ABSTRACT

We used Kriging modelling in Arcgis 10.1 to find out the distribution characteristics of water quality in Radial Tidal Ridge in South Yellow Sea during spring and autumn in 2007, focusing on 7 heavy metals as As, Hg, Cu, Zn, Cd, Pb, Cr. Hakanson Potential Ecological Risk Index (HPERI) was used to assess extents of heavy metals in this area to propose better suggestions for Jiangsu coastal development. According to our study, contents of heavy metals were higher and more enriched in south in autumn than in spring. Monsoon had a significant impact on distribution of those heavy metals in surface water in study area. Zn was found to contribute the most to the pollution status while other heavy metals were found to cause only slight ecological risk based on HPERI method. RI was high in costal Estuary and port area, where human impacts were significant, or sedimentary area of sand ridges, where tidal dynamics were weaker, which suggested that there was a tendency that pollution caused by human activities had turned into the most important impacting factor of the water quality in the Radial Tidal Sand Ridge in South Yellow Sea. And RI showed that the potential ecological risk was low in spring while high in autumn.

Keywords:Radial Tidal Ridge, The South Yellow Sea, Heavy Metals, Sea Water Quality, Distribution Characteristics, Hakanson Potential Ecological Risk Index

基于GIS技术的南黄海辐射沙脊群海域
水质分布特征与评价

王俊杰^1,2，许  浩¹，左  平^1,2*，邹欣庆^1,2

¹南京大学地理与海洋科学学院，南京

²南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室，南京

Email: ^*thisisme616@gmail.com

收稿日期：2014年11月14日；修回日期：2014年11月30日；录用日期：2014年12月11日

摘  要

使用Arcgis软件对南黄海辐射沙脊群附近海域2007年春秋两季表层水样的水质进行了分析，包括砷(As)、汞(Hg)、铜(Cu)、锌(Zn)、镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)七种重金属的含量分布变化。用Hakanson潜在生态危害指数法(HPERI)对该海域7种重金属进行生态风险评价，旨在为江苏沿海辐射沙脊区水质健康和海域生态环境保护提供科学依据，并为江苏沿海的开发利用提出合理化建议。研究结果发现，春秋两季As、Cd、Cr、Cu 4种重金属含量均低于国家海水水质I类标准；Pb和Zn在部分区域符合II类标准，其余各处符合I类标准；Hg在沙脊沉积区含量较高，春季为IV类海水，秋季为超IV类海水，在潮流通道含量较低，春季为I类海水，秋季为II、III类海水。秋季重金属较春季普遍含量更高，且整体分布呈现南移趋势。Hakanson潜在生态危害指数法评价结果表明，春秋两季该海域均以Zn的潜在生态危害最大，除秋季Zn存在强生态危害以外，其余重金属在春秋两季均为轻微生态危害；综合潜在生态风险以沿岸河口、港口附近和沙脊沉积区处为最高，表明人类活动是影响该海域重金属分布的主要因素；春季潜在生态风险属轻微，秋季高值区属中等风险。

关键词

辐射沙脊，南黄海，重金属，海洋水质，分布特征，Hakanson潜在生态危害指数法

1. 引言

南黄海辐射沙脊群分布于江苏北部海岸带外侧、黄海南部陆架海域，即废黄河水下三角洲至长江水下三角洲之间，经纬度跨度大，面积广，是我国重要的海岸地貌[1] [2] 。沙脊群以弶港为中心向外呈辐射状分布[3] ，沙脊群海域海水流动力较强，水浅、港叉多[4] ，且受陆地射阳河、新洋港、斗龙港、东台河、拼茶运河、通吕运河等众多河川径流影响，浮游生物众多，生物资源丰富，是十分重要的近海生态系统[5] 。近年来江苏沿海开发迅速，工业园区、城市化建设和围垦等人类活动频繁，工、农业生产废水和城市生活污水不断增多，对南黄海辐射沙脊群海域的水质产生了一定影响[6] [7] 。该海域的水质问题不仅影响到生物生存和生态系统健康[8] -[11] ，而且通过海产品的重金属富集进一步影响人类的身体健康[12] 。因此，本文基于对该海域2007年春秋两季表层水的重金属含量及其分布特征分析与生态风险评价的分析，探究江苏沿海不同季节的水质分布规律，旨在为南黄海辐射沙脊海区的开发利用和环境保护提供科学依据。

2. 材料与方法

2.1. 研究区域

研究区域如图1所示。南黄海辐射沙脊群位于废黄河口至长江口北侧的苏北近岸，它是黄河、长江两条大河在西太平洋边缘海的巨型堆积体，是海陆相互作用的典型产物[13] 。南北长约200 km (32˚00'N~33˚48'N)，东西宽近90 km (120˚40'E~122˚10'E)，海区水深0~25 m，面积为22,470 km²，其中0 m以上面积为3782 km²，行政区涉及盐城、南通两市，大丰、东台、通州、海安、如东、海门6个县(区)。沙脊群以弶港为中心向外呈辐射状分布，由10条形态完整的大型水下沙脊向北、东北、东和东南方向伸展而成。辐射沙脊群中主干沙脊约22列，分隔沙脊的潮流通道主要有11条。各潮流通道的水深均大于10 m，深度向海递增。

2.2. 数据来源和处理

本次研究数据来源于2007年春、秋两季江苏近海海洋综合调查与评价，共有调查站点21个，如图1所示。春季采样时间为4月，秋季采样时间为10月。每次采样均使用卡盖式采水器采取表层水样。前处理过程中，Hg和As使用硫酸、其他5种重金属使用硝酸调pH < 2。7种重金属使用的监测仪器、检出限、准确度以及精确度如表1所示。

图1. 南黄海辐射沙脊群海区水质采样站点分布图

2.3. 数据分析

Hakanson潜在生态危害指数法：综合考虑了重金属的毒性、在沉积物和水体中普遍的迁移转化规律和评价区域对重金属污染的敏感性，以及重金属区域背景值的差异，消除区域差异影响，体现生物有效性和相对贡献及地理空间差异等特点，是综合反映重金属对生态环境影响潜力的指标，适合于大区域范围沉积物和水质进行评价比较。该方法是目前国内外沉积物和水质评价中应用最为广泛的方法之一[14] -[20] 。其计算公式如下[14] ：

(1)

(2)

式(1)、式(2)中，为单污染物潜在生态风险指数；为重金属的富集系数()，即单因子污染指数；为重金属i的实测含量；为计算所需的参比值；为重金属i的毒性系数见表2 [14] ；RI为潜在生态风险指数(区域多因子生态风险指数)，其与污染程度之间的关系见表3 [14] 。

3. 结果与讨论

3.1. 春季重金属含量分析

As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn 7种重金属春季在南黄海辐射沙脊海区的含量分布特征如图2(a)~(g)所示。其中红色代表该处相应的重金属含量较高，绿色代表含量较低。由图2(a)可见，整个海区春季的As含量均远低于国家海水水质Ⅰ类标准(0.02 mg/L)，在区域上呈现以西北到东南一线高值与低值相间分布，其中最高值出现在西北部的射阳河口附近，表明来自射阳河输运的As是造成该区含量异常增高的主要原因；次高值出现在中部的东凌港口附近和东南部的长江口附近。由此可见，由陆地人类活动产生并通过各入海河流输运是该海域As的主要来源。由图2(b)可见，整个海区春季的Cd含量均远低于Ⅰ类标准(0.001 mg/L)，Cd的高值主要集中于北部的射阳河口和南部的长江口；蒋家沙附近也有异常增高点，可能是由于此处紫菜和贝类养殖活动较为频繁，人工养殖和渔业生产活动过程中对水质造成了一定的污染。图2(c)中，各站点的Cr含量均远低于I类标准(0.05 mg/L)，仅在东凌港口和大洋港口两处出现含量异常增高现象，表明该两处近海港口的人类活动是造成Cr含量增高的主要原因。图2(d)中，各站点的Cu含量均低于I类标准(0.005 mg/L)，由北到南各个沿海的河口附近均出现含量增高的现象，且在蒋家沙附近也有异常增高点，表明该海域的Cu主要来源于陆上河流输送以及海上人工养殖等生产活动。由图2(e)，Hg在烂沙洋和黄沙洋区的重金属含量较低，符合I类标准(0.00005 mg/L)；在斗龙港港口、西平涂

图2. (a) 南黄海辐射沙脊海区春季As含量空间分布；(b) 南黄海辐射沙脊海区春季Cd含量空间分布；(c) 南黄海辐射沙脊海区春季Cr含量空间分布；(d) 南黄海辐射沙脊海区春季Cu含量空间分布；(e) 南黄海辐射沙脊海区春季Hg含量空间分布；(f) 南黄海辐射沙脊海区春季Pb含量空间分布；(g) 南黄海辐射沙脊海区春季Zn含量空间分布

洋东部、塘芦港口三处附近呈现高值，高于II、III类标准(0.0002 mg/L)，低于IV类标准(0.0005 mg/L)，属于IV类海水；其余区域均为III类海水。其中西平涂洋东部的Hg可能来源于沿岸的港口输运，在脊间潮流的运动下向远岸偏离，并在水动力较弱、靠近沙脊背部的东侧滞留，形成重金属Hg的高值区。远岸重金属高值也有可能是悬浮体解析和海底沉积物释放造成的，表层水悬浮物和颗粒含量低，对释放的重金属吸附力差，易形成高值区[20] 。图2(f)中，Pb含量的高值聚集在沿海的河口区，延伸到东部的辐射沙脊区，高值区高于I类标准(0.001 mg/L)，低于II类标准(0.005 mg/L)；其余区域均低属I类海水。由其分布特征可知，陆上入海河流输运的Pb在潮流作用下向海延伸过度形成沿海的高值区，而蒋家沙附近的Pb含量也偏高，可能是由于附近人工养殖和沉积物释放导致。由图2(g)可见，沿辐射沙脊各辐射方向出现Zn含量的高值，且低于II类标准(0.05 mg/L)，其余各处均低于I类标准(0.02 mg/L)，表明江苏沿海区域产生和排放的Zn较为均匀，且在潮流作用下沿潮流通道向外海迁移，并在水动力较弱的沙脊群滞留形成Zn的高值分布条带。

7种重金属的分布和含量均呈现较大的差异，表明了南黄海辐射沙脊海区的重金属的产生地区、排放量、浓度、滞留和释放效应以及受潮流水动力作用产生的混合效应等方面有很大差异。各重金属的高值区主要集中在各河口、港口和人工养殖区附近，表明人类活动对江苏沿海水质中重金属的产生和排放有很大影响。远岸的高值区主要集中在沙脊区而非潮流通道区，表明远岸悬浮体解析和沉积物再释放可能是此处水体重金属的来源之一[20] [21] ，且水动力对重金属的在该海区的混合和重新分布有着重要影响。

3.2. 秋季重金属含量分析

As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn 7种重金属秋季在南黄海辐射沙脊海区的含量分布特征如图3(a)~(g)所示。由图3(a)可见，整个海区春季的As含量均远低于国家海水水质I类标准，仅在南部长江口附近含量较高，表明长江口附近的工业、输运等人类活动秋季是该处秋季As的主要来源，与春季相比，此处的As来源由多点源变成单点源，且最高值和最低值都有所增高。由图3(b)可见，整个海区的Cd含量均低于I类标准，在北部新洋港口和中南部几个辐射沙脊的末端都有高值，与春季相比，高值有一定的分散化趋。由图3(c)可见，秋季各站点的Cr含量均远低于I类标准，与春季相比含量普遍增大了一倍左右，高值区的位置与春季基本一致，集中在东凌港口和大洋港口附近，表明该两处近海港口的常年人类活动是造成Cr含量增高的主要原因。由图3(d)，各站点的秋季Cu含量均低于I类标准，基本含量分布与春季基本一致，高值区更加集中于几大河口附近。由图3(e)可见，在麻菜珩、蒋家沙、冷家沙和小庙洪附近出现Hg秋季含量的高值，高于IV类标准，属国家超IV类海水；从北到南西平涂洋、草米树洋、黄沙洋、烂沙洋区重金属Hg含量较低，介于I类标准和II、III类标准之间；其余区域属IV类海水。与春季相比，整个区域的Hg含量都有所增加，且分布趋于分散化。这可能是由于脊间潮流作用将沿岸河口、港口产生的Hg带到较远的区域，而沙脊附近水动力较弱，水流较缓，造成重金属滞留，表明产生排放Hg的且其中西平涂洋东部的Hg可能来源于沿岸的港口输运，在脊间潮流的运动下向远岸偏离，并在水动力较弱、靠近沙脊背部的东侧滞留，形成重金属Hg的高值区，由此形成临近沙脊且分散的高值区。图3(f)中，Pb含量的高值聚集在南部沿海的河口、港口附近和几个沙脊延伸的东端，介于I类标准和II类标准之间，属II类海水；其余区域均低属I类海水。与春季相比，高值区的分布呈现向外海延伸的特点，可能是由于黄海表层流为风海流，秋季受西北季风影响，表层流向东侧大洋扩展，影响有关重金属的

图3. (a) 南黄海辐射沙脊海区秋季As含量空间分布；(b) 南黄海辐射沙脊海区秋季Cd含量空间分布；(c) 南黄海辐射沙脊海区秋季Cr含量空间分布；(d) 南黄海辐射沙脊海区秋季Cu含量空间分布；(e) 南黄海辐射沙脊海区秋季Hg含量空间分布；(f) 南黄海辐射沙脊海区秋季Pb含量空间分布；(g) 南黄海辐射沙脊海区秋季Zn含量空间分布

分布。由图3(g)可见，Zn秋季含量分布与春季含量分布相似，高值整体向南有一定的移动，且最高值集中在南部，这可能是由于秋季西北季风的影响。高值区为II类海水，其余各处为I类海水。

南黄海辐射沙脊海区7种重金属的秋季含量分布有很大的差异。与重金属与春季相比，高值区普遍呈现南移的现象，表明冬季风对该海区潮流作用影响，并进一步影响重金属在该海区的分布。

3.3. 春秋两季重金属生态风险评价

采用Hakanson潜在生态危害指数法对春秋两季南黄海辐射沙脊海区中As、Hg、Cu、Zn、Cd、Pb、C共7种重金属的综合潜在生态危害评价结果见图4和图5。

图4. 南黄海辐射沙脊海区春季重金属潜在风险RI分布

图5. 南黄海辐射沙脊海区秋季重金属潜在风险RI分布

南黄海辐射沙脊海区春季7种重金属平均潜在生态风险值的排序为：40 > Zn (20.96) > As (19.87) > Pb (7.00) > Cu (5.91) > Hg (4.65) > Cd (2.56) > Cr (0.38)，参见表3可知，均属轻微生态危害。生态危害最大的两种重金属为Zn和As，而由图4可见，春季重金属潜在风险指数RI的分布与图2(g)所示Zn含量分布和图2(a)所示As含量分布较为接近。春季RI高值分布在长江口和辐射沙脊的几大沙脊外端，与沙脊的辐射状大致相似，表明近岸河口、港口的输运、建设和排放是江苏沿海海区重金属污染的主要来源，在辐射沙脊区的水动力作用下呈现在水动力较弱的泥沙沉积区滞留并以辐射状分布。其中，高值区是低值区潜在生态风险指数的两倍左右，但春季整个南黄海辐射沙脊海区的重金属潜在生态危害均属于轻微生态危害(RI < 150)。

南黄海辐射沙脊海区秋季7种重金属平均潜在生态风险值的排序为：160 > Zn (104.66) > 40 > As (32.09) > Hg (11.75) > Cu (6.65) > Cd (3.26) > Pb (1.27) > Cr (1.12)，其中Zn属强生态危害，其余6种均属轻微生态危害。生态危害最大的三种重金属为Zn、As和Hg，对比图4和秋季各重金属含量分布图可知，秋季重金属潜在风险指数RI的分布与图3(g)所示Zn含量分布、图3(b)所示As含量分布和图3(f)所示Hg含量分布较为接近。秋季RI最大值分布在南部长江口附近，在中、北部辐射沙脊外端的也有高值分布，与春季RI分布相比，高值有整体向南移动并集中的趋势，是因为受冬季风影响近岸水流向南移动造成水体内重金属向南移动和集中，造成南部区域潜在生态风险很高。其中，高值区属中等生态危害(150 < RI < 300)，低值区为轻微生态危害(RI < 150)，高值区的潜在生态风险是低值区的1.5倍最右。

4. 结论

1) 南黄海辐射沙脊群海区春季表层水中，As、Cd、Cr、Cu四种重金属含量均低于国家海水水质I类标准。Hg在烂沙洋和黄沙洋区的重金属含量较低，符合I类标准；在斗龙港港口、西平涂洋东部、塘芦港口三处附近含量较高，属IV类海水；其余区域均为II、III类海水。Pb在沿海的河口区延伸到东部的辐射沙脊区的高值区高于I类标准，低于II类标准；其余区域均低属I类海水。Zn沿辐射沙脊各辐射方向出现高值，属II类海水，其余非高值区属I类海水。

2) 南黄海辐射沙脊群海区秋季表层水中，As、Cd、Cr、Cu四种重金属含量符合I类标准。Hg在麻菜珩、蒋家沙、冷家沙和小庙洪附近出现高值，高于IV类标准，属国家超IV类海水；从北到南西平涂洋、草米树洋、黄沙洋、烂沙洋区含量较低，属II、III类海水；其余区域属IV类海水。Pb在南部沿海河口、港口附近和几个沙脊延伸的东端含量较高，介于I类和II类标准之间；其余区域均低属I类海水。Zn最高值集中在南部沙脊外缘，其次在中部沙脊区出现含量较高值，属II类海水；其余各处为I类海水。

3) 在同一季节(春季或者秋季)，7种重金属在该海域的空间分布特点各有不同，但一般以河口、港口、人工养殖区以及沙脊沉积区附近含量较高，在潮流通道处含量较低。不同重金属的产生和排放的位置不同，可能造成最初的沿海水质中不同重金属的分布差异；不同重金属的溶解程度和被水流携带程度不同，沉积物对不同重金属吸附能力的差异，海洋生物对不同重金属降解能力的差异，导致该区域不同重金属分布差异的进一步形成。整体而言，该区重金属含量以水动力较强的潮流通道处较低，水动力较弱的沙脊沉积区较高；人类工业、养殖业、运输业等活动密集的河口、港口较高，而人类活动较少的海岸带地区较低。

4) 与春季相比，该海区秋季各重金属含量高值分布呈现整体向南移动的特点，这与我国江苏沿海不同季节受到的季风影响有密切关系，表明季风会影响表层水重金属含量的分布和扩散。且秋季的重金属含量普遍较春季更高。

5) 南黄海辐射沙脊海区春季存在轻微潜在生态风险，其中Zn和As的风险最大；秋季RI最大值分布在南部长江口附近和北、中部辐射沙脊外端，存在中等潜在生态风险，其余各处为轻微潜在生态风险，其中Zn造成的生态危害最大，其次是As和Hg。综合两个季节的RI值可知，Zn是该区域重金属潜在生态风险的最大影响因子。

南黄海辐射沙脊群的形成和演变离不开来自陆源入海河流的物质输入以及潮汐动力作用。其所在海区表层水中重金属的分布也与陆源输入和水动力条件也有紧密关系。随着江苏沿海近年来的经济开发成为热点，沿岸工业、农业、养殖业发展，城市化建设进程加快，围垦幅度和范围增加，工、农业生产废水和生活污水的产生和排放对南黄海辐射沙脊海区的水质造成越来越大的压力。由于海域水质污染具有扩散性强的特点，因此为了维护南黄海海区的水质健康，必须严格规定和执行各类污染物排放标准。在合理规划沿海区人类各项经济活动和控制工、农业污染源的同时，也要增设监督机制，避免直接排海；积极采用新型高效污染处理技术，实现可持续发展。

项目基金

本研究受国家自然科学基金(41471431)资助。

参考文献 (References)

NOTES

^*通讯作者。