威海市近海海域表層沉積物環境質量評價

吳振，王松濤，印萍,劉金慶

(1．山東省第四地質礦產勘查院，山東 濰坊 261021；2.山東省地礦局海岸帶地質環境保護重點實驗室，山東 濰坊 261021；3.中國地質調查局青島海洋地質研究所，山東 青島 266071；4.山東科技大學地球科學與工程學院，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地區受污染的程度，根據重金屬含量的水平分布可以追蹤其污染源，了解其擴散范圍；在某種程度上，近海沉積物重金屬含量水平真實地反映了一個地區的環境質量現狀[1-4]。威海市位于山東半島東端，北、東、南三面瀕臨黃海，擁有山東省最長的海岸線，長達985.9km[5]。近年來隨著海洋經濟意義日益變大，近海海域生態環境壓力日趨嚴重。因此，開展近海海域表層沉積物環境質量綜合評價，反映近海海域環境質量現狀和變化趨勢，為海洋經濟的可持續發展和海洋生態環境保護提供依據具有重要意義。該文基于山東省威海市海岸帶綜合地質調查項目，通過對近海海域表層沉積物進行樣品采集與測試分析，采用單因子污染指數法、綜合污染指數法、超標分類法和潛在生態危害法等多種評價方法對威海市近海海域表層沉積物環境質量進行了綜合評價，為威海市合理開發利用海洋資源提供科學支撐。

1 地質背景

1.1 氣候條件

威海市位于東亞季風區，風向及風速的季節變化特點明顯，夏季盛行南向風，冬季盛行北北西向和北向風。威海市波浪是以風浪為主的混合浪居多，又受到地理環境的影響，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

威海市海岸按物質組成可分為砂質海岸和基巖海岸，兩類海岸相間分布，以形態、成因及地貌的特征來劃分，砂質海岸屬于沙壩-潟湖海岸，基巖海岸屬于基巖岬灣海岸[5,8]。由于人類活動，很多海岸都脫離原始形態，被人工構筑物所固定，如：港口、碼頭、養殖區等[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20m，海底底質自陸向海逐漸變細，依次是礫砂、粗砂、中細砂、黏土質粉砂；海底堆積平原分布在水下淺灘之外，地形開闊平坦，底質為黏土質粉砂[5,8]。

1.3 海底淺地層結構

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；U2層為末次最盛冰期以來的河流相相沉積，主要分布在研究區的中部，沉積厚度一般小于3m，向兩側逐漸減小至零，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，埋深在20～120m之間，地層厚度一般3～8m，局部地層厚度可達20m；U4層為MIS3時期的海相沉積，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，該地層單元全區揭示不全，該反射層與U4相似，振幅強、呈緩波狀或近水平狀[5]。

1.4 海底表層沉積物類型

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

1—地層單元；2—反射界面圖1 研究區近海淺地層主要地震地層和界面[5]

1—砂質礫；2—含礫砂；3—含礫泥質砂；4—砂；5—粉砂質砂；6—砂質粉砂；7—粉砂；8—含礫泥；9—采樣點位；10—研究區范圍圖2 威海市近海海域表層沉積物采樣位置

砂質粉砂分布最廣，在研究區北部、東部和南部海域均有大片分布，占整個研究區面積的50%左右；粉砂分布范圍也較大，主要出現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、乳山銀灘近岸區均有分布；砂質礫出現在雞鳴島、海驢島、成山角、俚島、紅石崖附近，主要是基巖侵蝕產物；含礫砂、含礫泥質砂、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 樣品測試

重金屬元素分析由國土資源部海洋地質實驗檢測中心完成。先將待測樣品放在恒溫(<60℃)下烘干后，研磨至250目以下；取適量樣品用混合熔劑熔融，制成標準玻璃樣片[8-9]。元素As，Hg采用原子熒光光度計(AFS)測定；Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，Zn采用等離子質譜儀(ICP-MS)測定[10-11]。在測試過程中均進行了若干重復樣與標樣分析，相對誤差<10%，數據質量可靠。

2.3 評價方法

2.3.1 單項污染指數評價法

單項污染指數法是通過評價標準對單項指標進行逐項分析評價，通過指數計算，選取各因子中最大類別為樣本的總體評價結果[11-13]。

單項污染指數法計算公式為：

Pi=Ci/Si

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

研究區海域主要為海洋漁業水域、海洋自然保護區、海水浴場等，海洋沉積物質量評價執行一類標準(GB18668—2002)(表1)[14]，單因子評價指標包括Hg，Cu，Pb，Zn，Cd，Cr，As共7項。

表1 海底表層沉積物環境質量標準(μg/g)[14]

2.3.2 綜合污染指數評價法

綜合污染指數法是指在各項單因子指數評價基礎上，計算單站多元素沉積物綜合質量，反映了各污染物對表層沉積物的作用[15]。沉積物質量綜合指數見表2。綜合污染指數法計算公式為：

式中：PI—綜合治理指數;n—樣品數量;Pi為i污染物的單項污染指數。

表2 沉積物質量等級劃分

2.3.3 超標分類法

超標分類方法是在掌握有關污染物質含量實測數據的基礎上，確定各要素的評價標準值，然后逐一求出實測值與評價標準值的比值。如果比值超過1，則為超標污染物質，比值即為超標比值，又根據超標污染物質的個數和超標比值的大小和組合不同，通過適當的歸類后，劃分出污染物質的不同程度存在差異的各類型和亞類[16-17]。該次評價標準值同單項污染指數評價法，也依據海洋沉積物質量評價一類標準(GB18668—2002)[14]，指標界值見表1。

底質污染評價類型根據污染要素中超標污染物質的個數來劃分，以采樣站位作為評價單元；無污染物質超標的稱為Ⅰ類，有1種污染物質超標的稱為Ⅱ類污染類型，有2種污染物質超標的稱為Ⅲ類污染類型，有3種污染物質超標的稱為Ⅳ類污染類型，有4種或4種以上污染物質超標的稱為Ⅴ類污染類型；污染亞類是在各類型下根據超標污染物質的組合來劃分，以超標污染物質來命名，如果有1個以上超標污染物質，則按其超標比值由大到小順序排列來命名[16-17]。例如，某站鉛的超標比值大于銅的超標比值，則命名為Cr-Cu污染亞類。

2.3.4 潛在生態風險指數法

潛在生態危害指數法是瑞典學者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化規律和評價區域對重金屬污染的敏感性，以及重金屬區域背景值的差異，消除了區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生態環境的影響潛力，成為國內外沉積物質量評價中應用最為廣泛的方法之一[18]，潛在生態風險評價指標見表3。總體污染程度計算公式為：

潛在生態風險指數計算公式為：

表3 潛在生態風險評價指標

據Hakanson1980年，修改。

1—清潔區；2—尚清潔區；3—尚允許區；4—研究區范圍圖3 研究區海底表層沉積物綜合污染指數評價圖

3 結果與討論

3.1 單項污染指數法

總體上，研究區的單因子污染物指數偏低，只有Cu和Cr兩種重金屬出現一類沉積物質量超標情況。Cu超標站位41個，最大污染指數2.71，主要分布在研究區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別站位超標(表4)。Cr超標站位11個，最大污染指數2.19，僅分布在威海灣西側近岸海域。兩者超標是自然因素與人類活動2種因素造成的，自然因素主要為表層沉積物中的粉砂、黏土等細顆粒物質的吸附和累積效應的反映；人為因素主要與港口碼頭的船舶電鍍和防護產生的污染源、化工企業污水排放等。

表4 研究區海底表層沉積物單項污染指數評價結果

3.2 綜合污染指數法

研究區綜合污染物指數介于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環境大部分處于清潔和尚清潔狀態(圖3)。

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

(2)尚清潔站位103站，占總測站的81.1%。分布在研究區大部分范圍。主要對應細顆粒物質沉積區，水動力相對較弱，污染物受到黏土組分的吸附，相對富集。

(3)尚允許站位4站，占總測站的3.1%。僅出現在個別站位，雙島灣口北側，威海灣西側和海驢島西側，均為細粒沉積物區，對污染物具有明顯富集效應。

3.3 超標分類法

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

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

(2)Ⅱ類站位共42站，占總測站的33%。其中Ⅱ1Cr有6個站位，主要分布在威海灣西側近岸和乳山灣附近海域。Ⅱ2Cu有36個站位，出現在研究區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別站位超標。

(3)Ⅲ類站位共5站，占4%，其中Ⅲ1Cr-Cu有2個站位，分布在威海灣西側近岸區，Ⅲ2Cu-Cr有3個站位，分布在養魚池灣、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—研究區范圍圖4 研究區海底表層沉積物污染指標超標類型圖

3.4 潛在生態風險指數法

根據計算結果，研究區的重金屬單因子污染物污染程度與生態危害程度評價結果見表5。

由表5可以看出，Hg，Cd，Pb和Zn的污染系數分別介于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，均遠遠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為低污染程度；As和Cr的污染系數介于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。研究區沉積物中主要的重金屬污染因子為Cu，污染系數在0.03～2.94之間，平均值為1.03，大部分站位為中等程度污染。整個區域的生態危害程度也為低(介于4.62～51.13)。污染程度順序為Cu>Cr>As>Pb>Zn>Hg>Cd。研究區內Hg，Cd，Pb，Cu，Zn，Cr，As的潛在生態危害系數平均值分別為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危害程度均低。研究區重金屬單因子污染物生態危害系數由大到小依次為：Cu>As>Hg>Pb>Cr>Cd>Zn。

表5 研究區各重金屬單因子污染物污染程度

3.5 綜合分析

經4種方法綜合評價，研究區海底表層沉積物環境質量總體較好，主要為清潔區和尚清潔區，尚允許區面積較小。清潔區主要分布在朝陽港、月湖、養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，且該區域水動力較強，不利于污染物質的富集，沉積物質量較好；尚清潔區在研究區內廣泛分布，表層沉積物主要為砂質粉砂、粉砂等細顆粒物質，水動力相對較弱，污染物受到黏土組分的吸附，相對富集；尚允許區分布在雙島灣口北側，威海灣西側和海驢島西側，沉積物為粉砂、含礫泥等，顆粒更細，該區域水動力弱，污染物富集效應強。海底表層沉積物中As，Hg，Cd，Pb，Cu和Zn元素均未超過一類標準；海底表層沉積物中主要的重金屬污染因子為Cu，污染系數在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重金屬污染因子為Cr，污染系數介于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和乳山灣內。Cu和Cr兩種重金屬元素均超標的站位僅5個，位于威海灣西側近岸區、養魚池灣、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危害系數均小于40，生態危害程度均低。

4 結論

(1)研究區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《海洋沉積物質量(GB18668—2002)》規定的一類沉積物的最高限值，沉積物質量符合一類標準；重金屬元素Cr，Cu大部分站位在一類標準內，少部分為第二類，Cr和Cu超標可能受到船舶、鋼廠礦石冶煉、化工企業排污等人工污染源及細顆粒物質的吸附作用的影響。

(2)研究區表層沉積物環境質量相對較好，在整體上處于清潔和尚清潔狀態，以尚清潔為主，僅個別站位處于允許狀態。

(3)研究區底質污染類型主要以Ⅰ類、Ⅱ類為主，含少量Ⅲ類，Ⅱ類分為Ⅱ1Cr和Ⅱ2Cu兩個污染亞類，Ⅲ類分為Ⅲ1Cr-Cu和Ⅲ2Cu-Cr兩個污染亞類。Ⅰ類占研究區的大部分范圍；Ⅱ1Cr主要分布在威海灣西側近岸和乳山灣附近海域；Ⅱ2Cu出現在研究區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僅在個別站位出現。

(4)研究區各種重金屬的生態危害程度均低。重金屬單因子污染物生態危害系數由大到小依次為：Cu>Cr>As>Pb>Zn>Hg>Cd。總體上，研究區生態危害程度低，污染程度順序為Cu>As>Hg>Pb>Cr>Cd>Zn。

(5)威海市海域環境質量相對較好，生態危害程度較低，應該予以維持和加強保護。