胶州湾典型河口区沉积物重金属来源解析与潜在生态风险评价

刘培渊 徐夕博 邢凯旋 徐传艳 潘皓 侯路阳

摘要：指出了河口沉积物重金属富集状况是河流水环境质量的重要指示标志。选取胶州湾典型大沽河口为研究区，系统采集了16个站点河流沉积物样品，测定了Zn、As、Cd、Cr、Cu、Pb共6种重金属元素含量，通过数理统计特征和站点分析，得到了重金属元素在区域内的数据变异特征，并对河口沉积物的重金属来源进行了初步判别，采用潜在生态风险指数法得出了河口沉积物分布生态风险规律。研究表明：研究区内重金属元素空间变异不大，变异系数值保持在较低水平上，Cr和As表现出低度变异，其余元素都属于较低程度的中等变异;结合采样数据特征与站点位置分析，得到各重金属元素含量的空间分布图，研究发现胶州湾大沽河口感潮河段及两侧潮滩是重金属最为富集的地带，其存在的重金属污染风险也最高;潜在生态风险指数评价得出重金属元素中Pb的潜在生态风险较大，平均为41.69，属于中等潜在生态风险水平，其余元素生态风险处于低度水平。

关键词：重金属;来源解析;潜在生态风险;胶州湾典型河口

中图分类号：X825

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）6-0043-04

1引言

随着河流流域的快速开发，陆源污染物急剧增加，河口沉积物重金属污染近年来愈发严重，河口生态系统面临巨大的挑战。19世纪50年代，日本发生了因汞和镉污染而引起的“水俣病”和“神经骨痛”事件。汞、铅、镉、铜、铬等重金属污染这一世界性的难题，已引起国内外的广泛关注。作为污染物的“存储器”，海洋沉积物在污染物的输运和存储过程中都起着重要的作用，因此被许多研究者用来确定有毒污染物的来源、扩散途径及归宿，所以沉积物中各种重金属污染物的含量可以反映河流在人类不断开发下发生的改变。许多国际组织/公约将重金属作为海洋沉积物污染的评价指标，并建立了评价沉积物重金属环境风险的多种方法，主要有富集因子法（EF）、地积累指数法（Igeo）、污染因子法（CF）等、内梅罗指数法。沉积物重金属环境风险评价方法需要根据重金属元素的毒性水平和沉积物积累特征进行选择，使其为建设优质生产生活空间提供依据。

大沽河作为青岛市胶州湾的重要干流分支，白20世纪80年代开始，因受开垦种植影响，河滩上植被破坏严重，加之生产生活垃圾乱排乱放至河道，河道出现堵塞断流，产生污染。另一方面，随着近年来城市化建设加快，流域内大兴工业，排污量急剧增加，流域的污染问题也日趋加剧，大沽流域环境污染日益严重。自2012年2月8日，大沽河治理工程启动，大沽河流域作为改革的实验区，进一步完善城镇体系规划，统筹考虑村庄的区位条件和历史沿革，综合考虑服务半径、生产半径、管理半径进行治理。严格管控或搬迁重度污染工厂企业，白整治开始后，包括水利清淤之类的工程使得水质改善，入海口附近的物种开始洄游，从而开始出 现丰饶的物产。

本研究中利用SPSS软件对采样点数据进行统计特征描述分析，判断沉积物中重金属的特征和来源;其次对沉积物中重金属含量结合站点位置分析，得到各重金属元素含量的空间分布特征，分析胶州湾大沽河口富集的地带，得出存在的重金属污染风险高低分布的地区;最后运用Hakanson潜在生态风险指数法得出单

重金属元素的潜在生态危害并分析不同种元素间环境风险。本文通过对胶州湾大沽河口沉积物中的重金属元素的空间分布特征进行研究，利用统计分析探究胶州湾大沽河口重金属元素时空分布特征和重金属元素的来源，最后对重金属所造成的潜在生态危害进行评价，以期为河流与城市环境管理评价提供理论依据和参考。

2材料与方法

2.1研究区概况

胶州湾是一个半封闭型的浅海湾，面积为374.4k㎡，平均水深7m，最大水深64m。大沽河是注入胶州湾重要的河流，流域水资源丰富，多年平均河川径流量为6.31×10⁸m?。降水年际变化显著，多年平均降水量为734.24mm（图1）。

大沽河作为胶州湾最大的注入河流，对胶州湾地区的生产生活生态发展都有重要的意义。大沽河流域位于胶东半岛西部，全长179.9km，流域总面积4631.3k㎡。流域内属华北暖温带沿海湿润季风区，温差较小，全年无霜期约200d，多年平均降雨量707.4mm（1956～1984年），因此大沽河属常年性河流。

2.2采样设计

按照均匀布点和交通可达性等原则，本研究在胶州湾大沽河口地区于2016年11月共获取17个沉积样点数据，在实地采样过程中，根据预设采样点周边实际环境进行适当调整，利用GPS确定采样点的实际坐标位置，每个样点分别用木铲取O～20cm深度淤泥，并将淤泥中的其他杂物去除，按照多点取样法将获得土壤均匀混合至1kg后装入聚乙烯采样袋中待进一步操作。

2.3样品测试

在实验室中将采集的土样磨细过筛（筛网直径为1mm），放入盘中进行摊开进行自然风干。运用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES），以电感耦合等离子矩为激发光源的光谱分析方法，高准确度、高精密度、低检出限、快速测定、宽线性范围、同时测定m样品中主要的Zn、Cr、Cu、As、Cd 、Pb6种重金属元素。

3分析与讨论

3.1数据统计描述分析

将实验室获得数据采用SPSS 17.0进行均值、极值、中值、范围、标准差、峰度、偏度和变异系数等基本特征统计分析，直观的展示数据分布结构与特点，为研究重金属的潜在生态风险评价提供基础性数据支持。

由表1可以看出，As、Cr、Cu、Pb的极小值分别为12.2mg/kg、61.5mg/kg、23.7mg/kg、20mg/kg，极大值分别为17.1mg/kg、80.2mg/kg、40mg/kg、29mg/kg，其中Cr的变化范围最大，As元素的变化幅度最小;在6种重金属中Zn的均值含量最高，极大值达到了104mg/kg，极小值也在69mg/kg，而对比之下，Cd的均值含量最小，极大值0.16mg/kg，极小值为0.09mg/kg。重金属As、Cd、Pb和Zn的含量总体水平较低.除部分站点的Cr、Cu含量超过国家海洋沉积物质量工类标准外，其余4项重金属含量均符合《国家海洋沉积物质量》Ⅰ工类标准的要求。由表1和表2对比可以看出，在超过国家工类标准含量的Cr和Cu中，Cr只有一个站点超出0.25%，相比之下Cu有一半的站点超出了标准质量，有兩个站点达到将近40 mg，超出标准质量14%，因此在研究区内Cu超出国家质量标准最多。依据Wilding将变异系数分为高度变异（CV>100%）、中等变异（10%

大沽河流域经济基础好，工农业发达，人口稠密，有数量众多的工艺品制造厂、塑料厂以及耕地，工业污水、生活污水排放及化肥、农药的不合理使用导致大量重金属进入大沽河。大沽河人海口处咸水、淡水交汇融合，吸附了重金属的细颗粒泥沙在此加速凝聚和沉降，造成两岸的潮滩沉积物中重金属在河口区域富集，这是造成大沽河口表层沉积物中部分重金属含量超标的最主要原因。Pb、Cd的来源主要为煤炭和汽油的燃烧、机动车尾气以及工业烟雾，Cu、Zn的来源主要为机动车尾气、轮胎的磨损

以及电厂、电焊厂、化肥厂的排放物，As、Cr的主要来源为农业生产中农药、化肥的不当使用以及造纸、制药、冶炼等企业生产过程中产生的工业废物.交通、工业、农业污染是胶州湾重金属的主要来源，也就是说，陆源污染是胶州湾重金属的主要来源。胶州湾北部的红岛经济区作为青岛市的重点经济区和高新技术产业功能区，对周边环境中重金属的贡献率较高，在胶州湾北部沿岸通过其他途径进入胶州湾湾顶区域的重金属也在此缓慢沉积，加剧了大沽河口表层沉积物中重金属污染的风险。

3.2重金属潜在生态风险评价

潜在生态风险指数法（ potential ecological riskindex，RI）是Hakanson从沉积学角度，根据重金属性质及环境行为特点，建立的一套评价重金属潜在生态危害的方法，按下列公式计算（式2为单个重金属潜在风险因子计算公式，式3为综合潜在生态危害指数）：

从表4和表5可以看出，Pb的大部分站位的潜在生态风险系数大于40，属于中等潜在生态风险水平，其余重金属在各站位的潜在生态风险系数均在0.88～17.15之间，属于较低潜在生态风险水平。潜在生态风险系数均值由大到小依次为Pb、As、Cd、Cr、Cu、Zn，因此，Pb是胶州湾最主要的潜在生态风险因子。各站位重金属综合潜在生态风险指数均小于150，属于低潜在生态风险水平，16號站位的潜在生态风险最高，为74.85，结合重金属含量及分布特征来看，主要是Pb的潜在生态风险较大。

4结论

（1）由于胶州湾封闭性，水湾水对外流动性不甚强烈，重金属含量在不同站位含量分异性不大，因此大沽河口内沉积物重金属元素含量变异系数较小，空间变异不大。

（2）除部分站点的Cr、Cu含量超过国家海洋沉积物质量工类标准外，其余4项重金属Zn、As、Cd、Pb含量均符合《国家海洋沉积物质量》，说明近些年大沽河治理有一定成效，但还需要进一步加强管理。

（3）通过对研究区站位重金属含量数据统计特征分析得出，胶州湾大沽河口感潮河段及两侧潮滩是重金属最为富集的地带，其重金属污染风险也最高。另外对比2009年数据表明大沽河河口表层沉积物的重金属含量均有所增长，这也侧面符合了7年间流域地区工农业、人类活动对区域内的影响不断累积的事实。

（4）重金属潜在生态风险评估表明，胶州湾研究区内Pb的生态风险水平最高，属于中等潜在生态风险水平，Pb主要来源于工业排放，应该引起警惕，需重点加强防治，其余重金属在各站位的潜在生态风险系数均属于较低潜在生态风险水平。