城市地表粉塵非點源污染研究綜述

城市地表粉塵非點源污染研究綜述

1國內(nèi)城市地表1.2.3國外城市地表1隨著城市不透水土壤的迅速增加，地表污染物的積累和磨損規(guī)律被打破，非點源污染的“來源”、“過程”和“結(jié)果”發(fā)生了變化。作為污染物的重要載體，地表徑流是環(huán)境中典型的非點源污染之一。國外對城市地表徑流的研究較多，在20世紀(jì)70年代初引入了相關(guān)概念，近年來引起了人們的關(guān)注。他在空間差異、累積規(guī)律和環(huán)境效應(yīng)方面取得了許多成果。近年來，雖然中國也進(jìn)行了相關(guān)研究，但該領(lǐng)域并未引起學(xué)術(shù)界的充分關(guān)注，對城市地表徑流的概念缺乏統(tǒng)一的理解和采樣方法。在這種背景下，本文對城市地表徑流的概念進(jìn)行了新的了解，總結(jié)了國內(nèi)外城市地表徑流污染的研究成果，并提出了未來的研究重點和發(fā)展方向。2城市地表徑流的概念和重要性2.1非點源污染的源—城市地表灰塵概念的提出與發(fā)展城市不透水地面的增加,使地表灰塵成為城市地表分布最廣泛的污染物載體之一.1975年,《自然》雜志發(fā)表的“城市地表灰塵中的鉛”一文最先提出了地表灰塵的概念,表述為“streetdust”,隨后Sator等在美國12個城市開展了地表灰塵營養(yǎng)鹽和重金屬污染的調(diào)查.此后,以地表灰塵污染及其空間分異為主要內(nèi)容的研究迅速發(fā)展起來,其中又以重金屬污染成果最多,近年來在污染物形態(tài)分級、判源分析等方面取得了較大的進(jìn)展.另一方面,隨著非點源污染的加劇,人們逐漸認(rèn)識到灰塵與徑流污染的聯(lián)系,提出了將灰塵看作水體非點源污染的“源”,應(yīng)重視“地表灰塵水環(huán)境污染”的觀點.在這類研究中,地表灰塵往往以“road(deposited)sediment”方式表述,著重研究灰塵污染累積規(guī)律及其影響因素等內(nèi)容,許多污染物累積模型得到了進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用.國內(nèi)對城市地表灰塵的關(guān)注起始于20世紀(jì)90年代初成都開展的一系列有關(guān)“街道地表物”的研究,之后陷入沉寂,近年在西安、北京、上海、重慶等地才陸續(xù)開展了相關(guān)研究.地表灰塵可表述為“道路灰塵”、“路面沉積物”、“地表累積物”、“街道地表物”等,大多關(guān)注地表灰塵污染及其空間分異特征,對污染物累積規(guī)律等方面研究較少.有學(xué)者對“地表灰塵”概念進(jìn)行了界定.Sutherland等定義地表灰塵是一種包含大量污染物質(zhì)的復(fù)雜環(huán)境介質(zhì);杜佩軒等定義為“城市灰塵是指分散于城市不同區(qū)域的表面固體顆粒物,由街道灰塵、區(qū)域灰塵、大氣灰塵組成”,或“灰塵(環(huán)境行業(yè)通用術(shù)語)實際上是指城市垃圾塵土”;Banerjee認(rèn)為,街道灰塵是人類生活、生產(chǎn)活動的產(chǎn)物,是來自于不同源的固態(tài)物質(zhì)、液態(tài)物質(zhì)和氣態(tài)物質(zhì)相互作用的產(chǎn)物,街道灰塵中元素的種類和含量可反映出這個地區(qū)生產(chǎn)、生活的特征.總結(jié)以上對城市灰塵的理解,可以看出現(xiàn)有研究對地表灰塵的表述不一致,理解比較混亂,不利于學(xué)術(shù)交流.基于此,本文對地表灰塵的概念提出一些新的認(rèn)識,以促進(jìn)對其概念的理解及其在城市生態(tài)環(huán)境研究中的應(yīng)用.2.2了解表面清潔的概念2.2.1地表1/4.2細(xì)胞元素城市不透水地面可簡單定義為徑流不能下滲的下墊面,包括各種行車道、人行道、停車場以及屋頂?shù)扔盟?、瀝青或其他不透水材料所覆蓋的表面.來自大氣沉降和城市交通、建筑、工業(yè)等各種非點源所產(chǎn)生的顆粒物質(zhì),在風(fēng)力、水力及重力作用下,沉積在城市不透水地面,形成地表灰塵.城市地表灰塵概念與大氣灰塵概念不同.由于所處環(huán)境界面的不同,這兩種物質(zhì)在物質(zhì)結(jié)構(gòu)、粒徑組成、所含污染物的環(huán)境行為等方面都有顯著差異,人們研究和關(guān)注的重點也有所不同.大氣灰塵多以飄塵和降塵為研究對象,主要關(guān)注顆粒物PM5、PM10的污染及其生態(tài)效應(yīng);而在地表灰塵的研究中,更多地關(guān)注與徑流污染相聯(lián)系的灰塵累積規(guī)律及其環(huán)境效應(yīng)等內(nèi)容.2.2.2外動力條件影響地表灰塵是一個來源復(fù)雜的各種污染物的混合體,是城市環(huán)境中各種污染物質(zhì)的“源”和“匯”,與大氣污染和水體環(huán)境污染密切相關(guān).城市局部地區(qū)環(huán)境(如高層建筑形成的巷道風(fēng))對地表灰塵再懸浮影響顯著.在一定的外動力條件(如風(fēng)、車輛行駛)下,城市地表灰塵與大氣顆粒物相互轉(zhuǎn)化,形成典型的“點、線、面”型污染.在雨季,由于不透水地面具有強(qiáng)烈的水文活動,灰塵中攜帶的大量污染物質(zhì)在徑流的搬運下進(jìn)入地表水,形成典型的水體非點源污染.用未經(jīng)處理的徑流灌溉農(nóng)田或用淤泥作為追肥施用等,都會使污染物進(jìn)入土壤、農(nóng)作物及人體循環(huán)系統(tǒng),形成潛在的污染生態(tài)效應(yīng).2.2.3城市地表1種地表1種多環(huán)境質(zhì)量污染特性的對比研究環(huán)境學(xué)研究中,大氣顆粒物、土壤等被視為能很好反映污染信息的環(huán)境介質(zhì).但研究表明,由交通行為所產(chǎn)生的污染物顆粒在大氣中停留的時間很短,用大氣采樣技術(shù)很難檢測到這種污染;同時,在不透水地面占絕對比例的城市地區(qū),由于受較頻繁的人為擾動和干擾,城市土壤多為綠地客土,很難真實地反映區(qū)域污染的實際狀況.而與之相比,地表灰塵分布范圍廣,污染物質(zhì)大多來自區(qū)域內(nèi)部短時間內(nèi)的累積,是一種典型的非點源污染,對區(qū)域環(huán)境狀況有良好的指示作用.因此,地表灰塵具有分布范圍廣、取樣方便、代表性強(qiáng)、與非點源污染聯(lián)系緊密等獨特的環(huán)境特征.開展城市地表灰塵污染研究,可以與其他城市環(huán)境介質(zhì)研究相結(jié)合,相互補充,互為論證,更全面系統(tǒng)地反映區(qū)域環(huán)境的總體狀況.地表灰塵污染的研究應(yīng)該成為我國城市生態(tài)環(huán)境研究的一個新切入點.3城市地表徑流的科學(xué)研究3.1對不同粒徑累積的樣品的個人隱私粒徑累積規(guī)律的討論目前學(xué)術(shù)界還沒有關(guān)于地表灰塵取樣的標(biāo)準(zhǔn)方法,但國外研究大多默認(rèn)并采用以下幾種取樣方法:1)涉及區(qū)域地表灰塵污染及空間分異研究時,樣品大多用毛刷清掃,用不銹鋼或竹鏟截取,此方法采樣方便,便于進(jìn)行大范圍的污染調(diào)查,缺點在于細(xì)粒徑的灰塵顆粒損失過高;2)近年來很多研究特別是涉及較微觀尺度的灰塵污染累積規(guī)律時,由于對樣品粒徑范圍要求準(zhǔn)確度很高,多采用改進(jìn)的工業(yè)真空吸塵器吸取樣品;3)為了進(jìn)一步提高取樣方法的精確度,避免在吸取過程中細(xì)顆粒的損失,有些學(xué)者在真空采樣法的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行了改進(jìn),即先用去離子水沖刷,潤洗樣品,再真空吸取.這種濕式采樣法被證明比干式采樣更為有效,近年來得到了廣泛應(yīng)用.Bris等在巴黎市中心地區(qū)對兩種真空采樣方法進(jìn)行了比較.研究表明,干式和濕式取樣法對<50μm顆粒的吸取率分別達(dá)到84%和97%.Deletic等在英國校園內(nèi)道路地表污染累積研究中也應(yīng)用了改進(jìn)的濕式真空采樣法.目前國內(nèi)對地表灰塵的研究主要以灰塵污染的空間分異特征為主,對污染物微觀累積等方面研究較少,取樣方法一般都在遠(yuǎn)離清掃時間內(nèi),樣品用毛刷清掃,不銹鋼或竹鏟截取.總體而言,與國外研究相比,國內(nèi)取樣技術(shù)仍缺乏一定的規(guī)范性.3.2地表1年生粗胞污染效應(yīng)研究pH、粒徑等理化性質(zhì)是影響地表灰塵污染程度的重要因素.pH是反映地表灰塵理化性質(zhì)的基本參數(shù)之一,對污染物吸附作用及賦存形態(tài)有顯著影響.街道地表灰塵pH受含堿性物質(zhì)的大氣顆粒物沉降、老化路面顆粒剝離、城市交通擾動等多種因素的影響,一般會高于同區(qū)域的土壤pH.地表灰塵的粒徑研究是一個重要的課題.地表灰塵的粒徑分布曲線大多呈非正態(tài)多峰分布,說明一般地表灰塵具有多源性.上海市地表灰塵粒徑中值為136.3μm.顆粒物粒徑在某種程度上決定了物質(zhì)的可移動性和潛在的污染效應(yīng).不同粒級顆粒對污染物含量有不同的貢獻(xiàn)率.一般顆粒物粒徑越小,其比表面積和表面吸附力越大,所吸附的污染物含量越高.Viklander對瑞典律勒歐地表灰塵重金屬污染進(jìn)行的研究表明,<75μm粒徑級別的灰塵顆粒具有最大的污染物含量.Sartor等研究表明,<43μm級細(xì)小顆粒只占總重量6%,卻具有相對較大的污染潛力,占重金屬污染的50%和氮磷營養(yǎng)物質(zhì)的33%~50%.Murakami等研究表明,在日本東京居住區(qū)和主要交通區(qū),3.4%的細(xì)小顆粒部分包含了PAHs污染負(fù)荷的44%.3.3地表石灰中重金屬的分布及危害地表灰塵重金屬污染是反映城市環(huán)境污染狀況的重要指標(biāo)之一.地表灰塵重金屬污染與城市工業(yè)、交通活動密切相關(guān).總體上而言,城市人口越多,重金屬(尤其是Cd和Pb)污染越嚴(yán)重,在交通緩滯地段(如交通路口、紅綠燈處)出現(xiàn)重金屬污染峰值.Chon等對韓國首爾衛(wèi)星城鎮(zhèn)進(jìn)行的研究表明,雨季后灰塵重金屬含量有減小的趨勢,尤其在污染較重的地區(qū)其含量下降得更明顯.重金屬賦存形態(tài)是評價重金屬污染程度及潛在生態(tài)危害的另一個重要因素.對地表灰塵中不同形態(tài)重金屬進(jìn)行的分級提取試驗表明,Cd是最具有生物活性的重金屬,可交換態(tài)和碳酸鹽態(tài)都具有最高的百分比;Zn和Pb大多以碳酸鹽態(tài)存在,其次是以鐵錳氧化態(tài)存在;絕大部分Cu以有機(jī)態(tài)存在,在正常狀態(tài)下很少被環(huán)境利用;生物有效性系數(shù)依次為Cd>Zn=Pb>Cu.研究表明,國內(nèi)許多城市的地表灰塵中重金屬含量均高出土壤背景值,不同功能區(qū)之間的污染空間分異較大,局部污染比較嚴(yán)重.沈陽市灰塵Pb污染以冶煉廠為中心的鐵西重工業(yè)區(qū)最為嚴(yán)重,其次為繁華商業(yè)區(qū);成都市交通區(qū)重金屬污染最為嚴(yán)重.韓東昱等研究表明,北京市區(qū)公園地表灰塵重金屬污染明顯高于市郊公園,且位于市中心的公園最高.本課題組對上海市地表灰塵污染的研究表明,Cu、Zn、Mn等重金屬在工業(yè)區(qū)含量最高.表1給出了國內(nèi)外研究部分城市地表灰塵重金屬含量水平的平均值.3.4校園和居住區(qū)問題近年來,持久性難降解有機(jī)污染物(POPs)的環(huán)境效應(yīng)已引起人們的特別關(guān)注.研究表明,城市地區(qū)尤其是中心城區(qū),土壤和灰塵中的多環(huán)芳烴(PAHs)濃度在不斷增加,并顯示出一定的空間分布特征.本課題組對上海城市地表灰塵PAHs研究表明,工業(yè)區(qū)和交通要道含量明顯高于校園和居住區(qū),且呈較明顯的季節(jié)分布,即冬季19.14μg·g-1高于夏季13.32μg·g-1.Brisa等研究表明,巴黎市區(qū)灰塵中PAHs達(dá)到3~11μg·g-1,是農(nóng)田土壤的2.3倍,呈現(xiàn)出由中心城區(qū)向郊區(qū)逐漸遞減的趨勢.Yang等研究表明,高雄市中心地區(qū)PAHs含量為298μg·g-1,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼鐵廠、水泥廠和海濱等污染地區(qū)含量(122~182μg·g-1).Fang等對臺中市地表灰塵主要交通干道、工業(yè)園區(qū)、文教區(qū)3種地表灰塵進(jìn)行的分析表明,其PAHs含量分別達(dá)到65.8、26.7和16.1μg·g-1.郭琳等研究表明,長沙市地表灰塵的浸取試驗分析表明,灰塵以總碳(TC)和COD污染為主,其次為石油類物質(zhì).陳麗旋等研究表明,廣州市各功能區(qū)道路灰塵的鄰苯二甲酸酯(PAEs)含量平均為132.58μg·g-1,其中商業(yè)區(qū)、交通主干道明顯高于其他區(qū)域.3.5地表1累積的時間累積模型地表灰塵污染物在不透水地面上的累積是一個復(fù)雜的動力學(xué)過程.定量地預(yù)測污染物累積量可以為流域管理提供重要的基礎(chǔ)資料.Vaze等提出了地表灰塵污染物“累積-沖刷”的概念模型,認(rèn)為城市不透水地面污染物來源于以下兩個基本過程:累積和沖刷.累積過程大都發(fā)生在非降雨時期,沉降在流域內(nèi)的污染物數(shù)量大于風(fēng)力和清掃的搬運量,形成一定量的污染負(fù)荷;沖刷過程發(fā)生在降雨時期,大部分地表物質(zhì)被徑流沖刷帶走,而剩余的污染物又成為下一次累積過程的初始值.這樣,流域內(nèi)的污染物即是一系列不斷重復(fù)的“累積-沖刷”過程的組合.Sutherland等提出的地表灰塵“輸入-輸出”模型也蘊含了類似的理論.此外,國外對地表灰塵污染累積的定量模型也已進(jìn)行了很多研究.研究表明,流域內(nèi)灰塵污染物的累積過程可以模擬為以無雨期為自變量的指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)或其他函數(shù).對以時間為自變量的累積模型而言,地表物質(zhì)的累積系數(shù)為一級反應(yīng)速率,其速度在初始時最快,而后由于物質(zhì)的再分配,其速度逐漸降低,而且顆粒物質(zhì)被行人車輛碾壓后逐漸變細(xì).流域內(nèi)污染物的累積不是無限的,會隨無雨期的增長而逐漸趨于一個上限值,大多可用冪函數(shù)或雙曲線函數(shù)表示.國外兩個較為重要的城市非點源污染模型MUNP(managementofurbannonpointpollution)和SWMM(stormwatermanagementmodel)都應(yīng)用了這種理論,得出了不同功能區(qū)地表灰塵污染的時間累積模型.Yuana等以指數(shù)模型為基礎(chǔ),得到高速路流域重金屬分布的預(yù)測模型;Ball等得出悉尼街道灰塵累積的雙曲線模型.施為光運用街道地表污染物邊坎累積模型計算了成都不同功能區(qū)街道地表物的累積量;朱繼業(yè)等對該模型進(jìn)行了修正.3.6基于pb的地表凈化技術(shù)目前對灰塵的判源分析多見于定性分析及一些多元統(tǒng)計分析方法(諸如主成分、聚類、因子判別等)的應(yīng)用.由于城市環(huán)境復(fù)雜,所以不可能分清單個元素對灰塵污染的影響.用多元素組合來指示污染物來源比單一元素更有效.元素組合Pb-Cu-Zn來源于交通污染,表示典型的人為源輸入;Ca-Cd組合揭示了建筑活動的風(fēng)化腐蝕;Ni-Mn-Co則來源于家庭制熱系統(tǒng)的輸出.在定量分析方面,同位素分析技術(shù)近年來被逐漸應(yīng)用于灰塵重金屬判源分析.Pb穩(wěn)定素可用于示蹤污染物的來源及其遷移軌跡.Lee等研究表明,在韓國首爾地表灰塵中206Pb與207Pb的比值范圍為1.1419~1.1681,平均值為1.1576±0.0068,說明首爾地表灰塵中的Pb主要來源于工業(yè)污染源,而不是含鉛汽油.環(huán)境磁學(xué)方法已經(jīng)應(yīng)用于地表灰塵重金屬判源研究.Chrlesworth等認(rèn)為,顆粒物磁化率可在一定程度上代替磁性污染物的濃度值.磁化率分析方法比傳統(tǒng)的實驗室分析方法快且不具破壞力,在實際應(yīng)用中可與環(huán)境化學(xué)分析法互為印證,可提高在不同環(huán)境介質(zhì)中追蹤污染物來源的能力.另外,有的研究從地球化學(xué)及巖石礦物學(xué)分析角度出發(fā),用掃瞄式電子顯微鏡(scanningelectronmicroscopy)、能量散布光譜儀(energydispersiveX-rayspectroscopy)等技術(shù)對灰塵顆粒物進(jìn)行了分析,提高了污染物判源分析的精確度和準(zhǔn)確度.3.7地表1個污染物危害的生物效應(yīng)城市地表灰塵對生態(tài)系統(tǒng)的破壞是隱蔽的、潛在的、長期的.近幾年,人們逐漸意識到地表灰塵的潛在生態(tài)危害.很多學(xué)者結(jié)合醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等相關(guān)學(xué)科的方法和技術(shù),開展了有關(guān)地表灰塵的健康風(fēng)險研究.例如,花粉、霉菌、重金屬、雌激素細(xì)胞元活性物質(zhì)、二氧吲哚、過敏原物質(zhì)等與人體健康有關(guān)的污染物在地表灰塵與大氣顆粒物之間的循環(huán)模式,及其對人體健康的影響.研究表明,包含這些物質(zhì)的灰塵粒徑較小,易受交通擾動的影響;其再次飄起