乌鲁木齐市雨水径流重金属污染物特征研究

中文摘要：随着城市化进程的加速，水环境污染问题已成为国内外学者讨论的热点问题。城市非点源污染成为制约城市可持续发展的重要组成部分，城市建设中必然导致不透水面积的迅速增加，在雨季时节，加速了地表产生径流的过程，经由大气沉降、工业区排放的粉尘和有害气体、道路交通造成的扬尘和汽车尾气等方式累积地表污染物通过降雨径流等传输途径在地表迁移，从给城市水环境带来负面效应。
本论文在导师研究项目的支持下，以乌鲁木齐市为例，选取了不同等级的道路路面和不同不透水面类型，重点研究了降雨径流中重金属污染物的动态变化、初期冲刷效应，并对重金属污染的时空变化特征进行了分析讨论，分析了重金属污染物之间的相关关系，以及利用人工实验方式进一步的解析了重金属污染物的来源，为城市水环境建设提供有效的管理建议。
对乌鲁木齐3种不同等级的道路路面雨水径流中的Pb、Cu、Zn、Cd4种元素进行了取样监测,探讨了路面径流中重金属元素的浓度变化、平均质量浓度的空间变化及重金属元素间的关系。结果表明：3个采样点重金属浓度均在5～15分钟时达到高峰，随着降雨和径流的延续，浓度也逐渐降低。3个采样点中Zn、Cu、Pb的质量浓度较高，而Cd的含量最小。其中城市交通密集区路面径流重金属浓度最高，支路路面重金属的含量相对较低。乌鲁木齐市路面径流中重金属污染水平高于其它城市，反映出乌鲁木齐市在道路路面环境维护和管理上与其它城市的差距。
通过分析乌鲁木齐市不同不透水面降雨径流径流中Pb、Cu、Zn、Cd和Ni5种重金属污染物特征，结果表明不同不透水面初期冲刷现象都比较明显，在径流的初始阶段，重金属元素的浓度随着降雨量和径流的变化会出现峰值，然后持续下降，在采样的结束阶段，重金属元素的浓度增加或趋于平衡。降雨量、平均降雨强度、降雨历时及晴天累积数对不透水面重金属元素浓度变化有一定的影响；对比国家地表水环境质量，不透水面中重金属元素Pb、Cu、Zn都有不同程度的超标，3种不同不透水面中，道路的重金属污染是最高的，停车场次之。
乌鲁木齐市降雨径流中重金属元素之间相关性明显，这与重金属污染物具有同源性有一定的关系；通过人工实验方式，得出了重金属污染与城市化进程中频繁的交通活动以及不透水面地表污染物的沉积有很大的关系。
鉴于分析研究结果，对于市非点源污染的控制的管理给出了城市雨水资源化、控制雨水径流系数、使用低污染性的防水材料、加强环保意识的对策建议，以期为城市地表雨水径流污染物的控制和改善城市水环境方面提供一定的帮助。

关键词：雨水径流；重金属污染物；道路路面；不透水面；事件平均浓度
1绪论
1.1研究背景及研究意义
1.1.1水环境非点源污染研究背景及意义
随着人类活动的发展，水环境污染问题已成为国内外学者讨论的热点问题。水环境污染来源于点源污染与非点源污染。非点源污染（non-point pollution）与点源污染相对应，又称面源污染(diffused pollution)，是指由于降雨冲刷作用，大气、地面或土壤中的污染物随地表径流进入江河、湖泊、水库和海洋等水体而造成的水环境污染[1]。水环境非点源包括大气干湿沉降、暴雨径流、底泥二次污染和生物污染等诸多方面。暴雨径流，即通常意义（狭义）的非点源污染，是与降水过程伴随产生的地表径流污染[2]。美国清洁水法修正案（1997）对非点源污染的定义为：污染物以广域、分散、微量的形式进入地表及地下水体[3]。点源污染通常是指由较为固定的排放位置而集中排放，例如工业废水和污水处理厂的出水。近年来，由于技术和经济的发展，加上点源污染易于识别和治理的特点，在世界上大部分国家已经得到了较好的控制[4]，但是美国、日本等国家的学者研究却发现，即便点源污染得到较好的控制，河流的达标率也仅有60%左右[5]。实践证明，仅仅单纯控制点源污染，许多被污染的水体仍然达不到治理指标。许多水体除了受点源污染外，还受到相当严重的的水环境非点源污染[6]。
非点源污染已经严重威胁着地表水环境，成为地表水环境首要污染源。在丹麦，270条河流中因非点源污染引起的氮负荷、磷负荷分别占到了94%和52%[7]。荷兰水环境污染总量中，农业非点源污染带来60%的总氮和40-50%的总磷[8]。德国某一河流流域因为过量施用化肥导致水中的磷浓度超过0.2mg/L[1]。我国通过对太湖污染、滇池污染、淮河流域等重要1湖泊污染问题的调查，发现工业废水、城市非点源污染的贡献率分别达到了24%、9%、67%[9]。非点源污染来源范围广，地表径流中带着大量的泥沙、营养物、有毒有害的重金属物质及固体垃圾等进入江河、湖泊等地标水体，容易引起水体悬浮物浓度升高，导致有毒有害物质含量增加，溶解氧减少，造成水体富营养化和酸化[10]。
与点源污染相比，非点源污染具有分散性、随机性大[11]、分布范围较广、潜伏周期长、形成过程较复杂和危害性大[12]等特征，基于非点源污染的这些特点，就无法使用治理点源污染的处理办法，随着工业污染和城市环境点源污染的治理水平提高，非点源污染就成为了水环境污染防治、管理的首要任务[13]。 目前对于非点源污染控制措施主要有两种：（1）针对某一具体的非点源污染水体根据其污染特征，选择合理有效的治理措施，使用工程修复方式治理，诸如建设暴雨蓄积池、人工湿地、沉砂池和废水处理池等等工程技术。（2）从管理技术上降低污染物进入地表水体，降低水环境污染的风险，主要的管理技术有：自然负荷管理、大气负荷管理、降雨负荷管理、交通形式负荷管理、土壤负荷管理、农田径流负荷管理[14]。
1.2.1城市降雨径流的研究背景及意义
城市化发展使人类发展的必然趋势，也是人类对自然环境改造的标志。城市化的发展改变了土地利用类型，对人类生存与发展必不可少的水资源及城市环境的影响愈来愈显著[15]，城市化进程的加速伴随着城市自然景观的改变，不同于自然地表条件的大面积不透水面形成了“城市第二自然格局”[16]，对地表水环境产生了重要的影响。城市的快速扩张必然导致不同于自然景观的沥青路面和硬质屋顶的面积迅速增加，在雨季时节，降雨在不透水地面上迅速转化为径流，冲刷和挟带大量污染物物质进入地表水体，形成典型的城市非点源污染，成为影响城市水环境污染的重要因素之一[17]。城市非点源污染是指在城市降雨过程发生的过程中，由于降雨径流淋洗与冲刷大气和汇水面的各种污染物(如原油、氮、磷、重金属元素、固体废弃垃圾等有毒物质及杂物)而引起的受纳水体的污染[18]。因此，狭义的城市非点源污染就是指城市降雨径流污染，也称城市地表径流污染，即城市不同下垫面及大气中含有的污染物在降雨的淋洗和冲刷下，汇集而成的污染物伴随雨水进入排水系统，从而引起的水环境污染[19]。城市降雨径流污染是城市非点源污染最主要的类型。
城市区域是人类活动最为剧烈的社会区域，城市化伴随着人口剧增，城市建设用地的不断扩张，各种设施兴建的同时，改变了周围的景观中的物质循环和能量分配，对城市环境造成极大的影响。不同种类的城市用地类型，各种不同材质的覆盖物导致了城市降雨污染物类型多样、量大、分布随机等特点，导致其特有的污染物源汇特征[20]。城市降雨径流污染物主要来源包括大气沉降、地表沉积物、固体废弃物、不同下垫面类型和排水体系[21]等。
大气沉降对于城市降雨径流污染的贡献，表现在来自于建筑扬尘、汽车尾气、燃料飞灰、工业区排放的大量粉尘、烟尘、颗粒物和有毒污染物在降雨期间被直接淋溶到地表水体中，随地表径流进入受纳水体，引起城市水体非点源污染。
城市化进程之所以能够成为非点源污染的主要因素，是由于土地利用变化引起的城市下垫面改变了地表径流的变化过程。一般而言，将城市下垫面分为不透水面和透水面。透水面（pervious surfaces）主要是指流经其上的地表径流能够下渗并截留部分径流的下垫面，例如林地、草地、未利用土地及农田等。不透水面（impervious surfaces）可简单的定义为流经其上的地表径流不能下渗的下垫面，包括各种自动车或非机动车道、人行道、停车场及屋顶等水泥、沥青或其他不透水材料所覆盖的表面[22]。当降雨一旦发生，雨水径流冲刷并携带大量的污染物排入城市下水管道，最后流入城市水体，成为影响城市水环境的重要因素[23]。
道路是城市不透水面汇水面的重要组成部分，由于频繁的交通活动，尾气的排放、轮胎和路面磨损、部件腐蚀以及油脂渗漏等等因素从而导致大量的颗粒物、重金属、营养盐和有机物等污染物在路面的积累，成为城市非点源污染的主要污染源之一[24]。研究表明，重金属重金属 Pb、Zn 污染物主要来自于车辆尾气排放、含铅汽油的使用或轮胎磨损，发动机润滑油等[25]。在自然环境下，重金属难以降解，通过在动植物体内累积、食物链的富集，浓度有可能增加数百万倍，最后进入人体造成危害，是危害人类最大的污染物之一[26]。水体中的某一些重金属元素是对人体健康有利的，诸如：钠、钾、钙、镁和微量元素（铁、锰、铜、锌、镍、等），但某些重金属元素（铅、镉、汞、砷、铬、铍、铊、钡等）会对人体产生危害[27]。
各种化学形态或状态重金属，在进入环境或生态系统后无法进行降解，就会存留、积累和迁移，即使含量很少的重金属排入到水体之中，也可以在藻类和底泥中积累，被水体中生物表吸附，经过食物链作用，从而累积浓缩，土壤中的重金属可通过土壤-植物系统等途径，经由食物链进入人体[28]。例如，曾经在日本发生的水俣病正是因为水体中Hg元素含量超标引起的；重金属元素Cd在人体内长期的滞留会导致骨骼和心脑血管的损害[29]；而重金属元素Pb超标则会损害人体造血和心血系统、神经系统和肾脏等器官。因此可以说明，重金属元素污染对人类健康危害很大，已经成为当今世界上最为严重的环境问题之一。
由此，城市化的快速发展使不透水面面积迅速增长，雨水径流污染的威胁不能再被忽视[30]。据文献报道[31]，城市降雨径流中含有悬浮物、耗氧物质、富营养化物质、有毒物质、油脂类物质等污染物，并在很多时候超标严重，这些污染物随径流通过排水道排入或直接进入江河湖泊，污染地表水。美国国家环保署（EPA）把城市地表径流列为导致全美河流湖泊污染的三大污染源之一[32]。在城市非点源的污染研究过程中，尤其是作为典型的非点源污染——降雨径流污染的研究中，了解不透水面的污染物累积、及冲刷特征，对于预测污染物的冲刷规律，设计和制定减少水体非点源污染源污染的方面有着重要的意义[33]。城市降雨径流污染物研究已经引起不少关注城市水体非点源污染研究的学者的重视，并且已经属于当今城市水环境非点源污染研究的热点之一。
7.2研究展望
本研究通过对城市不同道路等级的降雨径流和不同不透水面的降雨径流中重金属元素进行了监测与分析，以及通过人工实验方式分析不同道路类型与不同不透水面重金属元素的特征，从而为城市水环境的管理提供相关的研究数据。相对于国内外发达城市对于城市水环境非点源污染的研究，乌鲁木齐市关于这方面的研究数据及治理对策还相当的匮乏，相关的研究还有待继续加强。
1、城市地表径流污染受到诸多因素的影响，包括降雨强度、降雨量、降雨历时、城市土地利用类型、大气污染状况、地表清扫状况、交通量的大小及人类活动的强度等，对于降雨径流中的污染物的来源进行分析，找出一定的规律性，并进行定量化分析，建立相应的数据库，以期能够有效的控制城市的水环境污染。
2、由于经济的发展，城市不断的得到扩张，因此在城市中建立长期的实时降雨径流监控体系，尽可能取得一定数量且有效的降雨监测数据。不仅仅局限于简单分析降雨径流中理化指标的特征，更应该利用各种模型分析降雨径流中的污染物和可能带来持续影响的有机污染物等方面，为城市环境管理部门提供理论依据。
3、充分结合计算机技术、RS、RIS等相关研究、理论和方法，结合国外发达城市关于城市地表径流较为成熟的理论，建立城市水环境非点源污染模型，特别是针对一些具有代表性的城市建立城市的降雨径流污染的计算模拟模型，与城市环境管理形成统一的整体。
4、针对相关污染物的研究，建立完善有关降雨径流的评价体系，尤其是针对一些具有持久性的污染物如重金属、PAHs等的健康风险评价体系。
7.3不足和建议
本研究仅对乌鲁木齐市道路和不同不透水面中降雨径流中重金属元素的特征等方面进行了初步的静态的分析研究，受气候、人力、技术等因素的限制，对样品的采集。分析不够全面，由于数据统计并不完整对于乌鲁木齐市雨水径流中重金属元素仅采用了定性的描述和统计学上的分析，在进行城市雨水径流重金属污染特征分析的过程中，未能结合数据质变建立城市雨水径流重金属污染风险体系指标，在今后的研究工作中，在以下几个方面还有待进一步的探讨和完善：
（1）加强更多场次降雨量的监测，建立持续的降雨监测数据库，通过分析降雨径流数据建立城市地表径流降雨模型、城市地表径流污染物负荷、迁移模型，为预测城市地表径流提供有效数据。
（2）加强对非机动车道、人行道、水泥、沥青或其他不透水材料所覆盖的表面、城市草坪、林地、未利用的农田等不同类型的下垫面降雨径流污染特征研究，找出其中相关关系，并建立相应的数据模型。
（3）结合大气环境、地表灰尘等理论、方法进一步剖析城市降雨径流中污染物的来源，并针对乌鲁木齐市建立相关的降雨径流控制模型。