公路路面灰塵及其徑流重金屬污染研究

王新軍，高碩晗，姚嘉林，熊新竹，李云鵬

（交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京 100029）

0 引言

路面灰塵作為一個(gè)來(lái)源復(fù)雜、包含多種污染物的混合體，是環(huán)境中很多污染物質(zhì)的“源”與“匯”，與水體環(huán)境污染和大氣污染密切相關(guān)。研究表明，雖然道路僅占城市積水面積的20%左右，但城市道路徑流對(duì)受納水體卻產(chǎn)生了約50%的SS、30%的總碳?xì)浠衔颷1]，貢獻(xiàn)的重金屬總污染負(fù)荷達(dá)35%～75%[2]。亦有研究表明，路面灰塵對(duì)大氣中PM10總排放量的貢獻(xiàn)率約為20%～80%，對(duì)大氣顆粒物中重金屬污染的貢獻(xiàn)率則高達(dá)75%～94%[3]。可見，路面灰塵及其徑流污染對(duì)環(huán)境和人類健康構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。隨著全球城市化的推進(jìn)，路面灰塵及徑流污染已成為相關(guān)研究人員及公眾密切關(guān)注的重要問題。

目前，我國(guó)城市道路通車總里程約為35.2萬(wàn)km，而全國(guó)公路通車總里程從2001年的169.8萬(wàn)km增至2017年的477.35萬(wàn)km，其中高速公路里程突破13萬(wàn)km，農(nóng)村公路里程突破400萬(wàn)km，僅貨運(yùn)量就從2001年的105.58億t增至2017年的472.43億t，公路里程和運(yùn)輸量增長(zhǎng)迅速。頻繁的交通活動(dòng)勢(shì)必導(dǎo)致公路路面累積污染物的數(shù)量和種類急劇增加，加重路面徑流污染程度，并對(duì)公路周邊農(nóng)田、林地、河流、濕地等生態(tài)系統(tǒng)以及水源保護(hù)地、自然保護(hù)區(qū)等構(gòu)成嚴(yán)重威脅，導(dǎo)致環(huán)境污染形勢(shì)日益嚴(yán)峻。因此，關(guān)于公路路面灰塵及徑流污染的研究亟待加強(qiáng)。

目前，我國(guó)路面灰塵及徑流污染研究主要集中在大中型城市的市內(nèi)道路，而對(duì)連接城市、城鄉(xiāng)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村的公路路面灰塵及徑流污染問題研究較少。公路與城市道路之間存在著明顯差異：從周邊環(huán)境分析，城市道路主要是圍繞居住區(qū)、商業(yè)區(qū)、辦公區(qū)、學(xué)校、廠礦企業(yè)等設(shè)施建設(shè)，而公路周邊多以農(nóng)田、林地、河流、鄉(xiāng)村為主，在人口密度、土地利用類型等方面存在著巨大的環(huán)境差異；從交通量和行車速度分析，城市道路交通構(gòu)成比較復(fù)雜，一般呈現(xiàn)潮汐車流、車速慢，而公路車流量相對(duì)穩(wěn)定，車速快，同時(shí)城市道路基本不會(huì)出現(xiàn)重載交通，公路則與之相反；從維護(hù)管養(yǎng)分析，城市道路有定期的路面清掃和灑水，而公路主要以路面病害防治為主，缺乏清掃。這些差異勢(shì)必會(huì)影響公路路面灰塵的輸入、輸出以及環(huán)境效應(yīng)，從而表現(xiàn)出不同的特征。由于公路一般遠(yuǎn)離城市，其污染問題并沒有引起重視，有關(guān)公路路面灰塵污染特征還鮮有研究或報(bào)道。

為此，本文從路面灰塵重金屬污染來(lái)源、污染特征、粒徑分布特征以及路面徑流重金屬污染特征、排放規(guī)律等方面就國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)行分類綜述，對(duì)現(xiàn)有研究存在的不足以及未來(lái)研究趨勢(shì)和熱點(diǎn)加以分析，以期為加強(qiáng)路面灰塵重金屬污染與防治相關(guān)研究工作提供有益借鑒。

1 路面灰塵重金屬污染研究現(xiàn)狀

1.1 路面灰塵重金屬污染來(lái)源

路面灰塵重金屬主要來(lái)源于以大氣沉降為主的自然源和包括交通污染、工業(yè)污染和城市建設(shè)與生活等方面的人為源[4]。交通污染主要表現(xiàn)為汽車尾氣排放、輪胎和路面的老化磨損、車體自身的磨損和腐蝕、油類潤(rùn)滑劑的使用以及融雪劑的污染等方面[5-6]；工業(yè)污染主要表現(xiàn)為金屬冶煉廠、電鍍廠、軋鋼廠等金屬加工廠的廢氣排放[7]；城市建設(shè)與生活污染主要表現(xiàn)為建筑揚(yáng)塵、建筑物金屬部分的腐蝕脫落以及冬季燃煤供暖的煙氣排放等方面[8]。從元素角度分析，Mn,V,Co,Ba主要來(lái)源于自然源，Cr,Ni,Cu,Zn,Pb,Cd,Sb主要來(lái)源于人類活動(dòng)，尤其以交通污染為主[9]?？傊访婊覊m重金屬污染來(lái)源復(fù)雜。方鳳滿等對(duì)路面灰塵重金屬污染來(lái)源做了詳細(xì)的綜述[10]。

1.2 路面灰塵重金屬污染特征

路面灰塵重金屬污染是反映城市環(huán)境污染狀況的重要指標(biāo)之一，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者圍繞城市道路,按城市功能區(qū)分布開展了廣泛的研究。研究表明，受城市工業(yè)、交通活動(dòng)、城市建設(shè)等人類活動(dòng)的影響，重金屬Cr,Ni,Cu,Pb,Zn,Cd廣泛存在于城市路面灰塵中，同時(shí)Cu,Pb,Zn,Cd的污染比Cr,Ni要嚴(yán)重，而且均高出土壤背景值和城區(qū)土壤污染水平[11-14]；不同功能區(qū)之間的污染空間分異較大，重工業(yè)區(qū)污染比較嚴(yán)重，交通區(qū)重金屬含量明顯高于居民區(qū)，公園、學(xué)校及幼兒園等娛樂文教區(qū)也受到不同程度的污染。綜上所述，灰塵重金屬污染對(duì)城區(qū)生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅[14-17]。

近十幾年來(lái)，我國(guó)關(guān)于路面灰塵重金屬污染的研究主要集中在如香港、北京、上海、重慶、南京、杭州、西安、沈陽(yáng)、長(zhǎng)春、哈爾濱、烏魯木齊、寶雞等大中型城市的中心城區(qū)道路，取得了很多有價(jià)值的成果。我國(guó)部分城市路面灰塵中重金屬含量的分布情況見表1[8,13-15,17-24]。目前，鮮有關(guān)于路面灰塵中重金屬Sb的分布特征的研究。由于受城市人口規(guī)模、交通量、城市地形與氣象以及各地的土壤背景值等因素的影響，不同元素在不同城市地表灰塵中的含量差異較大。城市道路路面灰塵中重金屬Cr,Ni,Cu,Zn,Pb,Cd的含量分別為土壤背景值的 0.8～2.7倍、1.0～1.8倍、1.1～10.5倍、0.8～19.5倍、2.1～16.7倍、3.2～16.9倍，幾乎全部超過我國(guó)土壤背景值。相關(guān)結(jié)果表明，重金屬在路面灰塵中大量富集。

表1 國(guó)內(nèi)城市道路和高速公路路面灰塵重金屬含量

與城市道路相比，我國(guó)針對(duì)高速公路以及低等級(jí)公路路面灰塵污染特征的研究相對(duì)較少。隨著高速公路的快速發(fā)展，一些學(xué)者對(duì)江西、山東、湖南、吉林的幾條高速公路路面灰塵重金屬污染狀況進(jìn)行了研究[25-28]，結(jié)果見表1。高速公路路面灰塵重金屬Cr,Ni,Cu,Zn,Pb,Cd含量分別為土壤背景值的 2.6～3.7 倍、1.6～2.1 倍、1.9～10.7倍、10.3～14.2倍、3.3～27.9倍、6.8～118.5倍。與農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)相比，除Ni外，高速公路路面灰塵重金屬含量均超過了標(biāo)準(zhǔn)的最低限值，尤其是Zn超過了標(biāo)準(zhǔn)限值的1～3倍?？傮w而言，高速公路路面灰塵重金屬含量高于城市道路，潛在環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)大，高速公路路面灰塵污染亟需關(guān)注。由于人口、能源、下墊面特征、交通等因素造成的城鄉(xiāng)環(huán)境差異對(duì)街塵及其重金屬污染分布有顯著的影響，已逐漸引起研究人員的重視[31]，而對(duì)于連接城市、城鄉(xiāng)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村的不同等級(jí)公路路面的灰塵累積分布及其重金屬污染分布還鮮有研究報(bào)道。

1.3 路面灰塵及重金屬粒徑分布特征

灰塵粒徑特征在很大程度上決定了重金屬的可移動(dòng)性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者自20世紀(jì)80年代以來(lái)就開始對(duì)地表灰塵及重金屬粒徑分布規(guī)律展開了相關(guān)研究[6,32]。總體上，路面灰塵中重金屬含量隨灰塵粒徑的減小而增加，表現(xiàn)出明顯的粒級(jí)效應(yīng)，但不同元素由于其來(lái)源不同，在不同粒徑上的富集規(guī)律存在一定差異[33]。城市路面灰塵中＜250μm的顆粒物占64%以上[4,17,24]。

然而，馮美軍等對(duì)長(zhǎng)深高速公路路面灰塵研究表明，大粒徑(＞250μm)顆粒占顆粒物總量的76.23%[25]。但徐沛斌對(duì)長(zhǎng)潭西高速公路路面灰塵的研究發(fā)現(xiàn)，路面灰塵以粒徑＜300μm的小顆粒為主[34]。Wang等對(duì)吉林省6條高速公路路面灰塵粒徑分析表明，灰塵以粒徑＞250μm的大顆粒為主（占比約為50.8%～67.7%），相比于一般城市道路，高速公路路面灰塵粒徑較大[28]。高速公路不同粒徑灰塵賦存的重金屬對(duì)污染的貢獻(xiàn)率以大粒徑顆粒為主，粒徑＜250μm的顆粒貢獻(xiàn)率為45.7%[28]，而城市道路中粒徑＜250μm的顆粒貢獻(xiàn)率為80%[4]?？梢?，高速公路路面灰塵粒徑組成及重金屬污染呈現(xiàn)出與城市道路不同的污染特征。但是由于相關(guān)研究不足，有關(guān)公路路面的灰塵粒徑分布尚存在爭(zhēng)議。

路面灰塵累積、粒徑組成以及重金屬的變化不僅受晴天累積天數(shù)、土地利用類型、道路清掃方式、風(fēng)力等因素影響，同時(shí)交通流量、車速、路面條件也會(huì)產(chǎn)生重要影響[6,10,35]。根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[36]，我國(guó)將公路分為高速公路、一級(jí)公路、二級(jí)公路、三級(jí)公路和四級(jí)公路五個(gè)技術(shù)等級(jí)。不同等級(jí)公路在寬度、線形等技術(shù)指標(biāo)方面不同，同時(shí)在車流量、車型比例、車速等方面也存在顯著差異。雖然對(duì)于高速公路路面灰塵重金屬污染特征研究已有一些成果[25-28,34]，也證實(shí)了高速公路路面灰塵污染嚴(yán)重，但不同等級(jí)公路路面灰塵累積有何分布特征，粒徑組成、分布及重金屬污染程度是否存在差異，影響的關(guān)鍵因素有哪些，這些問題都有待研究回答。

2 路面灰塵重金屬?gòu)搅餍?yīng)研究現(xiàn)狀

2.1 路面徑流重金屬污染特征

20世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)城市道路路面降雨徑流污染進(jìn)行了大量的研究，包括污染物含量、影響因素、污染源及其從路面到受納水體的遷移過程、污染物對(duì)受納水體水質(zhì)的影響等方面[37,38]。研究表明，一般路面徑流主要監(jiān)測(cè)水質(zhì)指標(biāo)有：pH值以及EC,TN,TP,NH4+-N,NO3--N,TSS,COD,BOD5和重金屬（Cu,Zn和Pb）等污染物?？傮w上說(shuō)，城市道路徑流主要的污染物為TSS,COD,TN,TP。除城市道路降雨徑流污染外，隨著高速公路的快速發(fā)展，頻繁的交通活動(dòng)使其徑流污染嚴(yán)重，為此也逐漸受到關(guān)注[1,39-41]。研究認(rèn)為，路面徑流重金屬主要來(lái)源于車輛的交通耗損，而高速路的車速快，車輛磨損大于普通道路，因此在高速路徑流污染物中Pb,Cu和Zn的濃度要高于普通道路[42]；普通道路徑流污染物中COD和TSS要高于高速路，這主要由于普通道路受人類活動(dòng)影響較大的緣故[42]。

2.2 路面徑流重金屬排放規(guī)律

路面灰塵中Cr,Ni,Cu,Zn,Pb,Cd等被徑流沖刷進(jìn)入水體，造成水體重金屬污染。路面徑流重金屬污染大部分存在一定的初期效應(yīng)。它是路面徑流污染的重要特征，對(duì)非點(diǎn)源污染控制有重要的指導(dǎo)意義。徑流中的污染物隨降雨過程逐漸降低，初期徑流之后（15～30min），污染物的平均濃度比初期徑流污染物濃度降低25%～50%，徑流中Zn,Pb,Cd,Cu和Cr等重金屬的污染符合“濃度初期沖刷”規(guī)律[39]。降雨量大、初期降雨強(qiáng)度大的降雨事件，初期徑流中污染物濃度較高，之后污染物濃度逐漸降低；然而降雨量小、平均降雨強(qiáng)度小的降雨事件，對(duì)污染物沖刷不徹底，污染物濃度在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，沒有明顯變化[41]。

2.3 路面灰塵與徑流污染相關(guān)關(guān)系

降雨沖刷是灰塵地表徑流負(fù)荷產(chǎn)生的動(dòng)力和輸移條件。研究認(rèn)為，粒徑?jīng)Q定著灰塵顆粒在徑流中的可移動(dòng)性，大顆粒物很難隨徑流移動(dòng)[42]。一般降雨事件中粒徑＜100 μm的灰塵是徑流中顆粒物的最主要組成部分[43]。常靜等提出了“城市地表灰塵-降雨徑流”的系統(tǒng)概念，強(qiáng)調(diào)了不透水地面的累積和沖刷是污染物遷移轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵過程[44]。Zhao等通過對(duì)北京市街塵采樣和徑流觀測(cè)，初步估算了街塵的定量沖刷比例[31]，但是路面灰塵與徑流沖刷顆粒物之間的污染物濃度與量的關(guān)系依然有待進(jìn)一步深入研究。

3 研究展望

3.1 不同等級(jí)公路路面灰塵及重金屬污染特征研究

當(dāng)前，我國(guó)路面灰塵重金屬污染研究主要關(guān)注大中型城市的中心城區(qū)道路，至于連接城市、縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村的公路路面灰塵及其徑流污染問題尚未引起重視。由于公路與城市道路在周邊環(huán)境、交通量和行車速度、清掃方式和頻率等方面存在顯著差異，而這些差異可能對(duì)路面灰塵的累積量、粒徑組成、重金屬污染水平等方面產(chǎn)生較大的影響。為此，科學(xué)評(píng)估不同等級(jí)公路路面灰塵及重金屬污染現(xiàn)狀并掌握其特征對(duì)于污染防治至關(guān)重要。

3.2 不同等級(jí)公路路面灰塵及重金屬遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制與規(guī)律研究

目前，城市道路路面灰塵研究主要集中在灰塵的累積分布、重金屬含量、空間分布及污染評(píng)價(jià)等方面，但灰塵重金屬可以在路域“土-氣-水”界面間遷移轉(zhuǎn)化，對(duì)土壤、水體、植物、人體都會(huì)帶來(lái)潛在風(fēng)險(xiǎn)。已有研究均是建立在單一界面上，今后應(yīng)加強(qiáng)路域范圍內(nèi)灰塵及重金屬在“土-氣-水”界面間遷移轉(zhuǎn)化及規(guī)律的研究[45,46]。

3.3 重金屬的來(lái)源解析及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究

路面灰塵重金屬的來(lái)源非常復(fù)雜，目前已有研究的判源手段主要以GIS空間分析、相關(guān)性分析、主成分分析等定性描述的方法為主[6]，雖然已有學(xué)者采用同位素示蹤技術(shù)在灰塵重金屬污染源解析方面進(jìn)行了定量分析[47]，但其應(yīng)用范圍還比較狹窄。如何應(yīng)用更多的新技術(shù)對(duì)重金屬來(lái)源進(jìn)行定量分析，是今后灰塵重金屬源解析的重點(diǎn)和難點(diǎn)。此外，當(dāng)前灰塵多以人體暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)為主，但受模型參數(shù)的影響，可能在一定程度上低估潛在風(fēng)險(xiǎn)，以模擬人體吸入和消化過程為主的重金屬生物毒性與毒理研究[48]將會(huì)成為今后風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的熱點(diǎn)。

4 結(jié)論

本文從路面灰塵重金屬污染來(lái)源、污染特征、粒徑分布特征以及路面徑流重金屬污染特征、排放規(guī)律等方面，對(duì)國(guó)內(nèi)外研究狀況進(jìn)行了分析，并得出以下結(jié)論。

（1）路面灰塵交通污染源主要為汽車尾氣排放、輪胎和路面老化磨損、車體自身磨損和腐蝕、油類潤(rùn)滑劑使用等。當(dāng)前城市道路路面灰塵重金屬污染已對(duì)生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。與城市道路相比，高速公路路面灰塵重金屬含量高于城市道路，潛在環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)大，因而亟需對(duì)高速公路路面灰塵污染加以關(guān)注。

（2）路面灰塵中，重金屬含量隨灰塵粒徑的減小而增加，并表現(xiàn)出明顯的粒級(jí)效應(yīng)。高速公路路面灰塵粒徑組成及重金屬污染呈現(xiàn)出與城市道路不同的特征。不同等級(jí)公路路面灰塵累積分布特征如何，粒徑組成、分布及重金屬污染程度是否存在差異，影響的關(guān)鍵因素有哪些，這些問題都亟待研究回答。

（3）重金屬具有長(zhǎng)期性、隱匿性、不可逆性及不可降解性，而高速路徑流污染物中Pb，Cu和Zn的濃度要高于普通道路，勢(shì)必會(huì)增加重金屬污染負(fù)荷。降雨沖刷是影響路面灰塵重金屬遷移的主要驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)粒徑?jīng)Q定著灰塵顆粒在徑流中的可移動(dòng)性。由于不同等級(jí)公路路面灰塵的累積分布特征、粒徑組成等方面可能存在差異，因此開展不同等級(jí)公路路面灰塵重金屬及其徑流的重金屬污染研究，闡明公路路面灰塵及重金屬的時(shí)空累積分布特征，揭示灰塵及重金屬隨徑流遷移排放的規(guī)律，明晰重金屬來(lái)源，對(duì)污染物源頭控制和分層次治理并從環(huán)境保護(hù)的角度優(yōu)化我國(guó)公路網(wǎng)的規(guī)劃布局具有重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。