交通驱动的降雨化学空间与季节变异性：基于罗马尼亚布加勒斯特多元分析的见解

《Water》：Traffic-Driven Spatial and Seasonal Variability of Rainwater Chemistry: Insights from Multivariate Analysis in Bucharest, Romania

　　

城市雨水正成为一种日益重要的替代水资源，但其收集和再利用的适宜性取决于水质，而水质随当地排放和季节变化显著——这种变异性此前在罗马尼亚首都布加勒斯特尚未被表征。本研究通过评估布加勒斯特第一区六个对比站点（四个交通影响站点，两个城市绿地站点）在2025年1月至11月期间采样的37次降雨事件中直接收集的雨水理化质量，填补了这一空白。研究人员分析了样品的pH、电导率、浊度、真色、总硬度、氯化物、无机氮物种（NO₃^?–N、NO₂^?–N、NH₄⁺–N）和微量金属（Zn、Cd、Pb），并使用描述性统计、Pearson相关和主成分分析进行解读。交通影响站点始终比城市绿地站点污染更严重，平均浓度高出电导率47%、镉64%和锌67%。主成分分析解析出两个因子：交通相关颗粒物污染（Cd、Pb、Zn）和二次大气氮处理。在交通站点，镉达到了世界卫生组织指示性指南值，铅超过了欧盟参数值，而铵在大多数交通站点事件中超过了0.50 mg/L。这些发现表明，收集的雨水质量强烈依赖于站点位置，高交通区域在饮用前需要进行针对性处理。

**论文解读文章**

**研究背景**
城市雨水作为可持续水资源管理的重要替代方案，在气候变化、用水需求增长及寻找替代水源的背景下日益受到关注。然而，雨水收集和再利用的可行性高度依赖于其初始水质，而水质受当地排放源和季节变化强烈影响。布加勒斯特作为罗马尼亚首都，此前缺乏对雨水化学的系统性评估，特别是交通影响与城市绿地之间的对比。现有研究多集中于区域或总体沉积模式，未涉及城市内部土地利用差异导致的空间变异性。因此，研究人员开展本研究，旨在填补这一空白，通过事件基础的采样和多变量分析，首次表征布加勒斯特直接收集雨水的理化质量及其对雨水收集的启示。该研究发表在《Water》期刊。

**研究方法**
研究人员在布加勒斯特第一区（约67 km²）选取六个采样站点，包括四个交通影响站点（P1–P4）和两个城市绿地站点（P5–P6），于2025年1月至11月期间采集37次降雨事件。使用开放式聚乙烯散装收集器（bulk collectors）收集雨水，分析pH、电导率（EC）、浊度、真色、总硬度、氯化物（Cl^?）、无机氮物种（NO₃^?–N、NO₂^?–N、NH₄⁺–N）和微量金属（Zn、Cd、Pb）。采用描述性统计、Mann-Whitney U检验、Kruskal-Wallis检验、Pearson相关分析和主成分分析（PCA）进行数据解读。

**研究结果**

**3.1 跨采样站点的雨水化学一般特征**
通过描述性统计和Mann-Whitney U检验，发现交通影响站点所有参数浓度均显著高于城市绿地站点（p < 0.001），仅pH在绿地站点显著更高（p < 0.001）。

**3.1.1 物理特性**
pH范围6.42–7.44，平均值交通站点6.94，绿地站点7.13，均处于饮用水标准6.5–9.5范围内。电导率（EC）平均值交通站点50.4 μS/cm，绿地站点34.3 μS/cm（+47%）。浊度交通站点1.68 NTU，绿地站点1.04 NTU（+61%），均低于5 NTU限值。真色交通站点15.5 Pt–Co单位，绿地站点8.9 Pt–Co单位（+74%），交通站点偶尔超过15 Pt–Co美学限值。总硬度交通站点22.5 mg CaCO₃/L，绿地站点14.9 mg CaCO₃/L（+51%），均为软水。

**3.1.2 主要阴离子和营养物种**
氯化物（Cl^?）交通站点2.06 mg/L，绿地站点1.20 mg/L（+71%），远低于250 mg/L指南值。硝酸盐（NO₃^?–N）交通站点1.22 mg/L，绿地站点0.92 mg/L（+32%）；亚硝酸盐（NO₂^?–N）交通站点0.031 mg/L，绿地站点0.024 mg/L（+31%）；铵（NH₄⁺–N）交通站点0.594 mg/L，绿地站点0.429 mg/L（+39%）。在交通站点，23次事件中铵超过0.50 mg/L指示值。

**3.1.3 微量金属**
锌（Zn）交通站点0.085 mg/L，绿地站点0.051 mg/L（+67%），均低于WHO指南值。镉（Cd）交通站点0.00227 mg/L，绿地站点0.00138 mg/L（+64%），最大值0.0030 mg/L等于WHO指南值。铅（Pb）交通站点0.00566 mg/L，绿地站点0.00425 mg/L（+33%），交通站点平均值超过欧盟（EU）参数值0.005 mg/L，但均低于WHO和美国环保署（USEPA）的0.010 mg/L阈值。

**3.2 季节变异性**
通过Kruskal-Wallis检验和Dunn事后检验，所有参数季节变化显著（p < 0.001，浊度p < 0.05）。冬季和春季浓度最高，夏季最低。

**3.2.1 一般参数的季节变异性**
pH从冬季到夏季升高，冬季最低（交通站点6.65，绿地站点6.88），夏季最高（7.14和7.32）。电导率冬季最高（交通站点71.85 μS/cm，绿地站点54.42 μS/cm），夏季最低。浊度冬季最高（2.49和1.52 NTU），夏季最低。真色冬季最高（17.85和10.83 Pt–Co单位），夏季最低，交通站点冬季和秋季超过15 Pt–Co。总硬度春季最高（25.66和18.07 mg CaCO₃/L），夏季最低。

**3.2.2 离子和营养物种的季节变异性**
氯化物冬季最高（总体2.56 mg/L），夏季最低。硝酸盐春季最高（总体1.31 mg/L），夏季最低。亚硝酸盐冬季、春季和秋季相近（0.031–0.032 mg/L），夏季最低（0.015 mg/L）。铵春季最高（总体0.678 mg/L），夏季最低（0.356 mg/L）。

**3.2.3 微量金属的季节变异性**
锌冬季最高（总体0.099 mg/L），夏季最低。镉冬季最高（总体0.0024 mg/L），夏季最低（0.0013 mg/L）。铅冬季最高（总体0.00580 mg/L），夏季最低，交通站点冬季、春季和秋季超过EU参数值。

**3.3 站点间变异性**
通过比例符号图展示，真色和浊度的交通-绿地比最高（1.74和1.61），其次为总硬度（1.51）和电导率（1.47）。离子和营养物种比：氯化物1.71，硝酸盐1.32，亚硝酸盐1.31，铵1.39。微量金属比：锌1.67，镉1.64，铅1.33。

**3.4 Pearson相关**
基于37次事件均值，EC和Cl^?强正相关（r = 0.990），Zn、Cd、Pb形成紧密相关簇（r = 0.967–0.973），表明共同车辆来源。氮物种（NO₃^?–N、NH₄⁺–N、NO₂^?–N）强相关（r = 0.774–0.941），与总硬度也强相关（r = 0.879–0.957）。pH与多数参数负相关，最强与EC（r = ?0.789）和Cl^?（r = ?0.809）。真色与Pb、Cd、Zn强正相关（r = 0.907, 0.874, 0.844）。

**3.5 主成分分析**
PCA保留两个主成分，共解释88.72%总方差。PC1（69.69%方差）正载荷最强：NO₂^?–N (0.945)、Cd (0.995)、Pb (0.999)、Zn (0.996)、真色 (0.906)、EC (0.864)、Cl^? (0.824)、总硬度 (0.821)、NH₄⁺–N (0.774)、NO₃^?–N (0.721)，pH负载荷（?0.710）。PC2（19.03%方差）正载荷pH (0.612)、NO₃^?–N (0.679)、总硬度（0.558）、NH₄⁺–N (0.517)，负载荷浊度（?0.598）和Cl^?（?0.523）。

**讨论与结论**
讨论部分指出，雨水化学受当地排放源、二次大气过程和季节气象变异共同控制。交通影响站点与绿地站点的分类对比在所有季节均显著，确认交通排放主导变异性。PCA和Pearson相关一致表明，两个独立因子——交通相关颗粒物污染和二次大气氮处理——解释了雨水组成。与欧洲监测与评估计划（EMEP）背景值相比，布加勒斯特pH较高，铵浓度显著偏高，反映碱性缓冲和农业排放影响。结论部分翻译如下：
本研究首次对罗马尼亚首都直接收集的雨水化学进行了综合的事件基础评估，表明在布加勒斯特高度城市化区域，湿沉降质量强烈受交通排放、二次大气过程和季节气象变异控制。所有测量参数在交通影响站点的浓度显著高于城市绿地站点（p < 0.001），多变量分析将此行为解析为两个可解释因子：交通相关颗粒物污染（69.69%方差）和二次大气氮处理（19.03%）。从水质角度看，关键发现是收集的雨水质量主要由收集点位置决定。交通站点镉等于WHO指示性指南值，铅在冬季、春季和秋季超过EU参数值，铵在大多数交通站点事件中超过指示值，而城市绿地站点始终低于这些阈值。这些结果转化为若干实际建议：收集系统应优先选址于低交通或植被区域；若必须在高交通环境收集，则需针对性预处理（特别是微量金属和铵），并考虑初流分流；应整合站点特异性质量评估于城市水管理规划，并建议常规降水质量监测以支持基于证据的雨水收集可持续利用政策。未来研究应扩展监测网络和周期，采用湿沉降专用采样协议，完成主要离子特征描述（SO₄^2?、Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺），并应用源解析技术如同位素示踪和受体模型，以更好地量化车辆、农业和区域大气源的相对贡献。