北京市地面街尘与径流中重金属的污染特征

北京市地面街尘与径流中重金属的污染特征
王小梅;赵洪涛;李叙勇
【摘要】街尘作为城市各种污染物的载体和地表径流污染物的主要来源对水环境的影响日益受到关注.论文分析了北京市城区街尘与地表径流中重金属浓度和颗粒的粒径分布.结果表明:不同城市土地利用类型对街尘和径流中的重金属含量、颗粒粒径分布具有重要影响.在商业区、主要道路、住宅区、城中村4种土地利用类型中,街尘重金属浓度和地面单位面积重金属质量均以主要道路最高;径流重金属浓度由高到低顺序依次为:主要道路＞城中村＞居民区;主要道路和商业区街尘颗粒中细粒径占的比例较高,在全部土地利用类型的径流水样中颗粒物粒径分布差别不大;随着街尘中颗粒物粒径的减小,重金属浓度增加;街尘中小于149μm的颗粒物质量百分比和重金属浓度均较高,且在径流中这个粒径段的颗粒物含量也高,体积比达80%以上.建议在今后的城市街尘面源污染控制中应特别关注土地利用类型和街尘粒径的影响.
【期刊名称】《生态毒理学报》
【年(卷),期】2010(005)003
【总页数】7页(P426-432)
【关键词】街尘;粒径;重金属;径流;城市土地利用类型
【作者】王小梅;赵洪涛;李叙勇
【作者单位】中国科学院生态环境研究中心,城市与区域生态国家重点实验室,北京,100085;东北林业大学林学院,哈尔滨,150040;中国科学院生态环境研究中心,城
市与区域生态国家重点实验室,北京,100085;中国科学院生态环境研究中心,城市与区域生态国家重点实验室,北京,100085
【正文语种】中文
【中图分类】X820.3
Received 12 January 2010 accepted 26 March 2010
Abstract： Street dusts carry various contaminants and cause urban non-point source pollution through runoff.We investigated the heavy metal contents in street dusts and runoff water.The study showed that impervious surface of different land uses significantly affected heavy metal contents and particle size distribution in street dusts and runoff water.The concentration and unit area mass of heavy metal in street dust was higher in traffic roads than in other types of land.The concentration of heavy metal in runoff follows the order:traffic road＞urban village＞residential district.The fine particulates in street dusts were major in traffic road and commercial area,while the particle size distributions were similar in different types of runoff water.Heavy metal concentration was higher in smaller particles.The particles with size less than 149μm had the highest mass percentage in street dusts,which accounted for more than 80%of the street dust volume in runoff.Moreover,the heavy metal concentration in these particles was highest.The research findings imply that the urban land use types and particle size distribution are key factors to affect heavy metal contamination in street dusts and runoff.
Keywords：street dust；particle size；heavy metal；runoff；urban land
use
城市街尘（Street dust）是一种来源复杂，在自然力和人类活动作用下沉积在城
市不透水地面的各种污染物的混合体（Banerjee,2003;常静等，2007），街尘作
为城市污染物的载体，在降雨和径流的冲刷、搬运作用下，汇集后进入水体，造成径流污染（Drapper et al.,2000）.城市降雨径流向受纳水体的输入是导致城市水
环境质量恶化的主要原因之一（李立青等，2007）.
城市中街尘分布广、代表性强、与面源污染联系密切.不同城市土地利用类型、不
透水面类型，街尘中污染种类和含量均不相同，因此可以反映出该地区生产、生活的环境污染特征，对区域环境状况有良好的指示作用（Ellis and Revitt,1982; Sutherland et al.,2003）.目前有关城市降雨径流的研究多集中于径流污染与降雨特征，而对街尘环境污染特征的研究比较分散.近年来，有关街尘环境污染虽已取
得很多有价值的成果（Drapper et al.,2000;Kayhanian et al.,2007;刘华祥，2005;车伍等，2004），但与径流污染和降雨特征相结合探索其迁移转化以及机理方面的研究相对较少.
基于此，本研究调查了北京海淀区和丰台区不同土地利用类型的街尘和降雨径流中的重金属的污染特征，旨在阐明北京城区主要地面类型街尘重金属污染状况，深入研究城市面源污染物的迁移转化及其机理，从而为城市面源污染控制提供科学依据. 海淀区和丰台区分别位于北京市的西北部和西南部，两区同属北京近郊，2009年底人口分别为293万人和182万人.在城市化的推动下，城区不断外扩，形成了目前的城市区域.随着城市化快速发展，面源污染也日益严重，区域内河流和湖泊水
质状况堪忧.据北京市水务局和环境保护局的实时监测，海淀和丰台区域内的河流
和湖泊水质为Ⅲ类以下，有的甚至是劣Ⅴ类.为了调查城市化后形成的不同城市土
地利用类型对面源污染的影响情况，选择了海淀区和丰台区的中关村大街、北四环、光彩路、丰北路、中关村南路、太阳园小区、双榆树北里小区、盛鑫嘉园小区等
20个调查点作为代表性商业区、主要道路和居民区.另外，选择了由城市高速发展的进程中，滞后于时代发展步伐、游离于现代城市管理之外、生活水平较低区域而形成的城中村作为城市特殊土地利用类型进行研究.调查区域不同土地利用类型的
清扫状况以及地面情况如表1所示.
街尘样品采集：选取海淀区和丰台区4种典型的城市土地利用类型，即商业区、
主要道路、住宅区、城中村（城中村道路、城中村居民区）.采样时间2009年9
月2日～9月10日，前期晴天累积天数约为 7～10d.利用真空吸尘器（型号为Philips FC8264）在不透水面收集街尘.采样面积的范围为5～20m2，质量约为700g，每种土地利用类型4个采样点，共计20个采样点.同时分别采集街尘样点
附近0～10cm表层土样和该区域清扫车清扫的街尘样品用以对照，另外，采集北京郊区土壤 0～10cm表层土样作为背景土样.样品风干后，拣出杂物并称重；利用干筛法将样品依次过 44、62、105、149、250、450、1000μm的筛子分成8部分并将其分别称重后，用封口袋装好用于实验分析.土样风干、磨细，过100目的
筛子后密封装袋以备分析.
径流样采集：2009年6月16和6月18日监测2场降雨，在街尘样采样点附近
的雨水井收集，在开始产流的15min里每隔5min收集一次，之后每隔10min收集一次.用校正后的塑料桶（20L）测量径流，产流少时用5L的塑料桶测量，然后用干净的塑料瓶取部分水样，放入冰箱低温保存，用于实验分析.
街尘样和土样采用EPA3052（EPA,1996）的方法进行微波消煮制备待测液.水样
的可溶性重金属待测液制备方法如下：将水样过0.45μm的滤膜（已烘干称重），用HNO3调整到pH≤2备用，将滤膜烘干后称重测总悬浮物（TSS）值；总量的
待测液采用没有过滤的水样加HNO3消解制得（魏复盛等，1997）.街尘样的待
测液及处理过的水样待测液用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES，型号为Perkin Elmer OPTIMA 2000）测Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的含量.径流中颗粒物
的粒径分布用激光粒度仪（Mastersizer 2000）测得.
街尘污染物粒径贡献率的计算采用Sutherland推出的公式（Sutherland,2003）：式中：GSFLoad为单个粒径的街尘所含污染物对全部粒径污染物含量的贡献；Ci
为单个粒径污染物的浓度（mg·kg-1）；GSi为单个粒径的街尘占全部粒径街尘的质量比；m是全部粒径的个数.
径流污染物浓度采用次降雨径流平均浓度，即EMC（event mean concentration）.利用EMC来说明单次径流的污染物负荷（Sansalone and Buchberger, 1997）：
式中，EMC为污染物降雨事件平均浓度（mg·L-1）；t为径流时间（min）；C
为随时间污染物含量的变化（mg·L-1）；Q为随时间径流速率的变化（L·min-1）.
采用 SPSS 16.0进行方差分析和多重比较（LSD法），采用SigmaPlot 9.0作图.文中所有表中数据均以均值±标准偏差（SD）来表示.
不同土地利用类型不透水下垫面上单位面积街尘的质量不同，主要道路、商业区、居民区街尘单位面积质量差异不显著，而城中村与前面3种土地利用类型差异显著，是其5～6倍，达到74.5～170.1g·m-2（图1）.结合图1和表1可见：清扫频率高，方式先进，地面状况较好的区域和管理措施到位的居民区，其地面上的街尘比较少；而趋于无人管理的城中村街尘量多.
不同土地利用类型，其街尘中各种重金属浓度和单位面积重金属质量呈现出不同的特征（表2）.就土地利用而言，主要道路街尘中各重金属浓度均明显高于其它土
地利用类型，城中村居民区街尘中各重金属浓度相对较低.从各土地利用类型的单
位面积重金属质量来看，主要道路和城中村道路街尘单位面积各种重金属质量相对较高，但各土地利用类型之间均未达到显著差异.
从重金属种类来看，Ni、Cu在主要道路街尘中的浓度和单位面积的质量最高；Cr
和Pb在主要道路街尘中浓度最高，而单位面积质量则在城中村道路中最高，这可能是与主要道路的街尘量要少于城中村道路有关；Zn浓度在居民区街尘中较高，单位面积质量却是在城中村道路中最高，这可能与其单位面积街尘量较高有关（图1）.
将街尘、街尘样附近土壤（对照土样）和北京远郊农田土壤（背景土样）进行对比分析（表2和表3），发现城区街尘和对照土壤中5种重金属的浓度基本都大于北京农田土壤值，说明城区里的人类活动很大程度上影响了街尘和对照土壤中重金属浓度.对比街尘和对照土壤，大多数土地利用类型街尘中的重金属浓度比对照土壤值高，这说明街尘一定程度上比土壤更容易吸附重金属，富集作用更强.
粒径分布不但影响颗粒物的可迁移性，也与其污染潜力密切相关.如图2所示，所有的土地利用类型街尘粒径的质量分布状况普遍呈现出两端小中间大的分布格局.通过对研究区域道路清扫车中街尘的取样分析，发现大于250μm的颗粒物占了79.2%，说明较大的颗粒物更能被传统的道路清扫方式有效清除，这与前人的研究结果一致（Ellis and Revitt,1982;Sartor and Gaboury,1984），因此地表上小于250μm颗粒物所占比例较高，这种现象在商业区和主要道路上很显著.105～
62μm粒径段在商业区和主要道路所占比例较大，分别为40.1%和38.1%，而在居民区和城中村各粒径分布比例差异不大.这可能因为在主要道路和商业区中，采用的是机扫和人工扫相结合的清扫方式，且清扫频率高；另外，较大的人流量和车流量会对颗粒物产生较强的机械碾压作用，因此这两个土地利用类型滞留在地面的颗粒物以小粒径为主.
不同粒径街尘中的重金属浓度和污染负荷贡献率如表4所示.由表4可知，5种重金属的浓度随着粒径的增加普遍呈降低趋势.小于149μm的颗粒中的重金属浓度比大于149μm的颗粒中的高，说明颗粒物粒度越小，污染物的富集能力越强，这与其他研究（Krčmová et al.,2009;Zhu et al.,2008;田鹏等，2009）结果一致；
而大于250μm的颗粒中的重金属浓度变异系数（标准差与均值的比值）较大，表明浓度波动很大.这可能与重金属的来源有很大关系，即重金属在颗粒大的部分浓
度分布不均匀，比如某个颗粒的重金属含量很高或很低，使得这个粒径段的重金属浓度波动较大.另外用公式（1）（Sutherland,2003）计算粒径对重金属负荷的贡献率可以看出，5种重金属在62μm到250μm粒径段污染负荷贡献率较高，粒径的两端比较低.总体而言，小于62μm的颗粒物重金属浓度高，但其污染负荷贡献
率比较低；而62μm到250μm粒径段不仅浓度较高，而且其污染负荷贡献率也高，因此这部分颗粒物污染危害的潜力最大.
城区径流的粒径分布特征如表5所示.由表5可见，主要道路、居民区、城中村的
径流中颗粒物普遍分布在＜44μm粒径段，且土地利用类型间粒径分布差别不明显；与街尘样中颗粒物粒径分布进行对比（图3），发现两者存在很大的区别：径流中的颗粒物（n=71）67.5%以上分布在＜44μm粒径段，而街尘的颗粒物（n=28）在这个粒径段占的比例很小，大多集中在62～250μm.径流和街尘中粒径小于
149μm的颗粒物分别占82.6%和58.6%，由于街尘中这部分颗粒物重金属含量高，且不易清除，若降雨强度更大、历时更长，很容易被径流冲走迁移到水体中，因而存在着很大的污染威胁.
城区径流中重金属总浓度与溶解态重金属浓度如图4所示.除Zn外，径流中Cr、Cu、Ni、Pb的总浓度和溶解态浓度由高到低依次为：主要道路＞城中村＞居民区.与各土地利用类型地表街尘中重金属浓度顺序比较，两者的重金属污染特征存在耦合关系.
路面质地和道路清扫方式影响着街尘的粒径分布、单位面积质量.在本研究的调查
中发现，沥青路面更易沉积细粒径的街尘，加之城市沥青道路建设的增加，细粒径街尘对城市水体形成污染的潜力不容忽视.为此，应改进清扫措施及其方式，提高
对细粒径街尘的清除率；并在道路施工建设中采取措施，将细粒径的街尘吸附或固
着在原地.
城市土地利用类型对街尘和径流中重金属的分布具有重要影响.通过对城区街尘和
径流中重金属含量的监测分析发现，两者存在着相似规律：Cr、Pb、Ni无论是地面上单位面积质量还是街尘中浓度都是在主要道路中最高，另外径流中重金属浓度的研究中也发现主要道路的Cr、Ni、Pb最高（表2和图4）.Cr来源于广泛用于
汽车构件的合金（张凤泉等，2003）；Pb主要来源于含铅的汽油、轮胎和刹车磨损、车漆脱落；Ni主要来自尾气、刹车和引擎的磨损、沥青路面（Ellis and Revitt,1982; Sutherland and Tolosa,2000）.由此不难推测主要道路因车流密度大，汽车尾气排放多，因此产生的重金属污染量较大，因此需要密切关注交通对于城市水污染的影响.
街尘中颗粒大小和土地利用类型影响着重金属含量.当本研究将街尘样分为大于
250μm和小于250μm两部分后发现所有土地利用类型中5种重金属的粒径段贡
献率基本都是小于250μm的粒径段较大，特别是主要道路小于250μm的重金属负荷贡献率，除Ni外都达到80%以上.通过分析区域道路清扫车中的街尘发现，
粒径大于250μm的街尘占了80%以上，这说明路面上大于250μm的颗粒物能被有效去除.由于主要道路地面大颗粒被清扫去除，加上高强度的交通活动，如轮胎
与地面的摩擦和挤压，因此街尘中的细颗粒比例较大；重金属较易沉积或者被吸附到细颗粒中，导致细颗粒中的重金属浓度相对较高，因此出现细颗粒多且其上重金属浓度高的结果.在大颗粒街尘中Ni出现了较高的浓度，且在居民区表现比较明显，这可能与居民区使用的合金窗户等产品剥落下的碎粒滞留在街尘中有关.
目前对于降雨径流污染负荷的估算存在着很大的误差，要揭示径流污染街尘运移了多少污染物进入水体，还缺乏精细的实验证明.如果将街尘中的污染物运移量与径
流中的污染物量建立相关关系，就有可能通过街尘中污染物浓度分布特征估算降雨径流污染物的负荷，这方面的研究还需进一步开展.
总结本文研究得到如下结论：
1）城区由于土地利用类型的不同，人流量、车流量、清扫方式和频率、地面状况方式的不同，导致街尘量、粒径分布、重金属含量存在差异.在城中村地面沉积的街尘量较多；主要道路、商业区以细粒径的街尘居多；主要道路的重金属浓度及单位面积质量相对较高，说明土地利用的类型对城区街尘中重金属污染特征具有重要影响.
2）街尘中重金属浓度随着粒径的增加而减小，小于250μm的街尘污染负荷贡献率达到80%以上，且这部分街尘目前清扫条件下无法有效去除.
3）街尘与径流中Cr、Ni、Pb浓度在主要道路中浓度最高；街尘和径流中小于149μm的颗粒所占比例及其吸附的重金属浓度均较高，因此这个粒径段的颗粒物对环境存在较大的潜在威胁.
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