城市地表粉塵重金屬分布及污染來源分析

城市地表粉塵重金屬分布及污染來源分析

城市地表徑流的物質(zhì)組成和含量可以作為城市環(huán)境重金屬污染的指標，并對城市居民的潛在健康威脅。城市地表由多種土地利用方式組成，包括交通、工業(yè)和家庭活動等局部和可擴展性污染。不同類型活動產(chǎn)生的重金屬的種類和含量不同，這導(dǎo)致地表徑流中重金屬水平的空間差異。我國不少學(xué)者對城市不同功能區(qū)地表灰塵重金屬進行了研究[4~6],對于不同城市,基本上都表現(xiàn)為工業(yè)區(qū)地表灰塵重金屬含量最高,但其它功能區(qū)的重金屬分布特征因城市不同而各有相似或差異,而且,不同城市因其地域范圍和人類活動頻繁程度不同,研究時選擇的功能區(qū)也不盡相同.那么對于城市地表,城市主要功能區(qū)灰塵重金屬的分布特征總體表現(xiàn)如何?其來源有何特征差異?對于相關(guān)問題的研究,還鮮見文獻報道.本文在文獻調(diào)研的基礎(chǔ)上,主要以省會城市為例,選取4種主要城市功能區(qū),通過對功能區(qū)地表灰塵重金屬數(shù)據(jù)的分析和比對,闡述我國城市不同功能區(qū)地表灰塵中Cd、Cu、Pb和Zn的分布及累積差異,并探討不同功能區(qū)地表灰塵重金屬的可能來源及影響因素.1不同城市功能區(qū)的地表徑流中的重金屬分布將按功能分區(qū)討論的省會城市(洛陽為地級市)的地表灰塵數(shù)據(jù)分區(qū)統(tǒng)計.列于表1~表4.1.1塵cu含量范圍不同城市工業(yè)區(qū)地表灰塵Cd的差異最大(表1),重慶的Cd含量遠高于表中其它城市,是多城市幾何平均值的8.6倍,南京地表灰塵Cd含量最低.表1中10城市地表灰塵Cu含量范圍為39.3~850mg·kg-1,變異系數(shù)為104%,最高值出現(xiàn)在洛陽,最低值出現(xiàn)在濟南;與Cd和Cu相比,不同城市灰塵中Pb、Zn含量的差異相對較小,Pb含量范圍:48.0~545mg·kg-1,Zn含量范圍:204~2192mg·kg-1,Pb、Zn含量最高值分別出現(xiàn)在重慶和洛陽,最低值均出現(xiàn)在濟南.10個城市中,洛陽的Cu和Zn含量最高,重慶的Cd和Pb含量最高,4個元素綜合比較可知,重慶和洛陽的灰塵重金屬含量較高,而濟南灰塵重金屬含量最低.1.2地表1d-pb、cd、cu、pb、zn含量不同城市之間商業(yè)區(qū)地表灰塵重金屬含量的分布較為均一(表2),4個元素含量變異度均低于100%.Cd、Cu、Pb和Zn含量最高的城市分別為沈陽、洛陽、杭州和洛陽,Cd含量最低的城市是貴陽,Cu、Pb和Zn含量最低的城市是濟南.總體而言,商業(yè)區(qū)地表灰塵重金屬含量較高的城市是洛陽,較低的城市是濟南.1.3交通區(qū)地表14年生時地表15因重慶市地表灰塵Cd含量遠高于其它城市,故其參與比較的各功能區(qū)不同城市之間Cd的變異度都較高.除Cd外,不同城市交通區(qū)地表灰塵Pb的變異度相對較高,最高值437mg·kg-1(北京)是最低值60.7mg·kg-1(貴陽)的7.2倍.其它兩元素含量變異度都較低,特別是Zn,最高值788mg·kg-1(烏魯木齊)與最低值211mg·kg-1(沈陽)相差僅3.72倍.總體看來,交通區(qū)地表灰塵重金屬含量較高的城市是重慶,較低的城市是西安(表3).1.4cd含量的變化表4顯示,除Cd外,不同城市居民文教區(qū)地表灰塵重金屬含量差異不大,變異度均低于50%.北京的Cd含量最低;Cu、Pb含量最高值均出現(xiàn)在南京,Zn最高值出現(xiàn)在洛陽,Cu、Zn最低值出現(xiàn)在杭州,Pb最低值出現(xiàn)在北京.總體看來,杭州地表灰塵重金屬含量處于較低水平.2地表1個功能區(qū)地表1個功能區(qū)地表1個功能從多城市不同功能區(qū)地表灰塵重金屬含量的幾何均值(表1~表4)來看,各元素含量分布趨勢如下(mg·kg-1).Cd:工業(yè)區(qū)(2.99)>交通區(qū)(2.00)>居民文教區(qū)(1.73)>商貿(mào)區(qū)(1.67);Cu:工業(yè)區(qū)(166)>交通區(qū)(116)≈商貿(mào)區(qū)(114)>居民文教區(qū)(81.0);Pb:工業(yè)區(qū)(189)>交通區(qū)(123)>商貿(mào)區(qū)(118)>居民文教區(qū)(112);Zn:工業(yè)區(qū)(548)>交通區(qū)(405)>商貿(mào)區(qū)(375)居民文教區(qū)>(332).工業(yè)區(qū)地表灰塵中4種元素含量明顯高于其它3個功能區(qū),交通區(qū)地表灰塵Zn、Cd略高于其它兩個功能區(qū),商貿(mào)區(qū)與居民文教區(qū)地表灰塵Cd、Pb、Zn含量較為接近.表1~表4每個功能區(qū)所涉及的城市不完全相同,因而上述比較可能會存在些許偏差,為更準確地描述不同功能區(qū)地表灰塵重金屬的分布差異,將4個功能區(qū)數(shù)據(jù)齊全的7個城市(烏魯木齊、沈陽、西安、洛陽、太原、南京、貴陽)的地表灰塵重金屬含量取幾何均值,如圖1.從圖1可看出工業(yè)區(qū)Pb、Zn明顯高于其它3個功能區(qū),Cu略高于3個功能區(qū),Cd的含量與居民文教區(qū)相當(dāng),分別為1.80mg·kg-1和1.79mg·kg-1;商業(yè)區(qū)、交通區(qū)和居民文教區(qū)地表灰塵中Cd、Cu、Pb和Zn的含量差別不大,其中,交通區(qū)的Cd、Pb和Zn含量均處于最低值,而居民文教區(qū)的Cu含量最低.總體而言,工業(yè)區(qū)地表灰塵重金屬含量最高,交通區(qū)地表灰塵重金屬含量最低,商業(yè)區(qū)和居民文教區(qū)地表灰塵重金屬含量接近,處于中等水平.4種功能區(qū)之間地表灰塵重金屬水平分異較大的元素是Zn和Pb,而Cu和Cd的差異較小.另外,對于7個城市的灰塵重金屬含量最大值和最小值出現(xiàn)的功能區(qū)及其出現(xiàn)頻次進行了統(tǒng)計(表5),結(jié)果顯示灰塵中Cd、Cu、Pb、和Zn的最高值均主要出現(xiàn)在工業(yè)區(qū),而Cd、Pb和Cu、Zn的最低值出現(xiàn)最多的功能區(qū)分別是交通區(qū)和居民文教區(qū).因此,無論是從整體平均值(圖1)還是從城市樣本比例來看,研究結(jié)果都顯示工業(yè)區(qū)重金屬含量最高,而交通區(qū)和居民文教區(qū)重金屬含量相對較低.交通區(qū)一直是重金屬污染的重點關(guān)注區(qū)域,但近來陸續(xù)有研究顯示,與其它功能區(qū)相比,交通區(qū)地表灰塵或土壤重金屬含量并不總是位于較高水平.雖然交通活動是重金屬的主要釋放源之一,也是導(dǎo)致城市地表灰塵重金屬累積的主要人類活動之一,但是,在復(fù)雜多變的環(huán)境動態(tài)活動的擾動下,沉積在交通區(qū)地表灰塵中的重金屬含量并不一定總是處于較高水平.3城市土壤重金屬含量對于城市灰塵中重金屬的累積或污染的評述,目前沒有統(tǒng)一的標準和限值.目前我國大多數(shù)此類研究都是以土壤背景值為參照依據(jù)進行污染風(fēng)險評價,但在對土壤背景值的取值方面存在一些差異.多數(shù)研究直接引用1990年中國環(huán)境監(jiān)測總站公布的以省為單位給出的土壤元素背景值來代替城市土壤背景值進行評價;但也有一些研究采用已發(fā)表的該城市的土壤元素背景值數(shù)據(jù)評估地表灰塵重金屬污染狀況;不同時段、不同范圍的背景值的取向不可避免會帶來評價結(jié)果的局限性,同時也降低了城市之間污染程度的可比性.城市土壤重金屬含量及其理化特征是近年來較為關(guān)注的熱點研究之一,不少學(xué)者將城市土壤與灰塵重金屬結(jié)合起來進行系統(tǒng)研究,在采樣范圍、點位以及分析手段上都存在諸多一致,因此直接使用近年來發(fā)表的城市土壤重金屬數(shù)據(jù)進行參比,探討不同功能區(qū)地表灰塵相對于城市土壤的累積程度,對評價城市不同功能區(qū)地表灰塵重金屬累積程度的差異更可靠和更直接.7城市土壤Cd、Cu、Pb和Zn含量見表6.圖2為城市不同功能區(qū)地表灰塵重金屬含量相對于城市土壤的累積系數(shù).相對于城市土壤元素含量,地表灰塵重金屬的累積系數(shù)在1.56~4.29之間(圖2),Cd的累積程度最低,4個功能區(qū)灰塵Cd含量平均累積系數(shù)為1.95,Pb的累積程度次之,除工業(yè)區(qū)外,其它3個區(qū)域地表灰塵的累積系數(shù)都小于2.00或略高于2.00;Zn的累積程度最高,4個功能區(qū)Zn累積系數(shù)均值為3.09.另外,圖2顯示,工業(yè)區(qū)灰塵Cu、Pb和Zn累積程度明顯高于其它3個區(qū)域;在商業(yè)區(qū)、交通區(qū)和居民文教區(qū)之間,居民文教區(qū)的Cu累積程度明顯小于其它2個功能區(qū),而Cd、Pb和Zn在3個功能區(qū)之間的累積差異較為接近,但比較而言,交通區(qū)的Cd和Pb累積系數(shù)最低.從4種元素的綜合累積系數(shù)來看,工業(yè)區(qū)地表灰塵重金屬累積最重,其它3個功能區(qū)累積差異不明顯,但相對而言,交通區(qū)地表灰塵重金屬累積最輕.4磨損、尾氣排放和道路揚塵工業(yè)區(qū)地表灰塵重金屬含量遠高于城市土壤,說明該區(qū)域灰塵重金屬并不主要來源于土壤,而是很大程度上來源于與之有關(guān)的工業(yè)生產(chǎn).不同類型的工業(yè)活動釋放的重金屬元素不同.表1列出了各城市的相關(guān)的工業(yè)類型.鋼鐵生產(chǎn)釋放的最普遍的元素是Zn,汽車制造與Pb的釋放有關(guān),冶煉和機械加工因原材料的不同釋放的元素也不同,如洛陽的銅業(yè)生產(chǎn)則可能釋放大量的含Cu微粒進入周邊環(huán)境導(dǎo)致灰塵Cu含量增高,Cd的釋放可能與機械、電鍍等工業(yè)類型有關(guān),熱電工業(yè)與Pb等多種重金屬的釋放有關(guān).交通區(qū)地表灰塵主要受交通活動的影響.影響途徑包括機車剎車塊、輪胎及其它零件的磨損、尾氣的排放以及道路揚塵的反復(fù)揚起和沉積.Zn主要來源于輪胎的磨損,ZnO作為硬化過程的催化劑被添加到輪胎中,在輪胎中占0.4%~4%;Cu主要來源于剎車塊的磨損;Pb可能來源于用于平衡輪胎的鉛塊的磨損和尾氣的排放;而反復(fù)揚起和沉積的道路揚塵的物質(zhì)組成較為復(fù)雜,它包含了多種來源的有害重金屬,Kumar等對印度交通路口的重懸浮顆粒物進行了定量分析,研究顯示41%來自道路灰塵,15%來自機車釋放,15%來自海洋氣溶膠,6%來自金屬工業(yè),6%來自煤的燃燒.因此揚塵的再次沉降是交通區(qū)地表灰塵多種元素的共同輸入途徑.商業(yè)區(qū)地表灰塵來源相對多樣和復(fù)雜.與工業(yè)區(qū)和交通區(qū)不同,商業(yè)區(qū)沒有工業(yè)生產(chǎn)和交通運輸?shù)柔尫胖亟饘俚闹黧w活動,商業(yè)區(qū)的特點是位于城市干道(街道)旁、商品種類繁多和人群聚集且流動量大,因此商業(yè)區(qū)地表灰塵重金屬既來源于土壤、空氣沉降,又部分受交通活動的影響,還與建筑物外墻的風(fēng)化、城市設(shè)施表面油漆碎片的脫落、商品的磨蝕以及人群的聚集所產(chǎn)生的灰塵的攜帶和運移有關(guān),并且人體足部對灰塵和重金屬的搬運與富集具有不可忽視的作用.居民文教區(qū)與商業(yè)區(qū)地表灰塵重金屬來源部分相似,但因其地理位置的相對僻靜,其受交通活動的影響總體上小于商業(yè)區(qū),而且居民區(qū)地表灰塵具有其它3個功能區(qū)幾乎不具備的獨特來源室內(nèi)灰塵的輸入.家庭住房室內(nèi)環(huán)境相對復(fù)雜,不少家具和家用小商品都含有重金屬,如銅質(zhì)家具、鍍鋅鍍鉻器具等,這些器具的磨損和室內(nèi)墻體的腐蝕以及化妝品的釋放產(chǎn)生的重金屬微粒都會存在室內(nèi)灰塵中,然后通過垃圾傾倒和與室外的空氣流通等途徑進入室外環(huán)境沉降到地表,不少研究報道家庭灰塵中的Pb、Cd等重金屬明顯高于室外地表灰塵和土壤,本研究顯示居民文教區(qū)地表灰塵中的Pb和Cd無論是絕對含量還是相對于土壤的累積系數(shù)都高于商業(yè)區(qū)和交通區(qū),這可能體現(xiàn)了家庭灰塵對室外地表灰