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博碩士論文 etd-0714105-171044 詳細資訊
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論文名稱
Title
高雄港區沉積物及底層水中重金屬之分佈探討
Distributions of Heavy Metals in Sediments and Bottom Water from the Kaohsiung harbor Areas
系所名稱
Department
畢業學年期
Year, semester
語文別
Language
學位類別
Degree
頁數
Number of pages
142
研究生
Author
指導教授
Advisor
召集委員
Convenor
口試委員
Advisory Committee
口試日期
Date of Exam
2005-06-20
繳交日期
Date of Submission
2005-07-14
關鍵字
Keywords
多變量分析、重金屬、富集因子、高雄港、沉積物
heavy metals, Kaohsiung harbor, multivariate, enrichment factors, sediments
統計
Statistics
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中文摘要
本研究主要藉由現場採樣分析,了解高雄港區沉積物及底層水的性質及重金屬含量分佈現況,並利用統計分析方法進行數據之相關性分析,藉以探討其相關之程度,進而解釋沉積物及水中重金屬之分佈。另外,以多變量分析方法進行高雄港區歷年(2001 ~ 2004年間)沉積物資料之主成份分析,盼能尋求造成港區沉積物變動之主要因素。
高雄港區沉積物分析結果顯示,前鎮河、仁愛河及第五號船渠等河川所夾帶之污染物累積在河川出海口附近區域,而導致港區沉積物性質及重金屬含量在空間分佈具有顯著之差異。沉積物金屬之富集程度分佈情形顯示,汞(EF = 7.9 - 115)、鉛(EF = 2.1 ~ 11.7)、鎘(EF = 2.4 ~ 29.8)及鋅(EF = 1.9 ~ 19.8)於港區內皆有富集現象(EF = 1.9 ~ 115),惟在空間分佈上有高低之差異;鉻於港區之富集現象僅存在於河口等附近區域(EF = 1.1 ~ 10.9),其中前鎮河附近之KH-10測站最為顯著(EF = 10.9);銅的富集情況,除一港口及二港口測站外,在港區大多亦具有富集現象(EF = 1.2 ~ 9.0)。沉積物性質及重金屬濃度之相關檢定結果顯示,揮發性固體物及總油脂與重金屬皆達顯著相關水準(P<0.05),而黏粒與重金屬間卻呈現無相關(P>0.05),因此港區沉積物細顆粒之分佈並非影響重金屬分佈的關鍵因子,而是以有機性質為主要控制因素。
高雄港區底層水之重金屬鎳之分佈以KH-01 ~ KH-10測站之間的濃度較高(0.4 ~ 1.0μg/L),其中KH-06之測站最高且變異大(1.0 ± 1.0μg/L)。銅的平均濃度分佈介於1.2 ~ 2.9μg/L之間,在空間之分佈並無一定之趨勢,且無顯著之差異(P>0.05)。本研究進行Ni、SiO2及PO4之相關分析與Yeats and Campbell (1983)、鍾(1995)及黃(2002)之結果不儘相同,推測可能因不同環境背景因素之影響 (Yeats and Campbell 在大西洋;鍾及黃是在台灣西南海域,本研究在高雄港區內)。
沉積物主成份分析結果顯示,90~91年的沉積物組成屬於較高含水率及有機質的細顆粒,即受有機污染較為嚴重之沉積物,而92及93年沉積物污染之情況已經顯著降低,此污染降低之現象與港區浚泥作業時間相符,因此兩者應有相當之因果關係。另由第一及第二主成份分析結果可明顯看出,仁愛河口、第五船渠及前鎮河附近為港區污染最嚴重之區域,顯示河川帶入上游之工業廢水及家庭污水為影響港區沉積物最重要之源頭。
由本研究之結果顯示,港區沉積物有機性質為影響重金屬分佈的主要控制因素,因此可能導致金屬離子與有機質形成穩定的有機金屬,其對於海域生態之衝擊甚大,尤其是底棲生態。故建議對沉積物之毒性或有機毒性化學物質進行監測分析,以了解其對海域生態環境之影響,並進一步了解此些毒性化學物質的現存量及流佈狀況,避免生態食物鏈之累積而回到人體中,造成人類健康之危害。
Abstract
The research, first, is to investigate the characteristics and heavy metal content of sediments and bottom water in Kaohsiung harbor by sampling. Second, it is to analyze the correlation of the sediments data by statistics analysis method. According to the correlation ratio, we can try to explain the distribution of heavy metals in the sediments and the water. Finally, it is to analyze the sediments data in Kaohsiung harbor from the year of 2001 to 2004 by principle compounds analysis of multivariate statistical analysis; the purpose is to find out the main reason that causes the variation of the sediments in the harbor area.
The result of the sediments analysis shows that, the pollutants in Jen-Gen River, Love River and Canon River deposit in the outlet area and lead to significant difference in spatial distribution of sediments characteristics and heavy metals content in Kaohsiung harbor.
The enrichment factors of heavy metals in sediments indicate that, there are enrichments for Hg (EF = 7.9 - 115), Pb (EF = 2.1 – 11.7), Cd (EF = 2.4 – 29.8), and Zn (EF = 1.9 – 19.8) in the harbor area. And there are differences of height in the spatial distribution. The Cr enrichment (EF = 1.1 - 10.9) in the harbor exists only in the nearby area of the river outlet, especially in station KH-10 (EF = 10.9) nearby Jen-Gen River area. There is Cu enrichment in the harbor area (EF = 1.2 - 9.0) except the First and Second Harbor Entrance stations.
The correlate tests of the sediments characteristics to the heavy metal concentration show that, volatile solid materials, grease and heavy metals reach significant correlated level (P<0.05); but it is irrelevant between clay and heavy metals (P>0.05). Therefore, the main controlling factor that influences the distribution of heavy metals is not the sedimentary particulates distribution but the organic characteristics.
Ni distribution of bottom water in Kaohsiung harbor area, it has higher concentration from station KH-01 to KH-10 (0.4 -1.0μg/L); and, among them, it has the highest concentration and high variation at station KH-06 (1.0 ± 1.0μg/L). The distribution of Cu average concentration is between 1.2 - 2.9μg/L. There is no absolutely tendency, neither is significant difference. The result of the research on Ni, SiO2 and PO4 correlated analysis is different from the result of Yeats and Campbell (1983), Chung (1995) and Huang (2002). I conjecture that the course could be the different geographic environment (Yeats and Campbell in Atlantic, Chung and Huang in the southwestern waters of Taiwan, the research in Kaohsiung harbor area).
The result of sediments principle compounds analysis shows that, the sediment constituents in 2001 and 2002 are high water content, organic and fine-grain organic polluted sediments. The polluted sediments are reduced in 2003 and 2004, and that accords with the time of the harbor area dredges procedures. Therefore, there is causation between them. From PC1 and PC2, we know that Love River (KH-04), Canon River (KH-06) and Jen-Gen River (KH-10) outlet are seriously polluted in the harbor area. The river water that contains the industrial wastewater and municipal wastewater in the upper stream is the most important reason that influences the harbor sediments.
The result of the research shows that, the main controlling factor that influences the distribution of heavy metals is the harbor sediment organic characteristics and that could cause the metal ions and organic matter forming into stable organic metals compounds. Its impact to ocean ecosystem is enormous, especially to benthic system. Therefore, I suggest that we should do monitoring analysis on sediment toxicity or toxic organic compounds in order to realize their influences to the ocean ecosystem. And furthermore, we should realize the standing crop and the distribution of the toxic organic compounds so that we can avoid health harming from the accumulation of the ecological food chain returning to human body.
目次 Table of Contents
目錄
誌謝…………………………………………………………………. i
摘要…………………………………………………………………. ii
Abstract…………………………………………………………….. iii
目錄…………………………………………………………………. v
表目錄………………………………………………………………. vii
圖目錄………………………………………………………………. ix

第一章 前言……………………………………………………… 1-1
1.1研究緣起……………………………………………………….. 1-1
1.2研究目的……………………………………………………….. 1-2

第二章 文獻回顧………………………………………………… 2-1
2.1高雄港區環境背景…………………………………………….. 2-1
2.1.1高雄港地理位置……………………………………............. 2-1
2.1.2 高雄港區水文、水質及沉積物…………………………… 2-2
2.1.3高雄港區污染源……………………………………............. 2-3
2.2統計分析方法之回顧………………………………………….. 2-14
2.2.1變異數分析…………………………………………............. 2-14
2.2.2相關程度分析………………………………………............. 2-15
2.2.3主成分分析…………………………………………............. 2-17
2.3自然沉積物性質與重金屬濃度之分佈……………………….. 2-21

第三章 研究方法與步驟………………………………………… 3-1
3.1沉積物及底層水採樣………………………………………….. 3-1
3.1.1採樣地點……………………………………………............. 3-1
3.1.2採樣時間……………………………………………............. 3-1
3.1.3採樣方法..……………………………………………........... 3-1
3.2沉積物分析方法……………………………………………….. 3-4
3.3底層水水質分析方法………………………………………….. 3-7
3.4統計分析方法………………………………………………….. 3-10

第四章 結果與討論 ……………………………………………... 4-1
4.1沉積物性質變化……………………………………………….. 4-1
4.2沉積物重金屬分佈…………………………………………….. 4-7
4.3 沉積物性質與重金屬濃度之相關性………………………… 4-20
4.4底層水水質變化……………………………………………….. 4-22
4.5底層水水質間之相關性……………………………………….. 4-38
4.6沉積物主成份分析(PAC)……………………………………… 4-43

第五章 結論與建議……………………………………………… 5-1
5.1結論……………………………………………………………. 5-1
5.2建議……………………………………………………………. 5-4

參考文獻……………………………………………………………. 參-1

附錄一 SAS ANOVA Procedure 之Duncan's Multiple Range Test 結果……………………………………… 附1-1



表目錄
表2.1.1 海洋或港灣污染的主要污染源及其影響………………………….. 2-9
表2.2.1 兩變項之性質及其適用的相關係數……………………………….. 2-15
表2.3.1 沉積物性質與重金屬濃度之相關性……………………………….. 2-25
表2.3.2 前人對沉積物重金屬富集程度之研究結果……………………….. 2-26
表3.1.1 高雄港沉積物監測站位置說明…………………………………….. 3-2
表3.2.1 沉積物分析方法與偵測極限……………………………………….. 3-6
表3.3.1 底層水分析方法與偵測極限……………………………………...... 3-9
表4.1.1 高雄港沉積物性質分析平均值及範圍…………………………….. 4-2
表4.1.2 高雄港沉積物性質間皮爾遜積差相關(Prarson Product- Moment Correlation)係數……………………………………………………... 4-6
表4.1.3 高雄港沉積物性質間斯皮爾曼等級相關(Spearman Rank- Order Correlation)係數…………………………………………................... 4-6
表4.1.4 高雄港沉積物性質間肯德爾τ係數(Kendalls Tau Coefficient)........ 4-7
表4.2.1 高雄港沉積物重金屬含量平均值及範圍………………………….. 4-10
表4.2.2 高雄港區沉積物重金屬之富集因子(Enrichment Factor)比較…….. 4-12
表4.2.3 高雄港區歷年沉積物與外海之重金屬之比較…………………….. 4-19
表4.2.4 高雄港沉積物歷年富集因子之最大與最小值及對應測站之比較…………………………………………………………………….. 4-20

表4.3.1 高雄港沉積物性質與重金屬濃度間皮爾遜積差相關(Prarson Product-Moment Correlation)係數………………………………….. 4-22
表4.3.2 高雄港沉積物性質與重金屬濃度間斯皮爾曼等級相關(Spearman Rank-Order Correlation)係數………………………........................... 4-22
表4.3.3 高雄港沉積物性質與重金屬濃度間肯德爾τ係數(Kendalls Tau Coefficient)…………………………………………………………... 4-22
表4.4.1 高雄港區底層水水質平均值及範圍彙整表……………………….. 4-24
表4.5.1 高雄港區底層水水質間皮爾遜積差相關(Prarson Product-Moment Correlation)係數……………………………………………………... 4-41
表4.5.2 高雄港區底層水水質間斯皮爾曼等級相關(Spearman Rank- Order Correlation)係數…………………………………………................... 4-42
表4.5.3 高雄港區底層水水質間肯德爾τ係數(Kendalls Tau Coefficient)…. 4-43
表4.6.1 高雄港區2001至2004年沉積物監測數據主成份分析之相關矩陣特徵值(Eigenvalues of the Correlation Matrix)、差異(Difference)、佔總變異的百分比例(Proportion)及累積比例(Cumulative)……..... 4-47
表4.6.2 高雄港區2001至2004年沉積物監測數據主成份分析結果的前五個主成份特徵向量………………………………………………….. 4-48







圖目錄
圖2.1.1 高雄港區漲、退潮流場分佈………………………………………. 2-4
圖2.1.2 高雄港區海域環境監測站位置圖………………………………… 2-5
圖2.1.3 高雄港區淤泥各項物理化學性質歷年監測結果………………… 2-8
圖2.1.4 高雄港每年進出船舶艘次統計圖(1994~2004)…………………... 2-12
圖3.1.1 高雄港區沉積物及底層水採樣點分佈圖………………………… 3-3
圖4.2.1 2004年高雄港區沉積物汞濃度(柱狀)及富集因子(方塊連線)之分佈………………………………………………………………… 4-13
圖4.2.2 2004年高雄港區沉積物鉛濃度(柱狀)及富集因子(方塊連線)之分佈………………………………………………………………… 4-13
圖4.2.3 2004年高雄港區沉積物鎘濃度(柱狀)及富集因子(方塊連線)之分佈………………………………………………………………… 4-14
圖4.2.4 2004年高雄港區沉積物鉻濃度(柱狀)及富集因子(方塊連線)之分佈………………………………………………………………… 4-14
圖4.2.5 2004年高雄港區沉積物銅濃度(柱狀)及富集因子(方塊連線)之分佈………………………………………………………………… 4-16
圖4.2.6 2004年高雄港區沉積物鋅濃度(柱狀)及富集因子(方塊連線)之分佈………………………………………………………………… 4-16
圖4.4.1 2004年高雄港區底層水水溫分佈(n=4,I為±一個標準偏差SD)... 4-28
圖4.4.2 2004年高雄港區底層水鹽度分佈(n=4,I為±一個標準偏差SD)... 4-28
圖4.4.3 2004年高雄港區底層水pH分佈(n=4,I為±一個標準偏差SD)… 4-29
圖4.4.4 2004年高雄港區底層水溶氧量分佈(n=4,I為±一個標準偏差SD) ………………………………………………………………… 4-29
圖4.4.5 2004年高雄港區底層水溶氧飽和度分佈(n=4,I為±一個標準偏差SD) ……………………………………………………………… 4-30
圖4.4.6 2004年高雄港區底層水氨氮分佈(n=4,I為±一個標準偏差SD) 4-30
圖4.4.7 2004年高雄港區底層水亞硝酸鹽氮分佈(n=4,I為±一個標準偏差SD) ……………………………………………………………… 4-31
圖4.4.8 2004年高雄港區底層水硝酸鹽氮分佈(n=4,I為±一個標準偏差SD) ………………………………………………………………… 4-31
圖4.4.9 2004年高雄港區底層水磷酸鹽分佈(n=4,I為±一個標準偏差SD) ………………………………………………………………… 4-32
圖4.4.10 2004年高雄港區底層水氮磷分佈(n=20)…………………………. 4-32
圖4.4.11 2004年高雄港區底層水矽酸鹽分佈(n=4,I為±一個標準偏差SD)…………………………………………………………………. 4-34
圖4.4.12 2004年高雄港區底層水濁度分佈(n=4,I為±一個標準偏差SD) 4-34
圖4.4.13 2004年高雄港區底層水懸浮固體物分佈(n=4,I為±一個標準偏差SD)……………………………………………………………… 4-35
圖4.4.14 2004年高雄港區底層水總油脂分佈(n=4,I為±一個標準偏差SD)…………………………………………………………………. 4-35
圖4.4.15 2004年高雄港區底層水總有機碳分佈(n=4,I為±一個標準偏差SD)…………………………………………………………………. 4-36
圖4.4.16 2004年高雄港區底層水重金屬鎳分佈(n=4,I為±一個標準偏差SD)…………………………………………………………………. 4-36
圖4.4.17 2004年高雄港區底層水重金屬銅分佈(n=4,I為±一個標準偏差SD)…………………………………………………………………. 4-37
圖4.6.1 高雄港區2001至2004年沉積物監測數據主成份分析所得之各主成份佔總變異的百分比例(Proportion)………………………… 4-47
圖4.6.2 高雄港區2001至2004年沉積物監測數據主成份分析結果之第一及第二主成份散佈圖………………………………………….... 4-49
圖4.6.3 高雄港區2001至2004年沉積物監測數據主成份分析結果之各測站第一及第二主成份散佈圖………………………………….... 4-50
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