威海市近海海域表層沉積物環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

吳振，王松濤，印萍,劉金慶

(1．山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濰坊 261021；2.山東省地礦局海岸帶地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261021；3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266071；4.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

重金屬在海底沉積物中的沉積、分布變化主要受陸上排污及海灣和河口水動(dòng)力條件的影響和控制。由沉積物重金屬的含量可以判斷一個(gè)地區(qū)受污染的程度，根據(jù)重金屬含量的水平分布可以追蹤其污染源，了解其擴(kuò)散范圍；在某種程度上，近海沉積物重金屬含量水平真實(shí)地反映了一個(gè)地區(qū)的環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀[1-4]。威海市位于山東半島東端，北、東、南三面瀕臨黃海，擁有山東省最長(zhǎng)的海岸線，長(zhǎng)達(dá)985.9km[5]。近年來隨著海洋經(jīng)濟(jì)意義日益變大，近海海域生態(tài)環(huán)境壓力日趨嚴(yán)重。因此，開展近海海域表層沉積物環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)，反映近海海域環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀和變化趨勢(shì)，為海洋經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供依據(jù)具有重要意義。該文基于山東省威海市海岸帶綜合地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目，通過對(duì)近海海域表層沉積物進(jìn)行樣品采集與測(cè)試分析，采用單因子污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法、超標(biāo)分類法和潛在生態(tài)危害法等多種評(píng)價(jià)方法對(duì)威海市近海海域表層沉積物環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，為威海市合理開發(fā)利用海洋資源提供科學(xué)支撐。

1 地質(zhì)背景

1.1 氣候條件

威海市位于東亞季風(fēng)區(qū)，風(fēng)向及風(fēng)速的季節(jié)變化特點(diǎn)明顯，夏季盛行南向風(fēng)，冬季盛行北北西向和北向風(fēng)。威海市波浪是以風(fēng)浪為主的混合浪居多，又受到地理環(huán)境的影響，常浪向與岸線走向較為吻合，常浪向多與岸線走向垂直[5-7]。研究區(qū)域主要為威海市近海海域。

1.2 地形地貌

1.2.1 海岸地貌

威海市海岸按物質(zhì)組成可分為砂質(zhì)海岸和基巖海岸，兩類海岸相間分布，以形態(tài)、成因及地貌的特征來劃分，砂質(zhì)海岸屬于沙壩-潟湖海岸，基巖海岸屬于基巖岬灣海岸[5,8]。由于人類活動(dòng)，很多海岸都脫離原始形態(tài)，被人工構(gòu)筑物所固定，如：港口、碼頭、養(yǎng)殖區(qū)等[5,9]。

1.2.2 海底地貌

威海市近海海域地貌類型主要包括水下淺灘和海底堆積平原2種，水下淺灘分布在自陸到10m等深線一帶，東部海域較深達(dá)20m，海底底質(zhì)自陸向海逐漸變細(xì)，依次是礫砂、粗砂、中細(xì)砂、黏土質(zhì)粉砂；海底堆積平原分布在水下淺灘之外，地形開闊平坦，底質(zhì)為黏土質(zhì)粉砂[5,8]。

1.3 海底淺地層結(jié)構(gòu)

威海市近海海域淺地層自上而下依次為U1，U2，U3，U4，U5共5層。U1層為全新世高海平面以來的淺海相沉積，厚度一般在8～15m，總體上自南部近岸向外海呈逐漸變薄的趨勢(shì)；U2層為末次最盛冰期以來的河流相相沉積，主要分布在研究區(qū)的中部，沉積厚度一般小于3m，向兩側(cè)逐漸減小至零，其后缺失，形成一條厚約2～3m的條帶；U3層為低海平面時(shí)期的陸相沉積或河道沉積，近岸地層厚度小，離岸有逐漸加厚的趨勢(shì)，埋深在20～120m之間，地層厚度一般3～8m，局部地層厚度可達(dá)20m；U4層為MIS3時(shí)期的海相沉積，厚度3～6m，由近岸向外海逐漸加厚；U5地層單元位于U4層之下，受淺地層剖面穿透深度的限制，該地層單元全區(qū)揭示不全，該反射層與U4相似，振幅強(qiáng)、呈緩波狀或近水平狀[5]。

1.4 海底表層沉積物類型

根據(jù)Folk分類法，研究區(qū)海底表層沉積物主要包括8種類型：砂質(zhì)礫、含礫砂、泥質(zhì)礫、含礫泥質(zhì)砂、砂、粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂和含礫泥(圖2)。

1—地層單元；2—反射界面圖1 研究區(qū)近海淺地層主要地震地層和界面[5]

1—砂質(zhì)礫；2—含礫砂；3—含礫泥質(zhì)砂；4—砂；5—粉砂質(zhì)砂；6—砂質(zhì)粉砂；7—粉砂；8—含礫泥；9—采樣點(diǎn)位；10—研究區(qū)范圍圖2 威海市近海海域表層沉積物采樣位置

砂質(zhì)粉砂分布最廣，在研究區(qū)北部、東部和南部海域均有大片分布，占整個(gè)研究區(qū)面積的50%左右；粉砂分布范圍也較大，主要出現(xiàn)在雙島灣至威海灣一帶、雞鳴島附近、龍眼灣、愛蓮灣、石島灣、靖海灣和五壘島灣以南的海域；粉砂質(zhì)砂在朝陽港潟湖、斜口流潟湖、榮成寧津近岸和鏌铘島附近有少量分布；砂主要分布在基巖岬角之間的砂質(zhì)海岸附近，在雙島灣、逍遙港、朝陽港、俚島灣、桑溝灣、楮島、五壘島灣、文登南海海岸、乳山銀灘近岸區(qū)均有分布；砂質(zhì)礫出現(xiàn)在雞鳴島、海驢島、成山角、俚島、紅石崖附近，主要是基巖侵蝕產(chǎn)物；含礫砂、含礫泥質(zhì)砂、含礫泥零星分布。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

海底表層沉積物采用箱式取樣器，主要采集海底表層0～5cm的沉積物，每站位采集樣品2袋，每袋重量不小于1.0kg，用干凈的木勺將樣品裝入聚乙烯袋中，低溫保存，共采集樣品127站位。

2.2 樣品測(cè)試

重金屬元素分析由國(guó)土資源部海洋地質(zhì)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)中心完成。先將待測(cè)樣品放在恒溫(<60℃)下烘干后，研磨至250目以下；取適量樣品用混合熔劑熔融，制成標(biāo)準(zhǔn)玻璃樣片[8-9]。元素As，Hg采用原子熒光光度計(jì)(AFS)測(cè)定；Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，Zn采用等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)測(cè)定[10-11]。在測(cè)試過程中均進(jìn)行了若干重復(fù)樣與標(biāo)樣分析，相對(duì)誤差<10%，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。

2.3 評(píng)價(jià)方法

2.3.1 單項(xiàng)污染指數(shù)評(píng)價(jià)法

單項(xiàng)污染指數(shù)法是通過評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)單項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行逐項(xiàng)分析評(píng)價(jià)，通過指數(shù)計(jì)算，選取各因子中最大類別為樣本的總體評(píng)價(jià)結(jié)果[11-13]。

單項(xiàng)污染指數(shù)法計(jì)算公式為：

Pi=Ci/Si

式中：Pi—i污染物的單項(xiàng)污染指數(shù)，Ci—i污染物的實(shí)測(cè)值，Si—i污染物的標(biāo)準(zhǔn)值。

研究區(qū)海域主要為海洋漁業(yè)水域、海洋自然保護(hù)區(qū)、海水浴場(chǎng)等，海洋沉積物質(zhì)量評(píng)價(jià)執(zhí)行一類標(biāo)準(zhǔn)(GB18668—2002)(表1)[14]，單因子評(píng)價(jià)指標(biāo)包括Hg，Cu，Pb，Zn，Cd，Cr，As共7項(xiàng)。

表1 海底表層沉積物環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(μg/g)[14]

2.3.2 綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法

綜合污染指數(shù)法是指在各項(xiàng)單因子指數(shù)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，計(jì)算單站多元素沉積物綜合質(zhì)量，反映了各污染物對(duì)表層沉積物的作用[15]。沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)見表2。綜合污染指數(shù)法計(jì)算公式為：

式中：PI—綜合治理指數(shù);n—樣品數(shù)量;Pi為i污染物的單項(xiàng)污染指數(shù)。

表2 沉積物質(zhì)量等級(jí)劃分

2.3.3 超標(biāo)分類法

超標(biāo)分類方法是在掌握有關(guān)污染物質(zhì)含量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，確定各要素的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，然后逐一求出實(shí)測(cè)值與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值的比值。如果比值超過1，則為超標(biāo)污染物質(zhì)，比值即為超標(biāo)比值，又根據(jù)超標(biāo)污染物質(zhì)的個(gè)數(shù)和超標(biāo)比值的大小和組合不同，通過適當(dāng)?shù)臍w類后，劃分出污染物質(zhì)的不同程度存在差異的各類型和亞類[16-17]。該次評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值同單項(xiàng)污染指數(shù)評(píng)價(jià)法，也依據(jù)海洋沉積物質(zhì)量評(píng)價(jià)一類標(biāo)準(zhǔn)(GB18668—2002)[14]，指標(biāo)界值見表1。

底質(zhì)污染評(píng)價(jià)類型根據(jù)污染要素中超標(biāo)污染物質(zhì)的個(gè)數(shù)來劃分，以采樣站位作為評(píng)價(jià)單元；無污染物質(zhì)超標(biāo)的稱為Ⅰ類，有1種污染物質(zhì)超標(biāo)的稱為Ⅱ類污染類型，有2種污染物質(zhì)超標(biāo)的稱為Ⅲ類污染類型，有3種污染物質(zhì)超標(biāo)的稱為Ⅳ類污染類型，有4種或4種以上污染物質(zhì)超標(biāo)的稱為Ⅴ類污染類型；污染亞類是在各類型下根據(jù)超標(biāo)污染物質(zhì)的組合來劃分，以超標(biāo)污染物質(zhì)來命名，如果有1個(gè)以上超標(biāo)污染物質(zhì)，則按其超標(biāo)比值由大到小順序排列來命名[16-17]。例如，某站鉛的超標(biāo)比值大于銅的超標(biāo)比值，則命名為Cr-Cu污染亞類。

2.3.4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

潛在生態(tài)危害指數(shù)法是瑞典學(xué)者Hakanson于1980年建立的，該方法綜合考慮了重金屬的毒性、重金屬在沉積物中普遍的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和評(píng)價(jià)區(qū)域?qū)χ亟饘傥廴镜拿舾行?，以及重金屬區(qū)域背景值的差異，消除了區(qū)域差異和異源污染的影響，可以綜合反映沉積物中重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響潛力，成為國(guó)內(nèi)外沉積物質(zhì)量評(píng)價(jià)中應(yīng)用最為廣泛的方法之一[18]，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)見表3?？傮w污染程度計(jì)算公式為：

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算公式為：

表3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

據(jù)Hakanson1980年，修改。

1—清潔區(qū)；2—尚清潔區(qū)；3—尚允許區(qū)；4—研究區(qū)范圍圖3 研究區(qū)海底表層沉積物綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)圖

3 結(jié)果與討論

3.1 單項(xiàng)污染指數(shù)法

總體上，研究區(qū)的單因子污染物指數(shù)偏低，只有Cu和Cr兩種重金屬出現(xiàn)一類沉積物質(zhì)量超標(biāo)情況。Cu超標(biāo)站位41個(gè)，最大污染指數(shù)2.71，主要分布在研究區(qū)西北部雙島灣和東部成山頭、俚島和楮島等附近海域，威海灣、榮成灣和桑溝灣僅個(gè)別站位超標(biāo)(表4)。Cr超標(biāo)站位11個(gè)，最大污染指數(shù)2.19，僅分布在威海灣西側(cè)近岸海域。兩者超標(biāo)是自然因素與人類活動(dòng)2種因素造成的，自然因素主要為表層沉積物中的粉砂、黏土等細(xì)顆粒物質(zhì)的吸附和累積效應(yīng)的反映；人為因素主要與港口碼頭的船舶電鍍和防護(hù)產(chǎn)生的污染源、化工企業(yè)污水排放等。

表4 研究區(qū)海底表層沉積物單項(xiàng)污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

3.2 綜合污染指數(shù)法

研究區(qū)綜合污染物指數(shù)介于0.10～0.90之間，平均值為0.44，均小于1，表明威海近海海域底質(zhì)環(huán)境大部分處于清潔和尚清潔狀態(tài)(圖3)。

(1)清潔站位共20站，占總測(cè)站的15.7%。主要分布在朝陽港、月湖、養(yǎng)魚池灣和桑溝灣近岸海域，該區(qū)域水動(dòng)力較強(qiáng)，沉積物粒度偏粗，不利于污染物質(zhì)的富集[15]。

(2)尚清潔站位103站，占總測(cè)站的81.1%。分布在研究區(qū)大部分范圍。主要對(duì)應(yīng)細(xì)顆粒物質(zhì)沉積區(qū)，水動(dòng)力相對(duì)較弱，污染物受到黏土組分的吸附，相對(duì)富集。

(3)尚允許站位4站，占總測(cè)站的3.1%。僅出現(xiàn)在個(gè)別站位，雙島灣口北側(cè)，威海灣西側(cè)和海驢島西側(cè)，均為細(xì)粒沉積物區(qū)，對(duì)污染物具有明顯富集效應(yīng)。

3.3 超標(biāo)分類法

研究區(qū)范圍內(nèi)的底質(zhì)污染類型主要以Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類為主，Ⅱ類又分為Ⅱ1Cr和Ⅱ2Cu兩個(gè)污染亞類，Ⅲ類又分為Ⅲ1Cr-Cu和Ⅲ2Cu-Cr兩個(gè)污染亞類(圖4)。

(1)Ⅰ類站位共80站，占總測(cè)站的63%。分布在研究區(qū)大部分范圍，是研究區(qū)主要類型。

(2)Ⅱ類站位共42站，占總測(cè)站的33%。其中Ⅱ1Cr有6個(gè)站位，主要分布在威海灣西側(cè)近岸和乳山灣附近海域。Ⅱ2Cu有36個(gè)站位，出現(xiàn)在研究區(qū)西北部雙島灣和東部成山頭、俚島和楮島等附近海域，威海灣、榮成灣和桑溝灣僅個(gè)別站位超標(biāo)。

(3)Ⅲ類站位共5站，占4%，其中Ⅲ1Cr-Cu有2個(gè)站位，分布在威海灣西側(cè)近岸區(qū)，Ⅲ2Cu-Cr有3個(gè)站位，分布在養(yǎng)魚池灣、愛蓮灣和靖海灣張家埠口附近。

1—Ⅰ類；2—Ⅱ1Cr污染；3—Ⅱ2Cu污染；4—Ⅲ1Cr-Cu污染；5—Ⅲ2Cu-Cr污染；6—研究區(qū)范圍圖4 研究區(qū)海底表層沉積物污染指標(biāo)超標(biāo)類型圖

3.4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，研究區(qū)的重金屬單因子污染物污染程度與生態(tài)危害程度評(píng)價(jià)結(jié)果見表5。

由表5可以看出，Hg，Cd，Pb和Zn的污染系數(shù)分別介于0.01～0.71，0～0.49，0.23～0.72、0.06～0.77之間，平均值分別為0.11，0.04，0.35，0.37，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單因子重金屬低污染程度的最大值1，表明這4種重金屬元素在研究區(qū)為低污染程度；As和Cr的污染系數(shù)介于0.10～1.12，0.08～1.95之間，平均值分別為0.51和0.67，也遠(yuǎn)小于單因子重金屬低污染程度的最大值1，表明這2種重金屬元素在研究區(qū)也為低污染程度，但有些站位超過一類沉積物單因子重金屬低污染程度的上限。研究區(qū)沉積物中主要的重金屬污染因子為Cu，污染系數(shù)在0.03～2.94之間，平均值為1.03，大部分站位為中等程度污染。整個(gè)區(qū)域的生態(tài)危害程度也為低(介于4.62～51.13)。污染程度順序?yàn)镃u>Cr>As>Pb>Zn>Hg>Cd。研究區(qū)內(nèi)Hg，Cd，Pb，Cu，Zn，Cr，As的潛在生態(tài)危害系數(shù)平均值分別為4.58，1.09，1.75，5.14，0.37，1.34，5.09，均小于40，最大值也小于40，因此各種重金屬的生態(tài)危害程度均低。研究區(qū)重金屬單因子污染物生態(tài)危害系數(shù)由大到小依次為：Cu>As>Hg>Pb>Cr>Cd>Zn。

表5 研究區(qū)各重金屬單因子污染物污染程度

3.5 綜合分析

經(jīng)4種方法綜合評(píng)價(jià)，研究區(qū)海底表層沉積物環(huán)境質(zhì)量總體較好，主要為清潔區(qū)和尚清潔區(qū)，尚允許區(qū)面積較小。清潔區(qū)主要分布在朝陽港、月湖、養(yǎng)魚池灣和桑溝灣近岸海域，表層沉積物類型主要為含礫砂和砂，顆粒較粗，且該區(qū)域水動(dòng)力較強(qiáng)，不利于污染物質(zhì)的富集，沉積物質(zhì)量較好；尚清潔區(qū)在研究區(qū)內(nèi)廣泛分布，表層沉積物主要為砂質(zhì)粉砂、粉砂等細(xì)顆粒物質(zhì)，水動(dòng)力相對(duì)較弱，污染物受到黏土組分的吸附，相對(duì)富集；尚允許區(qū)分布在雙島灣口北側(cè)，威海灣西側(cè)和海驢島西側(cè)，沉積物為粉砂、含礫泥等，顆粒更細(xì)，該區(qū)域水動(dòng)力弱，污染物富集效應(yīng)強(qiáng)。海底表層沉積物中As，Hg，Cd，Pb，Cu和Zn元素均未超過一類標(biāo)準(zhǔn)；海底表層沉積物中主要的重金屬污染因子為Cu，污染系數(shù)在0.03～2.94之間，平均值為1.03，大部分站位為中等程度污染，主要集中在研究區(qū)西北部雙島灣、北部朝陽港、東部成山頭、俚島和楮島等附近海域；海底表層沉積物中另一個(gè)重金屬污染因子為Cr，污染系數(shù)介于0.08～1.95之間，平均值為0.67，為低污染程度，主要集中在威海灣西側(cè)和乳山灣內(nèi)。Cu和Cr兩種重金屬元素均超標(biāo)的站位僅5個(gè)，位于威海灣西側(cè)近岸區(qū)、養(yǎng)魚池灣、愛蓮灣和靖海灣張家埠口附近。7種重金屬元素的潛在生態(tài)危害系數(shù)均小于40，生態(tài)危害程度均低。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)海底表層沉積物中重金屬元素As，Hg，Cd，Pb，Cu和Zn的含量均低于《海洋沉積物質(zhì)量(GB18668—2002)》規(guī)定的一類沉積物的最高限值，沉積物質(zhì)量符合一類標(biāo)準(zhǔn)；重金屬元素Cr，Cu大部分站位在一類標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，少部分為第二類，Cr和Cu超標(biāo)可能受到船舶、鋼廠礦石冶煉、化工企業(yè)排污等人工污染源及細(xì)顆粒物質(zhì)的吸附作用的影響。

(2)研究區(qū)表層沉積物環(huán)境質(zhì)量相對(duì)較好，在整體上處于清潔和尚清潔狀態(tài)，以尚清潔為主，僅個(gè)別站位處于允許狀態(tài)。

(3)研究區(qū)底質(zhì)污染類型主要以Ⅰ類、Ⅱ類為主，含少量Ⅲ類，Ⅱ類分為Ⅱ1Cr和Ⅱ2Cu兩個(gè)污染亞類，Ⅲ類分為Ⅲ1Cr-Cu和Ⅲ2Cu-Cr兩個(gè)污染亞類。Ⅰ類占研究區(qū)的大部分范圍；Ⅱ1Cr主要分布在威海灣西側(cè)近岸和乳山灣附近海域；Ⅱ2Cu出現(xiàn)在研究區(qū)西北部雙島灣和東部成山頭、俚島和楮島等附近海域；Ⅲ1Cr-Cu和Ⅲ2Cu-Cr僅在個(gè)別站位出現(xiàn)。

(4)研究區(qū)各種重金屬的生態(tài)危害程度均低。重金屬單因子污染物生態(tài)危害系數(shù)由大到小依次為：Cu>Cr>As>Pb>Zn>Hg>Cd?？傮w上，研究區(qū)生態(tài)危害程度低，污染程度順序?yàn)镃u>As>Hg>Pb>Cr>Cd>Zn。

(5)威海市海域環(huán)境質(zhì)量相對(duì)較好，生態(tài)危害程度較低，應(yīng)該予以維持和加強(qiáng)保護(hù)。