公路路面灰塵及其徑流重金屬污染研究

王新軍，高碩晗，姚嘉林，熊新竹，李云鵬

（交通運輸部科學研究院，北京 100029）

0 引言

路面灰塵作為一個來源復雜、包含多種污染物的混合體，是環境中很多污染物質的“源”與“匯”，與水體環境污染和大氣污染密切相關。研究表明，雖然道路僅占城市積水面積的20%左右，但城市道路徑流對受納水體卻產生了約50%的SS、30%的總碳氫化合物[1]，貢獻的重金屬總污染負荷達35%～75%[2]。亦有研究表明，路面灰塵對大氣中PM10總排放量的貢獻率約為20%～80%，對大氣顆粒物中重金屬污染的貢獻率則高達75%～94%[3]。可見，路面灰塵及其徑流污染對環境和人類健康構成了嚴重的威脅。隨著全球城市化的推進，路面灰塵及徑流污染已成為相關研究人員及公眾密切關注的重要問題。

目前，我國城市道路通車總里程約為35.2萬km，而全國公路通車總里程從2001年的169.8萬km增至2017年的477.35萬km，其中高速公路里程突破13萬km，農村公路里程突破400萬km，僅貨運量就從2001年的105.58億t增至2017年的472.43億t，公路里程和運輸量增長迅速。頻繁的交通活動勢必導致公路路面累積污染物的數量和種類急劇增加，加重路面徑流污染程度，并對公路周邊農田、林地、河流、濕地等生態系統以及水源保護地、自然保護區等構成嚴重威脅，導致環境污染形勢日益嚴峻。因此，關于公路路面灰塵及徑流污染的研究亟待加強。

目前，我國路面灰塵及徑流污染研究主要集中在大中型城市的市內道路，而對連接城市、城鄉、鄉鎮、農村的公路路面灰塵及徑流污染問題研究較少。公路與城市道路之間存在著明顯差異：從周邊環境分析，城市道路主要是圍繞居住區、商業區、辦公區、學校、廠礦企業等設施建設，而公路周邊多以農田、林地、河流、鄉村為主，在人口密度、土地利用類型等方面存在著巨大的環境差異；從交通量和行車速度分析，城市道路交通構成比較復雜，一般呈現潮汐車流、車速慢，而公路車流量相對穩定，車速快，同時城市道路基本不會出現重載交通，公路則與之相反；從維護管養分析，城市道路有定期的路面清掃和灑水，而公路主要以路面病害防治為主，缺乏清掃。這些差異勢必會影響公路路面灰塵的輸入、輸出以及環境效應，從而表現出不同的特征。由于公路一般遠離城市，其污染問題并沒有引起重視，有關公路路面灰塵污染特征還鮮有研究或報道。

為此，本文從路面灰塵重金屬污染來源、污染特征、粒徑分布特征以及路面徑流重金屬污染特征、排放規律等方面就國內外相關研究進行分類綜述，對現有研究存在的不足以及未來研究趨勢和熱點加以分析，以期為加強路面灰塵重金屬污染與防治相關研究工作提供有益借鑒。

1 路面灰塵重金屬污染研究現狀

1.1 路面灰塵重金屬污染來源

路面灰塵重金屬主要來源于以大氣沉降為主的自然源和包括交通污染、工業污染和城市建設與生活等方面的人為源[4]。交通污染主要表現為汽車尾氣排放、輪胎和路面的老化磨損、車體自身的磨損和腐蝕、油類潤滑劑的使用以及融雪劑的污染等方面[5-6]；工業污染主要表現為金屬冶煉廠、電鍍廠、軋鋼廠等金屬加工廠的廢氣排放[7]；城市建設與生活污染主要表現為建筑揚塵、建筑物金屬部分的腐蝕脫落以及冬季燃煤供暖的煙氣排放等方面[8]。從元素角度分析，Mn,V,Co,Ba主要來源于自然源，Cr,Ni,Cu,Zn,Pb,Cd,Sb主要來源于人類活動，尤其以交通污染為主[9]。總之，路面灰塵重金屬污染來源復雜。方鳳滿等對路面灰塵重金屬污染來源做了詳細的綜述[10]。

1.2 路面灰塵重金屬污染特征

路面灰塵重金屬污染是反映城市環境污染狀況的重要指標之一，國內外許多學者圍繞城市道路,按城市功能區分布開展了廣泛的研究。研究表明，受城市工業、交通活動、城市建設等人類活動的影響，重金屬Cr,Ni,Cu,Pb,Zn,Cd廣泛存在于城市路面灰塵中，同時Cu,Pb,Zn,Cd的污染比Cr,Ni要嚴重，而且均高出土壤背景值和城區土壤污染水平[11-14]；不同功能區之間的污染空間分異較大，重工業區污染比較嚴重，交通區重金屬含量明顯高于居民區，公園、學校及幼兒園等娛樂文教區也受到不同程度的污染。綜上所述，灰塵重金屬污染對城區生態環境構成了嚴重的威脅[14-17]。

近十幾年來，我國關于路面灰塵重金屬污染的研究主要集中在如香港、北京、上海、重慶、南京、杭州、西安、沈陽、長春、哈爾濱、烏魯木齊、寶雞等大中型城市的中心城區道路，取得了很多有價值的成果。我國部分城市路面灰塵中重金屬含量的分布情況見表1[8,13-15,17-24]。目前，鮮有關于路面灰塵中重金屬Sb的分布特征的研究。由于受城市人口規模、交通量、城市地形與氣象以及各地的土壤背景值等因素的影響，不同元素在不同城市地表灰塵中的含量差異較大。城市道路路面灰塵中重金屬Cr,Ni,Cu,Zn,Pb,Cd的含量分別為土壤背景值的 0.8～2.7倍、1.0～1.8倍、1.1～10.5倍、0.8～19.5倍、2.1～16.7倍、3.2～16.9倍，幾乎全部超過我國土壤背景值。相關結果表明，重金屬在路面灰塵中大量富集。

表1 國內城市道路和高速公路路面灰塵重金屬含量

與城市道路相比，我國針對高速公路以及低等級公路路面灰塵污染特征的研究相對較少。隨著高速公路的快速發展，一些學者對江西、山東、湖南、吉林的幾條高速公路路面灰塵重金屬污染狀況進行了研究[25-28]，結果見表1。高速公路路面灰塵重金屬Cr,Ni,Cu,Zn,Pb,Cd含量分別為土壤背景值的 2.6～3.7 倍、1.6～2.1 倍、1.9～10.7倍、10.3～14.2倍、3.3～27.9倍、6.8～118.5倍。與農用地土壤污染風險管控標準相比，除Ni外，高速公路路面灰塵重金屬含量均超過了標準的最低限值，尤其是Zn超過了標準限值的1～3倍。總體而言，高速公路路面灰塵重金屬含量高于城市道路，潛在環境污染風險大，高速公路路面灰塵污染亟需關注。由于人口、能源、下墊面特征、交通等因素造成的城鄉環境差異對街塵及其重金屬污染分布有顯著的影響，已逐漸引起研究人員的重視[31]，而對于連接城市、城鄉、鄉鎮、農村的不同等級公路路面的灰塵累積分布及其重金屬污染分布還鮮有研究報道。

1.3 路面灰塵及重金屬粒徑分布特征

灰塵粒徑特征在很大程度上決定了重金屬的可移動性，國內外學者自20世紀80年代以來就開始對地表灰塵及重金屬粒徑分布規律展開了相關研究[6,32]。總體上，路面灰塵中重金屬含量隨灰塵粒徑的減小而增加，表現出明顯的粒級效應，但不同元素由于其來源不同，在不同粒徑上的富集規律存在一定差異[33]。城市路面灰塵中＜250μm的顆粒物占64%以上[4,17,24]。

然而，馮美軍等對長深高速公路路面灰塵研究表明，大粒徑(＞250μm)顆粒占顆粒物總量的76.23%[25]。但徐沛斌對長潭西高速公路路面灰塵的研究發現，路面灰塵以粒徑＜300μm的小顆粒為主[34]。Wang等對吉林省6條高速公路路面灰塵粒徑分析表明，灰塵以粒徑＞250μm的大顆粒為主（占比約為50.8%～67.7%），相比于一般城市道路，高速公路路面灰塵粒徑較大[28]。高速公路不同粒徑灰塵賦存的重金屬對污染的貢獻率以大粒徑顆粒為主，粒徑＜250μm的顆粒貢獻率為45.7%[28]，而城市道路中粒徑＜250μm的顆粒貢獻率為80%[4]。可見，高速公路路面灰塵粒徑組成及重金屬污染呈現出與城市道路不同的污染特征。但是由于相關研究不足，有關公路路面的灰塵粒徑分布尚存在爭議。

路面灰塵累積、粒徑組成以及重金屬的變化不僅受晴天累積天數、土地利用類型、道路清掃方式、風力等因素影響，同時交通流量、車速、路面條件也會產生重要影響[6,10,35]。根據《公路工程技術標準》[36]，我國將公路分為高速公路、一級公路、二級公路、三級公路和四級公路五個技術等級。不同等級公路在寬度、線形等技術指標方面不同，同時在車流量、車型比例、車速等方面也存在顯著差異。雖然對于高速公路路面灰塵重金屬污染特征研究已有一些成果[25-28,34]，也證實了高速公路路面灰塵污染嚴重，但不同等級公路路面灰塵累積有何分布特征，粒徑組成、分布及重金屬污染程度是否存在差異，影響的關鍵因素有哪些，這些問題都有待研究回答。

2 路面灰塵重金屬徑流效應研究現狀

2.1 路面徑流重金屬污染特征

20世紀70年代以來，國內外學者對城市道路路面降雨徑流污染進行了大量的研究，包括污染物含量、影響因素、污染源及其從路面到受納水體的遷移過程、污染物對受納水體水質的影響等方面[37,38]。研究表明，一般路面徑流主要監測水質指標有：pH值以及EC,TN,TP,NH4+-N,NO3--N,TSS,COD,BOD5和重金屬（Cu,Zn和Pb）等污染物。總體上說，城市道路徑流主要的污染物為TSS,COD,TN,TP。除城市道路降雨徑流污染外，隨著高速公路的快速發展，頻繁的交通活動使其徑流污染嚴重，為此也逐漸受到關注[1,39-41]。研究認為，路面徑流重金屬主要來源于車輛的交通耗損，而高速路的車速快，車輛磨損大于普通道路，因此在高速路徑流污染物中Pb,Cu和Zn的濃度要高于普通道路[42]；普通道路徑流污染物中COD和TSS要高于高速路，這主要由于普通道路受人類活動影響較大的緣故[42]。

2.2 路面徑流重金屬排放規律

路面灰塵中Cr,Ni,Cu,Zn,Pb,Cd等被徑流沖刷進入水體，造成水體重金屬污染。路面徑流重金屬污染大部分存在一定的初期效應。它是路面徑流污染的重要特征，對非點源污染控制有重要的指導意義。徑流中的污染物隨降雨過程逐漸降低，初期徑流之后（15～30min），污染物的平均濃度比初期徑流污染物濃度降低25%～50%，徑流中Zn,Pb,Cd,Cu和Cr等重金屬的污染符合“濃度初期沖刷”規律[39]。降雨量大、初期降雨強度大的降雨事件，初期徑流中污染物濃度較高，之后污染物濃度逐漸降低；然而降雨量小、平均降雨強度小的降雨事件，對污染物沖刷不徹底，污染物濃度在一定范圍內波動，沒有明顯變化[41]。

2.3 路面灰塵與徑流污染相關關系

降雨沖刷是灰塵地表徑流負荷產生的動力和輸移條件。研究認為，粒徑決定著灰塵顆粒在徑流中的可移動性，大顆粒物很難隨徑流移動[42]。一般降雨事件中粒徑＜100 μm的灰塵是徑流中顆粒物的最主要組成部分[43]。常靜等提出了“城市地表灰塵-降雨徑流”的系統概念，強調了不透水地面的累積和沖刷是污染物遷移轉化的關鍵過程[44]。Zhao等通過對北京市街塵采樣和徑流觀測，初步估算了街塵的定量沖刷比例[31]，但是路面灰塵與徑流沖刷顆粒物之間的污染物濃度與量的關系依然有待進一步深入研究。

3 研究展望

3.1 不同等級公路路面灰塵及重金屬污染特征研究

當前，我國路面灰塵重金屬污染研究主要關注大中型城市的中心城區道路，至于連接城市、縣城、鄉鎮、農村的公路路面灰塵及其徑流污染問題尚未引起重視。由于公路與城市道路在周邊環境、交通量和行車速度、清掃方式和頻率等方面存在顯著差異，而這些差異可能對路面灰塵的累積量、粒徑組成、重金屬污染水平等方面產生較大的影響。為此，科學評估不同等級公路路面灰塵及重金屬污染現狀并掌握其特征對于污染防治至關重要。

3.2 不同等級公路路面灰塵及重金屬遷移轉化機制與規律研究

目前，城市道路路面灰塵研究主要集中在灰塵的累積分布、重金屬含量、空間分布及污染評價等方面，但灰塵重金屬可以在路域“土-氣-水”界面間遷移轉化，對土壤、水體、植物、人體都會帶來潛在風險。已有研究均是建立在單一界面上，今后應加強路域范圍內灰塵及重金屬在“土-氣-水”界面間遷移轉化及規律的研究[45,46]。

3.3 重金屬的來源解析及風險評價研究

路面灰塵重金屬的來源非常復雜，目前已有研究的判源手段主要以GIS空間分析、相關性分析、主成分分析等定性描述的方法為主[6]，雖然已有學者采用同位素示蹤技術在灰塵重金屬污染源解析方面進行了定量分析[47]，但其應用范圍還比較狹窄。如何應用更多的新技術對重金屬來源進行定量分析，是今后灰塵重金屬源解析的重點和難點。此外，當前灰塵多以人體暴露風險評價為主，但受模型參數的影響，可能在一定程度上低估潛在風險，以模擬人體吸入和消化過程為主的重金屬生物毒性與毒理研究[48]將會成為今后風險評價的熱點。

4 結論

本文從路面灰塵重金屬污染來源、污染特征、粒徑分布特征以及路面徑流重金屬污染特征、排放規律等方面，對國內外研究狀況進行了分析，并得出以下結論。

（1）路面灰塵交通污染源主要為汽車尾氣排放、輪胎和路面老化磨損、車體自身磨損和腐蝕、油類潤滑劑使用等。當前城市道路路面灰塵重金屬污染已對生態環境構成了嚴重的威脅。與城市道路相比，高速公路路面灰塵重金屬含量高于城市道路，潛在環境污染風險大，因而亟需對高速公路路面灰塵污染加以關注。

（2）路面灰塵中，重金屬含量隨灰塵粒徑的減小而增加，并表現出明顯的粒級效應。高速公路路面灰塵粒徑組成及重金屬污染呈現出與城市道路不同的特征。不同等級公路路面灰塵累積分布特征如何，粒徑組成、分布及重金屬污染程度是否存在差異，影響的關鍵因素有哪些，這些問題都亟待研究回答。

（3）重金屬具有長期性、隱匿性、不可逆性及不可降解性，而高速路徑流污染物中Pb，Cu和Zn的濃度要高于普通道路，勢必會增加重金屬污染負荷。降雨沖刷是影響路面灰塵重金屬遷移的主要驅動力，同時粒徑決定著灰塵顆粒在徑流中的可移動性。由于不同等級公路路面灰塵的累積分布特征、粒徑組成等方面可能存在差異，因此開展不同等級公路路面灰塵重金屬及其徑流的重金屬污染研究，闡明公路路面灰塵及重金屬的時空累積分布特征，揭示灰塵及重金屬隨徑流遷移排放的規律，明晰重金屬來源，對污染物源頭控制和分層次治理并從環境保護的角度優化我國公路網的規劃布局具有重要的科學價值和現實意義。