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1、分类号： X513 密 级：公 开 学校代码 ： 10758 学 号 ： 09020168 太奢 硕士学位论文 乌鲁木齐市大气降尘重金属污染 及生态风险评价 Assessment of heavy metal pollution and ecological risk of dustfall in Urumqi City 研 究 生 姓 名 于洪 导 师 姓 名 及 职 称 钱 翌 教 授 合 作 导 师 姓 名 及 职称 吕爱华教授级高工 学 位 门 类 级 别 理 学 硕 士 专 业名称 环 境 科 学 研 究方向 环境工程 所在学院 草业与环境科学学院 新疆 乌鲁木齐 二 一二年六月 独
2、 创 性 声 明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得新疆农业大 学或其他教育单位的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 时间： 年 月日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解新疆农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：新 疆农业大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，允许论 文被查
3、阅和借阅。本人授权新疆农业大学将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。 (保密的学位论文在解密后应遵守此协议 ） 研究生签名： 时间： 年 月 日 导师签名： 时间： 年 月 日 乌鲁木齐市大气降尘重金属污染及生态风险评价 摘要 通过对乌鲁木齐市大气降尘取样调查，获取降尘样品 136份。结合多元统计分析及地统计学原 理方法，对乌鲁木齐市大气降尘重金属含量特征、空间分布、污染水平、累积现状作了系统分析和 评价；针对乌鲁木齐市大气降尘重金属污染特点及来源，提出了区域大气降尘重金属污染的防治措 施。取得了以下主要结论： 1. 乌鲁木齐市大气降尘污
4、染特点：采暖期远大于非采暖期；商业区 居民区 工业区 农牧区； 乌鲁木齐近年来的降尘呈现显著的下降趋势，但采暖期的降尘仍然超标严重，所以对降尘的治理仍 需加强；乌鲁木齐市 2001年和 2010年降尘浓度的空间分布规律不同， 2010年降尘浓度最大值较 2001 年明显下降。 2. 乌鲁木齐市大气降尘重金属中 Cr和 As含量比乌鲁木齐市土壤背景值低， Ni、 Cd、 Cu、 Pb和 Zn 含量高于背景值，其中 Zn和 Pb的増幅较大，其它元素増幅相对较小；除 Cd和 Pb外，其余 5种重金属 采暖期的含量均高于非采暖期的含量，这与乌鲁木齐的气候特点、地理位置相吻合。 3. 乌鲁木齐市不同功能
5、区降尘重金属含量有所差异。商业区、居民区、工业区与农牧区降尘重 金属相比，商业区、居民区、工业区降尘 Cd、 Cr、 Cu、 Pb和 Zn含量显著高于农牧区，而 Ni和 As含量 各区域相差不大。 4. 研究区 7种重金属均存在显著的空间分布规律。 Cd、 Cr、 Pb和 As的分布规律相似，南北部低而 中部高； Zn的分布规律与 Cd、 Cr、 Pb和 As相反，中部低而南北部高； Ni和 Cu的分布规律相似，北部 低而南部高。 5. 重金属 Cd在四个功能区均表现出高到极高的潜在生态危害； Pb在商业区、居民区和工业区为 中等潜在生态危害，在农牧区呈较低潜在生态危害； Zn、 Ni、 Cu
6、、 As和 Cr在各功能区均表现出较低 的潜在生态风险。除工业区 7种重金属的综合潜在生态风险指数达到 IV级外，其余功能区大气降尘中 7种重金属的综合潜在生态风险指数都达到 III级水平，潜在生态风险顺序为：工业区 居民区 商业 区 农牧区。农牧区重金属以人为富集为主，而商业区和居民区的富集强度受人为活动影响较弱， 工业区受人为活动影响最小。 6. 乌鲁木齐市降尘重金属的来源受多种因素影响，包括自然因素和人类活动等，各重金属之间 的相关特征是自然因素以及人类活动综合作用的结果。 7. 乌鲁木齐市大气降尘污染主要防治措施为：加强能源结构的调整；调整工业布局；加大治理 措施；加强城市管理；加大绿
7、化面积；建立社会监督机制等。 关键词： 乌鲁木齐；大气降尘；重金属；生态风险评价 Assessment of heavy metal pollution and ecological risk of dustfall in Urumqi City Abstract Though sampling investigation of dustfall in Urumqi, 136 samples of dustfall were collected. Combined with multivariate statistical analysis and statistical principle
8、method, the characteristics of heavy metal content, pollution levels, spatial distribution and cumulative situation of dustfall in Urumqi were systematically analyzed and assessed. Preventative and curative measures of heavy metal pollution in regional dustfall were put forward according to heavy me
9、tal pollution characteristics and sources of atmospheric dust. The main results obtained are summarized as follows: 1. Pollution characteristics of atmospheric dustfall in Urumqi: the heating period is far greater than the non-heating period; commercial arearesidential areaIndustrial areaagricultura
10、l and pastoral areas; dustfall of Urumqi city has showed a significantly downward trend in recent years, but dustfall in the heating period still seriously exceeds the standard. So control of dustfall still needs to be strengthened. Spatial distribution gram of dustfall in Urumqi city in 2001 and 20
11、10 shows that spatial distribution regulation of dustfall intensity are similar in these two years, but compared with that of 2001, the maxim value of dustfall concentration in 2010 decreased obviously. 2. Among seven kinds of heavy metals in the dustfall of Urumqi City, the contents of Cr and As ar
12、e lower than the background values. However, the contents of Ni, Cd, Cu, Pb and Zn are higher than the background values. The amplification of Zn and Pb are bigger, while other several elements increase smaller in relatively. Except Cd and Pb, the contents of the remaining five kinds of heavy metals
13、 in heating period are higher than those in non-heating period. And it coincides with the climate characteristic and geographical location of Urumqi city. 3. The contents of heavy mental in the dustfall of different regions of Urumqi city are different. Compared with heavy metals in the dustfall of
14、agricultural and pastoral areas, the contents of Cr, Cu, Cd, Pb and Zn in the dustfall of commercial areas, residential areas and industrial areas are significantly higher than those in agricultural and pastoral areas, while the contents of Ni and As have little difference. 4.Seven kinds of heavy me
15、tal all have obvious spatial distribution rules. Cd, Cr, Pb and As have a similar distribution rule, which is low in the north and south and high in the middle instead that of Zn. And the distribution of Zn has a expanding trend from north to south in the middle; Ni and Cu have a similar distributio
16、n, which is low in north and high in south and shows an increasing trend from north to south. 5. Heavy metal Cd in four functional areas shows a p tential ecological risk from high to highest; Pb shows a secondary potential ecological risk in the business district, residential and industrial area, b
17、ut it has a lower potential ecological risk in agricultural and pastoral areas; Zn, Ni, Cu, As and Cr in each functional area exhibit a lower potential ecological risk. The comprehensive potential ecological risk index of seven kinds of heavy mental in industrial areas has reached IV, while that of
18、the rest of the functional areas has reached class III level. And the potential ecological risk order is: Industrial Zone residential area commercial areaclean control zone. Enrichment factor analysis shows that heavy metal in agricultural and pastoral areas are mainly enriched by human. However, en
19、richment intensity and form in commercial area and residential area shows that human activity influence factors are strong in the industrial zone and weak in the clean zone. 6. The sources of heavy metals in the dustfall of Urumqi are affected by many factors, including natural factors and human act
20、ivities. And related characteristics among heavy metals are caused by the comprehensive effect of natural factors and human activities. 7. The main prevention and control measures of atmospheric dustfall pollution in Urumqi city are: to strengthen the adjustment of energy structure; to promote the a
21、djustment of industrial structure and industrial layout; to increase control measures; to strengthen city management; to increase the green area; to establish social supervision mechanism. Key words: Urumqi; dust; Heavy metal; Evaluationg of contamination 目录 第 1 章 前 言 . 1 1.1 大气降尘的概念 . 1 1.2大气降尘危害 .
22、 1 1.3大气降尘的研究进展 . 4 1.4研究目的及意义 . 8 1.5 研究内容 . 9 1.6 技术路线 . 10 第 2章材料与方法 . 11 2.1研麵概况 . 11 2.2样品采集与制备 . 15 2.3样品分析与质量控制 . 18 2.4 数据处理 . 19 第 3章乌鲁木齐降尘量污染水平研究 . 20 3.1 大气降尘的变化规律 . 20 3.2 降尘的空间分布规律 . 24 3.3 小结 . 26 第 4章降尘中重金属含量及其时空分布 . 27 4.1 降尘魅属总体含量水平 . 27 4.2 降尘魅属变异比较 . 32 4.3降尘重金属之间的相关性及主成份分析 . 32 4
23、.4 降尘重金属含量空间分布特征 . 34 4.5 小结 . 39 第 5章降尘中重金属生态风险评价 . 40 5.1 评价方法 . 40 5.2潜在生态风险指数法评价结果 . 41 5.3基于富集因子的评价 . 42 5.4 爾中评价方法的比较 . 44 5.5 小结 . 44 第 6章大气降尘污染防治对策 . 45 6.1污染治理和控制对策的现代模 式 . 45 6.2乌鲁木齐市大气污染综合防治对策研宄 . 46 第 7章结论与展望 . 48 7.1 结论 . 48 7.2 臟 . 49 参考文献 . 51 致谢 . 58 作 #简介 . 59 攻读硕士期间发表论文 . 59 第 1 章前
24、言 1.1大气降尘的概念 大气颗粒物 (Atmospheric Particulates)是指存在于大气中的各种固、液态颗粒状物的 总称。大气颗粒物种类繁多，可按多种方法进行分类 （ 如颗粒物来源、形成特征、形成 原理、粒径等）。这里把大气颗粒物按粒径不同分为：总悬浮颗粒物 (TSP)、 降尘和可 吸入颗粒物。 总悬浮颗粒物 (TSP)是指悬浮在大气中其直径小于 100pm的颗粒物。它源于烟雾、 尘土、炉渣等的固、液态颗粒物，能长时间悬浮于大气中。 大气降尘通常情况下是指粒径大于 10pm， 由于受重力或雨水的冲刷作用能在较短 时间内沉降到地面的大气颗粒物。大气颗粒物的沉降能力主要取决于自身质
25、量和粒径大 小，但也会受到其它一些自然因素和气象条件（地形、风力、雨雪等）的影响，因此要 想把大气降尘与 TSP从绝对意义上分开是很困难的 1。 可吸入颗粒物 (Inhalable Particulate， IP)是总悬浮颗粒物其直径 10pm的易被鼻腔 吸入的颗粒物，通称为 PMi， 也称飘尘； PM2.5是指悬浮在大气中直径 2.5pm的颗粒 物也称为细粒子 2,3;反之，悬浮在大气中直径在 2.5pm 10pm之间的颗粒物称为粗颗粒 物 (Eoarsepartieles)。 随着我国经济的快速发展、生活水平的不断改善以及 环境知识的逐步普及，人们对 环境空气质量的要求随之提高。大气固体颗
26、粒物污染是目前影响我国大多数城市环境空 气质量的主要因素之一，它已经严重威胁着人类的正常生产与生活 47。大气降尘能吸 附 SO2、 NOX、 多环芳烃和重金属离子等有害物质，从而对人体健康产生危害，因此大 气颗粒物污染引起了人们的广泛关注，成为国内外学者的研宄热点 811。 1.2大气降尘危害 大气降尘不仅自身具有严重危害，更重要的是降尘中所附带的有毒有害物质 （ SO2、 多环芳烃和重金属离子等）对人体的巨大危害 12。大气降尘可以和大气中的气体发生一 系列的物化学反应，致使大气降尘产生严重的二次污染，如沉降在植物体表面的降尘重 金属，可经交换吸附作用进入植物体内，通过食物链对人体和动物产
27、生严重的危害 13。 大气降尘可按图 1-1的污染模式进行污染传播 14。 图 1-1大气降尘污染传播模式 Fig.1-1 Transmiting and pollution mode of dustfall 1.2.1对土壤的危害 大气降尘不仅对土壤具有物理危害，更重要的是化学危害 15。除汞以外，绝大多数 重金属元素都能富集在降尘中经沉降作用进入土壤，进而改变土壤的理化特性 1621。有 很多国内外学者对各国工业区内土壤重金属含量及来源进行了全面的研宄，结果表明： 大气降尘是该区域土壤重金属累积的最主要的来源，并附带大量的 Pb、 Zn和 Cu等重金 属进入土壤，造成土壤重金属严重富集，进
28、而严重改变土壤的理化特性，降低土壤肥力 2228 1.2.2对水体的危害 水体重金属污染严重的一个重要因素为降尘重金属对水体的污染。大气颗粒物的沉 降是水域重金属污染的主要来源。水体重金属含量的多少与季节变化及其周围的工矿企 业污染物排放是密不可分的。春冬两季一般干旱少雨，裸露地面较多，致使该季节干降 尘量大，进一步造成降尘重金属有明显富集；而夏秋两季降雨量大，刮风天气明显增多， 致使该季节湿降尘量大，进一步造成降尘重金属富集；加之附近工矿企业重金属污 染物 的大量排放污，致使水体重金属富集进一步加重。水体理化特性被重金属严重破坏，进 一步威胁着海洋生物及地球化学循环 2932。 1.2.3对
29、植物的危害 大气降尘能够直接或者间接的破坏植物体，沉降在植物体表面的颗粒物会造成植物 体表面气孔堵塞，进而影响植物的光合作用，更进一步影响植物的生长发育，所以大气 降尘会对植物产生严重的物理危害和化学危害 33。 1.2.3.1大气降尘对植物产生的物理危害 大气降尘对植物的物理危害主要体现在对植物两大生理活动（呼吸作用和光合作 用）的影响。当大气降尘沉降在植物体表面时，会大面积的覆盖在植物体叶片表面，不 仅堵塞叶片表面气孔，还会吸收叶片表面的水分，进而严重影响植物的呼吸作用和光合 作用；大气降尘还会吸收红外光，致使植物体表面温度升高，进一步影响植物体表面的 蒸腾作用，进而影响植物体的光合效率及
30、呼吸效率 34。 1.2.3.2大气降尘对植物产生的化学危害 大气降尘不仅自身对植物体具有化学危害，更重要的是降尘重金属对植物体的化学 危害。覆盖在植物叶片表面的降尘会吸收红外光而使植物体表面温度升高，破坏植物体 表面的酶系统活性，进而影响植物的生理活动；降尘重金属经离子交换吸附作用进入植 物体内后，会严重损坏植物的细胞结构和酶系统活性，影响蛋白质的合成，进而对植物 的生长发育、生物学性状、生理特征等都会产生不同程度的危害。当人类食用了被污染 的农作物产品后，就会严重威胁着人类的健康 3537。 1.2.4对人类健康的危害 大气降尘是大气悬浮颗粒物经一系列物理和化学变化后沉降而形成的。在其不断
31、的 扩散和迀移过程中，其表面吸附的有毒重金属 亦不断累积，所以当大气降尘沉降到地面 上或从地面二次扬起或是覆盖在植物体表面或是进入水体循环系统都会对人体健康造 成不同程度的危害。大气降尘中的一部分细颗粒（如 PM2.5)可以通过呼吸直接进入人 体肺泡，并通过血液循环到达身体各个部位，从而对人体健康产生严重的危害。曾有研 宄表明：降尘中绝大多数重金属 （ As、Cr、 Ni、 Pb、 Cd)都能致使人体致癌，其中 As 和 Cd对人体还具有较强的致畸作用 38。降尘中有毒有害物质还可以借助土壤、水体和 植物等载体，通过食物链对人体造成伤害 3945。 1.3大气降尘的研宄进展 1.3.1大气降尘
32、的粒径分析 粒径是指降尘颗粒物直径的大小，与颗粒物的理化性质密切相关。降尘颗粒物的粒 径组成与大气动力学环境密切相关，不同粒径的颗粒被风卷起时的启动风速各不相同， 在大气环境中被搬运的方式也有差别。 在国外，对降尘粒径的研宄主要是关于尘暴粒径研宄，而对常规的大气降尘粒径的 研宄较少。有研宄表明：降尘粒径的大小与其和海盐的混合机制有关，但是降尘粒子和 海盐的混合作用机制还有待进一步研宄 46。国外有学者曾利用三 维化学传输模式来模拟 2000年来源于世界各国的尘暴粒子传输模式，计算结果表明：该模式可以得出与实际检 测结果非常吻合的结果，说明该模型较符合实际 47。在美国有研宄表明：大气降尘中的
33、可吸入颗粒物粒径不只受风力和风向的影响，还受到其他一些不确定因素的影响 48。 近年来有关降尘粒径的研宄在国内也成为了更多学者关注的焦点，并且更多的关注 降尘粒径受沙尘天气的影响。王冠对兰州市街道尘的研宄得出降尘粒径的大小主要受土 壤风沙尘粒径大小和人为排放因素的影响 49。管清玉对兰州市尘暴期间降尘粒径大小的 研宄结果表明：该区域的自然降尘和沙尘暴粒径大小主要取决于该区域粉尘粒径大小， 且与沙尘天气有着密切关系50。 1.3.2大气降尘元素特征研究 大气颗粒物由于构成复杂，使得降尘中的化学成分较土壤组分有较大的变化。不同 源区的降尘具有不同的化学组成。国外一直比较注重对大气降尘颗粒物的表面特征研宄 (包括颗粒物的化学成分、理化性质、化学形态等）。早在 20世纪 90年代，国外就开 始对致毒、致癌和致畸的降尘化学物质进行了大量研宄，并取得了较多的学术成果。有 学者对英国两个大城市（伯明翰和考文垂）街道尘重金属含量及其空间分布规律进行研