南京市梅雨期雨洪沉積物重金屬污染評價

駱輝，周舒宇，黃新，佟蕾

(南京林業(yè)大學 土木工程學院，南京 210037)

南京市梅雨期雨洪沉積物重金屬污染評價

駱輝，周舒宇，黃新*，佟蕾

(南京林業(yè)大學 土木工程學院，南京 210037)

雨洪沉積物；重金屬；地累積指數(shù)；潛在生態(tài)危險指數(shù)；污染評價

0 引言

雨洪沉積物是一種重要的環(huán)境介質(zhì)，主要由路面固體顆粒、粉塵和泥沙等組成，是城市生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，其質(zhì)量的好壞與城市水源、空氣環(huán)境質(zhì)量以及人群的健康質(zhì)量等具有較大的關(guān)聯(lián)，研究表明，在外力作用下，雨洪沉積物會重新懸浮到大氣中，通過呼吸吸入、手-口接觸、皮膚接觸等危害人體健康[1]。由于風力因素或者人為搬運，雨洪沉積物會侵入土壤表層，對土壤及植物進行污染，經(jīng)雨水沖刷或者地表徑流環(huán)境下，雨洪沉積物中累積的重金屬污染物能夠重新釋放進入地下水危害人體健康。

重金屬污染來源廣，殘毒時間長，難以降解，污染后不易被發(fā)現(xiàn)且難于恢復(fù)，易于沿食物鏈富集[2]，開展雨洪沉積物中重金屬污染效應(yīng)及其分布規(guī)律的研究，為城市雨洪水地下人工回灌過程中重金屬污染治理、城區(qū)多孔道路堵塞效應(yīng)以及管理部門制定相應(yīng)的污染控制措施提供科學的依據(jù)。

國內(nèi)外對沉積物的重金屬污染狀況進行了多方面的研究，李靈[3]等研究發(fā)現(xiàn)，武夷山市道路沉積物中Cu、Zn、Pb、Cr和Ni的含量分別為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；薛紅琴[4]等對南京道路沉積物中重金屬Cu、Cr、Zn、Pb、Mn、Cd、Ni的研究發(fā)現(xiàn)，其最大濃度是當?shù)赝寥辣尘爸档?00多倍；翟雨翔[5]的研究結(jié)果表明，渭河咸陽段沉積物中重金屬元素的平均含量從大到小依次為：Mn>Cr>Zn>Cu>Ni>Pb。Hakanson[6]提出潛在生態(tài)危害指數(shù)法，與當?shù)赝寥辣尘爸颠M行比較，消除了區(qū)域差異以及異源污染的影響。

南京位于長江下游中部地區(qū)，江蘇省西南部，亞熱帶濕潤氣候，四季分明，雨水充沛，每年6月下旬到7月上旬為梅雨季節(jié)，持續(xù)連綿的陰雨、溫度高、濕度大。本文以南京市梅雨期雨洪沉積物為研究對象，采集了南京城區(qū)梅雨季節(jié)不同功能區(qū)、不同使用功能路面上的雨洪沉積物，對重金屬含量測試的基礎(chǔ)上，用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危險指數(shù)法評價其污染程度及潛在的生態(tài)危險，對凈化城市地下水，保護生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2016年7月在梅雨季節(jié)中3次集中降雨后，選擇晴朗無風的天氣，考慮不同的道路結(jié)構(gòu)、不同功能區(qū)沉積物中重金屬含量存在的差異，分別選擇在南京城區(qū)8處進行采樣，采樣地點見表1。采樣時間分別為2016年7月8號，7月12號，7月21號。

每個采樣點用細毛刷清掃，用塑料鏟收集約300 g，裝入聚乙烯塑料袋密封。用塑料鑷子去除沉積物中樹葉、頭發(fā)和煙頭等雜物，待自然風干后過0.149 nm的尼龍篩[7]。

表1 南京市雨洪沉積物采樣地點

1.2 主要儀器及藥劑

主要儀器為CEM Mars6高通量密閉微波消解系統(tǒng)(美國，CEM公司)，AA-6501型火焰原子吸收分光光度計(上海，達平儀器廠)。各類玻璃器皿在使用前都用稀硝酸浸泡，去離子水洗凈、烘干。使用藥劑均為分析純。

1.3 樣品的測定

樣品在105℃條件下烘干24 h后，取0.2 g的沉積物樣品置于聚四氟乙烯消解罐中，依次加入5 mL硝酸，2 mL過氧化氫，2 mL氫氟酸，蓋緊罐蓋，溫度爬升至220℃，保溫20 min，待冷卻至室溫時，用電熱板加熱趕酸，趕酸完畢后用0.5%的硝酸溶液轉(zhuǎn)移至50 mL離心管中定容搖勻，采用國家重金屬標準溶液配置標準曲線，原子吸收分光光度計測定重金屬含量，每個樣品重復(fù)測量3次取平均值，且保證所有重金屬元素重復(fù)樣的相對標準偏差均<10%。

1.4 重金屬污染評價方法

重金屬污染評價采用地累積指數(shù)法(Igeo)，該法廣泛用于沉積物中重金屬污染的評價，直觀的反映了重金屬在外源的影響下的富集程度[8]。

Igeo=log2[Ci(k×Bi)]。

式中：Igeo為地累積指數(shù)；Ci為單一重金屬含量的實測值，mg/kg；k為考慮各地巖石差異可能引起背景值的變動而取得系數(shù)(一般取1.5)，南京市巖石差異較小，此處取1；Bi為參比值。

雨洪沉積物中重金屬潛在生態(tài)風險評價采用Hakanson[9]的潛在生態(tài)危險指數(shù)(RI)法，該法利用重金屬相對于背景值的比值以及其有毒系數(shù)求得生態(tài)危害指數(shù)。

表2 地累積指數(shù)與潛在生態(tài)風險指數(shù)的分級標準

2 結(jié)果與分析

2.1 南京市雨洪沉積物重金屬含量分析

2.1.1 鋅含量

雨洪沉積物中Zn的平均質(zhì)量分數(shù)為191 mg/kg(表3)，是南京市元素背景值[12]的1.8倍，超標率達到75%，這表明南京市路面雨洪沉積物中的Zn存在一定程度的累積，其最大值出現(xiàn)在玄武大道新莊立交非機動車道上，有研究表明，Zn主要源于機動車輪胎老化、制動器襯片和零部件磨損[13]。新莊立交屬于南京主城區(qū)交通樞紐，交通量大，較為擁堵，且靠近南京地鐵3號線南林站，非機動車道車輛種類多，人流量大，剎車啟動頻繁，車輛輪胎、剎車片以及其他零部件磨損加重，形成了含有重金屬鋅的顆粒物，由于梅雨季節(jié)降雨集中，吸附在道路表面或者沉積物中的Zn隨著路面徑流在較為低洼的地方堆積成沉積物，這可能是玄武大道非機動車道雨洪沉積物中Zn污染的主要來源。

表3 雨洪沉積物重金屬質(zhì)量分數(shù)

注：m為采樣點重金屬元素平均值與江蘇省土壤背景值比值

2.1.2 鉛含量

Pb的平均質(zhì)量達到43.56 mg/kg，是南京市元素背景值的1.76倍，超標率為62.5%，其中最大值是背景值的6倍，出現(xiàn)在玄武大道機動車道上。路面沉積物中Pb的主要來源為大氣粉塵、汽車尾氣、建筑材料、潤滑劑和防凍劑等[14]，玄武大道為城東主干道，交通大，車輛種類多且行駛緩慢，加重尾氣排放，紅綠燈數(shù)量多，剎車與啟動頻繁，零部件磨損現(xiàn)象嚴重，在路面上形成了含Pb等大量的金屬顆粒物，在降雨沖刷作用下，堆積在路面表面，導致雨洪沉積物中Pb的質(zhì)量分數(shù)在機動車道上整體偏高。

2.1.3 鉻含量

雨洪沉積物中Cr的平均質(zhì)量為86.32 mg/kg，是南京市元素背景值的2.3倍，最大值出現(xiàn)在住宅區(qū)機動車道瀝青路面上，鉻廣泛用于制作合金、玻璃、陶瓷和涂料等，在建筑、家具汽車行業(yè)等用途較廣。住宅區(qū)工程建設(shè)、家居裝修、改造工程多，路邊散落的廢棄裝修材料較為常見，在其施工過程中產(chǎn)生的揚塵以及含鉻的鋼、管材等也會造成Cr的富集，且Cr屬于親巖元素，對風化有較強的抵抗力[15]，住宅小區(qū)高樓林立，難以產(chǎn)生較大的風速，故不容易被侵蝕，在強降雨作用下，含有Cr的金屬顆粒物形成雨洪沉積物。

2.1.4 鎳含量

Ni的平均質(zhì)量分數(shù)為41.13 mg/kg，是南京市元素背景值的1.18倍，其中最大值出現(xiàn)在長途東站人行道處，為南京市土壤背景值的2.66倍。東站附近機動車多，人流量較大，內(nèi)部停放車輛集中，汽車修理、零配件商店多，長途客車頻繁進出車站，造成輪胎老化脫落和車體脫落[16]，在行人、乘客等影響下進入人行道，在頻繁強降雨下，隨雨水流動沉積于路表面。

2.1.4 鎘含量

Cd的平均質(zhì)量分數(shù)為0.62 mg/L，是南京市土壤背景值的3.26倍，最大值出現(xiàn)在住宅區(qū)非機動車道上，為南京市土壤背景值的20倍。住宅區(qū)居民較多，建筑垃圾、室內(nèi)垃圾、剩菜剩飯多，其中含有大量的鹽成分，在降雨過程中進入土壤以及雨洪沉積物中，使得鹽成分升高，有研究表明[17]，石油泄漏和土壤含鹽量是影響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為標準，5種重金屬超標倍數(shù)表現(xiàn)為Cd>Cr>Zn>Pb>Ni，超標率表現(xiàn)為Zn=Cd>Pb>Ni>Cr，在相同服務(wù)功能下，瀝青路面雨洪沉積物中重金屬元素的含量明顯大于水泥路面中含量。

2.2 雨洪沉積物中重金屬污染程度評價

由地累積指數(shù)計算結(jié)果(見表4)可知，Cr在所有采樣點中污染程度最輕，均為中度以下；Zn和Ni在除個別樣點受到中度污染，其余均為輕度污染；Pb在個別樣點受到中強度污染，其余均為輕微污染；Cr的污染最為嚴重，一半樣點受到中度污染。各道路上雨洪沉積物中所有元素的Igeo均未達到強度污染以上。從平均值來看，南京市雨洪沉積物中5種重金屬元素的污染程度由強到弱依次為：Cd>Zn>Pb>Ni>Cr，其中Cd、Pb處于中度污染，Ni、Zn處于無一中度污染，Cr無污染。總的來說，南京市梅雨季節(jié)雨洪沉積物處于無污染至中度污染。

表4 雨洪沉積物重金屬元素的地累積指數(shù)

2.3 雨洪沉積物中重金屬潛在生態(tài)風險評價

南京市梅雨期雨洪沉積物中5種重金屬元素的RI變化范圍為3.44～132.37，平均值為34.61，RI小于150，表明南京市梅雨期雨洪沉積物在生態(tài)環(huán)境中處于輕微潛在生態(tài)風險，其中Cd對RI值的貢獻最大。

2.4 雨洪沉積物重金屬元素的相關(guān)性分析和組合因子分析

因子分析是一種降維的方法，將原來眾多的具有一定相關(guān)關(guān)系的變量，轉(zhuǎn)換為數(shù)目較少的由原始變量組合而成的新變量因子，據(jù)此來揭示變量之間、樣品之間以及與來源之間的相互關(guān)系，可通過元素組合特征結(jié)合區(qū)域地質(zhì)特征推算、解釋雨洪沉積物中元素的遷移過程。

表5 雨洪沉積物重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)

對南京市雨洪沉積物5種重金屬元素進行相關(guān)性分析(見表6)，可以看出Zn、Pb和Ni之間呈顯著性相關(guān)(P<0.01)，說明這3種元素的含量之間有較大的相似性；與Cr和Cd含量沒有明顯的相關(guān)性，說明這兩種元素含量和來源無明顯規(guī)律，受人為活動的影響比較大。

表6 重金屬元素間的相關(guān)系數(shù)

對重金屬污染物進行R型因子分析，結(jié)果表明，沉積物中的重金屬含量受多因素影響，分析文本數(shù)據(jù)，可將研究區(qū)域內(nèi)沉積物重金屬劃分為3個因子(見表7)，他們的方差貢獻額分別為62.85%、19.81%、7.04%，累積貢獻率為89.7%。其中F1因子的組合為Zn、Pb和Ni，為研究區(qū)域重金屬含量的主控因子，F(xiàn)2因子以Cr為主，F(xiàn)3因子為Cd。

表7 雨洪沉積物重金屬元素因子荷載

3 雨洪沉積物中重金屬來源討論

在以上的分析中，重金屬的來源與人類活動密切相關(guān)，通過重金屬元素間的相關(guān)分析和組合因子分析初步識別了雨洪沉積物中重金屬的可能來源，由表6知，Zn、Pb和Ni含量之間表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)，結(jié)合元素的總含量可知，Zn、Pb和Ni在車流量較大的重交通機動車道瀝青路面上含量高，同時Zn和Pb常被視作交通污染源的標識元素[18]，因此F1因子組合反映了交通污染的影響，且F1因子解釋的原變量方差為62.8，在3個因子中所占比例最多，可近似認為F1因子是雨洪沉積物重金屬含量的主要來源，F(xiàn)2與F3的方差份額分別為19.81和7.04，遠小于F1所占份額，表明Cr和Cd在雨洪沉積物中受自然條件與人為影響較大，無固定的污染源。因此，交通源是造成南京市梅雨期雨洪沉積物重金屬污染的最主要原因。

4 結(jié)論

(1)雨洪沉積物中5種重金屬的污染程度由強到弱依次為：Cd>Zn>Pb>Ni>Cr，其中Cd、Pb處于中度污染，Ni、Zn處于輕度污染，Cr無污染。

(3)南京市雨洪沉積物中Zn、Pb和Ni主要來自于交通源，Cr主要來源于住宅小區(qū)建筑廢料以及土壤風化作用。

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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

江蘇高校優(yōu)勢學科建設(shè)工程資助項目(PAPD)

駱輝，碩士研究生。研究方向：林區(qū)道路。

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

駱輝，周舒宇，黃新，等.南京市梅雨期雨洪沉積物重金屬污染評價[J].森林工程，2017，33(1)：28-32.

X 53；X 825

A

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