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乌鲁木齐市道路雨水径流重金属污染分析 * 董微砾1陈学刚1， 2魏疆3赵直1 1． 新疆师范大学地理科学与旅游学院，乌鲁木齐 830054; 2． 新疆师范大学新疆城镇化发展研究中心，乌鲁木齐 830054; 3． 新疆大学资源与环境学院，乌鲁木齐 830046 摘要 对乌鲁木齐市区 3 条不同道路路面雨水径流进行了取样监测， 采用原子发射光谱法分析了径流中的 Cu、 Cd、 Pb、 Zn 4 种重金属元素含量， 探讨了路面径流中重金属元素的浓度变化、 平均质量浓度的空间变化及重金属元素浓度间 的关系。结果表明 3 个采样点重金属浓度均在 5 ～15 min 时达到高峰， 随着降雨和径流的延续， 浓度也逐渐降低。3 个采样点中 Zn、 Cu、 Pb 的质量浓度较高， 而 Cd 的含量最小。其中城市交通密集区路面 采样点Ⅱ 径流重金属浓度最 高， 支路路面 采样点Ⅲ 重金属的含量相对较低。乌鲁木齐市路面径流中重金属污染水平高于其他城市， 反映出乌 鲁木齐市在道路路面环境维护和管理上与其他城市的差距。路面径流中不同重金属元素间相关性强， 说明重金属污 染物具有同源性。 关键词 雨水径流; 重金属污染; 事件平均浓度; 城市道路 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201405025 CHAＲACTEＲISTICS OF HEAVY METAL POLLUTION IN ＲOAD- ＲUNOFF IN UＲUMQI CITY Dong Weili1Chen Xuegang1， 2Wei Jiang3Zhao Zhi1 1． School of Geography Science and Tourism， Xinjiang Normal University， Urumqi 830054，China; 2． Center of Xinjiang Urbanization Development Study， Xinjiang Normal University， Urumqi 830054，China; 3． School of Ｒesources and Environment Science， Xinjiang University， Urumqi 830046，China AbstractHeavy metals in road- runoff on three roads in Urumqi City，including Cu，Pb，Zn and Cd were monitored by AES during rainfall runoff events occurred． The pavement runoff concentration of heavy metals，mean concentration of heavy metals，and the correlation among the heavy metals were analyzed． It was concluded that heavy metal concentrations of 3 sampling points reached the peak in 5 to 15 minutes，and reduced gradually with the reduction of runoff concentration; Zn， Cu，Pb concentrations in 3 sampling points were comparable high，while the concentration of Cd was lower． Urban traffic area sampling site Ⅱroad runoff concentration of heavy metals was higher than that of the road inside of community． Urumqi road runoff pollution level of heavy metals was higher than other cities，reflecting that there was a wide gap between Urumqi and other cities on environment maintenance and management of the roads． There are strong correlations among heavy metal elements in road- runoff，which suggest that these elements share a same source． Keywordsrainfall runoff;heavy metal pollution;event mean concentration;urban road * 国家自然科学基金 41161029， 41161074 ; 新疆师范大学研究生科技 创新基金项目 20131230 。 收稿日期 2013 －08 －27 0引言 随着城市空间的不断扩张， 不透水面所占比例持 续增加， 雨水径流量也随之增加， 雨季时节就会将地 表积累的污染物冲进城市排水管网， 造成水质恶化和 生态破坏 ［1- 2 ］， 已成为制约城市水环境质量的重要影 响因素之一。道路不透水面是城市汇水面的重要组 成部分， 由于频繁的交通活动， 尾气的排放、 轮胎和路 面磨损、 部件腐蚀以及油脂渗漏等因素导致大量的颗 粒物、 重金属、 营养盐和有机物等污染物在路面的积 累， 成为城市非点源污染的主要污染源之一［3 ］。近 年来， 关于城市道路暴雨径流中的污染物引起的城市 水环境非点源污染问题已成为研究焦点［4 ］。国外研 究成果多集中在确定道路径流中污染物成分、 含量、 501 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 相关性及其影响因素 ［5- 7 ］; 污染源及污染物的迁移过 程 ［8- 10 ］， 以及路面径流污染物的初始冲刷现象、 估算 城市道路径流污染物负荷模型开发等［11- 12 ］。国内学 者对城市降雨径流污染问题的研究也较为普遍， 涉及 了各种类型的下垫面及污染物。张亚东 ［13 ］等测定了 北京城区道路雨水径流中 COD、 SS、 TOC、 TN、 TP 之间 的相关性， 结果表明 COD 和 SS 有很好的相关性， COD 与 TOC 及氨氮、 TN、 TP 都具有一定的相关性; 王 琳 ［14 ］等采用现场连续取样方式， 对长深高速滨州路 面径流排水监测， 发现高速路面径流污染较高， 有显 著的相关性， SS 与 COD、 TP 有显著的相关性。颗粒 物携带污染是高速公路径流污染的重要来源之一; 李 倩倩 ［15 ］等选取了天津市路面 3 条典型主要交通干 线， 采用聚类分析法对降雨特征重金属的影响进行研 究， 反映出重金属污染受降雨强度和前期晴天数累积 影响显著; 甘华阳 ［16 ］等对广州市内道路某路段发生 的七场路面雨水径流进行了监测和分析， 发现道路径 流若不经处理直接排入地表水体， 可能对受纳水体主 要是珠江的水质造成影响; 王文全 ［17 ］等采用原子吸 收光谱法， 对乌鲁木齐城区 3 个采样点的路面雨水径 流进行了分析， 结果表明雨水径流中的重金属污染物 受道路交通和大气 PM10的影响; 王彦红［18 ］等通过对 宝鸡市市区雨水径流的水质进行测定， 分析得出路面 径流污染严重， 并提出了相应的解决措施。综上所 述， 对于城市道路径流污染物特征的分析研究是十分 必要的。 本研究选取绿洲城市乌鲁木齐市区典型道路作 为研究对象。通过降雨期间对路面水样采集， 分析路 面径流样品重金属含量特征， 重点讨论路面径流重金 属的事件平均浓度 EMC ， 并分析不同道路的类型 与路面径流重金属污染物之间的相互关系， 为今后乌 鲁木齐市路面径流重金属污染控制提供依据。 1实验部分 1. 1降雨特征 乌鲁木齐属中温带大陆性干旱气候， 年平均降水 量为 194 mm。本研究采集水样时间为 2012 年 10 月 19 日， 降雨平均雨强为 0. 05 mm/h， 降雨量为 6 mm， 降雨历时 2 h， 晴天数为 12 d。 1. 2样品采集 为了客观反映城市不同道路等级下的重金属污 染物特征， 采样点分别布设在乌鲁木齐市区主干道的 北京路 采样点 I 、 河南东路 采样点 II 、 以及居民 区附近的支路新体巷 采样点 III 图 1、 表 1 。3 条 道路的单行道数分别为 3、 4、 2， 路面材料均是沥青路 面。具体采样位置是路面上的雨水下水井， 主要分析 雨水径流携带的污染物特征。3 个采样点的特征描 述见表 1。采用人工收集雨水径流， 在路面开始形成 径流时， 用 500 mL 的聚乙烯塑料采样瓶在下水井口 完成径流样品的采集。采样间隔时间分别为 5， 10， 15， 30 min， 共收集径流样品 15 个。样品采集后， 将 样品中加入浓硝酸定容后， 送实验室进行分析［19 ］。 图 1采样点区位 Fig．1Sampling locations of rainfall runoff 表 1采样点特征描述 Table 1The characteristics of the sampling site 采样点 汇水面 积/m2 不透水面 比例/ 单向平均日 交通量/d －1 周围用地类型 Ⅰ300100约 12 000居住/公共设施 Ⅱ280100约 20 000居住/公共设施 Ⅲ160100约 5 700居住 1. 3样品分析 雨水径流测定的重金属指标包含有 铜 Cu 、 镉 Cd 、 铅 Pb 、 锌 Zn 。径流样品用 0. 45 μm 滤膜 过滤， 采用原子发射光谱法 AES ， 以高频电感耦合 等离子体 ICP 为光源， 定量分析采集样中重金属含 量。仪器的 Zn、 Pb、 Cu、 Cd 四种重金属元素的测定波 长分别为 202. 55， 220. 35， 324. 75， 214. 44 nm。 2结果 2. 1污染物浓度的统计特征 表 2 为监测期间采集的雨水样品重金属水质参 数的描述性统计。从表 2 中可以看出 样品水质中重 金属元素 Cd 的含量最小， 3 个采样点中采样点Ⅱ的 变化幅度最大， 含量最高; 采样点Ⅲ的平均浓度最低， 变化不明显; 重金属元素 Pb 的含量变化幅度较明显， 601 环境工程 Environmental Engineering 3 个采样点的均值相差不大; 重金属元素 Cu 的含量 较高， 采样点Ⅲ的变化幅度明显， 含量较高， 采样点Ⅰ 比采样点Ⅲ初始浓度较高; 重金属元素 Zn 是 4 种元 素中含量最高的， 其中采样点Ⅰ的含量最大， 采样点 Ⅱ的变化幅度较大， 采样点Ⅲ的含量最小。4 种重金 属元素中， Zn 的含量最高且变化幅度较大， Cu 和 Pb 的变化幅度较为明显， 说明这 3 种重金属离子元素污 染物在径流中含量较高， Cd 的含量在径流中含量较低。 表 2样品水质参数的统计特征 Table 2Statistical characteristics for the road runoff samplesmg/L 重金属 元素 采样点Ⅰ采样点Ⅱ采样点Ⅲ 范围平均值范围平均值范围平均值 Cd0. 0009 ～0. 00150. 00100. 0021 ～0. 00520. 00330. 0003 ～0. 00110. 0007 Pb0. 0595 ～0. 08920. 07420. 0456 ～0. 16500. 08450. 0407 ～0. 18970. 0973 Cu0. 1398 ～0. 36730. 20970. 1168 ～0. 49500. 22380. 1110 ～0. 51360. 2374 Zn0. 6472 ～0. 87580. 74550. 4354 ～0. 90150. 66210. 2927 ～0. 84530. 5304 2. 2径流污染的时间变化 根据监测结果分析， 3 个采样点降雨事件的汇水 面雨水径流中重金属污染物浓度变化趋势如图 2 所 示。不同路段污染物浓度随雨水径流冲洗变化态势 几乎相同， 即随着降雨和径流的延续， 重金属的浓度 会逐渐达到最大值， 随后持续下降。图 2a 显示了 3 个采样点中重金属元素 Cu 的变化曲线， 随着时间变 化采样点Ⅱ最先达到峰值， 其次是采样点Ⅰ， 最后为 采样点Ⅲ， 虽然达到峰值的时间不同， 但变化趋势都 较明显。图 2b 可以看出 3 个采样点中重金属元素 Pb 的含量随时间变化趋势明显， 达到峰值的时间不 同， 但基本上呈现出在采样初始阶段较低， 5 min后开 始逐渐增加， 达到峰值后又降低。采样点Ⅱ相对于采 样点Ⅰ和Ⅲ来说， 重金属元素 Pb 的含量较高， 最先达 到峰值， 而采样点Ⅲ重金属元素的变化曲线不是很明 显。由图 2c 分析可看出 3 个采样点重金属元素 Zn 的含量在 10 min 后开始达到高峰， 且 4 种重金属元 素中 Zn 的含量最高。由图2d 可以看出 重金属元素 Cd 的含量最少， 采样点Ⅰ和采样点Ⅲ的曲线无明显 变化趋势， 但采样点Ⅱ的含量远远超出了采样点Ⅰ、 Ⅲ， 5min 后逐渐增高达到峰值。 2. 3事件平均浓度 EMC 降雨过程中污染物质量浓度受降雨特征、 区域性 质、 采样误差等不确定因素的影响， 不同地区同一降 雨事件或是同一地区不同降雨事件中， 污染物质量浓 度差别很大。由此， 采用美国环保局城市径流计划 NUＲP提出的“降雨径流污染事件平均浓度” Event Mean Concentration 来评估污染物质量浓度 及其污染程度。EMC 是以降雨事件中污染物负荷与 总径流体积比值来表征径流污染［20 ］。 由于实测的径流速度和污染物浓度总是离散数 图 2重金属元素浓度的时间变化 Fig．2Variation of heavy metals concentration by time 701 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 据， 且污染物浓度的数据量远小于流量数据， 常用公 式 1 计算 EMC EMC M V ∑ n i 0 C ti Qi ∑ n i 0 Qi 1 式中 C ti 为第 i 时段的污染物质量浓度， mg/L; Qi 为第 i 时段的径流量， L; n 为瞬时样品的数量。用式 1 计算 EMC， 结果见表 3。 表3重金属的事件平均浓度及地表水环境质量标准的项目限值 Table 3EMCs and standard threshold value in GB 38382002 for heavy metalsmg/L 项目CdCuPbZn 采样点Ⅰ0. 00580. 44390. 33511. 2742 采样点Ⅱ0. 00992. 52761. 25211. 8343 采样点Ⅲ0. 00160. 26440. 36711. 062 Ⅰ类≤0. 001≤0. 01≤0. 01≤0. 05 Ⅱ类≤0. 005≤1. 0≤0. 01≤1. 0 Ⅲ类≤0. 005≤1. 0≤0. 05≤1. 0 Ⅳ类≤0. 005≤1. 0≤0. 05≤2. 0 Ⅴ类≤0. 01≤1. 0≤0. 1≤2. 0 由表 3 可看出 4 种重金属元素在不同的采样区 域含量不同， 采样点Ⅰ中 4 种重金属元素的 EMC 值 排列顺序为 Zn ＞ Pb ＞ Cu ＞ Cd; 采样点Ⅱ中 EMC 值排 列顺序为 Cu ＞ Zn ＞ Pb ＞ Cd; 采样Ⅲ中的 EMC 排列顺 序为 Zn ＞ Cu ＞ Pb ＞ Cd; 总体而言， 3 个采样点中 Zn、 Cu、 Pb 的质量浓度较高， 而 Cd 的含量最小。 对照 GB 38382002地表水环境质量标准 ， 3 个采样点的重金属元素 Zn 浓度均超过地表水环境质 量 III 类标准但低于Ⅳ类标准， 尤其是采样点Ⅱ中 Zn 元素的 EMC 在 3 个采样点中最高， 且超过地表水标 准Ⅲ类的1. 8 倍; 3 个采样点中， Cu 的含量也较高， 采 样点Ⅰ中 Cu 元素的 EMC 值低于地表水环境质量Ⅱ 类标准， 采样点Ⅱ中 Cu 元素的 EMC 值远远超过地表 水环境质量Ⅴ类标准， 是标准的 2 倍多， 采样Ⅲ中 Cu 元素的 EMC 值虽低于地表水环境质量Ⅱ类标准， 但 大于采样点Ⅰ; 4 种重金属元素中， Pb 的含量也是比 较高的。3 个采样点的 Pb 元素 EMC 值都高于地表 水环境质量Ⅴ类标准。采样Ⅰ、 Ⅲ中 Pb 元素的 EMC 值高于地表水环境质量Ⅴ类标准的 3 倍多。采样点 Ⅱ中 Pb 元素的 EMC 值远超过地表水环境质量Ⅴ类 标准， 是标准的 12 倍; 3 个采样点路面径流中 Cd 的 含量最小， 采样点Ⅰ和Ⅱ中 Cd 的 EMC 值超过地表水 环境质量Ⅳ类标准， 接近地表水环境质量Ⅴ类标准; 采样Ⅲ中 Cd 的 EMC 值虽低于地表水环境质量Ⅳ类 标准， 但大于采样点Ⅰ。 2. 4径流中重金属的相关性分析 研究路面径流中重金属之间的相关性并进行相 关系数统计分析， 结果如表 4 所示。从表 4 可看出 2012 年 10 月 19 日降雨中， 4 种重金属相关系数为 0. 262 ～0. 889。重金属元素 Cu 和 Zn、 Pb 呈显著性相 关。Cd 与其他元素之间的相关性不显著。 表 4重金属元素浓度间的相关系数 Table 4Correlation coefficients of heavy metals concentration 重金属元素ZnPbCu Pb0. 288 Cu0. 889＊ ＊0. 539* Cd0. 2620. 0620. 074 注*在置信度 双侧 为 0. 05 时， 显著相关。 ＊ ＊在 0. 01 水平 双侧 时， 显著相关。 3讨论与分析 3. 1重金属元素时间变化特征的讨论 通过雨水径流时间变化规律分析可以看出， 3 个 采样点重金属浓度均在 5 ～15 min 时达到高峰， 随着 径流的减少， 浓度也逐渐减低 图 2 。以图 2a 为例， 在降雨初期， 重金属元素含量较低， 随着降雨的持续 重金属元素达到峰值随后下降。由于干燥期路面积 累的重金属在初期就被径流雨水冲洗而迁移， 随着路 面径流的不断冲洗， 路面中的重金属就越来越少， 监 测出的重金属浓度的含量也就随之降低。由此， 可以 得出乌鲁木齐城市道路雨水径流中的重金属污染物 符合 “浓度初期冲刷规律” ［21 ］。从图 2 可看出 重金 属含量最高的为采样点Ⅱ， 因城市建设发展， 其道路 的单行车道数与面积均大于采样点Ⅰ和Ⅲ， 采样点Ⅱ 位于行车道内侧， 距红绿灯很近， 且靠近商业区， 车流 量大， 车辆往往是低速行驶， 燃料并没有充分燃烧， 轮 胎的磨损和金属车身和部件的剥落易造成路面重金 属污染。采样点Ⅲ位于居民区附近， 该路段清洁度 高， 附近车流量少， 雨水径流不易形成污染物的堆积， 相比前两个采样点而言重金属浓度相对含量较低。 3. 2重金属元素 EMC 值分析 由表 3 分析可得出 重金属 Zn、 Cu、 Pb 污染较严 重， 采样点Ⅱ的路面径流中的 Zn、 Cu、 Pb 都是含量最 高的， 其中 Cu 的含量是地表水环境质量Ⅴ类标准的 2 倍多， Pb 是地表水环境质量Ⅴ类标准的 12 倍。所 以乌鲁木齐市路面雨水径流重金属污染严重， Pb、 Cu、 Zn 质量浓度较高， 污染贡献率大， 为径流主要重 801 环境工程 Environmental Engineering 金属污染物。采样点Ⅱ较之Ⅰ、 Ⅲ， 车流量最大， 周边 商铺林立， 道路密集， 绿化面积较小， 不利于污染的扩 散， 由此重金属含量也较高。影响道路重金属污染的 主要因素是交通流量大小， 但也与其他因素相关。不 同道路等级之间重金属质量浓度不同， 等级越高， 交 通活动越密集， 重金属元素含量也越高。 3. 3与其他城市重金属元素 EMC 值的比较 选择研究区与国内其他城市交通量相当的路面 进行雨水径流重金属 EMC 比较， 结果如表 5 所示。 从表 5 可知 乌鲁木齐市路面径流中重金属元素 Cd 的污染水平较小， 与其他城市基本上持平。但除 Zn 外， Cu、 Pb 污染严重， 均超过了其他城市。与车流量 略大于乌鲁木齐市的广州市比较， 乌鲁木齐市雨水径 流中重金属元素 Cu、 Pb 测定值也高于广州市， 远高 于其他三个城市。北京市路面雨水径流中 Pb 浓度最 高， 广州与重庆是 Zn， 乌鲁木齐则是 Cu。总体而言， 乌鲁木齐道路雨水径流中重金属元素污染严重， 且与 其他城市雨水径流的重金属来源存在差异性。 表 5不同城市路面雨水径流重金属 EMC 值比较 Table 5Comparison of the EMC of the heavy metals in road rainfall runoff among cities 城市 单向平均 日交通量/d －1 重金属元素 EMC 值/ mg L －1 CuZnPbCd 北京［22 ］ 0. 00200. 00600. 03060. 0100 广州［16 ］ 22 0000. 16002. 06000. 11520. 0016 重庆［23 ］ 8 0000. 00090. 01010. 00220. 0005 天津［16 ］ 36 0000. 00700. 0100 研究区20 0002. 52761. 83430. 36710. 0016 3. 4重金属元素相关性讨论 由表 4 可看出 重金属元素 Cu、 Zn 和 Pb 之间相 关性较高， 说明这些重金属有同源性。这与现代汽车 制造业中多使用合金金属有很大的关系， 例如黄铜是 由 Cu、 Zn 和 Pb 3 种金属冶炼而成 ［24 ］。有研究表明， 道路雨水中的污染物主要来源于轮胎磨损、 防冻剂使 用、 车辆泄露、 丢弃废物等， 污染物成分主要包括有机 或无机化合物、 氮、 磷、 金属、 油类等。而道路污染物 中重金属元素 Pb 的主要来源是含铅汽油、 轮胎磨损; 重金属元素 Zn 的主要来源是轮胎磨损、 发动机润滑 油; 重金属元素 Cu 的主要来源是金属电镀、 轴承及 制动部件磨损; 重金属元素 Cd 的主要来源是轮胎磨 损 ［25 ］。综上所述， 城市道路中重金属元素的沉积大 部分来源于频繁的交通活动造成的轮胎磨损以及汽 油的使用等。降雨发生时， 在晴天时累积的污染物随 着雨水的冲刷流入城市排水管网， 给城市环境带来一 定的影响。 4结论 1 路面径流的重金属具有明显的径流初期冲洗 特征， 在径流的初始阶段， 重金属浓度达到最大值， 3 个采样点均在 10 ～ 15 min 时达到最大值， 随着降雨 和径流的延续， 重金属浓度持续下降， 最终趋于稳定。 乌鲁木齐市道路雨水径流中重金属污染物符合“浓 度初期冲刷规律” 。 2 3 个采样点中 Zn、 Cu、 Pb 的质量浓度较高， 而 Cd 的含量最小。不同道路等级之间重金属质量浓度 不同， 城市交通密集区路面径流重金属浓度较高， 支 路路面中重金属的含量相对而言较低， 影响道路重金 属污染的主要因素是交通流量大小。提高道路的清 扫率和道路交通安排的合理性对径流中重金属的含 量有着直接的影响。 3 路面径流中不同种类重金属之间相关性明 显， 表明这些重金属污染物具有同源性。城市道路雨 水径流中的重金属污染物来源于轮胎磨损、 防冻剂使 用、 车辆的泄露、 杀虫剂和肥料的使用， 丢弃的废物 等， 这些污染物都将随着雨水冲刷形成路面径流污 染， 并流入地下水源， 影响水生生态系统。 4 与其他城市相比， 乌鲁木齐市路面径流中重 金属元素 Cd 含量与其他城市基本相当， Zn、 Cu、 Pb 均超过了其他城市。与广州市相比， 广州市路面雨水 径流中重金属 Cu、 Pb 测定值低于乌鲁木齐市。乌鲁 木齐市道路雨水径流中重金属元素浓度普遍较高， 与 其他城市雨水径流的污染物来源不同。除了交通量 因素外， 与气候环境、 道路路面环境维护和管理的不 同亦有关。 城市雨水径流污染对环境的影响不能忽视， 随着 城市化的进程加速应将雨水径流污染防治提至议事 日程， 在城市管理过程中加强城区地面清洁管理， 多 使用低污染性的防水材料， 并引用新型科技技术对雨 水进行净化， 使之有利于解决城市水资源紧缺的问 题。由于降雨事件的随机性较大， 建议今后的研究工 作中加强自动采样仪器的应用， 开展降雨径流污染的 长期监测， 更全面有效地反映径流污染特征。 参考文献 ［1］Perdikaki K，Mason C F．Impact of road run- off on receiving streams in eastern England［J］． Water Ｒesearch，1999，33 7 1627- 1633. 901 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment ［2］Kayhanian M，Stansky C， Bay S，et al． Toxicity of urban highway runoff with respect to storm duration［J］ ． Science of the Total Environment， 2008， 389 2/3 386- 406. ［3］Deletic A，Orr D W． Pollution buildup on road surface ［J］ ． Journal of Environmental Engineering， 2005， 131 1 49- 59. ［4］张娜，赵乐军，李铁龙， 等． 天津城区道路雨水径流水质监测及 污染特征分析［ J］ ． 生态环境学报， 2009， 18 6 2127- 2131. ［5］Canalerp，Auermt Owensem． Modeling fecal coli bacteria Ⅱ 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