西安市城市主干道路面徑流污染特征研究

陳 瑩,趙劍強,胡 博 (長安大學環(huán)境工程系,陜西 西安 710054)

西安市城市主干道路面徑流污染特征研究

陳 瑩,趙劍強*,胡 博 (長安大學環(huán)境工程系,陜西 西安 710054)

在西安市城市主干道南二環(huán)路建立路面徑流原位采樣站,利用自制流量等比例采樣裝置,全程收集2009年3月～2010年2月的32場降雨產生的路面徑流,測試徑流SS、COD、溶解性COD、NH3-N、Pb、溶解性Pb、Zn和溶解性Zn的事件平均濃度(EMC),研究路面徑流污染強度、污染物賦存狀態(tài)、相關關系、濃度影響因素以及季節(jié)變化規(guī)律.結果表明,城市主干道路面徑流污染物EMC變異大且污染嚴重,SS、COD、溶解性COD、NH3-N、Pb、Zn、溶解性Zn的EMC中值分別為1543,574,129,1.86,0.042,0.219,0.111mg/L,變異系數0.41～0.8,其中SS、COD的EMC中值遠大于《污水綜合排放標準》三級標準,是主要污染物.路面徑流中Pb主要以顆粒態(tài)存在,而47.4%的Zn、25.1%的COD呈溶解態(tài).徑流中顆粒物是許多其他污染物的載體,COD、Pb、Zn均與SS在顯著性水平0.01時顯著相關,相關系數分別為0.845,0.807和0.903.表征降雨特征的各因子中,降雨量、最大降雨強度與污染物濃度呈負相關,降雨歷時與除NH3-N之外的其他污染物呈負相關,相關性依次為降雨量＞最大降雨強度＞降雨歷時,前期晴天時間與溶解性Zn和溶解性COD濃度正相關,但與其它污染指標不相關.方差分析結果表明,SS、COD和NH3-N濃度隨季節(jié)明顯變化,而溶解態(tài)COD、重金屬Pb、Zn和溶解態(tài)Zn的濃度季節(jié)差異不大.

城市主干道；路面徑流；事件平均濃度；賦存狀態(tài)；相關關系；影響因素

城市地表徑流是影響城市水環(huán)境質量的第二大污染源[1].路面徑流是地表徑流中污染效應最強的部分[2-3],對受納水體影響嚴重[4-5],其也是PAHs等有毒有機物進入水體的重要途徑[6-7].西方發(fā)達國家自20世紀70年代開始研究路面徑流,形成了完善的研究體系,并將成果成功應用于徑流污染治理實踐.我國對城市路面徑流的研究正處于快速發(fā)展時期,近年來相關學者在北京[8]、廣州[9]、澳門[10]、上海[11-12]、南京[13-15]等地相繼展開路面徑流污染的基礎測試研究.國內外研究均表明,受降雨特征、土地利用類型、大氣污染狀況、道路管理情況等諸多隨機因素影響,不同地區(qū)路面徑流污染強度、污染特征、排污負荷差異較大,即使為同一地點,不同場次徑流污染效應也有顯著差異,因此需進行大量實地測試研究,才能有效識別當地路面徑流污染特征和污染效應,并隨之開展徑流污染控制和雨水資源化利用研究.

本實驗以西安市城市道路徑流為研究對象,在西安市南二環(huán)路建立徑流采樣站,利用自制流量等比例采樣裝置,對2009年3月～2010年2月的32場路面徑流進行全程收集.測試各場次路面徑流特征污染物的EMC,并就污染物分布特征、污染強度、賦存狀態(tài)、相關關系、濃度影響因素以及季節(jié)變化規(guī)律進行探討.

1 研究方法

1.1 采樣地點

本研究采樣地點選擇在兩條城市主干道——南二環(huán)路與南北向主軸太白路交匯的太白立交橋.在南二環(huán)跨太白路高架橋下建立路面徑流采樣站,從橋梁排水立管處采集路面徑流.該徑流收集段為單向行駛的3車道橋面,專供機動車行駛,瀝青混凝土路面,日均車流量約3萬輛,路拱橫坡0.2%,縱坡0.5%,橋寬11.0m,采樣點匯流面積410m2,路面衛(wèi)生維護方式為:每日人工與真空吸塵車聯合,定期清掃.

1.2 采樣方法

改造采樣點排水立管,安裝采樣支管,排水立管內設自制的流量等比例采樣器,該采樣器可根據流量變化等比例地將徑流量的1/25引入采樣支管末端的收集桶,實現對整場降雨徑流連續(xù)采樣,獲得徑流全程流量等比例混合水樣.采樣方法見圖1.

1.3 水質測定

降雨結束后立即將收集的流量等比例混合水樣送至實驗室分析水質,分析項目包括 SS、COD、溶解性COD、NH3-N、Pb、溶解性Pb、Zn和溶解性Zn,采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)推薦方法進行測定[16].溶解性污染物需將水樣通過 0.45μm濾膜過濾后測定.由于所測水樣為徑流全過程的流量等比例混合水樣,因此測定值代表各污染指標的EMC.

圖1 采樣地點和采樣方法示意Fig.1 Schematic of sampling site and method圖中尺寸單位均為mm

1.4 降雨特征

采樣期間利用JFZ-01型數字雨量計對降雨特征進行同步監(jiān)測.因2009年12月雨量計發(fā)生故障,故僅對2009年3～11月的30場降雨的降雨特征進行了有效監(jiān)測.監(jiān)測結果見表1.

2 結果與討論

2.1 路面徑流污染強度

各場次路面徑流各污染指標的EMC監(jiān)測結果見表2.

通過分析可見,西安市城市道路徑流各污染物 EMC呈正偏態(tài)分布,且呈寬幅變化.SS、COD、溶解性COD、NH3-N、Pb、Zn和溶解性Zn的 EMC中值分別為1543,574,129,1.86, 0.042,0.219,0.111mg/L.最大值分別是最小值的16.5,7.9,10.1,26.5,9.3,3.8,8.2倍,變異系數在0.41～0.8之間,表明場次間EMC變化大,可能與影響徑流污染的隨機因素多有關.對比文獻研究結果,西安市城市道路徑流重金屬Pb、Zn的污染水平與南京[13]、澳門[10]等城市相當,略小于廣州[9]、上海[11]的研究結果,且遠小于國外早期的研究結果[17],表明無鉛汽油的廣泛采用對減少徑流中的Pb污染起到了重要作用.西安市路面徑流SS和COD濃度遠大于國內外其他研究結果,SS、COD的EMC中值分別為《污水綜合排放標準》三級標準限值的 3.9倍和 1.1倍,這可能與西安市地處黃土高原南緣、大氣降塵嚴重、降雨量較少有關;還與道路清掃頻率、清掃效率和城市管理水平有關.表明西安市道路徑流的主要污染物為顆粒物和有機污染物,應對上述污染物給予重點關注.

2.2 路面徑流污染物賦存狀態(tài)

徑流中污染物可分為溶解態(tài)(＜0.45μm)和顆粒態(tài)(＞0.45μm)2種,賦存狀態(tài)直接影響其環(huán)境行為.溶解態(tài)的物質易于被生物利用,短期內對水環(huán)境產生的危害較顆粒態(tài)污染物大[18],因此在徑流污染研究中,國內外學者對污染物的賦存狀態(tài)較為關注[19-20].

本研究測試了各場次徑流中COD、Pb、Zn的總濃度和溶解態(tài)濃度,以 fd表示溶解態(tài)污染物占總量的百分比,將本研究所得污染物賦存狀態(tài)與國內外的相關研究列于表3.

由表3可知,西安市各場次路面徑流中溶解態(tài)Pb均低于檢測限,47.4%的Zn、25.1%的COD為溶解態(tài),表明顆粒態(tài)Pb、顆粒態(tài)COD和溶解態(tài)Zn是西安市路面徑流污染物輸出的主要形態(tài).本研究所得重金屬賦存狀態(tài)與美國和中國廣州的研究相似,但與常靜等[11]對上海市路面徑流中Zn賦存狀態(tài)的研究結果差異較大.對于徑流中有機物的賦存狀態(tài),本研究與解建光等[25]在南京的研究結果類似,但fd略低,進一步說明可能因不同地區(qū)污染物來源、累積特征和影響要素不同,導致徑流中污染物賦存狀態(tài)存在一定差異.國外相關研究表明,路面徑流中普遍存在的來自于燃料、潤滑油及瀝青筑路材料的如多環(huán)芳烴(PAHs)、多氯聯苯(PCBs)和三丁基錫(TBT)等毒性較高的有機污染物中,68%～97%的PAHs以顆粒態(tài)存在,大部分PCBs和TBT主要富集在顆粒物中[20].因此采用沉淀等方法去除徑流中顆粒物的同時對徑流中重金屬和有毒有機污染物也有較好的去除效果.

表2 路面徑流各污染指標的EMCTable 2 EMC of pollution indicators of urban road runoff

2.3 路面徑流污染指標相關關系

在路面徑流研究中,國外研究者普遍發(fā)現徑流中許多污染物的分布特征與顆粒物的分布存在一定程度的相似性[27-28].本研究利用32場徑流的測試數據,研究各污染指標的相關性,表4列出了各污染物的pearson相關系數.

表3 路面徑流污染物賦存狀態(tài)Table 3 Occurrence of runoff pollutants

表4 污染物pearson相關系數Table 4 Pearson correlation coefficients of pollutants

由表4可見,SS與COD、Pb、Zn在顯著性水平0.01時相關,表明徑流中顆粒物是有機物、重金屬的重要載體;但 SS與溶解態(tài)污染物,如溶解性COD、NH3-N、溶解性Zn的相關性不好,這可能與污染物的來源不同有關.將 SS與相關污染物進行回歸分析,獲得回歸方程見式(1).根據回歸方程,已知路面徑流中 SS的濃度,就可以一定準確性預測估算其他污染物的濃度.

2.4 降雨特征對徑流污染的影響

影響路面徑流污染的因素很多,包括地理區(qū)域、路面材料、降雨特征、土地利用類型、大氣降塵、交通量、路面清掃等.本研究在固定區(qū)域采樣,排除了地理區(qū)域、路面材料、土地利用類型、交通量、清掃等因素的影響,各場次徑流中污染物濃度變化主要與降雨特征有關.將表征降雨特征的降雨量、降雨歷時、最大降雨強度和前期晴天時間與徑流污染物 EMC進行相關分析,用以明確降雨特征對徑流污染的影響.表5列出了各污染物濃度與降雨特征的 Pearson相關系數.

由表5可見,表征降雨特征的各因子中,降雨量與污染物濃度相關性最強且為負相關,該因子在顯著性水平0.01時與COD、溶解態(tài)COD顯著相關,相關系數分別為0.486和0.489,該因子對SS濃度也有一定程度的影響.最大降雨強度與污染物濃度也呈負相關,但其影響略小于降雨量,該因子在顯著性水平0.05時與COD、溶解態(tài)COD顯著相關.降雨歷時與除NH3-N以外的其他污染物濃度呈負相關.前期晴天時間與溶解態(tài) Zn在顯著性水平0.05時呈顯著正相關,與溶解態(tài)COD也呈一定正相關性,但與其他指標相關性較小.降雨特征因子與污染指標的相關性順序依次為降雨量＞最大降雨強度＞降雨歷時＞前期晴天時間.分析認為,由于采樣區(qū)域道路清掃方式為每日人工與機械聯合清掃,較大粒徑的顆粒態(tài)污染物在日常清掃中得以去除,因此徑流中顆粒態(tài)污染物濃度與前期晴天時間相關性不強,而雨前路面累積的可溶性污染物由于粒徑微小較難在日常清掃時被去除而逐漸累積,并在隨后的雨期徑流中形成較高濃度的污染.

2.5 路面徑流污染季節(jié)變化特征

采用 SPSS17.0軟件,對 32場徑流污染物EMC的測試結果進行單因素方差分析(one-way ANOVA),研究路面徑流污染隨季節(jié)的變化規(guī)律.分析結果見表6.

表5 路面徑流濃度與降雨特征的Pearson相關系數Table 5 Pearson correlation coefficients of EMC with rainfall characteristics

表6 污染物濃度季節(jié)變化方差分析結果Table 6 Result of one-way ANOVA of seasonal variation

由表6可見,SS、COD和NH3-N濃度隨季節(jié)明顯變化,SS和COD濃度呈現出冬、春季高、秋季最小的趨勢,而NH3-N則為夏季最低、冬季最高.上述結果與國外研究認為的徑流污染濃度在雨季初期最大,隨后逐漸減小,隨著時間的推移又逐步增大的結論相一致[29].而溶解態(tài)COD、重金屬Pb、Zn和溶解態(tài)Zn的濃度季節(jié)差異不大.

分析認為,徑流污染物濃度隨季節(jié)變化規(guī)律的差異反映了污染物來源的不同.西安市位于黃土高原南緣,風沙揚塵作用強烈,自然降塵平均每月達20～24t/km2,其中黃土粉塵占60%,煤煙粉塵約占20%[30],大氣降塵導致的路面沉積物對徑流污染的貢獻不容忽視.路面徑流中SS、COD部分來自大氣降塵,NH3-N主要來自大氣降塵[31],而西安市不同季節(jié)大氣降塵變化明顯,顯著表現為春季最高、夏秋季節(jié)逐漸降低、冬季回升的態(tài)勢

[30],因此不同季節(jié)源自大氣降塵的路面沉積物數量不同,進入徑流中的污染物量有明顯差異,而由于西安春季降水量較大而冬季降水量稀少,故徑流中SS、COD的濃度呈冬季最高、春季次之、夏秋季節(jié)逐漸減少的趨勢.冬季采暖季石化燃料的消耗增加導致大氣中含氮化合物增多,故冬季徑流中NH3-N濃度顯著高于其他季節(jié).徑流中重金屬Pb、Zn和溶解態(tài)Zn主要來自交通污染源排放,因道路交通量幾乎不隨季節(jié)變化,故徑流中重金屬濃度季節(jié)差異不大,濃度變化主要與場次降雨特征有關.

3 結論

3.1 西安市城市主干道場次路面徑流污染物EMC變化大,SS、COD、溶解性COD、NH3-N、Pb、Zn和溶解性 Zn的 EMC中值分別為1543,574,129,1.86,0.042,0.219,0.111mg/L,變異系數0.41～0.8.其中,SS、COD的EMC中值遠大于國內外其他研究結果,且高于《污水綜合排放標準》三級標準限值,表明顆粒物和有機物是西安市路面徑流的主要污染物,應給予重點關注.

3.2 西安市城市主干道路面徑流溶解態(tài) Pb低于檢測限,47.4%的Zn和25.1%的COD為溶解態(tài),表明顆粒態(tài)COD、顆粒態(tài)Pb和溶解態(tài)Zn是路面徑流污染物輸出的主要形態(tài).

3.3 西安市城市主干道路面徑流SS與COD、Pb、Zn在顯著性水平0.01時相關,相關系數分別為 0.845,0.807,0.903,表明顆粒物是徑流中有機物、重金屬的重要載體.SS與溶解態(tài)污染物,如NH3-N、溶解性COD、溶解態(tài)Zn無顯著相關性.

3.4 表征降雨特征的因子中,降雨量、最大降雨強度與污染物濃度呈負相關;降雨歷時與除NH3-N以外的其他污染物濃度呈負相關;前期晴天時間與溶解態(tài)Zn和溶解態(tài)COD呈正相關,與其它指標相關性較小.降雨特征因子與污染物濃度的相關性依次為降雨量＞最大降雨強度＞降雨歷時＞前期晴天時間.

3.5 西安市城市主干道路面徑流 SS、COD和NH3-N濃度隨季節(jié)明顯變化,SS和COD呈冬、春季濃度高、秋季濃度最小的趨勢,而NH3-N則為夏季最低、冬季最高,表明路面徑流SS、COD和NH3-N污染與大氣降塵有關;而主要來自于交通污染源的污染物,如重金屬 Pb、Zn和溶解態(tài)Zn的濃度季節(jié)差異不大.

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Pollution characteristics of urban trunk road runoff in Xi’an City.

CHEN Ying, ZHAO Jian-qiang*, HU Bo (Department of Environmental Engineering, Chang’an University, Xi’an 710054, China). China Environmental Science, 2011,31(5)：781～788

Urban road runoff caused by 32 storm events were collected proportionally to the total volume and completely through the rainfall time at south second ring road in Xi’an City using self-made volume proportional collecting device from March 2009 to February 2010. Event mean concentration (EMC) of SS, NH3-N, total and dissolved COD, Pb and Zn were tested. Pollution intensity, mode of occurrence, relationship, concentration influential factors, as well as seasonal variation of runoff pollutants were explored. The results showed that EMC of main runoff pollutants varied greatly and the median EMC of SS, COD, dissolved COD, NH3-N, Pb, Zn and dissolved Zn were 1543, 574, 129, 1.86, 0.042, 0.219, 0.111mg/L respectively. The coefficient of variation ranged from 0.41 to 0.8. The median EMC of SS and COD were far greater than the values of Integrated Wastewater Discharge Standard Grade III, so SS and COD were the main pollutants of road runoff. The occurrence of Pb was mainly granular state and 47.4% of Zn, 25.1% of organic pollutants was dissolved. The correlation of COD, Pb and Zn with SS were significant at 0.01 level and the correlation coefficients were 0.845, 0.807 and 0.903 respectively, which showed that particulate matters were carrier for many other pollutants. The descending order for influence weights of rainfall characteristics on concentration of pollutants was as follows: rainfall volume＞ maximum rainfall intensity ＞ rainfall duration. Antecedent dry period (ADP) had no correlation with EMC of many pollutants except dissolved Zn and dissolved COD. Result of one factor analysis of variance showed that EMC of SS, COD and NH3-N varied with seasons significantly, while the variation tendency of other pollutants, such as dissolved COD, Pb and Zn was not obvious.

urban trunk road；road runoff；event mean concentration；mode of occurrence；relationship；influential factor

X522

A

1000-6923(2011)05-0781-08

2010-09-10

中央高?；鹳Y助項目(CHD2009JC118)

* 責任作者, 教授, zhao1979511@163.com

陳 瑩(1977-),女,陜西富平人,長安大學環(huán)境工程學院副教授,博士研究生,研究方向為交通環(huán)境與安全技術.發(fā)表論文9篇.