地表径流中重金属的污染特征分析——以乌鲁木齐市为例

汪易坤

（乌鲁木齐生态环境监测站 新疆乌鲁木齐 830000）

引言

基于广义角度分析，地表径流属于城市面源污染的主要来源之一，其携带的污染物包括各类营养盐、重金属及沉积在地面的有机物，均会对环境造成严重污染[1]。在众多污染物中，重金属对生态环境、水生态系统存在潜在威胁，若含有重金属的水未经处理被人类饮用，会引发各种疾病，严重的情况下还会致癌[2]。

经过众多学者的研究可知，重金属指的是原子量超过55 的各类金属，有45 种，包括铁（Fe）、锌（Zn）、锰（Mn）、镍（Ni）、钨（W）等，多数为过渡元素[3]。其中，部分重金属能够为人们的生命活动提供所需的微量元素，如锌、铜（Cu）、铁等，但大多数重金属并不是生命活动必需的，超过一定浓度会对人体产生严重危害[4]。重金属具有不可逆性、持久性与隐匿性，通常情况下，地表径流来源于降雨对地表沉积物的冲刷，是地表径流重金属污染物超负荷产生的动力。并且在当前城市化进程加快发展的背景下，部分城市环境及市政管网建设仍然存在滞后问题，城市不透水路面未得到改善，对地表径流重金属污染物的冲刷与累积具有较大影响。部分地表径流重金属进入城市受纳水体，对该城市用水环境造成了严重破坏[5]。

为了改善地表径流重金属污染问题，优化城市水环境，保护水生态环境，本文以新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市为例，开展了地表径流中重金属污染特征的全方位深入研究，获取重金属污染特征、分布规律及迁移转化过程，为治理地表水体污染作出贡献。

1 研究区概况

以乌鲁木齐市作为此次地表径流重金属污染特征分析的研究区。乌鲁木齐市属于新疆维吾尔自治区的首府，是金融与交通中心，也是重要的通信枢纽。乌鲁木齐市的地理环境概况如表1 所示，其地形地貌与气候环境概况如表2 所示。

表1 乌鲁木齐市地理环境概况

表2 乌鲁木齐市地形地貌与气候环境概况

乌鲁木齐市地表水资源由冰川融水、地下径流、地表径流等各种不同形态的水资源共同组成，水质较好，具有良好的地下水储存环境[6]。乌鲁木齐市的核心区分布19 条主要交通干道，均采用雨污分流排水系统，在降雨时雨水径流汇入雨水管道，即可快速将雨水排入附近的受纳水体中。因此在掌握乌鲁木齐市各项概况信息后，有助于对其地表径流中重金属的污染特征作出全方位的分析研究。

2 地表沉积物监测点位布设

为了后续更好地对乌鲁木齐市地表径流中重金属污染特征作出分析，本次研究率先在乌鲁木齐市各个功能区选取交通道路，作为地表沉积物的主要监测点位，监测地表沉积物的动态变化。地表沉积物监测点位布设情况如表3 所示。按照表3 所选取的功能区，布设监测点位，用于监测与分析地表沉积物与降雨过程之间的相应关系。

表3 地表沉积物监测点位布设说明

3 地表径流样品采集

于乌鲁木齐市地表沉积物监测点位布设完毕后，采集地表径流样品。设定径流样品采集时间间隔为5min，在径流形成后，每隔5min 采集一次样品，将径流样品放置在500mL 酸洗过的聚乙烯瓶中[7]。然后，将采集到的径流样品送至实验室，对其进行预处理与分析，并利用翻斗式雨量站，实时监测径流样品采集区域的降雨特征。翻斗式雨量站的监测时间间隔为1min，其监测分辨率为0.2mm。

表4 为本次研究监测采集到的乌鲁木齐市地表径流样本量与降雨特征数据，通过实验室对其进行预处理。将地表径流样品在烘箱内干燥5d后，对其进行了浊度分析、重金属分析与表观形态分析。针对粗粒径组分的地表径流样品来说，本次研究认为，首先应当在重金属分析测试前，对其进行碾压打磨处理，清洁打磨样品表面的不锈钢，使样品的重金属能够消解得更加彻底；接着称取0.2g 地表径流样品，将其放于微波消解罐内，加入少量纯水润湿地表径流样品，并沿着微波消解罐壁加入5mL 的浓盐酸，摇匀后放置在电热板上；将电热板的运行温度设定为120℃，加热3min 后加入10mL 浓硝酸，使径流样品与酸充分混合[8]；然后把混合后的样品放入微波消解仪，每组样品的微波消解时间一致，均不超过20min；消解结束后，拧下消解罐盖子，冷却至室温后用纯水洗涤，移入容量瓶；最后利用电感耦合等离子体发射光谱仪，测定并记录样品溶液中重金属元素的浓度。通过实验分析可知，乌鲁木齐市地表径流样品中几乎全部颗粒的粒径低于150μm，且大多数低于38.5μm。

表4 地表径流采集样本量与降雨特征数据

4 地表径流中重金属的污染特征分析

4.1 地表径流重金属形态分布特征

乌鲁木齐市受降雨影响，地表径流重金属污染主要由2 种方式形成，即①吸附在细粒径沉积物上的重金属，受到雨水冲刷后，裹挟进入地表粒径，形成颗粒态的重金属污染；②地表沉积物表面吸附重金属，受到雨水的溶蚀作用，不断溶解，经过释放后进入地表粒径，形成溶解态的重金属污染[9]。2 种不同形态的重金属污染所对应的重金属浓度存在较大差异，检出限也不同。针对溶解态的重金属污染来说，径流样品中重金属浓度相对较低，多数情况下低于检出限，其中约60%的径流样品中溶解态Ni、铅（Pb）与铬（Cr）浓度会低于检出限，少量溶解态Cu、Zn 浓度会高于检出限。

4.2 地表径流重金属浓度水平特征

图1 为乌鲁木齐市地表径流重金属元素浓度示意图，从图中可知， 硒（Se）、 钼（Mo）、钛（Ti）、银（Ag） 浓度含量均低于背景值，按照程度分类，能够反映重金属元素受人为行动影响大小。在此基础上，可将重金属元素的变异系数划分为3 类，即①变异系数＜0.1，此时为重金属元素弱变异；②0.1＜变异系数＜1，此时为重金属元素中度变异；③变异系数＜1，此时为重金属元素强变异[10]。

图1 地表径流重金属元素浓度

乌鲁木齐市地表径流重金属含量值特征数据如表5所示。通过表5可知，受到空间分布的影响，不同点位的重金属含量存在较大差距，其中强变异重金属包括5 种，分别为Cr、Ni、Mo、Ag、Ti，变异系数值越高，说明该片地表径流受到外界重金属污染的程度越高；中度变异重金属包括9 种，分别为钒（V）、Mn、钴（Co） 、Cu、Zn、砷（As）、Se、钡（Ba）、Pb，此类重金属元素离散的程度相对较低，在空间分布上较为均匀，受到外界重金属污染的程度较小。因此，乌鲁木齐市地表径流中未发现弱变异重金属元素。

表5 乌鲁木齐市地表径流重金属含量特征

4.3 重金属元素空间分布特征

经过上述研究，根据各种重金属元素的含量，对重金属的空间分布特征作出分析。①Ba在乌鲁木齐市地域分布中两极分化严重，在东南部地区的含量明显高于东北部地区，浓度含量平均值呈现阶梯状分布。含量聚集点为乌鲁木齐市中心部位，其余地方含量较小，且存在浓度值低于平均浓度的情况。经分析可知，Ba 浓度含量较高的区域在乌鲁木齐市省道附近，造成其浓度较高的主要原因在于途经车辆排放的大量尾气。②Ag、Co、Mn、Cr 元素在空间分布上，极少区域的浓度值接近平均值，元素浓度聚集区域为水库附近，主要原因是受到人类生产活动影响，生产活动产生的垃圾造成了重金属污染。③Cu、Zn 元素在空间分布上，整体分布较为均匀，大部分元素的浓度值在平均浓度值附近。元素浓度聚集区域为铜锌矿附近，造成Cu 元素浓度含量较高的主要原因在于土壤自身背景值以及矿石开采产生的重金属。④Mo 元素主要分布在乡道附近，周边多为林地土壤，受到行驶车辆尾气排放及生活污染的影响，产生了大量的Mo 重金属元素，在空间分布上，多为点状分布特征。⑤Ni、Pb 元素主要分布在国道附近，受到车辆尾气排放及周边农田土壤用水灌溉影响，产生沉积物。此种重金属元素分布较为规律，大部分区域的浓度含量值在平均值以下。⑥Se、Ti、V、As 元素多数分布在农田土壤中，受到农业种植活动影响，产生沉积物附着在地表径流中，分布范围广泛，整体分布浓度均匀。综上，获取地表径流中重金属元素在乌鲁木齐市空间分布的特征。

4.4 重金属污染空间变异特征

将Zn、Ni、Cu、Pb、Cr 设定为聚类因子，对乌鲁木齐市不同功能区道路降雨径流作出聚类分析。通过聚类分析结果可知，对于Zn、Ni、Cu、Pb、Cr 这5 种重金属元素来说，不同功能区对应的空间变异特征不同。其一，Cu、Zn、Pb 在乌鲁木齐市工业生产中广泛使用，能够用于加工生产电缆。在电缆生产加工过程中，会产生大量的气体与尘埃，容易对周边的环境造成不良影响，再加上工业生产中汽车运输活动较为频繁，导致Cu、Zn、Pb 这3 种重金属元素的浓度含量值大幅度增长，造成工业区地表径流重金属污染程度较重。其二，针对商业区来说，Zn、Ni、Cu、Pb、Cr 的最大值分别达到了75.8μg/L-1、296.7μg/L-1、105.8μg/L-1、128.9μg/L-1、106.7μg/L-1，地表径流重金属污染程度也较高，主要原因在于商业区中会定期举办商业活动，人流量与车流量上涨，汽车尾气排放量增加，且商业活动结束后，部分商家将产生的垃圾倾倒在马路上，受到雨水的侵蚀，会随着雨水一起混入到径流内，进而导致商业区重金属浓度含量较高。其三，针对居民区来说，Zn、Ni、Cu、Pb、Cr的最大值分别达到了65.3μg/L-1、211.5μg/L-1、49.4μg/L-1、73.5μg/L-1、58.2μg/L-1，相对来说重金属污染程度较低。其四，针对五金区与建材区来说，Zn、Ni、Cu、Pb、Cr 的浓度含量均高于居民区，低于工业区与商业区，重金属污染程度中等，造成重金属污染的主要原因在于家具、地砖、五金部件生产加工过程中会产生粉尘，附着在地表后，随着降雨混入径流。其五，风景区与居民区的重金属污染程度接近，人流量与车流量均较小，生活垃圾均得到了及时清扫与运输，因此重金属污染程度较轻。通过上述分析可知，在重金属污染空间变异方面，工业区的重金属污染程度最高，其次是商业区、五金区、建材区、风景区与居民区。

结语

综上所述，地表径流给城市发展带来了不同程度的重金属面源污染问题，为改善这一问题，本次研究以乌鲁木齐市为例，开展了地表径流中重金属污染特征的全方位深入研究。通过研究可知，地表径流中重金属负载特性存在一定的差异性，受到降雨间隔期的影响，地表沉积物量不同。降雨间隔期越长，地表沉积物量越大，地表径流负载重金属负荷越高，反之同理。大量地面颗粒物的沉积，会增加地表径流重金属污染的风险，提高重金属的毒性与污染性。由此可知，控制地表径流重金属污染的关键在于及时清除降雨后地表的沉积物，结合重金属污染强度的粒径效应，采取相应的重金属面源污染控制措施，保护生态环境与水生态系统。