雨水徑流對(duì)受納水體的污染特性研究

韓玉龍，劉振中

（南昌大學(xué) 建筑工程學(xué)院，南昌330031）

隨著工業(yè)化的發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，由城市雨水徑流所引起的非點(diǎn)源污染問題日益突出。美國(guó)對(duì)水體污染的調(diào)查顯示，以城市路面雨水徑流作為主要污染源的污染水體占30%［1］，非點(diǎn)源污染占污染負(fù)荷總量的2/3［2］，已經(jīng)成為環(huán)境污染的第一要素，并且美國(guó)環(huán)保局把城市地表徑流列為導(dǎo)致美國(guó)全境湖泊和河流的第三污染源［3］。在我國(guó)，非點(diǎn)源污染問題更加嚴(yán)重，污染物質(zhì)主要為氮和磷，分別占到水體污染的81%和93%［4］。雨水徑流攜帶大量的污染物質(zhì)進(jìn)入湖泊、河流，引發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化、藻類爆發(fā)、水質(zhì)惡化等一系列水質(zhì)污染問題，但目前在國(guó)內(nèi)仍未引起足夠重視。據(jù)此，文章以潤(rùn)溪湖為例進(jìn)行雨水徑流對(duì)受納水體的影響與污染特性研究，掌握雨水徑流污染狀況，用于分析預(yù)測(cè)受納水體污染程度，為開展雨水徑流污染的處理與控制提供理論參考。

1 材料及方法

前湖校區(qū)位于江西省南昌市贛江之濱，重工業(yè)污染少，環(huán)境較好，且全市水網(wǎng)密布，湖泊眾多，雨水充沛，降水主要集中在汛期4—6月，雨量約占全年降水量的50%。前湖校區(qū)總面積300萬m2，內(nèi)有原生態(tài)山林33.3萬m2，水面面積26.7萬m2，潤(rùn)溪湖位于校區(qū)北側(cè)，周圍環(huán)繞有生活區(qū)、教學(xué)區(qū)、商業(yè)區(qū)、餐飲區(qū)及馬路、綠地、山林等復(fù)雜環(huán)境，湖面面積11萬m2。

結(jié)合校區(qū)水域分布、周邊環(huán)境、污染狀況等因素，湖水取樣點(diǎn)選取在潤(rùn)溪湖的北端和南端各一處，其中，取樣點(diǎn)1位于南端主教學(xué)樓附近，周圍有大量植被，路面及建筑物等硬化面較少，湖水流動(dòng)性較大；取樣點(diǎn)2位于北端學(xué)生公寓3棟附近，處于湖灣，湖水流動(dòng)性較小，周圍有瀝青馬路、食堂、商業(yè)街等，污染較嚴(yán)重。取樣時(shí)間分別在2014年2月25日、3月7日、3月12日、3月28日、3月31日、4月12日、4月19日、4月21日，共8次。

對(duì)于每場(chǎng)降雨，每個(gè)取樣點(diǎn)分別收集4個(gè)水樣。一是雨水徑流形成后未匯入湖泊前收集的地面雨水徑流。其余三個(gè)分別為降雨前、雨水徑流開始匯入湖泊后30min、雨水徑流停止向湖泊匯入后60min的湖泊水樣，作為雨前、雨中、雨后水樣。

測(cè)試指標(biāo)為pH、濁度、SS，COD，TP和氨氮，測(cè)試方法見表1。

表1 水樣分析項(xiàng)目及方法

2 結(jié)果與分析

2.1 雨水徑流對(duì)受納水體的影響分析

2.1.1 降雨前后pH值的變化 由圖1，圖2可以看出，在降雨徑流形成30min時(shí)，兩個(gè)采樣點(diǎn)歷次降雨的pH較雨前均有所降低，平均降低了0.22，0.24，降低最大值分別為0.44，0.38。下降的主要原因是路面降雨徑流匯入。雨前湖水pH均在7以上，而路面降雨徑流pH大多低于7，均小于湖水，故雨水徑流匯入后造成了湖水pH有所降低。在雨后60min，由于稀釋和藻類植物的同化作用，使湖水的pH有所回升，但幅度不大。同時(shí)，采樣點(diǎn)1處湖水較采樣點(diǎn)2的pH略高，由于水體pH的升高，能促進(jìn)沉積物中磷釋放量的增加［5］，故采樣點(diǎn)1比采樣點(diǎn)2的TP濃度略高。

2.1.2 降雨前后濁度的變化 由圖3，圖4可以看出，兩個(gè)采樣點(diǎn)歷次降雨的雨中濁度較雨前均有所增加，平均增加了11.1NTU和10.5NTU，增加最大值為20.6NTU。雨中濁度大幅增加的原因主要有三個(gè)。一是雨水徑流攜帶大量對(duì)增加濁度值貢獻(xiàn)較大的污染物匯入湖中，包括路面上的沙塵、輪胎磨損物及食堂周圍的油污等；二是湖泊周圍的傾斜土坡，在雨水徑流沖刷作用下，泥土顆粒會(huì)隨之流入湖中；三是降雨、徑流及風(fēng)浪作用對(duì)水體形成擾動(dòng)，不僅使顆粒物質(zhì)無法盡快沉入水底，而且會(huì)造成底泥中已經(jīng)積累的大量污染物再次上浮釋放，對(duì)水體形成二次污染，從而增加水體濁度［6］。

圖1 取樣點(diǎn)1處湖水的pH變化

圖2 取樣點(diǎn)2處湖水的pH變化

圖3 取樣點(diǎn)1處湖水的濁度變化

圖4 取樣點(diǎn)2處湖水的濁度變化

雨后60min，兩采樣點(diǎn)較雨中分別平均下降5.6 NTU和7.9NTU，下降最大值分別為9.3NTU和11.0NTU。下降的原因主要有三個(gè)，一是在雨后，不存在降雨對(duì)受納水體的擾動(dòng)，不溶解的顆粒物質(zhì)通過水體自身的沉降作用而沉淀下來；二是大量的雨水徑流匯入湖中，對(duì)水體產(chǎn)生了稀釋作用，降低了水體中雜質(zhì)的濃度；三是大部分污染物存在于降雨初期徑流中，后期徑流污染物濃度較小，匯入水體中的污染物也就相應(yīng)減少，故水體中濁度較雨中大幅降低。

相比于雨前湖水的濁度，大部分雨后濁度要高于雨前值，主要是由于沉淀時(shí)間較短，下降的并不徹底。而個(gè)別點(diǎn)會(huì)低于雨前值，是因?yàn)樵擖c(diǎn)雨水徑流的濁度本身就較低，甚至低于受納水體的濁度，因此經(jīng)過匯合后的稀釋作用，出現(xiàn)低于雨前濁度的情況。

2.1.3 降雨前后SS濃度的變化 由圖5，圖6可以看出，兩個(gè)采樣點(diǎn)歷次降雨的SS濃度雨中較雨前均有所增加，平均增加值分別為17mg/L和14mg/L，最大增加了30mg/L。雨中較雨前SS濃度增加與濁度增加的原因類似。值得注意的是，采樣點(diǎn)1較采樣點(diǎn)2的SS濃度略高，主要是由于采樣點(diǎn)2附近受瀝青路面及油污污染較重，以有機(jī)物為主，采樣點(diǎn)1處主要受泥土污染，以無機(jī)物為主。而對(duì)SS濃度的影響起主導(dǎo)作用的是無機(jī)物，而非有機(jī)物［7］。其次，采樣點(diǎn)1處水流速度快，風(fēng)浪作用大，擾動(dòng)作用強(qiáng)，引起底泥再懸浮，增加SS濃度，采樣點(diǎn)2位于湖灣，水流較穩(wěn)，擾動(dòng)作用小，且長(zhǎng)有水生植物，對(duì)懸浮物起到過濾和抑制上浮作用，降低了水體中SS濃度。此外，懸浮物還是影響湖水透明度的主要因素，故采樣點(diǎn)1處湖水較采樣點(diǎn)2渾濁，濁度略高。

圖5 取樣點(diǎn)1處湖水的SS變化

2.1.4 降雨前后COD濃度的變化 由圖7，圖8可以看出，受納水體的雨中COD濃度較雨前值均有大幅增加。兩個(gè)采樣點(diǎn)平均增加21.4mg/L和18.8 mg/L，最大增加值分別為34.4mg/L和34.0mg/L。由于COD的增加意味著水中含有大量的還原性物質(zhì)，而對(duì)其貢獻(xiàn)最大的就是有機(jī)物。因此，瀝青路面上的大量輪胎磨損物、食堂附近的油污、湖泊周圍樹木噴灑的農(nóng)藥等，都隨雨水徑流匯入湖中，較之雨前，這無疑極大的增加了水體中COD濃度。

圖6 取樣點(diǎn)2處湖水的SS變化

圖7 取樣點(diǎn)1處湖水的COD濃度變化

圖8 取樣點(diǎn)2處湖水的COD濃度變化

雨后60min，各點(diǎn)COD濃度較雨中有所降低，兩采樣點(diǎn)分別降低13.2mg/L和13.5mg/L。其主要原因除了徑流對(duì)湖水的稀釋作用、自身沉降作用以及后期雨水徑流污染物較少的原因外，還有一個(gè)重要原因就是雨水徑流對(duì)湖水的擾動(dòng)，促使COD在耗氧條件下不斷分解，濃度降低。

大部分雨后COD濃度要高于雨前，主要是由于COD的降解受很多因素的影響。研究表明，COD的降解速率受水溫和COD初始濃度的影響較大，受pH、光照強(qiáng)度、鹽度等的影響較?。?］。即COD初始濃度越高，懸浮物濃度越高，水溫越高，則COD降解速率越快。而鹽度越高，則降解速率越慢。當(dāng)降雨時(shí)，湖水水溫較低，且初始COD濃度也較低，故COD降解緩慢，從而湖水COD濃度的增加速率要大于降解速率，導(dǎo)致COD濃度無法及時(shí)降解到雨前值。

2.1.5 降雨前后TP濃度的變化 從圖9—10中可以看出，降雨30min時(shí)，較之雨前TP濃度有所增加，平均分別增加了0.018mg/L 和0.027mg/L。其中，增加最大值為0.054mg/L。TP濃度的增加，主要來源于以下幾個(gè)方面。一是地面徑流中磷的匯入，主要是路面上含有大量磷元素的有機(jī)污染物和富含磷礦石的泥土；二是湖邊樹木所施的肥料及噴灑的農(nóng)藥中含有大量的有機(jī)磷，在雨水徑流沖刷下匯入湖中，造成水體中的磷濃度升高；三是湖底的底泥中，沉積大量的魚蝦等水生生物殘骸，其含磷量非常高，由于降雨徑流對(duì)湖水造成了擾動(dòng)，引發(fā)底泥中磷的再釋放，從而增加了水體中TP的濃度。

圖9 取樣點(diǎn)1處湖水的TP濃度變化

圖10 取樣點(diǎn)2處湖水的TP濃度變化

雨后60min，各點(diǎn)TP濃度較雨中均有所下降。兩采樣點(diǎn)平均下降了0.011mg/L和0.017mg/L，其中下降最大值為0.029mg/L。主要原因除了徑流的稀釋作用、自身沉降作用外，還有一個(gè)重要原因就是溫度。底泥中磷的釋放隨溫度的升高而升高，其中，溫度升高1～3℃，TP釋放量就會(huì)增加9%～57%［9］。由于降雨時(shí)會(huì)造成湖泊水體水溫降低，底泥中TP釋放緩慢，因此，TP濃度會(huì)略有下降，但由于時(shí)間較短，下降幅度并不明顯。

2.1.6 降雨前后氨氮濃度的變化 通過對(duì)圖11—12的分析，兩采樣點(diǎn)氨氮濃度雨中較雨前平均增加了0.331mg/L和0.321mg/L。最大增加了0.682 mg/L，而雨后60min，各點(diǎn)氨氮濃度有所下降，分別下降了0.239mg/L和0.220mg/L，但基本上仍高于雨前值。氨氮濃度變化的規(guī)律同TP的變化相似，但還有另一個(gè)重要原因，即大氣營(yíng)養(yǎng)元素的輸入，包括空氣中和天然降水中含有的N元素。研究表明，由于大氣環(huán)境的污染及酸雨的加重，雨水在云層中形成而未降落進(jìn)入水體之前，就已經(jīng)受到了較嚴(yán)重的大氣氮化合物的污染［10］。這更加重了降雨徑流對(duì)湖泊水體的氨氮污染。

圖11 取樣點(diǎn)1處湖水的氨氮濃度變化

圖12 取樣點(diǎn)2處湖水的氨氮濃度變化

2.2 雨水徑流污染評(píng)價(jià)

對(duì)雨水徑流污染進(jìn)行定性、定量的合理評(píng)價(jià)，是進(jìn)行受納水體污染特性研究、制定水環(huán)境整治方案的重要依據(jù)。文章采用單因子［11］、綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)方法［12］對(duì)雨水徑流主要污染物COD，TP、氨氮進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，在不同類別的水質(zhì)指標(biāo)中分析水質(zhì)污染程度，確定雨水徑流主要污染物，并對(duì)水體是否黑臭作出判斷。

單因子水質(zhì)指數(shù)P表示為

式中：X1——第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)類別；X2——監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間中所處的位置；X3——水質(zhì)類別與功能區(qū)劃設(shè)定類別的比較結(jié)果，視評(píng)價(jià)指標(biāo)的污染程度。

綜合水質(zhì)指數(shù)Iwq表示為

式中：X1——水體的綜合水質(zhì)類別；X2——綜合水質(zhì)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間中所處的位置，用以比較同類水質(zhì)中的水質(zhì)優(yōu)劣；X3——參與綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)的水質(zhì)指標(biāo)中，劣于水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)的單項(xiàng)指標(biāo)個(gè)數(shù)；X4——綜合水質(zhì)類別與水體功能區(qū)類別的比較結(jié)果，視綜合水質(zhì)的污染程度。是否黑臭判別標(biāo)準(zhǔn)為6.0＜X1X2≤7.0，水質(zhì)劣于Ⅴ類，但不黑臭；X1X2＞7.0，水體黑臭。

監(jiān)測(cè)共48個(gè)樣本，由表2和表3可知，污染指數(shù)大小排序?yàn)镃OD＞TP＞氨氮，COD污染最為嚴(yán)重，劣于Ⅴ類，TP和氨氮能達(dá)到水環(huán)境功能區(qū)要求。雨水徑流的匯入使受納水體污染程度增加了近一個(gè)級(jí)別，其中采樣點(diǎn)2處第一場(chǎng)降雨的氨氮指數(shù)增加近兩個(gè)級(jí)別，可見雨水徑流對(duì)受納水體的水質(zhì)污染造成極大的影響。由表4的綜合水質(zhì)指數(shù)分析可知，兩個(gè)采樣點(diǎn)處雨前水質(zhì)基本為Ⅳ類，當(dāng)雨水徑流匯入后，水質(zhì)指數(shù)增加近一個(gè)級(jí)別，為Ⅴ類，但X1X2＜6.0，故水質(zhì)并未黑臭。雨后污染程度較雨中略有下降，但仍高于雨前?；谝陨戏治?，進(jìn)一步證明了雨水徑流對(duì)受納水體造成嚴(yán)重的污染，嚴(yán)重威脅水環(huán)境安全。

表2 采樣點(diǎn)1單項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果 mg/L

表3 采樣點(diǎn)2單項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果 mg/L

表4 綜合水質(zhì)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3 受納水體污染物濃度增加值與雨水徑流水質(zhì)相關(guān)性分析

雨水徑流的匯入增加了受納水體中污染物的濃度，通過對(duì)受納水體雨中較雨前污染物濃度的增加值（pH為降低值）與雨水徑流水質(zhì)的相關(guān)性分析，研究雨水徑流對(duì)受納水體的污染程度，對(duì)確定水體污染主要污染因素、控制污染源，減少水體污染具有重要意義。

如表5所示，受納水體pH的降低與雨水徑流具有較好的相關(guān)性，微酸性雨水徑流的匯入降低了受納水體的pH值，盡管變化幅度較小，但仍值得警惕。加拿大有8 500個(gè)湖泊酸化，美國(guó)至少有1 200個(gè)湖泊酸化，成為“死湖”。由酸雨引發(fā)的湖泊酸化問題，會(huì)妨礙水體自凈，造成水生動(dòng)植物的死亡。因此，預(yù)防雨水徑流引發(fā)水體酸化迫在眉睫。兩個(gè)采樣點(diǎn)濁度、SS和COD的增加值與雨水徑流均具有較好的相關(guān)性，說明雨水徑流中大量的污染物是造成水體濁度、SS和COD增加的主要原因。因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)雨水徑流的處理，通過控制雨水徑流污染物的匯入量來降低水體污染。

通過對(duì)兩采樣點(diǎn)處受納水體TP增加值與雨水徑流的相關(guān)系數(shù)分析可知，采樣點(diǎn)1處相關(guān)性較好，而采樣點(diǎn)2處相關(guān)性較差。這主要是由于二者所處地理位置及周圍環(huán)境不同造成的［13］。采樣點(diǎn)1位于主教一側(cè)，周圍草木較多，施肥與噴灑農(nóng)藥也較多，這就增加了在雨水徑流沖刷作用下磷的匯入量。其次，此處湖水流動(dòng)性大，由于降雨所引起的擾動(dòng)作用相對(duì)較小，底泥中磷的釋放也相應(yīng)較少，說明在流動(dòng)性較大的水體中，降雨擾動(dòng)并不是造成TP增加的主要原因，而是主要來自于降雨徑流中所攜帶的含磷污染物，這才表現(xiàn)出與雨水徑流較好的相關(guān)性。而采樣點(diǎn)2位于學(xué)生公寓3棟一側(cè)，周圍以建筑物居多，含磷污染物相對(duì)較少，且此處湖水較平緩，流動(dòng)性小，受降雨的擾動(dòng)作用較大，極易引起底泥中磷的再釋放，即水體中TP增加受雨水徑流的影響與采樣點(diǎn)1相比較小，因此，其相關(guān)性較差。

表5 受納水體污染物濃度增加值與雨水徑流水質(zhì)相關(guān)性分析

氨氮的相關(guān)性變化與TP呈現(xiàn)相反的情況，采樣點(diǎn)1相關(guān)性較差，采樣點(diǎn)2則較好，這仍然與其所處位置不同有關(guān)。采樣點(diǎn)2附近瀝青道路較多，而瀝青、輪胎磨損物及汽車尾氣中，都含有大量氮化合物，并且此處草木及地表落葉較少，植被冠層對(duì)雨水滴落速度的減緩作用較小，導(dǎo)致雨水直接打擊地表，這些氮化合物在雨水徑流的沖刷作用下被攜帶而匯入水體，使水體中氨氮濃度增加，故其相關(guān)性較好。采樣點(diǎn)1附近路面較少，主要以草木為主，周邊環(huán)境含氮相對(duì)較少，受雨水徑流的影響也就相應(yīng)較小，故其相關(guān)性較差。

對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相關(guān)系數(shù)的臨界值統(tǒng)計(jì)分析表明，除采樣點(diǎn)2的TP和采樣點(diǎn)1的氨氮外，其他樣品的相關(guān)系數(shù)范圍在0.805 7～0.974 5，都呈顯著性相關(guān)。根據(jù)回歸方程推算受納水體污染物濃度增加的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為9.68%～18.51%、相對(duì)誤差小于20%的數(shù)據(jù)比例至少占75%，顯示出受納水體污染物濃度增加值采用雨水徑流污染物濃度換算所產(chǎn)生的誤差是可以接受的［14］。對(duì)于計(jì)算由雨水徑流引起的受納水體污染物增加量，需分別檢測(cè)雨前、中、后期的受納水體各項(xiàng)污染物指標(biāo)，且受風(fēng)浪、流速等隨機(jī)因素影響，水樣測(cè)試結(jié)果波動(dòng)較大，操作麻煩。因此，可通過表5中顯著性相關(guān)的回歸方程來推算受納水體中污染物濃度增加量，為該區(qū)域受納水體污染程度的預(yù)測(cè)提供一定指導(dǎo)。

4 結(jié) 論

（1）雨水徑流對(duì)受納水體造成了不同程度的污染，受雨水徑流匯入的影響，受納水體中pH值有所下降，其余5種污染物指標(biāo)均有所增加，且濁度和COD濃度增加最明顯。

（2）雨水徑流停止匯入后，各污染物指標(biāo)較雨中有所下降，但由于沉淀時(shí)間較短等原因，基本仍要高于雨前值。

（3）雨前受納水體為地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ類，由于雨水徑流匯入造成的污染，受納水體在雨中為Ⅴ類，雨后部分采樣點(diǎn)仍處于Ⅴ類，且受COD污染較嚴(yán)重。

（4）受納水體各采樣點(diǎn)污染物雨中較雨前的增加值與雨水徑流大部分保持顯著的相關(guān)性，說明雨水徑流的匯入是造成水體短時(shí)間污染物增加的主要原因，顯著性相關(guān)回歸方程可用于該區(qū)域內(nèi)受納水體污染物濃度增加量的推算及污染程度的預(yù)測(cè)。

（5）在水體流動(dòng)性較平緩的地方，擾動(dòng)所引起底泥中磷的再釋放增加了水體中TP的濃度，而在草木較多的地方，肥料與農(nóng)藥則對(duì)TP濃度的增加起到了重要作用。對(duì)于氨氮，則主要受瀝青路面等含氮化合物的影響。

5 建 議

（1）加大對(duì)降雨徑流及受納水體的長(zhǎng)期水質(zhì)監(jiān)測(cè)，通過全面、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整理與分析，對(duì)雨水徑流的污染程度進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，為降雨徑流的控制管理奠定理論基礎(chǔ)。

（2）針對(duì)受納水體所處不同的地理位置、周邊環(huán)境、水質(zhì)特點(diǎn)、流動(dòng)性大小等具體情況，應(yīng)分別分析其主要污染途徑，據(jù)此有針對(duì)性的進(jìn)行雨水處理和技術(shù)管控。

（3）加強(qiáng)工程措施與非工程措施相結(jié)合，對(duì)匯入受納水體前的雨水徑流綜合運(yùn)用截污、沉淀、過濾、生物滯留與滲流系統(tǒng)以及濕地系統(tǒng)等技術(shù)手段，并定期進(jìn)行路面清掃、減少農(nóng)藥噴灑次數(shù)、對(duì)水體定期清淤，進(jìn)行初期雨水棄流［15］，能有效去除其中的污染物質(zhì)［16］。

（4）從水文、生態(tài)、景觀角度，樹立雨水最佳管理實(shí)踐的新理念，應(yīng)用新技術(shù)，對(duì)雨水徑流進(jìn)行規(guī)范的引導(dǎo)和有效的管理，達(dá)到控制徑流、減少對(duì)受納水體污染的目的，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)發(fā)展。

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