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公路相关污染物对公路交通安全的影响

我国长白山地区泥炭沼泽的地下水水质的研究

摘要：燃料消耗、车辆磨损和道路除冰等运输活动，对脆弱的路边湿地环境的地下水质量产生不利影响，包括十九个参数（铜、铅、锌、镉、铬、镍、汞、砷、ph、TDS、Ca2 、Mg2 、钠 ，k ，SO4 2，Cl-，HCO3-，NO3-和fminus;）在沼泽水地下水样本中测定受到来自江源（JY）、龙泉（LQ）和黄松店（HSD）公路交通的冲击。我们的结果表明金属铜、铅、锌、铬、镉、离子钠 地下水中的K 和Cl-受到负面影响。通过公路运输，这些污染物的最大影响距离为15到100米。 路边地下水中大部分污染物的含量呈指数级下降。与公路距离一样，重金属污染指数hpi和cd。价值观HPI和CD在这三个部位中，分别为46.8至78.4和D4.9至O2.9。低重金属污染水平与草坪土对土壤的强吸附能力有关。无论如何，道路运输活动增加了草地沼泽地路边地下水的铜、铅、锌、铬、镉、钠 K 和Cl含量。随着公路运营时间的增加，这将不可避免地对这些湿地的地下水质量产生重大影响。因此，长期监测是保障泥炭沼泽可持续发展的必要条件。

关键词：泥炭沼泽；重金属；地下水质量；公路运输

1. 介绍

交通基础设施的环境污染是生态环境和环境保护的重要课题环境科学，由于它们对生物圈的毒性作用[1-3]。人们普遍接受即公路运输活动中燃烧的液体燃料、车辆部件等路面材料的磨损和风化会释放出含有锌、铅、镉、Cu和Cr[4-7]。这些含有重金属的颗粒沉积在土壤、水和植物中高速公路附近通过干湿积[8]。此外，一些研究报告指出公路盐渍作业可提高Na 的含量K ，Cl -和NO3-路边地下水甚至引起严重的Cl -污染[9-12]。这些与高速公路有关的污染物是持久性的并且不可降解，因此可以在路边环境中停留很长时间。当它们的积累超过一定的水平时，就会对微生物区系、植物区系和生物多样性构成威胁沼泽动物群落[13]。

自20世纪70年代以来，学术界对高速公路相关污染物的担忧已经蔓延到其他领域[14-16]。高速公路相关污染物的研究主要集中在污染物类型的识别和控制上它们的分布受距巷道距离的影响[17-19]。Zhang等人通过[8]研究发现，高速公路运输对土壤中Zn、Cd、Cu、As、Pb的影响最大西藏高原。eon等人的[12]实验表明，金属Fe、al、Zn、Mn、Pb、Ni、Cr、Cd和the离子Ca2 , SO42-,K ,Na 、Mg2 3号地下水中的minus;和Clminus;与道路显著相关交通，随着与路边距离的增加呈指数递减。此外,许多监测研究表明，铅、铜、铬、镉、锌等重金属污染程度不同路边环境，包括北京[4]，香港[20]，墨西哥[21]，英国约克郡[22]。然而，这些研究主要集中在路边土壤，关注较少研究交通污染对地下水的影响。就我们所知，环境问题来自高速公路的浑浊沼泽地下水的污染物水平还没有报道。

湿地生态系统具有很强的水文依赖性，具有良好的水质和生态环境水化学特性是影响其可持续发展的决定性因素。草皮的沼泽是由水陆系统[24]相互作用而形成的独特的自然生态系统。因此，地下水对于沼泽中所有生物的生存是极其重要的，对外界的影响很敏感。即使是小规模的人类活动也能产生重大影响环境变化(25日- 27日)。在长白山地区，大部分的淤泥质沼泽都很好保存了下来。然而，越来越多的公路建设活动造成了许多环境问题。近几十年来，沼泽沼泽化的问题。例如，Wang等人[28]报道了金属Zn, Cr，腐殖质沼泽区路边土壤中铜、镉的污染已达到中等程度。然而,效果对高速公路上淤泥质沼泽地下水的重金属和水化学特性进行了研究不清楚。制定有效的淤泥保护措施，调查其来源和危害高速公路相关污染物对沼泽化地下水的污染状况至关重要。

本文定量研究了高速公路运输对我国泥炭沼泽地下水的影响从长白山地区重金属和水化学特征两方面分析。基于大规模实地调查的结果，我们确定了与高速公路相关的类型研究了污染物对沼泽地下水的淤积作用，并探讨了与高速公路有关的关系污染物浓度和路边距离，最后评估重金属污染淤泥沼泽地下水的水平。

1. 材料和方法

2.1网站描述

本研究是在长白山地区进行的，那里有大量的淤泥质沼泽可以找到。该地区是牡丹江的主要源头和重要水源吉林省自然保护区。三个没有其他人为干扰的采样点选择污染源收集地下水样本:江源(JY, N43◦701,E128◦0),龙泉(LQ N42◦250360年,E126◦)和黄松店(HSD, N43◦390390年,E127◦)(图1)JY场地气候凉爽湿润，光照适中，雨量充沛;平均年气温和降水量分别为2.6◦C和632毫米。G201公路，日交通量超过2000年侵入了沼泽的边缘。LQ场地的气候特征与JY场地相似，年平均气温3.7◦C，降水量947毫米;的S302日交通量超过1500的高速公路侵入沼泽中部。为平均年气温和降水量为3.4◦C和709毫米;G12公路通过穿越沼泽边缘，日交通量大于1100。关于具体的关于这三个网站的信息，读者可以参考Wang等人的[28]。

2.2抽样和实验方法

2017年7月至8月分别在5米、15米、50米和200米的距离采集地下水样本，从高速公路，分别在三个地点。采样前，取直径为3根PVC管每隔一段距离，160毫米埋入土壤，间隔100米，露出50厘米以上埋于地下60厘米。许多直径为4毫米的孔被钻了进去PVC管壁使地下水能够自然地渗入管壁。为了防止泥沙、树枝和雨水从聚氯乙烯管道中进入，聚氯乙烯外墙被覆盖纱布，管端用塑料布覆盖，用尼龙绳固定。在地下水样本收集使用建立水收藏家,使用0.45micro;m样本过滤过滤膜，然后运输到实验室在2-5◦C在一个冷却器。19物理化学参数包括铜、铅、锌、镉、铬、镍、汞、砷、pH、TDS、Ca2 、Mg2 、Na ,K ,哌嗪22、Clminus;HCO3minus;、硝酸盐分析了-和F -。pH值和总溶解固体(TDS)为现场使用便携式测量仪器测定(HI98195, HANNA, Padua, Italy)。所有样品均按地下水水质检测标准采集和储存(DZ / T 0064.2 - -1993);具体保存和检测方法见表1。所有样品都是取样后15天内到吉林大学检测中心检测。

2.3数据分析方法

采用回归模型描述了高速公路相关内容之间的关系使用Origin 9.0软件(Origin Lab，北安普顿,美国)。高R2值表明该模型能够较好地量化分布特征与高速公路有关的地下水污染物含量。采用重金属污染指数法对沼泽区地下水污染水平进行了评价HPI和Cd的计算公式为:

/

*100

其中Qi和Wi为第i个元素的子指标和单位权重。n是元素的个数考虑。第i个金属的测量值，Ii和Si是理想的第i个标准值吗参数,分别。符号(()表示两个值的数值差，忽略代数符号。计算Wi采用地下水III级标准(GB/T 14848-2017)铜、铅、锌、镉、铬、镍、汞、砷。Cd指数分别反映了不同金属的相对污染程度，反映了不同金属的相对污染程度所有金属的综合作用，计算如下:

其中CAi和CNi为第i金属的实测值和上允许值(N为规范值)。CNi被认为是标准允许值(Si)以前在计算的快乐指数。

实验数据采用SPSS 21.0软件进行统计分析。包括描述分析、K-S检验、方差分析、聚类分析、因子分析皮尔逊相关分析。采用方差分析(ANOVA)和LSD检验，确定不同部位测量参数的显著性差异。相关分析用于探讨了实测参数与公路距离的关系。集群通过分析和因子分析，确定各参数之间的相互关系在沼泽的地下水中。采用欧氏距离和沃德方法进行聚类分析，采用Z评分法对原始数据进行标准化。

1. 结果与讨论

3.1地下水中金属的浓度和水化学参数

对我国不同类型的淤积沼泽区重金属含量进行了基本的统计描述路边地下水见表2。所有重金属的最大浓度该地区饮用水水质低于中国(GB/T 14848-2017)。低含量的金属可能与高有机质的膨润土有关。铜、铅、锌、Cr、Cd和Hg (58.3 g L ? 1,26.3 Lmicro;gminus;1,114.2 Lmicro;gminus;1,1.8 g L ? 1,5.4 Lmicro;gminus;1)三个站点中最高,而镍和内容(8.9 g L ? 1,8.7 Lmicro;gminus;1)在日本是最高。方差分析结果表明，JY和LQ位点的金属含量最高明显高于HSD组(p lt; 0.05)。这一发现与交通状况相符在这三个地点的体积。高速公路的日交通量低于JY和LQ站点as之前由Wang等人报道。[28]

3.2吐鲁番沼泽地下水实测参数间的相互关系

对路边测定的19个参数进行聚类分析和因子分析地下水，以确定这些参数的共同来源，在turfy沼泽(图2)Lee et al.[30]和Khan et al.[31]报道，同一组元素预计来自一个共同的人为或自然源和较低的聚类距离表明更显着协会。在铜、铅、锌、铬、镉、钠离子三个位点上均有不同的聚类K 而Cl -在5到10之间，则表示这些参数来自同一个源。其余参数聚集在10到15之间的高距离准则，可能是由于膨胀沼泽的环境异质性。

因子分析结果表明:铜、铅、锌、铬、镉、钠 ， K 和Cl -在地下水中它们之间有着显著的联系。提取了特征值为gt;1的两个因子，占总方差的89.00%(图2)。因子1占总方差的72.91%，与铜、铅、锌、铬、镉、钠离子呈正相关K Cl -其余参数(pH、TDS、Ni、Hg、As Mg2 Ca2 SO422,HCO3minus;、硝酸盐-和F -)与因子2呈正相关(16.08%)。作为一个整体,基于聚类分析的分类结果与因子分析的结果一致。

许多研究表明，铜、铅、锌、铬、镉、钠 ， K 和Cl -是路边污染环境[32-35]。虽然聚类分析和因子分析是不足以断定污染物是否来自公路运输活动，铅，锌，铬，镉，钠 ， K 和Cl -似乎来自一个类似的来源，这可能是相关的的交通。一些研究表明，交通产生的高速公路相关污染物具有一定的危害性与公路距离呈显著负相关[5-7]，如表4所示铜、铅、锌、铬、镉、Na 呈显著负相关K 的距离。通过对高速公路的整体分析。然而，个别指标并没有显示出显著的负性不同研究地点的相关性，部分原因可能是抽样数量有限点。结果表明，铜、铅、锌、铬、镉、钠离子的含量较高K ，地下水中的Cl -为与交通活动有关。

3.3高速公路污染物的非线性回归模型

非线性回归模型(y = a0 a1times;a2)x)是由Wang等人提出的交通相关金属元素在沼泽土和植物中的分布特征。如图所示在图3中，与高速公路相关的污染物有两种不同的分布模式地下水。大部分参数的含量随距离的增加呈指数递减而HSD场地的铜、铅含量则随时间的变化而变化距离公路边缘越来越远。高R平方值表明，该模型也是适用于表征公路污染物与道路距离的关系在地下水。

公路污染物扩散的最大影响距离是一个重要的参数制定相应的湿地保护措施。如图3所示，Cu的含量，在距道路边缘15 ~ 50 m处，Zn、Cr为背景含量。但是，铅和镉的最大影响距离范围从15米到100米不等。

地下水中铜、锌、铬、铅、镉的影响距离与吐鲁番地区一致如Wang等人之前报道的土壤[36]。Na ，K ，和Cl -，没有其他研究报告其含量随距离的增加呈指数递减，并达到背景值内容物距离道路边缘15 - 50米。只有Earon等[12]报道Na 和K 随着离路缘距离的增加，地下水中Cl -浓度逐渐降低，但他们没有给出具体的分布函数。由表5可知，铜、铅、锌、铬、镉、Na 的背景含量K ， Cl - at不同淤泥质沼泽的发育部位多种多样，这可能与淤泥质沼泽的环境异质性有关。在本研究中，各测点的污染物浓度均低于中国的III类环境指南，但这些污染物的浓度都在路边的地下水中明显高于本底浓度，说明吸附量最大达到污染物的能力，部分污染物从淤泥中析出[37,38]。但是，对这项建议应谨慎解释，并在今后需要核查后续研究。

3.4地下水金属污染程度鉴定

HPI与Cd相结合，是评价地下水污染的有效工具几个参数，以获得一个可以与临界值进行比较的特定值。在这个研究中，采用我国三级公路计算了距公路不同距离的HPI值环境指南(GB/T 14848-2017)，以铜、铅、锌、镉、铬、镍、汞和砷为基础。HPI结果如图4所示。中地下水样品HPI的取值范围和均值三个位点分别为54.1-78.3和66.4 (JY)、46.8-72.9和60.4 (LQ)、57.2-66.2和62.4 (HSD)，分别。结果表明，所有样品的HPIs均低于100的临界值由Prasad和Bose[39]提议用于饮用水。

污染指数(Cd)作为估计金属含量的参考污染[40]。分别测定了地下水样品中镉的含量范围和平均值minus;4.5 - 2.9–和d3.7(司法院),4.9 - 3.3–和d4.1 (LQ)和d4.8–4.4和d4.7 (HSD)。Cd可能将[41]分为三类:高(Cd gt; 3)、中(Cd = 1 - 3)和低(Cd lt; 1)。在本研究中，所有被分析的样本都不超过0，说明它们都在水下质量标准，与HPI分析结果一致。之前报道Wang等人[28]研究表明，土壤中重金属含量达到了重度污染水平。在这项研究中,与高速公路有关的地下水中的金属几乎没有污染，这可能是解释草坪土对重金属有较强的吸附能力。许多研究表明，土的肥化具有具有较强的重金属修复潜力，并能有效降低重金属的含量受污染的土壤(42 ? 44)。

此外，值得注意的是，HPI和Cd值随时间呈指数递减这三个地点与高速公路的距离增加(图4)污染指

资料编号：[5045]