道路雨水徑流中重金屬特征研究進(jìn)展

駱輝，章澤宇，胡小波，荊肇乾

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

隨著工業(yè)發(fā)展和城市化的加快，機(jī)動(dòng)車量通行、汽車尾氣排放、油脂泄露、輪胎磨損、機(jī)動(dòng)車零件腐蝕等導(dǎo)致大量的污染物在路面的積累，發(fā)生降雨時(shí)，這些污染物由于目前我國道路僅限于“排”的處理方式直接排入地下水體，易對(duì)地下水體造成重金屬累積、富營養(yǎng)化和區(qū)域生態(tài)破壞。地表徑流污染源主要來自于以下四部分：大氣沉降、路面沉積物、雨洪沉積物和地下排水設(shè)施，它們?cè)诓煌目臻g范圍內(nèi)影響著雨水徑流水質(zhì)，地表徑流中的重金屬是水質(zhì)指標(biāo)中不可忽略的環(huán)節(jié)，水中溶解態(tài)重金屬具有廣泛性、隱蔽性、滯后性、不可降解性等特點(diǎn)，在通過生物鏈逐步富集，危害水生環(huán)境與人體健康，是水環(huán)境治理中的難點(diǎn)。

隨著海綿城市建設(shè)的加快，全國范圍內(nèi)逐步開展了具有“吸水、蓄水、滲水、凈水”功能的透水性道路建設(shè)，其復(fù)雜的內(nèi)部空隙通過吸附、截留、絡(luò)合反應(yīng)等能夠有效的去除徑流重金屬，降低污染負(fù)荷。本文選取重金屬Fe、Cu、Cd、Zn、Pb、Cr和Ni作為研究對(duì)象，總結(jié)了近年來國內(nèi)外城市地表徑流中雨水重金屬含量、出流特征、賦存狀態(tài)以及在水體中的行為特點(diǎn)，對(duì)評(píng)價(jià)路面徑流水質(zhì)質(zhì)量、控制面源污染中重金屬富集具有重要意義，為各城市的海綿城市建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 我國道路雨水重金屬含量現(xiàn)狀

我國對(duì)道路徑流污染的研究開展初期，北京、廣州、南京、天津、西安、烏魯木齊等城市進(jìn)行了路面徑流水質(zhì)的研究工作，各城市研究結(jié)果表明：道路徑流污染成分為固體懸浮物、氮、磷、化學(xué)需氧量、鉛、鋅、鉻、鎘、銅等。

在高速公路方面，李賀等[1-2]對(duì)南京祿口機(jī)場高速令橋段進(jìn)行24次現(xiàn)場采樣監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)降雨類型對(duì)路面徑流中重金屬出流特性影響較大，但均出現(xiàn)“初期效應(yīng)”，降雨持續(xù)時(shí)間短的雙峰型降雨事件中，重金屬排放規(guī)律存在明顯的“二次沖刷”現(xiàn)象。Pb的污染程度最為嚴(yán)重，分布范圍為6.4～120.6 μg/L，Cd、Cu、Zn分別在0.09～2.18，24～197，100～1 030 μg/L之間。

甘華陽等[3]同時(shí)監(jiān)測京珠高速降雨的水文學(xué)特征和重金屬Cd、Cu、Zn、Pb、Ni和Cr的出流效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在流量峰值左右重金屬濃度最低，絕大部分有害重金屬元素都以懸浮固體吸附在環(huán)境介質(zhì)上的顆粒態(tài)形式存在，不同類型的重金屬與TSS之間呈現(xiàn)不同程度的相關(guān)性，線性相關(guān)系數(shù)于0.6～0.98之間，Pb是高速公路雨水徑流中最主要的重金屬污染元素，其污染水平與雨前晴天數(shù)、車流量、降雨特性、用地類型等關(guān)系較大。

表1 國內(nèi)外高速公路重金屬平均濃度Table 1 Statistical heavy metal on highway runoff at home and abroad

注：①EMC范圍；②EMC檢測值。

城市道路方面，李倩倩等[11]對(duì)天津市重交通市政道路路面徑流中不同類型重金屬含量進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)Cd、Cr、Fe為天津市城區(qū)道路雨水徑流中主要污染物，其污染程度高于同期國內(nèi)外大部分城市。隨著降雨過程的持續(xù)，各重金屬濃度呈波浪型折線減輕規(guī)律，通過聚類分析法得出重金屬污染與前期晴天數(shù)和降雨強(qiáng)度影響最為顯著，其次是降雨量和降雨歷時(shí)。王龍濤等[12]對(duì)重慶市道路路面、屋頂和合流制雨水口為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)路面徑流重金屬濃度遠(yuǎn)超出屋面徑流，說明交通流量帶來的輪胎摩擦、制動(dòng)器摩擦和尾氣排放是引起地表徑流重金屬污染加重的最主要原因，Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的濃度分別為(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。駱輝等對(duì)南京市不同功能區(qū)道路雨水徑流重金屬進(jìn)行全過程監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)各道路的徑流中懸浮物濃度峰值均出現(xiàn)在徑流初期，科教區(qū)與重交通區(qū)分別為45 mg/L和316 mg/L，且具有明顯的初期效應(yīng)；重交通區(qū)Pb的含量劣于IV類標(biāo)準(zhǔn)[13]。袁宏林等[14]對(duì)西安市不同季節(jié)不同區(qū)域內(nèi)城區(qū)雨水徑流中重金屬出流變化特點(diǎn)、各元素之間的相關(guān)性以及污染源進(jìn)行了采樣分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e的濃度在全年監(jiān)測中均保持較高含量，超出國家標(biāo)準(zhǔn)3倍，Mn和Zn的季節(jié)性變化趨勢為：冬季>秋季>夏季>春季，Pb的濃度變化大致呈現(xiàn)出冬季>春季>夏季>秋季的規(guī)律，因子分析表明，Mn、Pb主要來自于交通污染，F(xiàn)e、Al受自然污染影響較大，Zn、Cd主要是人為污染。董微礫等[15]對(duì)烏魯木齊市區(qū)多條城市道路雨水徑流進(jìn)行現(xiàn)場取樣分析，發(fā)現(xiàn)其重金屬含量均高于其他城市，Pb和Cu的含量已分別高達(dá)367.1，2 520 μg/L，4種重金屬濃度均在3～20 min內(nèi)達(dá)到最高值。常靜等[16]以上海市中心城區(qū)道路為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)雨水沖刷過程中重金屬濃度呈偏態(tài)分布，近80%的Cr濃度超出地表V類水標(biāo)準(zhǔn)，部分已超出V類水2倍，Cu和Ni的污染最輕遠(yuǎn)低于V類水標(biāo)準(zhǔn)。潘俊等[17]對(duì)沈陽地表徑流中Cu、Zn、Pb、Mn、Fe、As進(jìn)行監(jiān)測，在雨水所含重金屬中，F(xiàn)e占總量的68.68%，Mn占18.46%、Cu占8.87%、Zn占3.485%，Pb含量占0.48%，由聚類分析初步判斷路面徑流中賦存重金屬主要來源于沉積物中粉土類細(xì)顆粒和車輛運(yùn)行。

表2 國內(nèi)部分城市地表徑流重金屬EMC含量Table 2 The EMC of the heavy metals in road rainfall runoff among cities

注：①EMC值為平均值；②EMC為檢測范圍。

2 道路雨水重金屬賦存形態(tài)研究

顆粒態(tài)和溶解態(tài)是道路雨水重金屬的主要存在形式，主要由0.45 μm濾膜加以劃分。美國城市降雨徑流計(jì)劃(NURP)中特別提出，銅、鉛、鋅是城市徑流中最常見的重金屬，它們各自的平均濃度值為82，144，160 mg/L，其中工業(yè)區(qū)的地表雨水的重金屬濃度高于科教區(qū)和商業(yè)中心區(qū)。對(duì)應(yīng)重金屬濃度隨著降雨時(shí)間的變化，在徑流量大的情況下重金屬是顆粒懸浮態(tài)，在徑流量小的情況下以溶解態(tài)存在，還有許多因素影響著徑流中重金屬的形態(tài)，例如總金屬的濃度、金屬的類型、pH、溶解氧、堿度、硬度、細(xì)菌的活動(dòng)和其他的無機(jī)物質(zhì)，Pb在城市徑流中是最穩(wěn)定的，主要以顆粒態(tài)形式存在，鋅則以溶解態(tài)形式為主。Reit[18]發(fā)現(xiàn)Zn、Cu和Pb分別以82%，88%，47%的溶解態(tài)存在于城市徑流中，而徑流中重金屬不同存在形態(tài)的差異影響著徑流中與其他組分的相互作用。Vikander[19]發(fā)現(xiàn)顆粒粒徑越小其所含重金屬濃度越高，金屬濃度降低隨著顆粒粒徑變化<75，125，250，500，1 000，2 000 μm，逐漸降低，同時(shí)重金屬濃度和顆粒粒徑小于15 μm有顯著相關(guān)關(guān)系，粒徑在15～50 μm無相關(guān)關(guān)系。

聶發(fā)輝[13]認(rèn)為，微小顆粒會(huì)影響水的濁度并影響水生環(huán)境，其較大的比表面積還能成為其它污染物(如重金屬)的寄存空間，由此發(fā)展為重要的污染源，此外，吸附在懸浮固體表面的污染物具有較大的隱蔽性和生物降解性，因而在面源污染領(lǐng)域中需引起重視。

3 地表沉積物重金屬污染特征

地表沉積物是城市環(huán)境中一種常見的污染物載體，被認(rèn)為是道路雨水徑流重金屬污染的最初渠道，道路沉積物是一個(gè)不斷平衡的系統(tǒng)：有輸入、輸出、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)化及它們之間的相關(guān)過程。輸入包括兩個(gè)方面：首先是外來源所產(chǎn)生的，包括：通過暴雨形成洪水產(chǎn)生的雨洪沉積物，內(nèi)河或河流對(duì)周圍土壤的侵蝕而形成的泥沙；空氣的干、濕沉；降落葉和枯草的生物輸入。其次是路面內(nèi)部的，包括：路面破損、交通線涂料或交通設(shè)施剝蝕、汽車零件磨損、汽油等。輸出有街道清掃、降塵灑水、風(fēng)力作用下的再懸浮、徑流的遷移和轉(zhuǎn)化。儲(chǔ)存過程體現(xiàn)在：晴天天氣下的累積，這樣就使路面沉積物包含了一定量的毒性重金屬元素。城市地表沉積物的累積和組成成分與許多因素相關(guān)，包括：天氣狀況、路面形態(tài)、下墊面類型、交通密度、工業(yè)狀況、降雨強(qiáng)度、與土壤和海洋的接近程度等。作為一種環(huán)境介質(zhì)，道路沉積物通常作為區(qū)域污染水平的一個(gè)重要指示劑。城市地表沉積物的不均一性、成分變化較大、土壤條件不同等特點(diǎn)沉積物地看中選成許多特定的問題。研究者認(rèn)識(shí)到街道塵土中細(xì)顆粒與路面徑流的內(nèi)在聯(lián)系，提出了將道路沉積物看作城市道路雨水重金屬污染的“源”要素，重視“地表灰塵水環(huán)境污染意義”的觀點(diǎn)。

3.1 地表沉積物污染物種類

路面沉積物包含許多污染元素，主要有雨洪沖刷物、大氣沉降物和車輛排放物等。在道路沉積物中，重金屬積聚效應(yīng)最嚴(yán)重的是Pb和Zn，Al-Rajhi等[20]研究了Riyshd市老城區(qū)、城鄉(xiāng)結(jié)合區(qū)、農(nóng)村、傳統(tǒng)工業(yè)區(qū)和科教區(qū)等不同功能區(qū)塵土中重金屬Cd、Cr、Cu、Li、Ni、Pb和Zn的污染水平，發(fā)現(xiàn)工業(yè)區(qū)沉積物中重金屬元素含量最高，城市環(huán)島區(qū)沉積物中Pb含量次之，主要來源于車輛尾氣排放。Lix等[21]研究了香港地區(qū)道路沉積物和附近土壤重金屬的污染水平，結(jié)果表明道路沉積物中Zn的含量高至1 450 mg/kg。王金達(dá)等[22]發(fā)現(xiàn)沈陽市區(qū)主干道路表沉積物中溶解態(tài)鉛的含量為220.6 mg/kg，變化范圍在19.85～2 809 mg/kg，高于土壤背景值中鉛含量5倍以上。因此，城市道路路面沉積物中積聚的各種類型和形態(tài)的重金屬，不容忽視。

3.2 地表沉積物中重金屬含量

國外發(fā)達(dá)國家學(xué)者在20世紀(jì)70年代起開始對(duì)路面沉積物中重金屬效應(yīng)進(jìn)行研究，通過近五十年的研究，在路面沉積物中重金屬元素污染程度、來源、出流規(guī)律、轉(zhuǎn)化行為以及來源判斷等方面取得了豐碩的研究成果。表3列出了國外典型城市道路沉積物中重金屬的種類和含量。

表3 國外典型城市路面沉積物重金屬元素及含量(mg/kg)Table 3 The types and contents of heavy metals in the sediments in different cites abroad(mg/kg)

Charlesworth等[30]初步完成英國考文垂和伯明翰地區(qū)道路沉積物中重金屬元素污染效應(yīng)的空間范圍分布圖，結(jié)果顯示位于伯明翰市西北工業(yè)園區(qū)沉積物中鉛濃度較科教區(qū)、生活區(qū)等其它地區(qū)明顯偏高，在環(huán)島處所采集的沉積物中重金屬含量較其他路段偏高，且道路沉積物中重金屬的含量與人類活動(dòng)成顯著正相關(guān)關(guān)系。Al-Chalabi[28]在澳大利亞布里斯班市區(qū)行車主干道上對(duì)降塵和沉積物中重金屬Pb的含量進(jìn)行定期監(jiān)測和分析，發(fā)現(xiàn)路面沉積物表面固有的復(fù)雜孔道使得其對(duì)微小懸浮固體Pb有吸附作用。Naim等[22]通過對(duì)土耳其伊斯坦布爾5條高速公路沉積物中鉛污染程度研究，結(jié)果表明其含量均比該地區(qū)土壤中重金屬的背景值最高含量高出數(shù)倍。

國內(nèi)部分學(xué)者對(duì)近40個(gè)城市道路和高速公路沉積物污染程度進(jìn)行研究，高速公路方面，葉穎[32]對(duì)湖南長潭西高速公路路表沉積物進(jìn)行取樣分析，得出Cu、Pb、Zn、Cd的含量分別達(dá)到113.7，724.7，1 050.9，27.8 mg/kg，Cu、Zn和Pb 環(huán)境危害表現(xiàn)為輕微，而Cd環(huán)境危害很強(qiáng)。陳瑩等[33]對(duì)西安至臨潼高速公路路面沉積物分析發(fā)現(xiàn)，沉積物以微小顆粒為主，導(dǎo)致Pb、Zn含量值嚴(yán)重超標(biāo)且不穩(wěn)定，表4列出了國內(nèi)部分城市路面沉積物重金屬種類與含量。

表4 全國主要大中城市路面沉積物重金屬種類與含量(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較多，薛紅琴等[42]以不同功能區(qū)沉積物為研究目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)Cu、Cr、Zn、Pb、Mn、Cd、Ni的平均含量與粒徑呈不同程度負(fù)相關(guān)；張菊等[34]認(rèn)為，上海市道路沉積物重金屬濃度均值全部高于其土壤背景值，各功能區(qū)存在不同程度的積累，重金屬含量的空間分布差異較大，局部污染嚴(yán)重超標(biāo)。李靈等[41]對(duì)武夷山市道路沉積物重金屬污染狀況及其風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行調(diào)查評(píng)估，其中Cu、Zn、Pb、Cr和Ni含量的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是福建省土壤元素背景值的1.49，2.93，3.09，4.19和1.12倍，風(fēng)險(xiǎn)程度由高到低依為：Cr>Zn>Pb>Cu>Ni。徐瑋等[40]以鎮(zhèn)江市交通區(qū)、住宅區(qū)、科教區(qū)等6個(gè)典型功能區(qū)為研究對(duì)象，結(jié)果表明重金屬含量有明顯粒級(jí)效應(yīng)，Pb、Zn、Ni、Cr、Cd的平均含量在城市行車道上較高，Cu、Mn的平均含量最高值分別在住宅區(qū)和文教區(qū)。

3.3 路面沉積物與徑流重金屬含量關(guān)系

城市道路雨水重金屬污染效應(yīng)指的是在大氣降雨過程中，天然降雨經(jīng)路面摻雜沉積物流經(jīng)城市不透水區(qū)域，累積復(fù)雜的重金屬載體污染源，通過城市管道直接或者間接排入江河湖海而造成的水體污染。在國外研究中，已較為成熟的建立重金屬在降雨徑流體系中轉(zhuǎn)化遷移的概念性模式，并得到不同程度的修正和運(yùn)用，其模式核心理論認(rèn)為道路沉積物是城市環(huán)境中重金屬累積的載體，也是路面雨水徑流污染的主要來源渠道。Ball等[44]提出徑流形成途徑中重金屬元素的轉(zhuǎn)化形式為“路面積聚→降雨沖刷→遷化轉(zhuǎn)移→受納水體”四個(gè)過程。Charlesworth等[30]提出了道路沉積物“源→遷移→轉(zhuǎn)化→沉降”模式，囊括了重金屬從路面積聚到?jīng)_刷、轉(zhuǎn)化和最后沉積的過程。Miguel等[28]提出了顆粒物質(zhì)在城市環(huán)境中的循環(huán)模式，著重表述“大氣懸浮物→路面沉積物→雨洪沉積物→城市土壤”之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。

4 結(jié)束語

(1)路面雨水徑流污染是一種常見的城市面源污染形式，其污染物的來源途徑有較大程度上的不確定性，缺乏對(duì)污染源中污染物的污染特征、來源以及影響因子的定量認(rèn)識(shí)，未能將面源污染的要污染源(RDS)和面源污染有機(jī)結(jié)合起來。

(2)城市面源污染受到很多因素的影響，如降雨特征、前期晴天數(shù)和功能區(qū)等，缺乏對(duì)于主要影響因素進(jìn)行單一分析，以確定對(duì)于重金屬元素濃度和賦存形態(tài)的影響，便于實(shí)現(xiàn)城市面源污染源的定時(shí)定量控制。

(3)國內(nèi)徑流污染研究，大多集中于水質(zhì)傳輸過程中的變化特征，缺乏對(duì)水文和水質(zhì)的全面監(jiān)測數(shù)據(jù)，對(duì)徑流污染源、遷移轉(zhuǎn)化模式缺乏研究，及其各影響因素間相互關(guān)系的深入分析。