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唐山城市近地表灰尘重金属含量及环境质量评价
时间: 2017-07-11 09:04:56     来源: 现代地质

0 引 言

城市空气污染对人类、气候和植物均造成了严重危害。近地表灰尘是在人体平均呼吸高度 (15m)处采集的在建筑物门窗上长期累积的大气尘埃,对人体的健康影响最大。随着工业化和 城市化的快速发展,近地表灰尘量及灰尘中所含 各种有毒有害污染物的量均呈不断增加的趋势, 近地表灰尘不仅影响人们的生活环境,而且其携 带的污染物在沉降后会对土壤、植物、水体等造 成二次污染。因此,研究近地表灰尘中有毒有害 污染物的分布情况对了解其危害、污染控制措施 等具有重要意义。

近年来有不少学者对近地表灰尘重金属的赋存状态、潜在生态危害、环境健康风险、空间变异特征、来源解析等进行了评价研究,但对近地表灰尘重金属的环境质 量评价研究较少,尤其对于唐山城市近地表灰 尘重金属环境质量评价尚未见报道。

唐山是一座具有百年历史的沿海重工业城市, 被誉为中国近代工业的摇篮北方瓷都,是连接华北、东北两大地区的咽喉要地和走廊。区 域面积3874km ,人口734万;其中市区面积187km ,人口307万,是全国较大城市之一。工业已形成煤炭、钢铁、电力、建材、机械、化工、 陶瓷、纺织、造纸等支柱产业,机电一体化、电 子信息、生物工程、新材料 4个高新技术产业群 体扎实起步。对外开放初步形成了全方位、多层 次、宽领域格局。近年来,虽然唐山城市土壤综 合环境整体良好,但已受到一定程度的人为污染 影响,出现部分重金属元素污染。随着唐山城 市工业发展和城市化进程的加剧,近地表灰尘对 人们的生活环境和人体健康的影响也在不断加大, 对唐山城市近地表灰尘重金属进行环境质量评价, 将为合理地规划和利用城市土壤、改善和提高城 市环境质量、保障人群健康提供重要的科学依据。

1 材料和方法

1.1       样品的采集 

本次研究以唐山市主城区及其周边城乡接合带为研究区域,于 2007年 6月在研究区范围内,按1点/km 均匀网格状布设大气近地表灰尘采样 点,共采集了161个大气近地表灰尘样品。样品 主要采集建筑物等15~20m部位的降尘。将灰 尘用毛刷扫入纸袋内,并描述采样点周围的环境 情况。

1.2       样品的分析测试 

本次采集近地表灰尘样品按照土壤样品的分 析方法进行元素分析,共分析了 As、Cd、Hg、 Pb、Cu、Zn、Cr、Ni等 8种元素的含量。近地表 灰尘样品中重金属全量的具体分析由国土资源部 保定矿产资源监督检测中心承担,严格按照 《生态地球化学评价样品分析技术要求(试行)》进 行。采用以 X荧光光谱法(XRF)为主,辅以原子荧光光谱法(AFS)和石墨炉原子吸收光谱法(GF-AAS)的多元素配套分析方法,分析过程中采用国家标准样、室内外重复样和密码样 等检验控制分析精密度和准确度。

1.3       城市近地表灰尘重金属环境质量评价标准制定 

由于天然条件下土壤扬尘是城市近地表灰尘的重要来源,因此,在制定城市近地表灰尘重金属环境质量标准时,必须充分考虑国家制定出的土壤重金属环境质量标准(GB15618—95)。同时,城市近地表灰尘的细颗粒物可以通过呼吸系统直 接进入人体内,因此,制定城市近地表灰尘重金 属环境质量标准应该比国家土壤环境质量标准要 求更加严格。本文在参考国家土壤环境质量标准和西安市、长春市、石家庄市城市灰尘环境质量标准的基础上,尝试性地制定了唐山城 市近地表灰尘环境质量等级分级标准。

本文将城市近地表灰尘重金属环境质量标准 划分为 5个级别:城市近地表灰尘重金属环境质 量Ⅰ级~Ⅲ级标准分别对应于土壤环境质量一级~三级标准(GB15618—95);考虑到本文所涉及的重金属元素均为痕量元素,其含量变化范围较大,多为成倍数或指数变化,因此,城市近地表灰尘重金属环境质量Ⅳ级标准以其Ⅲ标 准上限的倍数作为上限;城市近地表灰尘重金属环境质量Ⅴ级标准则是指高于Ⅳ级标准上限的标准。

1.4.1. 单因子指数法

以我国土壤环境质量标准(GBT156181995) 中的重金属含量限定值为评价标准,采用单因子 指数法对近地表灰尘环境质量进行评价。

1.4.2. 尼梅罗综合指数法

尼梅罗综合污染指数的计算公式中含有评价 参数中最大的单项污染分布指数,突出了污染指 数最大的重金属元素对环境质量的影响和作用。

2 结果与分析

2.1 城市近地表灰尘重金属元素含量特征

由于近地表灰尘重金属污染的非均匀性,采用最小值、最大值、平均值、标准差、变异系数和富集系数等6个统计指标进行统计分析,得到 研究区 252个近地表降尘样品重金属含量测定结果。变异系数反映了总体样本中各采样点的平均变异程度,该区域8种重金属的平均变异程度由大到小的顺 序为 Cd>Pb>Hg>Cr>Zn>As>Cu>Ni,8种重 金属元素的含量在不同区域变化均较大,其中 Cd 元素的变异系数超过 200%,Pb元素的变异系数 为 113.21%,均属于强变异元素,说明污染元素在市区分布极不均匀。研究区近地表灰尘的重金 属在研究区均有不同程度的富集,其富集程度排 序为Cd>Zn>Pb>Hg>Cr>Cu>Ni>As,与区域 背景值相比较,唐山市近地表灰尘中重金属元素 含量都高于区域背景值,其中 Cd、Zn、Pb、Hg 的 比 值 较 大,Cr、Cu、Ni、As的比值相对较小,重金属元素在唐山城市近地表灰尘中积累已达到严重的程度。

2.2城市近地表灰尘重金属环境质量评价

2.2.1城市近地表灰尘重金属单元素环境质量评价

      据前述评价方法对唐山市城市近地表灰尘中各重金属元素的污染指数进行评价,唐山 市城市近地表灰尘已存在不同程度重金属污染。从全区各元素的平均污染指数看,城市近地表灰尘受As污染程度处于清洁状态;城市近地表灰尘受Cr、Hg、Pb、Cu、Ni污染相对较轻,处于潜在污染水平,其中Ni的污染指数最小,污染程度最低;城市近地表灰尘受到Cd、Zn的污染,其中Zn的污染指数较大,已达到重污染水平,Cd的污染指数最大,已达到重污染水平,接近严重污染水平,表明唐山市城市近地表灰尘Cd污染最为严重。平均污染指数仅能反映全区的平均状况,掩盖了局部区域的污染状况。从单个采样单元的评价结果统计表来看,部分采样单元城市近地表灰尘受重金属污染程度仍然较高。唐山市城市近地表灰尘中Cd和Zn的污染程度较高。

总体来看,唐山市城市近地表灰尘已受到不同程度重金属污染,尤其是受Cd、Zn污染较为严重,受Cr、Hg、Pb、Cu、Ni污染相对较轻,受 As污染最轻。

2.2.2城市近地表灰尘重金属综合环境质量评价

      前述虽就各元素对城市近地表灰尘的污染程度进行了评价,但并不能反映各种重金属对城市灰尘的复合污染。因此,本文采用尼梅罗综合污 染指数法对唐山市城市近地表灰尘重金属污染进行了综合污染程度评价,并利用ARCGIS的空间分析功能绘出唐山市城市近地表灰尘重金属综合环境质量评价图,对不同污染程度进行面积统计计算。

      全区基本已处于轻污染及以上污染程度,潜在污染、轻污染、重污染、严重污染比率分别为3.72%、52.19%、38.51%、5.58%,重污染以上污染比率达到44.09%,面积达到 70.98km,其中严重污染区8.98km ,主要分布在:(1)唐山市区东部的越河陶瓷厂附近,引起污染的主要是 Cd元素,其含量值达到了91.7mg/kg,其形成原因可能与工矿企业生产有关; (2)南湖公园周边,引起污染的主要是Cd、Zn、Cr元素,其含量值分别达到13.4mg/kg、810mg/kg、381mg/kg,推测其形成原因:唐山市区地势北高南低,2007 年 6月进行取样时,该区域还未开展环境治理,而南湖公园治理2008年3月开始治理,治理前为 开滦130年采煤沉陷区,垃圾乱堆成山,有利于各重金属的富集,且其东北方向上是唐山钢厂旧址,为各重金属的富集提供了来源;(3)唐山市区东北部区域,该区域为铁道、公路交会处,交通体系发达,其污染元素主要是Cd、Zn,其含量值 分别达到了13.4mg/kg、453mg/kg,其形成原因可能以交通为主。前人研究认为,唐山市区近地表降尘污染源以燃煤和交通为主,其中,降尘中Cr主要受这两种污染源的控制。由于我国正经历着经济高速发展,目前城市大气污染正处于由煤烟型污染转向以机动车污染为特征的过渡期,而以燃煤和交通共存的污染来源特征,验证了唐山正处于这一过渡时期。因此,唐山城市近地表灰尘中的重金属污染与城市的燃煤、交通等污染源有关。因此,应该重视地面的除尘工作,防止地面粉尘扬起,优化能源结构,减少燃煤的使用,积极发展公共交通,最大限度地降低近地表降尘中的污染物浓度,为居民提供一个良好的生存空间。

3 结 论

      (1)研究区近地表灰尘样品中8种重金属的平均变异程度由大到小的顺序为Cd>Pb>Hg>Cr>Zn>As>Cu>Ni,污染元素在市区分布极不均匀;研究区近 地表灰尘的重金属的富集程度排序为Cd>Zn>Pb>Hg>Cr>Cu>Ni>As,重金属元素在唐山城市近地表灰尘中积累已达到严重的程度。

       (2)唐山市城市近地表灰尘已受到不同程度重金属污染,尤其是受Cd、Zn污染较为严重,受Cr、Hg、Pb、Cu、Ni污染相对较轻,受As污染最轻;总体而言,唐山市城市近地表灰尘受重金属综合污染比较严重,全区基本已处于轻污染及以上污染程度,清洁、潜在污染、轻污染、重污 染、严重污染比率分别为0、3.72%、52.19%、 38.51%、5.58%,重污染以上污染比率达到44.09%,面积达到70.98km ,其中严重污染区8.98km

      (3)唐山城市近地表灰尘中的重金属严重污染区与唐山城市原有工业区域的分布有关,其污染源与城市的燃煤、交通等有关。

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