交通污染的磁学研究:污染物的空间分布、迁移过程及其影响因素

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wangyuan1984
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近年来,随着城市化进程的加快,工业生产、化石燃料的燃烧及汽车尾气排放等过程所产生的重金属污染,已严重地威胁着人类的健康并制约着城市的可持续发展。截止2014年,全国汽车保有量达到15447万辆,高速公路总里程已达到111918公里,交通活动造成的重金属污染已成为当前城市发展过程中急需解决的重要问题之一。化学分析作为传统的污染检测方法,采样时常采用网格式布点的方法,具有一定的盲目性,且在大规模的重金属污染调查时,费时费力,成本高,因此急需发展一种快速经济的测试方法,能为详细的化学分析在样品或样点的选取上提供一定的理论及方向指导。环境磁学手段具有快速、灵敏、高效、对环境无破坏及获取信息量大等特点,重要的是其获取数据快,在野外布点时可根据现场测试结果随时调整布点方案,可以弥补化学分析的盲目性,因此,正逐步成为当前城市环境监测的一个新的发展方向。本论文以环境磁学为手段,结合地球化学分析来研究交通污染物在道路两侧的三维(3D)立体分布模式,并设立多个监测点,对交通污染物随时间的迁移过程进行连续的监测,此外,定量化的分析了交通污染在路边迁移过程的影响因素。  首先,本文对安徽省铜陵市以东约3km的西湖转盘S320省道两侧承受多年交通污染的路边土壤进行了磁学参数与重金属元素含量的测定与分析。磁学参数表明磁性矿物主要以粗颗粒的软磁性矿物(磁铁矿,磁赤铁矿)为主,结合电子扫描(SEM)图像,认为这些粗颗粒的磁性矿物主要来自于人类活动。路南路北表土野外磁化率值与重金属元素含量总体上表现出在路边10米的范围内随路边的距离增大而降低,在分布细节上略有不同,可能与磁性颗粒和重金属元素的搬运及沉降模式不同有关。路南路北对称,说明为典型的道路交通污染信号。路南钻孔数据显示,交通污染在土壤剖面中发生了垂向迁移,迁移深度在距地表5cm内。磁化率(x)、饱和等温剩磁(SIRM)与Cu,Pb,Zn,Fe,Cd,Sb具有显著地正相关关系,Pearson相关系数达到了0.79-0.99。结合聚类分析结果,表明磁学参数可以很好的指示交通污染所产生的重金属在土壤剖面上的迁移历史。尽管研究区土壤为成分复杂且已被污染过的回填土,但实验结果显示当污染磁信号远强于背景磁信号的情况下,磁学参数可以很好的作为重金属污染研究的替代性指标。因此,在无法获取更好的研究材料时,城市周围的回填土也可能作为污染研究的理想材料。  其次,在以上的研究基础上,我们在铜陵市及南京市设立四个监测点。监测点选取的原则是具有不同的车流量,地形及气象条件等,南京监测点主要作为铜陵监测点的参照点。铜陵市第一监测点是将原来受到污染的原土移走,开挖长12米,宽5米,深70cm的坑,然后填入磁性矿物及重金属元素含量都很低的自然土壤,这样可以保证在后期的监测结果中将自然背景与污染信号很容易的区分开来。铜陵市第二监测点及南京市鼓楼和玄武湖监测点设置在新铺的草皮上。通过对监测点进行定期的地表及剖面磁学参数的测试来监测交通污染随时间的具体迁移过程。监测结果显示,铜陵两个监测点的地表磁化率值随时间呈现增大的趋势,且磁化率随距路边距离的增加呈指数式下降,为典型的交通污染信号。而南京市两个监测点的结果与铜陵市截然不同,连续监测结果显示随着时间的推移,地表磁化率值不但没有增加,反而呈现出一定的减少趋势,且磁化率随距路边距离的增加变化不明显,说明监测点没有受到明显的交通活动影响。  为了揭示交通污染迁移过程的影响因素,我们计算了各个监测点监测时段内的交通污染累积量与累积速率,然后将各个监测点的监测结果进行了对比分析。结果发现铜陵市两个监测点的交通污染累积量是一个时间变量,即随时间的推移,其污染累积量不断增加,而南京鼓楼和玄武湖监测点的污染累积量随时间的推移不断的降低,其原因是地形的影响及车流量过少导致监测点地表磁化率的累积慢于其磁化率的消耗(如降雨的冲刷作用)。除了时间,地形及车流量的影响外,气象条件也是不容忽视的。污染累积速率与气象数据之间的相关分析表明,污染累积速率与降雨量及东北风(上风向)频率之间存在显著的负相关(r=-0.67,p=0.05; r=-0.78,p=0.02),而与南风(下风向)频率之间存在一定的正相关性(r=0.63,p=0.09)。由于监测周期有限,关于交通污染影响因素的探讨只是一个初步的工作,更深入的工作需要更多,更长时间尺度的连续监测数据。
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