【生态环境论文】舟山港沉积物重金属污染及潜在生态风险空间分布评价

摘要：为了解舟山港区沉积物中重金属的污染特征，对舟山港区35个表层沉积物中Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As和Cr 7种重金属含量进行测定，并采用污染评价法、潜在生态危害指数法和空间分析进行污染和风险分析。结果表明：表层沉积物中重金属的平均含量均低于国家海洋沉积物质量一类标准；舟山港区表层沉积物重金属污染现状总体为低污染水平，污染程度由大到小依次为As＞Cu、Pb＞Zn＞Hg＞Cd＞Cr；20%的站位的重金属综合污染指数大于8，达到了中等污染水平，主要分布于小干岛和鲁家峙西南侧航道区、东蟹峙南侧和朱家尖岛西侧；舟山港区表层沉积物重金属的潜在生态危害水平较低，重金属的潜在生态危害系数由大到小的顺序为Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr、Zn，潜在生态风险指数高值区出现在舟山港区东南部的朱家尖岛西侧海域，主要受Hg的高潜在危害水平的影响。重金属污染的主要来源可能与附近船厂、排污口、海洋倾倒区和海产加工厂排放污废水和废弃物有关。

关键字：表层沉积物；重金属；潜在生态风险评价；空间分析；舟山港

沉积物是海洋环境的重要组成部分，沉积物不仅为海洋生物提供栖息地和营养，同时也是各类污染物重要的载体与源。进入水体的重金属，经过生物地球化学循环，绝大部分最终集聚在沉积物中，成为水环境污染的指示剂（王伟力 等，2009）；当环境受到外界压力发生改变时，沉积物中的污染物可能重新释放出来产生潜在的生态风险，沉积物污染通过地球生物化学的循环过程对水生态系统和人类构成潜在的威胁（Adams W J et al,1992）。重金属是近海水环境中主要的污染物之一（SIN S N et al，2001）；近海沉积物重金属含量水平能够真实地反映一个地区的环境质量现状（张丽洁 等，2003）；与水相相比，沉积物具有更大的相对稳定性，用分析沉积物样品中重金属浓度的方法来评价重金属污染程度及其生态危害有更高的准确性和可靠性（SANTOS I R et al，2005）；测定和分析表层沉积物中重金属分布特征，更能反映海域环境质量状况的变化过程（蔡丽萍 等，2012）。研究沉积物重金属的污染现状和潜在生态风险水平的分布，确定主要的污染物及其来源，可以为海洋环境重金属污染的治理提供科学依据（朱程 等，2010）。

舟山港地处中国东部黄金海岸线与长江黄金水道的交汇处，港域环境质量受多种因素的影响，呈现出动态变化的特点。本文通过运用GIS空间分析、单因子污染系数法和潜在生态风险指数法相结合方法对舟山港区表层沉积物重金属进行定量化评价，旨在了解研究区的沉积物重金属污染现状与空间分布情况，并对重金属的污染进行溯源分析，以期为舟山港区海域环境的生态保护、污染源控制和信息化治理提供科学依据。

1.材料与方法

1.1采样及分析

2012年12月在舟山岛中南部海域（定海港至朱家尖岛）布设35个站位（见图1）。采用抓斗式采样器采集表层样品35个，同步记录水深和水温。沉积物中重金属（Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr）测定方法参照《海洋监测规范》（GB17378-2007）中《沉积物分析》规定的方法，委托浙江省海洋水产研究所（海洋渔业环境监测站）完成

图1 研究区域及采样点位置

1.2评价方法

1.2.1沉积物重金属污染程度

采用单因子污染系数 = （ 为污染物的实测浓度， 为污染物的评价标准。）来反映单种沉积物重金属的污染程度（丁喜桂 等，2005）； ＜1为低污染，1≤ ＜3为中等污染，3≤ ＜6为重污染， ≥6为严重污染。重金属的综合污染程度采用综合污染指数 （各单因子污染系数之和）来反映沉积物重金属的污染程度； ＜8为低污染，8≤ ＜16为中等污染，16≤ ＜32为重污染， ≥32为严重污染（陈旭阳 等，2012）。评价标准的选定无统一标准，一般结合区域的研究现状选取，因此选取浙东地区滨海相土壤的地球化学基准值作为评价标准（汪庆华 等，2007），Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr的背景值分别为28.39、26.42、92.35、0.111、0.041、8.54、92.27mg/kg。

1.2.2潜在生态风险评价

根据潜在生态风险指数法（Hankanson L，1980）对选取的7种重金属元素的生态风险进行评价,潜在生态风险指数法是运用沉积学原理来评价沉积物重金属污染及潜在生态风险的方法，目前已广泛应用于沉积物质量评价中。沉积物中多种重金属的潜在生态风险指数 (ecological risk index)等于所有重金属潜在生态危害系数的总和,计算公式如下:

(1)

式中： 为金属 的潜在生态危害系数； 为重金属毒性响应系数(toxic response coefficient),反映单个重金属的毒性水平及生物对重金属污染物的敏感程度；重金属Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr的毒性响应系数分别为5、5、1、30、40、10、2（Hankanson L，1980）975-1001； 为重金属 的污染系数。重金属潜在生态风险评价等级见表1。

1.2.3空间分析

运用ArcGIS10.1的空间分析功能，根据沉积物重金属的污染程度和潜在生态风险评价等级对评价结果进行分级处理，得出沉积物重金属污染程度和潜在生态风险水平的等级空间分布图，用以进行污染源的溯源分析和更好的指示区域内沉积物重金属的污染现状。

表1 评价指标与潜在生态风险程度的关系

单因子污染物

生态风险程度

总的潜在生

态风险程度

＜40

40～80

80～160

160～320

≥320 低

中等

较重

重

严重 ＜150

150～300

300～600

≥600

低

中等

重

严重

2.结果与讨论

2.1重金属的含量

表2为舟山港区表层沉积物中重金属的统计结果。由表2可知，研究区域表层沉积物重金属含量总体水平较低，均值均小于国家海洋沉积物质量一类标准；最高值除Cu、Pb之外，其他均低于国家海洋沉积物质量一类标准，且Cu、Pb的含量也不超过国家海洋沉积物质量二类标准（GB18668-2002）。

由表2可知，Pb和Hg的空间分布差异较大，变异系数最大，分别为70.09%和33.17%，表明这2种元素可能具有点状的输入途径。其他重金属元素的变异系数较小，表明其来源和分布均较一致。

表3为舟山港区表层沉积物重金属含量、平均值与国内外港口、海湾相比较，对比结果表明舟山港区表层沉积物重金属Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr的平均含量都处于比较低的水平，因此，舟山港区表层沉积物重金属的污染程度相对较轻。

表2 舟山港区表层沉积物重金属含量统计 mg•kg-1

项目 Cu Pb Zn Cd Hg As Cr

范围 19～45 4.8～88 52～122 0.046～0.18 0.014～0.091 7.4～18 50～76

平均值 30.63 28.55 98.37 0.094 0.041 11.7 61.17

中值 30 22 100 0.099 0.043 11 60

标准偏差 5.22 20.01 13.02 0.027 0.0136 2.51 5.76

变异系数 17.04% 70.09% 13.24% 28.72% 33.17% 21.45% 9.42%

沉积物Ⅰ/Ⅱ类质量标准 35/100 60/130 150/350 0.50/1.50 0.20/0.50 20/65 80/150

表3 舟山港区表层沉积物重金属含量与国内外典型海域比较 mg•kg-1

海区 Cu Pb Zn Cd Hg As Cr

舟山港区 19～45 4.8～88 52～122 0.046～0.18 0.014～0.091 7.4～18 50～76

(30.63) (28.55) (98.37) (0.094) (0.041) (11.7) (61.17)

莱州湾（罗先香 等，2010） 0.11～47.24 3.18～34.22 29.60～81.50 0.04～0.29 0.02～0.38 3.24～22.51

(14.97) (11.70) (50.80) (0.11) (0.09) (9.20)

锦州湾（张玉凤 等，2008） 9.3～1227.3 21.8～1828.3 89.2～13933.4 4.8～909.5 20.4～819.9

(416.9) (753.2) (6419.0) (248.1) (396.5)

深圳湾（左平 等，2009） 7.96～101.63 11.80～63.24 355.75～565.50 1.19～6.58

(68.94) (38.40) (489.08) (4.61)

泉州湾（Yu et al,2008） 24.8～119.7 34.3～100.9 105.5～241.9 0.28～0.89 0.17～0.74 17.7～30.2

(71.4) (67.7) (179.6) (0.59) (0.40) (21.7)

Hong Kong coasts(Zhou et al,2007) 1～4000

(118.68) 9～260

(53.56) 17～790

(147.73) 0.1～5.3

(0.33) 0.05～8

(0.19)

Thermailkos Gulf,Greece(CHRISTOPHORIDIS et al,2009) 0.8～5.5

(3.2) 12.3～24.4

(17.5) 16.5～75.9

(40.0)

2.2沉积物重金属污染程度评价

表4为舟山港区表层沉积物重金属污染程度评价结果，图2为对评价结果进行空间分析后形成的区域内各重金属元素的污染程度和综合污染程度的空间分布图。从整个舟山港区范围来看，Cr的污染系数范围为0.54-0.82，表明区域内未受到Cr的污染；Cd的污染系数均值小于1，其中有6个站位的污染系数大于1，总体上区域受Cd的污染属于低污染水平；Cu、Pb、Zn、Hg、As的污染系数均值大于1，表明研究区受到这5种重金属的中等污染；各重金属的污染程度由高到低依次为As＞Cu、Pb＞Zn＞Hg＞Cd＞Cr。从空间分布来看，位于东蟹峙南侧和鲁家峙西侧的2个站位的Pb污染系数大于3，属于重污染水平；Cu、Zn、Hg、As在绝大部分站位的污染系数大于1，属于中等污染水平。

从综合污染指数的评价结果来看，其中有7个站位达到中等污染水平，占总站位的20%，从站位的空间分布来看，主要是位于小干岛南侧和鲁家峙西南侧航道区、东蟹峙南侧、朱家尖岛西侧；其他站位的综合污染指数均小于8，因此，舟山港区表层沉积物重金属污染现状总体为低污染水平。

表4 沉积物中重金属污染单因子评价结果

项 单因子污染系数

综合污染

目 Cu Pb Zn Cd Hg As Cr 指数

范围

平均值 0.67-1.59

1.08 0.18-3.33

1.08 0.56-1.32

1.07 0.41-1.62

0.85 0.34-2.22

1.01 0.87-2.11

1.37 0.54-0.82

0.66 5.18-10.90

7.12

图2 沉积物中重金属的污染程度空间分布图

2.3沉积物重金属污染潜在生态风险评价

根据对舟山港区表层沉积物重金属的潜在生态风险进行评价，得到该区域表层沉积物重金属的潜在生态风险系数和潜在风险指数，具体的评价结果见表5，图3为对评价结果进行分级处理后形成的研究区各重金属元素的潜在生态危害水平和综合潜在生态风险的空间分布图。

由表5可知，研究区表层沉积物重金属的潜在生态危害系数由大到小的顺序为Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr、Zn；其中As、Pb、Cu、Cr、Zn5种重金属元素的潜在生态危害系数的均值为1.07-13.70，均小于40，表明研究区内这5种重金属的潜在生态危害为低水平；Hg有20个站位的潜在生态危害系数超过40，其中有1个站位甚至大于80，表明研究区Hg的潜在生态危害程度为中等； Cd有1个站位的潜在生态危害系数大于40，其余站位均小于40，均值为25.48，表明该重金属元素在研究区的潜在生态危害程度为低水平。从空间分布的角度来看，Hg达到中等潜在生态危害水平的站位主要分布于舟山本岛的排污口、港区附近的海洋倾倒区和航道区内，位的潜在生态危害系数超过40外，达到中等潜在生态危害水平。因此，Hg作为研究区主要的潜在生态危害因子应当引起重视。

从潜在生态风险指数的评价结果来看，研究区的潜在生态风险指数均值为92.74，因此，舟山港区表层重金属的潜在生态风险处于低风险水平。从空间分布的角度分析，研究区内除位于朱家尖岛西侧的1个站位的综合潜在生态风险指数大于150，达到中等潜在生态风险水平，其余范围都属于低潜在生态风险水平；总体来看研究区域表层沉积物重金属潜在生态风险属于低水平。

表5 沉积物重金属污染的潜在生态危害系数和指数

项 潜在生态危害系数

潜在生态风险指数

目 Cu Pb Zn Cd Hg As Cr

范围

平均值 3.35-7.93

5.39 0.91-16.65

5.40 0.56-1.32

1.07 12.43-48.65

25.48 13.66-88.78

40.36 8.67-21.08

13.70 1.08-1.65

1.33 63.59-151.45

92.74

图3 沉积物中重金属的潜在生态风险空间分布图

2.4空间分析与污染溯源

从图2和图3中可以看出沉积物重金属的污染程度与潜在生态风险水平在空间分布上并不完全一致，Cu、Pb、Zn、Hg、As5种重金属元素在港区内的污染程度达到了中等，但潜在生态危害水平只有Hg达到中等；综合污染程度有7个站位达到中等污染水平，只有一个站位的潜在生态风险达到了中等。其主要原因是各重金属元素的毒性响应系数的差别引起的，潜在生态危害系数是在单因子污染系数的基础上根据不同重金属元素的毒性响应系数来计算的，且不同重金属元素对潜在生态风险指数的贡献率不同。

根据评价结果的空间分布可以看出东蟹峙南侧和鲁家峙西侧Pb的污染达到重污染水平，但由于Pb的毒性响应系数只有5，因此其潜在生态危害水平并未达到较重的程度；同时位于鲁家峙西南侧的31号站位Cd的污染程度和潜在生态危害水平都属于中等，通过实地调查分析，附近有舟山隆昇船业有限公司和杨帆集团有限公司鲁家峙船厂，Pb和Cd的污染来源主要是附近码头和船厂丢弃在港区内的废弃船用铅酸蓄电池。

另外舟山港区表层沉积物重金属污染物Hg的污染较严重，Hg的污染程度和潜在生态危害水平都达到了中等，主要集中在排污口、倾倒区和航道区附近，通过实地调查分析，港区内有定海污水处理厂排污口、普陀勾山污水处理厂排污口、沈家门城镇生活污水排污口、杨帆集团有限公司排污口、定海西蟹峙临时倾倒区、沈家门水老鼠礁临时倾倒区、三和社区虾米加工厂区等， Hg的污染来源主要是工业废水、生活废水、倾倒物以及船舶压舱水中的含Hg物质随废水排放到海域中，并逐渐在沉积物中富集。特别是位于朱家尖岛西侧的18号站位的综合污染程度为和综合潜在生态风险都达到了中等水平，主要原因是Hg污染造成的，Hg在该站位的潜在生态危害系数大于80，达到较重水平，经过实地调查发现，站位位于朱家尖街道三和社区附近海域，三和社区内有三十多家虾米加工厂，在虾的加工过程中一般会进行去头和去壳处理，而虾的头部正是重金属富集的部位，加工过程中重金属随废水和废弃物排放到周边海域，导致该海域表层沉积物中Cu、Pb、Zn、Hg、As都达到中等污染水平。

图4 污染源分布图

3.结论

利用单因子污染系数法，综合污染系数法、潜在生态危害指数法以及空间分析对舟山港区表层沉积物重金属的污染现状和潜在生态风险空间分布进行分析评价，结果表明：

（1）舟山港区表层沉积物重金属Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr的平均含量均小于国家海洋沉积物质量一类标准；与国内外典型海湾港口相比处于较低水平。

（2）污染程度评价的结果表明，舟山港区表层沉积物重金属污染现状总体为低污染水平，各重金属的污染程度由高到低依次为As＞Cu、Pb＞Zn＞Hg＞Cd＞Cr；20%的站位的重金属综合污染达到中等污染水平，主要分布于小干岛南侧和鲁家峙西南侧航道区、东蟹峙南侧和朱家尖岛西侧。

（3）潜在生态风险评价结果表明，总体来看舟山港区表层沉积物重金属的潜在生态危害水平较低，属于低潜在生态风险区；重金属的潜在生态危害系数由大到小的顺序为Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr、Zn，其中以Hg的潜在生态危害程度最大。位于舟山港区东南部的朱家尖岛西侧海域的综合潜在生态风险指数最高，潜在生态风险最大。

（4）空间分析的结果表明，港区内沉积物中重金属可能的主要来源是附近船厂、排污口、海洋倾倒区和海产加工厂排放大量污废水、废弃物；在局部海域沉积物的重金属污染已经达到了较为严重的水平，应当引起重视。

参 考 文 献

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