煙臺(tái)文教區(qū)不透水下墊面降雨徑流過程污染特性分析

夏振民,張 勁,易齊濤,王 焜,呂建波,李 芳,于艾鑫

(煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005)

近年來,隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高及對(duì)生態(tài)環(huán)境整治力度的加大,水環(huán)境中點(diǎn)源污染逐步得到有效控制而面源污染比例逐漸增加,我國(guó)面源污染負(fù)荷通常能夠占到總污染負(fù)荷的35%～55%,有些地方甚至高達(dá)65%～75%[1-3]．發(fā)達(dá)國(guó)家多年的治理實(shí)踐表明,單純控制點(diǎn)源污染并不能有效改善水質(zhì),美國(guó)自20世紀(jì)70年代開始推行TMDL(total maximum daily loads)計(jì)劃,綜合考慮流域點(diǎn)源和面源污染排放總量控制,取得了較好的成效．

面源污染主要分為降雨徑流引起的農(nóng)業(yè)面源和城市面源兩大部分．由于城市基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)達(dá),下墊面不透水特性更強(qiáng),受降水沖刷強(qiáng)烈導(dǎo)致污染負(fù)荷集中輸出,從而對(duì)城市周邊地表水生態(tài)環(huán)境造成較為嚴(yán)重的影響．我國(guó)對(duì)城市面源污染的研究起步于20世紀(jì)80年代初的北京,隨后上海、杭州、南京、成都等大中城市也開展了大量的相關(guān)研究[4],包括污染物來源解析、徑流中污染物遷移特性、污染負(fù)荷估算及控制方案等多方面內(nèi)容,相關(guān)研究結(jié)果對(duì)指導(dǎo)我國(guó)城市面源污染控制起到了重要作用．

屋面與路面是城市2種典型的不透水下墊面．屋面下墊面在城市不透水面積中占據(jù)較大比例,如上海市城區(qū)屋面面積占整個(gè)不透水區(qū)的55%以上,且降雨徑流組成復(fù)雜、污染強(qiáng)度大[5],因此是城市面源污染重要污染源之一．路面下墊面污染物來源廣泛,成分復(fù)雜,經(jīng)降雨徑流沖刷后形成重要的面源污染源．我國(guó)幅員遼闊,各城市氣候和環(huán)境特征多樣,發(fā)展水平各異,城市面源污染特征也具有較大不同．此前相關(guān)研究主要集中于內(nèi)陸或南方的沿海城市,但對(duì)北方沿海城市研究相對(duì)較少．煙臺(tái)市為典型的北方沿海城市,其在氣候、降雨等方面和其他內(nèi)陸城市主要差別在于:(1)沿海地區(qū)平均風(fēng)力三、四級(jí),空氣質(zhì)量較好,2018年全年空氣優(yōu)良率可達(dá)到86.8%;(2)降雨集中,歷時(shí)較短,對(duì)地表沖刷強(qiáng)烈;(3)降雨形成徑流多直接入海從而直接影響近海水質(zhì)．以此為背景,本研究主要監(jiān)測(cè)和分析煙臺(tái)市文教區(qū)屋面、路面2種典型不透水下墊面降雨徑流污染負(fù)荷過程與特征,研究結(jié)果可以為該類型城市面源污染防治提供一定的參考和依據(jù),對(duì)改善沿海城市流域的水污染狀況具有積極意義．

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

煙臺(tái)市是我國(guó)重要的沿海開放城市之一,地處山東半島東北部,東連威海,西接濰坊、青島,南鄰黃海,北瀕渤海,與遼東半島隔海相望．煙臺(tái)全市土地面積13 746 km2,海岸線長(zhǎng)909 km,常住人口約700萬．煙臺(tái)自然環(huán)境優(yōu)越,屬于中緯度溫帶海洋性季風(fēng)氣候,年平均氣溫12 ℃,歷年平均年降水量約707 mm,汛枯水期降雨量相差較大．研究區(qū)位于煙臺(tái)市萊山區(qū)煙臺(tái)大學(xué)北校區(qū)(主校區(qū))(圖1),氣候環(huán)境受海洋影響較大．

1.2 降雨徑流監(jiān)測(cè)與水質(zhì)分析

在煙臺(tái)大學(xué)選擇屋面、路面2種典型不透水下墊面類型,其中屋面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于學(xué)校土木館東南角雨水管,路面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于學(xué)校足球場(chǎng)和國(guó)防生訓(xùn)練場(chǎng)中間路面雨水口．于2018年4月22日進(jìn)行降雨徑流監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)過程持續(xù)約220 min,降雨量共9.2 mm,屋面和路面分別采集采水樣12個(gè)、9個(gè)．水樣采集時(shí)間間隔根據(jù)雨量和雨強(qiáng)動(dòng)態(tài)調(diào)整,降雨初期間隔一般為2～5 min,隨著徑流污染物濃度下降,中后期增至10～30 min,用雨量計(jì)記錄降雨強(qiáng)度．

采樣完成后立即在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)分析,主要分析COD、TP、NH3-N 3個(gè)水質(zhì)指標(biāo),分析方法主要根據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[6],其中COD采用重鉻酸鉀法,TP采用鉬酸銨分光光度法,NH3-N采用納氏試劑分光光度法．

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用EMC(事件降雨徑流污染物平均濃度)來表述降雨徑流污染物濃度,計(jì)算公式(1)如下:

(1)

式中,EMC即為某場(chǎng)降雨徑流污染物事件平均濃度(mg/L);Cj為第j時(shí)間段所測(cè)的污染物的濃度(mg/L);Vj為第j時(shí)間段的徑流量(m3);n為時(shí)間分段數(shù)．計(jì)算結(jié)果見表1．

表1 屋面和路面采樣點(diǎn)各污染物指標(biāo)EMCTab.1 EMC in the roof and road runoff mg/L

2 結(jié)果分析

2.1 降雨徑流污染特征

如圖2所示,降雨過程中屋面所監(jiān)測(cè)的3種污染物濃度均表現(xiàn)為在降雨徑流形成的第一個(gè)采樣點(diǎn)即達(dá)到污染峰值,而后整體下降的趨勢(shì)．屋面COD峰值為384 mg/L,在10 min內(nèi)快速下降至99.8 mg/L,并在以后至結(jié)束的約190 min降雨期內(nèi)緩慢下降至約50 mg/L．屋面TP最高濃度為0.27 mg/L,隨著降雨徑流沖刷逐漸降至0.05 mg/L以下,水質(zhì)已經(jīng)變得較為清潔．NH3-N初期污染濃度最高值達(dá)到13.2 mg/L,而后迅速下降到4.0 mg/L之下,并與TP一樣,50 min后趨于穩(wěn)定并緩慢下降．由于降雨沖刷的不均勻,3項(xiàng)指標(biāo)濃度在下降過程中偶有波動(dòng)．

如圖3所示,路面降雨徑流污染整體趨勢(shì)與屋面相似,但與屋面不同的是,3項(xiàng)指標(biāo)峰值均出現(xiàn)在第二采樣點(diǎn),可能主要受降雨強(qiáng)度的影響,監(jiān)測(cè)過程中隨著初期沖刷力度的加強(qiáng),污染物濃度峰值隨之出現(xiàn),峰值之后呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì),降雨23 min以后除COD值偶有波動(dòng)外,TP和NH3-N的濃度值降速放緩,趨于穩(wěn)定．路面COD污染較為嚴(yán)重,峰值高達(dá)764.8 mg/L,而后迅速下降,但在50 min后到降雨結(jié)束,一直在100～200 mg/L區(qū)間緩慢下降,濃度仍然較高;路面TP濃度峰值為0.73 mg/L,后期降至0.10 mg/L以下;路面NH3-N污染濃度峰值為16.1 mg/L,后期降至約1.0 mg/L,水質(zhì)已相對(duì)較好．

本次降雨徑流不同下墊面中污染物EMC如表1所示,可以發(fā)現(xiàn),本次降雨監(jiān)測(cè)2種下墊面的污染物指標(biāo)EMC均超過地表Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn),污染較為嚴(yán)重．從下墊面類型看,路面徑流的3項(xiàng)指標(biāo)污染程度均大于屋面徑流,其中,屋面與路面COD的EMC分別為56.2 mg/L和165.2 mg/L,TP的EMC分別為0.07 mg/L和0.27 mg/L,路面污染這2種污染的濃度約為屋面的三、四倍,而NH3-N的EMC相差不大,屋面和路面的值分別為2.07 mg/L和2.35 mg/L．

2.2 降雨徑流污染初期沖刷特征

降雨徑流的初期沖刷效應(yīng)(First flush effect)是指在整個(gè)降雨過程中,降雨初期的少量降雨徑流中攜帶有整場(chǎng)降雨中大部分的污染物質(zhì)的現(xiàn)象[7]．如圖4和圖5所示,徑流污染累積負(fù)荷曲線累積分布曲線均在45°對(duì)角線的上方,說明相對(duì)于徑流形成,污染物負(fù)荷更大;在20%～30%之后的徑流累積過程中,污染負(fù)荷曲線漸平,水質(zhì)逐漸清潔．

屋面徑流中,NH3-N初期沖刷效應(yīng)相對(duì)最為顯著,20%累積徑流可攜帶48%的累積污染負(fù)荷,COD和TP的累積負(fù)荷曲線則相對(duì)平緩,初期沖刷效果均相對(duì)較弱,20%累積徑流所攜帶累積COD負(fù)荷約為32%,TP則約37%．路面徑流呈現(xiàn)出與屋面徑流相似的特點(diǎn),仍是NH3-N初期沖刷特征最為明顯,20%累積徑流可攜帶45%的累積負(fù)荷,相對(duì)應(yīng)的20%累積徑流所攜帶累積COD和TP負(fù)荷分別為34%和32%,與屋面初期沖刷效果相似．

3 討 論

3.1 下墊面類型對(duì)徑流污染負(fù)荷輸出的影響

下墊面類型影響城市面源污染負(fù)荷,主要?dú)w結(jié)于污染物的來源差異．屋面徑流污染物主要來自大氣干濕沉降．表2、表3給出了全國(guó)典型大中城市降雨徑流數(shù)據(jù)及相關(guān)參考文獻(xiàn),天津住宅區(qū)、寧波、太原、武漢等地工業(yè)區(qū),以及北京、西安、成都等地文教區(qū)屋面監(jiān)測(cè)點(diǎn)所測(cè)EMC值均較高,其中北京文教區(qū)屋面監(jiān)測(cè)點(diǎn)所測(cè)COD可達(dá)353 mg/L,天津文教區(qū)屋面監(jiān)測(cè)點(diǎn)TP和NH3-N分別可達(dá)0.63 mg/L、10.6 mg/L,污染較為嚴(yán)重．與這些內(nèi)陸城市監(jiān)測(cè)點(diǎn)相比,考慮到本次沿海文教區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)常年海風(fēng)較大,屋面顆粒物污染物不易累積,其監(jiān)測(cè)點(diǎn)降雨徑流三項(xiàng)指標(biāo)污染值均較小．在屋面降雨徑流污染負(fù)荷方面,監(jiān)測(cè)點(diǎn)地理位置、周邊環(huán)境和空氣質(zhì)量是主要的影響因素．

表2 國(guó)內(nèi)部分典型城市降雨徑流屋面采樣點(diǎn)各污染指標(biāo)EMCTab.2 EMC of pollution indicators of rainfall runoff in the roof sampling points in some typical cities in China mg/L

表3 國(guó)內(nèi)部分典型城市降雨徑流路面采樣點(diǎn)各污染指標(biāo)EMCTab.3 EMC of pollution indicators of rainfall runoff in the road sampling points in some typical cities in China mg/L

路面徑流污染物徑流污染物通常為懸浮顆粒物(SS)、有機(jī)污染物(COD)、重金屬(Cu、Cr、Pb)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(N、P)、氯化物和多環(huán)芳烴等[8-9]．其來源除了大氣沉降外,還受到交通行為、城市垃圾等其他等方面的影響,因此路面徑流污染程度基本正相關(guān)于城市化程度,且具有一定的地域特征．一般來說,同一城市中不同土地利用類型的路面,交通區(qū)、商業(yè)區(qū)和工業(yè)區(qū)由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)發(fā)達(dá)而污染更為嚴(yán)重,其降雨徑流中各項(xiàng)污染物的EMC值會(huì)高于居民區(qū)路面[10-13]．本研究路面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于文教區(qū)主干道,人、車流量雖較大,但周邊環(huán)境與日常清潔較好,所測(cè)COD、TP等顆粒態(tài)污染物負(fù)荷值低于北京、石家莊、西安、寧波、成都等城市交通干道、工業(yè)區(qū)及商業(yè)區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn),如成都路面監(jiān)測(cè)點(diǎn)COD可達(dá)484.5 mg/L,北京環(huán)路干道路面監(jiān)測(cè)點(diǎn)TP與石家莊高架橋下路面監(jiān)測(cè)點(diǎn)NH3-N分別達(dá)到1.03 mg/L和4.75 mg/L,均遠(yuǎn)高于本研究區(qū)．

下墊面材料也會(huì)一定程度影響降雨徑流水質(zhì)．瀝青、油氈材料屋面徑流比水泥、瓦面材料屋面徑流污染嚴(yán)重,是屋面徑流污染的主要污染類型[14],因?yàn)檫@些屋面材料具有相對(duì)較高的比表面積,導(dǎo)致其對(duì)污染物具有較高的富集能力．如南京文教區(qū)瓦屋面,其COD的EMC值為38.7 mg/L,NH3-N的EMC為1.35 mg/L,?？诰用駞^(qū)水泥屋面COD的EMC為44.8 mg/L,TP濃度為0.04 mg/L,均小于本區(qū)改性瀝青卷材屋面降雨徑流污染．同時(shí),本次文教區(qū)瀝青路面降雨徑流3項(xiàng)指標(biāo)污染負(fù)荷值基本高于北京、寧波、西安等地的水泥路面以及小區(qū)停車場(chǎng)．因此,考慮屋面和路面不同類型建筑材料的區(qū)分,能夠提高面源污染負(fù)荷估算精度[15]．

3.2 初期沖刷及污染負(fù)荷特征

徑流污染的沖刷特征是制定城市面源污染負(fù)荷削減方案的重要理論依據(jù),不同場(chǎng)次、不同降雨時(shí)間中,各個(gè)指標(biāo)表現(xiàn)出不同強(qiáng)度的初始沖刷效應(yīng)[17],與污染負(fù)荷存在著一定的響應(yīng)關(guān)系,在國(guó)內(nèi)外多年對(duì)屋面、路面等不同類型下墊面的降雨初期徑流的研究[28-31]表明,降雨總體積比例為20%～30%的初期徑流,可以攜帶總比例50%～80%的COD、TP 和NH3-N污染負(fù)荷,如在白瑤等[32]的研究中,總徑流量的25%攜帶SS、COD、TN、NH3-N、TP污染負(fù)荷分別是66.9%、47.1%、38.1%、40.3%、65.5%,MAMOON等[33]研究也表明前20%的徑流量攜帶TSS、TN、TP和TOC負(fù)荷范圍為20%～60%．

初期沖刷現(xiàn)象并不必然存在,如果地表存在大量沉積物,初始沖刷現(xiàn)象就很可能不會(huì)發(fā)生,這就意味著初始沖刷現(xiàn)象的發(fā)生更可能與大暴雨有關(guān)[34]．在重慶[35]的降雨監(jiān)測(cè)印證了這一點(diǎn),研究發(fā)現(xiàn)大到暴雨造成的初期雨水污染沖擊遠(yuǎn)高于小雨及中雨造成的污染沖擊．本研究所選雨型雖然屬于小雨,初期沖刷特征并不十分強(qiáng)烈,但屋面、路面截流20%的初期徑流,攜帶了大約32%～48%的面源污染負(fù)荷,與文獻(xiàn)中理論與其他實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致．

此外,對(duì)不同種類的污染物,初期沖刷效應(yīng)也具有不同的特征,因?yàn)榈乇韽搅鞫喾N污染物的分布特征與顆粒物的分布存在聯(lián)系[36],顆粒態(tài)物質(zhì)是降雨徑流污染物的重要來源,且大多源于有機(jī)耗氧物質(zhì)[37],其中COD和TP主要以顆粒態(tài)存在,一般與SS的相關(guān)性較好,因此,含顆粒物更多的路面徑流COD與TP的EMC較大于屋面徑流;而徑流中氮的主要形態(tài)是溶解態(tài)氮,并具有一定揮發(fā)性,且受不同屋面和路面材料的影響,硝態(tài)氮、氨態(tài)氮等所占比例會(huì)發(fā)生變化[38],因此NH3-N的EMC在2種下墊面中的污染負(fù)荷值則沒有明顯的差別．

根據(jù)本研究結(jié)果,對(duì)沿海城市初期雨水進(jìn)行削減可以有效減少城市面源污染對(duì)臨近河流和近海水質(zhì)的影響,在對(duì)初期雨水進(jìn)行處理時(shí),考慮污染物顆粒態(tài)存在的特性,以去除SS為目的的物理方法會(huì)對(duì)有機(jī)物(COD)和含磷污染物有一定的處理效果[39]．根據(jù)LID低影響開發(fā)理念,降低不透水下墊面面積,增加生物滯留設(shè)施,如生態(tài)濾溝、雨水花園、生態(tài)停車場(chǎng)等措施,是解決初雨污染濃度大、緩解城市內(nèi)澇等問題的有效方法．相對(duì)應(yīng)地,在對(duì)雨水進(jìn)行收集利用時(shí),要對(duì)初期雨水進(jìn)行棄流,目前,我國(guó)城市屋面初期雨水的控制量基本上在2～9.6 mm,本研究中的降雨量為9 mm,按此標(biāo)準(zhǔn)能控制大部分小雨污染物的徑流污染負(fù)荷．

需要指出的是,除了上述影響因素外,面源污染負(fù)荷還受氣象條件的影響,如前期污染物累積天數(shù)、降雨量和降雨強(qiáng)度等多方面的影響．相對(duì)于溶解態(tài)污染物,降雨特征對(duì)顆粒態(tài)污染物污染負(fù)荷排放影響更大[40]．因此,在后續(xù)研究中需進(jìn)一步考慮功能區(qū)的差異、降雨特征、污染負(fù)荷累積特征等多方面的因素,從而更加科學(xué)準(zhǔn)確分析沿海城市降雨徑流污染負(fù)荷特征,為城市面源污染防治提供有益參考．

4 總 結(jié)

研究以煙臺(tái)文教區(qū)煙臺(tái)大學(xué)為對(duì)象,考慮屋面、路面下墊面2種典型不透水下墊面類型,對(duì)其降雨徑流污染負(fù)荷特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析,并通過文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)比了煙臺(tái)與國(guó)內(nèi)其他大中城市的不同下墊面降雨徑流污染負(fù)荷特征的差異,主要結(jié)論如下:

(1)2種下墊面相比,路面COD和TP的EMC值要高于屋面,而NH3-N的EMC在2種下墊面之間則相差不大,初期沖刷特征相對(duì)COD和TP最為顯著．

(2)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析表明，煙臺(tái)文教區(qū)屋面和路面污染物濃度EMC比其他大中型城市文教區(qū)較低,主要原因與沿海氣象條件和地理位置造成的污染沉降較少相關(guān)．

(3)對(duì)于本區(qū)屋面和路面徑流污染負(fù)荷的初期沖刷效應(yīng),如果截流20%的初期徑流能控制約32%～48%的降雨徑流污染負(fù)荷．