临安区不同功能区道路降雨径流重金属污染特征及源解析*

2020-02-25蔡成豪许立宏朱方伦洪家兴苗涵倩龚苗苗方晓波

环境污染与防治 2020年2期

蔡成豪许立宏朱方伦洪家兴苗涵倩龚苗苗方晓波

(浙江农林大学环境与资源学院，浙江杭州 311300)

随着点源污染治理技术日渐成熟，降雨径流引起的非点源污染成为城市水环境污染之一[1-3]。研究表明，来源于城市不同地表的悬浮颗粒物、重金属、有机物等污染物[4]通过降雨径流输入城市地表水体，加重地表水及受纳水体的污染，破坏城市水生生态系统，威胁公众身体健康[5]，因此道路降雨径流(以下简称道路径流)重金属污染受到广泛关注。相关研究表明，城市道路径流贡献的重金属占水环境总量的35%～75%[6]，污染受区域气候、环境空气质量、降雨特征、交通量、周围土地利用方式等诸多因素影响，具有来源广泛、机制复杂、变异显著、治理困难等特征[7-9]。为有效减少道路径流污染，污染源解析尤为重要。近年来，研究者运用主成分分析等多元统计技术，对道路径流中污染物来源做进一步识别。张千千等[10]发现Cd、Zn、Pb来源于车辆的交通损耗；侯培强等[11]发现Cu、Pb、Zn主要源于大气沉降和机动车尾气。但不同城市道路径流重金属污染水平、污染物来源均有差异。

我国城市道路径流中重金属污染较为严重[12]，但对于浙江省城市道路径流污染及源解析文献报道较少，故选取临安区不同功能区道路为研究对象，通过采集道路径流，监测水样重金属(Cu、Zn、Pb、Cr、Ni)含量，探究道路径流污染特征，并且运用主成分分析等方法识别潜在污染源，为临安区城市地表水环境中重金属的防治提供基础信息。

1 方法

1.1 研究区概况

临安区地处浙江省西北部，中亚热带季风气候区南缘，属季风型气候，温暖湿润，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 样品采集与分析

根据临安区不同功能区布局，采样点分别设在文教区(浙江农林大学东湖校区校园内A7宿舍楼和五洲广场)、交通区(武肃街804路公交车站和武肃街与大学路交叉口)、商业区(临安区大学城商业街)、居住区(吴越人家)、工业区(浙江万马电缆股份有限公司)，共计7个采样点，道路材质均为沥青混凝土，在道路雨水井入口处分别收集降雨径流样品。

当降雨产生径流时，及时到达采样点，用采样瓶采集径流样品，每次采集约1 L，由于降雨径流的污染物存在初期冲刷效应，所以采用前密后疏的采样方式。开始30 min内每隔10 min采集1次径流水样，之后每隔30 min采集1次径流水样，至降雨结束。

采集后的水样立即送回实验室进行处理，监测指标包括Cu、Zn、Pb、Cr、Ni。水样采用HNO3消解并按电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法测定。在降雨前，采集采样点附近约60 g的地表沉积物，采用HCl-HNO3-HClO4消解并按ICP-MS法测定重金属。

1.3 降雨特征

采样期间使用JDZ01-1型数字雨量计对降雨特征进行同步监测，本研究8场降雨特征统计结果见表1。

1.4 污染物平均质量浓度(EMC)

由于降雨强度随机，道路径流中污染物的浓度随时间变化较大，所以通常采用EMC来表示一场降雨径流过程排放某种污染物的平均浓度。EMC计算公式[13]见式(1)：

(1)

式中：M为污染物总量，mg；V为总径流量，m3；Ct为t时刻污染物质量浓度，μg/L；Qt为t时刻径流量，m3/s。

2 结果与讨论

2.1 不同功能区重金属EMC

不同功能区的不同重金属浓度存在差异性。锦溪和苕溪是穿临安区而过的主要河流，其水环境功能区均为GB 3838—2012的Ⅲ类水[14]，将8次降雨造成的道路径流重金属EMC与Ⅲ类水水质指标相比，交通区、商业区、工业区的Pb与Cr均超过了地表水Ⅲ类标准限值(见表2)。与其他城市相比，临安区交通区道路径流Cu、Pb、Cr明显高于上海市，商业区道路径流Cu高于天津市，居住区道路径流Cu、Pb高于青岛市，工业区道路径流Zn高于太原市，表明临安区道路径流污染较为严重。与临安区降雨相比，各功能区道路径流重金属浓度都远超降雨中各重金属浓度，说明降雨流经道路后携带大量重金属进入水体，造成水质恶化。

表1 采样期间降雨特征

表2 不同功能区道路径流中Cu、Zn、Pb、Cr、Ni的EMC1)

注：1)地表水Ⅲ类参照《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)，上海市、天津市、青岛市、西安市和太原市的数据来源于文献[15]至[19]。

2.2 不同功能区重金属浓度随降雨历时变化

本研究中8次降雨主要为小雨和中雨，选择2017年9月20日和11月13日作为具有代表性的降雨事件，分析不同功能区不同重金属浓度随采样时间的变化情况。在11月13日小雨事件中，Cu、Zn、Pb、Cr、Ni浓度在降雨10 min时达到峰值后呈锯齿状下降，最终趋于稳定。以交通区为例，Cu、Zn、Pb、Cr、Ni末期质量浓度保持在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浓度在降雨10 min时达到峰值并迅速下降，最后逐渐趋于平稳。以交通区为例，Cu、Zn、Pb、Cr、Ni末期质量浓度保持在10.7、75.6、28.2、44.4、24.6 μg/L。中雨事件污染物浓度下降得更快且末期重金属浓度低于小雨事件，这是因为降雨量和降雨强度决定径流冲刷地表的能量，当降雨量和降雨强度较大时，可以对街尘进行迅速、有效冲刷，重金属快速进入径流，这与陈莹等[20]的研究结果一致。

2.3 重金属污染的季节变异特征

道路径流在不同季节受到的外界干扰因素影响不同，导致污染物浓度存在差异。根据临安区气象特征，2017年9月20日与11月13日属于秋季，2018年1月21日属于冬季，2018年4月3日与5月19日属于春季，2017年6月21日与8月1日及2018年6月30日属于夏季。选择不同季节的降雨事件，分析了不同功能区道路径流重金属浓度随季节变化情况，分析结果见图1。

由图1可见，Cu、Zn、Pb、Cr、Ni浓度均随季节变化明显。Cu表现为夏季>春季>冬季>秋季；Zn表现为秋季>冬季>夏季>春季；Pb表现为冬季>春季>秋季>夏季；Cr表现为冬季>秋季>春季>夏季；Ni表现为冬季>春季>夏季>秋季。道路径流中重金属浓度变化受到大气干湿沉降影响[21-22]。降雨前空气中累积的污染物变化引起空气质量指数变化，道路径流的污染物浓度也相应有所改变。结合采样前1周空气主要污染物浓度及空气质量指数(http://tianqi.2345.com/wea_history/60875.htm)，分析道路径流中重金属浓度与空气污染程度的相关性。由于临安区大气污染状况冬季>秋季>春季>夏季，秋冬季空气污染物浓度高，雾霾天较多，污染物不易扩散，空气质量较差，含重金属的颗粒物随雨水进入地表径流，导致秋冬季径流中Zn、Pb、Cr、Ni浓度较高，与张科峰等[23]的研究结果一致。

2.4 街尘与道路径流重金属污染相关性

降雨前累积的地表沉积物形成街尘，通常含有较多污染物，其可能来源主要包括工业粉尘、汽车磨损物、汽油滴漏等[24]，这些污染物在降雨产生时极易跟随径流进入水体，对城市水环境产生威胁。采集了不同功能区的街尘，分析了不同功能区街尘重金属含量，分析结果见图2。由图2可知，工业区街尘中Cu、Zn、Pb、Ni均为各功能区中最高，分别达到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，工业区主导工业为涉及Cu、Zn、Pb的电线电缆产业，所排放的重金属容易聚集于周边街尘，并随降雨通过淋溶、浸出等形式进入城市地表水体并造成污染。交通区Cr为各功能区中最高，达到86.497 2 mg/kg，商业区Zn、Ni为357.012 5、48.952 8 mg/kg，均高于浙江省背景值[25]596，交通区和商业区内机动车以及人流量较大，来往运输频繁。由此可见，临安区道路径流中存在大量重金属与临安区街尘中重金属含量高有关，说明街尘是道路径流中的污染物的主要来源，街尘中污染物的大量存在将加重道路径流污染的程度，与任玉芬等[26]的研究结果一致。

2.5 重金属污染源解析及空间变异特征

运用SPSS 20.0软件对数据进行主成分分析。样品数据经KMO检验和Bartlett’s球状检验后表明，KMO值大于0.5，Bartlett’s测试值P值<0.05，适合做主成分分析。提取出影响道路径流水质的2个主成分，这2个成分能够解释全部变量的80.371%，说明它们包含了以上5个指标的大部分信息，主成分分析结果见表3。

第一主成分的贡献率是40.596%，在Zn、Pb、Cu上具有较大的载荷系数，分别是0.943、0.736、0.698，Zn与第一主成分呈强正相关，Cu、Pb与第一主成分呈中度正相关。工业活动使用的重金属对道路径流中相应重金属浓度有明显影响，结合临安区工业行业类型，临安区拥有电线电缆等产业，生产过程中消耗Cu、Zn、Pb等重金属，工业烟气、工业粉尘进入大气，吸附在气溶胶上，或者沉积在地表随降雨进入道路径流造成污染。第二主成分的贡献率是39.775%，在Ni和Cr上具有较大的载荷系数，分别为0.942和0.914，呈强正相关。考虑到临安区汽车保有量不断增加，道路拥堵现象频繁发生，车辆交通损耗严重，而Cr主要来源于交通零部件磨损[27]，Ni来源于汽车燃油[28]，推断汽车损耗是道路径流重金属的又一主要来源。综上所述，临安区道路径流重金属污染源主要为以电线电缆为主的工业活动和汽车损耗。因此，在道路径流污染控制中，要重点关注工业区、交通区的污染状况。