热带季风河口海域污染负荷容量模拟与海鼻涕模型概念化研究

本研究针对印尼比马湾首次出现的海鼻涕（sea snot）污染问题，通过系统动力学模型量化了人类活动产生的氮（TN）、磷（TP）污染负荷，并结合水文与土地利用分析，揭示了流域径流、畜牧业和生活污水是主要污染源。研究证实比马湾处于超富营养化状态，并构建了海鼻涕形成的概念模型，为热带季风河口海域的生态治理提供了科学依据。

　　

2022年4月，印尼比马湾（Bima Bay）首次出现了令人担忧的海洋黏液污染现象，俗称“海鼻涕”（sea snot）。这种棕白色胶状物质的大量聚集不仅破坏了海域的生态平衡，还对周边的渔业、旅游业和水产养殖业造成了短期经济损失。尽管海鼻涕本身并无毒性，但它可能成为细菌和病毒的载体，严重时甚至会堵塞航道，引发一系列环境与经济问题。比马湾正处于“滨海城市”的快速发展中，人类活动加剧和土地利用变化导致污染物负荷持续增加，而半封闭的地形特征和气候变化进一步加剧了海域的富营养化风险。

为了探究比马湾海鼻涕形成的机制并评估其污染负荷容量，来自印尼 Bandung 理工学院的研究团队在《Heliyon》上发表了一项综合性研究。他们通过系统动力学（System Dynamics, SD）方法，构建了污染负荷容量模型，量化了来自流域径流、畜牧业、生活污水和水产养殖的氮（Total Nitrogen, TN）、磷（Total Phosphorus, TP）输入，并结合水文气象数据、地理信息系统（GIS）分析和水质监测，揭示了比马湾的超富营养化状态。

研究主要采用了以下关键技术方法：

1. 1.
   水质分析：在湾内12个采样点监测了溶解氧（DO）、生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）、总氮（TN）、总磷（TP）、总悬浮固体（TSS）等参数；
2. 2.
   水文与土地利用分析：基于20年降雨数据（2003–2022）和Landsat 8遥感影像，利用ArcGIS计算流域面积、径流系数与土地利用类型；
3. 3.
   污染负荷建模：使用STELLA软件构建系统动力学模型，整合流域径流、畜牧业排放、生活污水和水产养殖污染负荷，并基于事件平均浓度（EMC）估算污染物输入；
4. 4.
   海湾形态分析：通过数字高程模型（DEM）计算海湾体积（3.06×10⁹ m3）和出口截面积（44,071.41 m2），结合流速数据计算污染物滞留时间。

3. Results and discussions

3.1. Water quality analysis

水质监测结果显示，比马湾的总氮（TN）、总磷（TP）和总悬浮固体（TSS）在所有点位均超标，其中TN浓度范围2.33 mg/L，TP为0.25 mg/L，表明海湾处于超富营养化状态。溶解氧（DO）、BOD和pH虽在标准范围内，但COD（14.2–16.1 mg/L）和TDS（高达37,530 mg/L）也处于较高水平。污染主要来源于 aquaculture（水产养殖）区、河口附近及工业活动（如燃煤电厂和石油工业）。

3.2. Hydrological characteristics

降雨分析表明，该地区属季风气候，雨量较低（0–100 mm/月），雨季为11月至次年3月，旱季为4–10月。这种气候模式影响了径流形成和污染物输送。

3.3. Watershed land uses

流域土地利用以开阔地（71.9%）、森林（17%）和农业用地（10.2%）为主。开阔地和农业用地因施肥和侵蚀成为TN、TP的主要来源。

3.5. Runoff coefficients

径流系数范围为0.2–0.5，其中Panda流域最高。径流系数反映了降雨转化为地表径流的比例，受土地利用类型影响显著。

3.7. Pollutant load

污染负荷模拟显示：

• •
  流域污染中，开阔地贡献最大（因EMC值高），其次为农业用地（大量使用化肥）；
• •
  行政区间，Woha和Wawo区的TN负荷最高（13,178.45 kg/天和12,867.71 kg/天），主要来自畜牧业；
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  Bolo和Wawo区的TP负荷最高（1,256.97 kg/天和1,255.73 kg/天）；
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  生活污水污染与人口密度相关，城市区域负荷更高；
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  畜牧业中，山羊贡献最大TN负荷，牛贡献最大TP负荷；
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  水产养殖因投饵和尿素施肥（150 kg/ha）加剧了营养盐输入。

3.8. Bima bay pollution load capacity

比马湾的TN负荷容量为305,515.71 kg，但实际负荷达7,118,768.048 kg；TP容量为30,551.57 kg，实际负荷778,609.135 kg，远超容量限制。水体交换率仅0.0165/天，颗粒物滞留时间达60.5天，导致污染物持续累积。

3.9. Sea snot model conceptualization

基于因果循环图（Causal Loop Diagram, CLD），研究进一步构建了海鼻涕形成的概念模型（Fig. 17），整合了气候变化、全球变暖、水动力过程、污染负荷及氮磷循环等多重因素。模型表明，人类活动（如土地利用变化）通过增加径流和污染负荷，加剧富营养化；海表温度上升进一步促进藻类繁殖，从而诱发海鼻涕事件。

4. Conclusion

研究表明，比马湾的TN、TP污染负荷已远超其环境容量，导致海湾处于超富营养化状态，这是海鼻涕周期性发生的主要原因。污染主要源于畜牧业、生活污水、开阔地和农业用地。通过系统动力学模型构建的海鼻涕概念模型，揭示了降雨、径流、污染负荷与海湾生态状态的正反馈关系，为热带季风河口海域的污染控制和生态管理提供了科学基础。该研究不仅首次量化了比马湾的污染负荷容量，也为类似半封闭海域的富营养化治理提供了可借鉴的方法框架。