基于GIS的舟山市釣梁高涂養(yǎng)殖用海區(qū)沉積物重金屬污染評(píng)價(jià)

郭建波，孫曉，郭遠(yuǎn)明，鄔梁超，鐘志，劉琴，宋凱，等

（1.浙江海洋大學(xué)海洋與漁業(yè)研究所，浙江省海洋漁業(yè)資源可持續(xù)利用技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江舟山316021；2.魯東大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東煙臺(tái)264039；3.舟山市海洋勘測設(shè)計(jì)院，浙江舟山316000）

·研究簡報(bào)·

基于GIS的舟山市釣梁高涂養(yǎng)殖用海區(qū)沉積物重金屬污染評(píng)價(jià)

郭建波1，孫曉2，郭遠(yuǎn)明1，鄔梁超3，鐘志1，劉琴1，宋凱1，等

（1.浙江海洋大學(xué)海洋與漁業(yè)研究所，浙江省海洋漁業(yè)資源可持續(xù)利用技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江舟山316021；2.魯東大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東煙臺(tái)264039；3.舟山市海洋勘測設(shè)計(jì)院，浙江舟山316000）

采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法和GIS空間分析技術(shù)，對(duì)舟山市釣梁高涂養(yǎng)殖區(qū)沉積物中的Cu、Pb、Zn、Cd進(jìn)行了綜合定量化污染評(píng)價(jià)研究。研究結(jié)果表明：整個(gè)調(diào)查區(qū)域都屬于輕微生態(tài)危害，且都是靠近排污口以及淤泥積壓、物質(zhì)交換周期長的漁港附近區(qū)域生態(tài)危害程度較重。

重金屬；沉積物；潛在生態(tài)危害；GIS

為了促進(jìn)舟山市海島經(jīng)濟(jì)發(fā)展，充分利用灘涂資源，大力發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)，實(shí)現(xiàn)捕撈漁民轉(zhuǎn)產(chǎn)實(shí)現(xiàn)再就業(yè)，舟山市人民政府于2008年在釣山至梁橫山一帶實(shí)施了釣梁高涂養(yǎng)殖用海項(xiàng)目。釣梁高涂養(yǎng)殖用海區(qū)從釣山東北側(cè)經(jīng)烏龜山，再向東至牛頭山西側(cè)，堤線總長4 308 m；南堤西起南峰山，東至梁橫山的長春崗，長2 790 m；北堤、南堤與長春崗海堤構(gòu)成閉合區(qū)，占用海域面積約1155.234 hm2。隨著2011年浙江舟山群島新區(qū)的設(shè)立，舟山市人民政府適時(shí)提出要利用釣梁高涂養(yǎng)殖區(qū)塊的現(xiàn)有基礎(chǔ)條件，在國家政策的允許范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變區(qū)塊功能，使現(xiàn)狀養(yǎng)殖用海區(qū)域成為工業(yè)與城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)，承擔(dān)起整個(gè)新港區(qū)塊對(duì)外拓展的重要載體作用，成為中國海洋科學(xué)城的重要組成部分。

由于釣梁養(yǎng)殖區(qū)為淺水海域，人工養(yǎng)殖活動(dòng)對(duì)近岸海水環(huán)境壓力相對(duì)嚴(yán)重，養(yǎng)殖水生生物排泄污染以及近岸生活污染物隨大氣塵降、地表徑流或降雨等進(jìn)入近岸水體，并隨懸浮物沉降于沉積物中[1]。蓄積在沉積物中的污染物有再次釋放造成二次環(huán)境污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)水環(huán)境的影響具有持久性[2]。近岸水體沉積物的系統(tǒng)研究有利于了解沉積物對(duì)生態(tài)環(huán)境所存在的潛在危害，也有利于了解重金屬對(duì)沉積物的影響，秉承清潔生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的理念，對(duì)規(guī)劃區(qū)域水體沉積物重金屬污染進(jìn)行環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)變得尤為迫切和重要[3]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者通過對(duì)不同水域、礦區(qū)等采樣和測試分析，綜合運(yùn)用污染負(fù)荷指數(shù)法、單因子評(píng)價(jià)指數(shù)法、地質(zhì)累積指數(shù)法、沉積物富集系數(shù)法以及潛在生態(tài)危害指數(shù)法等，對(duì)研究區(qū)域水體沉積物進(jìn)行了環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀調(diào)查和生態(tài)影響分析等多方面的研究工作[4-9]。

本文根據(jù)2011年和2012年的監(jiān)測資料，經(jīng)過實(shí)地采樣與測試分析，采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法，同時(shí)借助GIS空間分析功能，對(duì)研究區(qū)域水體沉積物中重金屬的污染特征進(jìn)行定量分析，評(píng)價(jià)其潛在危害程度，為規(guī)劃的實(shí)施及有關(guān)部門的決策和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集

浙江省海洋水產(chǎn)研究所于2011年4月和2012年8月在規(guī)劃周邊海域進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查。2011年和2012年分別布設(shè)了12個(gè)和10個(gè)沉積物調(diào)查站位，站位分布如圖1和圖2。沉積物采樣與水質(zhì)采樣同期進(jìn)行，每個(gè)站位只采一次。表層沉積物樣品使用沉積物采集器采取，現(xiàn)場采集樣品后編號(hào)放入潔凈聚乙烯袋中，密封，防止其他雜質(zhì)污染，并貼好標(biāo)簽做好記錄描述。

圖1 2011年調(diào)查站位分布圖Fig.1The 2011 survey station distribution

圖2 2012年調(diào)查站位分布圖Fig.2The 2012 survey station distribution

1.2 樣品的測試分析

按《海洋監(jiān)測規(guī)范》（GB17378-2007）中規(guī)定的方法進(jìn)行測定，監(jiān)測方法列于表1中。

表1 表層沉積物重金屬質(zhì)量調(diào)查類型與分析方法Tab.1Investigation type and analysis method of heavy metals in surface sediments

2 重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)方法

2.1 評(píng)價(jià)方法概述

本文采用瑞典科學(xué)家Hakanson在1980年提出的沉積物評(píng)價(jià)方法[10]，對(duì)舟山市釣梁高涂養(yǎng)殖用海區(qū)沉積物重金屬污染的潛在生態(tài)危害進(jìn)行評(píng)價(jià)。該評(píng)價(jià)方法根據(jù)沉積學(xué)原理，綜合考慮了重金屬的性質(zhì)和重金屬區(qū)域背景值的差異以及生物對(duì)重金屬污染的敏感度，有效地消除了異源污染和區(qū)域差異的影響，揭示了重金屬對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)的危害，適合大區(qū)域范圍內(nèi)的沉積物重金屬污染評(píng)價(jià)[11-12]。其計(jì)算公式如下：

式中：Cif：為第i種重金屬污染系數(shù)；Ci：為表層沉積物重金屬濃度的實(shí)測值；Cin：為單一重金屬的背景值；Cd：為多種重金屬污染程度；Eir：為單一重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)；Tir：為各重金屬毒性相應(yīng)系數(shù)；RI：為多種重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)。

2.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

目前，在沉積物質(zhì)量評(píng)價(jià)中，不同于土壤、大氣和水質(zhì)量評(píng)價(jià)有各自相對(duì)應(yīng)的國家環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)值作為參比值，大部分采用沉積物的元素地球化學(xué)背景或清潔對(duì)照點(diǎn)的有關(guān)數(shù)值作參比標(biāo)準(zhǔn)[13]。本文采用Hakanson提出的工業(yè)化以前沉積物中重金屬的全球最高參照值作為背景值[10]。毒性系數(shù)和重金屬背景值具體見表2，潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)指標(biāo)見表3。

表2 重金屬的背景參照值和毒性系數(shù)Tab.2Background reference value and Toxicity Coefficient of heavy metals

表3 潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.3Indices of potential ecological risk assessment

2.3 統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)22個(gè)沉積物樣品進(jìn)行測試分析，并對(duì)重金屬Cu、Pb、Zn、Cd的含量進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果見表4。同時(shí)通過（1）至（4）式計(jì)算釣梁區(qū)2011年和2012年22個(gè)近海沉積物樣品中重金屬相對(duì)應(yīng)的單一重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)和多種重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)，其統(tǒng)計(jì)特征詳見表5和表6。

3 基于GIS的潛在生態(tài)危害空間分析

為了更好的從連續(xù)的空間表面上了解和評(píng)價(jià)釣梁高涂養(yǎng)殖用海區(qū)的重金屬污染分布情況，本文將2011年4月、2012年8月各采樣點(diǎn)試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)利用ARCGIS軟件分別對(duì)沉積物中單一重金屬含量以及潛在生態(tài)危害指數(shù)進(jìn)行普通克里金插值，得到各重金屬含量空間分布圖（圖3～10）和潛在生態(tài)危害指數(shù)空間分布圖（圖11～12）。

表4 釣梁區(qū)表層沉積物中重金屬含量Tab.4Concentration of heavy metals in the surface sediment of Diaoliang area

表5 2011年釣梁區(qū)重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)Tab.5Potential ecological risk factor and potential ecological risk index of heavy metals in the Diaoliang area in 2011

表6 2012年釣梁區(qū)重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)Tab.6Potential ecological risk factor and potential ecological risk index of heavy metals in the Diaoliang area in 2012

3.1 單一重金屬含量分布

由表4結(jié)合圖3～6可以得出，2011年4月，Cu的全域平均值為26.25×10-6，最高值出現(xiàn)于S02點(diǎn)、S13點(diǎn)和S14點(diǎn)，含量達(dá)29×10-6，其次為S06點(diǎn)、S08點(diǎn)、S09點(diǎn)和S10點(diǎn)，含量為28×10-6，整體呈以S2、S8、S9、S13、S14為中心外圍，由內(nèi)向外逐級(jí)遞減的分布規(guī)律；Pb的全域平均值為27.85×10-6，最高值出現(xiàn)于S08點(diǎn)，含量達(dá)41×10-6，其次為S01點(diǎn)，含量為36×10-6，整體呈由西向東逐級(jí)遞減，同時(shí)又以S01、S08點(diǎn)為高含量中心的分布規(guī)律；Zn的全域平均值為106.58×10-6，最高值出現(xiàn)于S08點(diǎn)，含量達(dá)118×10-6，其次為S10點(diǎn)，含量為116×10-6，Zn含量分布規(guī)律與Pb分布規(guī)律相反，呈由西向東逐級(jí)遞增，并且形成了以S9、S10和S16、S17點(diǎn)兩大高含量區(qū)域；Cd的全域平均值為0.18×10-6，最高值出現(xiàn)于S13點(diǎn)，含量達(dá)0.21×10-6，其次為S12點(diǎn)，含量為0.20×10-6，整體呈現(xiàn)離散不連續(xù)的分布規(guī)律。

由表4結(jié)合圖7～10可以看出，2012年8月，Cu的全域平均值為32.70×10-6，最高值出現(xiàn)于S01點(diǎn)，含量達(dá)34×10-6，形成了以S01站點(diǎn)為高含量區(qū)，高低間隔分布的分布趨勢；Pb的全域平均值為24.30×10-6，最高值出現(xiàn)于S02點(diǎn)，含量達(dá)31×10-6；其次為S09點(diǎn)、S16點(diǎn)，含量為26×10-6，形成了高含量區(qū)突出，其他層次分級(jí)差異性較小的分布規(guī)律；Zn的全域平均值為103.50×10-6，最高值出現(xiàn)于S02點(diǎn)、S09點(diǎn)、S10點(diǎn)和S12點(diǎn)，含量達(dá)106×10-6；其次為S01點(diǎn)，含量為104×10-6，形成了以S02、S09、S10、S12為高含量區(qū)域，S16、S17、S20為低含量區(qū)域由內(nèi)向外逐級(jí)遞減遞增的分布規(guī)律；Cd的全域平均值為0.15×10-6，最高值出現(xiàn)于S17點(diǎn)、S20點(diǎn)，含量達(dá)0.21×10-6；其次為S01點(diǎn)，含量為0.18×10-6，形成了以S01、S17、S20圖像兩端高含量向內(nèi)遞減的分布情況。

總之，釣梁高涂養(yǎng)殖用海區(qū)鄰近海域內(nèi)Cu、Pb、Zn、Cd重金屬含量總體水平偏低，但均與Hakanson提出的工業(yè)化以前沉積物中重金屬的全球最高參照值相差不大，因此這四種重金屬引起的污染程度也很低。其次，水體和沉積物中重金屬的含量與水體的流通，物質(zhì)交換的周期等水文動(dòng)力因素有關(guān)，最終形成周期演替，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

3.2 重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)綜合評(píng)價(jià)

不同調(diào)查年份的重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)都小于150，屬于輕微生態(tài)危害，即沉積物中重金屬的生態(tài)危害效應(yīng)較小。由表5可知，2011年沉積物重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)：Cd＞Pb＞Cu＞Zn，鎘污染對(duì)的貢獻(xiàn)值最大，S13站點(diǎn)Cd的為12.60，并且Cu的含量也較高，因此生態(tài)危害指數(shù)達(dá)到23.16。由表6可知，2012年沉積物重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)：Cd＞Cu＞Pb＞Zn，同樣鎘污染對(duì)的貢獻(xiàn)值最大，S17站點(diǎn)，S20站點(diǎn)的均為12.60，潛在生態(tài)危害指數(shù)分別達(dá)到24.01、23.81均高于平均值。

從表5以及圖11的2011年沉積物重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)圖可以看出，的全域平均值為21.98，最高值出現(xiàn)于S08點(diǎn)，達(dá)到25.74，形成了以S08、S10站點(diǎn)以及規(guī)劃區(qū)為中心，由內(nèi)向外逐級(jí)遞減的分布趨勢，S17站點(diǎn)危害程度最低，中心區(qū)域靠近釣梁高涂養(yǎng)殖用海區(qū)，以及螺門社區(qū)和各漁業(yè)村，沉積物中重金屬的富集可能與養(yǎng)殖用水和生活用水排放有關(guān)。另外，從表6以及圖12的2012年沉積物重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)圖可以看出，的全域平均值為20.84，最高值出現(xiàn)于S17點(diǎn)，達(dá)到24.01，整體呈現(xiàn)以S01、S17、S20圖像兩端高潛在生態(tài)危害指數(shù)向內(nèi)逐級(jí)遞減的分布情況，其中S01站點(diǎn)位于三江客運(yùn)中心航道附近，S17站點(diǎn)位于麒麟山內(nèi)灣附近，靠近養(yǎng)殖化工產(chǎn)業(yè)以及居民生活區(qū)，S20站點(diǎn)位于沈家門漁港附近，從分布規(guī)律上看，都是靠近排污口以及淤泥積壓、物質(zhì)交換周期長的漁港附近區(qū)域綜合生態(tài)危害指數(shù)高，遠(yuǎn)離生活區(qū)、工業(yè)園區(qū)、漁港的區(qū)域綜合生態(tài)危害指數(shù)較低，該研究結(jié)果與實(shí)際情況較為一致[14]。

圖3 2011年4月沉積物中Cu含量空間分布圖Fig.3Spatial distribution map for Cu of the April 2011 survey station

圖4 2011年4月沉積物中Pb含量空間分布圖Fig.4Spatial distribution map for Pb of the April 2011 survey station

圖5 2011年4月沉積物中Zn含量空間分布圖Fig.5Spatial distribution map for Zn of the April 2011 survey station

圖6 2011年4月沉積物中Cd含量空間分布圖Fig.6Spatial distribution map for Cd of the April 2011 survey station

圖7 2012年8月沉積物中Cu含量空間分布圖Fig.7Spatial distribution map for Cu of the August 2012 survey station

圖8 2012年8月沉積物中Pb含量空間分布圖Fig.8Spatial distribution map for Pb of the August 2012 survey station

圖9 2012年8月沉積物中Zn含量空間分布圖Fig.9Spatial distribution map for Zn of the August 2012 survey station

圖10 2012年8月沉積物中Cd含量空間分布圖Fig.10Spatial distribution map for Cd of the August 2012 survey station

圖11 2011年4月沉積物重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)圖Fig.11Spatial distribution map for potential ecological risk index of the April 2011 survey station

圖12 2012年8月沉積物重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)圖Fig.12Spatial distribution map for potential ecological risk index of the August 2012 survey station

4 結(jié)論

通過對(duì)釣梁高涂養(yǎng)殖用海區(qū)水系沉積物進(jìn)行采樣并對(duì)重金屬含量加以分析，采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法，并借助GIS技術(shù)的空間分析功能，對(duì)該地區(qū)水系沉積物重金屬污染的潛在生態(tài)危害進(jìn)行面狀分析[15]。研究結(jié)果顯示：整個(gè)調(diào)查區(qū)域都屬于輕微生態(tài)危害，且都是靠近排污口以及淤泥積壓、物質(zhì)交換周期長的漁港附近區(qū)域生態(tài)危害程度較重。

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Pollution Assessments of Heavy Metals in Sediments based on GIS in Aquafarm Area of Diaoliang in Zhoushan

GUO Jian-bo1,SUN Xiao2,GUO Yuan-ming1,et al
(1.Marine Fisheries and Fishery Research Institute of Zhejiang Ocean University,Key Laboratory of Sustainable Utilization of Technology Research for Fishery Resource of Zhejiang Province,Zhoushan316021; 2.School of Resources and Environment Engineering,Ludong University,Yantai264039,China)

The comprehensive quantitative pollution assessments were carried out by the geographic information system(GIS)and potential risk index methods on copper,lead,zinc and cadmium in sediment in Diaoliang aquafarm area of Zhoushan.The results showed that all of the survey area belonged to the light ecological risk and the ecological risk level of the region was heavier near the sewage out fall,silt backlog and fishing port which has more long material exchange cycle.

heavy metals;sediments;potential ecological risk;GIS

X55

A

1008－830X(2016)06－0514－07

2016-09-20

浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究項(xiàng)目（2015C32001）

郭建波（1992-），男，山西晉中人，碩士研究生，研究方向：水域環(huán)境管理與評(píng)估.E-mail:guojian_bo@126.com

郭遠(yuǎn)明（1977-），男，浙江蘭溪人，教授，研究方向：漁業(yè)環(huán)境和水產(chǎn)品質(zhì)量安全調(diào)查、監(jiān)測、評(píng)估.E-mail:guoyuanming@msn.com