道路雨水径流中重金属特征研究进展

2019-11-05骆辉章泽宇胡小波荆肇乾

应用化工 2019年10期

骆辉，章泽宇，胡小波，荆肇乾

(南京林业大学土木工程学院，江苏南京 210037)

随着工业发展和城市化的加快，机动车量通行、汽车尾气排放、油脂泄露、轮胎磨损、机动车零件腐蚀等导致大量的污染物在路面的积累，发生降雨时，这些污染物由于目前我国道路仅限于“排”的处理方式直接排入地下水体，易对地下水体造成重金属累积、富营养化和区域生态破坏。地表径流污染源主要来自于以下四部分：大气沉降、路面沉积物、雨洪沉积物和地下排水设施，它们在不同的空间范围内影响着雨水径流水质，地表径流中的重金属是水质指标中不可忽略的环节，水中溶解态重金属具有广泛性、隐蔽性、滞后性、不可降解性等特点，在通过生物链逐步富集，危害水生环境与人体健康，是水环境治理中的难点。

随着海绵城市建设的加快，全国范围内逐步开展了具有“吸水、蓄水、渗水、净水”功能的透水性道路建设，其复杂的内部空隙通过吸附、截留、络合反应等能够有效的去除径流重金属，降低污染负荷。本文选取重金属Fe、Cu、Cd、Zn、Pb、Cr和Ni作为研究对象，总结了近年来国内外城市地表径流中雨水重金属含量、出流特征、赋存状态以及在水体中的行为特点，对评价路面径流水质质量、控制面源污染中重金属富集具有重要意义，为各城市的海绵城市建设提供科学依据。

1 我国道路雨水重金属含量现状

我国对道路径流污染的研究开展初期，北京、广州、南京、天津、西安、乌鲁木齐等城市进行了路面径流水质的研究工作，各城市研究结果表明：道路径流污染成分为固体悬浮物、氮、磷、化学需氧量、铅、锌、铬、镉、铜等。

在高速公路方面，李贺等[1-2]对南京禄口机场高速令桥段进行24次现场采样监测，发现降雨类型对路面径流中重金属出流特性影响较大，但均出现“初期效应”，降雨持续时间短的双峰型降雨事件中，重金属排放规律存在明显的“二次冲刷”现象。Pb的污染程度最为严重，分布范围为6.4～120.6 μg/L，Cd、Cu、Zn分别在0.09～2.18，24～197，100～1 030 μg/L之间。

甘华阳等[3]同时监测京珠高速降雨的水文学特征和重金属Cd、Cu、Zn、Pb、Ni和Cr的出流效应，发现在流量峰值左右重金属浓度最低，绝大部分有害重金属元素都以悬浮固体吸附在环境介质上的颗粒态形式存在，不同类型的重金属与TSS之间呈现不同程度的相关性，线性相关系数于0.6～0.98之间，Pb是高速公路雨水径流中最主要的重金属污染元素，其污染水平与雨前晴天数、车流量、降雨特性、用地类型等关系较大。

表1 国内外高速公路重金属平均浓度Table 1 Statistical heavy metal on highway runoff at home and abroad

注：①EMC范围；②EMC检测值。

城市道路方面，李倩倩等[11]对天津市重交通市政道路路面径流中不同类型重金属含量进行了分析，发现Cd、Cr、Fe为天津市城区道路雨水径流中主要污染物，其污染程度高于同期国内外大部分城市。随着降雨过程的持续，各重金属浓度呈波浪型折线减轻规律，通过聚类分析法得出重金属污染与前期晴天数和降雨强度影响最为显著，其次是降雨量和降雨历时。王龙涛等[12]对重庆市道路路面、屋顶和合流制雨水口为研究对象，发现路面径流重金属浓度远超出屋面径流，说明交通流量带来的轮胎摩擦、制动器摩擦和尾气排放是引起地表径流重金属污染加重的最主要原因，Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的浓度分别为(6.83±2.97)，(91.63±58.28)，(185.21±110.45)，(94.85±51.49)，(174.74±111.32)，(986.5±566.6)μg/L。骆辉等对南京市不同功能区道路雨水径流重金属进行全过程监测，发现各道路的径流中悬浮物浓度峰值均出现在径流初期，科教区与重交通区分别为45 mg/L和316 mg/L，且具有明显的初期效应；重交通区Pb的含量劣于IV类标准[13]。袁宏林等[14]对西安市不同季节不同区域内城区雨水径流中重金属出流变化特点、各元素之间的相关性以及污染源进行了采样分析，结果发现，Fe的浓度在全年监测中均保持较高含量，超出国家标准3倍，Mn和Zn的季节性变化趋势为：冬季>秋季>夏季>春季，Pb的浓度变化大致呈现出冬季>春季>夏季>秋季的规律，因子分析表明，Mn、Pb主要来自于交通污染，Fe、Al受自然污染影响较大，Zn、Cd主要是人为污染。董微砾等[15]对乌鲁木齐市区多条城市道路雨水径流进行现场取样分析，发现其重金属含量均高于其他城市，Pb和Cu的含量已分别高达367.1，2 520 μg/L，4种重金属浓度均在3～20 min内达到最高值。常静等[16]以上海市中心城区道路为研究对象，发现雨水冲刷过程中重金属浓度呈偏态分布，近80%的Cr浓度超出地表V类水标准，部分已超出V类水2倍，Cu和Ni的污染最轻远低于V类水标准。潘俊等[17]对沈阳地表径流中Cu、Zn、Pb、Mn、Fe、As进行监测，在雨水所含重金属中，Fe占总量的68.68%，Mn占18.46%、Cu占8.87%、Zn占3.485%，Pb含量占0.48%，由聚类分析初步判断路面径流中赋存重金属主要来源于沉积物中粉土类细颗粒和车辆运行。

表2 国内部分城市地表径流重金属EMC含量Table 2 The EMC of the heavy metals in road rainfall runoff among cities

注：①EMC值为平均值；②EMC为检测范围。

2 道路雨水重金属赋存形态研究

颗粒态和溶解态是道路雨水重金属的主要存在形式，主要由0.45 μm滤膜加以划分。美国城市降雨径流计划(NURP)中特别提出，铜、铅、锌是城市径流中最常见的重金属，它们各自的平均浓度值为82，144，160 mg/L，其中工业区的地表雨水的重金属浓度高于科教区和商业中心区。对应重金属浓度随着降雨时间的变化，在径流量大的情况下重金属是颗粒悬浮态，在径流量小的情况下以溶解态存在，还有许多因素影响着径流中重金属的形态，例如总金属的浓度、金属的类型、pH、溶解氧、碱度、硬度、细菌的活动和其他的无机物质，Pb在城市径流中是最稳定的，主要以颗粒态形式存在，锌则以溶解态形式为主。Reit[18]发现Zn、Cu和Pb分别以82%，88%，47%的溶解态存在于城市径流中，而径流中重金属不同存在形态的差异影响着径流中与其他组分的相互作用。Vikander[19]发现颗粒粒径越小其所含重金属浓度越高，金属浓度降低随着颗粒粒径变化<75，125，250，500，1 000，2 000 μm，逐渐降低，同时重金属浓度和颗粒粒径小于15 μm有显著相关关系，粒径在15～50 μm无相关关系。

聂发辉[13]认为，微小颗粒会影响水的浊度并影响水生环境，其较大的比表面积还能成为其它污染物(如重金属)的寄存空间，由此发展为重要的污染源，此外，吸附在悬浮固体表面的污染物具有较大的隐蔽性和生物降解性，因而在面源污染领域中需引起重视。

3 地表沉积物重金属污染特征

地表沉积物是城市环境中一种常见的污染物载体，被认为是道路雨水径流重金属污染的最初渠道，道路沉积物是一个不断平衡的系统：有输入、输出、存储转化及它们之间的相关过程。输入包括两个方面：首先是外来源所产生的，包括：通过暴雨形成洪水产生的雨洪沉积物，内河或河流对周围土壤的侵蚀而形成的泥沙；空气的干、湿沉；降落叶和枯草的生物输入。其次是路面内部的，包括：路面破损、交通线涂料或交通设施剥蚀、汽车零件磨损、汽油等。输出有街道清扫、降尘洒水、风力作用下的再悬浮、径流的迁移和转化。储存过程体现在：晴天天气下的累积，这样就使路面沉积物包含了一定量的毒性重金属元素。城市地表沉积物的累积和组成成分与许多因素相关，包括：天气状况、路面形态、下垫面类型、交通密度、工业状况、降雨强度、与土壤和海洋的接近程度等。作为一种环境介质，道路沉积物通常作为区域污染水平的一个重要指示剂。城市地表沉积物的不均一性、成分变化较大、土壤条件不同等特点沉积物地看中选成许多特定的问题。研究者认识到街道尘土中细颗粒与路面径流的内在联系，提出了将道路沉积物看作城市道路雨水重金属污染的“源”要素，重视“地表灰尘水环境污染意义”的观点。

3.1 地表沉积物污染物种类

路面沉积物包含许多污染元素，主要有雨洪冲刷物、大气沉降物和车辆排放物等。在道路沉积物中，重金属积聚效应最严重的是Pb和Zn，Al-Rajhi等[20]研究了Riyshd市老城区、城乡结合区、农村、传统工业区和科教区等不同功能区尘土中重金属Cd、Cr、Cu、Li、Ni、Pb和Zn的污染水平，发现工业区沉积物中重金属元素含量最高，城市环岛区沉积物中Pb含量次之，主要来源于车辆尾气排放。Lix等[21]研究了香港地区道路沉积物和附近土壤重金属的污染水平，结果表明道路沉积物中Zn的含量高至1 450 mg/kg。王金达等[22]发现沈阳市区主干道路表沉积物中溶解态铅的含量为220.6 mg/kg，变化范围在19.85～2 809 mg/kg，高于土壤背景值中铅含量5倍以上。因此，城市道路路面沉积物中积聚的各种类型和形态的重金属，不容忽视。

3.2 地表沉积物中重金属含量

国外发达国家学者在20世纪70年代起开始对路面沉积物中重金属效应进行研究，通过近五十年的研究，在路面沉积物中重金属元素污染程度、来源、出流规律、转化行为以及来源判断等方面取得了丰硕的研究成果。表3列出了国外典型城市道路沉积物中重金属的种类和含量。

表3 国外典型城市路面沉积物重金属元素及含量(mg/kg)Table 3 The types and contents of heavy metals in the sediments in different cites abroad(mg/kg)

Charlesworth等[30]初步完成英国考文垂和伯明翰地区道路沉积物中重金属元素污染效应的空间范围分布图，结果显示位于伯明翰市西北工业园区沉积物中铅浓度较科教区、生活区等其它地区明显偏高，在环岛处所采集的沉积物中重金属含量较其他路段偏高，且道路沉积物中重金属的含量与人类活动成显著正相关关系。Al-Chalabi[28]在澳大利亚布里斯班市区行车主干道上对降尘和沉积物中重金属Pb的含量进行定期监测和分析，发现路面沉积物表面固有的复杂孔道使得其对微小悬浮固体Pb有吸附作用。Naim等[22]通过对土耳其伊斯坦布尔5条高速公路沉积物中铅污染程度研究，结果表明其含量均比该地区土壤中重金属的背景值最高含量高出数倍。

国内部分学者对近40个城市道路和高速公路沉积物污染程度进行研究，高速公路方面，叶颖[32]对湖南长潭西高速公路路表沉积物进行取样分析，得出Cu、Pb、Zn、Cd的含量分别达到113.7，724.7，1 050.9，27.8 mg/kg，Cu、Zn和Pb 环境危害表现为轻微，而Cd环境危害很强。陈莹等[33]对西安至临潼高速公路路面沉积物分析发现，沉积物以微小颗粒为主，导致Pb、Zn含量值严重超标且不稳定，表4列出了国内部分城市路面沉积物重金属种类与含量。

表4 全国主要大中城市路面沉积物重金属种类与含量(mg/kg)Table 4 The types and contents of heavy metals in the sediments of major cities in China(mg/kg)

城市道路方面研究的比较多，薛红琴等[42]以不同功能区沉积物为研究目标，发现Cu、Cr、Zn、Pb、Mn、Cd、Ni的平均含量与粒径呈不同程度负相关；张菊等[34]认为，上海市道路沉积物重金属浓度均值全部高于其土壤背景值，各功能区存在不同程度的积累，重金属含量的空间分布差异较大，局部污染严重超标。李灵等[41]对武夷山市道路沉积物重金属污染状况及其风险程度进行调查评估，其中Cu、Zn、Pb、Cr和Ni含量的平均质量分数分别是福建省土壤元素背景值的1.49，2.93，3.09，4.19和1.12倍，风险程度由高到低依为：Cr>Zn>Pb>Cu>Ni。徐玮等[40]以镇江市交通区、住宅区、科教区等6个典型功能区为研究对象，结果表明重金属含量有明显粒级效应，Pb、Zn、Ni、Cr、Cd的平均含量在城市行车道上较高，Cu、Mn的平均含量最高值分别在住宅区和文教区。

3.3 路面沉积物与径流重金属含量关系

城市道路雨水重金属污染效应指的是在大气降雨过程中，天然降雨经路面掺杂沉积物流经城市不透水区域，累积复杂的重金属载体污染源，通过城市管道直接或者间接排入江河湖海而造成的水体污染。在国外研究中，已较为成熟的建立重金属在降雨径流体系中转化迁移的概念性模式，并得到不同程度的修正和运用，其模式核心理论认为道路沉积物是城市环境中重金属累积的载体，也是路面雨水径流污染的主要来源渠道。Ball等[44]提出径流形成途径中重金属元素的转化形式为“路面积聚→降雨冲刷→迁化转移→受纳水体”四个过程。Charlesworth等[30]提出了道路沉积物“源→迁移→转化→沉降”模式，囊括了重金属从路面积聚到冲刷、转化和最后沉积的过程。Miguel等[28]提出了颗粒物质在城市环境中的循环模式，着重表述“大气悬浮物→路面沉积物→雨洪沉积物→城市土壤”之间的相互转化关系。