蘭州市西固城區(qū)街道灰塵粒徑特征及環(huán)境效應(yīng)分析

秦 松，南忠仁

（1.中煤科工集團重慶設(shè)計研究院，重慶 400016；2.西部環(huán)境教育部重點實驗室 資源環(huán)境學(xué)院 蘭州大學(xué)，蘭州 730000）

城市灰塵污染是城市環(huán)境學(xué)研究的主要內(nèi)容之一［1］。20世紀70年代中期，《nature》雜志上刊登了一篇名為“城市街道灰塵中的鉛”的研究論文［2］，首次提出了“城市街道灰塵”（urban street dust）的名稱。在此后的30多年里，國外開展了不同程度的城市街道灰塵環(huán)境污染勘查，取得了許多具有借鑒性的成果。國外諸多研究結(jié)果［3－5］表明，城市街道灰塵與大氣顆粒物污染、河流面源污染以及部分呼吸道疾病等有較為密切的成因演化關(guān)系。

本文立足于西北干旱區(qū)的重工業(yè)城市，以蘭州市西固城區(qū)為研究區(qū)域，合理選擇采樣點采集城市街道灰塵樣品，運用機械震動篩分、地學(xué)統(tǒng)計、現(xiàn)場調(diào)查相結(jié)合的方法，分析了研究區(qū)城市街道灰塵的粒徑組成特征、分布分配規(guī)律及環(huán)境效應(yīng)等，對進一步探討地－氣系統(tǒng)之間物質(zhì)交換的機制、數(shù)量、來源以及環(huán)境影響都具有積極意義。

1 材料與方法

采用均勻布點與功能布點相結(jié)合的方法，在蘭州市西固區(qū)收集了47個街道灰塵樣品。其中，44個為城區(qū)街道灰塵樣品（9個住宅點、14個交通點、7個工業(yè)點、8個交通工業(yè)混合點、6個商業(yè)點）；3個對照樣品，采自遠離工廠、商業(yè)點等的郊區(qū)街道；每個灰塵樣品為采樣點附近多個小樣點的混合樣。為便于收集，在連續(xù)無雨半個月后的晴天，用塑料小刷仔細完全地清掃一定面積的馬路路面，然后用塑料小鏟收集大約100 g的灰塵樣品，裝入已編號塑料密封袋，同時記錄清掃狀況、車流量、車輛類型等相關(guān)信息。收集點盡量遠離特殊、明顯的污染源比如工廠車間、加油站等，以及與城市自然土壤比較靠近的區(qū)域。在實驗室內(nèi)，將樣品自然風干，然后過1 mm（15目）尼龍篩，以去除樹葉、雜草、石塊、煙頭等雜物。

對樣品采用機械震動篩分法進行粒徑連續(xù)分級，然后采用地學(xué)統(tǒng)計方法分析粒徑的質(zhì)量頻率分布，分析探討其來源及環(huán)境效應(yīng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 研究區(qū)街道灰塵粒徑組成及來源分析

粒徑組成分析采用機械震動篩分法，將0～1 mm的灰塵樣品粗分為1～0.25 mm、0.25～0.125 mm、0.125～0.074 mm、0.074～0.063 mm、0.063～0.050 mm、＜0.050 mm 6個粒徑段，不同粒徑段的質(zhì)量分數(shù)組成統(tǒng)計結(jié)果（n＝47）見表1。

表1 蘭州市西固城區(qū)街道灰塵粒徑組成統(tǒng)計特征值 %

由表1可知，從統(tǒng)計平均值來看，研究區(qū)街道灰塵的粒級組成峰值出現(xiàn)在＜0.050 mm，質(zhì)量分數(shù)占45.16%；分別在0.063～0.050 mm 和0.25～0.125 mm粒徑段出現(xiàn)2個次峰值，質(zhì)量分數(shù)為19.21%和19.06%；以上3個粒徑段灰塵共占83.43% 的灰塵質(zhì)量。其次為1～0.25 mm粒徑段，占7.79%，主要為有機成分和粗砂；0.125～0.074 mm 粒徑段次之，占6.26%；0.074～0.063 mm粒徑段的質(zhì)量分數(shù)最小，僅為2.52%。根據(jù)我國土壤顆粒成分分級標準［6］，研究區(qū)街道灰塵顆粒中，粗砂粒（1～0.25 mm）成分僅占7.79%；以細粒子（＜0.25 mm）為主，占92.21%。其中，粉、黏粒（＜0.05 mm）占主要部分，超過45.16%。

研究表明，城市街道灰塵除部分是原地成土母質(zhì)形成外，大部分都是在風積作用下經(jīng)過一定時期的搬運作用在城市中沉積下來的［7］。城市街道灰塵的搬運沉積與粒徑密切相關(guān)，細粒徑顆粒（＜0.05 mm）主要是通過異地遠程高空懸移搬運而來，粗粒徑顆粒（＞0.05 mm）是以躍移或蠕移的方式從周邊遷移而來［8］。另據(jù)報道，粒徑介于0.05～0.005 mm的物質(zhì)被認為是沙塵暴主要的降塵物質(zhì)［9］。研究區(qū)地處西北干旱區(qū)，屬于西北沙塵高發(fā)區(qū)，采樣季節(jié)（5月）處于沙塵高發(fā)時期，城市浮塵天氣較多。據(jù)此測算，45% 以上的灰塵可能是通過高空懸移搬運而來，街道灰塵受遠程源的沉降影響較大，其余部分主要是來源于周邊黃土的近程遷移、工業(yè)排放及交通排放等。由此說明，沙塵可能是西固城區(qū)街道灰塵的重要遠程貢獻源。

2.2 研究區(qū)街道灰塵粒徑分配規(guī)律分析

為研究城市不同功能點位街道灰塵粒徑的分配規(guī)律，根據(jù)功能將47個城區(qū)采樣點分為住宅點（n＝9）、交通點（n＝14）、工業(yè)點（n＝7）、商業(yè)點（n＝6）、交通工業(yè)混合點（n＝8）、以及對照點（n＝3）。為進一步分析其分配狀況，參照美國制土壤顆粒分級標準［6］，將研究區(qū)灰塵粒徑大致分為4個等級：1～0.25 mm（粗中砂）、0.25～0.125 mm（細砂）、0.125～0.050 mm（極細砂）、＜0.050 mm（粉粒，包括黏粒），見圖1。

圖1 蘭州市西固區(qū)不同功能點粒徑分配特征

由圖1可得出以下3條信息：（1）從各粒徑段質(zhì)量分數(shù)來看，商業(yè)點各粒徑段所占比例與對照點最為接近，其余功能點各粒徑質(zhì)量分數(shù)與對照點均有較大差異。（2）從總體變化趨勢上看，住宅點、交通點、交通工業(yè)混合點、工業(yè)點與對照點的粒徑質(zhì)量分數(shù)組成表現(xiàn)為完全一致的變化趨勢：粉黏粒＞極細砂＞細砂＞粗中砂；商業(yè)點的粒徑質(zhì)量分數(shù)組成變化趨勢表現(xiàn)為：粉黏粒＞細砂＞極細砂＞粗中砂，由此說明商業(yè)點的粒徑較其余功能點和對照點相對為粗。（3）從各功能點的細顆粒——粉黏粒含量看，呈現(xiàn)出如下變化趨勢：住宅點（60.90%）＞交通點（49.06%）＞工業(yè)點（40.50%）＞商業(yè)點（31.60%）；相反，從較粗顆粒——砂（包括粗中砂、細砂、極細砂）的含量來看，商業(yè)點＞工業(yè)點＞交通點＞住宅點。

2.3 研究區(qū)街道灰塵環(huán)境效應(yīng)分析

中國北方產(chǎn)生沙塵的地表物質(zhì)主要是以粉塵為主，其顆粒直徑多在0.063～0.002 mm 之間［6］。中國學(xué)者實驗表明，0.1 mm粒徑顆粒最易隨風起動，且粒徑在0.05～0.1 mm的極細砂，既可隨風懸移也可躍移［10］；劉東生根據(jù)風洞實驗結(jié)果提出了“0.05～0.01 mm 粒級”是“風塵基本粒級”的基本概念，即為易浮動和易分散的粒級［10］。總體認為，粒徑≤0.1 mm（相當于TSP粒級）的灰塵比較活躍，容易受外力作用所擾動而產(chǎn)生揚塵，這些顆粒物進入人體的機率很大，從而對人體構(gòu)成較大危害。揚塵是危害人體健康的可吸入顆粒物（PM10甚至PM2.5）三大來源之一，由于街道灰塵產(chǎn)生的揚塵化學(xué)成分復(fù)雜，所含有毒有害物質(zhì)較多，本文在此僅從粒徑組成特征上分析其環(huán)境效應(yīng)。資料表明［11］，顆粒物沉積率與粒徑關(guān)系非常密切：粒徑為0.01～0.000 1 mm的顆粒物有90% 沉積于呼吸道和肺泡上，粒徑為0.005～0.000 5 mm的顆粒物沉積率隨粒徑的減小而逐漸減少，0.000 5 mm顆粒物的沉積率為20%～30%，粒徑為0.002～0.004μm的顆粒物在肺泡內(nèi)沉積率最大，同時重金屬、多環(huán)芳烴等有毒有害物質(zhì)因細顆粒物比表面積大而被吸附，從而可懸浮的城市街道灰塵顆粒物的環(huán)境危害非常大，沉積在肺部的污染物會破壞細胞結(jié)構(gòu)甚至造成血液中毒，侵入肺組織或淋巴結(jié)可引起塵肺。通過與風力作用下的地表顆粒運動狀態(tài)（0.5～1 mm，主要發(fā)生表面滾動；0.1～0.5 mm，主要發(fā)生跳躍移動；＜0.1 mm，主要發(fā)生懸浮搬運）進行比較分析可知，西固區(qū)65%～75%的街道灰塵屬于懸浮搬運范圍。所以，只要在一定的外力作用下，比如微風和大氣流體［1，9］，研究區(qū)約70%的街道灰塵極易在相對封閉的空間內(nèi)被再次揚起進入大氣環(huán)境，成為揚塵污染的一個自身潛在源，從而將對城市市容市貌和居民身體健康產(chǎn)生不良影響。

3 結(jié) 論

通過以上分析，可得出如下基本結(jié)論：

（1）研究區(qū)街道灰塵以細粒子（＜0.25 mm）為主，占92.21%；45%以上的灰塵可能是通過高空懸移搬運而來，街道灰塵受遠程源的沉降影響較大。

（2）商業(yè)點各粒徑段所占比例與對照點最為接近；其余功能點與對照點的粒徑質(zhì)量分數(shù)組成的變化趨勢完全一致：粉黏粒＞極細砂＞細砂＞粗中砂；對人體健康影響較大的粉黏粒相對含量呈現(xiàn)出如下分配趨勢：住宅點（60.90%）＞交通點（49.06%）＞工業(yè)點（40.50%）＞商業(yè)點（31.60%）。

（3）西固區(qū)65%～75%的街道灰塵極易在相對封閉的空間內(nèi)再懸浮，成為揚塵污染的一個自身潛在源，從而將對城市市容市貌和城市居民的呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。

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