北京城區(qū)道路沉積物污染特性

任玉芬，王效科，歐陽志云，王巧環(huán)，侯培強(qiáng)

(中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085)

城市道路沉積物通常含有較多的污染物質(zhì)，其可能來源主要包括大氣灰塵沉降、汽車磨損物、物質(zhì)燃燒、外來土等［1-7］這些污染物質(zhì)在降雨產(chǎn)生時(shí)極易跟隨徑流進(jìn)入水體，對城市水環(huán)境產(chǎn)生威脅［8-10］。目前城市的不透水覆蓋率高達(dá)60%—100%，大面積的不透水面成為地表沉積物的重要來源［11-12］。隨著城市化的發(fā)展和工業(yè)化的進(jìn)程，城市的硬化地表覆蓋增多，城市商業(yè)、工業(yè)、居住面積迅速擴(kuò)張，城市化的加劇導(dǎo)致了城市不透水面積的增加，而這些不透水材料多為石塊、瀝青和水泥等，是眾多污染物產(chǎn)生的載體［13-15］;城市化所致的人口增加同時(shí)也導(dǎo)致了交通量增加、工業(yè)生產(chǎn)活動和煤炭天然氣等能源的消耗加劇，這些人為的活動產(chǎn)生的大量廢棄物大大增加了城市地表沉積物的數(shù)量。這些人為活動帶來的污染物質(zhì)在某些情況下又會進(jìn)入空氣環(huán)境和水體環(huán)境，造成空氣質(zhì)量和水環(huán)境的惡化［16］。

北京是城市化迅速的典型代表城市之一，目前北京市人口已超1900萬人，截止2012年底機(jī)動車保有量520萬輛。人類活動強(qiáng)度急劇增大，導(dǎo)致城市地表累計(jì)的污染物質(zhì)數(shù)量和種類急劇增加［24］，對城市環(huán)境和暴雨季節(jié)的地表水環(huán)境造成相當(dāng)大的威脅，因此研究城市化的典型地表上的沉積物污染特性將對其他城市的相關(guān)研究提供借鑒。在北京市開展城市道路沉積物的研究較為少見，自2004年開始，研究者主要針對北京市自通州貫穿城市中心道石景山沿線主干道的沉積物污染狀況［17］、北京六環(huán)以內(nèi)城近郊區(qū)的主要道路污染物特性分析［18］以及趙洪濤等［15］沿城區(qū)-郊區(qū)-鄉(xiāng)村街道對不同粒級沉積物中重金屬特性的研究。以往的研究主要針對城市中心干道做了污染物的調(diào)查和研究，本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，選取北京市核心城區(qū)的生活區(qū)、文教區(qū)、交通干線和公園綠地4種土地利用類型，進(jìn)行道路沉積物的污染情況的對比研究，期望能反應(yīng)北京市不同功能區(qū)的道路沉積物污染現(xiàn)狀，對比4種功能區(qū)道路沉積物污染物的差異和可能的來源情況，并對沉積物中溶解態(tài)污染物的狀況進(jìn)行分析，力求能得到道路沉積物對城市地表徑流可能造成的威脅。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

在北京市內(nèi)共選擇34個(gè)道路沉積物樣品，每個(gè)采樣點(diǎn)采樣面積為3—4m2，采樣點(diǎn)布于距離街道邊坎1m之內(nèi)，采樣時(shí)間遠(yuǎn)離道路清掃時(shí)間，選擇3—4個(gè)道路沉積物樣品混合(每個(gè)點(diǎn)收集1m2之內(nèi)的沉積物后混合)，混勻后裝入聚乙烯塑料袋。為避免人為干擾，用塑料毛刷和小鏟子收集沉積物樣品。樣品經(jīng)室溫風(fēng)干處理后，過2mm篩保存在塑料袋中。34個(gè)樣品采集點(diǎn)涵蓋生活區(qū)道路3個(gè)(中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心家屬區(qū)、北京林業(yè)大學(xué)家屬區(qū)、東王莊小區(qū))、文教區(qū)道路3個(gè)(中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心、北京林業(yè)大學(xué)教學(xué)區(qū)、清華大學(xué)教學(xué)區(qū))、交通干線道路24個(gè)和公園綠地道路4個(gè)(北京植物園)共四類區(qū)域。其中交通干線道路由于交通量巨大，受人為干擾強(qiáng)度巨大，因此加大采樣頻率，采樣點(diǎn)以“米”字型分布，主要集中在城市的主要交通要道，包括二環(huán)的德勝門橋、復(fù)興門橋、右安門橋、永定門橋、左安門橋、建國門橋、安定門橋、鼓樓橋，三環(huán)的蘇州橋、新興橋、玉泉營橋、木樨園橋、分鐘寺橋、國貿(mào)橋、三元橋、安華橋和四環(huán)的萬泉河橋、五棵松橋、科豐橋、大紅門橋、十八里店橋、四惠橋、四元橋、健翔橋等24個(gè)立交橋附近。

1.2 分析方法

道路沉積物的測試分析主要包括總氮、總磷、有機(jī)質(zhì)以及重金屬(總量和溶解態(tài))含量。總氮的測定采用凱氏定氮法，總磷的測定采用高氯酸-硫酸消煮和鉬銻抗比色法［25］。重金屬總量采用濃酸(HCl-HNO3-HFHClO4)消解并ICP-OES測定法(測定過程中，每測10個(gè)樣品就加測一次與被測樣品濃度最接近的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的濃度，以確保監(jiān)測結(jié)果的真實(shí)可靠)，溶解態(tài)重金屬首先用水萃取24h，然后用ICP測定［19］。有機(jī)質(zhì)的測定采用重鉻酸鉀-硫酸法(GB 9834—88)。

圖1 交通干線路面沉積物采樣點(diǎn)位示意圖Fig.1 Road sediments sampling sites on main traffic lines

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析在Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0軟件上進(jìn)行，所有數(shù)據(jù)使用單因素方差分析，LSD 法顯著性檢驗(yàn)(P＜0.05)。

2 結(jié)果與討論

2.1 城市功能區(qū)道路沉積物總氮和總磷污染

交通干線、文教區(qū)、生活區(qū)和公園綠地道路沉積物TN 均值分別為 0.1009、0.1440、0.1071、0.0974mg/kg，TP 均值分別為 0.0695、0.0729、0.0665、0.0608mg/kg;文教區(qū)道路沉積物的TN顯著高于其他類型道路沉積物(圖2);文教區(qū)道路沉積物的TP雖高于其他類型的道路沉積物，但未達(dá)到顯著性水平。僅就污染物的濃度，并不是所有污染物在交通干線道路上的含量最大，這與通常人們認(rèn)為交通干線道路上的污染物累積量會較大［18］的結(jié)果不一致。

2.2 城市功能區(qū)道路沉積物有機(jī)質(zhì)和重金屬污染

交通干線、文教區(qū)、生活區(qū)和公園綠地道路沉積物TOC 均值分別為 8.1467、7.3449、3.9471、4.2134mg/kg，其中交通干線和文教區(qū)道路沉積物TOC濃度顯著高于生活區(qū)和公園綠地(圖3)，主要原因可能是交通干線和文教區(qū)的人類活動和車輛交通量要明顯大于生活區(qū)和公園綠地，由人類活動產(chǎn)生的有機(jī)垃圾和車輛帶入大量的有機(jī)廢物脫落有直接關(guān)系。道路沉積物中的有機(jī)物質(zhì)主要來源于交通釋放的有機(jī)污染物質(zhì)如碳?xì)浠衔?、輪胎的磨損、土壤顆粒、風(fēng)化的建筑材料、植物的殘?bào)w以及城市垃圾，而鎮(zhèn)江市的研究結(jié)果則顯示居民區(qū)和交通干線的沉積物有機(jī)質(zhì)含量要低于公園綠地［26］，與本文的研究結(jié)果正好相反。

圖2 道路沉積物總氮和總磷污染Fig.2 Total nitrogen(TN)and total phosphorus(TP)in road sediments

總Zn在四類功能區(qū)道路沉積物中的含量(圖4)要高于總Cu、總Pb和總Cr。交通干線、文教區(qū)、生活區(qū)和公園綠地道路沉積物總 Zn 均值分別為 194.7459、158.4229、210.8810、125.2447 mg/kg，其中公園綠地道路沉積物的 Zn 含量顯著低于其他三類區(qū)域;總 Cu 均值分別為55.4339、49.1956、24.6424、17.5225mg/kg，總 Cr均值分別為 115.4278、59.8407、39.1407、24.4007mg/kg，總 Pb 均值分別為 44.2745、44.9171、75.5919、40.7109mg/kg。在各功能區(qū)上的變化趨勢可見，總Zn和總Pb在四類功能區(qū)上的含量具有相同的趨勢，即生活區(qū)＞交通干線和文教區(qū)＞公園綠地。總Cu和總Cr四類功能區(qū)上的含量具有相同的趨勢，即交通干線＞文教區(qū)＞生活區(qū)＞公園綠地，其中交通干線道路沉積物總Cu和總Cr的含量要顯著高于公園綠地。由研究數(shù)據(jù)可見，總體上，人流量和車流量大的交通干線、文教區(qū)和生活區(qū)道路沉積物重金屬的含量高于人流量和車流量都相對較小的公園綠地，這與國內(nèi)外眾多的研究結(jié)果相似［26-28］，這說明，這類污染物主要來源于人類活動和交通污染源。

圖3 地表沉積物有機(jī)碳總量Fig.3 Total and dissolved organic carbon in road surface sediments

圖4 地表沉積物重金屬總量Fig.4 Total heavy metal concentration in road surface sediments

2.3 溶解態(tài)污染物與污染物總量的關(guān)系

對溶解態(tài)的道路沉積物進(jìn)行的測試分析，交通干線、文教區(qū)、生活區(qū)和公園綠地溶解態(tài)氮(DN)均值分別為 0.0695、0.0729、0.0665、0.0608mg/kg，占總氮的比例分別是 69.11%、97.39%、93.22%、60.24%(圖 5)，即大部分氮屬于可溶態(tài)，而文教區(qū)和生活區(qū)道路沉積物中可溶態(tài)的氮所占的比例顯著高于交通干線和公園綠地，這說明文教區(qū)和生活區(qū)的道路沉積物中的氮在暴雨產(chǎn)生時(shí)更容易被徑流帶走進(jìn)入水體，而對地表水體產(chǎn)生危害;溶解態(tài)磷(DP)均值分別為 0.0040、0.0097、0.0079、0.0086mg/kg，占總磷的比例分別是 5.26%、12.88%、12.22%、12.66%，總體來說溶解態(tài)磷所占的比例較小，也就是說磷主要以顆粒態(tài)賦存在沉積物中，并且交通干線道路沉積物中溶解態(tài)磷比例最低，與其他三類相比達(dá)到顯著性水平;溶解態(tài)有機(jī)碳(DOC)均值分別為 1.0750、1.6505、0.3103、1.2167mg/kg;占總有機(jī)碳的比例分別是 2.27%、9.05%、1.84%、3.10%，溶解態(tài)的有機(jī)質(zhì)占有機(jī)質(zhì)總量的比例文教區(qū)顯著高于交通干線、生活區(qū)和公園綠地;溶解態(tài)Zn濃度均值分別為0.4057、1.3734、0.6753、0.8207 mg/kg，占總 Zn 的比例分別是 0.16%、0.75%、0.35%、0.54%;溶解態(tài) Cu 濃度均值分別為 2.6814、4.0323、1.8777、1.3039mg/kg，占總 Cu 的比例分別是 5.32%、8.82%、7.64%、6.83%;溶解態(tài) Cr濃度均值分別為 0.1528、0.2570、0.1699、0.2033mg/kg，占總 Cr的比例分別是 0.17%、0.47%、0.40%、0.63%;溶解態(tài) Pb 濃度均值分別為 0.0422、0.0983、0.0924、0.0759mg/kg，占總 Pb 的比例分別是0.10%、0.26%、0.18%、0.61%(圖6)。溶解態(tài)的重金屬占總量的比例均較低，只有溶解態(tài)Cu達(dá)到5%以上，說明重金屬主要賦存在顆粒態(tài)存在的沉積物中。

2.4 地表沉積物對地表徑流的影響

地表沉積物通常是地表徑流中固體物質(zhì)的主要來源，分析其中污染物總量以及溶解態(tài)的污染物質(zhì)含量有助于了解徑流中污染物的組成來源。為了說明道路沉積物對徑流水質(zhì)的影響，本文對北京市的交通干道主要是環(huán)路的徑流水質(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀測，如表1所示，可見總懸浮顆粒物(SS)濃度平均值為394.9 mg/L。TP平均值為0.813 mg/L，超出國家地表水V類水體標(biāo)準(zhǔn)(TP=0.4mg/L)2倍。TN平均值分別為7.55 mg/L，超出國家地表水V類水體標(biāo)準(zhǔn)(TN=2 mg/L)3.8倍。溶解態(tài)Cu、Cr濃度范圍分別為6.23—81.96μg/L和0.55—15.15μg/L，其平均值分別為28.81μg/L和3.97μg/L。由此可見，交通干道徑流污染相當(dāng)嚴(yán)重，與國內(nèi)外的徑流監(jiān)測實(shí)驗(yàn)對比，發(fā)現(xiàn)徑流中確實(shí)存在大量的污染物質(zhì)［20-23］，這與地表沉積物的大量累積有著密切的關(guān)系，而沉積物中溶解態(tài)污染物質(zhì)的大量存在將加重未來暴雨產(chǎn)生時(shí)徑流污染的程度。

圖5 地表沉積物溶解態(tài)氮磷和有機(jī)質(zhì)與總量的關(guān)系Fig.5 Relationship between dissolved N，P and organic carbon and the total amount

圖6 地表沉積物溶解態(tài)重金屬與重金屬總量的關(guān)系Fig.6 Relationship between dissolved heavy metal and the total amount

表1 交通干道徑流各污染指標(biāo)Table 1 Surface runoff quality on traffic lines

道路徑流中的顆粒態(tài)物質(zhì)以及以顆粒態(tài)形式存在的污染物主要來源于機(jī)動車輛輪胎和路面材質(zhì)的磨損以及運(yùn)輸過程中的貨物灑落。汽車在行駛和剎車過程中，汽車輪胎與瀝青地面摩擦、腐蝕而產(chǎn)生道路灰塵，會帶來碳?xì)浠衔?、磷酸鹽及顆粒物等污染物［29］。另外由于汽車輪胎和路面材料均為瀝青，瀝青材料中含有大量的碳?xì)浠衔锛捌浞墙饘傺苌?，長時(shí)間的高溫暴曬，容易老化而發(fā)生分解，在降雨徑流的沖刷下，一部分物質(zhì)溶入雨水中，另一部分則以顆粒的形態(tài)被雨水徑流沖洗下來而形成SS。黃金良［30］和Barrett［31］等也發(fā)現(xiàn)道路降雨徑流中的TOC和COD等有機(jī)物質(zhì)主要來源于車輛輪胎損耗，且當(dāng)路面類型為瀝青路面時(shí)，徑流中的COD和TOC的濃度是相同條件下混凝土路面徑流的3—5倍。在每天的凌晨期間，有大流量的貨車在交通干道上行駛，其載有的煤炭、建筑材料和廢料以及生活垃圾等會從車上灑落到路面而惡化交通干道的衛(wèi)生狀況，在雨天，這些物質(zhì)被雨水徑流沖洗下來而形成SS等，因此交通運(yùn)輸物的灑落是交通干道徑流中的顆粒態(tài)物質(zhì)以及以顆粒態(tài)形式存在的污染物另一主要來源。重金屬來源與車輛活動有關(guān)，如車輛尾氣、車輛部件的磨損和燃料的泄漏等。Peter等［32］的研究也表明交通活動對道路徑流中Cu、Zn的污染負(fù)荷有強(qiáng)烈影響。王海東［33］對蕪湖市不同功能區(qū)道路徑流中的重金屬含量進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)交通區(qū)道路徑流中的重金屬含量要高于文教區(qū)和居民區(qū)道路徑流中的重金屬含量，并認(rèn)為主要是由于交通區(qū)車流量較大，汽車尾氣排放、輪胎磨損、剎車制動等排放的重金屬較高導(dǎo)致。這些研究均表明是道路沉積物或者外界帶入的物質(zhì)是地表徑流污染物的重要來源。

3 結(jié)論

通過對北京市四類道路沉積物的實(shí)驗(yàn)和分析研究，發(fā)現(xiàn)各類功能區(qū)道路沉積物中TN、TP和TOC的含量較高，交通干線、文教區(qū)、生活區(qū)和公園綠地道路沉積物 TN 均值分別為 0.1009、0.1440、0.1071、0.0974 mg/kg，文教區(qū)道路沉積物的TN顯著高于其他類型道路沉積物;TP均值分別為0.0695、0.0729、0.0665、0.0608mg/kg，以文教區(qū)最高，但未達(dá)顯著水平。

交通干線和文教區(qū)道路沉積物TOC濃度顯著高于生活區(qū)和公園綠地，交通干線、文教區(qū)和生活區(qū)道路沉積物重金屬的含量高于公園綠地。主要原因可能是人類活動和車輛交通量的影響。

四類功能區(qū)氮主要以可溶態(tài)賦存，磷主要以顆粒態(tài)賦存在沉積物中，并且交通干線道路沉積物中溶解態(tài)磷比例最低。溶解態(tài)的重金屬占總量的比例均較低，只有溶解態(tài)Cu達(dá)到5%以上，表明重金屬主要賦存在顆粒態(tài)存在的沉積物中。道路沉積物或者外界帶入的固體物質(zhì)是地表徑流污染物的重要來源。

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