城市灰尘概念_研究内容与方法_杜佩轩

文章编号:1001-6996(2004)01-0073-07

城市灰尘概念、研究内容与方法

杜佩轩1,田 晖2,韩永明3

(11长安大学,西安 710054;21杭州职业技术学院,杭州 310002;

31中国科学院地球环境研究所,西安 710054)

摘 要:城市灰尘(urban dust)是指粒径小于20目(<01920mm),分散于城市

不同区域(位置、功能区)的表面固体颗粒物。城市灰尘环境污染是指城市灰尘对

城市环境所造成的污染。研究城市灰尘的目的是研究其物质来源、物质成分、分布

规律、迁移演化、污染效应、防治治理等。文中论述了城市灰尘及其环境污染的科

学定义、研究内容、研究方法。

关 键 词:城市灰尘;环境污染;概念;内容与方法;环境效应

中图分类号:X501 文献标识码:A

城市灰尘污染属城市环境学研究的内容之一。城市灰尘污染、城市大气污染、城市水污染、城市热岛效应、城市光化学烟雾等,构成了城市环境灾害系统,成为城市环境重点预警、防治、治理的对象。城市灰尘污染目前尚未被人们所认识,实际上城市灰尘及其在城市环境中的作用,是完全不能够被忽视的。城市灰尘污染可以作为城市环境学中的一个科学研究分支。

1 城市灰尘概念

111 城市灰尘概念提出

20世纪70年代中期国外便开始了城市灰尘的研究,当时,5自然6杂志上刊登了第一篇关于城市灰尘的论文,/城市街道灰尘中的铅0(Day et al,1975),首次提出了/城市街道灰尘0的名称。20世纪70年代中期到20世纪80年代中期,国外不同国家、不同城市开展了不同程度的城市灰尘环境污染勘查,发表了城市街道灰尘(Harrison et al,1981)、城市公园和花园路边灰尘(Tam et al,1987)、城市道路灰尘(Culbard et al,1988)等多篇论文,研究者以城市不同区位灰尘中的颗粒物和重金属为研究对象,论述了不同功能区城市灰尘的作用及危害等。

20世纪80年代中期至今,国外对城市灰尘的研究出现了较多的报道,其研究对象多集中在街道灰尘(street dust)、道路灰尘(road dust)、道路边土壤(roadside soil)、室内灰尘 收稿日期:2004-05-10

作者简介:杜佩轩,男,1955年生,教授,硕士研究生导师,享受国务院政府特殊津贴专家,主要从事矿产、环境、农业、海洋勘查地球化学教学和科研。

第22卷 第1期 陕西地质GEOLOGY OF SHAANXI

2004年6月

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(house dust)、土壤灰尘(soil dust)、城市土壤(urban soil)等。城市灰尘的物理化学性质是研究的主体,其物理性质集中在PM215和PM10,因为此二类颗粒物对人体可以造成直接威害,其化学性质集中在城市灰尘中的重金属,特别是城市灰尘中的/铅0,以及城市灰尘/铅0和儿童血液/铅0、人体/铅0的关系等。总体以研究城市灰尘的分布分配、物质组成、迁移演化、环境效应等为主体,明确提出了/城市灰尘(urban dust)0的名称(Dong et al,1984;Culbard et al,1988)。

国外对城市灰尘的研究比较重视,取得了值得借鉴的许多成果,但对城市灰尘的概念和研究对象缺乏统一的认识,在术语含义和研究对象上有极大的差异性,这样必然造成采样物质和灰尘概念的混乱。我国对城市灰尘环境污染问题,不曾引起环境行业的认可、理解、重视,对城市灰尘环境污染缺乏足够的认识,城市灰尘环境污染研究属盲点。1996年长安大学开展了对城市灰尘环境污染的研究,进行了西安市城市灰尘和护城河淤泥勘查研究,提出了城市灰尘的概念(杜佩轩等,2002)。

112城市灰尘概念演化

1995年初,我们在一个大约50m2的/矿床陈列室0,清理了5推车尘土(至少115吨重),尘土的颜色普遍为细粒黑灰色。/矿床陈列室0是一个极为封闭的环境,由门和窗户钻入的尘土却如此之多,到底多长时间渗入这些尘土?无从考证。由大气和城市所造成的城市尘土如此庞大,它的/量0和/质0是需要深入研究的一个城市环境问题。同时,西安市所飞行的/麻雀0其颜色均为灰黑色,即炭黑色,犹如从大烟囱中刚刚爬出。此现象,反映出西安市燃煤结构为煤烟型(以SO2和颗粒物排放为主),其大气颗粒物/质量差0,而且/碳化0严重;其次反映出西安市的尘土/量0非常大,其具备了/量0大/质0差的特点。因此,城市/尘土0为/城市环境污染物0,可以作为城市环境污染研究的对象,同时认识到城市/尘土0可以作为城市环境研究的内容之一。/尘土0被后来命名为/灰尘0。

基于上述提出的问题和认识,借助国家/850科技攻关课题85-902-07-06和/950科技攻关课题96-915-07-04的资助,结合本科生毕业论文的编写,我们从研究城市/淤泥0的物质组成入手,开始了西安市护城河淤泥的勘查研究;开展了西安市街道/表土0的勘查研究。当时定名的西安市街道/表土0(表层土壤),后来更名为西安市街道垃圾/尘土0,一则感到/表土0涉及面太广,属土壤学研究范畴,而研究对象与土壤的概念和含意相差甚远;二则勘查研究的样品基本上为街道垃圾)/尘土0。所以用尘土概括研究对象比较确切,为此使用了街道垃圾)/尘土0的概念。

城市/尘土0不仅分布在街道,街道以外的街区、社区(居民区)、园区(公园)、商区(商业区)、厂区(工厂)、校区(院校)、政区(政务区)、医区(医院)等均有分布,除此而外散落在室内的累积尘土也属于城市尘土的一部分。城市尘土在不同功能区的分布、粒度、性质、成分等是有差异的。1998年设立硕士研究生毕业论文题目进行系统研究,2000年在立题论证中,西安市环境监测站曾一兵研究员建议将/尘土0改为/灰尘0,加之国外所研究的城市灰尘实际为城市/尘土0,又因为灰尘为环境行业通用术语,为此,我们启用了/城市灰尘0这一名称。

113城市灰尘概念

城市灰尘是指粒径小于20目(<01920mm),分散于城市不同区域(位置、功能区)

的表面固体颗粒物。按照城市灰尘的来源和颗粒物的性质,进一步划分为街道灰尘、区域灰尘、大气灰尘。城市灰尘的英文名称曾定名/City dust 0,为了便于统一认识还是沿用/ur -ban dust 0。

城市街道灰尘是指城市街道的垃圾灰尘颗粒物,灰尘粒径相对较粗,或粗粒级占有较大比例。该类灰尘由于受人流车流的影响,有害重金属大量吸着在颗粒物表面,特别是汽车尾气排放的铅(Pb),大大增加了街道灰尘的铅(Pb)含量,使得街道灰尘的铅(Pb)污染成为无可争辩的事实。同时诸如街道灰尘中的银(Ag)、砷(As)、汞(Hg )、镉(Cd)、锌(Zn)等元素,其含量也居高不下。

城市区域灰尘是指来源于不同区域或不同功能区的灰尘颗粒物,灰尘颗粒物的粒径相对较小,一般粒径小于50目(<01357mm,357L m)。区域灰尘一般来源于街区、社区(居民区)、园区(公园)、商区(商业区)、厂区(工厂)、校区(院校)、政区(政务区)、医区(医院)等不同功能区,其受人流车流的影响较小,重金属含量相对较低,除一些区域受行业因素影响外,区域灰尘的危害性相对较小。

城市大气灰尘是指来源于较为封闭环境中的灰尘颗粒物,物质以大气飘尘、降尘为主,一般粒径小于80目(<01196mm ,196L m)。粒径大于10L m 大气颗粒污染物,在重力作用下较短时间可以降落到地面,称为大气降尘;粒径小于10L m 大气颗粒污染物,能长期飘浮存留于大气中,称为大气飘尘。包括PM10(指空气动力学直径215~10L m 间的大气颗粒污染物)和PM215(指空气动力学直径[215L m 的大气颗粒污染物);PM 10通常指可吸入大气颗粒污染物(Znhalable particles),可以通过呼吸系统进入人体;PM 215通常指可入肺大气颗粒污染物(Resprable particles),可以通过呼吸系统进入人体肺泡。大气灰尘对环境侵害较大,特别是对人体可以造成直接伤害,增加了城市肺癌的发病率。大气灰尘中除了颗粒物危害外,细粒级的大气灰尘,其表面积大、吸附能力强、扩散范围广,由于吸附作用携带了大量有害重金属,增加了侵害的深度;又由于扩散作用大范围迅速蔓延,增强了侵害的广度。城市灰尘、大气飘尘、大气降尘可以相互转化,总趋势是城市灰尘向大气颗粒物方向改变。

114 城市灰尘环境污染

城市灰尘环境污染是指城市灰尘对城市环境所造成的污染。从物质属性上划分为城市灰尘颗粒物污染,城市灰尘重金属污染;从作用方式上划分为城市灰尘动力污染、城市灰尘地理污染、城市灰尘循环污染、城市灰尘人体污染。城市灰尘环境污染是研究城市灰尘的物质来源、物质成分、分布分配、迁移演化、污染效应、防治治理的理论与方法的学科,应属城市环境学研究的范畴。

2 城市灰尘环境污染研究

211 城市灰尘物质来源

城市灰尘的物质来源属城市灰尘环境污染研究的重要内容,城市灰尘的物质来源分为三类,其一为远程来源;其二近程来源;其三为市内来源。远程来源以三种形式迁入,一种为风成沙的作用;另一种为大气颗粒物的作用;另外一种为人为远程带入作用。近程来源为近75 第1期 杜佩轩等:城市灰尘概念、研究内容与方法

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程风力作用、近程带入作用、市郊混染作用。市内来源为市内建设作用、市内交通作用、市内汽车尾气、市内颗粒物排放等。城市灰尘的物质来源研究是城市灰尘防治、治理的基础,截源才能堵流。

212城市灰尘物质组成

城市灰尘物质组成研究沿用许多自然科学使用的基本方法,通过物质组成发现规律、揭示原理、寻求质的变化。城市灰尘粒径组成研究可以弄清灰尘的物理学性质,城市灰尘矿物组成研究可以弄清灰尘的矿物学性质,城市灰尘元素组成研究可以弄清灰尘的化学性质。城市灰尘物质组成研究是城市灰尘环境污染最基础、最本质的研究内容。

城市灰尘物质组成更深层次的研究,除了进行元素及其同位素含量测定外,要考虑超微粒(<66L m)物质研究,因为小于200目(<66L m)物质粒径分离要使用非常规方法。从物理学角度讲胶体颗粒级(<014L m)、介观物质(微米或亚微米级,包括108~1011个原子)、纳米级物质(包括9~10个原子,<011L m)其颗粒极小,可称为超微细物质;从化学角度讲离子、原子、分子、原子团、分子团、汽溶胶,其含量甚微,一般为ng/g、pg/ g含量水平。其城市灰尘对人体和环境造成危害的以超微细粒物质为主,因为超微细粒物质和粗粒、细粒、微细粒物质相比,它的物理性质、化学性质、环境学性质有本质的区别。仅就其在人体中的附着力(滞留时间)、对有害元素的结合力等都是有很大差异的。

城市灰尘中重金属及其有害物质的赋存状态研究,是城市灰尘物质组成研究的内容之一,因为不同赋存状态、不同价态的元素,其环境学效应是不同的,其缓解和治理的方法也是不一样的。

213城市灰尘分布分配规律

城市灰尘分布分配规律是指城市灰尘在各个区域或者各功能区的含量规律研究,这里的分布是指城市灰尘在总体中含量,分配则是指城市灰尘在分体中含量,分布分配是相对的概念。通过分布分配规律研究弄清城市灰尘的基本分布特征,除此深入研究城市灰尘中的矿物、元素、同位素的分布分配规律,圈定和辨析灰尘、元素、同位素环境污染异常,划分城市灰尘环境异常灾害区(?级、ò级、ó级),制作城市灰尘、重金属、放射性元素等环境异常图。

214城市灰尘迁移演化机理

城市灰尘迁移演化机理是指城市灰尘迁移演化模式的探索研究,通俗的讲亦即来龙去脉的研究。以不同来源介入城市的灰尘,又以不同形式在城市中迁移、循环、演变、消失,这样年复一年、日复一日,构成了城市灰尘的动态演变系统。弄清城市灰尘迁移演化机理,有助于寻求最佳时间、最佳空间、最佳位置、最佳方案,进行城市灰尘污染的灾害预警、预防、治理。

215城市灰尘污染效应

城市灰尘的污染类型大致可以分为五种。城市灰尘动力污染:主要是指以/风0、/人流车流0、/卫生清洁0、/城市建筑0等为动力源所造成的城市灰尘污染。城市灰尘地理污染:指城市地理条件所造成的城市灰尘污染,城市地理条件直接影响城市灰尘的空间传播,平坦地形有利于城市灰尘的扩散稀释,而低洼地形城市灰尘不易扩散,常常在低洼地区滞留,使得城市灰尘的浓度加大、粒度变小、成份复杂、危害更大。城市灰尘物质污染:指城市灰尘

物质成分所造成的城市灰尘污染,城市灰尘中的颗粒物本身具有极大的危害,而深入研究城市灰尘的物质成分更有价值,大气颗粒物主要的化学成分可分成可溶性成分(大多数无机离子)、有机成分、微量元素、碳元素等四大类。而应当引起注意的是微量元素,特别是重金属有害元素。城市灰尘循环污染:指城市灰尘搬运迁移和循环演化所造成的城市灰尘污染,城市灰尘为大气颗粒物和含有铅(Pb)、银(Ag )、锌(Zn)、汞(H g)等重金属的污染物,城市灰尘通过搬运,有害重金属通过渗透对土壤、地下水、农作物等进行污染。城市灰尘人体污染:指城市灰尘对人体造成的直接污染和间接污染,城市灰尘由于人为作用一般在0~5m 的高度扬起)沉降)扬起)沉降,而此过程反复发作不断进行,同时人体高度和各种活动一般在此范围,因此城市灰尘在对环境造成污染的同时对人体造成直接污染。人体吸入大气颗粒污染物将引起呼吸道的炎症,而与颗粒物的化学结构无关。西安市灰尘中60%左右的灰尘粒径小于0125mm,40%左右在0125~1mm 之间(杜佩轩,2002),这些颗粒物进入人体的机会很大。

3 城市灰尘环境污染研究方法

城市灰尘环境污染方法研究体系是实现城市灰尘环境污染理论创建的基本途径,正确、有效的方法研究体系,会大大加速城市灰尘环境污染研究进程,并取得重要科学研究进展。311 城市灰尘环境污染结果

城市灰尘环境污染/结果0的研究是城市灰尘环境污染研究的重要内容。以系统的城市灰尘环境勘查方法为主,而城市灰尘环境勘查方法涉及比例尺(与勘查的目的和精度有关)、采样物质、采样方法、采样位置、样品重量、样品加工等,大面积系统勘查和小范围局部(不同功能区)勘查,其由于受限于工作目的,勘查方法有极大的差异性,要根据不同的工作目的以及经费的投入,设计和选择针对性的勘查方案。以西安市为例,通过大面积系统勘查,制作西安市灰尘不同粒径重量等值线图、西安市灰尘不同粒径重量变化曲线图、西安市灰尘重金属地球化学图、西安市灰尘环境异常图等。

312 城市灰尘环境污染过程

城市灰尘环境污染/过程0的研究是城市灰尘环境污染研究的难点。以系统的城市灰尘环境污染研究方法为主,而城市灰尘环境污染研究方法涉及物质来源、物质组成、污染类型、分布分配、迁移演化等的系统研究方法。城市灰尘环境污染/过程0使用常规的地质学、地球化学、环境学研究方法,结合/灰尘0这一新的研究对象的特点,制订合理的精细的研究方案。例如:在对西安市的灰尘物质组成研究中,用X 衍射、差热分析、单矿物鉴定等方法研究了矿物组成;用灰尘粒径分析方法研究了灰尘粒径组成;用多元素定量分析法研究了灰尘、不同粒径灰尘的重金属元素含量等。城市灰尘的物质来源研究,可以通过颗粒物的磨圆度研究搬运距离,还可以通过物质成分对比研究判别物质来源(标型单矿物、同位素、微量元素等)。当然,城市灰尘环境污染/过程0的研究是非常艰难的,针对不同的研究问题和目的,制订相应的科学研究方法。

313 城市灰尘环境污染治理城市灰尘的截源、城市灰尘的预警、城市灰尘防治、城市灰尘治理等,属城市灰尘环境77 第1期 杜佩轩等:城市灰尘概念、研究内容与方法

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污染研究的重要内容。建立城市灰尘环境污染科学研究系统,建立城市灰尘环境污染与生态侵害研究系统,城市灰尘环境污染防治治理系统,创建优美的人类城市生态环境。

城市灰尘防护林带:根据城市的地理位置、地形地貌、气侯条件,建设永久性的城市灰尘防护林带,阻隔远程沙尘移入城区,可以有效降低城市灰尘污染物的容纳数量,减轻城市灰尘污染压力。

城市灰尘阻滞植被带:在城郊建立绕城城市灰尘阻滞植被带,一方面阻挡、过滤、吸附空气中的灰尘,另一方面可以固定地面尘土防止扬起扩散,城市灰尘阻滞植被带其范围为城郊和城乡结合处,全面覆盖裸露的土壤,最低达到90%的覆盖率。

城市灰尘吸附绿化区:城市实施全面森林植被绿化,提出发展绿色城市理念,森林植被绿化是改善城市环境质量的最好方法,扩大植被绿化面积、杜绝城市土壤裸露、提高绿色城市理念,是改善城市环境质量的基本途径。

大面积转基因植物修复:近年来大面积植物修复技术国外发展较快,我国已在科学院系统实施了这一试验研究,取得了相应进展。植物修复是指利用植物直接吸收、固定、挥发、代谢或降解污染物,通过大面积种植可以吸收有害金属或有机污染物(如溶剂、原油、多环芳烃等)的植物,达到快速净化土壤或水的目的。由于能够吸收有害金属或有机)污染物的多为木本植物,多年生的木本植物生长缓慢,影响治理污染速度,人们通过转基因技术,将多年生的木本植物基因植于一年生的草本植物,培育出新的草本植物。实际上我国大部分城市城郊土壤和城市地下水已广泛被污染,可以通过植物修复技术改善和治理。

地球化学工程学:地球化学涉及地球及其外圈层天然物质地球化学作用的研究,而地球化学工程学是地球化学家利用地球化学知识,设计一套方法技术,把不合乎人类生存发展的自然环境改造成优越的条件。地球化学工程学的方案及方法工艺是利用地质演化、生态系统、自然作用解决问题。地球化学工程学(创始人)荷兰乌德勒支大学R1D1修林(R1D1Schuiling)教授)被认为是21世纪重要的环保产业。

感谢1996~2002届资源勘查工程专业参加研究的本科毕业生。

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12001

CONCEPT,RESEARCH CONTENT AND

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DU Pe-i xuan 1,T IA B Hui 2and HA N Yong -m ing 3

(11Chang .an univ ersity,Xi .an 7100542;21T echnique College o f Hang zhou,Hang zhou 310002;

31Ear th Env ironmental Institute of Chinese A cademy of Sciences,Xi .an 710054)

Abstract:U rban dust is of surface solid grain scattering in different districts of urban (location and functional districts).Environmental pollution caused by urban dust means that urban dust pollutes urban environment.The purpose of researches on urban dust is focused on the source of dust material,composition of dust,distribution,mig ration and evolution,pollution effects and prevention and cure.This paper elucidates the scientific definition,research content and method of urban dust and environmental pollution.

Key Words:urban dust;environm ental pollution;concept;content and method;environmental

effect 79 第1期 杜佩轩等:城市灰尘概念、研究内容与方法