胶州湾大气降水水溶性离子组成特征及来源解析

基于2019年6月至2020年8月胶州湾沿岸的大气降水样品,分析降水主要水溶性离子(Na^(+)、K^(+)、Ca^(2+)、Mg^(2+)、NH^(4+)、F-、Cl^(-)、SO_(4)^(2-)、NO_(3)^(-)、MAS-(甲基磺酸根))的组成特征和湿沉降通量,评估其对近海营养成分输入的贡献和潜在生态效应,并利用气团后向轨迹和正定矩阵因子分解法(PMF)解析其主要来源.结果表明,观测期间,胶州湾大气降水雨量加权平均(Volume-weighted Mean,VWM)pH为6.41,电导率的VWM值为19.3μS/cm,降水中水溶性离子以Na^(+)、NH^(4+)、NO_(3)^(-)、Cl^(-)和SO_(4)^(2-)为主,在季节上呈现出冬春季浓度明显高于夏秋季的特征,而湿沉降通量则因受降水量的控制而主要集中在夏季(约占55%).胶州湾区域大气降水共清除7274.6t水溶性离子,营养盐(主要为NH^(4+)和NO_(3)^(-),以氮计)沉降入海量达951.9t/a,表明降水在清洁大气的同时也加剧了海洋环境的污染和海洋生态系统的失衡.气团后向轨迹分析得到了观测期间控制胶州湾降水的4类主要气团,在不同季节,降水过程受到不同气团的影响,其中以来自华东地区和东北方向的气团的影响较大.基于PMF的源解析结果显示,胶州湾大气降水水溶性离子受到农业源、海洋源、扬尘源、生物质和垃圾燃烧源、工业和交通源5种来源的共同控制,其中以农业源排放的贡献最为突出(26.7%),而其他4种源的贡献大致相当.研究证实胶州湾大气环境受到复杂人为源排放、矿物沙尘以及海洋源排放的综合制约,而人为排放的贡献占主导地位.

胶州湾国家海洋公园沿岸地区土地利用预测研究

元胞自动机-马尔科夫耦合模型(CA-Markov模型)作为土地利用变化(LUCC)的一种研究手段,具有马尔科夫模型精确地模拟LUCC未来变化情况,同时还具有元胞自动机模型模拟复杂系统空间变化的能力。本研究运用CA-Markov模型,以分区预测为原则,对胶州湾国家海洋公园沿岸地区过去十年的土地利用构成及变化进行分析,同时对研究区未来三十年的土地利用变化进行中期预测和长期预测。结果表明:胶州湾国家海洋公园沿岸地区建设用地面积在过去十年增大,而在未来三十年将不断减小;模型的预测精度将随预测时长的增加而下降,需要根据其他因素对模拟结果进行一定程度的修正;未来土地利用方式的转变将为国家级海洋公园的生态保护和海洋生态文明建设起到积极推动作用。

海洋沉积物中挥发性脂肪酸的测定方法优化及在胶州湾海域的应用

本文优化了一种简便且实用的方法测定沉积物孔隙水中的VFAs,使用2-硝基苯肼将水样中VFAs衍生化,并利用配备紫外检测器的液相色谱在400 nm处进行检测分析。对标准曲线的线性和乙酸盐的空白进行了合理优化,标准曲线线性相关系数均高于0.999,乙酸盐的检出限由5μmol/L降低至0.5μmol/L。乳酸盐、甲酸盐和丙酸盐的检出限分别为0.2、0.3和0.3μmol/L。该方法检出限较低,精密度较高,已成功应用于胶州湾的孔隙水样品测定。

胶州湾小型底栖动物丰度、生物量及环境因子的研究

为了进一步对胶州湾小型底栖动物有全面地了解,本研究于2018年春季(5月)对胶州湾15个站位进行了小型底栖动物调查取样,研究了小型底栖动物的类群组成、丰度和生物量,同时对这三个参数同沉积环境因子的关系进行了探讨。主要结果如下:研究海域共分选出16个小型底栖动物类群,无论从丰度还是生物量,都以线虫为最优势类群;小型底栖动物的平均丰度为(89.689±43.007) ind.·cm^(-2),平均生物量为(104.652±42.706)μg·cm^(-2),其分布都呈现出胶州湾北部高、南部低的特点;小型底栖动物分布在沉积物表层(0~2 cm)、中层(2~5 cm)和底层(5~8 cm)的比例依次减小,丰度占总丰度的比例分别为47.73%、32.24%和20.03%;Pearson相关性结果显示,小型底栖动物的总丰度、线虫以及桡足类的丰度均同Chl a含量呈显著正相关。综合线虫同桡足类丰度之比以及其他相关研究资料,以指示研究海域沉积环境整体优良。

胶州湾跨海大桥箱梁氯离子侵蚀状态及细观结构特征分析

为明确胶州湾跨海大桥箱梁现阶段的氯离子侵蚀状态及箱梁混凝土当前的细观结构特征,依托胶州湾跨海大桥暴露试验站进行了取样测试,测试了总氯离子浓度、自由氯离子浓度,并开展了工业CT扫描。通过暴露试件氯离子浓度曲线拟合,分析了现阶段箱梁的氯离子侵蚀状态;根据历史测试数据,分析了北方高纬度海域自然暴露条件下的表面氯离子浓度以及龄期衰减系数;通过对工业CT扫描数据进行分析,研究了箱梁混凝土当前阶段的细观孔结构特征,包括孔隙分布、孔隙率、孔隙尺寸等。研究结果发现:在当前阶段,胶州湾跨海大桥箱梁的氯离子侵蚀最大深度为14~28 mm,表观氯离子扩散系数与有效氯离子扩散系数的比值为1.24~2.77;大气区与浪溅区氯离子结合性能差异较大,大气区氯离子结合系数随深度的变大而逐渐变大,并趋于稳定;在北方高纬度海洋环境下,大气区与浪溅区表面氯离子浓度演变均可采用对数增长规律描述,胶州湾跨海大桥箱梁氯离子传输的龄期衰减系数为0.6129;当服役13.7 a时,胶州湾跨海大桥箱梁混凝土孔隙率为1.05%,等效孔隙直径服从对数正态分布,孔隙表面积与孔隙体积服从指数分布。

陆海统筹背景下胶州湾陆海系统耦合协调发展评价研究

海岸带是陆海协调发展的核心区域,进行陆海系统耦合协调发展评价对推动陆海统筹战略的实施至关重要。本文通过构建陆海耦合协调发展评价指标体系,对胶州湾地区陆海耦合协调发展程度进行定量评价,结果表明:2007-2021年,胶州湾地区陆海两系统综合得分均呈上升趋势,至2015年,海域系统综合得分赶超陆域系统成为陆海耦合协调发展的主要力量;区域陆海耦合协调发展等级从“勉强协调发展类”过渡到“良好协调发展类”,由“陆域主导型”过渡到“海域主导型”;统筹陆海资源环境承载力和发展潜力有助于陆海复合系统耦合协调发展能力的提升。同时,运用系统动力学建立陆海复合系统仿真模型,模拟陆海统筹背景下胶州湾陆海系统中各变量的发展态势。以上研究结果可为海岸带地区探索陆海统筹背景下可持续发展新途径提供参考与借鉴。

胶州湾沉积物的不同相态主量元素含量及铁同位素组成初探

沉积物是物源、沉积环境、生源过程等多因素影响下的产物,不同元素进入沉积物的方式不同导致其赋存在不同的相态中,通过研究不同相态沉积物的元素丰度及同位素组成,可以揭示由于多种过程混合所掩盖的生物、物理及化学信息。本研究通过选择性化学提取法,对胶州湾沉积物进行了分级提取,包括碳酸盐结合态、易还原的氧化物态、可还原的氧化物态、磁铁矿态和残留态。测试结果表明:主量元素主要赋存在残留态中,但在非残留态中不同程度保留有Ca、Fe、Mg、Mn和P。结合胶州湾沉积物中的常见矿物成分,除了之前研究已介绍的不同相态的目标矿物组成,推测易还原的氧化物态的潜在矿物还有独居石和磷灰石;可还原的氧化物态的潜在矿物还有褐铁矿;磁铁矿态的潜在矿物还有钛铁矿;部分硅酸盐矿物也存在于易还原的氧化物态和可还原的氧化物态中。残留态富集了重铁同位素,继承了物源区的特征,并且全组分的铁同位素主要受控于残留态;活性铁组分的铁同位素由于受到了非陆源组分的影响,导致同位素变化。

船载水上水下一体化测量系统在跨海大桥中的应用——以胶州湾跨海大桥为例

船载水上水下一体化测量系统是近年来新发展的一项技术,依托船舶载体,集成多种高精度传感器,实现水上水下一体化快速三维测量。针对跨海大桥水上水下测绘中桥体高大复杂、桥下测量存在遮挡及海上作业条件差、难度大等问题,本文以胶州湾跨海大桥为例,介绍了VSurs-W船载水上水下一体化测量系统,成功实现了跨海大桥水上水下一体化无缝测量,并进行精度评定,完成水上水下成果整合,首次形成胶州湾跨海大桥完整水上水下三维数据,为船载水上水下一体化测量系统在实际中的应用提供了经典案例。

青岛胶州湾北岸城市信息模型(CIM)基础平台设计与实现

为进一步加强胶州湾北岸区域数字化转型,在胶州湾北岸区域建立数据“汇聚-治理-共享-应用”的数据价值新模式,为区域的“规划-建设-管理-运营”全链条治理提供大数据和云脑支撑,为各行业CIM+专题应用构建数据、技术、软硬件等完整生态链支撑,在青岛市城阳区河套、红岛街道开展胶州湾北岸城市信息模型(CIM)基础平台建设工作。

胶州湾第二海底隧道东出口施工区设计水位的数值分析

以胶州湾第二海底隧道工程东侧隧道口施工区域为例,运用Mike21软件的水动力模块和波浪模块,对工程附近海域不同风向、不同重现期作用下的风暴潮进行了计算。通过模拟发现,W风向作用下的涌浪和风浪在岸边所造成的波高值最大,NW向次之,N向较小;当遭遇W方向100年一遇风浪潮时,工程海域最大有效波高可达3.44m,工程附近不允许越浪的最高水位约为5.1m;当遭遇300年一遇风浪潮时,工程海域最大有效波高可达3.75m,工程附近不允许越浪的最高水位约为5.3m。

北斗及超宽带定位技术在胶州湾海底隧道施工工程中的应用

针对青岛胶州湾第二海底隧道工程施工项目的实际需求,从定位技术、定位设备等多个方面探讨了北斗和超宽带(UWB)定位技术在海底隧道工程施工项目中的应用,北斗和UWB定位技术作为一种高精度、高可靠性、高稳定性的定位技术,能够在海底隧道中高盐、高温、高湿的恶劣环境下实现对人员和车辆的实时精准定位,为海底隧道工程的施工增加安全保障。

环胶州湾地区大尺度城市设计策略研究

文章回顾了环胶州湾地区20世纪90年代以来的规划建设历程,讨论当前国土空间规划下,大尺度城市设计应有的城乡/海陆统筹、弹性化思维理念。同时借鉴国外经验,从“结构—风景—断面”三个由大到小的尺度,提出了“发展轴”“风景规划”“城乡控制单元”等可供环胶州湾地区城市设计参考的策略。

2022年夏季胶州湾致灾物种多棘海盘车的分子解析

多棘海盘车(Asterias amurensis)是海星纲的一个致灾物种,广泛分布于包括我国黄海、渤海海域、韩国、日本和俄罗斯海域在内的北太平洋海域,并作为入侵种分布于澳大利亚的塔斯马尼亚海域。多棘海盘车在多个海域发生过暴发性增殖导致的高密度、大规模聚集,对海洋生态系统和水产养殖造成严重的负面影响。自2006年以来在我国山东青岛海域多次发生大规模多棘海盘车聚集,对贝类养殖造成重大经济损失。日本、俄罗斯、澳大利亚等海域的多棘海盘车遗传多样性研究取得了显著进展,然而,迄今为止鲜有针对我国海域致灾物种多棘海盘车的分子生物学分析,阻碍了我国海域种群与全球种群间遗传进化关系的比较分析。研究重点分析了于2022年7月在胶州湾发生多棘海盘车暴发时采集的12个样本,系统组装了其线粒体基因组、核糖体基因簇以及多种通用分子标记。基于线粒体基因组和核糖体基因簇的系统发育分析表明多棘海盘车具有较高的种内遗传多样性。基于线粒体基因组的蛋白编码基因进行分化时间估算,多棘海盘车的种内遗传分化可能发生在1.7~4.2 Ma,表明多棘海盘车的扩布可能较早发生。与线粒体基因组相比,多棘海盘车核糖体基因簇序列在种内极为保守,基本没有表现出种内序列差异,表明线粒体基因组对多棘海盘车遗传多样性具有更高的分辨率。研究不仅首次构建了我国胶州湾海域致灾物种多棘海盘车的多种分子标记序列,开发的高分辨率分子标记也将为实时监控胶州湾以及其他海域多棘海盘车的多样性特征和变化提供技术支持。

胶州湾秋季海水低分子量有机酸转化速率的分布特征

为考察近海海水中低分子量有机酸(Low Molecular Weight Organic Acids,LMWOAs)的分布、来源和转化,系统研究了2022年11月胶州湾海水中LMWOAs的组成,以及其浓度和转化速率的分布特征,通过相关分析探讨了不同LMWOAs组分之间的关系,以及影响LMWOAs转化速率的因素。结果表明,秋季胶州湾海水中的乳酸(Lactic Acid,LA)、乙酸(Acetic Acid,AA)和甲酸(Formic Acid,FA),以及3种酸总量(Total Low Molecular Weight Organic Acids,TOA)的浓度范围分别为0~0.55、0.94~3.39和0~3.35,以及1.24~7.19μmol·L-1,AA平均浓度占TOA的63.99%。LMWOAs浓度较高的区域集中于河口和湾口附近,且整体上表层海水LMWOAs的浓度高于底层,其主要来源是人类活动。加富培养实验结果表明:秋季胶州湾海水在整体上净消耗LMWOAs,其转化速率在不同站位、不同水层呈现复杂的变化,具有局部性、多样性的特点。3种LMWOAs的微生物转化速率与其对应的非生物转化速率出现负相关关系,不同站位海水的微生物活动能够以不同的速率产生和消耗LMWOAs,以净消耗为主,对控制胶州湾海水LMWOAs的转化速率起决定性作用;在没有光化学过程的情况下,非生物过程在不同站位的海水中也能够以不同的速率产生和消耗LMWOAs,以净产生为主,是胶州湾LMWOAs的重要来源。微生物释放的酶对控制LMWOAs转化起关键作用。秋季胶州湾海水中的AA和FA有相似的生物来源,具有相近的新陈代谢过程,其微生物转化速率受到水温、盐度和营养盐因素的显著影响。温度和盐度降低、溶解氧(Dissolved Oxygen,DO)浓度降低、营养盐浓度升高,以及周边河流的输入,都有利于促进秋季胶州湾海水LMWOAs的产生。

基于“双核”评价框架的近40年来胶州湾海洋环境健康状况演变

基于近海生态环境健康状况“双核”评价框架,文章综合评估近40年来胶州湾海洋环境健康状况,梳理胶州湾生态环境伴随青岛市经济社会发展的演变历程。以每10年为1个区间,近40年来胶州湾海洋生态环境健康状况的“双核”评价结果为:1981-1990年为“良+0.22”、1991-2000年为“优+0.53”、2001-2010年为“良+0.87”以及2011-2020年为“优+0.90”。随着青岛市经济社会的发展,人类对胶州湾海洋资源环境开发利用的力度不断加大,胶州湾生态环境也出现各种问题:20世纪80年代水质恶化,90年代生物群落健康状况下滑,2000年后富营养化问题严重。2010年以来,青岛市加大生态保护和环境治理力度,胶州湾的海洋生态环境得到显著改善,而伴随着新旧动能转化提速和产业结构不断优化升级,经济开发活动对胶州湾海洋生态环境的扰动不断降低,最终实现胶州湾海洋经济与环境良性、健康的绿色发展模式。

基于PMF模型的胶州湾地区主要河流表层沉积物中重金属污染特征及来源解析

为研究胶州湾地区主要河流表层沉积物重金属污染特征、污染来源及生态风险,2021年6月采集了青岛市4条主要河流中的51个表层沉积物样品,利用地累积指数、污染负荷指数和潜在生态风险指数法评估了重金属污染水平及其生态风险,并采用正定矩阵因子分析模型(PMF)解析了重金属污染来源及其贡献率.结果表明,胶州湾区主要河流表层沉积物中As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Hg和Zn中值浓度分别为:5.71、0.27、124.27、26.61、24.45、12.27、0.039、91.80 mg∙kg-1.其中Cd、Cr、Cu、Hg和Zn的中值浓度均高于背景值,有一定的富集;地累积指数(Igeo)法评价结果表明,8种金属的Igeo依次为Cd(1.21)>Hg(0.79)>Cr(0.31)>Zn(0.18)>Cu(-0.21)>Ni(-0.65)>Pb(-1.00)>As(-1.34);其中Cd的污染程度最高,Hg、Cr、Zn为轻度污染,沉积物中Cu、Ni、Pb、As的Igeo<0,表明这4种金属可视为无污染.污染负荷指数(PLI)结果显示,4条河流采样点超标率依次为:李村河(100%)>墨水河(85.7%)>大沽河(66.7%)>洋河(46.1%),表明胶州湾东部流域污染较为严重;Hg和Cd对风险指数(RI)的贡献率最高,分别为61.8%和27.7%,Hg对水生生物构成最大的潜在生态危害,其次是Cd.经PMF模型源解析可知本研究区域河流表层沉积物中重金属的主要来源依次是:自然母质源(40.01%)>农业养殖源(27.88%)>工业活动源(17.01%)>大气沉降源(15.10%).

胶州湾盐沼湿地植被、大型底栖动物群落与环境要素生态特征研究

为了解胶州湾湿地不同盐沼植被分布区内大型底栖动物的生态特征,探究植被群落与土壤环境要素的关系,本研究针对夏季胶州湾湿地植被、大型底栖动物以及土壤环境要素的进行了调查。胶州湾湿地主要植被类型为芦苇、盐地碱蓬、互花米草和大米草,各植被呈带状分布,芦苇分布于高潮带,盐地碱蓬、互花米草和大米草分布于中潮带。不同植被分布区的表层土壤中值粒径相近,土壤pH呈现中性或弱碱性特征,各植被分布区的表层土壤全盐含量呈极显著差异(P<0.01),大米草分布区平均全盐含量(23.25 g·kg^(-1))与互花米草分布区平均全盐含量(12.54 g·kg^(-1))均显著高于盐地碱蓬分布区平均全盐含量(8.08 g·kg^(-1))和芦苇分布区平均全盐含量(6.04 g·kg^(-1))。大型底栖动物的主要类群为节肢动物和环节动物,但是不同分布区内其功能群有所不同:芦苇与盐地碱蓬分布区优势功能群均为植食性大型底栖动物,丰度占比分别为97.78%和63.33%;互花米草分布区的大型底栖动物中,肉食性的和杂合性的分别占比为37.68%和31.16%;大米草植被分布区的大型底栖动物中杂食性的占比为50.00%;米草分布区的大型底栖动物以肉食性的和杂食性的功能群为主,米草入侵改变了胶州湾湿地大型底栖动物的功能群组成与分布。典范对应分析(CCA)结果表明,全盐含量对胶州湾盐沼植被的群落结构影响较大。综合分析发现,胶州湾盐沼植被能够影响大型底栖动物功能群结构,表层土壤全盐含量是植被群落结构的主要环境驱动因子。

基于DPSIR模型和耦合协调度模型的胶州湾海域承载力分析

海域承载力是海洋资源利用协调发展的重要指标,本研究旨在根据胶州湾海域资源特征,基于DPSIR模型构建海域承载力评价指标体系,运用熵值法评价2000—2020年胶州湾海域承载力,并运用耦合协调度模型分析胶州湾海域承载力子系统内部的耦合协调度。结果表明,2000—2020年胶州湾海域承载力和耦合协调度变化幅度范围分别为0.70~0.95和0.73~0.85。研究结论如下:1)2000—2020年胶州湾海域承载力处于强可载、近满载状态,总体呈降低趋势;2)在压力层中的对海洋资源的需求是影响海域承载力的主要因素,而GDP(Gross Domestic Product)增长率、海洋渔船数和海洋渔船功率、人均滩涂面积和人均用海面积、主要海洋产业增加值年增长率、人工增殖放流则分别是影响驱动力层、压力层、状态层、影响层、响应层的主要因素;3)2000—2020年间胶州湾海域承载力整体耦合协调度总体呈“初级协调至良好协调”态势。

胶州湾水体氮磷营养物基准研究

海湾营养物基准是指对海湾地区没有不利或有害影响的环境营养物参数的最大剂量或浓度,能够为富营养化风险评估和水质目标管理提供参照条件。本研究根据2014—2017年的胶州湾现场监测数据,采用频数分布法、分类回归树模型以及非参数拐点分析等统计分析法,推导营养物基准候选值,并基于赤潮敏感藻生态响应,通过室内多藻种实验开展营养物基准校验。结果表明:不同方法得到的营养物基准值存在一定差异,多藻种实验得到的生态响应值普遍高于统计分析法得到的基准候选值。综合考虑胶州湾目前的水质状况及富营养化水平,胶州湾水体溶解无机氮、总氮、活性磷酸盐和总磷的营养物基准推荐值分别为0.152、0.394、0.0032和0.0089 mg/L。研究结果有望为青岛胶州湾水体富营养化控制和营养物标准制定提供科学支撑。

胶州湾海域海水浊度和悬浮物粒径分布及遥感反演模型

为拓展无人机搭载多光谱相机在海上应用的广度和精度,利用2021年1月、3—7月共6个航次的胶州湾海域现场观测数据,采用多种数理统计方法,开展了海水浊度和悬浮物粒径时空分布特征及基于多光谱数据的遥感反演研究。浊度和悬浮物粒径的分析结果表明,胶州湾湾内海域表层浊度冬季偏低,春夏季高,特别是5月浊度最高,是春季水华暴发浮游植物大量繁殖的结果。胶州湾悬浮颗粒以极细砂为主;悬浮物粒径冬季较粗、春季较细、夏季最小,与水动力条件的季节变化密切相关。将多光谱数据计算得到的不同波段离水辐照度反射率与浊度和悬浮物粒径分别进行相关性分析,结果显示红光波段(660~680 nm)的辐照度反射率对浊度和粒径参数最敏感。基于红光波段的波段组合构建了多种函数类型的浊度反演模型,基于450和660 nm处的离水辐照度反射率构建的多项式模型反演效果最好,预测浊度与实测浊度的相关系数为0.82,预测浊度的均方根误差为1.448 FTU。通过基于红光波段的波段组合以及后向散射系数分别构建平均粒径的反演模型,基于555和660 nm处的离水辐照度反射率构建的多项式模型对平均粒径有较好的预测效果,预测结果的均方根误差为0.051φ,平均相对误差为1%。已构建的基于胶州湾海域的两类遥感反演模型可以推广应用到其他二类水体。