威海市近海海域表层沉积物环境质量评价

吴振，王松涛，印萍,刘金庆

(1．山东省第四地质矿产勘查院，山东 潍坊 261021；2.山东省地矿局海岸带地质环境保护重点实验室，山东 潍坊 261021；3.中国地质调查局青岛海洋地质研究所，山东 青岛 266071；4.山东科技大学地球科学与工程学院，山东 青岛 266590)

重金属在海底沉积物中的沉积、分布变化主要受陆上排污及海湾和河口水动力条件的影响和控制。由沉积物重金属的含量可以判断一个地区受污染的程度，根据重金属含量的水平分布可以追踪其污染源，了解其扩散范围；在某种程度上，近海沉积物重金属含量水平真实地反映了一个地区的环境质量现状[1-4]。威海市位于山东半岛东端，北、东、南三面濒临黄海，拥有山东省最长的海岸线，长达985.9km[5]。近年来随着海洋经济意义日益变大，近海海域生态环境压力日趋严重。因此，开展近海海域表层沉积物环境质量综合评价，反映近海海域环境质量现状和变化趋势，为海洋经济的可持续发展和海洋生态环境保护提供依据具有重要意义。该文基于山东省威海市海岸带综合地质调查项目，通过对近海海域表层沉积物进行样品采集与测试分析，采用单因子污染指数法、综合污染指数法、超标分类法和潜在生态危害法等多种评价方法对威海市近海海域表层沉积物环境质量进行了综合评价，为威海市合理开发利用海洋资源提供科学支撑。

1 地质背景

1.1 气候条件

威海市位于东亚季风区，风向及风速的季节变化特点明显，夏季盛行南向风，冬季盛行北北西向和北向风。威海市波浪是以风浪为主的混合浪居多，又受到地理环境的影响，常浪向与岸线走向较为吻合，常浪向多与岸线走向垂直[5-7]。研究区域主要为威海市近海海域。

1.2 地形地貌

1.2.1 海岸地貌

威海市海岸按物质组成可分为砂质海岸和基岩海岸，两类海岸相间分布，以形态、成因及地貌的特征来划分，砂质海岸属于沙坝-潟湖海岸，基岩海岸属于基岩岬湾海岸[5,8]。由于人类活动，很多海岸都脱离原始形态，被人工构筑物所固定，如：港口、码头、养殖区等[5,9]。

1.2.2 海底地貌

威海市近海海域地貌类型主要包括水下浅滩和海底堆积平原2种，水下浅滩分布在自陆到10m等深线一带，东部海域较深达20m，海底底质自陆向海逐渐变细，依次是砾砂、粗砂、中细砂、黏土质粉砂；海底堆积平原分布在水下浅滩之外，地形开阔平坦，底质为黏土质粉砂[5,8]。

1.3 海底浅地层结构

威海市近海海域浅地层自上而下依次为U1，U2，U3，U4，U5共5层。U1层为全新世高海平面以来的浅海相沉积，厚度一般在8～15m，总体上自南部近岸向外海呈逐渐变薄的趋势；U2层为末次最盛冰期以来的河流相相沉积，主要分布在研究区的中部，沉积厚度一般小于3m，向两侧逐渐减小至零，其后缺失，形成一条厚约2～3m的条带；U3层为低海平面时期的陆相沉积或河道沉积，近岸地层厚度小，离岸有逐渐加厚的趋势，埋深在20～120m之间，地层厚度一般3～8m，局部地层厚度可达20m；U4层为MIS3时期的海相沉积，厚度3～6m，由近岸向外海逐渐加厚；U5地层单元位于U4层之下，受浅地层剖面穿透深度的限制，该地层单元全区揭示不全，该反射层与U4相似，振幅强、呈缓波状或近水平状[5]。

1.4 海底表层沉积物类型

根据Folk分类法，研究区海底表层沉积物主要包括8种类型：砂质砾、含砾砂、泥质砾、含砾泥质砂、砂、粉砂质砂、砂质粉砂、粉砂和含砾泥(图2)。

1—地层单元；2—反射界面图1 研究区近海浅地层主要地震地层和界面[5]

1—砂质砾；2—含砾砂；3—含砾泥质砂；4—砂；5—粉砂质砂；6—砂质粉砂；7—粉砂；8—含砾泥；9—采样点位；10—研究区范围图2 威海市近海海域表层沉积物采样位置

砂质粉砂分布最广，在研究区北部、东部和南部海域均有大片分布，占整个研究区面积的50%左右；粉砂分布范围也较大，主要出现在双岛湾至威海湾一带、鸡鸣岛附近、龙眼湾、爱莲湾、石岛湾、靖海湾和五垒岛湾以南的海域；粉砂质砂在朝阳港潟湖、斜口流潟湖、荣成宁津近岸和镆铘岛附近有少量分布；砂主要分布在基岩岬角之间的砂质海岸附近，在双岛湾、逍遥港、朝阳港、俚岛湾、桑沟湾、楮岛、五垒岛湾、文登南海海岸、乳山银滩近岸区均有分布；砂质砾出现在鸡鸣岛、海驴岛、成山角、俚岛、红石崖附近，主要是基岩侵蚀产物；含砾砂、含砾泥质砂、含砾泥零星分布。

2 材料与方法

2.1 样品采集

海底表层沉积物采用箱式取样器，主要采集海底表层0～5cm的沉积物，每站位采集样品2袋，每袋重量不小于1.0kg，用干净的木勺将样品装入聚乙烯袋中，低温保存，共采集样品127站位。

2.2 样品测试

重金属元素分析由国土资源部海洋地质实验检测中心完成。先将待测样品放在恒温(<60℃)下烘干后，研磨至250目以下；取适量样品用混合熔剂熔融，制成标准玻璃样片[8-9]。元素As，Hg采用原子荧光光度计(AFS)测定；Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，Zn采用等离子质谱仪(ICP-MS)测定[10-11]。在测试过程中均进行了若干重复样与标样分析，相对误差<10%，数据质量可靠。

2.3 评价方法

2.3.1 单项污染指数评价法

单项污染指数法是通过评价标准对单项指标进行逐项分析评价，通过指数计算，选取各因子中最大类别为样本的总体评价结果[11-13]。

单项污染指数法计算公式为：

Pi=Ci/Si

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。

研究区海域主要为海洋渔业水域、海洋自然保护区、海水浴场等，海洋沉积物质量评价执行一类标准(GB18668—2002)(表1)[14]，单因子评价指标包括Hg，Cu，Pb，Zn，Cd，Cr，As共7项。

表1 海底表层沉积物环境质量标准(μg/g)[14]

2.3.2 综合污染指数评价法

综合污染指数法是指在各项单因子指数评价基础上，计算单站多元素沉积物综合质量，反映了各污染物对表层沉积物的作用[15]。沉积物质量综合指数见表2。综合污染指数法计算公式为：

式中：PI—综合治理指数;n—样品数量;Pi为i污染物的单项污染指数。

表2 沉积物质量等级划分

2.3.3 超标分类法

超标分类方法是在掌握有关污染物质含量实测数据的基础上，确定各要素的评价标准值，然后逐一求出实测值与评价标准值的比值。如果比值超过1，则为超标污染物质，比值即为超标比值，又根据超标污染物质的个数和超标比值的大小和组合不同，通过适当的归类后，划分出污染物质的不同程度存在差异的各类型和亚类[16-17]。该次评价标准值同单项污染指数评价法，也依据海洋沉积物质量评价一类标准(GB18668—2002)[14]，指标界值见表1。

底质污染评价类型根据污染要素中超标污染物质的个数来划分，以采样站位作为评价单元；无污染物质超标的称为Ⅰ类，有1种污染物质超标的称为Ⅱ类污染类型，有2种污染物质超标的称为Ⅲ类污染类型，有3种污染物质超标的称为Ⅳ类污染类型，有4种或4种以上污染物质超标的称为Ⅴ类污染类型；污染亚类是在各类型下根据超标污染物质的组合来划分，以超标污染物质来命名，如果有1个以上超标污染物质，则按其超标比值由大到小顺序排列来命名[16-17]。例如，某站铅的超标比值大于铜的超标比值，则命名为Cr-Cu污染亚类。

2.3.4 潜在生态风险指数法

潜在生态危害指数法是瑞典学者Hakanson于1980年建立的，该方法综合考虑了重金属的毒性、重金属在沉积物中普遍的迁移转化规律和评价区域对重金属污染的敏感性，以及重金属区域背景值的差异，消除了区域差异和异源污染的影响，可以综合反映沉积物中重金属对生态环境的影响潜力，成为国内外沉积物质量评价中应用最为广泛的方法之一[18]，潜在生态风险评价指标见表3。总体污染程度计算公式为：

潜在生态风险指数计算公式为：

表3 潜在生态风险评价指标

据Hakanson1980年，修改。

1—清洁区；2—尚清洁区；3—尚允许区；4—研究区范围图3 研究区海底表层沉积物综合污染指数评价图

3 结果与讨论

3.1 单项污染指数法

总体上，研究区的单因子污染物指数偏低，只有Cu和Cr两种重金属出现一类沉积物质量超标情况。Cu超标站位41个，最大污染指数2.71，主要分布在研究区西北部双岛湾和东部成山头、俚岛和楮岛等附近海域，威海湾、荣成湾和桑沟湾仅个别站位超标(表4)。Cr超标站位11个，最大污染指数2.19，仅分布在威海湾西侧近岸海域。两者超标是自然因素与人类活动2种因素造成的，自然因素主要为表层沉积物中的粉砂、黏土等细颗粒物质的吸附和累积效应的反映；人为因素主要与港口码头的船舶电镀和防护产生的污染源、化工企业污水排放等。

表4 研究区海底表层沉积物单项污染指数评价结果

3.2 综合污染指数法

研究区综合污染物指数介于0.10～0.90之间，平均值为0.44，均小于1，表明威海近海海域底质环境大部分处于清洁和尚清洁状态(图3)。

(1)清洁站位共20站，占总测站的15.7%。主要分布在朝阳港、月湖、养鱼池湾和桑沟湾近岸海域，该区域水动力较强，沉积物粒度偏粗，不利于污染物质的富集[15]。

(2)尚清洁站位103站，占总测站的81.1%。分布在研究区大部分范围。主要对应细颗粒物质沉积区，水动力相对较弱，污染物受到黏土组分的吸附，相对富集。

(3)尚允许站位4站，占总测站的3.1%。仅出现在个别站位，双岛湾口北侧，威海湾西侧和海驴岛西侧，均为细粒沉积物区，对污染物具有明显富集效应。

3.3 超标分类法

研究区范围内的底质污染类型主要以Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类为主，Ⅱ类又分为Ⅱ1Cr和Ⅱ2Cu两个污染亚类，Ⅲ类又分为Ⅲ1Cr-Cu和Ⅲ2Cu-Cr两个污染亚类(图4)。

(1)Ⅰ类站位共80站，占总测站的63%。分布在研究区大部分范围，是研究区主要类型。

(2)Ⅱ类站位共42站，占总测站的33%。其中Ⅱ1Cr有6个站位，主要分布在威海湾西侧近岸和乳山湾附近海域。Ⅱ2Cu有36个站位，出现在研究区西北部双岛湾和东部成山头、俚岛和楮岛等附近海域，威海湾、荣成湾和桑沟湾仅个别站位超标。

(3)Ⅲ类站位共5站，占4%，其中Ⅲ1Cr-Cu有2个站位，分布在威海湾西侧近岸区，Ⅲ2Cu-Cr有3个站位，分布在养鱼池湾、爱莲湾和靖海湾张家埠口附近。

1—Ⅰ类；2—Ⅱ1Cr污染；3—Ⅱ2Cu污染；4—Ⅲ1Cr-Cu污染；5—Ⅲ2Cu-Cr污染；6—研究区范围图4 研究区海底表层沉积物污染指标超标类型图

3.4 潜在生态风险指数法

根据计算结果，研究区的重金属单因子污染物污染程度与生态危害程度评价结果见表5。

由表5可以看出，Hg，Cd，Pb和Zn的污染系数分别介于0.01～0.71，0～0.49，0.23～0.72、0.06～0.77之间，平均值分别为0.11，0.04，0.35，0.37，均远远小于单因子重金属低污染程度的最大值1，表明这4种重金属元素在研究区为低污染程度；As和Cr的污染系数介于0.10～1.12，0.08～1.95之间，平均值分别为0.51和0.67，也远小于单因子重金属低污染程度的最大值1，表明这2种重金属元素在研究区也为低污染程度，但有些站位超过一类沉积物单因子重金属低污染程度的上限。研究区沉积物中主要的重金属污染因子为Cu，污染系数在0.03～2.94之间，平均值为1.03，大部分站位为中等程度污染。整个区域的生态危害程度也为低(介于4.62～51.13)。污染程度顺序为Cu>Cr>As>Pb>Zn>Hg>Cd。研究区内Hg，Cd，Pb，Cu，Zn，Cr，As的潜在生态危害系数平均值分别为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，因此各种重金属的生态危害程度均低。研究区重金属单因子污染物生态危害系数由大到小依次为：Cu>As>Hg>Pb>Cr>Cd>Zn。

表5 研究区各重金属单因子污染物污染程度

3.5 综合分析

经4种方法综合评价，研究区海底表层沉积物环境质量总体较好，主要为清洁区和尚清洁区，尚允许区面积较小。清洁区主要分布在朝阳港、月湖、养鱼池湾和桑沟湾近岸海域，表层沉积物类型主要为含砾砂和砂，颗粒较粗，且该区域水动力较强，不利于污染物质的富集，沉积物质量较好；尚清洁区在研究区内广泛分布，表层沉积物主要为砂质粉砂、粉砂等细颗粒物质，水动力相对较弱，污染物受到黏土组分的吸附，相对富集；尚允许区分布在双岛湾口北侧，威海湾西侧和海驴岛西侧，沉积物为粉砂、含砾泥等，颗粒更细，该区域水动力弱，污染物富集效应强。海底表层沉积物中As，Hg，Cd，Pb，Cu和Zn元素均未超过一类标准；海底表层沉积物中主要的重金属污染因子为Cu，污染系数在0.03～2.94之间，平均值为1.03，大部分站位为中等程度污染，主要集中在研究区西北部双岛湾、北部朝阳港、东部成山头、俚岛和楮岛等附近海域；海底表层沉积物中另一个重金属污染因子为Cr，污染系数介于0.08～1.95之间，平均值为0.67，为低污染程度，主要集中在威海湾西侧和乳山湾内。Cu和Cr两种重金属元素均超标的站位仅5个，位于威海湾西侧近岸区、养鱼池湾、爱莲湾和靖海湾张家埠口附近。7种重金属元素的潜在生态危害系数均小于40，生态危害程度均低。

4 结论

(1)研究区海底表层沉积物中重金属元素As，Hg，Cd，Pb，Cu和Zn的含量均低于《海洋沉积物质量(GB18668—2002)》规定的一类沉积物的最高限值，沉积物质量符合一类标准；重金属元素Cr，Cu大部分站位在一类标准内，少部分为第二类，Cr和Cu超标可能受到船舶、钢厂矿石冶炼、化工企业排污等人工污染源及细颗粒物质的吸附作用的影响。

(2)研究区表层沉积物环境质量相对较好，在整体上处于清洁和尚清洁状态，以尚清洁为主，仅个别站位处于允许状态。

(3)研究区底质污染类型主要以Ⅰ类、Ⅱ类为主，含少量Ⅲ类，Ⅱ类分为Ⅱ1Cr和Ⅱ2Cu两个污染亚类，Ⅲ类分为Ⅲ1Cr-Cu和Ⅲ2Cu-Cr两个污染亚类。Ⅰ类占研究区的大部分范围；Ⅱ1Cr主要分布在威海湾西侧近岸和乳山湾附近海域；Ⅱ2Cu出现在研究区西北部双岛湾和东部成山头、俚岛和楮岛等附近海域；Ⅲ1Cr-Cu和Ⅲ2Cu-Cr仅在个别站位出现。

(4)研究区各种重金属的生态危害程度均低。重金属单因子污染物生态危害系数由大到小依次为：Cu>Cr>As>Pb>Zn>Hg>Cd。总体上，研究区生态危害程度低，污染程度顺序为Cu>As>Hg>Pb>Cr>Cd>Zn。

(5)威海市海域环境质量相对较好，生态危害程度较低，应该予以维持和加强保护。