臨安區(qū)不同功能區(qū)道路降雨徑流重金屬污染特征及源解析*

蔡成豪 許立宏 朱方倫 洪家興 苗涵倩 龔苗苗 方曉波

(浙江農(nóng)林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 311300)

隨著點(diǎn)源污染治理技術(shù)日漸成熟，降雨徑流引起的非點(diǎn)源污染成為城市水環(huán)境污染之一[1-3]。研究表明，來源于城市不同地表的懸浮顆粒物、重金屬、有機(jī)物等污染物[4]通過降雨徑流輸入城市地表水體，加重地表水及受納水體的污染，破壞城市水生生態(tài)系統(tǒng)，威脅公眾身體健康[5]，因此道路降雨徑流(以下簡(jiǎn)稱道路徑流)重金屬污染受到廣泛關(guān)注。相關(guān)研究表明，城市道路徑流貢獻(xiàn)的重金屬占水環(huán)境總量的35%～75%[6]，污染受區(qū)域氣候、環(huán)境空氣質(zhì)量、降雨特征、交通量、周圍土地利用方式等諸多因素影響，具有來源廣泛、機(jī)制復(fù)雜、變異顯著、治理困難等特征[7-9]。為有效減少道路徑流污染，污染源解析尤為重要。近年來，研究者運(yùn)用主成分分析等多元統(tǒng)計(jì)技術(shù)，對(duì)道路徑流中污染物來源做進(jìn)一步識(shí)別。張千千等[10]發(fā)現(xiàn)Cd、Zn、Pb來源于車輛的交通損耗；侯培強(qiáng)等[11]發(fā)現(xiàn)Cu、Pb、Zn主要源于大氣沉降和機(jī)動(dòng)車尾氣。但不同城市道路徑流重金屬污染水平、污染物來源均有差異。

我國(guó)城市道路徑流中重金屬污染較為嚴(yán)重[12]，但對(duì)于浙江省城市道路徑流污染及源解析文獻(xiàn)報(bào)道較少，故選取臨安區(qū)不同功能區(qū)道路為研究對(duì)象，通過采集道路徑流，監(jiān)測(cè)水樣重金屬(Cu、Zn、Pb、Cr、Ni)含量，探究道路徑流污染特征，并且運(yùn)用主成分分析等方法識(shí)別潛在污染源，為臨安區(qū)城市地表水環(huán)境中重金屬的防治提供基礎(chǔ)信息。

1 方 法

1.1 研究區(qū)概況

臨安區(qū)地處浙江省西北部，中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)南緣，屬季風(fēng)型氣候，溫暖濕潤(rùn)，光照充足，雨量充沛，四季分明。年均降水量1 613.9 mm，降水日158 d。

1.2 樣品采集與分析

根據(jù)臨安區(qū)不同功能區(qū)布局，采樣點(diǎn)分別設(shè)在文教區(qū)(浙江農(nóng)林大學(xué)東湖校區(qū)校園內(nèi)A7宿舍樓和五洲廣場(chǎng))、交通區(qū)(武肅街804路公交車站和武肅街與大學(xué)路交叉口)、商業(yè)區(qū)(臨安區(qū)大學(xué)城商業(yè)街)、居住區(qū)(吳越人家)、工業(yè)區(qū)(浙江萬馬電纜股份有限公司)，共計(jì)7個(gè)采樣點(diǎn)，道路材質(zhì)均為瀝青混凝土，在道路雨水井入口處分別收集降雨徑流樣品。

當(dāng)降雨產(chǎn)生徑流時(shí)，及時(shí)到達(dá)采樣點(diǎn)，用采樣瓶采集徑流樣品，每次采集約1 L，由于降雨徑流的污染物存在初期沖刷效應(yīng)，所以采用前密后疏的采樣方式。開始30 min內(nèi)每隔10 min采集1次徑流水樣，之后每隔30 min采集1次徑流水樣，至降雨結(jié)束。

采集后的水樣立即送回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理，監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括Cu、Zn、Pb、Cr、Ni。水樣采用HNO3消解并按電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法測(cè)定。在降雨前，采集采樣點(diǎn)附近約60 g的地表沉積物，采用HCl-HNO3-HClO4消解并按ICP-MS法測(cè)定重金屬。

1.3 降雨特征

采樣期間使用JDZ01-1型數(shù)字雨量計(jì)對(duì)降雨特征進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)，本研究8場(chǎng)降雨特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

1.4 污染物平均質(zhì)量濃度(EMC)

由于降雨強(qiáng)度隨機(jī)，道路徑流中污染物的濃度隨時(shí)間變化較大，所以通常采用EMC來表示一場(chǎng)降雨徑流過程排放某種污染物的平均濃度。EMC計(jì)算公式[13]見式(1)：

(1)

式中：M為污染物總量，mg；V為總徑流量，m3；Ct為t時(shí)刻污染物質(zhì)量濃度，μg/L；Qt為t時(shí)刻徑流量，m3/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同功能區(qū)重金屬EMC

不同功能區(qū)的不同重金屬濃度存在差異性。錦溪和苕溪是穿臨安區(qū)而過的主要河流，其水環(huán)境功能區(qū)均為GB 3838—2012的Ⅲ類水[14]，將8次降雨造成的道路徑流重金屬EMC與Ⅲ類水水質(zhì)指標(biāo)相比，交通區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)的Pb與Cr均超過了地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值(見表2)。與其他城市相比，臨安區(qū)交通區(qū)道路徑流Cu、Pb、Cr明顯高于上海市，商業(yè)區(qū)道路徑流Cu高于天津市，居住區(qū)道路徑流Cu、Pb高于青島市，工業(yè)區(qū)道路徑流Zn高于太原市，表明臨安區(qū)道路徑流污染較為嚴(yán)重。與臨安區(qū)降雨相比，各功能區(qū)道路徑流重金屬濃度都遠(yuǎn)超降雨中各重金屬濃度，說明降雨流經(jīng)道路后攜帶大量重金屬進(jìn)入水體，造成水質(zhì)惡化。

表1 采樣期間降雨特征

表2 不同功能區(qū)道路徑流中Cu、Zn、Pb、Cr、Ni的EMC1)

注：1)地表水Ⅲ類參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)，上海市、天津市、青島市、西安市和太原市的數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[15]至[19]。

2.2 不同功能區(qū)重金屬濃度隨降雨歷時(shí)變化

本研究中8次降雨主要為小雨和中雨，選擇2017年9月20日和11月13日作為具有代表性的降雨事件，分析不同功能區(qū)不同重金屬濃度隨采樣時(shí)間的變化情況。在11月13日小雨事件中，Cu、Zn、Pb、Cr、Ni濃度在降雨10 min時(shí)達(dá)到峰值后呈鋸齒狀下降，最終趨于穩(wěn)定。以交通區(qū)為例，Cu、Zn、Pb、Cr、Ni末期質(zhì)量濃度保持在23.3、182.7、33.1、98.9、54.8 μg/L。在9月20日中雨事件中，Cu、Zn、Pb、Cr、Ni濃度在降雨10 min時(shí)達(dá)到峰值并迅速下降，最后逐漸趨于平穩(wěn)。以交通區(qū)為例，Cu、Zn、Pb、Cr、Ni末期質(zhì)量濃度保持在10.7、75.6、28.2、44.4、24.6 μg/L。中雨事件污染物濃度下降得更快且末期重金屬濃度低于小雨事件，這是因?yàn)榻涤炅亢徒涤陱?qiáng)度決定徑流沖刷地表的能量，當(dāng)降雨量和降雨強(qiáng)度較大時(shí)，可以對(duì)街塵進(jìn)行迅速、有效沖刷，重金屬快速進(jìn)入徑流，這與陳瑩等[20]的研究結(jié)果一致。

2.3 重金屬污染的季節(jié)變異特征

道路徑流在不同季節(jié)受到的外界干擾因素影響不同，導(dǎo)致污染物濃度存在差異。根據(jù)臨安區(qū)氣象特征，2017年9月20日與11月13日屬于秋季，2018年1月21日屬于冬季，2018年4月3日與5月19日屬于春季，2017年6月21日與8月1日及2018年6月30日屬于夏季。選擇不同季節(jié)的降雨事件，分析了不同功能區(qū)道路徑流重金屬濃度隨季節(jié)變化情況，分析結(jié)果見圖1。

由圖1可見，Cu、Zn、Pb、Cr、Ni濃度均隨季節(jié)變化明顯。Cu表現(xiàn)為夏季>春季>冬季>秋季；Zn表現(xiàn)為秋季>冬季>夏季>春季；Pb表現(xiàn)為冬季>春季>秋季>夏季；Cr表現(xiàn)為冬季>秋季>春季>夏季；Ni表現(xiàn)為冬季>春季>夏季>秋季。道路徑流中重金屬濃度變化受到大氣干濕沉降影響[21-22]。降雨前空氣中累積的污染物變化引起空氣質(zhì)量指數(shù)變化，道路徑流的污染物濃度也相應(yīng)有所改變。結(jié)合采樣前1周空氣主要污染物濃度及空氣質(zhì)量指數(shù)(http://tianqi.2345.com/wea_history/60875.htm)，分析道路徑流中重金屬濃度與空氣污染程度的相關(guān)性。由于臨安區(qū)大氣污染狀況冬季>秋季>春季>夏季，秋冬季空氣污染物濃度高，霧霾天較多，污染物不易擴(kuò)散，空氣質(zhì)量較差，含重金屬的顆粒物隨雨水進(jìn)入地表徑流，導(dǎo)致秋冬季徑流中Zn、Pb、Cr、Ni濃度較高，與張科峰等[23]的研究結(jié)果一致。

2.4 街塵與道路徑流重金屬污染相關(guān)性

降雨前累積的地表沉積物形成街塵，通常含有較多污染物，其可能來源主要包括工業(yè)粉塵、汽車磨損物、汽油滴漏等[24]，這些污染物在降雨產(chǎn)生時(shí)極易跟隨徑流進(jìn)入水體，對(duì)城市水環(huán)境產(chǎn)生威脅。采集了不同功能區(qū)的街塵，分析了不同功能區(qū)街塵重金屬含量，分析結(jié)果見圖2。由圖2可知，工業(yè)區(qū)街塵中Cu、Zn、Pb、Ni均為各功能區(qū)中最高，分別達(dá)到233.408 3、415.474 7、65.929 8、53.120 8 mg/kg，均高于浙江省背景值[25]596，工業(yè)區(qū)主導(dǎo)工業(yè)為涉及Cu、Zn、Pb的電線電纜產(chǎn)業(yè)，所排放的重金屬容易聚集于周邊街塵，并隨降雨通過淋溶、浸出等形式進(jìn)入城市地表水體并造成污染。交通區(qū)Cr為各功能區(qū)中最高，達(dá)到86.497 2 mg/kg，商業(yè)區(qū)Zn、Ni為357.012 5、48.952 8 mg/kg，均高于浙江省背景值[25]596，交通區(qū)和商業(yè)區(qū)內(nèi)機(jī)動(dòng)車以及人流量較大，來往運(yùn)輸頻繁。由此可見，臨安區(qū)道路徑流中存在大量重金屬與臨安區(qū)街塵中重金屬含量高有關(guān)，說明街塵是道路徑流中的污染物的主要來源，街塵中污染物的大量存在將加重道路徑流污染的程度，與任玉芬等[26]的研究結(jié)果一致。

2.5 重金屬污染源解析及空間變異特征

運(yùn)用SPSS 20.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。樣品數(shù)據(jù)經(jīng)KMO檢驗(yàn)和Bartlett’s球狀檢驗(yàn)后表明，KMO值大于0.5，Bartlett’s測(cè)試值P值<0.05，適合做主成分分析。提取出影響道路徑流水質(zhì)的2個(gè)主成分，這2個(gè)成分能夠解釋全部變量的80.371%，說明它們包含了以上5個(gè)指標(biāo)的大部分信息，主成分分析結(jié)果見表3。

第一主成分的貢獻(xiàn)率是40.596%，在Zn、Pb、Cu上具有較大的載荷系數(shù)，分別是0.943、0.736、0.698，Zn與第一主成分呈強(qiáng)正相關(guān)，Cu、Pb與第一主成分呈中度正相關(guān)。工業(yè)活動(dòng)使用的重金屬對(duì)道路徑流中相應(yīng)重金屬濃度有明顯影響，結(jié)合臨安區(qū)工業(yè)行業(yè)類型，臨安區(qū)擁有電線電纜等產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)過程中消耗Cu、Zn、Pb等重金屬，工業(yè)煙氣、工業(yè)粉塵進(jìn)入大氣，吸附在氣溶膠上，或者沉積在地表隨降雨進(jìn)入道路徑流造成污染。第二主成分的貢獻(xiàn)率是39.775%，在Ni和Cr上具有較大的載荷系數(shù)，分別為0.942和0.914，呈強(qiáng)正相關(guān)。考慮到臨安區(qū)汽車保有量不斷增加，道路擁堵現(xiàn)象頻繁發(fā)生，車輛交通損耗嚴(yán)重，而Cr主要來源于交通零部件磨損[27]，Ni來源于汽車燃油[28]，推斷汽車損耗是道路徑流重金屬的又一主要來源。綜上所述，臨安區(qū)道路徑流重金屬污染源主要為以電線電纜為主的工業(yè)活動(dòng)和汽車損耗。因此，在道路徑流污染控制中，要重點(diǎn)關(guān)注工業(yè)區(qū)、交通區(qū)的污染狀況。

圖1 道路徑流季節(jié)污染趨勢(shì)Fig.1 Seasonal variation trend of road runoff pollution

圖2 不同功能區(qū)街塵重金屬分布Fig.2 Heavy metal content of street dust in different functional areas

表3 道路徑流的主成分分析結(jié)果

3 結(jié) 論

(1) 臨安區(qū)道路徑流重金屬污染較嚴(yán)重。重金屬濃度隨降雨歷時(shí)的增加呈下降趨勢(shì)，且中雨事件相比小雨事件，重金屬濃度下降更快且末期濃度更低。

(2) 臨安區(qū)不同季節(jié)道路徑流重金屬濃度存在差異。受降雨前空氣質(zhì)量和大氣沉降影響，道路徑流Cu呈現(xiàn)夏季>春季>冬季>秋季，Zn呈現(xiàn)秋季>冬季>夏季>春季，Pb呈現(xiàn)冬季>春季>秋季>夏季，Cr呈現(xiàn)冬季>秋季>春季>夏季，Ni呈現(xiàn)冬季>春季>夏季>秋季的季節(jié)變化趨勢(shì)。

(3) 街塵與道路徑流重金屬污染存在一定的相關(guān)性。臨安區(qū)街塵重金屬含量高，街塵是道路徑流中的污染物的主要來源，街塵中污染物的大量存在將加重道路徑流污染的程度。

(4) 臨安區(qū)道路徑流重金屬污染源主要為生產(chǎn)電線電纜的工業(yè)活動(dòng)和汽車損耗。