汪易坤

（烏魯木齊生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站 新疆烏魯木齊 830000）

引言

基于廣義角度分析，地表徑流屬于城市面源污染的主要來源之一，其攜帶的污染物包括各類營養(yǎng)鹽、重金屬及沉積在地面的有機物，均會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染[1]。在眾多污染物中，重金屬對生態(tài)環(huán)境、水生態(tài)系統(tǒng)存在潛在威脅，若含有重金屬的水未經(jīng)處理被人類飲用，會引發(fā)各種疾病，嚴(yán)重的情況下還會致癌[2]。

經(jīng)過眾多學(xué)者的研究可知，重金屬指的是原子量超過55 的各類金屬，有45 種，包括鐵（Fe）、鋅（Zn）、錳（Mn）、鎳（Ni）、鎢（W）等，多數(shù)為過渡元素[3]。其中，部分重金屬能夠為人們的生命活動提供所需的微量元素，如鋅、銅（Cu）、鐵等，但大多數(shù)重金屬并不是生命活動必需的，超過一定濃度會對人體產(chǎn)生嚴(yán)重危害[4]。重金屬具有不可逆性、持久性與隱匿性，通常情況下，地表徑流來源于降雨對地表沉積物的沖刷，是地表徑流重金屬污染物超負(fù)荷產(chǎn)生的動力。并且在當(dāng)前城市化進程加快發(fā)展的背景下，部分城市環(huán)境及市政管網(wǎng)建設(shè)仍然存在滯后問題，城市不透水路面未得到改善，對地表徑流重金屬污染物的沖刷與累積具有較大影響。部分地表徑流重金屬進入城市受納水體，對該城市用水環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞[5]。

為了改善地表徑流重金屬污染問題，優(yōu)化城市水環(huán)境，保護水生態(tài)環(huán)境，本文以新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市為例，開展了地表徑流中重金屬污染特征的全方位深入研究，獲取重金屬污染特征、分布規(guī)律及遷移轉(zhuǎn)化過程，為治理地表水體污染作出貢獻。

1 研究區(qū)概況

以烏魯木齊市作為此次地表徑流重金屬污染特征分析的研究區(qū)。烏魯木齊市屬于新疆維吾爾自治區(qū)的首府，是金融與交通中心，也是重要的通信樞紐。烏魯木齊市的地理環(huán)境概況如表1 所示，其地形地貌與氣候環(huán)境概況如表2 所示。

表1 烏魯木齊市地理環(huán)境概況

表2 烏魯木齊市地形地貌與氣候環(huán)境概況

烏魯木齊市地表水資源由冰川融水、地下徑流、地表徑流等各種不同形態(tài)的水資源共同組成，水質(zhì)較好，具有良好的地下水儲存環(huán)境[6]。烏魯木齊市的核心區(qū)分布19 條主要交通干道，均采用雨污分流排水系統(tǒng)，在降雨時雨水徑流匯入雨水管道，即可快速將雨水排入附近的受納水體中。因此在掌握烏魯木齊市各項概況信息后，有助于對其地表徑流中重金屬的污染特征作出全方位的分析研究。

2 地表沉積物監(jiān)測點位布設(shè)

為了后續(xù)更好地對烏魯木齊市地表徑流中重金屬污染特征作出分析，本次研究率先在烏魯木齊市各個功能區(qū)選取交通道路，作為地表沉積物的主要監(jiān)測點位，監(jiān)測地表沉積物的動態(tài)變化。地表沉積物監(jiān)測點位布設(shè)情況如表3 所示。按照表3 所選取的功能區(qū)，布設(shè)監(jiān)測點位，用于監(jiān)測與分析地表沉積物與降雨過程之間的相應(yīng)關(guān)系。

表3 地表沉積物監(jiān)測點位布設(shè)說明

3 地表徑流樣品采集

于烏魯木齊市地表沉積物監(jiān)測點位布設(shè)完畢后，采集地表徑流樣品。設(shè)定徑流樣品采集時間間隔為5min，在徑流形成后，每隔5min 采集一次樣品，將徑流樣品放置在500mL 酸洗過的聚乙烯瓶中[7]。然后，將采集到的徑流樣品送至實驗室，對其進行預(yù)處理與分析，并利用翻斗式雨量站，實時監(jiān)測徑流樣品采集區(qū)域的降雨特征。翻斗式雨量站的監(jiān)測時間間隔為1min，其監(jiān)測分辨率為0.2mm。

表4 為本次研究監(jiān)測采集到的烏魯木齊市地表徑流樣本量與降雨特征數(shù)據(jù)，通過實驗室對其進行預(yù)處理。將地表徑流樣品在烘箱內(nèi)干燥5d后，對其進行了濁度分析、重金屬分析與表觀形態(tài)分析。針對粗粒徑組分的地表徑流樣品來說，本次研究認(rèn)為，首先應(yīng)當(dāng)在重金屬分析測試前，對其進行碾壓打磨處理，清潔打磨樣品表面的不銹鋼，使樣品的重金屬能夠消解得更加徹底；接著稱取0.2g 地表徑流樣品，將其放于微波消解罐內(nèi)，加入少量純水潤濕地表徑流樣品，并沿著微波消解罐壁加入5mL 的濃鹽酸，搖勻后放置在電熱板上；將電熱板的運行溫度設(shè)定為120℃，加熱3min 后加入10mL 濃硝酸，使徑流樣品與酸充分混合[8]；然后把混合后的樣品放入微波消解儀，每組樣品的微波消解時間一致，均不超過20min；消解結(jié)束后，擰下消解罐蓋子，冷卻至室溫后用純水洗滌，移入容量瓶；最后利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，測定并記錄樣品溶液中重金屬元素的濃度。通過實驗分析可知，烏魯木齊市地表徑流樣品中幾乎全部顆粒的粒徑低于150μm，且大多數(shù)低于38.5μm。

表4 地表徑流采集樣本量與降雨特征數(shù)據(jù)

4 地表徑流中重金屬的污染特征分析

4.1 地表徑流重金屬形態(tài)分布特征

烏魯木齊市受降雨影響，地表徑流重金屬污染主要由2 種方式形成，即①吸附在細(xì)粒徑沉積物上的重金屬，受到雨水沖刷后，裹挾進入地表粒徑，形成顆粒態(tài)的重金屬污染；②地表沉積物表面吸附重金屬，受到雨水的溶蝕作用，不斷溶解，經(jīng)過釋放后進入地表粒徑，形成溶解態(tài)的重金屬污染[9]。2 種不同形態(tài)的重金屬污染所對應(yīng)的重金屬濃度存在較大差異，檢出限也不同。針對溶解態(tài)的重金屬污染來說，徑流樣品中重金屬濃度相對較低，多數(shù)情況下低于檢出限，其中約60%的徑流樣品中溶解態(tài)Ni、鉛（Pb）與鉻（Cr）濃度會低于檢出限，少量溶解態(tài)Cu、Zn 濃度會高于檢出限。

4.2 地表徑流重金屬濃度水平特征

圖1 為烏魯木齊市地表徑流重金屬元素濃度示意圖，從圖中可知， 硒（Se）、 鉬（Mo）、鈦（Ti）、銀（Ag） 濃度含量均低于背景值，按照程度分類，能夠反映重金屬元素受人為行動影響大小。在此基礎(chǔ)上，可將重金屬元素的變異系數(shù)劃分為3 類，即①變異系數(shù)＜0.1，此時為重金屬元素弱變異；②0.1＜變異系數(shù)＜1，此時為重金屬元素中度變異；③變異系數(shù)＜1，此時為重金屬元素強變異[10]。

圖1 地表徑流重金屬元素濃度

烏魯木齊市地表徑流重金屬含量值特征數(shù)據(jù)如表5所示。通過表5可知，受到空間分布的影響，不同點位的重金屬含量存在較大差距，其中強變異重金屬包括5 種，分別為Cr、Ni、Mo、Ag、Ti，變異系數(shù)值越高，說明該片地表徑流受到外界重金屬污染的程度越高；中度變異重金屬包括9 種，分別為釩（V）、Mn、鈷（Co） 、Cu、Zn、砷（As）、Se、鋇（Ba）、Pb，此類重金屬元素離散的程度相對較低，在空間分布上較為均勻，受到外界重金屬污染的程度較小。因此，烏魯木齊市地表徑流中未發(fā)現(xiàn)弱變異重金屬元素。

表5 烏魯木齊市地表徑流重金屬含量特征

4.3 重金屬元素空間分布特征

經(jīng)過上述研究，根據(jù)各種重金屬元素的含量，對重金屬的空間分布特征作出分析。①Ba在烏魯木齊市地域分布中兩極分化嚴(yán)重，在東南部地區(qū)的含量明顯高于東北部地區(qū)，濃度含量平均值呈現(xiàn)階梯狀分布。含量聚集點為烏魯木齊市中心部位，其余地方含量較小，且存在濃度值低于平均濃度的情況。經(jīng)分析可知，Ba 濃度含量較高的區(qū)域在烏魯木齊市省道附近，造成其濃度較高的主要原因在于途經(jīng)車輛排放的大量尾氣。②Ag、Co、Mn、Cr 元素在空間分布上，極少區(qū)域的濃度值接近平均值，元素濃度聚集區(qū)域為水庫附近，主要原因是受到人類生產(chǎn)活動影響，生產(chǎn)活動產(chǎn)生的垃圾造成了重金屬污染。③Cu、Zn 元素在空間分布上，整體分布較為均勻，大部分元素的濃度值在平均濃度值附近。元素濃度聚集區(qū)域為銅鋅礦附近，造成Cu 元素濃度含量較高的主要原因在于土壤自身背景值以及礦石開采產(chǎn)生的重金屬。④Mo 元素主要分布在鄉(xiāng)道附近，周邊多為林地土壤，受到行駛車輛尾氣排放及生活污染的影響，產(chǎn)生了大量的Mo 重金屬元素，在空間分布上，多為點狀分布特征。⑤Ni、Pb 元素主要分布在國道附近，受到車輛尾氣排放及周邊農(nóng)田土壤用水灌溉影響，產(chǎn)生沉積物。此種重金屬元素分布較為規(guī)律，大部分區(qū)域的濃度含量值在平均值以下。⑥Se、Ti、V、As 元素多數(shù)分布在農(nóng)田土壤中，受到農(nóng)業(yè)種植活動影響，產(chǎn)生沉積物附著在地表徑流中，分布范圍廣泛，整體分布濃度均勻。綜上，獲取地表徑流中重金屬元素在烏魯木齊市空間分布的特征。

4.4 重金屬污染空間變異特征

將Zn、Ni、Cu、Pb、Cr 設(shè)定為聚類因子，對烏魯木齊市不同功能區(qū)道路降雨徑流作出聚類分析。通過聚類分析結(jié)果可知，對于Zn、Ni、Cu、Pb、Cr 這5 種重金屬元素來說，不同功能區(qū)對應(yīng)的空間變異特征不同。其一，Cu、Zn、Pb 在烏魯木齊市工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用，能夠用于加工生產(chǎn)電纜。在電纜生產(chǎn)加工過程中，會產(chǎn)生大量的氣體與塵埃，容易對周邊的環(huán)境造成不良影響，再加上工業(yè)生產(chǎn)中汽車運輸活動較為頻繁，導(dǎo)致Cu、Zn、Pb 這3 種重金屬元素的濃度含量值大幅度增長，造成工業(yè)區(qū)地表徑流重金屬污染程度較重。其二，針對商業(yè)區(qū)來說，Zn、Ni、Cu、Pb、Cr 的最大值分別達(dá)到了75.8μg/L-1、296.7μg/L-1、105.8μg/L-1、128.9μg/L-1、106.7μg/L-1，地表徑流重金屬污染程度也較高，主要原因在于商業(yè)區(qū)中會定期舉辦商業(yè)活動，人流量與車流量上漲，汽車尾氣排放量增加，且商業(yè)活動結(jié)束后，部分商家將產(chǎn)生的垃圾傾倒在馬路上，受到雨水的侵蝕，會隨著雨水一起混入到徑流內(nèi)，進而導(dǎo)致商業(yè)區(qū)重金屬濃度含量較高。其三，針對居民區(qū)來說，Zn、Ni、Cu、Pb、Cr的最大值分別達(dá)到了65.3μg/L-1、211.5μg/L-1、49.4μg/L-1、73.5μg/L-1、58.2μg/L-1，相對來說重金屬污染程度較低。其四，針對五金區(qū)與建材區(qū)來說，Zn、Ni、Cu、Pb、Cr 的濃度含量均高于居民區(qū)，低于工業(yè)區(qū)與商業(yè)區(qū)，重金屬污染程度中等，造成重金屬污染的主要原因在于家具、地磚、五金部件生產(chǎn)加工過程中會產(chǎn)生粉塵，附著在地表后，隨著降雨混入徑流。其五，風(fēng)景區(qū)與居民區(qū)的重金屬污染程度接近，人流量與車流量均較小，生活垃圾均得到了及時清掃與運輸，因此重金屬污染程度較輕。通過上述分析可知，在重金屬污染空間變異方面，工業(yè)區(qū)的重金屬污染程度最高，其次是商業(yè)區(qū)、五金區(qū)、建材區(qū)、風(fēng)景區(qū)與居民區(qū)。

結(jié)語

綜上所述，地表徑流給城市發(fā)展帶來了不同程度的重金屬面源污染問題，為改善這一問題，本次研究以烏魯木齊市為例，開展了地表徑流中重金屬污染特征的全方位深入研究。通過研究可知，地表徑流中重金屬負(fù)載特性存在一定的差異性，受到降雨間隔期的影響，地表沉積物量不同。降雨間隔期越長，地表沉積物量越大，地表徑流負(fù)載重金屬負(fù)荷越高，反之同理。大量地面顆粒物的沉積，會增加地表徑流重金屬污染的風(fēng)險，提高重金屬的毒性與污染性。由此可知，控制地表徑流重金屬污染的關(guān)鍵在于及時清除降雨后地表的沉積物，結(jié)合重金屬污染強度的粒徑效應(yīng)，采取相應(yīng)的重金屬面源污染控制措施，保護生態(tài)環(huán)境與水生態(tài)系統(tǒng)。