氯离子 (Cl - 、 硬度 (TDS 、 硫酸根 (SO 42- 、 pH 值、 悬浮物 (泥沙含量 以 及石油类 (Oil 等。各检测站点三类水样 (平整冰、 堆积冰以及海

10、水 共 63×2组, 委托国家相关认证机构 (国家海洋环 境监测中心 进行检测分析。其中, pH 采用仪器法 (GB/T17378-98 ; 油类采用荧光分光光度法 (GB/T17378-98 ; 硫酸根、 全盐量以及悬浮物 (泥沙 采 用 重 量 法 (GB/T11899-89、 HJ/T51-1999以 及 GB/图 1冰样采集点空间分布Fig. 1Spatial distribution of sea ice sampling sites表 1近岸海冰检测站点信息Table 1Sea ice sampling sites in the sea by the coastline编

11、码123456789101112131415161721名称 黄骅 大港汉沽 (大神堂码头 唐山 (曹妃甸 滦河口 (东岸 滦河口 (南岸 南戴河 (黄金海岸 北戴河 绥中 (二河口 兴城 (海滩 葫芦岛 (东北港湾 三道沟大洼县 (盘锦港 鲅鱼圈 长兴岛 大连海上 (破冰船 备注 渤海湾西海岸渤海湾北海岸辽东湾西海岸 辽东湾东海岸 辽东湾营口鲅鱼圈东北近海区2010年 3月许映军等:渤海海冰资源理化品质的空间分布特征 T17378-98; 氯 根(氯 度 采 用 摩 尔 法(GB/T11896-89 ; 硬度采用络合滴定法。3结果及分析3.1全盐、 氯度与硬度海冰的资源性主要在于其低含盐量,

12、 主要表现 为海水结冰过程中全盐量、 氯度 (氯离子或氯根 以 及硬度 (钙、 镁等 的较大幅度的降低, 使得其经过 简单的技术处理过程 12-17而可以转化为淡水。不同 检测站点不同类型水样全盐量、 氯度以及硬度 (钙、 镁等 具有较强的相关性, 其变化规律为:海水>平 整冰>堆积冰。从图 2可见, 各检测站点海水、 平整冰以及堆积 冰 全 盐(mg/L分 布 区 间 分 别 为 8690, 33570, 2990, 26620和 1390, 19680, 均值分别为 30671,9029和 6315。渤海湾西海岸站点中, 黄骅港 (编号 1 平整冰和堆积冰全盐远高于正常海冰全盐

13、, 为奇 异点, 可能由于采样时海冰受海水浸泡引起。渤海 湾站点平整冰和堆积冰全盐分布区间分别为 3810, 8310和 1910, 7540, 属于低盐度海冰。辽东湾站 点分别为 2990, 19230和 1910, 11490, 极高值位于 兴城 (编号 10, 辽东湾西北海岸 和鲅鱼圈 (编号 14, 辽东湾东南海岸 , 总体属于中高盐度海冰。辽东 湾 东 北 近 海 区 (编 号 17 21 分 布 区 间 分 别 为 7050, 17060和 6150, 14190, 各站点海冰全盐总体随离岸距离的增加而呈现加大的趋势, 属于高盐度 海冰。总体上, 海冰全盐空间分布规律为:海上>

14、;辽东湾>渤海湾。从图 3与图 4可见, 各检测站点海水、 平整冰以 及 堆 积 冰 氯 度 (mg/L 分 布 区 间 分 别 为 3660, 21057, 559, 12617和 387, 9725, 均 值 分 别 为 17365, 4292和 3005; 而硬度 (mg/L 分布区间分别为 0.197, 6.784, 0.316, 4.229和 0.194, 3.615, 均值分 别为 5.260, 1.485和 1.159。渤海湾站点平整冰和堆 积冰氯度 (mg/L 分布区间分别为 1593, 3660和 387, 2818, 而 相 应 硬 度 (mg/L 分 布 区 间 分

15、 别 为 0.592, 1.420和 0.197, 1.320, 同样黄骅港 (编号 1 相应指标检测值为奇异值。辽东湾站点平整冰和 堆积冰氯度分布区间分别为 559, 7794和 559, 5210, 而相应硬度 (mg/L 分布区间为 0.828, 2.524和 0.636, 1.893, 相应极高值位于兴城 (编号 10, 辽图 2海冰和海水全盐变化Fig.2Total salt of sea ice and sea water on different sites图 3海冰和海水氯度变化Fig.3Cl -of sea ice and sea water on differentsite

16、s第 32卷 第 3期资 源 科 学 东湾西北海岸 和鲅鱼圈 (编号 14, 辽东湾东南海 岸 。辽东湾东北近海区 (编号 17-21 平整冰和堆 积 冰 氯 度 分 布 区 间 分 别 为 4177, 9172和 2985, 7347, 而相应硬度分布区间分别为 1.499, 3.116和 3.008, 各站点相应指标检测值总体随离岸距离的增加而呈现加大的趋势。 3.2硫酸根在水质检测中, 硫酸根 (泻药成分 具有腹泻作 用, 超标对人体有害。从图 5可见, 所选检测站点不 同冰型和海水水样硫酸根总体特征表现为:平整冰 >堆积冰>海水。所选择站点相应检测值空间特 征:海上>

17、辽东湾>渤海湾。其中, 各检测站点平 整冰、 堆积冰以及海水硫酸根 (mg/L 分布区间分别 为 1030, 9050, 864, 7360和 44, 234, 均值分别为 4063, 3181和 1366。渤海湾站点平整冰和堆积冰相 应 检 测 值 (mg/L 分 布 区 间 分 别 为 1402, 4850和 864, 4010, 极大值点位于唐山 (曹妃甸, 编号 4 。 辽 东 湾 站 点 相 应 检 测 值 分 布 区 间 分 别 为 1030, 9050和 1130, 6870, 相应极高值位于鲅鱼圈 (编号 14, 辽东湾东南海岸 。辽东湾东北近海区 (编号 17 21 相

18、应检测值分布区间分别为 1295, 8680和 1137, 7360, 各站点相应指标检测值总体上随离岸距离的增加而呈现加大的趋势。 3.3pH 值从图 6可见, 所选站点除滦河口东岸外, 海水和 海冰 pH 值总体呈碱性, 各站点不同冰型海冰 pH 值 特征为:堆积冰>平整冰。相应空间分布特征总体 为:海上>辽东湾>渤海湾。辽东湾东北近海区 (编号 17 21 平整冰和堆积冰相应检测值分布区 间分别为 7.73, 8.08和 7.76, 8.12, 各站点相应检 测值总体随离岸距离的增加而呈现减小的趋势。 3.4悬浮物含量海冰中所含悬浮物 (泥沙量 在海冰融化后会 沉淀而充

19、分分离, 但是不同泥沙含量的海冰光谱 (透射、 反射和散射 特征具有明显的差异。从图 7可见, 所选站点不同冰型海冰悬浮物含量特征为:堆积冰>平整冰。相应空间分布特征总体为:渤海 湾>辽东湾>海上, 迎风岸>背风岸。这可以解释 为近海岸海冰因为风浪和海流作用而在迎风岸撞 击或搁浅, 因而泥沙含量较高。各检测站点平整冰图 4海冰和海水硬度变化Fig.4TDS of sea ice and sea water on different sites图 5海冰和海水硫酸根变化Fig.5SO 42-of sea ice and sea water on differentsite

20、s2010年 3月许映军等:渤海海冰资源理化品质的空间分布特征 和堆积冰悬浮物含量 (mg/L 分布区间分别为 11, 1558, 和 16670, 5016, 均值分别为 301.4和 986.6。 主要极大值出现在天津大港、 汉沽以及葫芦岛等冰 期迎风岸站点。渤海湾站点海冰悬浮物含量分布区间分别为 40, 1558和 67, 4972。辽东湾站点相 应检测值分布区间分别为 46, 323和 162, 5016。 辽东湾东北近海区 (编号 17 21 平整冰和堆积冰 相应检测值分布区间分别为 11, 174和 44, 192, 各站点相应检测值总体随离岸距离的增加而呈现 减小的趋势。 3.5

21、油类海水中所含油类 (主要是石油类 超过其自净 能力, 就会导致海水水质严重恶化, 将会造成局域 海区生态灾难。从图 8可见, 所选检测站点不同冰 型和海水水样油类含量总体特征表现为:平整冰>堆积冰>海水。所选择站点相应检测值空间特征:辽东湾西北海岸>渤海湾>辽东湾东南海岸>海 上, 迎风岸>背风岸。其中, 各检测站点平整冰、 堆 积冰以及海水油类 (g/L 分布区间分别为 3.3, 33.6, 3.5, 31.6和 1.2, 7.9, 均值分别为 11.1, 9.8和 4.6, 其中极大值位于黄骅 (编码 1 站点, 为奇异点(附近有大港油田, 处于下风方

22、向 。4结论与讨论海源性原生海冰资源的形成过程是热力作用 和海洋动力作用的耦合过程, 其基于海冰理化指标 空间分异的品质差异具有一定的显著性; 冰型不同 而导致的理化品质差异也比较明显。海冰与海水 全盐量、 氯度以及硬度的存在具有明显的关联性, 不同冰型总体特征表现为:海水>平整冰>堆积 冰; 相应指标空间分布特征为:海上>辽东湾>渤 海湾; 近海区总体上随离岸距离的增加而呈现加大 的趋势。海冰 pH 值总体呈碱性, 不同冰型特征为:堆积冰>平整冰; 相应空间分布特征总体为:海上 >辽东湾>渤海湾; 近海区总体随离岸距离的增加 而呈现减小的趋势。硫酸根

23、总体特征表现为:平整 冰>堆积冰>海水; 相应空间特征为:海上>辽东 湾>渤海湾; 近海区总体随离岸距离的增加而呈现 加大的趋势。油类含量总体特征表现为:平整冰>图 7海冰悬浮物含量变化Fig.7pH of sea ice and sea water on different sites图 6海冰和海水 pH 值变化Fig.6pH of sea ice and sea water on differentsites410 资 源 科 学 第 32 卷 第 3 期 Fig.8 图 8 海冰和海水油类含量变化 Oil of sea ice and sea water

24、on different sites 7 顾卫, 张秋义,谢锋,等. 用气候统计方法估算辽东湾海冰资源 8 Wei GU, Ning Li and Seiji. HAYAKAWA. Study on Spatial Characteristics of Sea Ice Reserves in Liaodong Bay of China J. Journal of Agricultural Meteorology, 2005, 61 : 105-111. （2） XIE FENG, GU WEI, HA SI, et al. An Experimental Study on the 量的尝试J.

25、 资源科学, 2003,25 （3） :9-16. 征J. 资源科学, 2003, 25 （3） :2-8. 堆积冰海水； 相应空间特征为： 辽东湾西北海岸 渤海湾辽东湾东南海岸海上； 迎风岸背风 岸。海冰悬浮物含量特征为： 堆积冰平整冰； 相 应空间分布特征总体为： 渤海湾辽东湾海上， 迎风岸背风岸； 近海区总体随离岸距离的增加而 呈现减小的趋势。在实际工程性开采时， 可以结合 冰期、 冰型、 盛冰期一次冰厚、 生长周期、 理化特征 等冰情参数进行海冰资源品质评估和区划， 综合考 虑选址和脱盐技术方式问题。 参考文献 （References） ： 1 史培军, 哈斯, 袁艺, 等. 渤海海冰

26、作为淡水资源： 脱盐机理与 2 王静爱, 苏筠, 刘目兴. 渤海海冰作为淡水资源的开发利用与 （3） :85-72. 可利用价值J. 自然资源学报, 2002, 17 （3） :353-360. 9 Spectral Characteristics of one-year-old Sea Ice in Bohai Sea, （14） 3057-3063. : China J.International Journal of Remote Sensing, 2006, 27 10 LI NING, FENG XIE, WEI GU, et al. Using remote sensing to

27、estimate sea ice thickness in the Bohai Sea, China based on ice 4539-4552. type J. International Journal of Remote Sensing, 2009, 30 （17） : 11 12 13 徐学仁, 陈伟斌, 刘现明, 等.长兴岛沿岸海域海冰融化水水质 解利昕, 李凭力,王世昌. 海水淡化技术现状及各种淡化方法 状况J. 海洋环境科学, 2003, 22 :33-36. （2） 区域可持续发展J. 北京师范大学学报 （社会科学版） 2003, , 评述J.化工进展, 2003, 22 （

28、10） :1081-1084. 进展, 2005, 24 （7） :749-753. 李凭力, 马佳, 解利昕,等. 冷冻法海水淡化技术新进展J.化工 3 Ning Li, Wei Gu, Peijun Shi , et al., Reducing Vulnerability to Severe Water Shortage in Northeast China: Using Satellite ReservesJ. IWRA, Water International, 2007, 32 （3） 483-493. : 周期研究J. 资源科学, 2003, 25 :24-32. （3） J. 资

29、源科学, 2003, 25 （3） :17-23. Remote Sensing to Determine the Extent of Bohai Sea Ice 4 顾卫, 顾松刚,史培军,等.海冰厚度的时间变化特征与海冰再生 5 谢锋, 顾卫,袁艺,等. 辽东湾海冰资源量的遥感估算方法研究 6 史培军, 顾卫, 谢锋, 等. 辽东湾冬季海冰资源量的空间分布特 14 Lixin Xie, Jia Ma, Fang Cheng, et al. Study on sea ice desalination 15 徐学仁, 陈伟斌, 刘现明, 等. 海冰淡化方法研究： 浸泡脱盐法 16 许映军, 李

30、宁, 顾卫, 等. 控温法海冰冻融固态脱盐技术研究 17 许映军, 顾卫, 陈伟斌, 等. 重力法海冰固态自脱盐的姿态效应 J. 海洋环境科学, 2007, 26 （1） 28-32. : J. 应用基础与工程科学, 2006,14 （4） :1-9. J. 资源科学, 2003, 25 （3） :33-36. technologyJ.Desalination, 2009, 245）:146-154. （ 2010 年 3 月 许映军等： 渤海海冰资源理化品质的空间分布特征 411 Spatial Distribution of Chemical and Physical Characteri

31、stics of Sea Ice Resources in the Bohai Sea （1. State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China; 2. National Marine Environmental Monitoring Centre, Dalian 116023, China） XU Yingjun1， Wei1， GU YUAN Shuai2， Yebin1， Peijun1， LIN SH

32、I HUANG Shuqing1 Abstract: Estimation of sea ice resources quality plays a prominent role in selection of exploitation engineering sites. Analysis of chemical and physical characteristics can be the basis and main content for quality estimation primarily consisting of the total salt (TS, Cl-, total

33、dissolved solids (TDS, pH, SO42-, oil and suspended substance (SS. In the ice period in the year 2006, a field investigation was carried out along the coast of the Bohai Sea and on the sea. An icebreaker was rented for investigating sea ice conditions on the sea 10 nautical miles away from the Bayuq

34、uan Port. During the field investigation, there were 16 sea ice sampling sites near the coast from Huanghua Port to Dalian City and 5 in the sea. Repetitive sea ice and sea water samples were collected from each sample site. The collected sea ice samples were preserved under -15 condition. Then, the

35、 indexes above those samples were analyzed in terms of the quality standards for drinking water, surface water and irrigation water, respectively. The results were shown as follows. The TS, Cl-, TDS, SO42- and oil concentration of level ice were found to be larger than those of hummocked ice, but lo

36、wer than those in the sea water. It was found that the SO42- and oil concentration in sea ice were higher than that in the sea water. TS, Cl-, TDS and SO42- concentration in the sea ice on the sea were shown to be highest, followed by that in the Liaodong Bay, and that in the Bohai Bay were the smallest. It was also found that the longer the distance from the c