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  • ISSN 1007-6336
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典型近岸工程海域重金属Pb多相介质富集特性研究

李明昌 戴明新 张浩 李艳丽 邹斌 崔雷 司琦

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典型近岸工程海域重金属Pb多相介质富集特性研究

    作者简介: 李明昌(1977-), 男, 辽宁大连人, 博士, 副研究员, 主要从事海洋环境水力学研究, E-mail:lmcsq1997@163.com;
    通讯作者: 戴明新(1968-), 男, 博士, 研究员, 主要从事环境规划与评价、环境信息技术研究, E-mail:tks@vip.sina.com
  • 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51209110);水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07107-004);天津市科技兴海项目(KJXH2011-17);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(TKS160227,TKS180401);中国博士后科学基金面上资助项目(2015M581358);国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室开放基金(LOMF1704)
  • 中图分类号: X143

Research on the multi-phase media enrichment characteristics of Pb in typical offshore engineering marine district

  • 摘要: 以曹妃甸近岸工程海域的悬浮物及重金属污染物Pb为主要研究对象,采用趋势分析和多元统计相关分析方法,研究分析了6 a间悬浮物(水体中的悬浮物含量)、水相中的Pb含量和沉积相中的Pb含量的变化趋势及其相关关系,揭示重金属Pb在人为扰动因素影响下的演变规律与富集特性。趋势分析结果表明:随着悬浮物的增加与减少,研究区域水相中的Pb含量呈现出基本相同的增减规律,而沉积相中的Pb含量则呈现出相反的趋势。简单相关分析结果表明:悬浮物与水相之间呈较弱的正相关,悬浮物和沉积相之间呈较强的负相关,水相和沉积相之间呈较弱的负相关。偏相关与简单相关结果对比可知:水相和沉积相的变化最大,表明水相和沉积相受悬浮物影响较大;沉积相对悬浮物与水相之间的相关性影响弱之;悬浮物与沉积相之间的相关性变化不大,表明水相对于两者的影响较小。通过研究对于掌握工程海域重金属Pb的各相变化趋势与富集特性,具有重要的研究价值和实际意义,为近岸海域环境管理与工程建设提供指导。
  • 图 1  研究海域位置及监测站位

    Figure 1.  The research marine district location and stations

    图 2  悬浮物、水相中的Pb含量和沉积相中的Pb含量的变化趋势

    Figure 2.  The changetrend among suspended matter, water and sedimentary facies of Pb

    表 1  悬浮物、水相中的Pb含量和沉积相中的Pb含量间的简单、偏相关系数

    Table 1.  Simple and partial correlation coefficient among suspended matter, water and sedimentary phases of Pb

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出版历程
  • 收稿日期:  2017-12-13
  • 录用日期:  2018-03-16
  • 刊出日期:  2019-10-20

典型近岸工程海域重金属Pb多相介质富集特性研究

    作者简介:李明昌(1977-), 男, 辽宁大连人, 博士, 副研究员, 主要从事海洋环境水力学研究, E-mail:lmcsq1997@163.com
    通讯作者: 戴明新(1968-), 男, 博士, 研究员, 主要从事环境规划与评价、环境信息技术研究, E-mail:tks@vip.sina.com
  • 1. 交通运输部天津水运工程科学研究院 水路交通环境保护技术实验室, 天津 300456
  • 2. 国家海洋环境监测中心, 辽宁 大连 116023
  • 3. 国家卫星海洋应用中心, 北京 100081
  • 4. 国家海洋环境预报中心 国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室, 北京 100081
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51209110);水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07107-004);天津市科技兴海项目(KJXH2011-17);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(TKS160227,TKS180401);中国博士后科学基金面上资助项目(2015M581358);国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室开放基金(LOMF1704)

摘要: 以曹妃甸近岸工程海域的悬浮物及重金属污染物Pb为主要研究对象,采用趋势分析和多元统计相关分析方法,研究分析了6 a间悬浮物(水体中的悬浮物含量)、水相中的Pb含量和沉积相中的Pb含量的变化趋势及其相关关系,揭示重金属Pb在人为扰动因素影响下的演变规律与富集特性。趋势分析结果表明:随着悬浮物的增加与减少,研究区域水相中的Pb含量呈现出基本相同的增减规律,而沉积相中的Pb含量则呈现出相反的趋势。简单相关分析结果表明:悬浮物与水相之间呈较弱的正相关,悬浮物和沉积相之间呈较强的负相关,水相和沉积相之间呈较弱的负相关。偏相关与简单相关结果对比可知:水相和沉积相的变化最大,表明水相和沉积相受悬浮物影响较大;沉积相对悬浮物与水相之间的相关性影响弱之;悬浮物与沉积相之间的相关性变化不大,表明水相对于两者的影响较小。通过研究对于掌握工程海域重金属Pb的各相变化趋势与富集特性,具有重要的研究价值和实际意义,为近岸海域环境管理与工程建设提供指导。

English Abstract

  • 近年来随着我国沿海地区经济社会的高度发展,大量的工业废水和生活污水被排入海,造成了我国河口和近岸海域日益严峻的污染形势,极大地制约了相关区域的可持续发展。重金属污染物因其具有毒性与持久性等特点,成为对海洋生态系统具有很大潜在威胁的污染物质。特别是近十几年来,我国港口、码头与航道工程的大量建设,其相应的开挖、吹填、溢流与疏浚等相关作业,必然导致海域底质沉积物中污染物质的二次释放[1]。因此,研究重金属污染物在水相与沉积相中的变化趋势,及其与悬浮物之间的相关性,对于揭示大范围、高强度开发工程海域重金属污染物形态转化与迁移规律具有重要的意义,对于指导未来海域开发建设具有较强的参考价值,也为区域环境监督、管理与决策提供科学依据。

    进入海洋生态环境中的重金属污染物,最终会通过吸附沉降等复杂的物理化学作用,从海水与悬浮物富集于底质沉积物,并为底栖生物所摄食;大多数重金属因其较为活跃的地球化学性质,在海水、沉积物、悬浮颗粒物和生物等多相介质间传递交换[2],并维持着动态平衡,一旦沉积物中重金属污染物富集量过高,或环境条件剧烈改变,则重金属会以脱附溶解等作用,释放于上覆水体、悬浮物等[3]。关于重金属在海域底质沉积物、悬浮颗粒物、水体以及生物体中的污染程度、分布、迁移转化、富集等环境行为,国内外学者已开展了大量的研究工作[4],取得了丰富的研究成果。但截至目前,关于重金属污染物形态转化与迁移规律,特别是其与海域工程实践相结合方面的研究尚显缺乏。

    时间序列趋势分析和相关性分析是掌握重金属污染物形态转化与迁移规律的有效工具。时间序列趋势分析是描述某一现象历程状态、分析其变化规律以及预测其未来发展方向的重要技术手段,是其随时间变化的直观反映。截至目前,国内外学者已发展了多种趋势分析方法[5],在水环境、水生态、水文、气象灾害等诸多学科领域进行了大量的研究[6]。相关性分析是揭示系统内各要素之间相互关系及系统演变规律的重要技术方法。目前相关性分析的方法较多,如SPSS软件中的Pearson、Spearman和Kendall相关系数法等[7],时间序列分析方法[8]以及基于小波变换的小波相关分析方法[9]等。

    针对大范围、高强度开发工程海域底质沉积物经受较大人为因素扰动的特点,本文以曹妃甸近岸海域为主要研究对象,重点关注悬浮物及重金属污染物Pb,采用时间序列趋势分析和多元时间序列相关性分析方法,研究了2005年、2007年、2009—2012年6 a间悬浮物、Pb之于水体和Pb之于沉积物中的变化趋势,并分析三者之间的相关关系,旨在为揭示海洋环境受人为因素影响的演变规律和指导海域工程实践提供技术支撑。

    • 唐山市曹妃甸区位于河北省东北部,唐山市东南部55 km,北靠滦南,东接乐亭,西邻丰南,南临渤海,地理坐标为:39°07′43″N~39°27′23″N,118°12′12″E~118°43′16″E,海岸线长约80 km,海域面积约2000 km2。曹妃甸原系滦南县南部海域一带状小岛,沙岛高潮时面积约4 km2,低潮时约20 km2,沙岛与大陆岸线之间是大片浅没海滩;甸头前500 m水深即达25 m,深槽处则为36 m[10],因其得天独厚的自然条件,加之近年来我国沿海经济的高速发展,唐山曹妃甸港区应运而生,并逐渐发展壮大(如图 1所示)。但环境生态问题也随之而来,2014年《河北省海洋环境状况公报》[11]显示,曹妃甸海域水环境状况不容乐观:主要污染物为无机氮、活性磷酸盐,存在Pb超二类水质标准的情况;沉积物质量状况较好;底栖生物群落与多样性一般。因此研究并分析曹妃甸近岸海域大范围、高强度开发条件下的环境状况,对于指导近岸海域开发与管理极具现实意义。

      图  1  研究海域位置及监测站位

      Figure 1.  The research marine district location and stations

      图 1是研究海域位置及监测站位,其中A为研究区域位于中国海域的相对位置;B为具体位置和监测站位,B中1、3、5、7、8、11、13和15号站位监测项目包括海水水质和沉积物,其余各站位仅监测海水水质。

    • 文中采用2005年、2007年、2009—2012年6 a间的实测数据(数据来源于国家海洋局秦皇岛海洋环境监测中心站),研究悬浮物、水相中的Pb含量和沉积相中的Pb含量的变化趋势以及重金属Pb的多相介质富集特性,采样时间均为每年的8月份丰水期,具体的监测站位如图 1所示。采样层次按水深<10 m,取表层水样;10 m≤水深<25 m,取表层和底层水样的要求处理。

      所有水质和表层沉积物样品的采集、贮存、运输与分析等均按照GB 17378-2007《海洋监测规范》[12]和《海洋调查规范》[13]要求进行(其中2005年监测按照GB 17378-1998《海洋监测规范》[14]要求进行)。样品采集[12]以走航方式,用采水器对近岸表层海水进行水样采集,使用抓斗式采泥器采集海洋中表层沉积物样品;悬浮物样品应尽快放出采样器,装瓶同时摇动采样器,并去除杂质;重金属样品应立即用0.45μm滤膜过滤后,酸化至pH小于2,塞上塞子存于洁净环境;并采用冷冻或酸化后低温冷藏固定;每个站位采集3个平行样。悬浮物分析方法采用重量法(GB17378.4-2007)[12],经过滤、烘干、恒温、称重等过程后,测定悬浮物含量,悬浮物检测过程中采取平行样的方法对其进行质量控制;海水中Pb的分析方法为无火焰原子吸收分光光度法(GB17378.4-2007)[12],经pH调整、萃取分离、反萃取等过程,进行分析并加标回收,回收率在95%以上,相对标准偏差为1.2%~2.82%。沉积物样品自然风干后去除杂物,充分混匀、研磨后过100目尼龙筛。取0.2 g干样,采用无火焰原子吸收分光光度法(GB17378.5-2007)[12]对沉积物中的Pb进行分析并加标回收,经分析得出回收率在95%以上,相对标准偏差为1.5%~3.8%。

    • 趋势,特别是长期趋势是某一现象在较长时期内发展变化的总态势,是时间序列最基本的构成要素。通过趋势分析可以掌握影响时间序列的根本性因素。线性趋势是判断时间序列变化态势最简单最直观的分析方法[15],如式(1)所示。

      式中:xi是指时间序列x1, x2, …, xi, …, xn在时刻ti对应的第i个值;n为变量的个数;AB分别表示趋势系数和常数,可采用最小二乘法计算而得,如式(2)所示。

      式中:分别代表均值。

    • 相关性分析是研究多元随机变量之间相关关系的一种统计学方法。两个变量之间的相关性为简单相关关系;而对于多元变量之间的相关性,则采用偏相关[16]关系予以分析,其能够剔除其他相关变量的影响,正确地表示两个变量间的线性相关的性质与程度,真实地反映两个变量的本质联系。简单相关系数和N阶偏相关系数,分别如式(3)和(4)所示。

      式中:XY分别为两个变量;n为变量中数据的个数。

      式中:N阶偏相关系数可以利用N+2个变量组成的CN+22组简单相关系数计算而得[17]y, x, x1, x2, …, xi, …, xn代表n+2个变量。

    • 本研究重点关注悬浮物及重金属Pb,采用前述趋势分析方法,研究了6 a间悬浮物、水相中的Pb含量和沉积相中的Pb含量的变化趋势,如图 2所示。

      图  2  悬浮物、水相中的Pb含量和沉积相中的Pb含量的变化趋势

      Figure 2.  The changetrend among suspended matter, water and sedimentary facies of Pb

      图 2是悬浮物、水相中的Pb含量和沉积相中的Pb含量的变化趋势,图中:横坐标为监测年份,左侧纵坐标为悬浮物含量,右侧纵坐标为水相中的Pb含量和沉积相中的Pb含量。由3个变量的时间过程与趋势可见:在研究年份内,随着悬浮物的增加与减少,水相中的Pb含量呈现出基本相同的增减规律,而沉积相中的Pb含量则呈现出相反的趋势,其主要原因在于2007—2009年是本研究海域海洋工程大量建设的时期[18],吹填、溢流等施工作业引起海域悬浮物的大量增加,施工扰动亦会造成海域大量的底质泥沙起悬,而重金属物质极易附着于泥沙颗粒表面,也由此引起了水体中重金属含量的增高,同时底质的大量起悬也势必引起底质沉积物中重金属含量的减少。因此可见,除陆源污染之外,底质泥沙沉积物的再悬浮与再释放也是本区域重金属Pb污染的一个重要来源。

    • 研究中考虑了悬浮物、水相中的Pb含量和沉积相中的Pb含量3个变量,因此式(4)可分别简化如下:

      式(5)—式(7)是悬浮物、水相中的Pb含量和沉积相中的Pb含量3个变量的1阶偏相关系数计算公式,式中相关系数的下标悬、水、沉分别代表悬浮物、水相中的Pb含量和沉积相中的Pb含量3个变量;r悬水r悬沉r水沉则为3个变量两两之间的简单相关系数,可采用式(3)求得。

      将悬浮物、水相中的Pb含量和沉积相中的Pb含量3个变量近6 a的实测数据带入到式(3)和式(5)—式(7)中求得各相关系数(其值越大表明相关性越强,反之则弱;负值则代表负相关性),如表 1所示。

      表 1  悬浮物、水相中的Pb含量和沉积相中的Pb含量间的简单、偏相关系数

      Table 1.  Simple and partial correlation coefficient among suspended matter, water and sedimentary phases of Pb

      表 1是悬浮物、水相中的Pb含量和沉积相中的Pb含量间的简单、偏相关系数计算结果,由表 1中的简单相关可知:悬浮物与水相之间呈较弱的正相关;悬浮物和沉积相之间呈较强的负相关;水相和沉积相之间呈极弱的负相关。由表 1中的偏相关可知:同简单相关对比,水相和沉积相的变化最大,由极弱的负相关-0.00044变为较弱的正相关0.11716974,说明水相和沉积相受悬浮物影响较大。其次为悬浮物与水相之间的相关性,悬浮物与沉积相之间的相关性则变化不大,说明水相对于两者的影响较小。相关性研究结果表明,悬浮物是重金属污染因子Pb的重要载体[1],是其水相和沉积相变化最关键的影响因素。因此,采取必要的手段与措施,控制海域施工悬浮物质的大量产生是减轻重金属Pb污染的又一有效途径。

    • (1) 曹妃甸近岸工程海域近6 a悬浮物、水相中的Pb含量和沉积相中的Pb含量的富集趋势研究结果表明:水相中的Pb含量呈现出与悬浮物基本相同的增减规律,而沉积相中的Pb含量则反之,且悬浮物含量较高的年份恰恰是本研究海域海洋工程大量建设的时期,此时水体中的重金属Pb含量属典型的工程主导型。

      (2) 简单相关与偏相关多元统计分析结果显示:水相和沉积相受悬浮物影响较大,由此可见,悬浮物是影响水相中的Pb含量和沉积相中的Pb含量变化的核心控制因素。

      (3) 对于典型的重大工程建设海域,除控制陆源外,应采取必要的手段与措施,控制人为因素对底质沉积物的扰动,避免海域悬浮物质的大量产生,其有利于减轻重金属Pb的二次污染。

参考文献 (18)

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