上海市城市粉塵重金屬含量空間分布特征

上海市城市粉塵重金屬含量空間分布特征

1城市灰炭控制技術研究在三種物質(zhì)（土壤、灰塵和沉積物）中，灰塵是最常見的，對人類健康有顯著影響（hatal.，2006）?；覊m是由細干土壤和其他材料的顆粒組成的。與土壤不同，在一定的外部環(huán)境條件下很容易生長，它會被呼吸道和皮膚吸收，并直接暴露于人類健康。城市灰塵是城市環(huán)境的重要水源。它們在城市土壤中非常常見。顆粒的主要化學成分可分為四種類型：可溶性成分（大多數(shù)無機酸離子）、有機成分、顆粒和碳元素。其中的元素對人類和環(huán)境有顯著影響。在城市灰塵中沉積的常見元素包括cr、cu、ni、pb和zn。這五個元素是國內(nèi)外研究的重要因素。它們累積在城市塵土中，對環(huán)境的重要指導作用和污染事件中具有重要的指導作用。目前,有關城市灰塵中重金屬的研究一方面?zhèn)戎赜趯覊m中重金屬含量的調(diào)查與來源研究(Anju,2003;Naimetal.,2003;Omar,2004;Serifeetal.,2006),另一方面通過對灰塵中重金屬空間分布特征研究來分析重金屬遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律(Andreas,1999;Hanetal.,2006).地理信息系統(tǒng)(GIS)作為重要空間分析技術已廣泛應用于區(qū)域環(huán)境污染過程分析中,為環(huán)境污染過程的時空變異分析提供了便捷、高效的可視化分析手段,并提高了分析結(jié)果的可靠性,為重金屬污染的原位治理提供了決策依據(jù)(曹堯東等,2005).基于ArcGIS地統(tǒng)計分析模塊,本研究以上海市外環(huán)以內(nèi)為研究區(qū)域,對上海市城市街道和公園灰塵中重金屬Pb、Cr、Cu、Ni、Zn含量水平與空間分布特征進行了研究.2研究領域的概論和方法研究方法2.1外來人口的大量使用,城市工上海地處長江三角洲前緣,東臨東海,南接杭州灣.四季分明、雨量充沛.全市面積6340.50km2,2005年底全市共有常住人口1778萬,其中外環(huán)內(nèi)人口近1100萬1.全市共有各類機動車210多萬輛.煤是上海生產(chǎn)消費的主要能源,2004年原煤消耗量達到862.14×104t.2004年廢氣排放總量達到9466×108m3,其中工業(yè)廢氣8834×108m3,占93.3%.外環(huán)以內(nèi)地區(qū)是上海人口密集,工商業(yè)最繁華的地區(qū),雖然隨著城市規(guī)模的擴大,城市人口已經(jīng)逐步向外擴散,工業(yè)區(qū)也基本移到了遠郊,但外環(huán)以內(nèi)區(qū)域仍是人類活動最頻繁的中心區(qū).2.2有機質(zhì)含量測定上海外環(huán)內(nèi)街道灰塵采取網(wǎng)格布點法,在每個網(wǎng)格中心點附近的交通路口用毛刷掃取表面灰塵采集樣品193個,公園門口馬路上用毛刷掃取表面灰塵獲取樣品44個.在低溫下烘干后,過65目尼龍網(wǎng)篩測定有機質(zhì)含量,過120目尼龍網(wǎng)篩測定重金屬含量,重金屬的測定項目有Cu、Zn、Pb、Cr、Ni.有機質(zhì)含量的測定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法;灰塵樣品經(jīng)采用酸熔法(HNO3-HClO4-HF)加熱消解后,采用PerkinElmer公司生產(chǎn)的AANALYST800型原子吸收光譜儀火焰法測定.在重金屬元素的分析測定中采用國家標準土壤樣品(GSS-6)進行全過程的分析質(zhì)量控制.利用ArcGIS軟件將GPS測得的采樣點位置轉(zhuǎn)化為地圖空間點,并進行投影轉(zhuǎn)換和圖層疊加后,生成采樣點分布圖1.3結(jié)果結(jié)果3.1重金屬含量總體水平從表1重金屬含量統(tǒng)計分析看出,上海城市灰3.2期望概率分布利用ArcGIS地統(tǒng)計分析工具對灰塵中重金屬含量的空間特征預分析包括3個步驟:數(shù)據(jù)分布頻率分析(直方圖,Histogram)、數(shù)學期望概率分布(NormalQ-QProbabilityPlot)和空間分布趨勢分析(TrendAnalysis).預分析結(jié)果表明,Pb、Cu、Ni、Zn均屬于對數(shù)正態(tài)分布(見表2),Cr為非正態(tài)分布;Pb、Cu、Zn、Cr和有機質(zhì)為二次函數(shù)趨勢(見圖2),其中Pb、Cu和Cr趨勢比較平穩(wěn),而Zn和有機質(zhì)二次函數(shù)趨勢明顯.因此,在對灰塵重金屬空間插值預測時需剔除趨勢,以減小插值造成的誤差.3.3清除重金屬污染的空間分布特征3.3.1基于不同情況的插值預測克里格法(Kriging)從統(tǒng)計學意義上講,是從變量相關性和變異性出發(fā),在有限區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量的取值進行無偏、最優(yōu)估計的一種方法;從空間插值角度講,是對空間分布的數(shù)據(jù)求線性最優(yōu)、無偏內(nèi)插估計的一種方法(劉付程等,2004;蘇姝等,2004;張仁鐸,2005).克里格法包括普通克里格法(OrdinaryKriging,簡稱OK)、簡單克里格法(SimpleKriging,簡稱SK)、泛克里格法、概率克里格法、指示克里格法、析取克里格法和協(xié)同克里格法等(王政權(quán),1999;張仁鐸,2005).實際操作時根據(jù)不同情況選擇插值方法.其中比較常用的是普通克里格法,它要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布,避免比例效應,抬高塊金值和基臺值,降低估計精度,使某些潛在的特征不明顯(郭旭東等,2000).由表2可知,Pb、Zn、Cu、Ni數(shù)據(jù)符合對數(shù)正態(tài)分布,滿足普通克里格插值要求,因此采用普通克里格插值預測法;Cr為非正態(tài)分布,則選擇簡單克里格插值預測法(曾杉,2002).插值預測所選用方法和模型見表標準化平均誤差與均方根誤差fmse的比較利用Kriging模型對重金屬進行空間插值時,必須符合一定的評判標準才能進行.評判標準主要包括:①空間預測值的平均誤差(ME)絕對值最接近于0;②標準化平均誤差(MSE)最接近于0;③平均標準誤差(ASE)與均方根誤差(RMSE)越接近,模擬的越好;④標準化均方根誤差(RMSSE)最接近于1(曾杉,2002).表4的檢驗結(jié)果表明,利用OrdinaryKriging對Pb、Zn、Cu、Ni和利用SimpleKriging對Cr進行空間插值預測的可靠性較高.重金屬預測值的均方根誤差均較大,這可能與重金屬含量的區(qū)域差異比較大有關,如Pb的區(qū)域含量變化范圍為28～4443mg·kg-城市基層重金屬分布格局灰塵中的重金屬具有多源性,城市灰塵自然源主要有土壤母質(zhì)灰塵,大氣沉降影響;主要人為源有建筑工地、裸露地表、路面及交通工具的磨損等(Anju,2003;Naimetal.,2003;Omar,2004;Serifeetal.,2006).灰塵又極易被揚起,所以其分布與其擴散途徑有著密切的關系,同時也和它的存在位置(有無遮擋物)以及盛行風向有關.從結(jié)構(gòu)性因素的角度來看,克里格插值系數(shù)基底值與基臺值的比值可以反映出變量空間相關程度.當比值低于25%,說明物質(zhì)系統(tǒng)具有強烈的空間相關性,其空間變異主要是由土壤母質(zhì)、地形、氣候等非人為因素(空間自相關部分)引起;比值在25%～75%之間時,表明系統(tǒng)具有中等相關性;當比值大于75%,說明系統(tǒng)相關性很弱(李哈濱等,1999;李曉燕等,2004;曹堯東等,2005).從表4可以看出,Pb,Cu空間相關性最差,基底值與基臺值大于75%,說明它們之間產(chǎn)生的空間變異主要由人類活動引起,即汽車尾氣、輪胎磨損以及工業(yè)排污等;其它幾種重金屬及有機質(zhì)屬于空間中等相關,說明引起變異的因素相對復雜,隨機因素和結(jié)構(gòu)性因素都占據(jù)重要的地位.相對而言,Zn的變異主要由隨機或人為因素引起,占65%;而Cr和Ni受土壤母質(zhì)或地形等結(jié)構(gòu)性因素影響占56%和58%.通過SPSS軟件對灰塵中Pb、Cr、Cu、Ni、Zn以及灰塵中有機質(zhì)進行Spearman相關分析(見表5),結(jié)果表明,重金屬元素間Cu-Pb、Cu-Zn、Pb-Zn存在顯著的正相關關系,說明Cu、Pb、Zn在接受外界污染時可能存在一定的相似性,或者有相同的污染源,如汽車尾氣、車輛輪胎磨損等;其它重金屬元素含量間也有較高的相關系數(shù),說明上海城市灰塵重金屬存在復合污染,而重金屬的來源有多元性和復雜性;5種重金屬均與有機質(zhì)存在一定正相關關系,這可能由于污染源輸入污染物質(zhì)的同時排出有機質(zhì),而重金屬容易粘附于有機質(zhì)存在于灰塵之中有一定的關系.由圖3可以看出,重金屬的空間分布格局,上海市內(nèi)環(huán)區(qū)域5種重金屬含量水平普遍高于內(nèi)環(huán)以外區(qū)域,Zn、Pb、Cu分布規(guī)律從外環(huán)向內(nèi)環(huán)含量出現(xiàn)遞增.隨著上海城市的發(fā)展,內(nèi)環(huán)區(qū)域內(nèi)已經(jīng)基本沒有工業(yè)企業(yè),中心城區(qū)人口密度大,道路交通流量大,所以推斷Pb、Zn、Cu最主要源于車輛尾氣和車輪磨損.表6顯示了不同等級交通干道重金屬平均含量,可以看出主干道Pb、Cu、Zn明顯高于次干道,內(nèi)環(huán)線內(nèi)尤為突出,說明交通是影響Cu、Zn、Pb含量的最重要的因素.同時,由于中心城區(qū)是建國初期上海的工業(yè)重地,所以早期工業(yè)污染殘留對灰塵重金屬也有不可忽視的作用.Pb含量在徐匯區(qū)(漕河涇新興工業(yè)區(qū))較高,表明工業(yè)對Pb污染的重要貢獻.環(huán)線內(nèi)Ni的含量比較平均,浦東新區(qū)含量普遍較高.浦東新區(qū)地勢東南高西北低,上世紀70年代前后部分地勢較低的鎮(zhèn)村大面積應用疏浚底泥,較高的Ni含量可能與土壤遭到底泥污染而間接影響土壤灰塵有關(邵立明,2003;姚春霞,2005).Cr的分布特征是總體較低,基本呈現(xiàn)出南低北高的趨勢,含量較高的區(qū)域沒有明顯特征,而外環(huán)線內(nèi)Cr含量北部較高可能與寶山工業(yè)區(qū)有關.3.4cb和pb污染由于目前還沒有灰塵的質(zhì)量評價標準可以遵循,國內(nèi)外研究多采用土壤標準(田暉,2005)進行評價,所以,本研究采用國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB15618-1995)對上海城市灰塵污染現(xiàn)狀進行評價.國標規(guī)定當pH>6.5時,土壤Cu、Pb、Zn、Ni、Cr的二級污染標準分別為100、350、300、60、350mg·kg-1.根據(jù)國家標準,上海整個外環(huán)區(qū)域Cu含量均超過國家二級標準,內(nèi)環(huán)內(nèi)污染尤為嚴重;Pb污染主要集中在內(nèi)環(huán)浦西段,特別是中心城區(qū)以及虹口和閘北交界處Pb含量超過二級標準,徐匯漕河涇新興工業(yè)區(qū)和閔行部分地區(qū)更為嚴重,超出了三級標準,Pb污染已經(jīng)比較嚴重;灰塵中重金屬Zn污染最為嚴重,外環(huán)以內(nèi)基本上都超過了國家三級標準,僅寶山、普陀、嘉定和浦東新區(qū)部分外環(huán)附近地區(qū)達到國家三級標準,但也都超過了二級;外環(huán)內(nèi)大部分區(qū)域同樣受到Ni污染,除寶山、普陀、楊浦、長寧小面積區(qū)域符合二級標準,外環(huán)線內(nèi)絕大部分超過了國家二級標準,浦東外環(huán)附近甚至超過了國家三級標準;Cr污染相對較輕,只有在寶山區(qū)靠近黃浦江口處超出了國家二級標準,外環(huán)內(nèi)其他區(qū)域均能達到國家二級標準.4重金屬cu、zn和pb的來源1)上海城市灰塵重金屬平均含量水平較高,Pb、Cr、Cu、Ni、Zn平均含量分別為273.45、144.01、190.01、86.26、708.25mg·kg-1,分別高出上海地區(qū)土壤背景值10.7、1.9、6.6、2.7、8.2倍.2)對重金屬進行地統(tǒng)計分析表明,上海城市灰塵中重金屬Cu、Zn和Pb具有相似的污染源.Pb和Cu為空間弱相關,變異主要由隨機因素造成,即車輛尾氣、輪胎摩擦及工業(yè)影響等;Zn、Cr、Ni及有機質(zhì)為中等相關,結(jié)構(gòu)性因素和隨機因素都起了重要的作用.3)上海城市灰塵重金屬污染克里格插值圖表明,研究區(qū)域主要污染為Pb、Zn、Ni污染,內(nèi)環(huán)線內(nèi)重金屬含