西安市不同下垫面路面径流雨水中重金属的四季污染特征

袁宏林，郑鹏，李星宇，王晓昌

1. 西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西 西安 710055；2. 陕西省现代建筑设计研究院，陕西 西安 710048

西安市不同下垫面路面径流雨水中重金属的四季污染特征

袁宏林1，郑鹏1，李星宇2，王晓昌1

1. 西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西 西安 710055；2. 陕西省现代建筑设计研究院，陕西 西安 710048

重金属是雨水径流中的重要污染物质。为探究雨水径流中重金属的季节变化规律。地理位置因素和人为因素对重金属含量的影响。根据西安市城区内道路类型、路面材质、交通量、人流量等因素选择5个采样点，以2013年全年的降雨样品作为研究对象，利用电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS）测定雨水径流中重金属Cd、Zn、Fe、Mn、Al、Pb的质量浓度。研究结果表明：Cd的质量浓度正常，低于地表水环境质量Ⅰ类标准，受地理位置、人为活动以及季节变化的影响极小。Zn的质量浓度正常，在地表水环境质量标准第Ⅰ类和第Ⅱ类标准之间；与地理位置、人为活动以及季节变化没有明显关系。Fe的含量因地理位置不同而异，交通繁忙、商业活动较多的小寨四季雨水径流中的Fe均较高，均为城市供水水质标准的3倍，商业活动的影响大于车辆交通的影响，校园秋季雨水中Fe为水质标准的2倍，其它3个季节水质正常，浓度的影响较小，人为因素对雨水中Fe含量的有一定的影响，人流量大的区域雨水中Fe的含量相对较高。冬季燃煤对雨水中Mn的含量影响较为明显。Mn只在冬季雨水中的含量略高于城市供水水质标准，对环境影响很小；地理位置，人为活动，区域职能对Mn的含量均没有明显的影响。Al的含量在城市供水水质标准限值内，受人流量、区域职能、季节变化影响较小，受地理位置影响较大。Pb的含量受路面交通环境和冬季煤炭燃烧的影响较大，在车辆交通繁忙的地点，Pb的含量明显增高；Pb的含量受季节变化影响较为明显，冬季＞春季＞夏季＞秋季；人流量对Pb的含量影响不大；下垫面对Pb的含量影响明显，柏油路面上的雨水径流中Pb含量最高，石板路面上Pb的含量在其次，塑胶路面上Pb的含量最少。

径流雨水；重金属；四季变化；下垫面；污染特征

当城市的污废水得到了统一收集、有效处理后，城市的雨水水质污染就成为城市水环境污染的主要原因之一。降雨过程中雨水不断的淋洗大气中污染物质，降落地表后又不断冲刷地表沉积污染物，严重危害了城市水体。城市道路表面能够通过汽车尾气排放、轮胎和路面磨损以及油脂的渗漏等累积大量的悬浮颗粒、重金属等污染物质（Deletic和Orr，2005）。有学者研究表明，城市道路地表径流是有毒污染物(如重金属等)进入地表水体的重要途径，城市道路径流贡献了总污染负荷中50%的悬浮固体和35%～75%的重金属（ELLIS和REVITT，1987）。其中过量的重金属有较大的健康隐患，微量的镉进入机体即可通过生物放大和累计，对肺、骨、肾、肝、免疫系统和生殖器官等产生一系列损伤（黄秋婵等，2007）；铁和猛过量会产生嗅味；铝对神经系统危害较大，长期摄入的铝可通过脑屏障，产生神经慢性中毒(李增禧等，2000)；锌入量过多可致中毒，引起呕吐、腹泻等胃肠道症状，慢性锌中毒可有贫血等症状；高含量的铅影响儿童的血铅含量、智力和行为（郭平等，2005）。

自20世纪70年代国外先后对路面径流的重金属污染做了大量调查分析工作（LEE等，2002；REVITT D和MORRISlON，1987；SANSALONE等，1996；SANSALONE等，1997；BROWN和PEAKE，2006）。我国道路径流雨水研究起步较晚，对路面径流重金属污染的研究也只集中在北京（李海燕等，2009）、上海（聂发辉等，2009）、天津（李倩倩等，2011）几个城市。北京市路面径流雨水中主要含有Pb、Zn、Al、Fe、Cu等重金属，Pb、Zn的含量分别达到50～770 μg·L-1、150～1340 μg·L-1，汽车保有量较大是导致道路径流水质中Pb含量较高的主要原因（李海燕等，2009；侯培强等，2012；郭婧等，2011）；上海市路面径流雨水中含有较多的Pb、Zn、Mn、Cd等重金属，其浓度分别为0.29、

60.2、11.1、1.22 μg·L-1，且主要以颗粒吸附态形式存在，其中颗粒吸附态的铅含量最高（聂发辉等，2009）；天津市路面径流雨水中Fe、Cr、Cd的平均浓度分别为387～586 μg·L-1、61～94 μg·L-1、7～12 μg·L-1，且具有明显的径流初期冲洗效应（李倩倩等，2011）。西北地区的研究相对少，西安做为西部地区的枢纽，无论是气候环境、市政建设，还是道路使用养护状况，都与东部地区的城市有很大区别，因此有必要对西安雨水径流中重金属的含量特征做具体的研究。

由于西安市城区路面状况比较复杂，可能影响雨水径流中重金属含量的因素比较多，因此，本文选择西安市城区内道路类型、路面材质、交通量、人流量不同的5个采样点代表西安市的路面状况，针对雨水径流中6种重金属Cd、Zn、Fe、Mn、Al、Pb进行为期一年的检测，评价径流雨水的水质，分析地理位置因素、人为因素、季节变化对雨水径流中重金属含量的影响，并着重探究雨水下垫面对Pb的质量浓度的影响。以期用大量充分的监测数据为城市水环境综合治理和决策提供基础数据和科学依据。

1 实验方案

1.1采样点布置

为全面的研究西安城区路面径流雨水中重金属的特征情况，本文根据西安城区现在的格局、下垫面情况、城市交通特点、不同功能区等特征选取了5个典型区域进行采样，采样点遍布西安城区。采样点情况如表1所示，基本可以覆盖西安市的路面现状。

1.2采样时间及方法

本研究采集了西安市2013全年共计20次降雨，共计260个样品。采样过程严格执行国标GB135802-1992《大气降水样品的采集与保存》。采样前将500 mL采样瓶放在体积分数为10%的硝酸溶液中浸泡24 h，再用超纯水冲洗3次，调节pH至7～8，晾干，常温下保存于干净的柜子中。每次降水径流产生后，及时将采样瓶放置在采样处，采集瞬时水流采集样品，滤去雨水中漂浮物。

1.3样品预处理

取降水样用孔径为0.22 μm的滤头过滤，用过滤后的水样先润洗2遍存放水样的10 mL离心管，润洗完毕后，在离心管中滴加2 mL的过滤水样。再滴加0.1 mL优级纯硝酸于10 mL离心管中（ICP-MS操作手册要求样品中有体积分数为1%的稀硝酸）。最后用超纯水（电阻率＜18.25兆欧）将水样定容到10 mL。

1.4分析方法

实验采用ELAN DRC-e型电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS）对径流雨水中重金属Cd、Fe、Al、Zn、Mn、Pb进行定量分析。检测限可以达到0.1 ng·L-1。实验用的6种重金属标准样品得到国家标准物质中心的认证，浓度均为1 mg·mL-1。实验时将标准样品用超纯水配置成浓度梯度为0、20、40、60、80、100 μg·L-1的混合标准曲线，通过仪器的测定各个重金属的标准曲线线性相关系数均大于0.999，准确性较好。

表1 采样点的情况Table 1 The situation of sampling point

2 测定结果与讨论

2.1径流中重金属的水质评价及其变化规律

其中雨水样品中Cd的质量浓度范围为0.01～0.25 μg·L-1（图1），各点的平均值都在0.1 μg·L-1以下，《地表水环境质量标准》GB3838-2002中Ⅰ类标准为1 μg·L-1以下，Cd的质量浓度变化规律大致为夏秋略大于冬春。城市运动公园的Cd含量最小，可能是因为公园受外界条件影响相对较小。Cd受地理位置、人为活动以及季节变化的影响极小。Cd的含量低于Ⅰ类标准，说明西安地区雨水径流中Cd的受到污染较少。

在《地表水环境质量标准》GB3838-2002中Ⅰ类标准（50 μg·L-1以下）和Ⅱ类标准（1000 μg·L-1）之间，雨水径流中Zn的质量浓度范围为39.66～277.83 μg·L-1（图2），质量浓度正常。雨水径流中Zn的含量与地理位置、人为活动、季节变化均没有明显关系。

《城市供水水质标准》（CJ/T206─2005）中规定Fe的质量浓度应该低于300 μg·L-1。但小寨的Fe质量浓度在一年的浓度范围为914.16～1016.6 μg·L-1（图3），超过该标准限值的3倍。可能是因为小寨一年四季交通繁忙，商业活动较多。西建大的雨水径流中Fe的浓度在春季、夏季、冬季均正常，但是在秋季明显增多，达到689.71 μg·L-1，超

过标准限值的2倍，可能是秋季新生入学，人为因素导致Fe的质量浓度增大。城市运动公园在夏季雨水径流中Fe的含量达到589.27 μg·L-1，将近标准限值的2倍，其余季节Fe的质量浓度正常，可能是因为在夏季公园人流量较大，雨水径流中Fe的含量会受到人为因素的影响。土门停车场和堡子村的Fe指标正常，一年四季变化很小而且没有明显规律。上述说明季节因素对雨水径流中铁的影响较小，人为活动对Fe含量的影响较大。相关的研究也表明道路径流雨水水质受到商业活动，人为活动的影响（甘华阳等，2006），与本实验较为吻合。

图1 雨水径流中Cd的质量浓度分布Fig. 1 The distribution of the content of cadmium in storm runoff

图2 雨水径流中Zn的质量浓度分布Fig. 2 The distribution of the content of zinc in storm runoff

图3 雨水径流中Fe的质量浓度分布Fig. 3 The distribution of the content of Iron in storm runoff

图4 雨水径流中Mn的质量浓度分布Fig. 4 The distribution of the content of manganese in storm runoff

《城市供水水质标准》（CJ/T206─2005）中规定Mn的含量不超过100 μg·L-1。雨水径流中Mn的含量明显受到季节的影响，在冬季最高，范围在112.88～881.84 μg·L-1，在春季最低，范围在7.34～24.62 μg·L-1，夏季和秋季的Mn含量介于春冬2季之间，范围在31.5～171.14 μg·L-1（图4）。冬季最高可能与冬季燃煤中含有较多的Mn有关。这与贵阳市冬季大气降水Mn的含量变化特征一致（胡健等，2005）。Mn含量与地理位置的关系不明显。在冬季，雨水径流中Mn的含量略高于标准限度，总的来说，雨水径流中的Mn含量对环境影响很小。

每个采样点处径流雨水中Al季节性变化较小，从67.12～189.98 μg·L-1，《城市供水水质标准》（CJ/T206─2005）中规定Al不得超过200 μg·L-1，说明雨水径流中铝质量浓度正常。在小寨和土门停车场一年四季Al的质量浓度较高，在西建大和堡子村的含量较低。各个采样点的Al含量与季节关系较小，与地理位置关系较大。

2.2重金属Pb与下垫面特征的关系

本研究根据下垫面成份组成分为柏油马路、塑胶、石板路面3种情况。如表1所示，柏油路为城市的主干道，车流量很大；塑胶路面在不允许车辆进出的公园；石板路在大学校园内，很少有车辆通行；自然降雨在建大高层公寓屋顶接取，屋顶平时人为活动稀少，测定结果见图5～图8。

从图中可以看出，重金属Pb在所有采样点的测定中，车流量大的小寨、堡子村在一年中都保持在高浓度值范围，夏秋冬3季的值均在8 μg·L-1以上，最高值达到15.91 μg·L-1，《地表水环境质量标准》GB3838-2002中Pb的Ⅱ类标准为10 μg·L-1，小寨和堡子村的雨水中Pb的含量值高于Ⅱ类标准。夏季时小寨Pb的含量高达自然降雨的26倍，堡子

村也超过自然降雨23倍。这说明Pb与路面交通状况有直接关系，即车辆在行驶中的尾气排放及轮胎与路面的摩擦对径流雨水中的Pb含量会产生重要影响。相关研究实验结果也说明了汽车尾气排放的Pb对雨水径流中Pb有重要的贡献（胡健等，2005）。小寨、堡子村的车流量较大，所测定的Pb含量较其他地方要高，最少的是车流量较少的城运公园和校园，说明机动车流量是造成路面径流雨水中含有Pb的主要原因。

图5 Al的质量浓度分布Fig. 5 The distribution of the content of aluminum in storm runoff

图6 春季径流雨水中Pb的含量Fig. 6 Pb content of rainwater runoff in spring

图7 夏季径流雨水中Pb的含量Fig. 7 Pb content of rainwater runoff in summer

图8 秋季径流雨水中Pb的含量Fig. 8 Pb content of rainwater runoff in autumn

图9 冬季径流雨水中Pb的含量Fig. 9 Pb content of rainwater runoff in winter

本研究显示季节的变化对Pb也有影响（图9），冬季＞春季＞夏季＞秋季。这因为西安冬季为采暖期，煤炭燃烧产生的废气中含有Pb，成为降雨径流污染的一个主要来源。有报道，煤炭燃烧灰中铅约占20%，其中约1/3灰分排入大气中，形成飘尘。同时，冬季风少，雾霾频发，重金属颗粒积累，以及冬季人们选择汽车出行较多也与冬季Pb含量存在一定的关系。

3 结论

（1）一年四季中，雨水中Cd和Zn受外界环境的影响较小，质量浓度均很低；Al只受到地理位置的影响，雨水径流中Cd、Zn、Al的质量浓度均正常，对环境没有污染。

（2）商业活动，道路交通对雨水中Fe含量的影响较大，人为活动对Fe含量的影响次之。冬季燃烧煤炭对雨水径流中的Mn和Pb均有影响。燃煤是Mn含量增高的最重要的因素。

（3）大量的交通运输会增加雨水径流中Pb的含量。建议推广无铅汽油的使用可以减少城市雨水径流中铅金属的含量。Pb的含量受季节变化影响较为明显，冬季＞春季＞夏季＞秋季；下垫面对Pb的含量影响明显，柏油路面上的雨水径流中Pb含量最高，石板路面上Pb的含量在其次，塑胶路面上Pb的含量最少。

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Heavy Metals Pollution of Seasonal Variation Runoff in Xi'an

YUAN Honglin1, ZHENG Peng1, LI Xingyu2, WANG Xiaochang1
1. Xi’an University of Architecture and Technology Environmental and Municipal Engineering College, Xi’an 710055, China

Heavy metals are important pollutants in storm water runoff. To explore the rule of seasonal change of heavy metals in storm runoff and how the location factors and human factors affect heavy metal content. Depending an the type of Xi’ an urban road traffic capacity, traffic and other factors, choose five sampling point. In 2013, take the year’s rainfall samples as the research object, using inductively couples plasma mass spectrometry(ICP-MS) to measure concentration of Cd, Zn, Fe, Mn, Al, Pb in storm water runoff. The results show that the quality of the Cd concentration is normal below the surface water environment quality first class standard, the geographical position, the influence of human activities and the change of seasons. The quality of the zinc concentration is normal, between the the first class and the second class of surface water environment quality standard and had no relation with the geographical location, human activities and the change of seasons. The content of Fe varied from different geographical position. The content of Fe in storm water of the Small Village in four seasons is three times as much as the urban water quality standard. The influence of the commercial activity is greater than the influence of vehicle transportation, The content of Fe in the runoff of campus in autumn is twice of the quality standard, the other three seasons water quality is normal,. The factors affecting the concentration is small. Human factors have a certain influence on content of Fe. The content of Fe is relatively higher in where there is a lot of people. Winter coal-fired impacts on the water content of Mn in evident, Mn content in the winter rain only slightly higher than that of urban water and has little impact on the environment. Geographical location, human activities, regional function have no obvious effect on the content of Mn. The content of Al is less than urban water supply water quality standards limit, rarely affected by traffic, regional function and seasonal change, greatly influenced by geographical location. The content of Pb is affected by the road traffic environment and winter coal combustion is large. At the vehicle traffic location, Pb content increased obvious; The content of Pb affected by seasonal change is obvious, winter＞spring＞summer＞autumn; Traffic has little effect on the content of Pb; Traffic has little effect on the content of Pb, The underlying surface has great effect on the content of Pb. The content of Pb in the runoff on the asphait is the highest, the content of Pb in the runoff on the surface of the stone pavement is the second, the content of Pb in the runoff on the plastic pavement is the least.

runoff rainwater; heavy metals; change in seasons; underlying surface; pollution characteristics

X824

A

1674-5906（2014）07-1170-05

国家水体污染控制与治理科技重大专项子课题（2009ZX07318-008-004）

袁宏林（1965年生），男，教授，博士，从事水体污染控制技术与理论研究，E-mail: hlyuan@xauat.edu.cn

2014-03-15

袁宏林，郑鹏，李星宇，王晓昌. 西安市不同下垫面路面径流雨水中重金属的四季污染特征[J]. 生态环境学报, 2014, 23(7): 1170-1174.

YUAN Honglin, ZHENG Peng, LI Xingyu, WANG Xiaochang. Heavy Metals Pollution of Seasonal Variation Runoff in Xi'an [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(7): 1170-1174.