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天津城市道路灰尘重金属空间分布与污染评价
天津师范大学
本科生毕业论文（设计）
题目：
天津城市道路灰尘重金属空间分布与污染评价
学号：
09508128
姓名：
孙宗斌
专业：
资源环境与城乡规划管理
年级：
2009级
学院：
城市与环境科学学院
完成日期：
2013年5月
指导教师：
胡蓓蓓
天津城市道路灰尘重金属空间分布与污染评价
摘要：
本文以天津城市道路灰尘重金属为研究对象，分析了天津市道路灰尘重金属的含量水平和空间分布特征，并运用地积累指数Igeo法对重金属含量水平进行了污染评价，运用潜在生态风险指数法进行污染风险评价，通过Pearson相关分析和主成分分析判析重金属来源。
结果表明：
市区道路灰尘中重金属Cd、Cr、Cu、Ni和Pb的平均含量依次为0.99、121.41、100.62、43.35和61.48mg/kg，均超过天津土壤环境背景值；Cd、Cr和Cu的空间分布差异较大，Ni和Pb的空间分布差异较小；天津城市道路灰尘重金属污染整体上处于轻度—中度污染水平，潜在生态风险程度达到较高水平；Pearson相关分析和主成分分析得出Cu、Ni和Pb主要受人为因素影响，交通尾气排放和工业污染为其主要来源，且以多因子复合影响为主。
关键词：
道路灰尘；重金属；空间分析；污染评价；天津
SpatialAnalysisandPollutionAssessmentonHeavyMetalsinUrbanStreetDustofTianjin
Abstract:
ThecontentsofheavymetalsinurbanstreetdustofTianjinwerestudied,andKriginganalysiswasappliedtoanalyzethespatialdistributionofheavymetalsinstreetdustofurbanarea.Thepollutionlevelwasassessedbythegeo-accumulationindex,andtheriskwasassessedbythepotentialecologicalindex.Pearsoncorrelativeanalysisandprincipalcomponentanalysisindicatedthemainpollutionsourcesofheavymetals.TheresultsshowedthattheaveragecontentsofCd（0.99mg/kg）,Cr（121.41mg/kg）,Cu（100.62mg/kg）,Ni（43.35mg/kg）,Pb（61.48mg/kg）instreetdustofurbanarea,andallthefiveheavymetalswerehigherthanthesoilbackgroundvalueinTianjin.ThespatialdistributionofCd,CrandCuhadlargerdifferencesexceptNiandPb.ThepollutionofheavymetalsinurbanstreetdustofTianjinweregenerallyatslighttomediumpollutionlevel,andthepotentialecologicalriskgottohigherecologicalhazards.PearsoncorrelativeanalysisandprinciplecomponentanalysisindicatedthatCu,NiandPbwerepollutedbyindustryandtraffic.Manyfactorscomplexlyimpactedmainly.
Keywords:
streetdust;heavymetal;spatialanalysis;pollutionassessment;Tianjin
目录
1引言1
2材料与方法1
2.1研究区域概况1
2.2采样布点2
2.3样品采集2
2.4样品处理与分析2
2.4.1样品粒度的测定2
2.4.2样品有机质的测定3
2.4.3样品重金属的测定3
3结果与讨论4
3.1天津城市道路灰尘基本理化性质4
3.2天津城市道路灰尘重金属含量水平4
3.3天津城市道路灰尘重金属分布特征6
3.4天津城市道路灰尘重金属污染评价8
3.4.1基于地积累指数Igeo法的评价8
3.4.2潜在生态风险指数法的评价9
3.5天津城市道路灰尘重金属来源判析11
3.5.1重金属和有机质Pearson相关系数分析11
3.5.2重金属主成分分析12
4结论13
参考文献13
1引言
随着城市化和工业化进程的不断加快，天津城市人口愈发密集，继而提升的城市环境污染水平引发了政府和众多研究者的广泛关注。
道路灰尘是引发城市环境污染的重要来源，它是由交通运输排放、工业排放、建筑和道路等表面粒子风化剥蚀、大气沉降以及其他人类活动共同作用产生的[1-10]。
在城市区域内部污染物质短时间积累的前提下，道路灰尘可以准确地指示城市的环境状况[11]。
富集于道路灰尘中的元素主要存在形态为重金属，其具有潜伏性、持久性、难降解性和毒性效应等特点[12]，因此在城市环境中长时间积累的有毒元素被称为“化学定时炸弹”[13-17]。
环境中重金属浓度的增加会潜在威胁人类的安全和健康，并且严重干扰了自然生态系统的循环[14,17]。
以灰尘为介质携带重金属的传播方式，一方面极易通过对悬浮粒子的摄取、吸收和皮肤接触吸收直接进入人体[2,5,17-22]；另一方面，地表灰尘重金属还可通过水循环和大气循环间接影响城市环境质量[23]，威胁人类健康。
因此，对道路灰尘中重金属进行空间分析和污染评价具有重要的理论价值。
自上世纪70年代中后期以来，国内外在道路灰尘重金属研究领域主要涉及地表灰尘重金属来源识别[23]，污染特征与迁移转化探析[24,25]，重金属粒级效应与赋存状态研究[26]，道路灰尘重金属污染现状和生态风险评价[4,16,17,27-30]，以及健康风险评价等方面[31-33]。
虽然国内外学者在许多大城市展开了道路灰尘重金属方面的研究，然而作为我国四大直辖市之一的天津在此领域的研究却较少。
因此开展天津城市道路灰尘重金属的污染调查与研究具有刻不容缓的现实意义。
本文运用ArcGIS地统计分析法对道路灰尘中5种重金属Cd、Cr、Cu、Ni、Pb的空间分布特征进行探究，分别运用地积累指数Igeo法和潜在生态风险指数法对天津城市道路灰尘重金属进行污染评价和潜在生态风险评价，运用SPSS19.0对灰尘重金属进行来源判析，为保障居民身心健康和改善城市环境质量提供科学依据。
2材料与方法
2.1研究区域概况
天津坐落于38°34′N-40°15′N、116°43′E-118°04′E，地处华北平原东部，北靠燕山，东临渤海，全年平均气温13.4℃，属于温带季风性气候类型区，常住人口为1299.29万人，人口密度为837人/km2（截至2010年），是中国四大直辖市之一，也是中国北方最重要的沿海开放城市。
天津市中心城区位于天津市的中心偏西南部，39°01′N-39°15′N、117°05′E-117°19′E，其中内环、中环和外环贯穿整个中心城区。
本文以天津市中心城区内各大交通干线为研究对象。
研究区域如图1所示。
2.2采样布点
本文选取天津市区主要道路为研究对象，其中内环及其内部道路设置12个采样点，内环—中环（包括中环）设置39个采样点，中环以外（包括8个邻近外环线的郊区点）设置93个采样点。
采样点布点均匀，且各采样点之间无干扰。
天津道路灰尘采样点分布如图2所示。
图1研究区域图图2道路灰尘采样点分布图
Fig.1ThemapofresearchregionFig.2Thesamplingsitesmapofstreetdust
2.3样品采集
于2011年12月-2012年1月期间选择晴朗无风的干燥天气，用软毛刷和塑料小铲采集天津市区自内环至外环的144个道路采样点的地表灰尘（设立平行样），每个采样点采取多点采样方法采集表层灰尘，并均匀混合约300g置于聚乙烯塑料袋中密封保存。
每个采样点均利用GPS定位，准确记录采样点经纬度地理坐标，并记录周边的环境状况和样品编号。
采样过程注意不受到外界各种环境因素的干扰。
2.4样品处理与分析
2.4.1样品粒度的测定
每份样品准确称量1g过35目筛（<500µm）置于50mL烧杯中，加入5mL0.05mol/L六偏磷酸钠（NaPO4）6溶液进行分散静置，利用超声波仪超声15min，最后采用LS13320型激光粒度仪测定道路灰尘样品的粒度分布。
天津城市道路灰尘颗粒物粒径分布如图3所示。
图3天津城市道路灰尘颗粒粒径分布曲线
Fig.3ParticleSizeDistributioninurbanstreetdustofTianjin
2.4.2样品有机质的测定
每份样品准确称量0.2g过60目筛（<250µm）置于硬质试管中，采用重铬酸钾—外油浴加热方法，依次加入重铬酸钾、浓硫酸5mL，外部油浴加热，利用指示剂滴定测算道路灰尘样品中有机质的含量。
天津城市道路灰尘有机质含量水平如表1所示。
表1天津城市道路灰尘有机质含量水平（g/kg）
区域
样本数
最大值
最小值
平均值
标准偏差
变异系数
市区
内环以内
144
12
96.36
49.12
4.57
11.66
45.86
29.82
14.45
10.00
0.32
0.42
内环—中环
39
96.36
4.57
43.57
15.62
0.36
中环以外
93
74.82
15.66
45.86
13.67
0.30
Table1OrganicMatterContentsinurbanstreetdustofTianjin（g/kg）
2.4.3样品重金属的测定
每份样品准确称量0.5g过240目筛（<63µm）置于聚四氟乙烯烧杯中，分别依次加入HNO3溶液、HF溶液和HClO4溶液于置于通风橱内的电热板上加热消解，后移至50mL容量瓶中定容，转移密封保存。
采用原子吸收光谱仪测定道路灰尘中重金属的含量。
3结果与讨论
3.1天津城市道路灰尘基本理化性质
天津城市道路灰尘有机质含量如表1所示，天津市区道路灰尘的有机质平均含量为45.86g/kg，变异系数为0.32。
而纵观内环、中环和外环区域，计算得到道路灰尘有机质平均含量依次为29.82、43.57和45.86g/kg，变异系数分别为0.42、0.36和0.30。
分析发现，整个天津市区和不同环区的有机质变异系数均超过0.30，道路灰尘有机质的空间分布差异较大。
粒度是表征颗粒物行为的主要参数，颗粒物的性质均与粒径密切相关[34]。
图3为利用Origin8.0软件绘制的天津城市道路灰尘粒径分布曲线。
在144个道路灰尘样品中，既有表现为单峰的颗粒，又有表现为双峰。
而从整体上观察，主峰分布在粒径80-100µm范围内，且呈非正态分布。
由于表面积较大的小粒径颗粒吸附重金属的能力更强，因此大量小粒径颗粒的存在使重金属含量增高[26,35]。
3.2天津城市道路灰尘重金属含量水平
通过测定分析，天津城市道路灰尘重金属的含量水平如表2所示。
市区道路灰尘中重金属Cd、Cr、Cu、Ni和Pb的平均含量依次为0.99、121.41、100.62、43.35和61.48mg/kg，均超过天津土壤背景值和中国土壤背景值。
其中重金属Cd的平均含量为天津土壤环境背景参考值的11倍，超标严重，其余重金属含量均在背景值的4倍以下。
变异系数可判断重金属来源主要取决于人为干扰因素还是自然因素。
人类活动越频繁，干扰作用越大，污染越严重，最终导致变异系数越大。
从表2可知，重金属Ni和Pb的变异系数依次为0.42和0.49，相对较小，人为污染作用较小；而Cd、Cr、Cu的变异系数却高达0.90、0.89、0.74，人为作用携带重金属污染现象显著。
依据统计分析，从总体上看，导致天津城市道路灰尘重金属污染现象主要是人为因素，其中重金属Cd浓度较大，污染严重。
表2天津道路灰尘重金属含量（mg/kg）
Table2HeavymetalsconcentrationsinurbanstreetdustofTianjin（mg/kg）
参数
Cd
Cr
Cu
Ni
Pb
最大值
3.87
567.27
428.05
85.07
191.19
最小值
0.03
0.11
1.91
12.60
7.09
平均值
0.99
121.41
100.62
43.35
61.48
变异系数
0.90
0.89
0.74
0.42
0.49
中国土壤背景值
0.08
57.30
22.00
24.90
23.50
天津土壤背景值
0.09
84.20
28.80
33.30
21.00
国内外其他城市道路灰尘重金属的含量水平如表3所示。
通过与国内外其他城市对比，发现天津城市道路灰尘中Cd较贵阳、上海、多伦多和渥太华等城市的含量高，低于保定、重庆和伯明翰等城市；Cr、Cu和Ni含量在国内外城市中处于中等水平；Pb含量低于大部分国内外城市。
通过对比，分析得出不同城市重金属含量差异可能主要与城市的产业结构和发展现状有关。
例如加拿大的多伦多和渥太华等城市，由于城市发展已经进入到了较为稳定的阶段，且环境保护与治理工作效果突出，因此各单一重金属含量均处于较低水平。
表3国内外其他城市道路灰尘重金属的含量水平（mg/kg）
Table3Meanconcentrationofheavymetalsinstreetdustinseveralothercities（mg/kg）
城市
Cd
Cr
Cu
Ni
Pb
数据来源
贵阳
0.62
131.20
129.80
61.07
67.80
[23]
上海
0.80
250.38
127.52
63.17
148.45
[36]
北京
0.71
85.00
78.34
41.14
69.56
[33]
保定
2.84
225.00
177.00
-
132.15
[31]
昆明
-
79.41
166.60
21.45
97.49
[37]
重庆
4.95
87.26
79.38
22.17
75.62
[38]
乌鲁木齐
0.31
41.09
88.52
37.83
41.12
[29]
伯明翰（英国）
1.62
-
466.90
41.10
48.00
[39]
多伦多（加拿大）
0.51
197.90
162.00
-
182.80
[40]
渥太华（加拿大）
0.37
-
65.84
15.20
39.05
[41]
3.3天津城市道路灰尘重金属分布特征
如表2所示，在采集的所有样品中，5种重金属的含量均超过了天津土壤环境背景值。
重金属Cd、Cr、Cu的变异系数依次为0.90、0.89、0.74，整体变异系数强度大，与史贵涛等人研究结论一致[46]。
其中，Cd在内环及其以内区域变异系数最大，Cr和Cu则在外环及其以外区域最大。
而各环线以内Ni和Pb的变异系数基本上均小于0.50，变异强度较小，详见表4。
因此可以得出结论，天津城市道路灰尘重金属Cd、Cr和Cu的空间分布差异较大，Ni和Pb的空间分布差异较小。
表4天津市各环区道路灰尘重金属含量（mg/kg）
Table4HeavymetalsconcentrationsinurbanstreetdustofTianjinrings（mg/kg）
区域
参数
Cd
Cr
Cu
Ni
Pb
内环以内
平均值
1.55
75.25
96.43
41.57
50.62
变异系数
0.88
1.41
1.61
0.31
0.26
内环—中环
平均值
1.04
148.90
109.79
43.88
70.24
变异系数
0.81
0.97
0.69
0.47
0.37
中环以外
平均值
0.89
115.79
97.48
43.35
58.93
变异系数
0.91
0.74
0.69
0.42
0.56
中心城区
平均值
0.99
121.41
100.62
43.35
61.48
变异系数
0.90
0.89
0.74
0.42
0.49
通过对采样点特异值进行相关处理，运用ArcGIS软件中的地统计分析方法（GeostatisticalAnalysis），采用以空间相关性为基础，采样数据和半方差函数的结构性为依据，对区域未知采样点进行无偏估数值Kriging空间差值分析方法，内插出天津城市道路灰尘中重金属空间分布图，内插结果如图4所示。
图4中内插出的5种重金属的空间分布规律与之前的统计分析结果相吻合，且与王利等人的研究结果相一致[42]。
如图所示，重金属Cd表现为内环区域和中心城区西北部浓度较高，整体呈现由中心向外部浓度降低的态势；Cr和Cu在中环中东部和外环区域含量较多，内环以内地区含量较少；Ni含量较少，全市分布均匀，中心城区东南部区域浓度稍高；Pb在中心城区分布较为分散，无明显规律性。
分析其原因：
其一，由于内环—外环区域处于通往市中心商业繁华地带以及中心城区外缘的环形地带，道路人流量和车流量大，频繁的人类扰动和汽车尾气排放导致灰尘中重金属浓度升高；其二，中心城区道路拥有吸附能力极强的细粒径灰尘，因此大量重金属被吸附于灰尘中；其三，车流量大的道路会致使车辆在行驶过程中运行不畅，而运行中车辆的停车和怠速都会引发汽车尾气附加排放量[1,43]，造成道路灰尘重金属含量增高[44,45]；其四，中心城区西北部布局大量冶金、化学医药和建材等工业，东部则是天津老工业基地，其排放的气体和颗粒物会吸附携带大量重金属，因此距离污染源较近的道路灰尘中重金属的含量会较高；其五，由于采样时间为12月份和1月份，因此在强大的亚洲高压与阿留申低压之间，形成了势力强大、干燥寒冷的偏北风，其对灰尘粒子的迁移具有一定的影响。
根据研究结果，发现重金属污染最为严重的区域主要分布在商业区、交通密集区和工业区，这与郑小康等人的研究结果一致[31]。
图4天津城市道路灰尘重金属的空间分布特征
Fig.4SpatialdistributionmapsofheavymetalsinurabnstreetdustofTianjin
3.4天津城市道路灰尘重金属污染评价
对道路灰尘中重金属的污染评价方法有很多，主要包括内梅罗污染指数法、单因子指数法、地积累指数法、层次分层法和潜在生态风险指数法等，但至今国内外对此都没有统一的方法和标准。
通过对各种不同评价方法进行对比，发现地积累指数Igeo法是主要研究沉积物中重金属的污染评价指标，潜在生态风险指数法是通过重金属的毒性效应定量分析其对环境的生态危害程度[46]。
本文旨在评价存在于沉积灰尘中的重金属因子Cd、Cr、Cu、Ni和Pb的污染水平，因此运用地积累指数Igeo法对天津城市道路灰尘重金属进行污染评价，运用潜在生态风险指数法对道路灰尘进行重金属污染风险评价。
3.4.1基于地积累指数Igeo法的评价
地积累指数是由欧洲兴起，并广泛地应用于研究沉积物等物质中重金属的污染评价指标[47,48]。
地积累指数Igeo评价计算方法：
Igeo＝log2[Cn/（k·Bn）]
式中，Igeo为单一重金属的地积累指数；Cn为道路灰尘中单一重金属的实测含量；Bn为道路灰尘中相应重金属的地球化学背景值（本文采用天津土壤环境背景值作为参考，Cd、Cr、Cu、Ni和Pb的土壤环境背景值分别取0.09、84.20、28.80、33.30和21.00mg/kg）；k为考虑到地壳岩石运动引起的背景值波动而设定的参考系数（本文k取值1.5）。
Muller污染指数分级指标如表5所示，天津城市道路灰尘重金属的地积累指数及其污染程度如表6所示。
表5Muller污染指数分级指标
Table5Thegeo-accumulationindexesandtheclassification
污染指数
分级
污染程度
Igeo＜0
Ⅰ
无污染
0＜Igeo＜1
Ⅱ
轻度污染
1＜Igeo＜2
Ⅲ
偏中度污染
2＜Igeo＜3
Ⅳ
中度污染
3＜Igeo＜4
Ⅴ
偏重度污染
4＜Igeo＜5
Ⅵ
重污染
Igeo＞5
Ⅶ
严重污染
表6天津城市道路灰尘重金属的地积累指数及其污染程度
Table6Thegeo-accumulationindexandlevelofheavymetalsinurbanstreetdustofTianjin
重金属
平均值（mg/kg）
污染指数
分级
污染程度
Cd
0.99
2.87
Ⅳ
中度污染
Cr
121.41
-0.06
Ⅰ
无污染
Cu
100.62
1.22
Ⅲ
偏中度污染
Ni
43.35
-0.20
Ⅰ
无污染
Pb
61.48
0.96
Ⅱ
轻度污染
如表6所示，天津城市道路灰尘中重金属Cd、Cr、Cu、Ni和Pb的地积累污染指数分别为2.78、-0.06、1.22、-0.20和0.96，其中重金属Cr和Ni基本处于无污染状态，Pb和Cu分别为轻度污染和偏中度污染。
分析得知道路沉积灰尘中积累了低浓度的Cu和Pb，以及较高浓度的重金属Cd，因而造成了城市道路污染。
通过与国内外其他城市对比，发现天津市区道路灰尘重金属Cd的污染水平较徐州、多伦多和渥太华等城市污染严重。
因此，防治道路灰尘镉污染已经迫在眉睫。
3.4.2潜在生态风险指数法的评价
（1）单一重金属污染系数计算方法：
Pf＝
式中，Pf为灰尘中单一重金属的污染系数；C为天津城市道路灰尘中单一重金属的实际检测浓度；S为相应重金属污染评价参比值（本文中重金属Cd、Cr、Cu、Ni和Pb分别取值0.09、84.20、28.80、33.30和21.00mg/kg）。
（2）单一重金属潜在生态风险指数计算方法：
Er＝Tr×Pf
式中，Er为单一重金属的潜在生态风险指数；Tr为相应重金属毒性系数，即重金属的毒性水平，
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