基于GIS的舟山市钓梁高涂养殖用海区沉积物重金属污染评价

郭建波，孙晓，郭远明，邬梁超，钟志，刘琴，宋凯，等

（1.浙江海洋大学海洋与渔业研究所，浙江省海洋渔业资源可持续利用技术研究重点实验室，浙江舟山316021；2.鲁东大学资源与环境工程学院，山东烟台264039；3.舟山市海洋勘测设计院，浙江舟山316000）

·研究简报·

基于GIS的舟山市钓梁高涂养殖用海区沉积物重金属污染评价

郭建波1，孙晓2，郭远明1，邬梁超3，钟志1，刘琴1，宋凯1，等

（1.浙江海洋大学海洋与渔业研究所，浙江省海洋渔业资源可持续利用技术研究重点实验室，浙江舟山316021；2.鲁东大学资源与环境工程学院，山东烟台264039；3.舟山市海洋勘测设计院，浙江舟山316000）

采用潜在生态危害指数法和GIS空间分析技术，对舟山市钓梁高涂养殖区沉积物中的Cu、Pb、Zn、Cd进行了综合定量化污染评价研究。研究结果表明：整个调查区域都属于轻微生态危害，且都是靠近排污口以及淤泥积压、物质交换周期长的渔港附近区域生态危害程度较重。

重金属；沉积物；潜在生态危害；GIS

为了促进舟山市海岛经济发展，充分利用滩涂资源，大力发展水产养殖行业，实现捕捞渔民转产实现再就业，舟山市人民政府于2008年在钓山至梁横山一带实施了钓梁高涂养殖用海项目。钓梁高涂养殖用海区从钓山东北侧经乌龟山，再向东至牛头山西侧，堤线总长4 308 m；南堤西起南峰山，东至梁横山的长春岗，长2 790 m；北堤、南堤与长春岗海堤构成闭合区，占用海域面积约1155.234 hm2。随着2011年浙江舟山群岛新区的设立，舟山市人民政府适时提出要利用钓梁高涂养殖区块的现有基础条件，在国家政策的允许范围内转变区块功能，使现状养殖用海区域成为工业与城镇建设区，承担起整个新港区块对外拓展的重要载体作用，成为中国海洋科学城的重要组成部分。

由于钓梁养殖区为浅水海域，人工养殖活动对近岸海水环境压力相对严重，养殖水生生物排泄污染以及近岸生活污染物随大气尘降、地表径流或降雨等进入近岸水体，并随悬浮物沉降于沉积物中[1]。蓄积在沉积物中的污染物有再次释放造成二次环境污染的潜在风险，对水环境的影响具有持久性[2]。近岸水体沉积物的系统研究有利于了解沉积物对生态环境所存在的潜在危害，也有利于了解重金属对沉积物的影响，秉承清洁生产和循环经济的理念，对规划区域水体沉积物重金属污染进行环境质量评价变得尤为迫切和重要[3]。近年来，国内外学者通过对不同水域、矿区等采样和测试分析，综合运用污染负荷指数法、单因子评价指数法、地质累积指数法、沉积物富集系数法以及潜在生态危害指数法等，对研究区域水体沉积物进行了环境质量现状调查和生态影响分析等多方面的研究工作[4-9]。

本文根据2011年和2012年的监测资料，经过实地采样与测试分析，采用潜在生态危害指数法，同时借助GIS空间分析功能，对研究区域水体沉积物中重金属的污染特征进行定量分析，评价其潜在危害程度，为规划的实施及有关部门的决策和管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品的采集

浙江省海洋水产研究所于2011年4月和2012年8月在规划周边海域进行了现场调查。2011年和2012年分别布设了12个和10个沉积物调查站位，站位分布如图1和图2。沉积物采样与水质采样同期进行，每个站位只采一次。表层沉积物样品使用沉积物采集器采取，现场采集样品后编号放入洁净聚乙烯袋中，密封，防止其他杂质污染，并贴好标签做好记录描述。

图1 2011年调查站位分布图Fig.1The 2011 survey station distribution

图2 2012年调查站位分布图Fig.2The 2012 survey station distribution

1.2 样品的测试分析

按《海洋监测规范》（GB17378-2007）中规定的方法进行测定，监测方法列于表1中。

表1 表层沉积物重金属质量调查类型与分析方法Tab.1Investigation type and analysis method of heavy metals in surface sediments

2 重金属潜在生态危害指数评价方法

2.1 评价方法概述

本文采用瑞典科学家Hakanson在1980年提出的沉积物评价方法[10]，对舟山市钓梁高涂养殖用海区沉积物重金属污染的潜在生态危害进行评价。该评价方法根据沉积学原理，综合考虑了重金属的性质和重金属区域背景值的差异以及生物对重金属污染的敏感度，有效地消除了异源污染和区域差异的影响，揭示了重金属对水生生态系统的危害，适合大区域范围内的沉积物重金属污染评价[11-12]。其计算公式如下：

式中：Cif：为第i种重金属污染系数；Ci：为表层沉积物重金属浓度的实测值；Cin：为单一重金属的背景值；Cd：为多种重金属污染程度；Eir：为单一重金属潜在生态危害系数；Tir：为各重金属毒性相应系数；RI：为多种重金属潜在生态危害指数。

2.2 评价标准

目前，在沉积物质量评价中，不同于土壤、大气和水质量评价有各自相对应的国家环境标准值作为参比值，大部分采用沉积物的元素地球化学背景或清洁对照点的有关数值作参比标准[13]。本文采用Hakanson提出的工业化以前沉积物中重金属的全球最高参照值作为背景值[10]。毒性系数和重金属背景值具体见表2，潜在生态危害评价指标见表3。

表2 重金属的背景参照值和毒性系数Tab.2Background reference value and Toxicity Coefficient of heavy metals

表3 潜在生态危害评价指标Tab.3Indices of potential ecological risk assessment

2.3 统计分析

对22个沉积物样品进行测试分析，并对重金属Cu、Pb、Zn、Cd的含量进行初步统计分析，其结果见表4。同时通过（1）至（4）式计算钓梁区2011年和2012年22个近海沉积物样品中重金属相对应的单一重金属潜在生态危害系数和多种重金属潜在生态危害指数，其统计特征详见表5和表6。

3 基于GIS的潜在生态危害空间分析

为了更好的从连续的空间表面上了解和评价钓梁高涂养殖用海区的重金属污染分布情况，本文将2011年4月、2012年8月各采样点试验测试数据利用ARCGIS软件分别对沉积物中单一重金属含量以及潜在生态危害指数进行普通克里金插值，得到各重金属含量空间分布图（图3～10）和潜在生态危害指数空间分布图（图11～12）。

表4 钓梁区表层沉积物中重金属含量Tab.4Concentration of heavy metals in the surface sediment of Diaoliang area

表5 2011年钓梁区重金属的潜在生态危害系数和潜在生态危害指数Tab.5Potential ecological risk factor and potential ecological risk index of heavy metals in the Diaoliang area in 2011

表6 2012年钓梁区重金属的潜在生态危害系数和潜在生态危害指数Tab.6Potential ecological risk factor and potential ecological risk index of heavy metals in the Diaoliang area in 2012

3.1 单一重金属含量分布

由表4结合图3～6可以得出，2011年4月，Cu的全域平均值为26.25×10-6，最高值出现于S02点、S13点和S14点，含量达29×10-6，其次为S06点、S08点、S09点和S10点，含量为28×10-6，整体呈以S2、S8、S9、S13、S14为中心外围，由内向外逐级递减的分布规律；Pb的全域平均值为27.85×10-6，最高值出现于S08点，含量达41×10-6，其次为S01点，含量为36×10-6，整体呈由西向东逐级递减，同时又以S01、S08点为高含量中心的分布规律；Zn的全域平均值为106.58×10-6，最高值出现于S08点，含量达118×10-6，其次为S10点，含量为116×10-6，Zn含量分布规律与Pb分布规律相反，呈由西向东逐级递增，并且形成了以S9、S10和S16、S17点两大高含量区域；Cd的全域平均值为0.18×10-6，最高值出现于S13点，含量达0.21×10-6，其次为S12点，含量为0.20×10-6，整体呈现离散不连续的分布规律。

由表4结合图7～10可以看出，2012年8月，Cu的全域平均值为32.70×10-6，最高值出现于S01点，含量达34×10-6，形成了以S01站点为高含量区，高低间隔分布的分布趋势；Pb的全域平均值为24.30×10-6，最高值出现于S02点，含量达31×10-6；其次为S09点、S16点，含量为26×10-6，形成了高含量区突出，其他层次分级差异性较小的分布规律；Zn的全域平均值为103.50×10-6，最高值出现于S02点、S09点、S10点和S12点，含量达106×10-6；其次为S01点，含量为104×10-6，形成了以S02、S09、S10、S12为高含量区域，S16、S17、S20为低含量区域由内向外逐级递减递增的分布规律；Cd的全域平均值为0.15×10-6，最高值出现于S17点、S20点，含量达0.21×10-6；其次为S01点，含量为0.18×10-6，形成了以S01、S17、S20图像两端高含量向内递减的分布情况。

总之，钓梁高涂养殖用海区邻近海域内Cu、Pb、Zn、Cd重金属含量总体水平偏低，但均与Hakanson提出的工业化以前沉积物中重金属的全球最高参照值相差不大，因此这四种重金属引起的污染程度也很低。其次，水体和沉积物中重金属的含量与水体的流通，物质交换的周期等水文动力因素有关，最终形成周期演替，达到动态平衡。

3.2 重金属潜在生态危害指数综合评价

不同调查年份的重金属潜在生态危害指数都小于150，属于轻微生态危害，即沉积物中重金属的生态危害效应较小。由表5可知，2011年沉积物重金属潜在生态危害系数：Cd＞Pb＞Cu＞Zn，镉污染对的贡献值最大，S13站点Cd的为12.60，并且Cu的含量也较高，因此生态危害指数达到23.16。由表6可知，2012年沉积物重金属潜在生态危害系数：Cd＞Cu＞Pb＞Zn，同样镉污染对的贡献值最大，S17站点，S20站点的均为12.60，潜在生态危害指数分别达到24.01、23.81均高于平均值。

从表5以及图11的2011年沉积物重金属潜在生态危害指数评价图可以看出，的全域平均值为21.98，最高值出现于S08点，达到25.74，形成了以S08、S10站点以及规划区为中心，由内向外逐级递减的分布趋势，S17站点危害程度最低，中心区域靠近钓梁高涂养殖用海区，以及螺门社区和各渔业村，沉积物中重金属的富集可能与养殖用水和生活用水排放有关。另外，从表6以及图12的2012年沉积物重金属潜在生态危害指数评价图可以看出，的全域平均值为20.84，最高值出现于S17点，达到24.01，整体呈现以S01、S17、S20图像两端高潜在生态危害指数向内逐级递减的分布情况，其中S01站点位于三江客运中心航道附近，S17站点位于麒麟山内湾附近，靠近养殖化工产业以及居民生活区，S20站点位于沈家门渔港附近，从分布规律上看，都是靠近排污口以及淤泥积压、物质交换周期长的渔港附近区域综合生态危害指数高，远离生活区、工业园区、渔港的区域综合生态危害指数较低，该研究结果与实际情况较为一致[14]。

图3 2011年4月沉积物中Cu含量空间分布图Fig.3Spatial distribution map for Cu of the April 2011 survey station

图4 2011年4月沉积物中Pb含量空间分布图Fig.4Spatial distribution map for Pb of the April 2011 survey station

图5 2011年4月沉积物中Zn含量空间分布图Fig.5Spatial distribution map for Zn of the April 2011 survey station

图6 2011年4月沉积物中Cd含量空间分布图Fig.6Spatial distribution map for Cd of the April 2011 survey station

图7 2012年8月沉积物中Cu含量空间分布图Fig.7Spatial distribution map for Cu of the August 2012 survey station

图8 2012年8月沉积物中Pb含量空间分布图Fig.8Spatial distribution map for Pb of the August 2012 survey station

图9 2012年8月沉积物中Zn含量空间分布图Fig.9Spatial distribution map for Zn of the August 2012 survey station

图10 2012年8月沉积物中Cd含量空间分布图Fig.10Spatial distribution map for Cd of the August 2012 survey station

图11 2011年4月沉积物重金属潜在生态危害指数评价图Fig.11Spatial distribution map for potential ecological risk index of the April 2011 survey station

图12 2012年8月沉积物重金属潜在生态危害指数评价图Fig.12Spatial distribution map for potential ecological risk index of the August 2012 survey station

4 结论

通过对钓梁高涂养殖用海区水系沉积物进行采样并对重金属含量加以分析，采用潜在生态危害指数法，并借助GIS技术的空间分析功能，对该地区水系沉积物重金属污染的潜在生态危害进行面状分析[15]。研究结果显示：整个调查区域都属于轻微生态危害，且都是靠近排污口以及淤泥积压、物质交换周期长的渔港附近区域生态危害程度较重。

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Pollution Assessments of Heavy Metals in Sediments based on GIS in Aquafarm Area of Diaoliang in Zhoushan

GUO Jian-bo1,SUN Xiao2,GUO Yuan-ming1,et al
(1.Marine Fisheries and Fishery Research Institute of Zhejiang Ocean University,Key Laboratory of Sustainable Utilization of Technology Research for Fishery Resource of Zhejiang Province,Zhoushan316021; 2.School of Resources and Environment Engineering,Ludong University,Yantai264039,China)

The comprehensive quantitative pollution assessments were carried out by the geographic information system(GIS)and potential risk index methods on copper,lead,zinc and cadmium in sediment in Diaoliang aquafarm area of Zhoushan.The results showed that all of the survey area belonged to the light ecological risk and the ecological risk level of the region was heavier near the sewage out fall,silt backlog and fishing port which has more long material exchange cycle.

heavy metals;sediments;potential ecological risk;GIS

X55

A

1008－830X(2016)06－0514－07

2016-09-20

浙江省公益性技术应用研究项目（2015C32001）

郭建波（1992-），男，山西晋中人，硕士研究生，研究方向：水域环境管理与评估.E-mail:guojian_bo@126.com

郭远明（1977-），男，浙江兰溪人，教授，研究方向：渔业环境和水产品质量安全调查、监测、评估.E-mail:guoyuanming@msn.com