寒冷天气下的车辆测试作业与季节性冻融过程对中国黑河市地表水的影响

《Journal of Hazardous Materials》：Combined Impacts of Cold-Weather Vehicle Testing Operations and Seasonal Freeze-Thaw Processes on Surface Waters in Heihe City, China

本研究采集黑龙江黑河市六个冰基测试场的水和雪样，分析冷天气车辆测试污染物动态及对水生生态影响。结果显示COD、TN和石油烃在测试后显著升高，超环境标准；多环芳烃时空异质性显著，风险quotient最高达256.8，揭示春融期污染物集中释放对水环境造成急性慢性危害。研究为车辆测试环境管理提供科学依据。

　　

张凌松|刘娜|张嘉生|薛浩|梁振明|孟凡生

中国环境科学研究院环境标准与风险评估国家重点实验室，北京，100012，中国

摘要

寒冷天气下的车辆测试是汽车工业的重要组成部分，但同时也带来了显著的环境风险，例如机油泄漏以及车辆污染物沉积在冰雪上，随后这些污染物会进入水体。为了评估污染物的动态及其对水生环境的影响，本研究在三个采样期间从黑河市的六个基于冰面的测试设施中收集了水和雪样。结果显示，在测试后的时期，化学需氧量（COD）、总氮（TN）和石油烃浓度显著增加，完全超出了环境标准。相比之下，溶解有机碳（DOC）浓度下降，而类似腐殖酸的物质比例上升，这表明发生了水文稀释和陆地污染物的输入。多环芳烃（PAH）总浓度和总风险商（RQ）的空间异质性从测试前逐渐降低到测试后。在16种目标PAH中，茚[1,2,3-cd]芘（InP）在所有采样水中都存在生态风险，另外8种PAH在特定的时空组合下也构成风险。雪样中的大多数参数在测试期间有所增加，其中S2站点的浓度最高，这归因于高强度的燃油车辆活动。水质参数的时空变化表明，水环境受到了寒冷天气车辆测试和季节性冻融循环的共同影响。这些发现为寒冷地区车辆测试行业的环境管理和季节性污染控制策略提供了科学依据。

引言

寒冷地区的汽车测试是车辆环境验证的重要组成部分，因为极低的温度会显著降低车辆性能，包括驾驶动态和安全系统。此类测试程序对于识别在标准操作条件下隐藏的性能限制至关重要。寒冷天气测试揭示了传统车辆的关键弱点，如发动机冷启动性能、材料脆性和电子系统可靠性。对于电动汽车（EV），包括电池续航里程、充电效率和电池-电机控制系统的热管理在内的关键参数需要在极端寒冷条件下进行验证[1][2]。这些严格的寒冷天气评估是上市前的必要验证步骤。全球主要的汽车制造国家都制定了强制性的寒冷地区测试法规[3][4][5]。然而，此类测试活动可能对相邻的地表水生态系统产生重大影响。最近的研究表明，车辆会释放多种污染物，包括来自轮胎磨损的微塑料颗粒、有毒污染物如6PPD-醌以及重金属，这些污染物随后通过地表径流传播[6][7]。在冬季，这些径流还会因道路维护使用的含氯融雪化合物而进一步富集[8]。如果未经适当处理就排放，这些复杂的污染物混合物会破坏水生生态系统的结构和功能，导致敏感物种的急性毒性和慢性损伤，并可能通过食物链途径生物累积，从而威胁生态系统的完整性和饮用水安全[9]。环境风险在春季融雪期间达到 annual 高峰，此时累积的污染物会集中释放到接收水体中[10]。

此外，车辆尾气污染物，特别是多环芳烃（PAHs），可以通过地表径流[11]、大气湿沉降和干沉降过程[12]进入水体，从而影响地表水的生态健康。欧洲水环境评估报告指出，只有38%的地表水体保持了良好的化学状态，而PAHs是主要超过监管标准的污染物之一[13]。有证据表明，车辆排放物占地表水中PAHs的约20.6%-40.3%[14]。值得注意的是，车辆在低温下的排放量显著增加，研究表明冷启动时的PAH排放量大约是热启动时的3倍[15]。这些在寒冷天气测试期间增加的PAH排放物会积聚在雪和冰中，最终在春季融雪时以“春季脉冲”的形式进入当地水体，可能对水生生态系统造成急性和慢性毒性[16][17]。

目前关于寒冷地区车辆运营环境影响的研究主要集中在交通运输方面，而对汽车寒冷天气测试活动对水生环境影响的研究相对较少。这类研究对于推动汽车行业的可持续发展至关重要。作为世界上最大的汽车出口国[18]，中国建立了广泛的寒冷地区测试设施以支持汽车产业的发展[19]。近年来，寒冷地区汽车测试行业的迅速扩张引起了人们对测试活动潜在水生环境影响的日益关注。中国黑龙江省的黑河市（47°42′–51°03′N）与挪威和瑞典著名的北欧冬季测试设施处于同一纬度。该地区每年有超过100天的气温低于-20°C，支持大规模的寒冷天气车辆测试作业。该市的测试设施每年可容纳4,000辆测试车辆，占中国寒冷地区测试能力的80%[20]。此外，黑河市具有典型的大陆性寒冷气候和丰富的水资源。因此，研究污染物的组成、迁移和转化模式及其在冻融过程中的分布机制，对于理解区域水质影响以及全球生物地球化学循环的更广泛影响至关重要[21]。

本研究考察了黑河市六个不同规模和水生功能的测试站点，在测试前、测试中和测试后实施了全面的水质监测协议。主要目标是：（1）系统地描述地表水中关键污染物的时空分布模式；（2）识别关键污染因素及其背后的机制；（3）评估致癌PAHs对水生生物的生态风险。研究结果将为制定针对寒冷天气测试行业的环境管理策略和区域污染预防政策提供科学依据。

采样策略和站点选择

黑河市每年从11月初到4月底都处于结冰状态。汽车测试公司于2022年12月底在测试场地开始作业，并在2023年3月底冰开始融化时逐渐撤离。根据测试活动，采样分为三个阶段：2022年12月17日至22日（测试开始前10天）和2023年2月15日至17日（测试开始后45天）分别收集水和雪样。

环境因素

对于常规水质参数，六个采样点的时间趋势总体一致（图2a）。测试期间和测试后的DO浓度均高于测试前水平。这种现象是由于冻融热力学影响气体溶解度造成的。在冻结过程中，根据亨利定律，温度降低会提高氧的溶解度，而冰晶形成则使剩余液体中的DO浓度升高。解冻时，压力

结论与未来展望

水质监测显示研究区域存在严重的环境污染。测试后时期的COD、TN和石油烃浓度显著高于测试前和测试期间，100%的样本超过了III类标准。水样中的总PAH浓度范围为0.22至12.76 μg/L，总RQ值介于5.45至256.8之间，表明存在较大的生态风险。来源分配分析揭示了不同的污染特征

环境影响

本研究的结果表明，单一污染源分析无法充分解释寒冷地区的水质变化。由寒冷天气车辆测试和季节性冻融过程共同作用引起的多因素时空复杂性导致了不同的污染模式和显著的环境退化，因此需要综合评估框架，同时考虑人为活动和自然环境循环，以准确评估环境影响

作者贡献声明

梁振明：方法论、调查、正式分析。孟凡生：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、概念化。张嘉生：软件、调查、正式分析、数据管理。薛浩：调查、数据管理。张凌松：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论、调查、数据管理、概念化。刘娜：初稿撰写、方法论、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。