包头市青山区地表灰尘重金属污染特征分析

包头师范学院
本科毕业论文
论文题目：包头市青山区地表灰尘
重金属污染特征分析
学号：**********
学生姓名：***
学院：资源与环境学院
专业：地理科学
班级：2010级地理科学1班
指导教师：韩秀凤副教授
二Ｏ一四年五月十五日
摘要
地表灰尘重金属是反应城市污染状况的重要指标之一，以包头市青山区为对象，研究了地表灰尘重金属的污染的特征，利用X-Ray荧光光谱仪分析8个重金属Mn、Cr、Zn、V、Co、Pb 、Cu、Ni的含量，采用内梅罗指数法对地表灰尘重金属的生态危害进行了评价。

结果表明，青山区地表灰尘中的、Mn、Cr、Zn、V、Co、Pb 和Cu的平均含量分别为514.4、180.9、76.2、70.5、63.1、54.3、26.6mg/Kg均高于河套平原地表灰尘重金属环境背景值。

重金属在不同区域的含量差别较大，地表灰尘重金属元素的含量主要与区域的工业分布的集中度有关，同时也受到其他污染源的影响。

就单个重金属潜在生态危害系数平均值来看，地表灰尘重金属的危害最大的是Mn，Cr的危害次之，生态危害最低的是Ni。

总的来讲，包头市青山区地表灰尘重金属的生态危害水平属于中高度生态危害。

关键词：包头市；地表灰尘；重金属；污染评价
Abstract
Surface dust is one of the important indicators of reaction of urban pollution of heavy metals, in baotou QingShanOu as object, studies the characteristics of pollution of heavy metals in surface dust, the use of X - Ray fluorescence spectrometer analysis of the surface dust, heavy metals and the potential ecological harm method of ecological damage is evaluated. The results show that the QingShanOu surface in the dust, Mn, Co, Cr, zinc, V, the average contents of Pb, Cu and Ni were 514.4, 180.9, 76.2, 70.5, 63.1, 54.3, 26.6, 23.9 mg/Kg were higher than China's national environmental background values of heavy metals in surface dust. Content of heavy metals in different parts of the difference is bigger, the surface dust, heavy metal element content is mainly related to the concentration degree of the regional distribution of industries, but also affected by other pollution sources. Average coefficient of a single potential ecological harm of heavy metals, the surface dust is the harm of heavy metal's largest Mn, the harm of Cr, ecological harm to the lowest is Ni. Generally speaking, baotou QingShanOu surface dust, heavy metals ecological harm level belongs to the height of the ecological damage.
Key words：Baotou; Heavy metals; surface dust; pollution assessment
目录
引言 (1)
1 研究区概况 (2)
1.1 自然概况 (2)
1.2社会经济概况 (2)
2 材料与方法 (3)
2.1 样品采集与分析 (3)
2.1.1 样品的采集 (3)
2.1.2样品的分析 (3)
2.2评价方法 (3)
3 结果分析 (5)
3.1 地表灰尘重金属的含量水平 (5)
3.2地表灰尘重金属分布特征 (7)
3.3地表灰尘重金属污染评价 (10)
结论 (11)
参考文献 (12)
致谢 (13)
引言
城市灰尘是指粒径小于20目（＜0.920mm），分散于城市不同区域表面固体颗粒物，按照其来源和颗粒物性质，划分为街道灰尘、区域灰尘、大气灰尘。

本文以街道地表灰尘为研究对象，它的主要来源为建筑工地、裸露地表、各种沉降在路面上的气溶胶粒子和交通工具的磨损等。

由于其受到人流车流的影响，有害重金属会大量吸附在颗粒物表面，从而成为潜在污染源，对人类和环境都有着相当大的危害。

一方面，街道灰尘在一定外动力条件下较易扬起，从而通过呼吸道和皮肤被人体吸收，在人体内被消化、吸收、积累，对人体健康产生危害；另一方面，它在降水的冲刷作用下进入河道，对城市水环境造成了直接的污染。

城市地表灰尘重金属的来源是多方面的，并且不同城市性质、规模，地表灰尘中的元素组成、分布模式及其可能的来源都不尽相同，随环境特征而变化，因此对其中重金属的来源识别难度较大。

目前对地表灰尘重金属的来源解析通常采用多元统计、主成分分析、聚类分析、因子分析、富集因子分析、相关性分析以及氮氧化合物示踪等手段。

地表灰尘中的重金属来源可归结为自然源和人为源。

此前，对于灰尘重金属的研究已有不少，例如国外Emanuel等对西西里市不同功能区、不同形态及不同粒径中的重金属进行了研究；Charlewortha等对比了大城区和小城区中的重金属含量和分布。

结果表明，在伯明翰的西北工业区附近重金属含量最高，西南居民区和公园重金属含量相对较低，交通繁忙的地带含量也是相对较高；国内的研究也非常多，有李如忠等对铜陵市区表土与灰尘重金属污染进行健康风险评估；颜子俊等，对温州城区地表灰尘重金属分布特征及健康风险评价的研究；陈青林等，对济南市地表灰尘重金属含量及其污染评价的研究。

史贵涛等对上海市公园灰尘重金属污染的研究以及对它做出的潜在生态风险评价。

但是，对于包头市灰尘重金属污染状况的研究却少之又少。

目前，关于地表灰尘的重金属污染评价处于探索阶段，可以借鉴评价沉积物重金属污染的方法，例如地积累指数法、回归过量分析法、潜在生态危害指数法等，对灰尘中的重金属含量进行评价和确定重金属的污染程度为城市环境的污染管理和治理提供科学依据。

1 研究区概况
1.1 自然概况
包头市地处内蒙古自治区中西部，北部与蒙古国接壤，南临黄河，东西接沃野千里的土默川平原和河套平原，阴山山脉横贯中部。

包头的地理坐标是东经109度50分至111度25分、北纬41度20分至42度40分，面积为27691平方公里。

包头的矿产资源具有种类多、储量大、品位高、分布集中、易于开采的特点，尤以金属矿产得天独厚，其中稀土矿不仅是包头的优势矿种，也是国家矿产资源的瑰宝。

已发现矿物74种，矿产类型14个。

充足的水资源是包头经济赖以发展的重要条件。

黄河流经包头境内214公里，年平均径流量为260亿立方米，是包头地区工农业生产和人民生活的主要水源。

包头地区的生活、工业及农业用水设施已经能够满足本地区经济社会发展的需要。

包头，山地占14.49％，丘陵草原占75.51％，平原占10％。

已开发和利用的土地中，市区面积为168平方公里；耕地面积占土地面积比重14.3％；森林面积149.2千公顷，草原面积2086.5千公顷。

包头由于具备北部丘陵草原、中部山岳、南部平川三大地貌和不同的土质条件，加之气温降雨量也各不相同，因而适于多种动植物生长和繁衍。

1.2社会经济概况
包头是内蒙古自治区第一大城市。

包头，源于蒙古语包可图，蒙古语意为“有鹿的地方”，所以又叫“鹿城”“草原钢城”拥有地方立法权的较大的市，是内蒙古的制造业、工业中心及最大城市，呼包银经济带、呼包鄂城市群的中心城市之一，中国新二线城市，是中国重要的基础工业基地和全球轻稀土产业中心。

2012年，全市实现生产总值3409.5亿元，按可比价格计算，比上年增长12.6%。

其中，第一产业增加值89.7亿元，增长6.1%；第二产业增加值1885.5亿元，增长14.1%；第三产业增加值1434.3亿元，增长11.0%。

第一、第二和第三产业增加值占全市生产总值的比重分别为2.6%、55.3%和42.1%，三次产业对经济增长的贡献率分别为1.2%、61.6%和37.2%。

全市人均生产总值达到125709元，增长11.0%，按年平均汇率折算为19915美元。

全年地方财政总收入为326.8亿元，比上年增长10.6%。

其中，公共财政预算收入185.8亿元，增长14.8%。

青山区工业生产保持快速增长，经济效益进一步提高。

随着“区域经济一体化”和“两带一区”战略的推进，地方与企业的联系紧密，形成了共谋发展、互利共赢的良好局面。

2 材料与方法
2.1 样品采集与分析
2.1.1 样品的采集
样品采集于2012年10月。

在晴朗无风的天气下，采用均匀布点的方法，在青山区46个采样区采集地表灰尘样品（见图1）。

采样时在各采样区根据具体情况布设若干个采样点，用小刷子和塑料小簸箕在包头市青山区主要街道进行采样，然后转移至自封袋中，编号、封口，并记录采样点周围的自然、人文环境。

为了保证样品的代表性，在每个采样点选取多个平行采样点，将多个采样点样品均匀混合作为一个采样站位的灰尘样品，并用手持式GPS仪记录各采样站位经纬度信息。

每个样品采集500g，供重金属含量分析。

图1 包头市青山区地表灰尘重金属采样点分布示意图
2.1.2样品的分析
将自然风干后过20目篩的灰尘样品采用四分之一缩分法约取20 g利用ZM-1型电子振动磨(长春光学精密机械与物理研究所)研磨约10s，使其灰尘颗粒的粒径小于0.075mm，装入聚乙稀自封袋。

然后称取4g研磨后样品放入模具，四周填满硼酸，使用JJW-60型半自动压样仪(长春光学精密机械与物理研究所)制成硼酸包边的圆状压片。

最后利用X-Ray光谱仪(XRF,帕纳科仪器公司PW2403型)
测定土壤样品中常量元素和重金属元素的含量,同时测定标准样品(GSD-12,GSS1)和重复样品进行质量控制。

2．2评价方法
内梅罗指数法是当前国内外进行综合污染指数计算的最常用的方法之一。

该方法先求出各因子的分指数（超标倍数），然后求出各分指数的平均值，取最大分指数和平均值计算。

内梅罗指数是一种兼顾极值或称突出最大值的记权型多因子环境质量指数。

内梅罗指数的基本计算式为：
（1）式中: P 是采样点的综合污染指数； i max 为i 采样点重金属污染物
单项指标中最大值；
∑==
n
i i
i P
n
ave 1
1
为单因子指数的平均值。

但是，由于不同重金
属对土壤环境、生态环境的影响不同，采用加权计算法来求平均值比较合适，改进公式如下：
∑∑===
n
i i
n
i i
i i w
P
w ave 1
1
（公式2）
对于权重w 的确立Swaine 按照重金属对环境的影响程度，将环境研究中人们都比较关注的微量元素分成了三类，因一类、二类、三类微量元素环境重要性逐渐下降，分别赋值为3、2、1作为权重。

笨研究涉及的几种重金属其类别和权重分配如表1所示。

表1 重金属污染物对环境的重要性分类和权重值
Co Cr Cu Mn Ni Pb V Zn 类别 III II II III II I II II 权重
2
3
3
1
2
2
3
2
内梅罗指数特别考虑了污染最严重的因子，内梅罗环境质量指数在加权过程
中避免了权系数中主观因素的影响，是目前仍然应用较多的一种环境质量指数。

内梅罗指数算法中单因子的算法如下：
o i
i C C P =
（公式3）
（2）式中：i P 为i 重金属元素的污染指数；i C 为重金属含量实测值；o C 为土壤环境质量标准值见表2(河套平原地表灰尘环境背景值)
表2 河套平原地表灰尘环境背景值
通过单因子评价，可以确定主要的重金属污染物及其危害程度。

一般以污染指数来表示，以重金属含量实测值和评价标准相比除去量纲来计算污染指数。

综合污染指数参见综合污染程度分级标准（表3）
表3 综合污染程度分级标准
综合污染等级
综合污染指数 污染程度 污染水平 1 7.0≤综P 安全 清洁 2 0.17.0≤<综P 警戒线 尚清洁
3 0.20.1≤<综P 轻污染 污染物超过起初污染值，作物开始污染
4 0.30.2≤<综P
中污染 土壤和作物污染明显 5
3>综P
重污染
土壤和作物污染严重
3 结果分析
3.1 地表灰尘重金属的含量水平
本文对研究区街道灰尘中8种重金属Mn 、Cr 、Zn 、V 、Co 、Pb 、Cu 、
元素 Co Cr Cu Mn Ni Pb V Zn 背景值
9.93
56.4
19.2
508.6
24.5
18.9
65.5
55.7
Ni进行了含量分析。

基于实验数据，分别计算城市灰尘中Pb、Cu、Cr、Co、Mn、Ni、Zn、V元素的平均值、范围和变异系数等统计量进行了统计，统计结果见（表4），
表4 包头市青山区地表灰尘重金属含量水平（mg/Kg）元素Co Cr Cu Mn Ni Pb V Zn
最小值41.0 103.0 15.5 408.9 16.1 24.3 58.6 48 最大值105.8 945.2 68.8 731.6 171.9 121.0 87.1 120.5 平均值60.5 180.9 26.6 514.4 23.9 54.3 70.5 76.2 变异系数% 21.0 66.0 37.0 32.0 93.0 41.0 8.0 25.0 标准差13.2 118.8 9.9 163.2 22.1 22.0 5.8 18.9 背景值9.93 56.4 19.2 508.6 24.5 18.9 65.5 55.7
包头市青山区街道地表灰尘中Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、V、Zn的含量的变化范围为41~105.8mg/kg、103~945.2mg/kg、15.5~68.8mg/kg、408.9~731.6mg/kg、16.1~171.9mg/kg、24.3~121mg/kg、58.6~87.5mg/kg、48~120.5mg/kg；最大值对最小值的倍数依次为2.6、9.2、4.4、1.8、10.7、5.0、1.5、2.5。

由此表明，青山区地表灰尘中同一重金属元素含量差异较大。

青山区街道地表灰尘中Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、V、Zn含量的算术平均值分别为63.1mg/kg、180.9mg/kg、26.6mg/kg、514.4mg/kg、23.9mg/kg、54.3mg/kg、70.5mg/kg、76.2mg/kg，为背景值的6.09、3.21、1.39、1.01、0.97、2.87、1.08、1.37倍。

除了Ni外，其他重金属元素含量均大于河套平原土壤环境背景值（图2），由此说明，青山区地表灰尘已经受到重金属Co、Cr、Cu、Mn、Pb、V、Zn 的污染。

其中，Co、Cr的平均含量为背景值的3倍以上，污染最严重。

图2包头市青山区地表灰尘重金属平均含量与背景值对比
通过计算变异系数可知，城市灰尘重金属含量有较大的差异。

变异系数越大，表明人为活动的干扰作用越强烈或污染程度越严重。

除Co、V变异系数较低外，其余重金属元素的变幅都很大，变异系数最大的是Ni，其次是Cr、Pb、Cu。

综合以上分析结果，包头市青山区地表灰尘中受人为活动干扰较为严重的金属为Ni、Cr、Pb、Cu。

3.2地表灰尘重金属分布特征
运用统计软件对包头市地表灰尘样品中Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、V、Zn分布特征进行分析（见表5），由于不同污染源的城市灰尘，在人为条件的强烈作用下，对灰尘中有些元素产生极大的影响。

因为各种污染源地域分布的不均衡，所以导致污染程度地域性的差异。

表5 地表灰尘重金属极点分布
元素最小点最大点
Co QS11 QS17
Cr QS24 QS3
Cu QS2 QS24
Mn QS45 QS3
Ni QS19 QS3
Pb QS2 QS36
V QS45 QS3
Zn QS17 QS6
由表5可知，青山区地表灰尘重金属元素中，Co含量的最小点在QS11，含量为41.0mg/Kg,最大点在QS17，含量为105.8mg/Kg；Cr含量的最小点在QS24，含量为103.0mg/Kg，最大点在QS3，含量为945.2mg/Kg；Cu含量的最小点在QS2，含量为15.5mg/Kg，最大点为QS24，含量为68.8mg/Kg；Mn含量的最小点在QS45，含量为408.9mg/Kg，最大点在QS3，含量为731.6mg/Kg；Ni含量的最小点在QS19，含量为16.1mg/Kg，最大点在QS3，含量为171.9mg/Kg；Pb 含量的最小点在QS2，含量为24.3mg/Kg；最大点在QS36，含量为121.0mg/Kg；V含量的最小点在QS45，含量为58.6mg/Kg，最大点在QS3，含量为87.1mg/Kg；Zn含量的最小点在QS17,含量为48.0mg/Kg，最大点在QS6，含量为120.5mg/Kg。

根据图3、图4可以看出，地表灰尘重金属元素含量的最小值分布点，Co含量最小值在民主路与自由路交汇处，最大值在文化路与邻圃到交汇处；Cr含量最小值在包头市第十六中学附近，最大值在G110国道一机加气站附近；Cu含量的最小值在青北路与G110国道交汇处，最大值在包头市第十六中学附近；Mn 含量的最小值在万青路与黄河大街的交汇处，最大值在G110国道一机加气站附近；Ni含量的最小值在民族东路与青年路的交汇处，最大值在G110国道一机加气站附近；Pb含量的最小值在青北路与G110国道交汇处，最大值在建设路与自由路的交汇处；V含量的最小值在万青路与黄河大街的交汇处，最大值在G110国道一机加气站附近；Zn含量的最小值在文化路与邻圃到交汇处，最大值在建华路与G110国道的交汇处。

图3 地表灰尘重金属最小点分布
图4地表灰尘重金属最大点分布
3.3地表灰尘重金属污染评价
以河套地区土壤重金属的环境背景值作为参比值,运用内梅罗综合污染指数法对包头市青山区地表灰尘中的元素Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、V和Zn的污染状况进行评价，结果如表6所示。

表6 青山区地表灰尘重金属的内梅罗综合污染指数
元素Co Cr Cu Mn Ni Pb V Zn
污染指数8.7 12.1 2.7 1.2 5.0 4.9 1.2 1.8
通过表6可以看出，青山区地表灰尘重金属元素Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、V、Zn的内梅罗综合污染指数分别为8.7、12.1、2.7、1.2、5.0、4.9、1.2、1.8。

参照内梅罗指数综合指数污染程度分级表（表7），
表7内梅罗指数综合指数污染程度分级表
判断依据等级意义判读依据等级意义P<0 0 无污染2≤p<3 4 中污染至强污染0≤p<0.5 1 轻污染3≤p<4 5 强污染
0.5≤p<1 2 轻污染至中污染4≤p<5 6 强污染至极强污染
1≤p<2 3 中污染5≤p 7 极强污染
由表6、表7可知，Co、Cr的内梅罗综合指数都大于5，属于第7等级，极强污染，Ni的内梅罗综合指数等于5，也属于第7等级，极强污染；Pb的内梅罗综合指数小于5大于4，属于第6等级，强污染至极强污染；Cu的内梅罗综合指数大于2小于3，属于第4等级，中污染至强污染；Mn、V、Zn的内梅罗综合指数大于1小于2，属于第3等级，中污染。

总的来说，包头市青山区地表灰尘重金属元素都有不同级别的污染，污染程度表现为
Cr>Co>Ni>Pb>Cu>Zn>Mn=V。

通过研究发现，包头市青山区地表灰尘重金属的污染主要是受道路交通和工业的污染较为严重，在城市道路交通发达，车流量和人流量大的区域，地表灰尘重金属的污染较为严重。

结论
包头市青山区地表灰尘中的重金属元素Co、Cr、Cu、Mn、V、Pb、Zn的平均含量都超过了河套平原背景值；Ni的最高值也超过了背景值。

包头市青山区街道地表灰尘中Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、V、Zn的含量变化范围依次为
41~105.8mg/kg、103~945.2mg/kg、15.5~68.8mg/kg、408.9~731.6mg/kg、
16.1~171.9mg/kg、24.3~121mg/kg、58.6~87.5mg/kg、48~120.5mg/kg;最大值对最小值的倍数依次为2.6、9.2、4.4、1.8、10.7、5.0、1.5、2.5.由此表明，青山区地表灰尘中同一重金属元素含量差异较大。

由于不同污染源的城市灰尘，在人为条件的强烈作用下，对灰尘中有些元素产生极大的影响。

因为各种污染源地域分布的不均衡，所以导致污染程度地域性的差异。

地表灰尘重金属受人为扰动作用明显，
通过运用内梅罗综合污染指数法对包头市青山区地表灰尘重金属元素Co、Cr、Cu、Mn、V、Ni、Pb、Zn的污染状况进行评价，结果表明，青山区的综合污染程度达到了中强污染等级，污染程度表现为Cr>Co>Ni>Pb>Cu>Zn>Mn=V。

参考文献
[1]史兴民，王建辉. 咸阳市区街道灰尘重金属污染及评价[J].地理科学进展，2009，(03):29-32
[2]方凤满，林跃胜，王海东，谢宏芳.城市地表灰尘中重金属的来源、暴露特征及其环境效
应 [J]. 生态学报，2011(23):87-89
[3]刘玉燕，刘浩峰，刘敏.乌鲁木齐市地表灰尘重金属含量及其健康风险[J].干旱区研究，2009(05):134-139
[4]杜佩轩，田晖，韩永明.城市灰尘概念、研究内容与方法[J]，陕西地质，2004，22（1）：73-79
[5]韩永明.西安市城市灰尘环境污染和环境质量评价[D]，陕西：长安大学，2003，32（5）：85-89
[6]张丽.淄博城区土壤及街道灰尘重金属地球化学研究[D].山东：山东理工大学，2006.
[7]杨忠平.长春市城市重金属污染生态地球化学特征及其来源分析[D].吉林：吉林大学，2008.
[8]王利军，卢新卫，雷凯.宝鸡市街尘重金属元素含量及其环境风险分析[J].土壤通报，2012，43（1）：200-205
[9] 包头市统计局.包头市统计年鉴，2011.北京：中国统计出版社
[10]丁喜桂，叶思源，高宗军.近海沉积物重金属污染评价方法[J].海洋地质动态，2005，
21(8):31-36
[11]龙永珍，邹海洋，戴塔根.长株潭市区近地表灰尘中重金属分布污染研究[J] .中南大学学
报(自然科学版)，2010，41（4）：1633-1638
[12]王喜宽，黄增芳，苏美霞等.河套地区土壤基准值及背景值特征[J] .岩矿测试，2007，26
（4）：287-292
[13]方凤满，蒋炳言，王海东.芜湖市区地表灰尘中重金属粒径效应及其健康风险评价[J] .地
理研究，2010，29（7）：1193-1202
[14]陈灿灿，卢新卫，王利军.宝鸡市街道灰尘重金属污染的健康风险评价[J] .城市环境与城
市生态，2011，24（2）：35-38
[15]刘春华，岑况.北京市街道灰尘的化学成分及其可能来源[J] .环境科学学报，2007，27
(7)：1181-1188
致谢
值此本科学位论文完成之际，首先要感谢我的导师韩秀凤老师。

韩老师从一开始的论文方向的选定，到最后的整篇文论的完成，都非常耐心的对我进行指导。

给我提供了大量数据资料和建议，告诉我应该注意的细节问题，细心的给我指出错误。

韩老师对地表灰尘重金属专业研究和对该课题深刻的见解，使我受益匪浅。

韩老师诲人不倦的工作作风，一丝不苟的工作态度，严肃认真的治学风格给我留下深刻的影响，值得我永远学习。

在此，谨向导师韩秀凤老师致以崇高的敬意和衷心的感谢！
其次要感谢在本文撰写过程中给予我极大帮助的同学，在本文完稿之际，特别感谢以上人员对本文的完成所做的帮助，在此，我再一次真诚地向帮助过我的老师和同学表示感谢。