2013年威海南部近岸海域表层海水重金属分布特征及污染评价

    李洪涛+刘阳+于国庆+王春晓

    

    

    

    摘 要：于2013年春季、夏季及秋季对威海南部近岸海域表层海水重金属进行调查，分析了重金属含量分布特征并利用重金属综合污染指数（WQI）进行污染评价。采用多元线性回归方法分析了重金属含量与表层海水盐度、pH及化学需要量之间的相关性。结果表明，威海南部近岸海域表层海水水质良好，符合二类海水水质标准，受外源输入的影响较大；综合污染指数均远低于1，呈现从海岸线向外海逐渐降低的趋势；重金属元素含量与环境要素测值（pH、盐度及COD）之间相关性顺序为：As>Hg>Cu>Cd>Pb>Zn。

    关键词：威海南部近岸海域；表层海水；重金属；污染评价

    随着工农业的迅速发展，大量的外源污染物排入海洋，这些污染物中含有铜、铅、锌、汞、镉、铬等。这些重金属进入水体后不能被微生物降解，只能在水、底质和生物之间迁移转化，发生分散和富集作用。海水中的重金属，即使浓度很小，也可以在藻类和底泥中富集，通过食物链的传递，最终进入人体，危害人体健康[1]。

    威海南部近岸海域位于山东半岛南侧，分布有靖海湾、五垒岛湾、浪暖口、乳山口等海湾，并由青龙河、母猪河、昌阳河及乳山河入海。该海域是威海市的重要养殖基地，养殖活动频繁，同时入海河流大都流经市区或者城镇，承接市政污水和工业污水，因此该海域存在环境污染的风险，对该海域的重金属监测可以为养殖业的健康发展提供指导[2-3]。

    为了评价威海南部近岸海域海水重金属污染状况，于2013年春季、夏季及秋季3个季节对该海域进行水质调查，分析了表层海水重金属铜（Cu）、铅（Pb）、锌（Zn）、镉（Cd）、砷（As）及汞（Hg）含量及分布特征，并进行了相关的污染评价分析。

    1 调查方法及数据处理

    1.1 样品采集及测定

    调查于2013年5月中旬（春季航次）、8月中旬（夏季航次）及10月中旬（秋季航次）进行，设置站位如图1所示，共设置13个站位，采集表层海水。调查因子包括：铜（Cu）、铅（Pb）、锌（Zn）、镉（Cd）、砷（As）及汞（Hg），并测定了调查站位的pH、盐度及化学需氧量（COD）。样品的采集、存贮、运输、预处理及测定严格参照《海洋调查规范》及《海洋监测规范》的相关要求进行，其中Cu、Pb及Cd采用原子吸收分光光度计石墨炉法（北京普析通用TAS-990），Zn采用原子吸收分光光度计火焰法（北京普析通用TAS-990），As及Hg采用原子荧光分光光度计（北京科创海光AFS-3000）[4-5]。使用近海海洋沉积物成分分析标准物质（GBW07314）（国家海洋局第二海洋研究所）为标准物质。

    1.2 评价方法

    研究海域海水水质评价方法参照《环境影响评价技术导则》[6]单项污染指数法，计算公式如下：

    Si，j=Ci，j/Ssi

    其中Si，j为重金属元素i在站位j的单项污染指数，Ci，j为i在站位j的测定值，Ssi为调查海域功能需要水质标准中i的标准值。如果Si，j>1，表明调查海域该水质参数超出了评价水质标准，存在污染情况，不能满足调查海域的功能需要。如果Si，j≤1，表明调查海域该水质参数可以满足调查海域的功能需要。

    重金属综合污染指数（WQI）用于评价调查海域的重金属综合污染情况[7]，其计算公式如下：

    WQI与海水污染情况关系如表1所示。

    同时，为了分析各重金属元素与海水化学要素（pH、盐度及COD）之间的关系，利用SPSS（19.0）进行了多元线性回归分析。

    2 調查结果及评价

    2.1 重金属含量及单项污染指数

    根据《山东省海洋功能区划》（2011-2020）及《威海市海洋功能区划》（2013-2020）[8-9]相关规定，调查海域在进行单项污染指数评价时，参考《海水水质标准》（GB 3097-1997）中二类海水水质标准[10]。调查结果表明3个航次Cu含量为1.91～3.95 μg/dm3，符合一类海水水质标准（≤5.00 μg/dm3）；Pb含量为0.19～0.88 μg/dm3，符合一类海水水质标准（≤1.00 μg/dm3）；Zn含量为2.95～23.18 μg/dm3，符合二类海水水质标准（20.00～50.00 μg/dm3）；Cd含量为0.06～028 μg/dm3，符合一类海水水质标准（≤1.00 μg/dm3）；As含量为0.66～1.13 μg/dm3，符合一类海水水质标准（≤20.00 μg/dm3）；Hg含量为2.00×10-2～3.60×10-2 μg/dm3，符合一类海水水质标准（≤5.00×10-2 μg/dm3）。重金属调查表明，在3个航次中只有秋季航次的13号站位Zn含量不符合一类海水水质标准，其他3个航次重金属含量均符合一类海水水质标准，单项污染指数分析表明，各重金属元素的单项污染指数均小于1（表2），调查海域水质良好，符合二类海水水质标准，具备规定的功能需要。

    2.2 重金属平面分布特征

    各重金属元素受调查海域本底、河流外源输入、大气沉降及悬浮物吸附等因素的综合影响。调查海域有青龙河、母猪河、昌阳河、乳山河及黄垒河等众多河流入海，这些河流大都流经市区或者城镇，承接市政污水和工业污水，导致了大量外源重金属的输入，因此大多重金属在河流入海口、海湾口或者近岸海域出现高值点。同时近年来大气污染愈加严重，导致大气沉降在表层海水重金属污染中起重要作用。此外表层海水重金属含量的高低还与其他化学因子密切相关，如悬浮物的吸附影响、温度盐度的影响、有机物的螯合作用、以及海洋生物的生长吸附等。因此，在进行重金属含量平面分布研究时需要综合考虑各种因素的影响[11]。

    2.2.1 Cu平面分布特征 调查表明，春季航次Cu含量范围1.91～3.10 μg/dm3，平均值为2.62 μg/dm3；夏季航次含量范围为2.05～3.25 μg/dm3，均值为2.55 μg/dm3；秋季航次含量范围为1.99～3.90 μg/dm3，均值为2.66 μg/dm3。3个航次中Cu含量变化较小。略高于于国庆等（2015）在乳山湾附近海域的调查结果（夏季2.48 μg/dm3，秋季2.40 μg/dm3）[11]。平面分布图表明，3个季节中均呈现从海岸线向外海逐渐降低的趋势，特别是在海湾河口区域出现高值点（图2），说明表层海水中Cu含量受人类的影响较大，来源主要为河流的外源输入。

    2.2.2 Pb平面分布特征 春季航次Pb含量范围0.27～0.88 μg/dm3，平均值为0.55 μg/dm3；夏季航次含量范围为0.26～0.80 μg/dm3，均值为0.50 μg/dm3；秋季航次含量范围为0.19～076 μg/dm3，均值为0.48 μg/dm3。Pb含量低于于国庆等（2015）在乳山湾附近海域的调查数据（夏季0.66 μg/dm3，秋季0.65 μg/dm3）[12]。平面分布趋势表明，6号站位在秋季航次中明显升高，可能与秋季航次中该区域为养殖生物的收获期，渔船活动频繁相关。去除6号站位，3个航次分布规律基本一致，均呈现从海岸线向外海逐渐升高的趋势（图3）。高值点没有出现在近岸区域（乳山湾口除外），可能与Pb含量受大气沉降的影响较大有关，因为离岸较远海区风力大，空气流动快，海水波动大，加快了大气气溶胶向海面的沉降，此现象与贺志鹏等（2008）的调查一致[13]。李月等（2010）在山东半岛近海调查中也发现这种趋势[14]。而乳山湾口出现高值点说明该海域的外源输入高于其他海域。

    2.2.3 Zn平面分布特征 Zn春季航次含量范围3.39～17.51 μg/dm3，平均值为10.67 μg/dm3；夏季航次含量范围为4.28～19.27 μg/dm3，均值为10.96 μg/dm3；秋季航次含量范围为2.95～23.18 μg/dm3，均值为9.67 μg/dm3。除秋季航次13号站外，其他均符合国家一类水质标准。夏季航次调查结果低于于国庆等（2015）在乳山湾附近海域的调查结果（11.14 μg/dm3），而秋季航次的调查结果高于其调查（8.32 μg/dm3）[11]。平面分布图表明，Zn含量大致呈现从海岸线向外海逐渐降低的趋势，乳山湾附近Zn含量相对比较高（图4）。说明Zn含量受外源输入的影响较大。

    2.2.4 Cd平面分布特征 春季航次Cd含量范围0.07～0.23 μg/dm3，平均值为0.16 μg/dm3；夏季航次含量范围为0.11～0.28 μg/dm3，均值为0.17 μg/dm3；秋季航次含量范围为0.06～024 μg/dm3，均值为0.15 μg/dm3，均符合国家一类水质标准。调查结果与于国庆等（2015）调查结果基本一致（夏季0.17 μg/dm3，秋季0.15 μg/dm3）[10]。平面分布呈现从海岸向外海逐渐升高的趋势，高值点不是出现在近岸区域（图5）。贺志鹏等（2008）的研究表明Cd含量受盐度的影响较大，高盐海域利于颗粒态Cd转化为溶解态Cd，因此高值区易出现在离岸区域[13]。

    2.2.5 As平面分布特征 春季航次含量范围0.80～1.13 μg/dm3，平均值为0.89 μg/dm3；夏季航次含量范围为0.66～0.78 μg/dm3，均值为0.73 μg/dm3；秋季航次含量范围为0.72～0.90 μg/dm3，均值为0.80 μg/dm3，均符合国家一类水质标准。高值点出现在近岸河口区域，特别是靖海湾口及五垒岛湾口海域，基本呈现从海岸线向外海逐渐降低的趋势（图6）。表明As含量的高低受外源输入的影响较大。

    2.2.6 Hg平面分布特征 春季航次Hg含量范围3.00×10-2～3.60×10-2 μg/dm3，平均值为3.30×10-2 μg/dm3；夏季航次含量范围为2.40×10-2～3.10×10-2 μg/dm3，均值为2.70×10-2 μg/dm3；秋季航次含量范围为2.00×10-2～2.70×10-2 μg/dm3，均值为2.30×10-2 μg/dm3，均符合国家一类水质标准。其中春季航次最高，秋季航次最低，与李月等（2010）及杨东方等（2008）的研究结果具有季节一致性[14-15]。这种季节差异与初级生产力及温度相关，夏秋季节水温较高，利于水体中的汞向大气转移，同时夏秋季节海洋生物生长旺盛，促使了汞与有机物的结合，因此导致了夏秋季节汞含量较低的现象。平面分布表明，在湾口海域出现高值点。说明汞的含量受外源输入的影响较大（图7）。

    2.3 重金属综合污染评价

    表层海水综合污染指数分析表明，3个航次的表层海水重金属综合污染指数WQI均远低于1（表3），海水污染程度均为“清洁”，3个航次均值比较：春季航次>夏季航次>秋季航次，差异性检验显示3个航次无明显差异。平面分布图显示，3个航次重金属综合污染指数均呈现从海岸线向外海逐渐降低的趋势（图8），在靖海湾、五垒岛湾及乳山湾等湾口区域出现高值点，说明调查海域的重金属污染主要由外源输入引起的。

    2.4 表层海水重金属含量与其他海水化学要素之间的关系

    海水中重金属元素的含量不仅受本底、河流输入及大气沉降的影响，还与海水中的环境要素具有极大的相关性。为了探讨环境因素对海水中重金属含量的影响程度，本研究还进行了多元线性分析，分别计算了重金属元素的含量与同一站位的表层海水盐度、pH及化学需要量之间的多元线性回归方程和复相关系数。

    分析表明， pH对各重金属的影响较大，此外Cu、Pb及Hg还容易受COD的影响，Cd及As易受盐度的影响。复相关系数（R）按照从大到小的顺序为As>Hg>Cu>Cd>Pb>Zn，此顺序与李壮伟等（2013）在广东红海湾得出的结果具有较大的差异，表明不同海区之间的相关性存在较大差异[7]。

    3 结语

    威海南部海域水质良好，其中Cu含量为191～3.95 μg/dm3，Pb含量为0.19～0.88 μg/dm3，Zn含量為2.95～23.18 μg/dm3，Cd含量为0.06～0.28 μg/dm3，As含量为0.66～1.13 μg/dm3，Hg含量为2.00×10-2～3.60×10-2 μg/dm3。3个航次中只有秋季航次的13号站位Zn含量不符合一类海水水质标准，其他3个航次重金属含量均符合一类海水水质标准，单项污染指数分析表明，各重金属元素的单项污染指数均小于1，调查海域水质良好，符合二类海水水质标准，具备规定的功能需要。

    各重金屬元素平面分布分析表明，各重金属元素受调查海域本底、河流外源输入、大气沉降等因素的综合影响。Cu基本呈现从海岸线向外海逐渐降低的趋势，在湾口出现高值点，说明Cu受河流外源输入的影响较大；Pb基本呈现从海岸线向外海逐渐升高的趋势，可能与Pb含量受大气沉降的影响较大有关；Zn基本呈现从海岸线向外海逐渐降低的趋势，且乳山湾口的含量相对较高，受外源输入的影响较大；Cd呈现从海岸向外海逐渐升高的趋势，可能与Cd的含量受盐度的影响较大有关；As高值点出现在近岸河口区域，特别是靖海湾口及五垒岛湾口海域，基本呈现从近岸向外海逐渐降低的趋势，受外源输入的影响较大；Hg含量变化较小，高值点出现在湾口区域，受外源输入的影响较大。

    海水综合污染评价表，3个航次的表层海水重金属综合污染指数均远低于1，差异性检验显示3个航次无明显差异。平面分布图显示，3个航次重金属综合污染指数均呈现从海岸线向外海逐渐降低的趋势，在靖海湾、五垒岛湾及乳山湾等湾口区域出现高值点，说明调查海域的重金属污染主要由外源输入引起的。

    重金属元素含量与pH、盐度及COD的相关性表明：pH对各重金属的影响较大，Cu、Pb、Hg还容易受COD的影响，Cd及As易受盐度的影响；复相关系数（R）按照从大到小的顺序为As>Hg>Cu>Cd>Pb>Zn。

    参考文献：

    [1]葛修军，吴少杰，吴建新.连云港港口附近海水中重金属的分布特征及其规律[J].淮海工学院学报（自然科学版），2010，19（2）：89-92

    [2] 威海市政府.2014年威海市海洋环境公报[R].威海：威海市政府，2015

    [3] 威海市政府.2014年威海市渔业生态状况公报[R].威海：威海市政府，2015

    [4] 国家海洋局.GB 17378-2007 海洋监测规范[S].北京： 中国标准出版社，2008

    [5] 国家海洋局.GB 12763-2007海洋调查规范[S].北京： 中国标准出版社，2008

    [6] 国家环境保护局.HJ/T 2.3-93环境影响评价技术导则 地面水环境[S].北京：中国标准出版社，1997

    [7] 李壮伟，罗荣真，陈鸿生，等.广东红海湾表层海水重金属含量的时空变化特征与污染水平评价[J].台湾海峡，2013，31（1）：20-26

    [8] 山东省政府.山东省海洋功能区划（2011-2020）[R].济南：山东省政府，2012

    [9] 威海市政府.威海市海洋功能区划（2013-2020）[R].威海：威海市政府，2015

    [10] 国家环境保护局.GB 3097-1997 海水水质标准[S].北京：中国标准出版社，1997

    [11] 田金，李超，宛立等.海洋重金属污染的研究进展[J].水产科学，2009，28（7）：413-418

    [12] 于国庆，钟熙.乳山湾附近海域表层海水重金属分布特征及污染评价[J].河北渔业，2015（5）：8-11

    [13] 贺志鹏，宋金明，张乃星，等.南黄海表层海水重金属的变化特征及影响因素[J].环境科学，2008，29（5）：1154-1162

    [14] 李月，谭丽菊，王江涛，等.山东半岛南部近海表层海水中镉、铅、汞、砷的时空变化[J].中国海洋大学学报，2010，40（Sup.），179-184

    [15] 杨东方，曹海荣.胶州湾水体重金属HgⅠ分布和迁移[J].海洋环境科学，2008，27（1）： 37-39

    Abstract：To find out the distribution characteristics of heavy metals in surface water of Weihai south coastal area， the investigation was carried out in the spring， summer and autumn of 2013 and used the index WQI（comprehensive pollution index）to evaluate the pollution situation. And the multiple linear regression analysis method was used to analyze the relativity between concentrations of heavy metal and salinity， pH and COD. The research found that the surface water of the investigated area were clean and according with the second quality standard of sea water， largely influenced by external resource. WQI were far below 1 and decreased from the coast to open sea. Multiple linear regression method indicated that the descending order of the relativity between concentrations of heavy metal and salinity， pH and COD were： As>Hg>Cu>Cd>Pb>Zn.

    Key words：Weihai south coastal area； surface water； heavy metals； pollution evaluation

    （收稿日期：2016-04-19；修回日期：2016-04-21）