城市地表系统POPs多介质循环过程与模拟研究进展

刘 敏,王兰辉 (华东师范大学资源与环境科学学院,地理信息科学教育部重点实验室,上海 200241)

城市地表系统(USS)是典型的自然－人文相互耦合的地域综合体,是陆地表层系统中人类活动最集中、人地相互作用最强烈的子系统,具有环境要素变异、赋存介质多样、循环过程复杂等特性.地球生态系统将愈加受到城市发展步伐和模式的影响[1],快速城市化伴生的大规模土地利用/覆被变化(LUCC)已成为一种典型的人地系统相互作用和环境变化的重要驱动力[2].城市化使不透水面迅速增加,形成了不同于自然地表的“城市第二自然地理格局”[3],使污染物的循环过程和机制发生了重要改变[4].作为支撑全球变化研究的战略措施之一,IHDP于2005年末启动了“城市化与全球变化”等一系列以城市区域为着眼点的国际研究计划.其中,城市LUCC驱动下的物质生物地球化学循环与生态效应,已成为当前IHDP多学科联合攻关的核心科学问题和当今陆地表面过程研究的重要内容[2].

持久性有机污染物(POPs)指通过多种环境介质(大气、水体、生物等)长距离迁移并长期在环境中循环转化,具有长期残留性、生物蓄积性、半挥发性和高毒性,对人类健康和生态环境具有严重危害的天然或人工合成有机污染物[5].USS聚集大量人流和物流,是人类工业生产和生活最集中区域,生产和排放了大量 POPs.不透水面是USS的重要组成部分,阻断了地表水与土壤的联系,改变了 POPs等污染物的循环过程与机制,打破了城市区域原有地表系统的生态平衡,形成了人类纪(anthropogene)USS.以不透水面覆盖为主的城市LUCC时空过程对城市POPs跨圈层、多介质循环过程的影响机理及其相互作用与耦合机制研究,可揭示USS中气候、水文、土壤、生物等关键要素的变化过程及其相互作用机制对POPs循环过程的影响机理,为理解 USS的复杂过程与机理提供科学依据,为全球环境变化的城市响应提供实证资料和理论依据,进而为城市管理和可持续发展服务.

在USS的POPs多介质循环过程与模拟研究中,弄清城市 LUCC如何影响单介质中 POPs的时空分布特征及其多介质迁移累积过程,是进行城市POPs多介质循环过程归趋模拟及生态健康风险评估的关键基础工作.因此,本文在深入总结国内外相关研究的基础上,首先系统分析了城市LUCC对POPs分布迁移的影响,然后讨论了城市POPs多介质循环过程归趋模拟的主要进展,最后展望了未来的研究趋势.

1 城市LUCC对POPs多介质分布迁移的影响

1.1 单介质中POPs的时空分布特征

受USS独特的LUCC时空格局与过程的直接与间接影响,POPs的赋存介质有别于非城市化地区,主要包括大气(含气溶胶等)、沉积物、地表水(含不透水面径流)、土壤、植被和不透水面及其上的有机膜等.POPs在城市单个介质中,往往呈现出不同的时空分布特征,空间上表现为数量与分布格局差异,时间上则蕴含迁移累积过程与循环转化规律.

城市LUCC形成特殊的下垫面和边界层,使城市大气中富集大量的气相和颗粒相 POPs,主要来源于城市工业、发电、交通及居民日常生活排放,其时空分布特征与城市LUCC密切相关.傅家谟对广州气溶胶中多环芳烃(PAHs)的分布、来源等进行了研究,指出其中普遍存在 PAHs污染[6].在城市中主要受交通尾气污染的户外空气中,低分子量 PAHs主要为气态,而致癌性较强的组分则以颗粒态为主[7].谭吉华等[8]进一步研究了广州可吸入颗粒中的 PAHs分布,发现风速和温度等气象因素是影响其浓度的主要原因.Persoon等则发现克利夫兰和芝加哥城市大气中多氯联苯(PCBs)的平均浓度具有显著差异,而 2个城市不同地点间的浓度也具有很大的空间差异性,且无显著自相关[9].尽管城市化模式及其 LUCC时空过程对城市大气污染的影响不可忽视,但人均排放量对城市空气质量的影响更为显著[10].

城市区域沉积物主要包括道路、广场等不透水面上的沉积物(灰尘)和河湖、排水管道中的沉积物,道路灰尘已有较多研究[11-14].快速城市化使城市沉积物中含有多种 POPs,主要来源于大气干湿沉降、扩散和城市地表径流等.Kannan等[15]研究了美国密歇根州内陆湖泊沉积物中PAHs的时空分布,发现其最高浓度出现在位于城市化流域的卡斯湖中,且PAHs浓度与流域人口密度在空间上呈正相关.对美国7个大都市区的河床沉积物中氯菊酯类农药的赋存状况和潜在来源的评估显示,对数转换的总氯菊酯类农药浓度与城市土地利用呈显著相关[16].

城市地表水主要表现为降水在不透水路面等造成的地表径流,因雨水在降落及径流过程中,冲刷大气、植被表面、不透水面等附着的灰尘颗粒,使其含有多种POPs,并成为城市POPs运输循环的重要通道.Murakami等[17]首次报告了城市街道径流中硝基多环芳烃(NPAHs)的吸附行为,指出 NPAHs可作为柴油车尾气颗粒物的指示器.Jiang等[18]发现城市地表径流中的氯菊酯类农药主要负载于混凝土表面的细颗粒,并给出了城市径流中农药污染的预测方法.韩景超等[19]对温州不同城市功能区径流中PCBs浓度的研究表明,不同功能区含量差异不大,以五氯代 PCBs为主,且高低氯代PCBs污染来源不同.

城市土壤受城市化过程影响强烈,已成为USS中 POPs的重要载体.各国相继开展了城市土壤 POPs污染水平与分布特征研究[20-23].不同城市、同一城市不同土地利用类型土壤中POPs含量存在明显差异[24-25].Li等[26]调查了北京公园土壤中有机氯农药(OCPs)含量,发现六六六(HCHs)和滴滴涕(DDTs)浓度分别为 0.2490-197.0和5.942-1039ng/g, DDTs已对一些公园土壤造成较高水平污染.而 Wong等[27]研究了城市土壤中溴化阻燃剂(BFRs)和OCPs的挥发性和降解性,发现由于化学物质更加牢固地与土壤结合,其挥发性随时间推移而降低[27].综上,城市区域新建绿地,因其土壤中可能存在的 POPs具有更高挥发性,对人群亦有更高潜在暴露风险.

植被通过呼吸吸收大气中多种 POPs,是城市POPs富集的重要载体,但对城市植被中POPs时空分布格局、累积过程及在城市POPs多介质循环过程中的作用,关注不够.Müller 等研究了澳大利亚布里斯班植物叶片中 PAHs、二 /呋喃、PCBs及六氯苯的含量,发现其浓度在空间上有很大差异[28].还有一些类似研究也探讨了植物叶片中 POPs浓度的空间差异[29-30],但对其累积过程未作讨论,今后应加强城市植被吸收、富集POPs的生态毒理过程及循环机理的研究.

Diamond等[31-32]首先发现城市不透水面上附着一层有机膜,已在其中发现PCBs、多溴联苯醚(PBDEs)、PAHs等 POPs[33-35].Wu 等[36]发现多伦多市中心不透水面上的有机膜与其中的PCBs总量呈相似速率的线性增长,而在多伦多东北200km外的农村,有机膜的增长速率与 PCBs的含量分别低于市中心大约 7～22倍和 12～20倍,大约有56～226g的PCBs被覆盖在多伦多不透水面上70nm厚的有机膜捕获[36].而Gewurtz等[37]比较了城市玻璃窗表面薄膜中的全氟烷基污染物(PFCs)的室内外、城市与农村及冬夏浓度,发现室内比室外高达20倍,由此判断其可能来源于室内地毯.不透水面在USS的土地利用类型中占有很大比例,且不透水面有机膜能够富集多种高毒性POPs,并改变POPs的时空分布与循环机制,所以必须继续深化对不透水面有机膜的研究.

1.2 POPs多介质迁移累积过程

USS的 POPs在多种环境介质中,往往表现出分布空间上的迁移转化性、危害时间上的持久累积性和循环过程上的复杂往复性等特征,迁移累积过程主要通过大气循环、水循环和大气—水循环等实现(图 1). 而以不透水面覆盖为主要特征的城市 LUCC时空过程和高强度人类活动极大地改变了城市区域下垫面条件和边界层结构,形成独特的城市小气候,主要表现为气温高、湿度低、风速小、太阳辐射弱、能见度差和降水多.USS的大气循环和水循环过程因此发生了极大改变,POPs等污染物的循环过程也必然随之发生改变.因此,研究城市LUCC背景下POPs多介质迁移累积过程,对于理解城市化的环境影响和加深对USS的认识,具有重要意义.

城市大气中 POPs主要通过不同气象条件下的干湿沉降、风力扩散等方式,与USS中的水体、不透水面、植被和土壤等进行多介质多界面迁移累积作用.Vardar等[38]检测了美国芝加哥湖面与陆地上空大气中的 PAHs,结果显示陆地上空大气中PAHs含量为湖面上空的2～4倍,且风向对大气中PAHs含量有重要影响,PAHs赋存水平从陆地向湖泊依次递减[38].Liu等[39]在上海城市灰尘 PAHs迁移累积过程影响因素的研究中发现,风向能直接影响PAHs的空间分布趋势,夏季时大气中 PAHs借助风向积累在西北城区,距离较远的东南部污染源释放的 PAHs,到达中部时大部分已沉降到地表,于城市中心区形成“空心效应”.Tham 等[40]研究了日本 Higashi Hiroshima地区气象条件对大气 PAHs的影响,发现颗粒物中PAHs含量与温度、日照强度呈显著负相关,与硫氧化物、氮氧化物显著正相关,但与风速、湿度无明显相关关系. He等[41]研究了在不同温度下PAHs在城市空气-土壤界面分配的变化,发现其分配系数受温度影响很大,在-30℃和 30℃相差 6个数量级.上述研究结果中的差异表明,不同地区不同城市的气象因素对POPs的迁移累积过程的影响不尽相同,且具有一定的复杂性和不确定性,应该对此继续进行深入研究并加深理解.

图1 城市地表系统POPs多介质迁移累积过程框架Fig.1 Framework of migration and cumulative processes of POPs in multimedia environments from USS

因不透水面广泛分布和植被较少,USS的蒸发量、下渗都减少,而地表径流则大大增加.地表径流在城市水循环中占有重要地位,是城市POPs多介质迁移累积的重要载体和驱动力.城市大气、不透水面、植被和土壤等介质中累积的POPs,都能通过降雨冲刷、地表径流等途径迁移汇集到城市排水管道和河湖等水体中,再通过扩散、沉降方式累积在沉积物中,又能通过扩散、再悬浮方式再次进入水体,形成动态平衡.Brown等[10]分别对新西兰 Dunedin地区汇水域暴雨径流颗粒物及道路灰尘中的 PAHs进行了测定,发现暴雨径流中的PAHs主要来源于城市道路灰尘的冲刷.DiBlasi等[42]研究了城市雨水生物截留设施中径流的16种USEPA优先污染PAHs的去除和归宿,结果表明生物滞留能有效控制 PAHs径流污染,且截获的 PAHs在径流入口附近土壤中仅有几厘米的垂直运输.Patrolecco等[43]研究了意大利城市水体、悬浮颗粒、沉积物和鱼体内的PAHs,指出悬浮颗粒中的 PAHs最高,但某些PAHs辛醇-水分配系数不能用于解释其在水中颗粒上的吸附能力.鉴于城市水循环过程的复杂性,必须深化对 POPs在城市水文系统中多介质迁移累积过程与循环机理的认识.

实际上,USS大气中的 POPs,往往先通过大气循环水平传输、扩散及干湿沉降,降落在不透水面、水体、土壤及植被表面等,经过长时间累积形成细小的沉积颗粒或灰尘,而城市降雨冲刷过程形成的地表径流,则将这些 POPs带入城市水文系统.借助 USS局地的大气—水循环过程,POPs在城市多介质环境中进行复杂往复地迁移累积,扩大了其时空影响范围及污染程度.叶有斌等[44]分析了北京城市不同道路类型的道路积尘的PAHs、粒径及总有机碳(TOC),发现在小于75μm、75到214μm和大于214μm三个粒级中,TOC与PAHs质量分数均呈现显著正相关,高比例的细颗粒及细颗粒中的PAHs使得道路积尘再悬浮进入大气以及随湿沉降进入地表径流的环境风险加大.总之,USS的POPs多介质迁移累积过程,受城市复杂LUCC时空过程及高强度人类活动形成的城市区域特殊的大气(气象)、水文循环过程影响,迁移过程扩大了 POPs的时空影响范围,而伴随迁移的不断累积转化过程则增加了POPs的危害时间和程度.

2 城市POPs多介质循环过程归趋模拟

2.1 城市POPs多介质归趋模拟

在复杂城市LUCC背景下,对POPs在各环境介质中的时空分布特征、迁移累积过程进行实时监测是不可行的,并且在城市 POPs综合治理及暴露风险评估中,迫切需要了解 POPs的多介质循环过程及其归趋状况,这促使研究者不断探索和深入 POPs多介质归趋模拟的研究.Mackay[45]在 1979年首先提出基于热力学理论和质量平衡方程的多介质归趋模型(multimedia fate model, MFM),因其在理解多介质环境中POPs等污染物行为上的有效性和准确性,已在城市、区域及全球尺度上获得广泛应用.

目前,MFM在环境中POPs的模拟与预测、管理与控制决策、暴露与生态健康风险评价等多方面取得了较大进展.Mackay等[46]成功地应用三级逸度模型,模拟 5种 PAHs化合物在魁北克省Lac Saint Louis地区的环境归趋,并评估工业、市政及大气排放的效应,为污染控制措施规划提供科学依据.Lang等[47]利用四级逸度模型,对珠江三角洲地区不同季节大气、土壤、沉积物中的PAHs进行了模拟研究,结果显示气相中的PAHs夏季高于冬季,但颗粒态中的PAHs恰好相反.Wang等[48]利用四级逸度模型模拟了河北省土壤和空气中PAHs的空间和季节迁移规律,指出大气-土壤间的迁移量与土地覆盖有关,而土壤-大气的迁移量则与土壤有机质含量有关. Konstantinos[49]在逸度模型中考虑炭黑等对PAHs的吸附因素,根据斯德哥尔摩城市的污染实测,对模型进行了修正,指出新模型在预测沉积物中PAHs时会比原预测值增加20%～30%,其平流损失的预测则会降低,炭黑的吸附作用对低环PAHs的预测影响较大.MFM在不同时空尺度上表现出广泛的应用价值,能够有效提高对PAHs等POPs的模拟与预测精度,增强POPs的综合管理决策与生态健康风险评价能力.

城市不透水面的有机膜是城市多介质归趋模型(UMFM)中必须考虑的、特有的环境介质,在城市 POPs多介质循环过程中起到关键作用,往往表现为 POPs富集或多介质反应的源或汇.Diamond等[50]基于Mackay的三级逸度模型,首次建立了多介质城市模型,来解释 PAHs等半挥发性POPs在城市大气、地表水、沉积物、土壤、植物及不透水表面的有机膜等六种介质中的迁移规律,发现有机膜中 PAHs含量最高,但土壤是大多数疏水性 POPs最大的汇,不透水表面有机膜的存在有助于有机污染物通过挥发进入大气和径流冲刷进入水体.Priemer等[51]建立了多介质城市模型(MUM),研究城市区域半挥发性有机污染物(SOCs)的动力学过程,并与森林覆盖地区中 SOCs的环境行为进行了比较,指出在 USS中,辛醇水分配系数小于7.5的SOCs在城市地表与空气的迁移过程受中到平流作用和光降解的影响较大,而辛醇水分配系数大于7.5的SOCs大多被雨水从地表有机膜上冲刷到地表水中.Kwanema等[52]运用 MUM 评价了城市大气中PAHs多相反应的重要性,结果表明多相反应占到低挥发性 PAHs反应损失的 75%,有机膜是低挥发性 PAHs高效的反应汇.汪祖丞等[53]运用MUM对上海USS各介质间PAHs的归趋进行了模拟,结果表明 PAHs的浓度最高值出现在城市不透水面上的有机膜中.然而,早期的MFM多是基于稳态建立的,实际上 POPs在环境多介质中的迁移是非稳态的.Csiszar等[54]建立了MUM的非稳态逸度版本,并研究了城市不透水面有机膜的源—汇效应,结果表明,有机膜在干冷天气作为来自空气的化学物质的一个临时汇,在较温暖天气作为到空气的源,在降雨事件中则是到雨水和土壤的源.这些研究,深化了对 USS不透水面上的有机膜在城市POPs多介质迁移循环过程中作用的理解,也进一步说明城市 POPs多介质循环过程及影响机理的复杂性.

然而,城市多介质归趋模拟结果的准确性,严重依赖于实测获得的经验参数的准确性,且预测结果必然存在一定程度的不确定性[55],在模型建立和应用过程中必须予以关注.另外,在 MFM 的计算过程中,自动误差控制方法可显著提高计算解决方案的质量,并节约计算时间[56].

2.2 基于GIS的城市多介质归趋模拟

实际上,对于一个特定的USS,土壤、水体、植被及不透水面等土地利用类型,往往变化很大,从而极大地影响 POPs的环境行为和循环过程,而通用的UMFM无法对城市POPs的时空分布差异及其归趋过程作出空间明确的描述[57].并且,目前USS复杂LUCC时空格局与过程通过何种途径和方式影响POPs富集、迁移、转化和暴露的研究仍比较薄弱,POPs的复杂循环过程与城市 LUCC这一动态过程的相互作用与动态反馈的研究亟待开展.而GIS因其强大的空间数据管理与分析能力,已被广泛应用于环境建模.基于GIS的UMFM,能够在建模过程中同化集成城市LUCC、POPs排放清单及空间分布、地形、气候、水文等多种高分辨率空间数据,很好地解决时空变异环境中 POPs的多介质归趋模拟,为系统研究USS的LUCC对POPs多介质循环过程的影响及其响应机制提供一个综合集成平台.

在区域、国家及大洲尺度上,已经有许多耦合GIS的MFM被开发,并成功应用于区域环境POPs的归趋模拟、预测及生态暴露风险评价.Barra等[58]耦合SoilFug模型和GIS以在流域水平预测地表水的农药污染,获得了满意的结果,证明用该方法预测流域尺度特定地点的POPs的分布和归趋是可行的.Suzuki等[59]基于 GIS开发了具有地理参考的多介质环境归趋模型(G-CIEMS),模型能够提供POPs空间分布的明确信息,并与通用模型、实测途径一起进行人口暴露风险评估,结果显示,G-CIEMS方法与实测结果具有更好的一致性,表明该方法能够提供带有空间分布信息的更准确的暴露风险评估. Pistocchi[60]提出仅使用基础GIS操作(地图代数等)来评估欧洲多介质的POPs浓度,与作为基准的性能良好的EMEP MSCEPOP模型相比,该方法提供一致的预测结果.Morra等[61]采用一个集成的、多介质、多暴露途径和多受体风险评估模型(EHHRA-GIS),能够在一个地理参考结构中管理组成人口健康风险分析的所有步骤,应用该模型对意大利墨西拿佩斯谷地区的总体人口健康风险进行了综合评估.Vizcaino等[62]应用基于MAPPE GIS的多介质模型,对欧洲土壤和水域中γ-HCH的空间分布及其归趋进行定量描述,监测和模拟结果表明,虽然排放量明显下降,但仍超过现行法律的规定.与通用的 MFM相比,基于GIS的MFM在POPs模拟、预测及生态健康风险评估中表现出更优越的性能.

然而,由于USS中LUCC时空过程及POPs多介质循环过程的复杂性,基于GIS的UMFM的研究虽已取得了一些进展,但仍处于起步阶段.Song等[63]结合多介质逸度模型、多路径暴露模型、暴露风险关系和 GIS,提出了一个城市生态风险评估方法的研究框架,并对一个假想地区的城市生态风险进行评估,结果表明将GIS引入旧有方法以满足城市环境POPs生态风险管理的要求是可能的和可行的.Kim等[64]则将对流-弥散-反应的偏微分方程、稳态多介质逸度模型和GIS结合,开发了用于城市尺度 POPs多介质传输的空间评估和风险评估的细化的多介质归趋模型(LSRMFM),运用该模型与实测数据和通用MFM的预测结果进行了比较,结果表明,模型适用于预测长期的多介质污染,且其输出的地理变异显示出相当大的生态风险的存在,而通用模型则显示较小的平均风险.Csiszar等[65]最近耦合空间可辨的、动态版本的MUM和BLFMAPS模型,建立了 5km栅格分辨率的空间导向的 MUM(SO-MUM),以估计城市区域 POPs的排放和归趋.总之,基于GIS的 UMFM 能够有效预测城市LUCC背景下的不同区域不同地表介质中POPs的含量及归趋行为,提高城市 POPs生态健康风险评估的准确性.

基于GIS的UMFM的最大优势在于能够将USS的 POPs时空分布特征及其多介质迁移累积过程空间化,并结合城市LUCC、POPs排放清单等自然、社会经济数据进行同化集成,系统探究 USS的 POPs多介质循环过程与影响机理,最后对 POPs浓度变化及归趋行为作出准确评估与预测,从而给出时空明确的 POPs的人口及生态暴露风险评估结果.

3 展望

城市区域在不透水面影响下,形成了有别于自然地表的人类纪USS.在全球变化背景下,需要深入系统地加强USS研究,从微观和宏观上揭示城市地表过程与变化规律及其对全球变化的影响与适应机制,提出城市生态环境可持续发展的适应性规划、保护与管理对策.以不透水面覆盖为主要特征的城市LUCC时空过程对POPs循环过程的影响机理研究,是USS的LUCC时空过程及其多介质影响机理与相互作用、耦合机制的关键科学问题之一,是极其复杂的多学科交叉问题.必须采用遥感、GIS及地球系统模拟等先进观测技术与实验手段,加强地理学、环境学、生态学、信息科学和社会科学等学科的综合集成研究.

以高强度人类扰动和快速城市化的典型城市为案例研究区域,针对城市地表特征演变,重点研究城市LUCC背景下大气、植被、土壤、降水、地表径流及覆盖在不透水面上的膜等介质中不同 POPs的富集特征与时空分布规律,辨析 POPs来源及输入途径,探讨城市LUCC与POPs源—汇信息的关系,阐明USS的多介质环境中POPs的迁移动力学过程与循环机制,揭示城市 LUCC与POPs循环过程的耦合关系及POPs对城市LUCC的响应机理,在此基础上,基于 GIS技术构建具有高时空分辨率的UMFM,预测USS不同区域各介质中POPs的归趋行为,推演POPs对城市LUCC的响应机制,必将为保护城市生态环境与人类健康安全提供科学依据,也将进一步推进 USS变化机理与物质循环过程耦合研究.未来需加强以下方面的研究:基于不透水面的城市 LUCC信息精确提取及与POPs排放输入等自然人文数据的同化集成;POPs多介质多界面迁移、转化过程与城市 LUCC的耦合机理;城市 LUCC背景下 POPs循环过程、机制的关键模型参数的构建与获取;基于GIS和城市POPs循环过程与机理的、具有高时空分辨率的UMFM的构建与应用.

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