南京市梅雨期雨洪沉积物重金属污染评价

骆辉，周舒宇，黄新，佟蕾

(南京林业大学 土木工程学院，南京 210037)

南京市梅雨期雨洪沉积物重金属污染评价

骆辉，周舒宇，黄新*，佟蕾

(南京林业大学 土木工程学院，南京 210037)

雨洪沉积物；重金属；地累积指数；潜在生态危险指数；污染评价

0 引言

雨洪沉积物是一种重要的环境介质，主要由路面固体颗粒、粉尘和泥沙等组成，是城市生态系统的主要组成部分，其质量的好坏与城市水源、空气环境质量以及人群的健康质量等具有较大的关联，研究表明，在外力作用下，雨洪沉积物会重新悬浮到大气中，通过呼吸吸入、手-口接触、皮肤接触等危害人体健康[1]。由于风力因素或者人为搬运，雨洪沉积物会侵入土壤表层，对土壤及植物进行污染，经雨水冲刷或者地表径流环境下，雨洪沉积物中累积的重金属污染物能够重新释放进入地下水危害人体健康。

重金属污染来源广，残毒时间长，难以降解，污染后不易被发现且难于恢复，易于沿食物链富集[2]，开展雨洪沉积物中重金属污染效应及其分布规律的研究，为城市雨洪水地下人工回灌过程中重金属污染治理、城区多孔道路堵塞效应以及管理部门制定相应的污染控制措施提供科学的依据。

国内外对沉积物的重金属污染状况进行了多方面的研究，李灵[3]等研究发现，武夷山市道路沉积物中Cu、Zn、Pb、Cr和Ni的含量分别为32、242、108、173、15 mg/kg，是土壤背景值的1.5、2.9、3.1、4.2、1.1倍；薛红琴[4]等对南京道路沉积物中重金属Cu、Cr、Zn、Pb、Mn、Cd、Ni的研究发现，其最大浓度是当地土壤背景值的100多倍；翟雨翔[5]的研究结果表明，渭河咸阳段沉积物中重金属元素的平均含量从大到小依次为：Mn>Cr>Zn>Cu>Ni>Pb。Hakanson[6]提出潜在生态危害指数法，与当地土壤背景值进行比较，消除了区域差异以及异源污染的影响。

南京位于长江下游中部地区，江苏省西南部，亚热带湿润气候，四季分明，雨水充沛，每年6月下旬到7月上旬为梅雨季节，持续连绵的阴雨、温度高、湿度大。本文以南京市梅雨期雨洪沉积物为研究对象，采集了南京城区梅雨季节不同功能区、不同使用功能路面上的雨洪沉积物，对重金属含量测试的基础上，用地累积指数法和潜在生态危险指数法评价其污染程度及潜在的生态危险，对净化城市地下水，保护生态环境具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 样品采集

2016年7月在梅雨季节中3次集中降雨后，选择晴朗无风的天气，考虑不同的道路结构、不同功能区沉积物中重金属含量存在的差异，分别选择在南京城区8处进行采样，采样地点见表1。采样时间分别为2016年7月8号，7月12号，7月21号。

每个采样点用细毛刷清扫，用塑料铲收集约300 g，装入聚乙烯塑料袋密封。用塑料镊子去除沉积物中树叶、头发和烟头等杂物，待自然风干后过0.149 nm的尼龙筛[7]。

表1 南京市雨洪沉积物采样地点

1.2 主要仪器及药剂

主要仪器为CEM Mars6高通量密闭微波消解系统(美国，CEM公司)，AA-6501型火焰原子吸收分光光度计(上海，达平仪器厂)。各类玻璃器皿在使用前都用稀硝酸浸泡，去离子水洗净、烘干。使用药剂均为分析纯。

1.3 样品的测定

样品在105℃条件下烘干24 h后，取0.2 g的沉积物样品置于聚四氟乙烯消解罐中，依次加入5 mL硝酸，2 mL过氧化氢，2 mL氢氟酸，盖紧罐盖，温度爬升至220℃，保温20 min，待冷却至室温时，用电热板加热赶酸，赶酸完毕后用0.5%的硝酸溶液转移至50 mL离心管中定容摇匀，采用国家重金属标准溶液配置标准曲线，原子吸收分光光度计测定重金属含量，每个样品重复测量3次取平均值，且保证所有重金属元素重复样的相对标准偏差均<10%。

1.4 重金属污染评价方法

重金属污染评价采用地累积指数法(Igeo)，该法广泛用于沉积物中重金属污染的评价，直观的反映了重金属在外源的影响下的富集程度[8]。

Igeo=log2[Ci(k×Bi)]。

式中：Igeo为地累积指数；Ci为单一重金属含量的实测值，mg/kg；k为考虑各地岩石差异可能引起背景值的变动而取得系数(一般取1.5)，南京市岩石差异较小，此处取1；Bi为参比值。

雨洪沉积物中重金属潜在生态风险评价采用Hakanson[9]的潜在生态危险指数(RI)法，该法利用重金属相对于背景值的比值以及其有毒系数求得生态危害指数。

表2 地累积指数与潜在生态风险指数的分级标准

2 结果与分析

2.1 南京市雨洪沉积物重金属含量分析

2.1.1 锌含量

雨洪沉积物中Zn的平均质量分数为191 mg/kg(表3)，是南京市元素背景值[12]的1.8倍，超标率达到75%，这表明南京市路面雨洪沉积物中的Zn存在一定程度的累积，其最大值出现在玄武大道新庄立交非机动车道上，有研究表明，Zn主要源于机动车轮胎老化、制动器衬片和零部件磨损[13]。新庄立交属于南京主城区交通枢纽，交通量大，较为拥堵，且靠近南京地铁3号线南林站，非机动车道车辆种类多，人流量大，刹车启动频繁，车辆轮胎、刹车片以及其他零部件磨损加重，形成了含有重金属锌的颗粒物，由于梅雨季节降雨集中，吸附在道路表面或者沉积物中的Zn随着路面径流在较为低洼的地方堆积成沉积物，这可能是玄武大道非机动车道雨洪沉积物中Zn污染的主要来源。

表3 雨洪沉积物重金属质量分数

注：m为采样点重金属元素平均值与江苏省土壤背景值比值

2.1.2 铅含量

Pb的平均质量达到43.56 mg/kg，是南京市元素背景值的1.76倍，超标率为62.5%，其中最大值是背景值的6倍，出现在玄武大道机动车道上。路面沉积物中Pb的主要来源为大气粉尘、汽车尾气、建筑材料、润滑剂和防冻剂等[14]，玄武大道为城东主干道，交通大，车辆种类多且行驶缓慢，加重尾气排放，红绿灯数量多，刹车与启动频繁，零部件磨损现象严重，在路面上形成了含Pb等大量的金属颗粒物，在降雨冲刷作用下，堆积在路面表面，导致雨洪沉积物中Pb的质量分数在机动车道上整体偏高。

2.1.3 铬含量

雨洪沉积物中Cr的平均质量为86.32 mg/kg，是南京市元素背景值的2.3倍，最大值出现在住宅区机动车道沥青路面上，铬广泛用于制作合金、玻璃、陶瓷和涂料等，在建筑、家具汽车行业等用途较广。住宅区工程建设、家居装修、改造工程多，路边散落的废弃装修材料较为常见，在其施工过程中产生的扬尘以及含铬的钢、管材等也会造成Cr的富集，且Cr属于亲岩元素，对风化有较强的抵抗力[15]，住宅小区高楼林立，难以产生较大的风速，故不容易被侵蚀，在强降雨作用下，含有Cr的金属颗粒物形成雨洪沉积物。

2.1.4 镍含量

Ni的平均质量分数为41.13 mg/kg，是南京市元素背景值的1.18倍，其中最大值出现在长途东站人行道处，为南京市土壤背景值的2.66倍。东站附近机动车多，人流量较大，内部停放车辆集中，汽车修理、零配件商店多，长途客车频繁进出车站，造成轮胎老化脱落和车体脱落[16]，在行人、乘客等影响下进入人行道，在频繁强降雨下，随雨水流动沉积于路表面。

2.1.4 镉含量

Cd的平均质量分数为0.62 mg/L，是南京市土壤背景值的3.26倍，最大值出现在住宅区非机动车道上，为南京市土壤背景值的20倍。住宅区居民较多，建筑垃圾、室内垃圾、剩菜剩饭多，其中含有大量的盐成分，在降雨过程中进入土壤以及雨洪沉积物中，使得盐成分升高，有研究表明[17]，石油泄漏和土壤含盐量是影响Cd含量的主要因素。

由以上分析可知，以最新南京市土壤元素背景值为标准，5种重金属超标倍数表现为Cd>Cr>Zn>Pb>Ni，超标率表现为Zn=Cd>Pb>Ni>Cr，在相同服务功能下，沥青路面雨洪沉积物中重金属元素的含量明显大于水泥路面中含量。

2.2 雨洪沉积物中重金属污染程度评价

由地累积指数计算结果(见表4)可知，Cr在所有采样点中污染程度最轻，均为中度以下；Zn和Ni在除个别样点受到中度污染，其余均为轻度污染；Pb在个别样点受到中强度污染，其余均为轻微污染；Cr的污染最为严重，一半样点受到中度污染。各道路上雨洪沉积物中所有元素的Igeo均未达到强度污染以上。从平均值来看，南京市雨洪沉积物中5种重金属元素的污染程度由强到弱依次为：Cd>Zn>Pb>Ni>Cr，其中Cd、Pb处于中度污染，Ni、Zn处于无一中度污染，Cr无污染。总的来说，南京市梅雨季节雨洪沉积物处于无污染至中度污染。

表4 雨洪沉积物重金属元素的地累积指数

2.3 雨洪沉积物中重金属潜在生态风险评价

南京市梅雨期雨洪沉积物中5种重金属元素的RI变化范围为3.44～132.37，平均值为34.61，RI小于150，表明南京市梅雨期雨洪沉积物在生态环境中处于轻微潜在生态风险，其中Cd对RI值的贡献最大。

2.4 雨洪沉积物重金属元素的相关性分析和组合因子分析

因子分析是一种降维的方法，将原来众多的具有一定相关关系的变量，转换为数目较少的由原始变量组合而成的新变量因子，据此来揭示变量之间、样品之间以及与来源之间的相互关系，可通过元素组合特征结合区域地质特征推算、解释雨洪沉积物中元素的迁移过程。

表5 雨洪沉积物重金属潜在生态风险指数

对南京市雨洪沉积物5种重金属元素进行相关性分析(见表6)，可以看出Zn、Pb和Ni之间呈显著性相关(P<0.01)，说明这3种元素的含量之间有较大的相似性；与Cr和Cd含量没有明显的相关性，说明这两种元素含量和来源无明显规律，受人为活动的影响比较大。

表6 重金属元素间的相关系数

对重金属污染物进行R型因子分析，结果表明，沉积物中的重金属含量受多因素影响，分析文本数据，可将研究区域内沉积物重金属划分为3个因子(见表7)，他们的方差贡献额分别为62.85%、19.81%、7.04%，累积贡献率为89.7%。其中F1因子的组合为Zn、Pb和Ni，为研究区域重金属含量的主控因子，F2因子以Cr为主，F3因子为Cd。

表7 雨洪沉积物重金属元素因子荷载

3 雨洪沉积物中重金属来源讨论

在以上的分析中，重金属的来源与人类活动密切相关，通过重金属元素间的相关分析和组合因子分析初步识别了雨洪沉积物中重金属的可能来源，由表6知，Zn、Pb和Ni含量之间表现出显著的正相关，结合元素的总含量可知，Zn、Pb和Ni在车流量较大的重交通机动车道沥青路面上含量高，同时Zn和Pb常被视作交通污染源的标识元素[18]，因此F1因子组合反映了交通污染的影响，且F1因子解释的原变量方差为62.8，在3个因子中所占比例最多，可近似认为F1因子是雨洪沉积物重金属含量的主要来源，F2与F3的方差份额分别为19.81和7.04，远小于F1所占份额，表明Cr和Cd在雨洪沉积物中受自然条件与人为影响较大，无固定的污染源。因此，交通源是造成南京市梅雨期雨洪沉积物重金属污染的最主要原因。

4 结论

(1)雨洪沉积物中5种重金属的污染程度由强到弱依次为：Cd>Zn>Pb>Ni>Cr，其中Cd、Pb处于中度污染，Ni、Zn处于轻度污染，Cr无污染。

(3)南京市雨洪沉积物中Zn、Pb和Ni主要来自于交通源，Cr主要来源于住宅小区建筑废料以及土壤风化作用。

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Pollution Evaluation of Heavy Metal in StormwaterSediment in Nanjing in Rainy Season

Luo Hui，Zhou Shuyu，Huang Xin*，Tong Lei

(School of Civil Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China)

In order to know the risk of heavy metal element content in sediment of stormwater and the degree of pollution hazard in Nanjing in rainy season，24 samples were obtained and the metal elements of Zn，Pb，Cr，Ni and Cd were measured.Pearson correlation coefficient and combination of factor analysis were used to examine the relationship between various heavy metals in sediments.Methods of cumulative index and potential ecological risk index were used to evaluate the degree of pollution and ecological risk of heavy metals.The results indicated that the mean concentrations of Zn，Pb，Cr，Ni and Cd in sediment of stormwater were 116.64，43.56，86.32，41.13 and 0.32mg/kg，respectively，which were 1.8，1.98，1.14，1.29 and 4.00 times of the Jiangsu soil background values.The index of geoaccumulation analysis results showed that the pollution degree of 5 kinds of heavy metals followed respectively：Cd>Zn>Pb>Ni>Cr and the Cd、Pb were non-to moderate-pollution and the Cr was of non-pollution.The results of potential ecological risk index analysis showed that single potential ecological risk coefficient Eir of 5 kinds of heavy metals was described in following order：Cd>Pb>Ni>Cr>Zn.Single potential ecological risk coefficient Eir was less than 40 and potential ecological risk index RI was less than 150.Five kinds of heavy metal in sediment of stormwater all belonged to a light potential ecological risk.The Zn，Pb and Ni mainly came from transportation and people stream.The Cr mainly came from weathering soil and architecture source.The results of this study had important realistic meaning for heavy metal pollution control，environmental quality assessment and the city layout program.

Sediment of stormwater；heavy metal element；index of geoaccumulation ；potential ecological risk coefficient；pollution evaluation

2016-09-09

江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

骆辉，硕士研究生。研究方向：林区道路。

*通信作者：黄新，教授。研究方向：森林工程。E-mail：761358845@qq.com

骆辉，周舒宇，黄新，等.南京市梅雨期雨洪沉积物重金属污染评价[J].森林工程，2017，33(1)：28-32.

X 53；X 825

A

1001-005X(2017)01-0028-05