膠州灣典型河口區(qū)沉積物重金屬來源解析與潛在生態(tài)風(fēng)險評價

劉培淵 徐夕博 邢凱旋 徐傳艷 潘皓 侯路陽

摘要：指出了河口沉積物重金屬富集狀況是河流水環(huán)境質(zhì)量的重要指示標志。選取膠州灣典型大沽河口為研究區(qū)，系統(tǒng)采集了16個站點河流沉積物樣品，測定了Zn、As、Cd、Cr、Cu、Pb共6種重金屬元素含量，通過數(shù)理統(tǒng)計特征和站點分析，得到了重金屬元素在區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)變異特征，并對河口沉積物的重金屬來源進行了初步判別，采用潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法得出了河口沉積物分布生態(tài)風(fēng)險規(guī)律。研究表明：研究區(qū)內(nèi)重金屬元素空間變異不大，變異系數(shù)值保持在較低水平上，Cr和As表現(xiàn)出低度變異，其余元素都屬于較低程度的中等變異;結(jié)合采樣數(shù)據(jù)特征與站點位置分析，得到各重金屬元素含量的空間分布圖，研究發(fā)現(xiàn)膠州灣大沽河口感潮河段及兩側(cè)潮灘是重金屬最為富集的地帶，其存在的重金屬污染風(fēng)險也最高;潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評價得出重金屬元素中Pb的潛在生態(tài)風(fēng)險較大，平均為41.69，屬于中等潛在生態(tài)風(fēng)險水平，其余元素生態(tài)風(fēng)險處于低度水平。

關(guān)鍵詞：重金屬;來源解析;潛在生態(tài)風(fēng)險;膠州灣典型河口

中圖分類號：X825

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）6-0043-04

1引言

隨著河流流域的快速開發(fā)，陸源污染物急劇增加，河口沉積物重金屬污染近年來愈發(fā)嚴重，河口生態(tài)系統(tǒng)面臨巨大的挑戰(zhàn)。19世紀50年代，日本發(fā)生了因汞和鎘污染而引起的“水俁病”和“神經(jīng)骨痛”事件。汞、鉛、鎘、銅、鉻等重金屬污染這一世界性的難題，已引起國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。作為污染物的“存儲器”，海洋沉積物在污染物的輸運和存儲過程中都起著重要的作用，因此被許多研究者用來確定有毒污染物的來源、擴散途徑及歸宿，所以沉積物中各種重金屬污染物的含量可以反映河流在人類不斷開發(fā)下發(fā)生的改變。許多國際組織/公約將重金屬作為海洋沉積物污染的評價指標，并建立了評價沉積物重金屬環(huán)境風(fēng)險的多種方法，主要有富集因子法（EF）、地積累指數(shù)法（Igeo）、污染因子法（CF）等、內(nèi)梅羅指數(shù)法。沉積物重金屬環(huán)境風(fēng)險評價方法需要根據(jù)重金屬元素的毒性水平和沉積物積累特征進行選擇，使其為建設(shè)優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)生活空間提供依據(jù)。

大沽河作為青島市膠州灣的重要干流分支，白20世紀80年代開始，因受開墾種植影響，河灘上植被破壞嚴重，加之生產(chǎn)生活垃圾亂排亂放至河道，河道出現(xiàn)堵塞斷流，產(chǎn)生污染。另一方面，隨著近年來城市化建設(shè)加快，流域內(nèi)大興工業(yè)，排污量急劇增加，流域的污染問題也日趨加劇，大沽流域環(huán)境污染日益嚴重。自2012年2月8日，大沽河治理工程啟動，大沽河流域作為改革的實驗區(qū)，進一步完善城鎮(zhèn)體系規(guī)劃，統(tǒng)籌考慮村莊的區(qū)位條件和歷史沿革，綜合考慮服務(wù)半徑、生產(chǎn)半徑、管理半徑進行治理。嚴格管控或搬遷重度污染工廠企業(yè)，白整治開始后，包括水利清淤之類的工程使得水質(zhì)改善，入海口附近的物種開始洄游，從而開始出 現(xiàn)豐饒的物產(chǎn)。

本研究中利用SPSS軟件對采樣點數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計特征描述分析，判斷沉積物中重金屬的特征和來源;其次對沉積物中重金屬含量結(jié)合站點位置分析，得到各重金屬元素含量的空間分布特征，分析膠州灣大沽河口富集的地帶，得出存在的重金屬污染風(fēng)險高低分布的地區(qū);最后運用Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法得出單

重金屬元素的潛在生態(tài)危害并分析不同種元素間環(huán)境風(fēng)險。本文通過對膠州灣大沽河口沉積物中的重金屬元素的空間分布特征進行研究，利用統(tǒng)計分析探究膠州灣大沽河口重金屬元素時空分布特征和重金屬元素的來源，最后對重金屬所造成的潛在生態(tài)危害進行評價，以期為河流與城市環(huán)境管理評價提供理論依據(jù)和參考。

2材料與方法

2.1研究區(qū)概況

膠州灣是一個半封閉型的淺海灣，面積為374.4k㎡，平均水深7m，最大水深64m。大沽河是注入膠州灣重要的河流，流域水資源豐富，多年平均河川徑流量為6.31×10⁸m?。降水年際變化顯著，多年平均降水量為734.24mm（圖1）。

大沽河作為膠州灣最大的注入河流，對膠州灣地區(qū)的生產(chǎn)生活生態(tài)發(fā)展都有重要的意義。大沽河流域位于膠東半島西部，全長179.9km，流域總面積4631.3k㎡。流域內(nèi)屬華北暖溫帶沿海濕潤季風(fēng)區(qū)，溫差較小，全年無霜期約200d，多年平均降雨量707.4mm（1956～1984年），因此大沽河屬常年性河流。

2.2采樣設(shè)計

按照均勻布點和交通可達性等原則，本研究在膠州灣大沽河口地區(qū)于2016年11月共獲取17個沉積樣點數(shù)據(jù)，在實地采樣過程中，根據(jù)預(yù)設(shè)采樣點周邊實際環(huán)境進行適當調(diào)整，利用GPS確定采樣點的實際坐標位置，每個樣點分別用木鏟取O～20cm深度淤泥，并將淤泥中的其他雜物去除，按照多點取樣法將獲得土壤均勻混合至1kg后裝入聚乙烯采樣袋中待進一步操作。

2.3樣品測試

在實驗室中將采集的土樣磨細過篩（篩網(wǎng)直徑為1mm），放入盤中進行攤開進行自然風(fēng)干。運用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES），以電感耦合等離子矩為激發(fā)光源的光譜分析方法，高準確度、高精密度、低檢出限、快速測定、寬線性范圍、同時測定m樣品中主要的Zn、Cr、Cu、As、Cd 、Pb6種重金屬元素。

3分析與討論

3.1數(shù)據(jù)統(tǒng)計描述分析

將實驗室獲得數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0進行均值、極值、中值、范圍、標準差、峰度、偏度和變異系數(shù)等基本特征統(tǒng)計分析，直觀的展示數(shù)據(jù)分布結(jié)構(gòu)與特點，為研究重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險評價提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)支持。

由表1可以看出，As、Cr、Cu、Pb的極小值分別為12.2mg/kg、61.5mg/kg、23.7mg/kg、20mg/kg，極大值分別為17.1mg/kg、80.2mg/kg、40mg/kg、29mg/kg，其中Cr的變化范圍最大，As元素的變化幅度最小;在6種重金屬中Zn的均值含量最高，極大值達到了104mg/kg，極小值也在69mg/kg，而對比之下，Cd的均值含量最小，極大值0.16mg/kg，極小值為0.09mg/kg。重金屬As、Cd、Pb和Zn的含量總體水平較低.除部分站點的Cr、Cu含量超過國家海洋沉積物質(zhì)量工類標準外，其余4項重金屬含量均符合《國家海洋沉積物質(zhì)量》Ⅰ工類標準的要求。由表1和表2對比可以看出，在超過國家工類標準含量的Cr和Cu中，Cr只有一個站點超出0.25%，相比之下Cu有一半的站點超出了標準質(zhì)量，有兩個站點達到將近40 mg，超出標準質(zhì)量14%，因此在研究區(qū)內(nèi)Cu超出國家質(zhì)量標準最多。依據(jù)Wilding將變異系數(shù)分為高度變異（CV>100%）、中等變異（10%

大沽河流域經(jīng)濟基礎(chǔ)好，工農(nóng)業(yè)發(fā)達，人口稠密，有數(shù)量眾多的工藝品制造廠、塑料廠以及耕地，工業(yè)污水、生活污水排放及化肥、農(nóng)藥的不合理使用導(dǎo)致大量重金屬進入大沽河。大沽河人海口處咸水、淡水交匯融合，吸附了重金屬的細顆粒泥沙在此加速凝聚和沉降，造成兩岸的潮灘沉積物中重金屬在河口區(qū)域富集，這是造成大沽河口表層沉積物中部分重金屬含量超標的最主要原因。Pb、Cd的來源主要為煤炭和汽油的燃燒、機動車尾氣以及工業(yè)煙霧，Cu、Zn的來源主要為機動車尾氣、輪胎的磨損

以及電廠、電焊廠、化肥廠的排放物，As、Cr的主要來源為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)藥、化肥的不當使用以及造紙、制藥、冶煉等企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢物.交通、工業(yè)、農(nóng)業(yè)污染是膠州灣重金屬的主要來源，也就是說，陸源污染是膠州灣重金屬的主要來源。膠州灣北部的紅島經(jīng)濟區(qū)作為青島市的重點經(jīng)濟區(qū)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)功能區(qū)，對周邊環(huán)境中重金屬的貢獻率較高，在膠州灣北部沿岸通過其他途徑進入膠州灣灣頂區(qū)域的重金屬也在此緩慢沉積，加劇了大沽河口表層沉積物中重金屬污染的風(fēng)險。

3.2重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價

潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法（ potential ecological riskindex，RI）是Hakanson從沉積學(xué)角度，根據(jù)重金屬性質(zhì)及環(huán)境行為特點，建立的一套評價重金屬潛在生態(tài)危害的方法，按下列公式計算（式2為單個重金屬潛在風(fēng)險因子計算公式，式3為綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)）：

從表4和表5可以看出，Pb的大部分站位的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)大于40，屬于中等潛在生態(tài)風(fēng)險水平，其余重金屬在各站位的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)均在0.88～17.15之間，屬于較低潛在生態(tài)風(fēng)險水平。潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)均值由大到小依次為Pb、As、Cd、Cr、Cu、Zn，因此，Pb是膠州灣最主要的潛在生態(tài)風(fēng)險因子。各站位重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)均小于150，屬于低潛在生態(tài)風(fēng)險水平，16號站位的潛在生態(tài)風(fēng)險最高，為74.85，結(jié)合重金屬含量及分布特征來看，主要是Pb的潛在生態(tài)風(fēng)險較大。

4結(jié)論

（1）由于膠州灣封閉性，水灣水對外流動性不甚強烈，重金屬含量在不同站位含量分異性不大，因此大沽河口內(nèi)沉積物重金屬元素含量變異系數(shù)較小，空間變異不大。

（2）除部分站點的Cr、Cu含量超過國家海洋沉積物質(zhì)量工類標準外，其余4項重金屬Zn、As、Cd、Pb含量均符合《國家海洋沉積物質(zhì)量》，說明近些年大沽河治理有一定成效，但還需要進一步加強管理。

（3）通過對研究區(qū)站位重金屬含量數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征分析得出，膠州灣大沽河口感潮河段及兩側(cè)潮灘是重金屬最為富集的地帶，其重金屬污染風(fēng)險也最高。另外對比2009年數(shù)據(jù)表明大沽河河口表層沉積物的重金屬含量均有所增長，這也側(cè)面符合了7年間流域地區(qū)工農(nóng)業(yè)、人類活動對區(qū)域內(nèi)的影響不斷累積的事實。

（4）重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評估表明，膠州灣研究區(qū)內(nèi)Pb的生態(tài)風(fēng)險水平最高，屬于中等潛在生態(tài)風(fēng)險水平，Pb主要來源于工業(yè)排放，應(yīng)該引起警惕，需重點加強防治，其余重金屬在各站位的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)均屬于較低潛在生態(tài)風(fēng)險水平。