煙臺近岸海域表層沉積物重金屬污染特征

張杰，顧效源，張建國，張四維

(1.山東省海洋地質(zhì)勘查院，山東 煙臺 264001;2.山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺 264001；3.山東省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 泰安 271000)

0 引言

近岸海域處于陸地和海洋的接合部，海陸相互作用活躍，人類開發(fā)活動密集，環(huán)境影響因素日趨復雜，物質(zhì)和能量的聚集與轉(zhuǎn)換遠比其他區(qū)域迅速。重金屬等污染物質(zhì)隨自然風化及人類活動的產(chǎn)物通過河流、海洋動力和大氣的搬運并累積于此，成為污染物質(zhì)的重要歸宿之一[1-7]。近年來，國內(nèi)外許多學者開展了河口及近岸海域沉積物環(huán)境質(zhì)量的研究，查清并評價了河口，尤其是受人類活動強烈影響的河口及海灣底質(zhì)的重金屬污染現(xiàn)狀。目前，國內(nèi)對近岸海域，特別是長江口、珠江口、膠州灣等海域的研究較為深入，這些地區(qū)多集中在一線或準一線城市的特定海域，涉及二線城市海域的研究相對較少，將整個城市近岸海域作為研究區(qū)進行研究的例子更是少之又少，這就對城市生態(tài)文明的統(tǒng)籌發(fā)展帶來了一定的困難。以往關于煙臺近岸表層沉積物重金屬的研究主要集中在幾個重要的灣區(qū)。例如，通過對芝罘灣海底表層沉積物重金屬分析，發(fā)現(xiàn)其富集區(qū)為芝罘島及夾河入?？谥苓吅Ｓ?，重金屬含量與水深、離岸距離、沉積物粒度等存在一定的相關關系[8]；對丁字灣海底表層沉積物重金屬研究，顯示該區(qū)海域表層沉積物以砂質(zhì)為主，重金屬整體含量較低[9]。

該次研究區(qū)位于煙臺近岸海域。煙臺作為山東省3個新舊動能轉(zhuǎn)換試驗區(qū)之一，經(jīng)濟發(fā)展特別是工業(yè)聚集發(fā)展?jié)摿薮?，大量的重金屬污染物排入或近岸海域，?jīng)濟發(fā)展所帶來的生態(tài)環(huán)境問題越來越突出[10-13]。但是，以往的研究并沒有包含煙臺近岸全部海域。為了整體地了解煙臺近岸海區(qū)沉積物重金屬的污染特征，此次研究通過對煙臺近岸海底表層沉積物樣品進行測試分析，詳細闡述了重金屬的分布情況，運用多種評價方法，對該區(qū)域重金屬污染情況做出了評價[14-23]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及樣品采集

研究區(qū)范圍從海岸線向海域延伸5～27km，平均約以20km為界。表層沉積物取樣站位按網(wǎng)格狀布設，其間距為在圖幅內(nèi)8km×4km(圖1)，共獲得150個表層沉積物樣品。取樣方法采用抓斗取樣器，用DGPS定位系統(tǒng)定位。

1—工作區(qū)范圍；2—取樣點位置圖1 表層沉積物取樣站位圖

每個站位采樣量≥1kg。采樣深度50cm，按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》進行樣品存儲、預處理，避免污染發(fā)生。

重金屬元素As,Cd,Cr,Cu,Pb,Zn采用美國安捷倫公司的Agilent7500C電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測試，常量元素Al，F(xiàn)e采用美國PE公司的DV4300型電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP-AES)測試，同時用平行樣和國家標準物質(zhì)GB07315分別控制樣品分析的精確性和標準型。重金屬元素平行樣的相對誤差<5%，標準物的回收率在110%～125%；常量元素平行樣的相對誤差<5%，標準物的回收率在95%～120%。

1.2 質(zhì)量評價方法

1.2.1 單因子污染評價法

根據(jù)《海洋沉積物質(zhì)量標準(GB18669—2002)》對重金屬元素進行評價，各元素評價指標見表1。

1.2.2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價法

內(nèi)梅羅指數(shù)法評價前首先進行單因子評價，計算模型為：

式中:Pi—i污染物的單項污染指數(shù)；Ci—i污染物的實測值；Si—i污染物的標準值。

表1 海洋沉積物質(zhì)量標準

注：由于《海洋沉積物質(zhì)量標準(GB18669—2002)》中未列Ni元素的評價指標，因此該次評價中未列入Ni元素。

內(nèi)梅羅污染指數(shù)計算模型為：

表2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價標準

1.2.3 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

潛在生態(tài)危害指數(shù)法生態(tài)風險因子計算公式：

表3 山東省東部元素背景值

重金屬的綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)Ri可以表示為各個重金屬的Ei之和：

生態(tài)風險評價標準參考Hadason[14]在研究土壤沉積物時對重金屬單項及綜合潛在風險評價的分級，分級標準見表4。

表4 潛在生態(tài)風險分級

2 重金屬元素空間分布特征

整體來看，煙臺近岸海域表層沉積物環(huán)境質(zhì)量較好，海域工作區(qū)范圍內(nèi)150個站位各元素監(jiān)測結果多處于低值區(qū)范圍，高值區(qū)范圍較為集中(圖2)。

1—低值區(qū)；2—中值區(qū)；3—高值區(qū)圖2 元素地球化學分布特征

As高值區(qū)分布在龍口以西近岸海域。中值區(qū)的分布與港口存在相關性，海陽、煙臺、蓬萊、龍口、萊州的外圍均存在As元素含量高濃度區(qū)。Cd高值區(qū)主要分布在芝罘島、養(yǎng)馬島周圍海域。雖然Cd在煙臺南部近岸海域無高值點，但該區(qū)域所有點的檢測結果全處于中值范圍，存在輕度污染。

除As外，Cr,Cu在龍口以西海域也有一處高值區(qū)，而在煙臺近岸海域整體污染程度較低，中值區(qū)與As的分布具有相似性，表明3種元素可能具有相同的污染源。Hg雖無污染高值區(qū)，但中值區(qū)在海域分布面積較廣應引起人們的警覺。

Ni與Pb重金屬分布基本一致，高值區(qū)主要分布在海陽外圍海域。中值區(qū)主要集中在長島、蓬萊周邊海域；低值區(qū)主要在萊州灣。

Zn在工作區(qū)內(nèi)分布比較分散，中值區(qū)的分布主要集中在龍口北部、芝罘島、養(yǎng)馬島周邊海域，長島周圍海域及海陽鳳城鎮(zhèn)以南海域；低值區(qū)分布在三山島西部海域、開發(fā)區(qū)北部海域、養(yǎng)馬島北部海域以及辛安南部海域。

3 海底表層沉積物環(huán)境質(zhì)量評價

3.1 單因子污染指數(shù)評價結果

單因子分析結果顯示，工作區(qū)海域底質(zhì)沉積物總體質(zhì)量較好，評定為一類標準的面積為4928km2，約占研究區(qū)海域面積的88%；評定為二類沉積物分布面積為175.93km2，約占研究區(qū)海域面積的3%，影響因子主要是Cr,Hg,Cu;二類沉積物主要集中在龍口西部和芝罘島周邊海域；研究區(qū)無海域沉積物評定為3類(表5、圖3)。

表5 海洋沉積物一類質(zhì)量標準(mg/kg)

1—第一類；2—第二類圖3 海底沉積物質(zhì)量評價

3.2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價結果

選擇一類標準對海域海底沉積物進行評價，單因子污染評價結果顯示150個站位中，Cr元素有2個站位、Cu元素有5個站位、Hg有2個站位的樣品屬于第Ⅱ等級，存在輕污染現(xiàn)象；As，Cd，Pb，Zn均未污染(表6、表7)。

表6 單因子評價結果

表7 內(nèi)梅羅評價結果

研究區(qū)內(nèi)梅羅指數(shù)0.18～1.50，以清潔、尚清潔為主，輕污染區(qū)集中在龍口以西和芝罘島周邊海域(圖4)。

1—清潔區(qū)；2—尚清潔區(qū)；3—輕污染區(qū)圖4 海底沉積物內(nèi)梅羅指數(shù)評價

3.3 潛在生態(tài)危害指數(shù)評價結果

150個站位、7種重金屬元素生態(tài)風險因子計算結果如表8所示。

表8 風險因子評價結果

研究區(qū)內(nèi)Hg，Cd，Pb，Cu，Zn，Cr，As的潛在生態(tài)危害系數(shù)均值分別為63.408,33.052,3.930,9.455,1.004,1.775,6.700;除Hg,Cd外均小于40;最大值也小于40。表明除Hg,Cd外重金屬生態(tài)危害程度較低；Hg均值超過40，最大值146.345，重金屬生態(tài)危害程度為低—中—較高等風險；Cd均值小于40，但最大值超過40，重金屬生態(tài)危害程度為低—中等風險。研究區(qū)單個重金屬潛在生態(tài)風險因子均值由高到低依次為Hg>Cd>Cu>As>Pb>Cr>Zn，其中Hg有85個站位樣品在40～80之間,風險水平為中等生態(tài)風險；36個站位樣品在80～160間，為較高生態(tài)風險；Cd有31個站位樣品在40～80之間，為中等風險，其余元素評價均為低風險。研究區(qū)綜合潛在風險指數(shù)介于35.64～274.51之間，整體處于中低風險水平，無高風險區(qū)，表明煙臺近岸海域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好(圖5)。

1—低風險；2—中等風險圖5 海底沉積物綜合潛在風險指數(shù)評價

4 結論

(1)煙臺近岸海域表層沉積物質(zhì)量較好，重金屬元素大多滿足《海底沉積物質(zhì)量》(GB18668—2002)一類標準，少數(shù)站位Cr，Hg，Cu元素為二類標準。

(2)內(nèi)梅羅指數(shù)法評價結果顯示，單因子污染指數(shù)中，Cr元素有2個站位，Cu元素有5個站位，Hg有2個站位的樣品屬于第Ⅱ等級，存在輕污染現(xiàn)象；綜合污染指數(shù)中，4個站位污染程度達到警戒線，污染水平為輕污染，其他站位均屬于清潔、尚清潔水平。煙臺近岸海底表層沉積物總體污染程度較低。

(3)潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價結果顯示，各元素潛在生態(tài)污染危害次序為Hg>Cd>Cu>As>Pb>Cr>Zn，Hg元素在部分站位存在較高生態(tài)風險；潛在生態(tài)危害指數(shù)顯示，研究區(qū)站位均處于中低風險水平，煙臺近岸海域地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體較好。