臨安區不同功能區道路降雨徑流重金屬污染特征及源解析*

蔡成豪 許立宏 朱方倫 洪家興 苗涵倩 龔苗苗 方曉波

(浙江農林大學環境與資源學院，浙江 杭州 311300)

隨著點源污染治理技術日漸成熟，降雨徑流引起的非點源污染成為城市水環境污染之一[1-3]。研究表明，來源于城市不同地表的懸浮顆粒物、重金屬、有機物等污染物[4]通過降雨徑流輸入城市地表水體，加重地表水及受納水體的污染，破壞城市水生生態系統，威脅公眾身體健康[5]，因此道路降雨徑流(以下簡稱道路徑流)重金屬污染受到廣泛關注。相關研究表明，城市道路徑流貢獻的重金屬占水環境總量的35%～75%[6]，污染受區域氣候、環境空氣質量、降雨特征、交通量、周圍土地利用方式等諸多因素影響，具有來源廣泛、機制復雜、變異顯著、治理困難等特征[7-9]。為有效減少道路徑流污染，污染源解析尤為重要。近年來，研究者運用主成分分析等多元統計技術，對道路徑流中污染物來源做進一步識別。張千千等[10]發現Cd、Zn、Pb來源于車輛的交通損耗；侯培強等[11]發現Cu、Pb、Zn主要源于大氣沉降和機動車尾氣。但不同城市道路徑流重金屬污染水平、污染物來源均有差異。

我國城市道路徑流中重金屬污染較為嚴重[12]，但對于浙江省城市道路徑流污染及源解析文獻報道較少，故選取臨安區不同功能區道路為研究對象，通過采集道路徑流，監測水樣重金屬(Cu、Zn、Pb、Cr、Ni)含量，探究道路徑流污染特征，并且運用主成分分析等方法識別潛在污染源，為臨安區城市地表水環境中重金屬的防治提供基礎信息。

1 方 法

1.1 研究區概況

臨安區地處浙江省西北部，中亞熱帶季風氣候區南緣，屬季風型氣候，溫暖濕潤，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 樣品采集與分析

根據臨安區不同功能區布局，采樣點分別設在文教區(浙江農林大學東湖校區校園內A7宿舍樓和五洲廣場)、交通區(武肅街804路公交車站和武肅街與大學路交叉口)、商業區(臨安區大學城商業街)、居住區(吳越人家)、工業區(浙江萬馬電纜股份有限公司)，共計7個采樣點，道路材質均為瀝青混凝土，在道路雨水井入口處分別收集降雨徑流樣品。

當降雨產生徑流時，及時到達采樣點，用采樣瓶采集徑流樣品，每次采集約1 L，由于降雨徑流的污染物存在初期沖刷效應，所以采用前密后疏的采樣方式。開始30 min內每隔10 min采集1次徑流水樣，之后每隔30 min采集1次徑流水樣，至降雨結束。

采集后的水樣立即送回實驗室進行處理，監測指標包括Cu、Zn、Pb、Cr、Ni。水樣采用HNO3消解并按電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)法測定。在降雨前，采集采樣點附近約60 g的地表沉積物，采用HCl-HNO3-HClO4消解并按ICP-MS法測定重金屬。

1.3 降雨特征

采樣期間使用JDZ01-1型數字雨量計對降雨特征進行同步監測，本研究8場降雨特征統計結果見表1。

1.4 污染物平均質量濃度(EMC)

由于降雨強度隨機，道路徑流中污染物的濃度隨時間變化較大，所以通常采用EMC來表示一場降雨徑流過程排放某種污染物的平均濃度。EMC計算公式[13]見式(1)：

(1)

式中：M為污染物總量，mg；V為總徑流量，m3；Ct為t時刻污染物質量濃度，μg/L；Qt為t時刻徑流量，m3/s。

2 結果與討論

2.1 不同功能區重金屬EMC

不同功能區的不同重金屬濃度存在差異性。錦溪和苕溪是穿臨安區而過的主要河流，其水環境功能區均為GB 3838—2012的Ⅲ類水[14]，將8次降雨造成的道路徑流重金屬EMC與Ⅲ類水水質指標相比，交通區、商業區、工業區的Pb與Cr均超過了地表水Ⅲ類標準限值(見表2)。與其他城市相比，臨安區交通區道路徑流Cu、Pb、Cr明顯高于上海市，商業區道路徑流Cu高于天津市，居住區道路徑流Cu、Pb高于青島市，工業區道路徑流Zn高于太原市，表明臨安區道路徑流污染較為嚴重。與臨安區降雨相比，各功能區道路徑流重金屬濃度都遠超降雨中各重金屬濃度，說明降雨流經道路后攜帶大量重金屬進入水體，造成水質惡化。

表1 采樣期間降雨特征

表2 不同功能區道路徑流中Cu、Zn、Pb、Cr、Ni的EMC1)

注：1)地表水Ⅲ類參照《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)，上海市、天津市、青島市、西安市和太原市的數據來源于文獻[15]至[19]。

2.2 不同功能區重金屬濃度隨降雨歷時變化

本研究中8次降雨主要為小雨和中雨，選擇2017年9月20日和11月13日作為具有代表性的降雨事件，分析不同功能區不同重金屬濃度隨采樣時間的變化情況。在11月13日小雨事件中，Cu、Zn、Pb、Cr、Ni濃度在降雨10 min時達到峰值后呈鋸齒狀下降，最終趨于穩定。以交通區為例，Cu、Zn、Pb、Cr、Ni末期質量濃度保持在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濃度在降雨10 min時達到峰值并迅速下降，最后逐漸趨于平穩。以交通區為例，Cu、Zn、Pb、Cr、Ni末期質量濃度保持在10.7、75.6、28.2、44.4、24.6 μg/L。中雨事件污染物濃度下降得更快且末期重金屬濃度低于小雨事件，這是因為降雨量和降雨強度決定徑流沖刷地表的能量，當降雨量和降雨強度較大時，可以對街塵進行迅速、有效沖刷，重金屬快速進入徑流，這與陳瑩等[20]的研究結果一致。

2.3 重金屬污染的季節變異特征

道路徑流在不同季節受到的外界干擾因素影響不同，導致污染物濃度存在差異。根據臨安區氣象特征，2017年9月20日與11月13日屬于秋季，2018年1月21日屬于冬季，2018年4月3日與5月19日屬于春季，2017年6月21日與8月1日及2018年6月30日屬于夏季。選擇不同季節的降雨事件，分析了不同功能區道路徑流重金屬濃度隨季節變化情況，分析結果見圖1。

由圖1可見，Cu、Zn、Pb、Cr、Ni濃度均隨季節變化明顯。Cu表現為夏季>春季>冬季>秋季；Zn表現為秋季>冬季>夏季>春季；Pb表現為冬季>春季>秋季>夏季；Cr表現為冬季>秋季>春季>夏季；Ni表現為冬季>春季>夏季>秋季。道路徑流中重金屬濃度變化受到大氣干濕沉降影響[21-22]。降雨前空氣中累積的污染物變化引起空氣質量指數變化，道路徑流的污染物濃度也相應有所改變。結合采樣前1周空氣主要污染物濃度及空氣質量指數(http://tianqi.2345.com/wea_history/60875.htm)，分析道路徑流中重金屬濃度與空氣污染程度的相關性。由于臨安區大氣污染狀況冬季>秋季>春季>夏季，秋冬季空氣污染物濃度高，霧霾天較多，污染物不易擴散，空氣質量較差，含重金屬的顆粒物隨雨水進入地表徑流，導致秋冬季徑流中Zn、Pb、Cr、Ni濃度較高，與張科峰等[23]的研究結果一致。

2.4 街塵與道路徑流重金屬污染相關性

降雨前累積的地表沉積物形成街塵，通常含有較多污染物，其可能來源主要包括工業粉塵、汽車磨損物、汽油滴漏等[24]，這些污染物在降雨產生時極易跟隨徑流進入水體，對城市水環境產生威脅。采集了不同功能區的街塵，分析了不同功能區街塵重金屬含量，分析結果見圖2。由圖2可知，工業區街塵中Cu、Zn、Pb、Ni均為各功能區中最高，分別達到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，工業區主導工業為涉及Cu、Zn、Pb的電線電纜產業，所排放的重金屬容易聚集于周邊街塵，并隨降雨通過淋溶、浸出等形式進入城市地表水體并造成污染。交通區Cr為各功能區中最高，達到86.497 2 mg/kg，商業區Zn、Ni為357.012 5、48.952 8 mg/kg，均高于浙江省背景值[25]596，交通區和商業區內機動車以及人流量較大，來往運輸頻繁。由此可見，臨安區道路徑流中存在大量重金屬與臨安區街塵中重金屬含量高有關，說明街塵是道路徑流中的污染物的主要來源，街塵中污染物的大量存在將加重道路徑流污染的程度，與任玉芬等[26]的研究結果一致。

2.5 重金屬污染源解析及空間變異特征

運用SPSS 20.0軟件對數據進行主成分分析。樣品數據經KMO檢驗和Bartlett’s球狀檢驗后表明，KMO值大于0.5，Bartlett’s測試值P值<0.05，適合做主成分分析。提取出影響道路徑流水質的2個主成分，這2個成分能夠解釋全部變量的80.371%，說明它們包含了以上5個指標的大部分信息，主成分分析結果見表3。

第一主成分的貢獻率是40.596%，在Zn、Pb、Cu上具有較大的載荷系數，分別是0.943、0.736、0.698，Zn與第一主成分呈強正相關，Cu、Pb與第一主成分呈中度正相關。工業活動使用的重金屬對道路徑流中相應重金屬濃度有明顯影響，結合臨安區工業行業類型，臨安區擁有電線電纜等產業，生產過程中消耗Cu、Zn、Pb等重金屬，工業煙氣、工業粉塵進入大氣，吸附在氣溶膠上，或者沉積在地表隨降雨進入道路徑流造成污染。第二主成分的貢獻率是39.775%，在Ni和Cr上具有較大的載荷系數，分別為0.942和0.914，呈強正相關。考慮到臨安區汽車保有量不斷增加，道路擁堵現象頻繁發生，車輛交通損耗嚴重，而Cr主要來源于交通零部件磨損[27]，Ni來源于汽車燃油[28]，推斷汽車損耗是道路徑流重金屬的又一主要來源。綜上所述，臨安區道路徑流重金屬污染源主要為以電線電纜為主的工業活動和汽車損耗。因此，在道路徑流污染控制中，要重點關注工業區、交通區的污染狀況。

圖1 道路徑流季節污染趨勢Fig.1 Seasonal variation trend of road runoff pollution

圖2 不同功能區街塵重金屬分布Fig.2 Heavy metal content of street dust in different functional areas

表3 道路徑流的主成分分析結果

3 結 論

(1) 臨安區道路徑流重金屬污染較嚴重。重金屬濃度隨降雨歷時的增加呈下降趨勢，且中雨事件相比小雨事件，重金屬濃度下降更快且末期濃度更低。

(2) 臨安區不同季節道路徑流重金屬濃度存在差異。受降雨前空氣質量和大氣沉降影響，道路徑流Cu呈現夏季>春季>冬季>秋季，Zn呈現秋季>冬季>夏季>春季，Pb呈現冬季>春季>秋季>夏季，Cr呈現冬季>秋季>春季>夏季，Ni呈現冬季>春季>夏季>秋季的季節變化趨勢。

(3) 街塵與道路徑流重金屬污染存在一定的相關性。臨安區街塵重金屬含量高，街塵是道路徑流中的污染物的主要來源，街塵中污染物的大量存在將加重道路徑流污染的程度。

(4) 臨安區道路徑流重金屬污染源主要為生產電線電纜的工業活動和汽車損耗。