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无锡市城市集水区地表径流污染差异归因分析

更新时间:2009-03-28

随着城市化进程的加快,城市建成区面积快速扩展,以不透水面积(屋面、道路、停车场等)显著增加为特征的下垫面变化,增加了地面产流量,加快了地表径流的汇流速度,使城市地表径流峰值加大、峰现时间提前[1],为城市地表径流污染的发生提供了外部动力条件。同时,城市人口大量集聚,剧烈的人类活动产生了大量的污染物,如固体悬浮物、富营养化物质、耗氧物质、生物性污染物和无机有毒污染物等[2],为城市地表径流污染提供了物质基础。在降水淋溶、径流冲刷和搬运作用下,溶解的或固体的污染物从非特定地点,通过径流过程汇入受纳水体,便形成了地表径流污染。

城市河湖水系的水体污染从污染源的发生类型上可分为点源污染和非点源污染。点源污染主要是工业废水和城市污水的集中排放而对水体造成的污染,因其具有排污特征明显、污染强度大等特点,已成为水环境防治的重点,并已建立了较为完善的监测、评价和控制体系。在点源污染被逐步控制后,城市地表径流污染作为典型的非点源污染,已成为城市及郊区河流、湖泊等受纳水体的主要污染源[3],是导致河湖水系水环境恶化,资源性与污染性水环境危机的重要原因。Lee等[4]指出,即使点源污染被完全控制而忽略非点源污染,特别是城市地表径流污染,受纳水体的水质仍然不会改善。

城市地表径流污染是一个涉及多时空尺度、多污染源和多介质的复杂系统过程[5],集水区所处的气候环境、降雨特征、大气污染状况、土地利用与覆被类型、卫生管理水平和排水制度等共同影响地表径流污染的形成与发展。国内外对城市地表径流污染的研究始于20世纪60年代,以往研究主要关注以下问题:一是城市不同土地利用类型的地表径流污染特征,如居住区、交通区、商业区和工业区等[6];二是城市不同土地覆被类型的地表径流污染特征,如屋顶、道路、停车场和草坪等[7];三是降雨特征对地表径流污染的影响,如降雨强度、降雨历时、峰现时间和前期干燥日数等[8]。而针对具有不同下垫面特征的雨污分流制集水区,地表径流污染过程与排放特征的研究较少,为此本文以雨污分流制的沈巷小区、东风小区和槐古豪庭为研究区,对集水区降雨、地表径流及其水质过程进行同步监测,分析地表径流的水文、水质变化过程及其特征,以期为雨污分流制集水区地表径流污染的控制与管理提供科学依据。

1 研究区概况

本研究以位于无锡市主城区的沈巷小区、东风小区和槐古豪庭为研究区(图1),三者均为相对闭合的雨污分流制集水区,降水形成的地表径流通过雨水管网汇入集水窖井,并通过雨水总排口排入受纳河道,沈巷小区、东风小区、槐古豪庭的地表径流分别排入民丰河、北兴塘和古运河。土地利用类型为商业/住宅区,土地覆被类型为屋面、道路、地面铺砖和绿地,其汇水面积分别为5.69ha、1.13ha和1.07ha,不透水地面比例分别为90.40%、71.62%和76.48%,绿地比例分别为9.60%、15.47%和23.52%。

  

图1 集水区与雨量站分布图

沈巷小区环境卫生较好;东风小区环境卫生一般,部分绿化带中有散养家禽;槐古豪庭景观构成复杂,三栋高层建筑分列小区南北两侧,中间空地分为上下两层,上层为花园及蓄水池,地表径流通过落水管流入雨水管网,下层为车库与露天广场。

2 材料与方法

2.1 水样采集与监测

本文以2014年8月24日短历时暴雨为例,降雨过程数据来源于无锡水文站雨量遥测资料(分辨率为0.2mm,记录间隔为5min),此次降雨历时为50min,降雨量35.8mm,最大降雨强度为13.2mm/5min。为获得地表径流中雨水的水质参数,故在无锡水文站设置雨水采样点,用口径20cm标准式雨量器收集雨水。

三个集水区的雨水总排口均位于受纳河道水位以下,无法进行径流采样,因此将采样点设于距离雨水总排口最近的集水窨井。集水窨井一般由多路支管接入,无雨时集水窨井中仅有少量积水,降雨产流时地表径流通过支管汇入集水窨井。在降雨产流后即采集水窨井中的水样,采样时间间隔为5min,直至地表径流结束。

水样4℃条件下保存,并于24h内依照《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91—2002)规定的地表水和污水分析方法进行水质检测,检测项目为总悬浮颗粒物(Total Suspended Solids, TSS)、高锰酸盐指数(Permanganate Index, CODMn)、总磷(Total Phosphorus, TP)和总氮(Total Nitrogen, TN)。

2.2 地表径流量

地表径流流量采用《室外排水设计规范》(GB 50014—2006)中雨水设计流量公式计算:

Qs=q·ψ·F

(1)

W=Qs·Δt

(2)

式中,W为径流量(m3);Qs为雨水设计流量(L/s);q为设计暴雨强度[L/(s·ha)];Ψ为径流系数;F为汇水面积(ha),Δt表示非连续采样时间间隔。集水区地面类型及其径流系数如表1所示,本研究中屋面、道路、铺砖(半透水)、铺砖(不透水)和绿地的径流系数分别取0.90、0.90、0.375、0.60和0.15,集水区的平均径流系数按地面类型加权平均,沈巷小区、东风小区和槐古豪庭的平均径流系数分别为0.83、0.72和0.66。

 

表1 集水区地面类型及其径流系数 m2

  

集水区汇水面积屋面道路铺砖(半透水)铺砖(不透水)绿地沈巷小区56 88425 46525 9565 463东风小区11 2804 0364 0431 4561 745槐古豪庭10 7203 0652 6982 4362 521径流系数0.85~0.950.85~0.950.35~0.400.55~0.650.10~0.20

2.3 事件平均浓度

在降雨峰值前,槐古豪庭地表径流中CODMn浓度出现了一次剧烈上升和下降过程(图2(b)),这是因为槐古豪庭绿化带及其周边有大量积存的枯枝落叶,枯枝落叶长期堆积产生的有机物随径流汇入集水窖井,导致槐古豪庭初期地表径流中CODMn浓度较高[9],随着降雨强度的增大,雨水冲刷作用使地表污染物含量急剧减少,CODMn浓度随之迅速降低。

式中,m(t)为t时刻降雨过程排放的污染物负荷量;v(t)为t时刻降雨过程排放的径流量;c(t)为t时刻降雨过程排放的污染物浓度;q(t)为t时刻降雨径流量;Δt为采样时间间隔。实际研究中,地表径流水质监测数据是非连续的,因而以t时刻径流污染物的浓度代表t-Δtt时刻污染物平均浓度。

 

(3)

由表1可知,100个水产样品中有52个样品检出了甲醛,甲醛含量为0.48~63.37 mg/kg,平均值为7.65 mg/kg,76.9%的样品本底含量为0.2~5.0 mg/kg,表明多数水产品中甲醛的本底含量处于低端水平。鱼类甲醛含量相对其他水产品较高,其中海水鱼甲醛检出率高于淡水鱼;海水鱼类中鳕鱼含量最高,平均含量高达39.02 mg/kg,其他海水鱼的甲醛含量均低于20 mg/kg,淡水鱼检出率大大低于海水鱼,且甲醛含量均低于6.16 mg/kg;其次为鱿鱼,平均含量高达21.23 mg/kg;贝类和其他类水产品含量最低。

3 结果与分析

3.1 地表径流污染过程分析

此次降雨事件开始于17∶45,由于无锡水文站雨量遥测数据的时间分辨率为5min,故17∶45对应的雨量数据为17∶40—17∶45的降雨量,记为0mm。不过,由于此次降雨事件初期降雨强度较大,降雨在短时间内即开始产生地表径流,故17∶45即有地表径流水质参数。降雨过程中集水区地表径流水质的变化过程如图2所示,地表径流污染物的初始浓度较高;17∶50时TSS、CODMn和TP浓度达到峰值,TN浓度也处于一次波峰状态;17∶55时降雨强度达到峰值,TSS浓度略有下降,而CODMn、TP和TN浓度大幅降低;随后TSS和CODMn浓度平稳降低,而不同集水区间TP和TN浓度波动差异显著。可见,在同一场降雨事件中,不同污染物或具有不同下垫面特征的集水区污染物浓度差异显著,但污染物浓度随降雨过程变化的趋势基本一致,即降雨产流初期地表径流污染物的浓度迅速升高,污染物浓度峰值先于降雨强度峰值,随着降雨强度的增大,地表径流污染物的浓度开始降低,且溶解态污染物(CODMn、TP、TN)的降低速率大于固体颗粒态污染物(TSS)。

(1)党和政府的积极领导和资金投入、旅游文化的发展、裕固族人参与传统体育的积极性和专家学者对裕固族传统体育的研究,对裕固族传统体育项目和文化的推广和普及起到了积极的促进作用。

  

图2 降雨与地表径流污染物变化过程

降雨初期槐古豪庭与沈巷小区地表径流中TSS浓度相同,17:50后槐古豪庭的TSS浓度高于东风小区和沈巷小区(图2(a))。初期地表径流中TSS浓度主要受集水区卫生管理水平影响,槐古豪庭与沈巷小区的环境卫生条件较好,屋面和道路的固体悬浮物能够被及时清扫,减少了集水区固体悬浮物的赋存量,因而其初期地表径流中TSS浓度相对较低。但是,随着降雨强度的加大,雨水冲刷可能导致集水区绿地水土流失,地表径流挟带了大量的土壤颗粒和枯枝落叶,增加了地表径流中固体悬浮物的来源,因而表现出绿化率越高地表径流中TSS相对较高的现象。

从降雨开始时刻到某一时刻t降雨径流污染物的事件平均浓度(event mean concentration, EMC),即

在进行模糊控制时,输入和输出变量必须经过模糊化才能进行模糊控制[4]。该项研究有2个模糊控制,第1个是单输入单输出,第2个是双输入单输出。

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3.2 地表径流污染物浓度分析

此次降雨事件中,三个集水区地表径流中CODMn、TP和TN的浓度峰值均超过《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅴ类水标准,若这部分径流直接排入城市河道会对受纳水体造成严重污染。沈巷小区、东风小区和槐古豪庭地表径流中CODMn浓度最小值分别为7.8mg/L(Ⅳ类)、5.1mg/L(Ⅲ类)和3.4mg/L(Ⅱ类);槐古豪庭地表径流中TP、TN的浓度最小值达到Ⅳ类水标准,而沈巷小区和东风小区地表径流中TP、TN浓度的最小值远超出Ⅴ类水标准。沈巷小区、东风小区和槐古豪庭地表径流中CODMn的EMC均达到Ⅴ类水标准,TP的EMC分别是Ⅴ类水的5.05、4.08和1.75倍,TN的EMC分别是Ⅴ类水的12.27、5.25和4.22倍(表2)。由此可见,无锡市主城区雨污分流制集水区地表径流中TP、TN对受纳水体的污染严重。

 

表2 雨水与地表径流污染物的EMC

  

EMC (mg/L)TSSCODMnTPTN雨 水242.40.043.01沈巷小区66.9911.222.0224.53东风小区76.0810.111.6310.49槐古豪庭85.3211.200.708.43

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雨水在降落过程中对大气进行淋洗,空气中的固体颗粒物、可溶性气体等吸附或溶解于雨水,当空气中颗粒物或污染性气体较多时,雨水中相关污染物的浓度也较高。在此次降水事件中,雨水中CODMn、TP的EMC达到Ⅱ类水标准,而TN的EMC是Ⅴ类水的1.51倍。

3.3 地表径流污染冲刷特征分析

地表径流污染物中TSS的初期冲刷强度最小,且在整个降雨过程中,三个集水区TSS的初期冲刷指数变化过程基本一致;不同集水区地表径流污染物中CODMn、TP和TN的初期冲刷强度差异显著。集水区污染物的初期冲刷强度差异可能与其性态有关,悬浮颗粒物因其固体颗粒态特性,冲刷强度主要取决于径流的搬运能力,降雨强度越大其搬运能力越强,由于三个集水区的降雨过程相同,因而TSS的初期冲刷强度基本一致。而CODMn、TP和TN为溶解性污染物,冲刷强度主要受径流汇流速度的影响,汇流速度越快其冲刷能力越强,一般集水区面积越小、不透水率越高,地表径流的汇流速度越快,因而,CODMn、TP和TN的初期冲刷强度表现为槐古豪庭最大、东风小区次之、沈巷小区最小。

在此次降雨事件中,地表径流中TP、TN浓度表现出:沈巷小区> 东风小区 > 槐古豪庭(图2(c),2(d))。地表径流中磷、氮等营养元素主要来源于雨水和地表,三个集水区均位于无锡市主城区且空间距离较近,雨水中污染物浓度基本相同,因而地表径流中TP、TN浓度悬殊与地表条件有关。降雨过程后期,槐古豪庭地表径流中TP、TN浓度远小于东风小区和沈巷小区,甚至低于雨水中TN浓度,这是因为槐古豪庭的绿化率较高,绿地能够截留地表径流中磷、氮等营养物质,如土壤过滤吸附、植物吸收溶解态的无机磷、氮,植物通过其发达的根系向土壤输送氧气,供好氧微生物分解有机磷、氮等有机物,相关研究表明,降雨初期径流经草坪处理,TN浓度能够降低16%[10],可见,绿地能够净化地表径流的水质。而降雨过程后期,东风小区地表径流中TN浓度迅速升高,主要受小区绿化带内散养家禽粪便的影响。一般粪便中含有约0.5%的磷和1.0%的氮,绿化带内的家禽粪便不断地受雨水淋溶与冲刷,并随地表径流汇入雨水管网,这是东风小区地表径流中TP浓度波动上升、TN浓度急剧升高的主要原因。

  

图3 集水区污染物的M(V)曲线

此次降水事件中,三个集水区地表径流污染均具有初期冲刷效应(图3(b),3(c),3(d))。其中,TSS均具有微弱初期冲刷效应;CODMn均具有中度初期冲刷效应;沈巷小区地表径流中TP、TN具有微弱初期冲刷效应,东风小区与槐古豪庭地表径流中TP、TN表现出中度初期冲刷效应(表3)。

 

表3 地表径流污染的初期冲刷强度

  

集水区FF33TSSCODMnTPTN沈巷小区35443838东风小区35494142槐古豪庭34585949

初期冲刷效应是指在降雨事件中大量污染负荷被少量初期地表径流挟带的现象。Bertrand-Krajewski等[11]将M(V) 曲线坐标平面划分为6个区域,分别代表显著(Ⅰ区)、中度(Ⅱ区)、微弱(Ⅲ区)初期冲刷效应和显著微弱(Ⅳ区)、中度(Ⅴ区)、显著(Ⅵ区)初期稀释效应(图3(a)),若以降雨事件初期0~33%的累积径流量为初期径流,用初期冲刷指数(First Flush Index, FF)表示初期冲刷的强度,则显著(Ⅰ区)、中度(Ⅱ区)、微弱(Ⅲ区)初期冲刷效应的初期冲刷指数分别为FF33>81、38< FF33≤81、33< FF33≤38。

4

(1)此次降雨事件中,地表径流中污染物浓度峰值先于降雨强度峰值。

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式中,Sh为深部热水初始焓值;Ss为热水最终焓值;Sc为冷水焓值;SiO2h为深部热水的SiO2初始含量;SiO2h为热水SiO2的最终含量;SiO2h为冷水SiO2含量。

(2)集水区绿地能够降低地表径流中CODMn、TP和TN等溶解性污染物的浓度,尤其对地表径流中TN的截留效果明显,同时可能增加地表径流中悬浮颗粒物和有机物的来源。

(3)沈巷小区、东风小区和槐古豪庭地表径流中TP、TN对受纳水体的污染严重,TP的EMC分别是Ⅴ类水的5.05、4.08和1.75倍,TN的EMC分别是Ⅴ类水的12.27、5.25和4.22倍。

(4)雨水中CODMn、TP的EMC达到Ⅱ类水标准,而TN的EMC是Ⅴ类水的1.51倍,空气中NO2等含氮物质超标是引起当地水体富营养化的重要因素。

(5)沈巷小区、东风小区和槐古豪庭地表径流中TSS均具有微弱初期冲刷效应,其冲刷强度主要取决于径流的搬运能力;CODMn、TP和TN等溶解性污染物的初期冲刷强度均大于固体颗粒态的TSS,其冲刷强度主要受径流汇流速度制约。

参考文献

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[10] 孙书明,单保庆,彭万疆. 草坪系统对城市降雨初期径流氮污染控制作用[J]. 生态学杂志, 2009, 28(1): 23-26.

[11] Bertrand-Krajewski J L, Chebbo G, Saget A. Distribution of Pollutant Mass vs Volume in Stormwater Discharges and the First Flush Phenomenon [J]. Water Research, 1998, 32(8): 2341-2356.

 
杨倩,
《合肥学院学报(综合版)》2018年第02期文献

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