城市地表灰塵—降雨徑流系統(tǒng)污染物遷移過程與環(huán)境效應.pdf

1、城市作為一個受人類活動影響的地域綜合體，其自然地理過程、機制與范式等極為復雜，是人地關(guān)系演變新階段的重要表現(xiàn)，也是當前自然地理學與全球變化研究的典型區(qū)域，倍受人們關(guān)注。有關(guān)城市環(huán)境問題的研究已成為當前多學科聯(lián)合攻關(guān)研究的核心問題之一。IHDP(全球環(huán)境變化人文因素計劃)于2004年提出了兩項新的IGBP-IHDP聯(lián)合研究計劃，其中之一即為“城市化與全球環(huán)境變化(Urbanizaion and Global Environmental C

2、hange)”。 城市第二自然地理格局的出現(xiàn)使不透水地面成為下墊面格局的主要單元和影響物質(zhì)循環(huán)的重要因素，越來越多的地理學者開始思考有關(guān)“城市自然地理學”的議題。近年來，本課題組已就城市自然地理系統(tǒng)的主要物質(zhì)循環(huán)和環(huán)境過程進行了一系列初步的、探索性的理論和實證研究，取得了諸多可借鑒的成果。論文在前人及原有研究成果的基礎上，嘗試進一步從物質(zhì)循環(huán)的角度，對城市自然要素開展系統(tǒng)性研究，豐富自然地理學內(nèi)容，探討城市自然地理研究方法學，為

3、城市自然地理與全球變化區(qū)域響應提供實證。 物質(zhì)尤其是污染物質(zhì)在城市環(huán)境系統(tǒng)多介質(zhì)、多界面的循環(huán)是城市自然地理過程研究的關(guān)鍵切入點。論文以上海中心城區(qū)為例，從多介質(zhì)的角度開展典型污染物(營養(yǎng)鹽、重金屬)在城市地表灰塵．降雨徑流系統(tǒng)內(nèi)的時空格局、遷移過程與環(huán)境效應研究，重點探討了以不透水地面為特征的城市地表環(huán)境對污染物遷移轉(zhuǎn)化的影響與控制，初步建立了城市“第二自然格局”背景下的物質(zhì)循環(huán)研究框架。論文主要認識與結(jié)論如下： (1

4、)初步建立了污染物在以“不透水地面”為主要特征的城市地表環(huán)境系統(tǒng)遷移循環(huán)模式。提出了“城市地表灰塵一降雨徑流”的系統(tǒng)概念，認為城市匯水域(Urban Catchment)是物質(zhì)循環(huán)的基本單元，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，顆粒物是影響污染物整個遷移過程的主要因子。 (2)研究了城市地表灰塵負荷量及其污染物的時空分布特征，發(fā)現(xiàn)上海地表灰塵累積量無明顯的季節(jié)性變化，與國內(nèi)外研究比較屬于中等水平。地表灰塵重金屬含量

5、在國內(nèi)城市中較高，顯示出冬春季節(jié)較高，夏秋季節(jié)較低的特征。 (3)研究了城市地表灰塵污染粒級效應及其生物有效性。發(fā)現(xiàn)地表灰塵污染物粒級效應顯著，低于75μm是其主要的污染粒徑級別，重金屬粒級效應順序為Cr>Pb>Cd>Zn>Ni>Cu。通過地表灰塵重金屬賦存形態(tài)研究表明，Zn、Cd和Ni主要以碳酸鹽結(jié)合態(tài)存在，Pb主要為鐵錳氧化物結(jié)合態(tài),Cu主要為有機結(jié)合態(tài)存在，Cr主要以殘渣態(tài)存在，地表灰塵重金屬非穩(wěn)定形態(tài)含量由大到小順序依次

6、為Zn>Pb>Ni>Cd>Cu>Cr。 (4)研究了地表灰塵污染物累積過程的輸入．輸出機制。發(fā)現(xiàn)地表灰塵對大氣環(huán)境污染的貢獻率不可忽視，低于75μm粒徑級別顆粒物是地表灰塵與大氣懸浮物進行物質(zhì)交換的主要來源，應用美國EPA道路顆粒物排放因子方法，計算出上海城市地表灰塵對PM2.5、PM10和TSP的排放因子為0.99、7.64和9.17 g/VKT，排放量分別為1.7、13.1和69.6萬噸/年。 (5)在國內(nèi)首先開展了

7、地表污染物累積過程的實證研究。揭示了土地利用類型和道路交通行為是影響地表灰塵大氣環(huán)境“源．匯”效應的重要因素。在高交通流量地區(qū)，地表灰塵重金屬表現(xiàn)出對大氣懸浮顆粒物的“源”效應，而交通流量相對較低的區(qū)域則顯示出其對大氣懸浮物的“匯”效應。對地表污染物累積過程研究表明，隨著無雨期天數(shù)增加，地表灰塵負荷量總體上表現(xiàn)出增大趨勢，顆粒物粒徑逐漸增大；持續(xù)時間長、雨強較大的降雨對顆粒物和污染物負荷有明顯的削減作用；重金屬負荷累積過程符合S型增長曲

8、線。 (6)對污染物徑流沖刷過程研究表明，徑流粒徑曲線多呈雙峰或多峰分布。降雨類型是影響污染物沖刷過程的重要因素。不同土地利用類型沖刷過程研究表明，Zn和Cu，Pb和Cd，Cr和Ni在EMC值空間分異特征上都顯示出了較明顯的一致性。不同降雨事件沖刷過程研究表明，zn，Pb和Cu表現(xiàn)出了相似的環(huán)境行為，Cd與其相差不大，Cr和Ni也比較相似，認為這種比較固定的組合特征在一定程度上反映出了重金屬來源和環(huán)境行為的相似性。 (7

9、)提出了初始沖刷效應的定量表征方法，發(fā)現(xiàn)上海城市徑流初始沖刷屬于中等強度，強度指數(shù)b值在0.185～0.896之間。重金屬總量初始沖刷強度順序為Ni>Pb>Zn>Cd>Cu>Cr，溶解態(tài)重金屬初始沖刷強度不明顯。最大雨強及出現(xiàn)時間是影響污染物初始沖刷強度的重要因素。 (8)提出徑流水體“固-液”界面過程的重要性，認為“固-液”界面過程對于污染物在徑流水體中存在相態(tài)的改變和量的時空分布具有重要影響。徑流沖刷過程中，顆粒物是控制污染

10、物遷移轉(zhuǎn)化的重要因素，重金屬Zn、Pb和Cu與顆粒物相關(guān)性最大，Cd和Cr相關(guān)性依次降低，Ni不顯著相關(guān)。在溶解態(tài)重金屬含量比值的空間分異上，Pb和Cu，Ni和Cr，Zn和Cd各表現(xiàn)出相似的分布趨勢。重金屬分配系數(shù)從大到小依次為Pb>Cd>Zn>Ni>Cu>Cr。 (9)污染物“地表灰塵一降雨徑流”多介質(zhì)系統(tǒng)分配特征研究表明，上海城市大氣濕沉降對徑流污染的貢獻不可忽視，雨水中重金屬Zn濃度達到了國外研究的上限值，值得關(guān)注。對地表

11、灰塵和徑流水體重金屬含量因子分析表明，由于干濕沉降過程影響，徑流水體的因子分析對重金屬來源解釋得更全面，而地表灰塵因子分析則要相對散亂，更多反映了其污染物粒級效應的相關(guān)。徑流水體因子分析中，Pb、Zn和Cu明顯聚為一類，Cd處于外圍，Cr和Ni則距離較遠。排水系統(tǒng)特征是影響污染物在雨水管道中物理化學變化的重要因素，分流制排水系統(tǒng)初始沖刷效應不明顯。 (10) 研究了重金屬在“地表灰塵-徑流懸浮物-雨水口沉積物-河流沉積物”系統(tǒng)中的分配特

12、征和生物有效性。發(fā)現(xiàn)徑流懸浮顆粒物和河流沉積物是重金屬遷移過程中“非穩(wěn)定形態(tài)”比例最高的環(huán)節(jié)，一定程度上增加了降雨徑流污染的水體毒性和潛在生態(tài)風險。Zn和Cd在徑流顆粒物中都占有最高的含量濃度和非穩(wěn)定態(tài)比例，Pb、Cu、Cr和Ni則在河流沉積物占有較高的非穩(wěn)定形態(tài)比例。 (11) 應用美國EPA人體暴露風險評價方法對上海城市地表灰塵重金屬進行健康風險評價。發(fā)現(xiàn)手-口接觸行為是兒童攝入地表灰塵重金屬的最主要途徑，其次為皮膚吸收量和