烟台近岸海域表层沉积物重金属污染特征

张杰，顾效源，张建国，张四维

(1.山东省海洋地质勘查院，山东 烟台 264001;2.山东省第三地质矿产勘查院，山东 烟台 264001；3.山东省第五地质矿产勘查院，山东 泰安 271000)

0 引言

近岸海域处于陆地和海洋的接合部，海陆相互作用活跃，人类开发活动密集，环境影响因素日趋复杂，物质和能量的聚集与转换远比其他区域迅速。重金属等污染物质随自然风化及人类活动的产物通过河流、海洋动力和大气的搬运并累积于此，成为污染物质的重要归宿之一[1-7]。近年来，国内外许多学者开展了河口及近岸海域沉积物环境质量的研究，查清并评价了河口，尤其是受人类活动强烈影响的河口及海湾底质的重金属污染现状。目前，国内对近岸海域，特别是长江口、珠江口、胶州湾等海域的研究较为深入，这些地区多集中在一线或准一线城市的特定海域，涉及二线城市海域的研究相对较少，将整个城市近岸海域作为研究区进行研究的例子更是少之又少，这就对城市生态文明的统筹发展带来了一定的困难。以往关于烟台近岸表层沉积物重金属的研究主要集中在几个重要的湾区。例如，通过对芝罘湾海底表层沉积物重金属分析，发现其富集区为芝罘岛及夹河入海口周边海域，重金属含量与水深、离岸距离、沉积物粒度等存在一定的相关关系[8]；对丁字湾海底表层沉积物重金属研究，显示该区海域表层沉积物以砂质为主，重金属整体含量较低[9]。

该次研究区位于烟台近岸海域。烟台作为山东省3个新旧动能转换试验区之一，经济发展特别是工业聚集发展潜力巨大，大量的重金属污染物排入或近岸海域，经济发展所带来的生态环境问题越来越突出[10-13]。但是，以往的研究并没有包含烟台近岸全部海域。为了整体地了解烟台近岸海区沉积物重金属的污染特征，此次研究通过对烟台近岸海底表层沉积物样品进行测试分析，详细阐述了重金属的分布情况，运用多种评价方法，对该区域重金属污染情况做出了评价[14-23]。

1 材料与方法

1.1 研究区域及样品采集

研究区范围从海岸线向海域延伸5～27km，平均约以20km为界。表层沉积物取样站位按网格状布设，其间距为在图幅内8km×4km(图1)，共获得150个表层沉积物样品。取样方法采用抓斗取样器，用DGPS定位系统定位。

1—工作区范围；2—取样点位置图1 表层沉积物取样站位图

每个站位采样量≥1kg。采样深度50cm，按照《海洋监测规范》进行样品存储、预处理，避免污染发生。

重金属元素As,Cd,Cr,Cu,Pb,Zn采用美国安捷伦公司的Agilent7500C电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测试，常量元素Al，Fe采用美国PE公司的DV4300型电感耦合等离子发射光谱仪(ICP-AES)测试，同时用平行样和国家标准物质GB07315分别控制样品分析的精确性和标准型。重金属元素平行样的相对误差<5%，标准物的回收率在110%～125%；常量元素平行样的相对误差<5%，标准物的回收率在95%～120%。

1.2 质量评价方法

1.2.1 单因子污染评价法

根据《海洋沉积物质量标准(GB18669—2002)》对重金属元素进行评价，各元素评价指标见表1。

1.2.2 内梅罗污染指数评价法

内梅罗指数法评价前首先进行单因子评价，计算模型为：

式中:Pi—i污染物的单项污染指数；Ci—i污染物的实测值；Si—i污染物的标准值。

表1 海洋沉积物质量标准

注：由于《海洋沉积物质量标准(GB18669—2002)》中未列Ni元素的评价指标，因此该次评价中未列入Ni元素。

内梅罗污染指数计算模型为：

表2 内梅罗污染指数评价标准

1.2.3 潜在生态危害指数法

潜在生态危害指数法生态风险因子计算公式：

表3 山东省东部元素背景值

重金属的综合潜在生态危害指数Ri可以表示为各个重金属的Ei之和：

生态风险评价标准参考Hadason[14]在研究土壤沉积物时对重金属单项及综合潜在风险评价的分级，分级标准见表4。

表4 潜在生态风险分级

2 重金属元素空间分布特征

整体来看，烟台近岸海域表层沉积物环境质量较好，海域工作区范围内150个站位各元素监测结果多处于低值区范围，高值区范围较为集中(图2)。

1—低值区；2—中值区；3—高值区图2 元素地球化学分布特征

As高值区分布在龙口以西近岸海域。中值区的分布与港口存在相关性，海阳、烟台、蓬莱、龙口、莱州的外围均存在As元素含量高浓度区。Cd高值区主要分布在芝罘岛、养马岛周围海域。虽然Cd在烟台南部近岸海域无高值点，但该区域所有点的检测结果全处于中值范围，存在轻度污染。

除As外，Cr,Cu在龙口以西海域也有一处高值区，而在烟台近岸海域整体污染程度较低，中值区与As的分布具有相似性，表明3种元素可能具有相同的污染源。Hg虽无污染高值区，但中值区在海域分布面积较广应引起人们的警觉。

Ni与Pb重金属分布基本一致，高值区主要分布在海阳外围海域。中值区主要集中在长岛、蓬莱周边海域；低值区主要在莱州湾。

Zn在工作区内分布比较分散，中值区的分布主要集中在龙口北部、芝罘岛、养马岛周边海域，长岛周围海域及海阳凤城镇以南海域；低值区分布在三山岛西部海域、开发区北部海域、养马岛北部海域以及辛安南部海域。

3 海底表层沉积物环境质量评价

3.1 单因子污染指数评价结果

单因子分析结果显示，工作区海域底质沉积物总体质量较好，评定为一类标准的面积为4928km2，约占研究区海域面积的88%；评定为二类沉积物分布面积为175.93km2，约占研究区海域面积的3%，影响因子主要是Cr,Hg,Cu;二类沉积物主要集中在龙口西部和芝罘岛周边海域；研究区无海域沉积物评定为3类(表5、图3)。

表5 海洋沉积物一类质量标准(mg/kg)

1—第一类；2—第二类图3 海底沉积物质量评价

3.2 内梅罗污染指数评价结果

选择一类标准对海域海底沉积物进行评价，单因子污染评价结果显示150个站位中，Cr元素有2个站位、Cu元素有5个站位、Hg有2个站位的样品属于第Ⅱ等级，存在轻污染现象；As，Cd，Pb，Zn均未污染(表6、表7)。

表6 单因子评价结果

表7 内梅罗评价结果

研究区内梅罗指数0.18～1.50，以清洁、尚清洁为主，轻污染区集中在龙口以西和芝罘岛周边海域(图4)。

1—清洁区；2—尚清洁区；3—轻污染区图4 海底沉积物内梅罗指数评价

3.3 潜在生态危害指数评价结果

150个站位、7种重金属元素生态风险因子计算结果如表8所示。

表8 风险因子评价结果

研究区内Hg，Cd，Pb，Cu，Zn，Cr，As的潜在生态危害系数均值分别为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外重金属生态危害程度较低；Hg均值超过40，最大值146.345，重金属生态危害程度为低—中—较高等风险；Cd均值小于40，但最大值超过40，重金属生态危害程度为低—中等风险。研究区单个重金属潜在生态风险因子均值由高到低依次为Hg>Cd>Cu>As>Pb>Cr>Zn，其中Hg有85个站位样品在40～80之间,风险水平为中等生态风险；36个站位样品在80～160间，为较高生态风险；Cd有31个站位样品在40～80之间，为中等风险，其余元素评价均为低风险。研究区综合潜在风险指数介于35.64～274.51之间，整体处于中低风险水平，无高风险区，表明烟台近岸海域生态环境质量较好(图5)。

1—低风险；2—中等风险图5 海底沉积物综合潜在风险指数评价

4 结论

(1)烟台近岸海域表层沉积物质量较好，重金属元素大多满足《海底沉积物质量》(GB18668—2002)一类标准，少数站位Cr，Hg，Cu元素为二类标准。

(2)内梅罗指数法评价结果显示，单因子污染指数中，Cr元素有2个站位，Cu元素有5个站位，Hg有2个站位的样品属于第Ⅱ等级，存在轻污染现象；综合污染指数中，4个站位污染程度达到警戒线，污染水平为轻污染，其他站位均属于清洁、尚清洁水平。烟台近岸海底表层沉积物总体污染程度较低。

(3)潜在生态危害指数法评价结果显示，各元素潜在生态污染危害次序为Hg>Cd>Cu>As>Pb>Cr>Zn，Hg元素在部分站位存在较高生态风险；潜在生态危害指数显示，研究区站位均处于中低风险水平，烟台近岸海域地区生态环境质量整体较好。