不同下垫面沉积物营养盐污染特征研究开题报告

2022-01-06 09:01

全文总字数：10217字

1. 研究目的与意义及国内外研究现状

选题的目的

目前，对表层沉积物的研究主要集中在与表层沉积物有关的重金属的研究方法，含量，分布特征和来源分析上。而且这些研究大多集中在道路沉积物的研究上，对屋顶沉积物缺乏深入的研究，尤其是道路沉积物和屋顶沉积物之间具体的比较。

本文的目的是评估南京北郊表层沉积物中营养盐的污染和生态风险，分析表层沉积物中颗粒物的粒径分布，TN、TP的浓度及污染负荷，最终要比较两种不同类型下垫面材料表层沉积物中不同粒径营养盐的污染特征。

选题的意义

随着点源污染得到有效地治理，非点源污染问题日益突出，并且已经成为了水环境污染的主要因素。表面沉积物是非点源污染的重要来源之一，近几十年来受到越来越多的重视。表层沉积物是一种潜在的有毒介质，因为它含有诸如污染物、金属和碳氢化合物等污染物，来源广泛，包括干湿沉积、动植物体、汽车尾气、车辆和道路磨损、除冰作业、建筑材料的磨蚀和土壤侵蚀。因此当沉积物随雨水径流进入水体后会带来严重的水污染，甚至会影响食物链。因此，研究表层沉积物主要是为了记录沉积物对接收水体的有害影响。如果水中营养荷载过高，会导致水体富营养化。一旦发生富营养化，水体将失去其主要功能，进一步地影响经济和社会的可持续发展。因此，营养盐的生态风险评价对保护水生生态系统提供具体的指导是十分必要的。目前社会对非点源污染的关注度日益提高，此研究课题具有深远的现实意义。

国内外研究现状

1.1路面沉积物的概念

国外学者对路面沉积物的研究始于1975年。《自然》杂志发表的一篇文章“城市路面沉积物中的铅”将其描述为“街道灰尘”。随后，诸多学者对美国12个城市的路面沉积物中营养盐和重金属污染进行了调查。之后，有关路面沉积物污染及其空间分配差异的研究迅速发展起来，这其中又以重金属污染的研究成果最多，近年来也在污染物的形态分级、污染物来源的判断分析等方面取得了很大进展。另一方面，随着非点源污染的加剧，人们逐渐认识到路面沉积物与径流污染的联系，并提出了将路面沉积物看作径流污染的“源”要素，重视“路面沉积物对水环境污染的意义”的观点。在这类研究中，路面沉积物往往以“Road Deposited sediment”RDS的方式表述，重点研究灰尘污染的聚积规律及其影响因素。

国内对路面沉积物的关注始于20世纪90年代初期。在成都进行了一系列“街道地表物”的研究，随后在西安、北京、上海、广州和哈尔滨等地都进行了相关研究。城市街道灰尘这个概念被描述为“道路灰尘”、“地表积累物”、“街道灰尘”、“街道表面”、“路面沉积物”等。虽然研究角度各不相同，但大多数研究都较为关注路面沉积物的物理特性以及重金属的污染特征，而关于污染物的时空差异和积累规律的研究很少。

多位学者为“路面沉积物”的概念给了定义。Day JP等将路面沉积物定义为分布在城市不同区域的颗粒尺寸小于20目的固体颗粒；Sutherland等人定义的路面沉积物是一种携带各种污染物的复杂环境介质；杜佩轩等人将其定义为“城市不同区域散落的表面固体颗粒物，包括街道灰尘，区域灰尘和大气灰尘”，或者“灰尘(环境行业通用术语)实际上是指城市垃圾尘土”；Banerjee等人相信路面沉积物是来自不同源的气态、液态和固态物质相互作用的产物，是人类生产生活的产物，路面沉积物中元素的种类和含量反映了该区域生产生活的特点。常靖等人认为大气沉降和城市路面交通、工业生产、建筑物建造等各种非点源产生的颗粒物，将在风力、水力和重力的相互作用下，积聚在城市的不透水面上形成了路面沉积物。

1.2路面沉积物的产生

作为人类活动最强烈的区域，城市是人类活动与自然环境相互作用的典型区域。随着城市化进程的加快，作为除生活污水和工业废水之外的第二大城市水污染源，城市不透水下垫面的路面径流逐渐成为城市水环境质量恶化的主要原因，同时也带来了诸多地区生态环境问题。

交通道路的路面径流污染源主要包括交通源排污，以及大气的干、湿沉降。交通源排污包括轮胎和道路建筑材料的磨损、运输货物的泄漏、制动器装置的磨损、轮胎夹带等产生的颗粒物、重金属，有机物、油脂和脂肪、机动车尾气、燃料泄漏等，这是研究中最常见的污染源；大气干沉降是指各种来源的颗粒物，包括区域内和外源的土壤颗粒以及因重力而自然沉降于路面形成的污染物，如城市基础设施建设、工业生产和人类生活中产生的煤燃烧烟尘、建筑灰尘、工业粉尘等。交通源污染输入和大气干沉降表明在晴天时污染物在路面累积成为路面沉积物，而在下雨期间路面沉积物随着大气湿沉降携带的少量污染物随雨水径流冲刷，最终进入受纳水体并造成严重的水污染。

1.3路面沉积物的危害

城市道路沉积物是城市生态系统的重要组成部分，其质量好坏与城市水环境质量、大气环境质量、生态环境质量以及人口健康质量均密切相关。目前的某些研究表明，城市表面沉积物既是城市的纳污场和净化场，也是城市水环境、大气环境和土壤环境的二次污染源。路面沉积物的污染可分为动力污染、地理污染、循环污染和人类污染这四种类型。在外部动力的作用下，路面沉积物会重新悬浮在空气中，通过呼吸作用或者皮肤接触等途径危害人体健康；同时，由于风力或人力的作用，路面沉积物会积聚在土壤表面并通过渗透对土壤和植物造成污染；除此之外，通过雨水侵蚀、地表径流或在适宜的环境条件下，路面沉积物中积累的污染物可以被重新释放入地下水体中，最终可能通过食物链进入人体并对人体健康造成严重的危害。

1.4路面沉积物对路面径流的污染贡献

城市化的快速发展使得不透水面迅速增加，形成了与自然表面不同的“城市第二自然地理格局”，使得表面污染物的转移与转化不同于自然地理环境的物质循环模式。城市路面沉积物不仅造成交通道路污染，而且与大气污染和水环境污染密切相关。其中，城市路面径流是污染的重要来源。晴天时，路面沉积物会累积在地表上，雨期则随着径流冲刷排放，成为城市接纳水域污染和城市河口水质恶化的重要来源。沉积物对径流中污染物的增加作用显着，其后果是城市路面径流这一污染的危害程度加剧，导致城市水环境进一步恶化。一般来说，我们可以简单地将路面沉积物的污染概括为“晴天累积、雨天冲刷”这一重复过程，因此就有必要对路面沉积物进行严格的监测和详细地研究，而这对于了解区域环境污染、保护城市水体生态环境有着重要的现实意义

1.5国内外研究现状

1.5.1路面沉积物中重金属的研究

（1）重金属的含量及空间分布特征

国外许多学者从20世纪80年代就开始研究路面沉积物中有关重金属污染的问题，经过几十年的发展，在路面沉积物中重金属含量的测定方法、重金属的存在形态、生物有效性分析以及重金属来源判断等方面取得了丰硕的研究成果。对路面沉积物中重金属的研究主要集中在铅、锌、铜、铬、镉、镍等元素上，表1.1列出了国外多座城市路面沉积物中重金属的种类和含量。

地点	重金属种类及含量
	Pb	Zn	Cu	Cr	Cd	Ni
兰开斯特	1090	260	75	—	3.66	—
伦敦	2100	539	108	—	2.7	—
纽约	2582.5	1811	355	—	8	—
克赖斯特彻奇	1090.5	548	137.3	—	1	—
伦敦	3030	1174	197	—	6.5	—
首尔	245	296	101	—	3	—
巴林	679.2	151.8	—	144.4	2	126
汉城	245	296	101	—	3	—
马德里	192.7	467	188	61	—	44
奥斯陆	180	412	123	—	1.4	41
汉密尔顿	214	645	129	—	4.1	—
大田	60～52	172～214	47～57	—	—	—
加尔各答	536	159	44	54	—	42
檀香山	106	434	167	273	—	27～32.8
萨洛尼卡	214	645	129	—	4.1	—
渥太华	39.05	112.5	65.84	43.3	0.33	15.2
伯明翰	48	534	466.9	—	1.62	41.1
考文垂	47.1	385.7	226.4	—	0.9	129.7
阿维莱斯	514	4829	183	41.6	22.3	27.5
曼彻斯特	265	653	113	—	—	—
伊斯坦布尔	36.15	387.98	26.43	11.15	4.24	—
约兹加特	266	98	38	41	5.4	128
罗安达	315	317	42	26	1.1	10
达卡	74	154	46	—	—	26
开塞利	165.5	—	66.7	72.8	0.1	57

同样地，国内许多研究学者先后在国内的26个城市中针对路面沉积物进行了采样研究，表1.2列出了国内多座城市路面沉积物中重金属的种类和含量。

地点	重金属种类及含量
	Pb	Zn	Cu	Cr	Cd	Ni
上海	781.82	1540.4	177.8	329.56	0.89	79.44
北京	60.6	207.69	52.01	—	0.85	27.6
西安	55.8	148.74	42.44	122.41	0.16	35.4
长沙	135	387.55	51.48	312.52	2.17	—
成都	175.9	459.11	152.62	109.12	0.51	86
广州	901	—	604.2	—	11.25	—
贵阳	207	648	109	—	5.92	—
邯郸	36	—	56.3	52.2	0.16	—
杭州	142	236.2	96.8	—	1.18	—
合肥	147	494	91.1	—	1.3	—
金华	143.85	668.14	121.76	177.53	—	40.5
九寨沟	87.5	497.5	118	—	—	—
兰州	76.96	237.79	41.22	80.69	—	39.47
南京	222.27	573.67	163.9	146.41	5.03	42.36
泉州	600.4	1831.6	273.9	114.1	—	48.79
沈阳	106.26	334.47	81.33	—	4.35	—
石家庄	137.86	880.57	97.7	124.03	3.67	40.8
保定	279	416	177	225	2.84	—
乌鲁木齐	82.71	549.01	81.06	109.69	—	—
芜湖	129.21	301.44	141.34	96.43	2.79	22.11
咸阳	52.73	—	177.19	—	0.13	—
宝鸡	408.4	715.1	123.3	126.7	5.5	—
香港	150.5	3840	141.5	124	3.77	28.6
镇江	223	510	98	126	—	109
郑州	227.01	317	22.66	84.59	—	37.6
重庆	75.62	169.67	79.38	87.26	4.95	22.17

注：“—”代表文献未给出。

（2）重金属的分析方法

近年来，诸如EDXRF，ICP-MS，ICP-AES和INAA等仪器变得更加完善，可以在路面沉积物中分析多达20到30种微量元素，其中有许多元素在之前的研究中并没有得到足够的关注，如As、Sb和Pt等。De Migule等人使用ICP-MS对马德里和奥斯陆市的路面沉积物进行了多元素分析。拉斯穆森等人采用冷原子吸收光谱法和ICP-MS分析加拿大渥太华的室内灰尘、路面沉积物和土壤中的Hg等31种元素的含量。Yeung等人使用EDXRF分析了香港不同地区的路面沉积物中的23种元素，并获得了香港路面沉积物中重金属的分布情况，与其他城市相比，发现香港的路面沉积物中含有较高的Cl和Ca。通过多元素分析，可以及时监测路面沉积物中重金属的污染情况，更好地分析来源。

（3）重金属的形态研究

重金属形式是指环境中某一重金属元素的实际形式，通常是离子或分子。重金属由于形态不同可能会表现出不同的毒性和环境行为。目前重金属形态还没有统一的定义和分类方法。常见的重金属形态分析方法如下：Tessie等人将沉积物或土壤中的重金属形式分为五种形式：可交换态、碳酸盐结合态、铁锰结合态、有机结合态和残余态。Cambrdl认为土壤和沉积物中的重金属形式有7种，即水溶态、易交换态、硫化物沉淀、无机化合物沉淀、氢氧化物沉淀或吸附、大分子腐殖质结合和残留态；为了整合各种不同的分类和操作方法，欧洲参考交流局BCR提出了一种相对较新的分类方法，将重金属的形式分为四种类型，即可氧化态，可还原态，酸溶态，残渣态。

不同形态的重金属具有不同的化学活性和生物有效性，对周围环境和人体健康有不同的影响。因此，国内外学者对重金属化学形态和形态的转化进行了广泛的研究。Anju发现印度德里的路面沉积物中的铅主要处于残渣态。周开胜等发现镉通常存在于润滑油、汽油、工业和焚烧炉排放物中，并以铁锰结合态，残留态和有机物结合态的形式出现。高连存等人发现，路面沉积物中的Cr主要为残渣状态，Cu主要处于有机结合状态，Pb和Zn主要处于铁锰结合状态。根据以前的研究可以看出，同一种重金属在不同的城市可能会出现不同的形态。

1.5.2路面沉积物的粒径组成研究

大量的研究表明，随着沉积物粒径的减小，路面沉积物中大部分元素的含量增加。当沉积物粒度分布发生变化时，其吸附量也会发生变化，这将影响沉积物中所含元素的量。通常，粒径越小，比表面积和表面吸附力越大，吸附污染物含量越高，43m的细颗粒物仅占总重量的6%，却占重金属污染的50%和氮磷营养的33%～50%。此外，路面沉积物对人体和环境的危害程度与灰尘颗粒的粒径有直接的关系。颗粒的大小和形状决定了颗粒最终会进入人体的位置，大于10微米的颗粒会被人的鼻子挡住；5-10微米的颗粒会被呼吸道阻挡；小于2.5m的颗粒会进入肺泡并可能导致心脏问题和与肺功能障碍有关的疾病。目前大多数研究都分析粒径小于某一值的路面沉积物：500m的颗粒用于研究pH和粒径；250m的颗粒用于分析有机质；125m的颗粒用于分析重金属的总量和形态；63m的颗粒用于分析重金属含量。

目前国内外研究路面沉积物粒径不统一。例如，Ferreira和De Miguelb研究了直径100m的沉积物中重金属的含量;Diana等人测定200m沉积物中的重金属；刘春华等测定城市中100m沉积物中的重金属含量；李海雯等人测定了上海过120目路面沉积物中重金属的含量。此外，灰尘中重金属的不同颗粒级别的分级也有很大不同。例如，Marek等人将华沙的室内灰尘粒度分为7个等级，并测量500m的粉尘中重金属的含量；Emanuela等人用同样的划分方法测量了化工厂附近路面沉积物中15种重金属的含量；Wang等人将采集的沉积物样本粒径分成三个等级（500m），并分析各粒径级数的重金属含量；田辉等人通过筛分将路面沉积物分为11个等级，测定相关重金属的含量。

2. 研究的基本内容

本论文主要研究表层沉积物中营养盐（tn、tp）的浓度和污染负荷并，主要研究内容有以下几点：

1.根据下垫面材料类型将采样区域划分为道路路面和屋顶表面，通过颗粒分析实验，画出颗粒粒度分布特征图，分析表层沉积物中颗粒的粒径分布特征，比较两者之间的差异；

2.根据实验数据，画出表层沉积物不同粒度中tn和tp浓度变化图，研究路面和屋面这两种不同类型的不透水面材料沉积物中tn和tp的浓度变化规律并比较两者之间的差异及其带来的影响；

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3. 实施方案、进度安排及预期效果

实施方案

1.将已采集好的样品进行预处理：在自然条件下干燥2周，然后在105℃的烘箱中干燥24h至恒重。

2.预处理过的样品经过不锈钢筛进行分离，分别为63m，63-90m，90-125m，125-250mm，250-500m，500-850m，850m这6个粒径级别。

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4. 参考文献

[1] field r, pitt r e. urban storm-induced discharge impacts: us environmental protection

agency research program review[j]. water science and technology, 1990, 22(10/11) : 1-7

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