袁宏林，鄭鵬，李星宇，王曉昌

1. 西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2. 陜西省現(xiàn)代建筑設(shè)計研究院，陜西 西安 710048

西安市不同下墊面路面徑流雨水中重金屬的四季污染特征

袁宏林1，鄭鵬1，李星宇2，王曉昌1

1. 西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2. 陜西省現(xiàn)代建筑設(shè)計研究院，陜西 西安 710048

重金屬是雨水徑流中的重要污染物質(zhì)。為探究雨水徑流中重金屬的季節(jié)變化規(guī)律。地理位置因素和人為因素對重金屬含量的影響。根據(jù)西安市城區(qū)內(nèi)道路類型、路面材質(zhì)、交通量、人流量等因素選擇5個采樣點，以2013年全年的降雨樣品作為研究對象，利用電感耦合等離子質(zhì)譜儀（ICP-MS）測定雨水徑流中重金屬Cd、Zn、Fe、Mn、Al、Pb的質(zhì)量濃度。研究結(jié)果表明：Cd的質(zhì)量濃度正常，低于地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅰ類標準，受地理位置、人為活動以及季節(jié)變化的影響極小。Zn的質(zhì)量濃度正常，在地表水環(huán)境質(zhì)量標準第Ⅰ類和第Ⅱ類標準之間；與地理位置、人為活動以及季節(jié)變化沒有明顯關(guān)系。Fe的含量因地理位置不同而異，交通繁忙、商業(yè)活動較多的小寨四季雨水徑流中的Fe均較高，均為城市供水水質(zhì)標準的3倍，商業(yè)活動的影響大于車輛交通的影響，校園秋季雨水中Fe為水質(zhì)標準的2倍，其它3個季節(jié)水質(zhì)正常，濃度的影響較小，人為因素對雨水中Fe含量的有一定的影響，人流量大的區(qū)域雨水中Fe的含量相對較高。冬季燃煤對雨水中Mn的含量影響較為明顯。Mn只在冬季雨水中的含量略高于城市供水水質(zhì)標準，對環(huán)境影響很??；地理位置，人為活動，區(qū)域職能對Mn的含量均沒有明顯的影響。Al的含量在城市供水水質(zhì)標準限值內(nèi)，受人流量、區(qū)域職能、季節(jié)變化影響較小，受地理位置影響較大。Pb的含量受路面交通環(huán)境和冬季煤炭燃燒的影響較大，在車輛交通繁忙的地點，Pb的含量明顯增高；Pb的含量受季節(jié)變化影響較為明顯，冬季＞春季＞夏季＞秋季；人流量對Pb的含量影響不大；下墊面對Pb的含量影響明顯，柏油路面上的雨水徑流中Pb含量最高，石板路面上Pb的含量在其次，塑膠路面上Pb的含量最少。

徑流雨水；重金屬；四季變化；下墊面；污染特征

當城市的污廢水得到了統(tǒng)一收集、有效處理后，城市的雨水水質(zhì)污染就成為城市水環(huán)境污染的主要原因之一。降雨過程中雨水不斷的淋洗大氣中污染物質(zhì)，降落地表后又不斷沖刷地表沉積污染物，嚴重危害了城市水體。城市道路表面能夠通過汽車尾氣排放、輪胎和路面磨損以及油脂的滲漏等累積大量的懸浮顆粒、重金屬等污染物質(zhì)（Deletic和Orr，2005）。有學(xué)者研究表明，城市道路地表徑流是有毒污染物(如重金屬等)進入地表水體的重要途徑，城市道路徑流貢獻了總污染負荷中50%的懸浮固體和35%～75%的重金屬（ELLIS和REVITT，1987）。其中過量的重金屬有較大的健康隱患，微量的鎘進入機體即可通過生物放大和累計，對肺、骨、腎、肝、免疫系統(tǒng)和生殖器官等產(chǎn)生一系列損傷（黃秋嬋等，2007）；鐵和猛過量會產(chǎn)生嗅味；鋁對神經(jīng)系統(tǒng)危害較大，長期攝入的鋁可通過腦屏障，產(chǎn)生神經(jīng)慢性中毒(李增禧等，2000)；鋅入量過多可致中毒，引起嘔吐、腹瀉等胃腸道癥狀，慢性鋅中毒可有貧血等癥狀；高含量的鉛影響兒童的血鉛含量、智力和行為（郭平等，2005）。

自20世紀70年代國外先后對路面徑流的重金屬污染做了大量調(diào)查分析工作（LEE等，2002；REVITT D和MORRISlON，1987；SANSALONE等，1996；SANSALONE等，1997；BROWN和PEAKE，2006）。我國道路徑流雨水研究起步較晚，對路面徑流重金屬污染的研究也只集中在北京（李海燕等，2009）、上海（聶發(fā)輝等，2009）、天津（李倩倩等，2011）幾個城市。北京市路面徑流雨水中主要含有Pb、Zn、Al、Fe、Cu等重金屬，Pb、Zn的含量分別達到50～770 μg·L-1、150～1340 μg·L-1，汽車保有量較大是導(dǎo)致道路徑流水質(zhì)中Pb含量較高的主要原因（李海燕等，2009；侯培強等，2012；郭婧等，2011）；上海市路面徑流雨水中含有較多的Pb、Zn、Mn、Cd等重金屬，其濃度分別為0.29、

60.2、11.1、1.22 μg·L-1，且主要以顆粒吸附態(tài)形式存在，其中顆粒吸附態(tài)的鉛含量最高（聶發(fā)輝等，2009）；天津市路面徑流雨水中Fe、Cr、Cd的平均濃度分別為387～586 μg·L-1、61～94 μg·L-1、7～12 μg·L-1，且具有明顯的徑流初期沖洗效應(yīng)（李倩倩等，2011）。西北地區(qū)的研究相對少，西安做為西部地區(qū)的樞紐，無論是氣候環(huán)境、市政建設(shè)，還是道路使用養(yǎng)護狀況，都與東部地區(qū)的城市有很大區(qū)別，因此有必要對西安雨水徑流中重金屬的含量特征做具體的研究。

由于西安市城區(qū)路面狀況比較復(fù)雜，可能影響雨水徑流中重金屬含量的因素比較多，因此，本文選擇西安市城區(qū)內(nèi)道路類型、路面材質(zhì)、交通量、人流量不同的5個采樣點代表西安市的路面狀況，針對雨水徑流中6種重金屬Cd、Zn、Fe、Mn、Al、Pb進行為期一年的檢測，評價徑流雨水的水質(zhì)，分析地理位置因素、人為因素、季節(jié)變化對雨水徑流中重金屬含量的影響，并著重探究雨水下墊面對Pb的質(zhì)量濃度的影響。以期用大量充分的監(jiān)測數(shù)據(jù)為城市水環(huán)境綜合治理和決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 實驗方案

1.1采樣點布置

為全面的研究西安城區(qū)路面徑流雨水中重金屬的特征情況，本文根據(jù)西安城區(qū)現(xiàn)在的格局、下墊面情況、城市交通特點、不同功能區(qū)等特征選取了5個典型區(qū)域進行采樣，采樣點遍布西安城區(qū)。采樣點情況如表1所示，基本可以覆蓋西安市的路面現(xiàn)狀。

1.2采樣時間及方法

本研究采集了西安市2013全年共計20次降雨，共計260個樣品。采樣過程嚴格執(zhí)行國標GB135802-1992《大氣降水樣品的采集與保存》。采樣前將500 mL采樣瓶放在體積分數(shù)為10%的硝酸溶液中浸泡24 h，再用超純水沖洗3次，調(diào)節(jié)pH至7～8，晾干，常溫下保存于干凈的柜子中。每次降水徑流產(chǎn)生后，及時將采樣瓶放置在采樣處，采集瞬時水流采集樣品，濾去雨水中漂浮物。

1.3樣品預(yù)處理

取降水樣用孔徑為0.22 μm的濾頭過濾，用過濾后的水樣先潤洗2遍存放水樣的10 mL離心管，潤洗完畢后，在離心管中滴加2 mL的過濾水樣。再滴加0.1 mL優(yōu)級純硝酸于10 mL離心管中（ICP-MS操作手冊要求樣品中有體積分數(shù)為1%的稀硝酸）。最后用超純水（電阻率＜18.25兆歐）將水樣定容到10 mL。

1.4分析方法

實驗采用ELAN DRC-e型電感耦合等離子質(zhì)譜儀（ICP-MS）對徑流雨水中重金屬Cd、Fe、Al、Zn、Mn、Pb進行定量分析。檢測限可以達到0.1 ng·L-1。實驗用的6種重金屬標準樣品得到國家標準物質(zhì)中心的認證，濃度均為1 mg·mL-1。實驗時將標準樣品用超純水配置成濃度梯度為0、20、40、60、80、100 μg·L-1的混合標準曲線，通過儀器的測定各個重金屬的標準曲線線性相關(guān)系數(shù)均大于0.999，準確性較好。

表1 采樣點的情況Table 1 The situation of sampling point

2 測定結(jié)果與討論

2.1徑流中重金屬的水質(zhì)評價及其變化規(guī)律

其中雨水樣品中Cd的質(zhì)量濃度范圍為0.01～0.25 μg·L-1（圖1），各點的平均值都在0.1 μg·L-1以下，《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》GB3838-2002中Ⅰ類標準為1 μg·L-1以下，Cd的質(zhì)量濃度變化規(guī)律大致為夏秋略大于冬春。城市運動公園的Cd含量最小，可能是因為公園受外界條件影響相對較小。Cd受地理位置、人為活動以及季節(jié)變化的影響極小。Cd的含量低于Ⅰ類標準，說明西安地區(qū)雨水徑流中Cd的受到污染較少。

在《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》GB3838-2002中Ⅰ類標準（50 μg·L-1以下）和Ⅱ類標準（1000 μg·L-1）之間，雨水徑流中Zn的質(zhì)量濃度范圍為39.66～277.83 μg·L-1（圖2），質(zhì)量濃度正常。雨水徑流中Zn的含量與地理位置、人為活動、季節(jié)變化均沒有明顯關(guān)系。

《城市供水水質(zhì)標準》（CJ/T206─2005）中規(guī)定Fe的質(zhì)量濃度應(yīng)該低于300 μg·L-1。但小寨的Fe質(zhì)量濃度在一年的濃度范圍為914.16～1016.6 μg·L-1（圖3），超過該標準限值的3倍?？赡苁且驗樾≌荒晁募窘煌ǚ泵Γ虡I(yè)活動較多。西建大的雨水徑流中Fe的濃度在春季、夏季、冬季均正常，但是在秋季明顯增多，達到689.71 μg·L-1，超

過標準限值的2倍，可能是秋季新生入學(xué)，人為因素導(dǎo)致Fe的質(zhì)量濃度增大。城市運動公園在夏季雨水徑流中Fe的含量達到589.27 μg·L-1，將近標準限值的2倍，其余季節(jié)Fe的質(zhì)量濃度正常，可能是因為在夏季公園人流量較大，雨水徑流中Fe的含量會受到人為因素的影響。土門停車場和堡子村的Fe指標正常，一年四季變化很小而且沒有明顯規(guī)律。上述說明季節(jié)因素對雨水徑流中鐵的影響較小，人為活動對Fe含量的影響較大。相關(guān)的研究也表明道路徑流雨水水質(zhì)受到商業(yè)活動，人為活動的影響（甘華陽等，2006），與本實驗較為吻合。

圖1 雨水徑流中Cd的質(zhì)量濃度分布Fig. 1 The distribution of the content of cadmium in storm runoff

圖2 雨水徑流中Zn的質(zhì)量濃度分布Fig. 2 The distribution of the content of zinc in storm runoff

圖3 雨水徑流中Fe的質(zhì)量濃度分布Fig. 3 The distribution of the content of Iron in storm runoff

圖4 雨水徑流中Mn的質(zhì)量濃度分布Fig. 4 The distribution of the content of manganese in storm runoff

《城市供水水質(zhì)標準》（CJ/T206─2005）中規(guī)定Mn的含量不超過100 μg·L-1。雨水徑流中Mn的含量明顯受到季節(jié)的影響，在冬季最高，范圍在112.88～881.84 μg·L-1，在春季最低，范圍在7.34～24.62 μg·L-1，夏季和秋季的Mn含量介于春冬2季之間，范圍在31.5～171.14 μg·L-1（圖4）。冬季最高可能與冬季燃煤中含有較多的Mn有關(guān)。這與貴陽市冬季大氣降水Mn的含量變化特征一致（胡健等，2005）。Mn含量與地理位置的關(guān)系不明顯。在冬季，雨水徑流中Mn的含量略高于標準限度，總的來說，雨水徑流中的Mn含量對環(huán)境影響很小。

每個采樣點處徑流雨水中Al季節(jié)性變化較小，從67.12～189.98 μg·L-1，《城市供水水質(zhì)標準》（CJ/T206─2005）中規(guī)定Al不得超過200 μg·L-1，說明雨水徑流中鋁質(zhì)量濃度正常。在小寨和土門停車場一年四季Al的質(zhì)量濃度較高，在西建大和堡子村的含量較低。各個采樣點的Al含量與季節(jié)關(guān)系較小，與地理位置關(guān)系較大。

2.2重金屬Pb與下墊面特征的關(guān)系

本研究根據(jù)下墊面成份組成分為柏油馬路、塑膠、石板路面3種情況。如表1所示，柏油路為城市的主干道，車流量很大；塑膠路面在不允許車輛進出的公園；石板路在大學(xué)校園內(nèi)，很少有車輛通行；自然降雨在建大高層公寓屋頂接取，屋頂平時人為活動稀少，測定結(jié)果見圖5～圖8。

從圖中可以看出，重金屬Pb在所有采樣點的測定中，車流量大的小寨、堡子村在一年中都保持在高濃度值范圍，夏秋冬3季的值均在8 μg·L-1以上，最高值達到15.91 μg·L-1，《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》GB3838-2002中Pb的Ⅱ類標準為10 μg·L-1，小寨和堡子村的雨水中Pb的含量值高于Ⅱ類標準。夏季時小寨Pb的含量高達自然降雨的26倍，堡子

村也超過自然降雨23倍。這說明Pb與路面交通狀況有直接關(guān)系，即車輛在行駛中的尾氣排放及輪胎與路面的摩擦對徑流雨水中的Pb含量會產(chǎn)生重要影響。相關(guān)研究實驗結(jié)果也說明了汽車尾氣排放的Pb對雨水徑流中Pb有重要的貢獻（胡健等，2005）。小寨、堡子村的車流量較大，所測定的Pb含量較其他地方要高，最少的是車流量較少的城運公園和校園，說明機動車流量是造成路面徑流雨水中含有Pb的主要原因。

圖5 Al的質(zhì)量濃度分布Fig. 5 The distribution of the content of aluminum in storm runoff

圖6 春季徑流雨水中Pb的含量Fig. 6 Pb content of rainwater runoff in spring

圖7 夏季徑流雨水中Pb的含量Fig. 7 Pb content of rainwater runoff in summer

圖8 秋季徑流雨水中Pb的含量Fig. 8 Pb content of rainwater runoff in autumn

圖9 冬季徑流雨水中Pb的含量Fig. 9 Pb content of rainwater runoff in winter

本研究顯示季節(jié)的變化對Pb也有影響（圖9），冬季＞春季＞夏季＞秋季。這因為西安冬季為采暖期，煤炭燃燒產(chǎn)生的廢氣中含有Pb，成為降雨徑流污染的一個主要來源。有報道，煤炭燃燒灰中鉛約占20%，其中約1/3灰分排入大氣中，形成飄塵。同時，冬季風(fēng)少，霧霾頻發(fā)，重金屬顆粒積累，以及冬季人們選擇汽車出行較多也與冬季Pb含量存在一定的關(guān)系。

3 結(jié)論

（1）一年四季中，雨水中Cd和Zn受外界環(huán)境的影響較小，質(zhì)量濃度均很低；Al只受到地理位置的影響，雨水徑流中Cd、Zn、Al的質(zhì)量濃度均正常，對環(huán)境沒有污染。

（2）商業(yè)活動，道路交通對雨水中Fe含量的影響較大，人為活動對Fe含量的影響次之。冬季燃燒煤炭對雨水徑流中的Mn和Pb均有影響。燃煤是Mn含量增高的最重要的因素。

（3）大量的交通運輸會增加雨水徑流中Pb的含量。建議推廣無鉛汽油的使用可以減少城市雨水徑流中鉛金屬的含量。Pb的含量受季節(jié)變化影響較為明顯，冬季＞春季＞夏季＞秋季；下墊面對Pb的含量影響明顯，柏油路面上的雨水徑流中Pb含量最高，石板路面上Pb的含量在其次，塑膠路面上Pb的含量最少。

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Heavy Metals Pollution of Seasonal Variation Runoff in Xi'an

YUAN Honglin1, ZHENG Peng1, LI Xingyu2, WANG Xiaochang1
1. Xi’an University of Architecture and Technology Environmental and Municipal Engineering College, Xi’an 710055, China

Heavy metals are important pollutants in storm water runoff. To explore the rule of seasonal change of heavy metals in storm runoff and how the location factors and human factors affect heavy metal content. Depending an the type of Xi’ an urban road traffic capacity, traffic and other factors, choose five sampling point. In 2013, take the year’s rainfall samples as the research object, using inductively couples plasma mass spectrometry(ICP-MS) to measure concentration of Cd, Zn, Fe, Mn, Al, Pb in storm water runoff. The results show that the quality of the Cd concentration is normal below the surface water environment quality first class standard, the geographical position, the influence of human activities and the change of seasons. The quality of the zinc concentration is normal, between the the first class and the second class of surface water environment quality standard and had no relation with the geographical location, human activities and the change of seasons. The content of Fe varied from different geographical position. The content of Fe in storm water of the Small Village in four seasons is three times as much as the urban water quality standard. The influence of the commercial activity is greater than the influence of vehicle transportation, The content of Fe in the runoff of campus in autumn is twice of the quality standard, the other three seasons water quality is normal,. The factors affecting the concentration is small. Human factors have a certain influence on content of Fe. The content of Fe is relatively higher in where there is a lot of people. Winter coal-fired impacts on the water content of Mn in evident, Mn content in the winter rain only slightly higher than that of urban water and has little impact on the environment. Geographical location, human activities, regional function have no obvious effect on the content of Mn. The content of Al is less than urban water supply water quality standards limit, rarely affected by traffic, regional function and seasonal change, greatly influenced by geographical location. The content of Pb is affected by the road traffic environment and winter coal combustion is large. At the vehicle traffic location, Pb content increased obvious; The content of Pb affected by seasonal change is obvious, winter＞spring＞summer＞autumn; Traffic has little effect on the content of Pb; Traffic has little effect on the content of Pb, The underlying surface has great effect on the content of Pb. The content of Pb in the runoff on the asphait is the highest, the content of Pb in the runoff on the surface of the stone pavement is the second, the content of Pb in the runoff on the plastic pavement is the least.

runoff rainwater; heavy metals; change in seasons; underlying surface; pollution characteristics

X824

A

1674-5906（2014）07-1170-05

國家水體污染控制與治理科技重大專項子課題（2009ZX07318-008-004）

袁宏林（1965年生），男，教授，博士，從事水體污染控制技術(shù)與理論研究，E-mail: hlyuan@xauat.edu.cn

2014-03-15

袁宏林，鄭鵬，李星宇，王曉昌. 西安市不同下墊面路面徑流雨水中重金屬的四季污染特征[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2014, 23(7): 1170-1174.

YUAN Honglin, ZHENG Peng, LI Xingyu, WANG Xiaochang. Heavy Metals Pollution of Seasonal Variation Runoff in Xi'an [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(7): 1170-1174.