公路路面灰尘及其径流重金属污染研究

王新军，高硕晗，姚嘉林，熊新竹，李云鹏

（交通运输部科学研究院，北京 100029）

0 引言

路面灰尘作为一个来源复杂、包含多种污染物的混合体，是环境中很多污染物质的“源”与“汇”，与水体环境污染和大气污染密切相关。研究表明，虽然道路仅占城市积水面积的20%左右，但城市道路径流对受纳水体却产生了约50%的SS、30%的总碳氢化合物[1]，贡献的重金属总污染负荷达35%～75%[2]。亦有研究表明，路面灰尘对大气中PM10总排放量的贡献率约为20%～80%，对大气颗粒物中重金属污染的贡献率则高达75%～94%[3]。可见，路面灰尘及其径流污染对环境和人类健康构成了严重的威胁。随着全球城市化的推进，路面灰尘及径流污染已成为相关研究人员及公众密切关注的重要问题。

目前，我国城市道路通车总里程约为35.2万km，而全国公路通车总里程从2001年的169.8万km增至2017年的477.35万km，其中高速公路里程突破13万km，农村公路里程突破400万km，仅货运量就从2001年的105.58亿t增至2017年的472.43亿t，公路里程和运输量增长迅速。频繁的交通活动势必导致公路路面累积污染物的数量和种类急剧增加，加重路面径流污染程度，并对公路周边农田、林地、河流、湿地等生态系统以及水源保护地、自然保护区等构成严重威胁，导致环境污染形势日益严峻。因此，关于公路路面灰尘及径流污染的研究亟待加强。

目前，我国路面灰尘及径流污染研究主要集中在大中型城市的市内道路，而对连接城市、城乡、乡镇、农村的公路路面灰尘及径流污染问题研究较少。公路与城市道路之间存在着明显差异：从周边环境分析，城市道路主要是围绕居住区、商业区、办公区、学校、厂矿企业等设施建设，而公路周边多以农田、林地、河流、乡村为主，在人口密度、土地利用类型等方面存在着巨大的环境差异；从交通量和行车速度分析，城市道路交通构成比较复杂，一般呈现潮汐车流、车速慢，而公路车流量相对稳定，车速快，同时城市道路基本不会出现重载交通，公路则与之相反；从维护管养分析，城市道路有定期的路面清扫和洒水，而公路主要以路面病害防治为主，缺乏清扫。这些差异势必会影响公路路面灰尘的输入、输出以及环境效应，从而表现出不同的特征。由于公路一般远离城市，其污染问题并没有引起重视，有关公路路面灰尘污染特征还鲜有研究或报道。

为此，本文从路面灰尘重金属污染来源、污染特征、粒径分布特征以及路面径流重金属污染特征、排放规律等方面就国内外相关研究进行分类综述，对现有研究存在的不足以及未来研究趋势和热点加以分析，以期为加强路面灰尘重金属污染与防治相关研究工作提供有益借鉴。

1 路面灰尘重金属污染研究现状

1.1 路面灰尘重金属污染来源

路面灰尘重金属主要来源于以大气沉降为主的自然源和包括交通污染、工业污染和城市建设与生活等方面的人为源[4]。交通污染主要表现为汽车尾气排放、轮胎和路面的老化磨损、车体自身的磨损和腐蚀、油类润滑剂的使用以及融雪剂的污染等方面[5-6]；工业污染主要表现为金属冶炼厂、电镀厂、轧钢厂等金属加工厂的废气排放[7]；城市建设与生活污染主要表现为建筑扬尘、建筑物金属部分的腐蚀脱落以及冬季燃煤供暖的烟气排放等方面[8]。从元素角度分析，Mn,V,Co,Ba主要来源于自然源，Cr,Ni,Cu,Zn,Pb,Cd,Sb主要来源于人类活动，尤其以交通污染为主[9]。总之，路面灰尘重金属污染来源复杂。方凤满等对路面灰尘重金属污染来源做了详细的综述[10]。

1.2 路面灰尘重金属污染特征

路面灰尘重金属污染是反映城市环境污染状况的重要指标之一，国内外许多学者围绕城市道路,按城市功能区分布开展了广泛的研究。研究表明，受城市工业、交通活动、城市建设等人类活动的影响，重金属Cr,Ni,Cu,Pb,Zn,Cd广泛存在于城市路面灰尘中，同时Cu,Pb,Zn,Cd的污染比Cr,Ni要严重，而且均高出土壤背景值和城区土壤污染水平[11-14]；不同功能区之间的污染空间分异较大，重工业区污染比较严重，交通区重金属含量明显高于居民区，公园、学校及幼儿园等娱乐文教区也受到不同程度的污染。综上所述，灰尘重金属污染对城区生态环境构成了严重的威胁[14-17]。

近十几年来，我国关于路面灰尘重金属污染的研究主要集中在如香港、北京、上海、重庆、南京、杭州、西安、沈阳、长春、哈尔滨、乌鲁木齐、宝鸡等大中型城市的中心城区道路，取得了很多有价值的成果。我国部分城市路面灰尘中重金属含量的分布情况见表1[8,13-15,17-24]。目前，鲜有关于路面灰尘中重金属Sb的分布特征的研究。由于受城市人口规模、交通量、城市地形与气象以及各地的土壤背景值等因素的影响，不同元素在不同城市地表灰尘中的含量差异较大。城市道路路面灰尘中重金属Cr,Ni,Cu,Zn,Pb,Cd的含量分别为土壤背景值的 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，几乎全部超过我国土壤背景值。相关结果表明，重金属在路面灰尘中大量富集。

表1 国内城市道路和高速公路路面灰尘重金属含量

与城市道路相比，我国针对高速公路以及低等级公路路面灰尘污染特征的研究相对较少。随着高速公路的快速发展，一些学者对江西、山东、湖南、吉林的几条高速公路路面灰尘重金属污染状况进行了研究[25-28]，结果见表1。高速公路路面灰尘重金属Cr,Ni,Cu,Zn,Pb,Cd含量分别为土壤背景值的 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。与农用地土壤污染风险管控标准相比，除Ni外，高速公路路面灰尘重金属含量均超过了标准的最低限值，尤其是Zn超过了标准限值的1～3倍。总体而言，高速公路路面灰尘重金属含量高于城市道路，潜在环境污染风险大，高速公路路面灰尘污染亟需关注。由于人口、能源、下垫面特征、交通等因素造成的城乡环境差异对街尘及其重金属污染分布有显著的影响，已逐渐引起研究人员的重视[31]，而对于连接城市、城乡、乡镇、农村的不同等级公路路面的灰尘累积分布及其重金属污染分布还鲜有研究报道。

1.3 路面灰尘及重金属粒径分布特征

灰尘粒径特征在很大程度上决定了重金属的可移动性，国内外学者自20世纪80年代以来就开始对地表灰尘及重金属粒径分布规律展开了相关研究[6,32]。总体上，路面灰尘中重金属含量随灰尘粒径的减小而增加，表现出明显的粒级效应，但不同元素由于其来源不同，在不同粒径上的富集规律存在一定差异[33]。城市路面灰尘中＜250μm的颗粒物占64%以上[4,17,24]。

然而，冯美军等对长深高速公路路面灰尘研究表明，大粒径(＞250μm)颗粒占颗粒物总量的76.23%[25]。但徐沛斌对长潭西高速公路路面灰尘的研究发现，路面灰尘以粒径＜300μm的小颗粒为主[34]。Wang等对吉林省6条高速公路路面灰尘粒径分析表明，灰尘以粒径＞250μm的大颗粒为主（占比约为50.8%～67.7%），相比于一般城市道路，高速公路路面灰尘粒径较大[28]。高速公路不同粒径灰尘赋存的重金属对污染的贡献率以大粒径颗粒为主，粒径＜250μm的颗粒贡献率为45.7%[28]，而城市道路中粒径＜250μm的颗粒贡献率为80%[4]。可见，高速公路路面灰尘粒径组成及重金属污染呈现出与城市道路不同的污染特征。但是由于相关研究不足，有关公路路面的灰尘粒径分布尚存在争议。

路面灰尘累积、粒径组成以及重金属的变化不仅受晴天累积天数、土地利用类型、道路清扫方式、风力等因素影响，同时交通流量、车速、路面条件也会产生重要影响[6,10,35]。根据《公路工程技术标准》[36]，我国将公路分为高速公路、一级公路、二级公路、三级公路和四级公路五个技术等级。不同等级公路在宽度、线形等技术指标方面不同，同时在车流量、车型比例、车速等方面也存在显著差异。虽然对于高速公路路面灰尘重金属污染特征研究已有一些成果[25-28,34]，也证实了高速公路路面灰尘污染严重，但不同等级公路路面灰尘累积有何分布特征，粒径组成、分布及重金属污染程度是否存在差异，影响的关键因素有哪些，这些问题都有待研究回答。

2 路面灰尘重金属径流效应研究现状

2.1 路面径流重金属污染特征

20世纪70年代以来，国内外学者对城市道路路面降雨径流污染进行了大量的研究，包括污染物含量、影响因素、污染源及其从路面到受纳水体的迁移过程、污染物对受纳水体水质的影响等方面[37,38]。研究表明，一般路面径流主要监测水质指标有：pH值以及EC,TN,TP,NH4+-N,NO3--N,TSS,COD,BOD5和重金属（Cu,Zn和Pb）等污染物。总体上说，城市道路径流主要的污染物为TSS,COD,TN,TP。除城市道路降雨径流污染外，随着高速公路的快速发展，频繁的交通活动使其径流污染严重，为此也逐渐受到关注[1,39-41]。研究认为，路面径流重金属主要来源于车辆的交通耗损，而高速路的车速快，车辆磨损大于普通道路，因此在高速路径流污染物中Pb,Cu和Zn的浓度要高于普通道路[42]；普通道路径流污染物中COD和TSS要高于高速路，这主要由于普通道路受人类活动影响较大的缘故[42]。

2.2 路面径流重金属排放规律

路面灰尘中Cr,Ni,Cu,Zn,Pb,Cd等被径流冲刷进入水体，造成水体重金属污染。路面径流重金属污染大部分存在一定的初期效应。它是路面径流污染的重要特征，对非点源污染控制有重要的指导意义。径流中的污染物随降雨过程逐渐降低，初期径流之后（15～30min），污染物的平均浓度比初期径流污染物浓度降低25%～50%，径流中Zn,Pb,Cd,Cu和Cr等重金属的污染符合“浓度初期冲刷”规律[39]。降雨量大、初期降雨强度大的降雨事件，初期径流中污染物浓度较高，之后污染物浓度逐渐降低；然而降雨量小、平均降雨强度小的降雨事件，对污染物冲刷不彻底，污染物浓度在一定范围内波动，没有明显变化[41]。

2.3 路面灰尘与径流污染相关关系

降雨冲刷是灰尘地表径流负荷产生的动力和输移条件。研究认为，粒径决定着灰尘颗粒在径流中的可移动性，大颗粒物很难随径流移动[42]。一般降雨事件中粒径＜100 μm的灰尘是径流中颗粒物的最主要组成部分[43]。常静等提出了“城市地表灰尘-降雨径流”的系统概念，强调了不透水地面的累积和冲刷是污染物迁移转化的关键过程[44]。Zhao等通过对北京市街尘采样和径流观测，初步估算了街尘的定量冲刷比例[31]，但是路面灰尘与径流冲刷颗粒物之间的污染物浓度与量的关系依然有待进一步深入研究。

3 研究展望

3.1 不同等级公路路面灰尘及重金属污染特征研究

当前，我国路面灰尘重金属污染研究主要关注大中型城市的中心城区道路，至于连接城市、县城、乡镇、农村的公路路面灰尘及其径流污染问题尚未引起重视。由于公路与城市道路在周边环境、交通量和行车速度、清扫方式和频率等方面存在显著差异，而这些差异可能对路面灰尘的累积量、粒径组成、重金属污染水平等方面产生较大的影响。为此，科学评估不同等级公路路面灰尘及重金属污染现状并掌握其特征对于污染防治至关重要。

3.2 不同等级公路路面灰尘及重金属迁移转化机制与规律研究

目前，城市道路路面灰尘研究主要集中在灰尘的累积分布、重金属含量、空间分布及污染评价等方面，但灰尘重金属可以在路域“土-气-水”界面间迁移转化，对土壤、水体、植物、人体都会带来潜在风险。已有研究均是建立在单一界面上，今后应加强路域范围内灰尘及重金属在“土-气-水”界面间迁移转化及规律的研究[45,46]。

3.3 重金属的来源解析及风险评价研究

路面灰尘重金属的来源非常复杂，目前已有研究的判源手段主要以GIS空间分析、相关性分析、主成分分析等定性描述的方法为主[6]，虽然已有学者采用同位素示踪技术在灰尘重金属污染源解析方面进行了定量分析[47]，但其应用范围还比较狭窄。如何应用更多的新技术对重金属来源进行定量分析，是今后灰尘重金属源解析的重点和难点。此外，当前灰尘多以人体暴露风险评价为主，但受模型参数的影响，可能在一定程度上低估潜在风险，以模拟人体吸入和消化过程为主的重金属生物毒性与毒理研究[48]将会成为今后风险评价的热点。

4 结论

本文从路面灰尘重金属污染来源、污染特征、粒径分布特征以及路面径流重金属污染特征、排放规律等方面，对国内外研究状况进行了分析，并得出以下结论。

（1）路面灰尘交通污染源主要为汽车尾气排放、轮胎和路面老化磨损、车体自身磨损和腐蚀、油类润滑剂使用等。当前城市道路路面灰尘重金属污染已对生态环境构成了严重的威胁。与城市道路相比，高速公路路面灰尘重金属含量高于城市道路，潜在环境污染风险大，因而亟需对高速公路路面灰尘污染加以关注。

（2）路面灰尘中，重金属含量随灰尘粒径的减小而增加，并表现出明显的粒级效应。高速公路路面灰尘粒径组成及重金属污染呈现出与城市道路不同的特征。不同等级公路路面灰尘累积分布特征如何，粒径组成、分布及重金属污染程度是否存在差异，影响的关键因素有哪些，这些问题都亟待研究回答。

（3）重金属具有长期性、隐匿性、不可逆性及不可降解性，而高速路径流污染物中Pb，Cu和Zn的浓度要高于普通道路，势必会增加重金属污染负荷。降雨冲刷是影响路面灰尘重金属迁移的主要驱动力，同时粒径决定着灰尘颗粒在径流中的可移动性。由于不同等级公路路面灰尘的累积分布特征、粒径组成等方面可能存在差异，因此开展不同等级公路路面灰尘重金属及其径流的重金属污染研究，阐明公路路面灰尘及重金属的时空累积分布特征，揭示灰尘及重金属随径流迁移排放的规律，明晰重金属来源，对污染物源头控制和分层次治理并从环境保护的角度优化我国公路网的规划布局具有重要的科学价值和现实意义。