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城市地表顆粒物污染特性研究進(jìn)展與展望

作者及單位

劉墨涵1, 2, 3，張偉1, 2, 3，孫慧超1，王胤4，喬曉娟4

1.北京市可持續(xù)城市排水系統(tǒng)構(gòu)建與風(fēng)險(xiǎn)控制工程技術(shù)研究中心，北京建筑大學(xué)

2.城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京建筑大學(xué)

3.北京節(jié)能減排與城鄉(xiāng)可持續(xù)發(fā)展省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，北京建筑大學(xué)

4.中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司

摘要

地表顆粒物是城市雨水徑流的主要污染源，也是多種徑流污染物的主要載體，對(duì)其污染特征及規(guī)律的掌握是有效控制徑流污染的關(guān)鍵。采用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法，系統(tǒng)梳理2017—2023年國(guó)內(nèi)外城市地表顆粒物研究報(bào)道，從物理化學(xué)特性、污染時(shí)空分布特征、污染源解析、累積過(guò)程與影響因素4個(gè)方面歸納總結(jié)城市地表顆粒物的研究進(jìn)展。結(jié)果表明：Web of Science 和中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)2017—2023年在城市地表顆粒物領(lǐng)域的發(fā)文量均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，中英文文獻(xiàn)研究熱點(diǎn)集中在重金屬、多環(huán)芳烴（PAHs）、源解析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等方面；粒徑是影響地表顆粒物攜帶污染物種類(lèi)和含量的重要物理特性，地表顆粒物中新污染物如多環(huán)芳烴衍生物、微塑料等化學(xué)指標(biāo)逐漸受到關(guān)注；城市商業(yè)區(qū)、交通區(qū)和工業(yè)區(qū)地表顆粒物中重金屬、PAHs、微塑料等污染水平較高，而公園綠地中氮和磷含量較高；地表顆粒物污染顯著的季節(jié)性差異與污染來(lái)源和氣候因素有關(guān)；城市地表顆粒物中重金屬來(lái)源于自然或人為活動(dòng)，PAHs 主要源于有機(jī)物不完全燃燒，氮和磷來(lái)源解析尚無(wú)定論；冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、飽和函數(shù)等函數(shù)形式可較好地描述城市地表顆粒物累積過(guò)程。未來(lái)研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注污染物賦存形態(tài)及其遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制，深入探討不同類(lèi)型下墊面顆粒物時(shí)空演替規(guī)律及相應(yīng)機(jī)制，精確解析不同類(lèi)型污染物來(lái)源，并探索地表顆粒物累積過(guò)程普適性形式。

文章亮點(diǎn)

●系統(tǒng)梳理2017—2023年在城市地表顆粒物領(lǐng)域中英文研究文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，近年來(lái)研究多聚焦于重金屬、多環(huán)芳烴（PAHs）、源解析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等方面。

●粒徑是影響地表顆粒物攜帶污染物種類(lèi)和含量的重要物理特性，城市商業(yè)區(qū)、交通區(qū)和工業(yè)區(qū)地表顆粒物中重金屬、PAHs、微塑料等污染水平較高，季節(jié)性差異、污染來(lái)源、氣候因素、自然或人為活動(dòng)是影響顆粒物污染特性的主要因素。

●污染物賦存形態(tài)及其遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制、下墊面顆粒物時(shí)空演替規(guī)律及相應(yīng)機(jī)制、不同類(lèi)型污染物來(lái)源解析、地表顆粒物累積過(guò)程普適性形式是未來(lái)研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的方向。

研究背景

盡管?chē)?guó)內(nèi)外開(kāi)展了城市地表顆粒物的綜述研究，但限于研究重點(diǎn)和篇幅，尚未對(duì)地表顆粒物的理化特性、時(shí)空分布、源解析、累積過(guò)程等方面進(jìn)行系統(tǒng)闡述，一些關(guān)于地表顆粒物的最新研究也因論文發(fā)表時(shí)間限制并未納入已有綜述研究范疇。鑒于我國(guó)城市徑流污染研究與實(shí)踐的迫切需要，以及海綿城市建設(shè)等行業(yè)的重要需求，有必要系統(tǒng)梳理近年來(lái)城市地表顆粒物的最新研究進(jìn)展，分析目前研究中可能存在的短板與不足，明確未來(lái)研究的重點(diǎn)方向和亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題，以期為相關(guān)研究提供參考和借鑒，并為城市徑流污染有效控制和海綿城市建設(shè)提供有力支撐。

主要內(nèi)容

利用VOSviewer軟件對(duì)WoS 和CNKI 數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)出的文獻(xiàn)進(jìn)行分析，得到關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。關(guān)鍵詞所在的球狀點(diǎn)越大，其出現(xiàn)的頻次越高，同時(shí)節(jié)點(diǎn)顏色代表該關(guān)鍵詞所在文獻(xiàn)最早出現(xiàn)的時(shí)間。從英文文獻(xiàn)來(lái)看，街塵（road dust、street dust）是主要受關(guān)注的研究對(duì)象，重金屬（heavy metals）和多環(huán)芳烴（PAHs）是主要受關(guān)注的污染指標(biāo)，近年來(lái)，微塑料（microplastics）等新污染物受關(guān)注程度也明顯增加。此外，作為體現(xiàn)污染指標(biāo)潛在威脅的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)（risk assessment）和健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)（health risk assessment）同樣也是出現(xiàn)頻次較高的關(guān)鍵詞。中文文獻(xiàn)中，除與英文文獻(xiàn)類(lèi)似的研究關(guān)注點(diǎn)外，地表顆粒物污染特性的時(shí)空分布和源解析也進(jìn)入研究人員視野，以及作為顆粒物重要來(lái)源之一的PM2.5和PM10，其對(duì)大氣質(zhì)量等方面的影響也受到較多的關(guān)注。

圖1 地表顆粒物研究相關(guān)中、英文文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

顆粒物理化特性方面，城市地表顆粒物以粒徑分布和形貌特征為代表的物理特性，以及以重金屬、PAHs、氮和磷為代表的化學(xué)特性存在顯著差異性，其污染水平是多種因素共同影響的結(jié)果。目前研究關(guān)注的顆粒物污染指標(biāo)相對(duì)有限，且較少涉及污染物賦存形態(tài)，以及環(huán)境因素影響下的遷移、轉(zhuǎn)化行為及其影響機(jī)制，未來(lái)應(yīng)更多關(guān)注顆粒物中微塑料、SPAHs 等其他新污染物。

污染時(shí)空分布特征方面，城市地表顆粒物在時(shí)間和空間2個(gè)維度上均呈現(xiàn)明顯異質(zhì)性特征，目前研究可能受數(shù)據(jù)收集難度、資金技術(shù)支持、研究方法和工具等的限制，尚未對(duì)不同地域城市多種類(lèi)型下墊面顆粒物進(jìn)行相同條件的同步監(jiān)測(cè)比較研究，多種時(shí)間和空間維度下顆粒物污染演替規(guī)律尚不夠明晰，應(yīng)更加聚焦城市不同類(lèi)型下墊面顆粒物時(shí)空演替規(guī)律及相應(yīng)機(jī)制研究。

污染源解析方面，城市地表顆粒物中重金屬、PAHs源解析研究通過(guò)多種方法交叉驗(yàn)證可實(shí)現(xiàn)污染來(lái)源和貢獻(xiàn)度的分析，但對(duì)于更為普遍性的氮、磷等常規(guī)污染物來(lái)源解析，由于氮、磷遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程復(fù)雜性和本身不穩(wěn)定性特點(diǎn)，尚未得到普遍性的結(jié)論。未來(lái)隨著更多識(shí)別方法和算法的引入，可能為地表顆粒物不同類(lèi)型污染物源解析提供可行途徑。

累積過(guò)程與影響因素方面，冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、飽和函數(shù)等函數(shù)形式可較好描述城市地表顆粒物累積過(guò)程，但模型適用性存在一定局限。今后研究應(yīng)重點(diǎn)從模型函數(shù)形式適用性、模型參數(shù)確定方法、模型不確定性等方面深入，探索顆粒物累積過(guò)程普適性形式，以期為開(kāi)展顆粒物累積模擬研究提供有力支撐。

總結(jié)與展望

本文結(jié)合近年來(lái)城市地表顆粒物領(lǐng)域的關(guān)注熱點(diǎn)和研究方向的定量梳理與分析，從顆粒物理化特性、污染時(shí)空分布特征、污染源解析、累積過(guò)程與影響因素4個(gè)方面闡述城市地表顆粒物污染特性研究進(jìn)展。

除上述4個(gè)方面外，未來(lái)研究還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注不同地域特征和氣候背景以及不同經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度城市，探索科學(xué)合理的地表顆粒物典型污染物的污染水平判斷基準(zhǔn)值，避免目前研究中常采用土壤污染物標(biāo)準(zhǔn)作為參考“基線”的局限性。還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注顆粒物負(fù)載各類(lèi)型污染物在累積和降雨沖刷過(guò)程中的交互作用和協(xié)同效應(yīng)，為科學(xué)探索地表顆粒物潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法提供依據(jù)。近年來(lái)，隨著海綿城市建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，透水鋪裝等技術(shù)得到了普遍應(yīng)用。由于透水鋪裝不同于傳統(tǒng)不透水鋪裝，具有獨(dú)特的物理結(jié)構(gòu)和產(chǎn)流特征，這為研究這種“新型”城市下墊面的地表顆粒物污染特征和累積規(guī)律提出了新的挑戰(zhàn)，也是今后應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的方向之一。

第一作者：劉墨涵（2000—），女，碩士研究生，主要從事城市雨水系統(tǒng)與海綿城市研究，liumohan200061@163.com。

責(zé)任作者：張偉(1984—)，男，副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事城市雨水系統(tǒng)與海綿城市研究，zhangwei@bucea.edu.cn.

作者個(gè)人官方主頁(yè)：https://faculty.bucea.edu.cn/pub/zhangwei/

本文引用格式

劉墨涵，張偉，孫慧超，等.城市地表顆粒物污染特性研究進(jìn)展與展望[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)，2025，15（4）：1422-1433.

LIU M H,ZHANG W,SUN H C,et al.Research progress and prospect of urban surface particulate pollution characteristics[J].Journal of Environmental Engineering Technology，2025，15（4）：1422-1433.

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