城市降雨污染物質的相關性分析

趙子成，禹華謙

(西南交通大學土木工程學院，四川成都610031)

造成城市水體污染的原因主要有:點源污染和非點源污染兩類。當點源污染得到有效控制后，非點源污染日益得到重視，成為城市水環(huán)境污染的主要原因之一。城市非點源污染主要指［1］在降雨過程中，雨水及所形成的徑流流經城市地面、建筑物、綠化帶等，沖刷、聚集了一系列污染物，如有機物、油類、鹽分、氮、磷、有毒物質及雜物等，隨之排入河流、湖泊等受納水體，污染地表水或地下水。顯然，城市徑流污染屬于非點源污染，是僅次于農業(yè)污染的第二大非點源污染［2］?？梢娧芯课覈鞘袕搅魑廴緦Τ鞘蟹屈c源污染控制模型的建立、徑流管理措施的制定和城市長足發(fā)展都有一定意義。本次選擇西南交通大學集水區(qū)進行監(jiān)測，是成都主城區(qū)的一部分，具有一定代表性。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地區(qū)地處成都平原，亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，四季分明、雨量充沛。年總降雨量為918.2 mm，雨量主要集中在7月、8月，月降雨量分別為225 mm和229 mm;降雨最少月份為12月和1月，月降雨量分別為6 mm左右;暴雨期普遍出現在5～9月;常年暴雨出現的始終期分別在6月底、7月初和8月下旬。

西南交通大學集水區(qū)面積60 hm2，人口密度大，不透水面積比例大。集水區(qū)的土地利用以教師居住區(qū)為主，且配套有街道路面(雙向四車道，兩邊兩車道為主要停車區(qū)，中間兩車道為使用路面)和綠化帶，屋面和庭院設施齊全完善。除每天清掃地面外，降雨徑流是去除地表累積污染物的另一主要方式。集水區(qū)的排水設施基本完善，實行雨、污分流制。降雨時，排水系統(tǒng)承擔著排放集水區(qū)降雨徑流的功能，且都直接排入了鏡湖。

1.2 樣品采集與分析

降雨徑流監(jiān)測斷面設在西南交大集水區(qū)的出水口，距雨水受納水體鏡湖10 m。降雨徑流的監(jiān)測是通過在集水區(qū)出口處設一個矩形容器(高1 m、寬1 m)實現的，在發(fā)生降雨徑流期間采集徑流水樣，降雨產流時即開始采樣。在初期徑流10 min以內時采樣間隔是2 min，徑流10 min～1 h內采樣間隔是5 min，其后采樣間隔根據徑流情況增加為10 min或20 min。在采集徑流樣的同時，測定流速和記錄水位，并計算流量。所有采集的水樣保存好后運回流體力學教研室統(tǒng)一測量，監(jiān)測指標為TSS、COD、TN和TP，以及pH值，均按國家環(huán)?？偩謽藴剩?］:TSS用濾紙法，T－N用過硫酸鉀氧化－紫外分光光度法，T－P用過硫酸鉀消解－鉬銻抗分光光度法，COD用重鉻酸鉀法，pH值采用玻璃電極法。水質分析須在采樣72 h內完成，其中pH、COD等在24 h內完成。

1.3 城市降雨徑流污染負荷

城市降雨徑流污染負荷［4］是指由一場降雨或一次中的多場降雨所引起地表徑流排放的污染物總量。降雨徑流的污染負荷可用下式計算:

式中:L是指一場降雨徑流的污染負荷(g);ct是指一場降雨徑流中某污染物在t時的瞬時濃度(mg/L);qt是指一場降雨徑流在t時的徑流流量(m3/s);tr是指一場降雨形成徑流的總歷時(s)。

由于在降雨徑流監(jiān)測和采樣過程中很難做到連續(xù)性，為了便于分析，采用數值插值法，式(1)可表示為:

式中:cj和cj+1是指一場降雨徑流中第j次和第j+1次監(jiān)測的污染物濃度(mg/L);qj和qj+1是指一場降雨徑流中第j次和第j+1監(jiān)測的徑流流量(m3/s);Δt是指相鄰2次采樣、測流間隔時間(s);n是指一場降雨徑流過程中的采樣和測流次數。

2 結果與分析

所有數據的整理與統(tǒng)計均采用Excel和SPSS軟件。本次檢測中TP、TN、Cu、Pb、Zn等含量相對較小，歸為一類。表1是在西南交通大學內集水區(qū)測得的12次降雨情況。

監(jiān)測結果表明:首先，可見該集水區(qū)徑流污染較為嚴重，主要污染物為TSS、COD、TN、TP等，平均含量均超過地表水環(huán)境質量Ⅴ級標準，其中TSS和COD污染最嚴重，含量明顯高于其它各項，而污染物質之間或多或少也存在著相關關系;再者，降雨量、降雨強度、降雨歷時等降雨因子及雨前污染物的累積程度不同，降雨徑流污染負荷也存在明顯的差異，可見降雨徑流污染負荷與降雨量、降雨強度、降雨歷時和晴天累積天數密切相關。下面對上述結果作詳細分析。

表1 西南交大集水區(qū)降雨徑流污染負荷的監(jiān)測結果

3 集水區(qū)降雨徑流污染物之間的相關關系

3.1 降雨中pH值及情況分析

“酸雨”通常是指［5］pH值小于5.6的大氣降水，包括酸性雪、冰雹、露水、霜等多種形式。本次集水區(qū)內測到的平均pH為7.33，處在國家環(huán)保部規(guī)定的范圍內，可見近幾年成都市酸雨污染形勢見好。

3.2 總體可測污染物質濃度與TSS的關系

由于城市降雨徑流中污染物之間存在著不同程度的相關性，其中尤以總體可測污染物質濃度與TSS線性相關性最為顯著(R2=0.9335)，參見圖1。由此可知，TSS不僅是城市降雨徑流污染過程中的主要污染物，而且是其它污染物的載體。再者，測定TSS時，操作簡單，指標唯一，雨水總體可測污染物質濃度用TSS來代替帶來了方便。故下面分析降雨特征和降雨間隔時間對徑流污染負荷的影響時，僅以TSS為代表進行分析。

圖1 總體可測污染物質濃度與TSS的關系

3.3 總體可測污染物質濃度與TSS、COD之間的關系

污染物質的指標多固然可以刻畫詳盡，但過多容易造成主次不清，對雨水難以直觀清晰地描述。從表1中不難看出TSS與COD之和在總體可測污染物質濃度的比值大于85%。

即:

式中:ci1、ci2、ci3分別表示第 i次事件 TSS、COD、TN 和 TP等其它粒子的濃度(mg/L);ci1+ci2+ci3表示第i次事件可測污染物質的的濃度(mg/L);ci1+ci2表示第i次事件TSS與COD之和的濃度(mg/L)。

根據數理統(tǒng)計中主成分分析［6］的概念，可以用 TSS和COD的濃度來代替和預測那四個指標，這里用TSS和COD的濃度來代替降雨污染濃度，在檢測指標上和試驗中帶來很多方便，并且也是可行的。用線性回歸分析可得:

式中:L為雨水的總體指標的統(tǒng)計量;l1、l2為TSS、COD指標的相關參數;X1、X2為TSS、COD指標的統(tǒng)計量;b為主成分與TSS和COD的相關參數。

本次數據Excel分析后可得:

3.4 TSS和COD之間的關系

COD與SS是城市雨水徑流中的主要污染物。對SS和COD進行分析，表明SS與COD之間存在較好的正相關關系(見圖2)。另外，通過SS/COD的比值，可以了解污染物的主要類型，從而對集水區(qū)污染物的管理控制從定性分析過渡到定量分析。例如:在分析研究城市雨水徑流水質時，如城區(qū)主要道路雨水徑流的SS約為COD的1～2倍，通過路面環(huán)境衛(wèi)生管理和清掃、對雨水徑流的截污、沉淀和過濾，可有效地控制污染物總量;而對受屋面雨水徑流或其它因素影響，含較多溶解性有機物的院內或生活區(qū)道路雨水，則需要考慮源頭控制措施或補充化學和生物凈化方法［7］。本例中，圖中關系式對x求導數就可以得出它們的關系，集水區(qū)內TSS約為COD的1～2倍。

圖2 TSS和COD之間的相關關系

3.5 TSS與TN、TP等其它粒子之間的關系

研究TN和TP與SS的相關關系，可以對降雨徑流污染控制中較易去除和監(jiān)測的TSS來實現對TN和TP的監(jiān)測控制。從資料［8］看來，SS能較好地吸附 COD、BOD、TP等污染物，顆粒吸附態(tài)的污染物對總污染物的貢獻，總磷(TP)的顆粒吸附態(tài)的比重最大，而總氮(TN)的顆粒吸附態(tài)的貢獻較低;TP與SS有較好的相關關系，而TN與SS的相關性不很明確。這可能與SS對TN和TP的不同吸附特性有關，也是導致圖3中TSS與TN、TP的呈冪關系比線性關系耦合程度要好的原因。另外，因測區(qū)所在的鏡湖水系環(huán)境容量較小，氮磷含量較高，極易發(fā)生富營養(yǎng)化、長滿浮漂和水質惡化。因此，氮磷是雨水徑流不可忽視的污染因素，控制徑流攜帶的SS量可有效地削減帶入水體的氮磷負荷。

圖3 TSS與TN、TP等的相關關系

4 集水區(qū)降雨徑流影響因子之間的相關關系

4.1 單位時間的TSS與降雨強度的關系

降雨強度和降雨量是影響徑流水質的重要因素，降雨強度越大，雨水對城市下墊面的沖刷就越強;在相同的污染物累積條件下，降雨量越大，徑流中污染物濃度越低［9］。城市污染負荷與降雨強度有著明顯的正相關關系。這與實際關系相符，見圖4。

4.2 TSS與2次降雨間隔時間之間的關系

圖4 TSS與降雨強度的相關關系

在研究城市降雨徑流污染過程中，2次降雨間隔時間常用來反映地表污染物的累積程度，具有晴天累積、雨天排放的特征［10］。除了反映地表衛(wèi)生管理狀況以外，與排水系統(tǒng)也存在密切的關系。此次西南交大集水區(qū)是雨污分流制排水系統(tǒng)，不過，在降雨量不大時(指降雨量超過10 mm降雨事件)，城市污染負荷相當一部分會沉積在排水管道，這部分的污染物也是下次降雨徑流的污染來源?？傊?，隨著2次降雨間隔時間的增加，排水系統(tǒng)污染物的累積，降雨徑流污染負荷也會增加。

圖5 TSS與2次降雨間隔時間之間的關系

參見圖5，可以得出:第一，降雨集水區(qū)，2次降雨間隔時間與城市降雨徑流污染負荷存在顯著的正線性相關，說明該地區(qū)地表衛(wèi)生狀況和雨污分流系統(tǒng)對降雨徑流污染負荷的作用是顯著的;第二，集水區(qū)不透水面積比例高，大量居住小區(qū)存在，建筑密度大。因此隨著晴天累積天數的增加，累積于城市地表的污染物數量可能會增加，而晴天累積天數的增加意味著城市地表可被降雨徑流沖刷的污染物數量在增加，即增加了降雨徑流的污染潛力［11］;第三，城市降雨徑流污染負荷是在2次降雨間隔時間和降雨徑流量的耦合作用下形成的，利用2次降雨間隔時間和降雨徑流量可以預測城市降雨徑流污染負荷;第四，加強城市地表衛(wèi)生的管理和排水系統(tǒng)的管理，降低污染物的晴天累積效應，從源頭上減少污染物的數量，是控制城市降雨徑流污染的首先途徑［12］。

4.3 TSS與各個影響因子的關系

降雨對城市下墊面上的污染物具有沖刷、稀釋和溶解等多重作用。TSS(C)的大小受多種因素影響，包括降雨強度(q)、降雨歷時(t)、兩次降雨之間的時間間隔(T)等。降雨強度(即單位時間的降雨量)越大，雨水對地表的沖刷作用就越強，攜帶的污染物就越多;同樣，降雨對污染物有稀釋的作用，在相同的污染物累積條件下，降雨歷時越大，雨水對污染物的沖刷時間作用越強，徑流中污染物的負荷就會越大?？梢奣SS是各個影響因素的復雜函數。

根據量綱分析［13］，可設

將式(6)改寫成指數乘積的數學模型形式為:

E(e)=0表示e的數學期望為零。e是其它隨機因素綜合作用所引起的波動，它與2次降雨間隔時間(T)、降雨歷時(t)、降雨強度(q)的疊加，決定了C的取值。

2次降雨間隔時間(T)、降雨歷時(t)、降雨強度(q)刻畫了對C取值的主導性作用，e的存在導致了C實踐取值的不可準確預言。

式(7)兩邊取對數可得如下三元線性回歸模型:

式中:a、b、c為回歸系數;d=ln K+ln e。

用Excel對原數據線性回歸分析可得各參數為:

代入原式可得西南交大集水區(qū)污染物濃度C的計算公式:

即:

5 結束語

(1)城市降雨污染是通過降雨及其徑流沖刷地表等因素累積的污染物而形成的，可見地表污染物的累積狀況與降雨作用耦合是影響城市徑流污染程度的主要因素;

(2)集水區(qū)徑流污染較為嚴重，主要污染物為 TSS、COD、TN、TP等，平均含量均超過地表水環(huán)境質量Ⅴ級標準;

(3)總體可測污染物質濃度與TSS、TSS和COD、TSS與TN、TP等其它粒子之間有較好的相關性。若用TSS和COD的濃度來代替降雨污染濃度，在檢測上和試驗中會帶來很多方便;

(4)徑流中大部分的污染物質是以顆粒吸附態(tài)存在的，根據這一性質，通過對城市環(huán)境衛(wèi)生進行清掃、對雨水徑流截污、沉淀和過濾，可以有效地控制污染物總量;

(5)徑流中污染物濃度受多個因素的影響，其中降雨強度是一個重要因素，降雨強度越大，雨水對城市下墊面的沖刷就越強，在相同的污染物累積條件下，降雨量越大，徑流中污染物濃度越低;

(6)城市2次降雨間隔時間同徑流污染存在明顯的相關關系，是影響城市降雨徑流污染的一個重要的水文變量。對于該地區(qū)加強地表衛(wèi)生管理和排水系統(tǒng)的管理，降低污染物的晴天累積效應，從源頭上控制城市降雨徑流污染會起到有用的效果;

(7)TSS是各影響因子的復合函數。

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