城市飲用水源地周邊城區(qū)不同類(lèi)型地表徑流污染特征

付子真， 唐 磊， 張 偉,3*， 李 娟， 張紹華， 張曉然,3，王愔睿， 莫 罹， 王巍巍， 王興雙

(1.北京建筑大學(xué)， 北京市可持續(xù)城市排水系統(tǒng)構(gòu)建與風(fēng)險(xiǎn)控制工程技術(shù)研究中心， 北京 100044； 2.中國(guó)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院， 北京 100044； 3.北京建筑大學(xué), 城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100044； 4.常州通用自來(lái)水有限公司， 常州 213003)

城市飲用水源地水質(zhì)保障是影響城市供水安全和自來(lái)水廠水處理效能的重要因素，其污染源治理和污染物總量控制十分重要[1]。通過(guò)對(duì)飲用水源地水質(zhì)的監(jiān)測(cè)以及污染來(lái)源的分析，可為制定適宜的防治措施提供重要依據(jù)和支撐。一些城市開(kāi)展了飲用水源地污染源調(diào)查，如自貢市的調(diào)查表明，主要污染源來(lái)自水源地周邊的生活污水、化肥和農(nóng)藥等農(nóng)村面源污染的影響[2]；而玉溪市東風(fēng)水庫(kù)污染源調(diào)查發(fā)現(xiàn)，餐飲廢水排放、農(nóng)業(yè)面源污染和禽畜養(yǎng)殖廢水排放是東風(fēng)水庫(kù)主要污染源[3]。但目前水源地污染源調(diào)研工作大多集中于生活污水點(diǎn)源和農(nóng)業(yè)面源污染，對(duì)于中國(guó)很多以河流作為主要飲用水源的城市來(lái)說(shuō)，水源地周邊城區(qū)的城市地表徑流污染物同樣不容忽視，尤其是隨著工業(yè)污染源、農(nóng)村面源和城市生活污染源的污染日益得到有效控制[4]，城市飲用水源地周邊城區(qū)城市徑流污染問(wèn)題逐步凸顯[5]。一些城市開(kāi)展的城市水體污染源研究表明，城市地表徑流污染已經(jīng)是威脅城市水環(huán)境的重要污染來(lái)源之一[6]。

中國(guó)城市徑流污染研究開(kāi)展較早，20世紀(jì)90年代就開(kāi)始關(guān)注城市徑流污染問(wèn)題[4]。大量研究對(duì)城市雨水徑流的典型污染物濃度、徑流污染初期沖刷、徑流污染負(fù)荷等開(kāi)展了較為全面的調(diào)查[7-10]，基本明晰了居住區(qū)、文教區(qū)、交通區(qū)、商業(yè)區(qū)等不同用地類(lèi)型地表徑流污染特征[11-15]。一些城市地表徑流污染程度較為嚴(yán)重，已經(jīng)遠(yuǎn)超地表水環(huán)境V類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)[16]。盡管對(duì)于城市不同類(lèi)型下墊面地表徑流開(kāi)展了較多的研究，但對(duì)于城市飲用水源地周邊城區(qū)徑流污染特征的研究卻鮮有報(bào)道，考慮地表徑流對(duì)城市飲用水源地的潛在污染風(fēng)險(xiǎn)，迫切需要開(kāi)展城市飲用水源地周邊城區(qū)不同類(lèi)型地表徑流污染調(diào)查。

對(duì)城市徑流污染的早期調(diào)查研究重點(diǎn)關(guān)注懸浮物(suspended solids，SS)、化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand，COD)、總氮(total nitrogen，TN)、總磷(total phosphorus，TP)等常規(guī)污染物[7-8]，隨著研究深入，逐步開(kāi)始關(guān)注徑流污染中重金屬[14,17]、大腸菌群[18-19]、多環(huán)芳烴[20-21]等微量污染物。但通過(guò)不同污染指標(biāo)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，常規(guī)指標(biāo)之間相關(guān)性較為清晰，SS與COD和TP相關(guān)性較好，與TN相關(guān)性較弱，主要因?yàn)榈乇韽搅髦蠺N多以溶解態(tài)形式存在[22]；同時(shí)地表徑流中重金屬、多環(huán)芳烴等微量污染物累積富集在徑流中顆粒物上，大多與SS具有較好的相關(guān)性[23]。但值得注意的是，不同城市地表徑流中Pb、Cd、Cu、Zn等重金屬含量較高[24]，直接排放進(jìn)入受納水體，尤其是排放至飲用水源地中必將存在較高的污染風(fēng)險(xiǎn)。

為研究飲用水源地周邊城區(qū)地表徑流污染特征，及地表徑流污染排放對(duì)飲用水源地水質(zhì)安全的潛在影響，對(duì)常州市飲用水源地(德勝河)周邊城區(qū)的不同類(lèi)型地表徑流進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，全面評(píng)價(jià)地表徑流污染程度、初期沖刷及徑流污染負(fù)荷等污染特征，以期為常州市飲用水源地水質(zhì)保障和污染源分析提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

選擇城市飲用水源地為常州市德勝河，是通江的骨干河道，長(zhǎng)約21.5 km，平均口寬65 m，作為常州市魏村水廠的應(yīng)急水源地[25]。2001年，建設(shè)長(zhǎng)江魏村水源地并新建魏村水廠，為市區(qū)(新北區(qū)、鐘樓區(qū)、天寧區(qū)、戚墅堰區(qū))供水，設(shè)計(jì)供水規(guī)模60.0×104m3/d，實(shí)際供水40.0×104m3/d[25-26]。

研究飲用水源地周邊城區(qū)為德勝河?xùn)|岸的城鎮(zhèn)化區(qū)域，總面積1 848 hm2，主要用地類(lèi)型為居住用地、商業(yè)用地、交通用地、和工業(yè)用地，研究區(qū)域東側(cè)為大型工業(yè)園區(qū)。研究區(qū)域的地表徑流均通過(guò)雨水管道、支渠、地表漫流等形式匯入德勝河。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和下墊面條件系統(tǒng)分析，確定了3處地表徑流監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為城市主路J1(31.580 3°N，119.553 7°E)、城市快速路J2(31.575 0°N，119.555 0°E)、建筑小區(qū)J3(31.575 2°N，119.560 6°E)；其中，J1為研究區(qū)域建成區(qū)的主要道路類(lèi)型，交通流量中等，對(duì)于研究區(qū)域內(nèi)主要道路下墊面具有較好的典型性和代表性，污染來(lái)源包括大氣沉降、交通源(小客車(chē)為主，貨運(yùn)車(chē)輛少)，以及周邊居民生活排放；J2為346國(guó)道，交通流量高，污染源主要是貨運(yùn)車(chē)輛渣土灑落排放，交通源(多種類(lèi)型車(chē)輛，貨運(yùn)車(chē)輛多)的尾氣排放、輪胎磨損、漏油等，以及大氣沉降；J3為研究區(qū)域內(nèi)大型居住小區(qū)，具有典型居住小區(qū)污染特征和典型性，污染源以大氣沉降和居民生活排放為主，交通污染源較少。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1 地表徑流監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置Fig.1 Location of surface runoff monitoring point

1.2 采樣方法

當(dāng)?shù)乇韽搅鞅O(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)明顯產(chǎn)流時(shí)，在雨水口處采集第一個(gè)樣品，并記為0 min，隨后按照5、10、15、20、30、45、60、90、120 min的累積時(shí)間采集徑流水樣。當(dāng)超過(guò)120 min降雨未停止，按照30 min間隔時(shí)間繼續(xù)采集水樣，直至雨水口無(wú)徑流為止；當(dāng)徑流歷時(shí)不足120 min時(shí)，徑流結(jié)束時(shí)停止采樣；當(dāng)降雨強(qiáng)度變化較大、且降雨歷時(shí)較短時(shí)，適當(dāng)加密采樣頻次。

1.3 水樣保存與分析

依據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[27]中重金屬Pb、Cu、Cd、Cr、Zn和Mn測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)水樣進(jìn)行預(yù)處理，使用NexION 300X型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測(cè)定；石油類(lèi)采用紫外分光光度法測(cè)定，苯酚采用GC-2010plus型氣相色譜儀(GC)測(cè)定，苯采用7890B型氣相色譜儀測(cè)定。

若不能立即進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)分析，樣品用棕色玻璃瓶在4 ℃冷藏，并在24 h內(nèi)完成水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定。樣品在測(cè)定過(guò)程中用質(zhì)控樣和平行樣品控制分析精密度和準(zhǔn)確度。

1.4 監(jiān)測(cè)降雨事件特征

監(jiān)測(cè)期間使用翻斗式雨量計(jì)(HOBO RG3-M，Onset)監(jiān)測(cè)降雨數(shù)據(jù)，雨量計(jì)安裝于魏村水廠辦公樓屋頂(圖1)。2019年雨季對(duì)3處地表徑流監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)，排除因監(jiān)測(cè)設(shè)備問(wèn)題導(dǎo)致數(shù)據(jù)不全或采樣同步性存在問(wèn)題等出現(xiàn)的無(wú)效降雨事件，共采集有效降雨事件3 場(chǎng)，監(jiān)測(cè)的有效降雨事件基本特征如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)降雨事件降雨特征

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

次降雨事件的污染物濃度通常采用事件平均濃度(event mean concentration，EMC)，其表達(dá)式為[28]

(1)

式(1)中：EMC為事件平均濃度，mg/L；M為污染物總量，g；V為徑流總量，m3；T為總降雨歷時(shí)，s；Ct為t時(shí)刻污染物的濃度，mg/L；Qt為t時(shí)刻徑流流量，m3/s。

當(dāng)初期徑流中污染物的排放率大于徑流排放率，則可以認(rèn)為存在初期沖刷效應(yīng)[28]。主要利用M(v)曲線法對(duì)地表徑流初期沖刷效應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，即當(dāng)曲線前端位于對(duì)角線上方時(shí)，存在初期沖刷現(xiàn)象且曲線的前端越高，則初期沖刷現(xiàn)象就越明顯[29]。

通過(guò)對(duì)城市地表徑流中各污染物水質(zhì)水量分析，計(jì)算年徑流污染負(fù)荷，其表達(dá)式為[30]

l=L/A=0.01αψPC

(2)

式(2)中：l為單位面積污染物負(fù)荷，kg/(hm2·a)；L為一定面積排水區(qū)域的污染物負(fù)荷，kg/a；A為排水區(qū)域面積，hm2；0.01為單位換算系數(shù)；α為徑流修正系數(shù)，典型值一般取0.9；ψ為排水區(qū)域綜合徑流系數(shù)；P為年降雨強(qiáng)度，mm/a，常州市年降雨強(qiáng)度為1 091.4 mm/a；C為EMC均值，mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 事件平均濃度(EMC)

結(jié)合徑流水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和徑流水量數(shù)據(jù)，按照事件平均濃度計(jì)算方法，計(jì)算三個(gè)地表徑流監(jiān)測(cè)點(diǎn)各監(jiān)測(cè)降雨事件中常規(guī)污染物、重金屬及有機(jī)物的EMC如圖2所示。在監(jiān)測(cè)的三次有效降雨事件中，J1、J2、J3的地表徑流中COD、TP、Pb、Cr、Zn均超過(guò)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中Ⅴ類(lèi)水的標(biāo)準(zhǔn)，大量地表徑流的直接排放，將威脅飲用水源地德勝河的水環(huán)境質(zhì)量。

圖2 徑流污染物EMC均值Fig.2 EMC average values of runoff pollutants

J1是該研究區(qū)域主要道路類(lèi)型，其徑流SS和COD的均值分別為(206.60±91.04) mg/L和(108.61±52.15) mg/L，與中國(guó)其他城市同類(lèi)型道路徑流污染處于同一水平[9-10,13,16]，說(shuō)明城市主路徑流污染水平具有一定代表性。

J3徑流污染水平相對(duì)較高，SS、COD、TN和TP的EMC值分別達(dá)到了(223.85±118.00)、(82.04±7.95)、(3.50±1.94)、(0.58±0.19) mg/L，SS和TN等污染物濃度高于城市主路。盡管建筑小區(qū)中交通流量低于城市主路，但因建筑小區(qū)人員集中，存在居民、臨街商鋪傾倒生活污廢水、垃圾現(xiàn)象，且地面清掃頻率較低，進(jìn)而導(dǎo)致建筑小區(qū)徑流中SS和TN相對(duì)較高。

重金屬污染方面，J1、J2、J3的地表徑流中6種重金屬的EMC均值差異較大?？傮w來(lái)看，城市快速路重金屬污染水平最高，其污染水平與中國(guó)其他城市研究報(bào)道較為接近[14,17]。道路地表徑流中重金屬主要來(lái)自汽車(chē)輪胎和剎車(chē)盤(pán)磨損等[14]，城市快速路車(chē)流量高于城市主路，且由于采樣點(diǎn)接近紅綠燈，車(chē)輛在采樣點(diǎn)附近上啟動(dòng)、剎車(chē)等頻次更高，由此導(dǎo)致重金屬污染水平更高。建筑小區(qū)徑流Cu、Cd、Cr、Zn和Mn的EMC均值總體基本與城市主路和快速路徑流處于同一水平。值得注意的是，建筑小區(qū)徑流中Pb含量高，甚至數(shù)倍于城市快速路和城市主路，但建筑小區(qū)地表徑流中Pb來(lái)源尚不明晰，還需進(jìn)一步研究和源解析。

3處地表徑流中有機(jī)物石油類(lèi)、苯酚、苯的EMC均值差異不大，同時(shí)結(jié)合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的相關(guān)要求，地表徑流中有機(jī)物污染水平總體較低，對(duì)飲用水源地可能造成的潛在威脅相對(duì)有限。

2.2 初期沖刷評(píng)價(jià)

按照M(v)曲線定義，分別計(jì)算各監(jiān)測(cè)降雨事件的徑流量累積排放率和不同徑流污染物累積排放率，并繪制3處監(jiān)測(cè)點(diǎn)3 場(chǎng)降雨事件的M(v)曲線如圖3、圖4所示。研究表明，對(duì)于特定地表徑流監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在不同降雨條件下其污染指標(biāo)初期沖刷程度差異顯著，主要與降雨特性和污染物前期累計(jì)程度有關(guān)[9-13,31]，研究數(shù)據(jù)也印證了這一結(jié)論(圖3、圖4)。重點(diǎn)探討在同一降雨事件中(降雨條件相同的前提下)，不同類(lèi)型下墊面地表徑流污染物初期沖刷程度的差異。

圖3 常規(guī)污染物M(v)曲線Fig.3 M(v) curves of conventional pollutants

從重金屬污染指標(biāo)看，由于雨水徑流中重金屬污染物多與不同粒徑的顆粒物結(jié)合[14,17]或以顆粒態(tài)形式賦存[17,32]，因此重金屬污染物的初期沖刷規(guī)律(圖4)總體上與SS的沖刷規(guī)律基本一致(圖3)。當(dāng)然，也有部分重金屬(如Cd等)沖刷規(guī)律與SS存在一定差異，這主要與徑流中Cd濃度水平較低(僅略高于檢測(cè)限)，且在整個(gè)徑流過(guò)程中濃度變化不大有關(guān)。

圖4 重金屬污染物M(v)曲線Fig.4 M(v) curves of heavy metals

2.3 年徑流污染負(fù)荷

表2 不同類(lèi)型地表徑流常規(guī)污染物年污染負(fù)荷

表3 不同類(lèi)型地表徑流重金屬和有機(jī)污染物年污染負(fù)荷

從重金屬來(lái)看，3處地表徑流中重金屬污染負(fù)荷相對(duì)于同類(lèi)型研究而言較高[16]，尤其是Pb、Zn等，僅Cd的污染水平較低。這主要與道路交通污染排放有關(guān)，同時(shí)研究區(qū)域東側(cè)的大型工業(yè)園區(qū)的污染排放可能也是造成當(dāng)?shù)氐乇韽搅髦兄亟饘傥廴矩?fù)荷水平較高的原因之一。

總體來(lái)看，德勝河周邊城區(qū)徑流中常規(guī)污染物年污染負(fù)荷與上海、蘇州等國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度較高的城市處于同一水平，同時(shí)考慮到德勝河周邊城區(qū)徑流中較高的重金屬污染負(fù)荷，如不進(jìn)行有效的徑流污染控制措施，必將對(duì)作為應(yīng)急備用飲用水源地德勝河的水環(huán)境造成嚴(yán)重威脅。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)常州市飲用水源地德勝河周邊城區(qū)不同類(lèi)型地表徑流的監(jiān)測(cè)，分析了不同類(lèi)型地表徑流的事件平均濃度(EMC)、初期沖刷程度及年徑流污染負(fù)荷等特征，得出如下結(jié)論。

(1)城市主路、城市快速路、建筑小區(qū)的地表徑流中COD、TP、Pb、Cr、Zn的EMC均值遠(yuǎn)超過(guò)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中Ⅴ類(lèi)水的標(biāo)準(zhǔn)，地表徑流直接排放，將嚴(yán)重威脅飲用水源地德勝河的水環(huán)境質(zhì)量；典型有機(jī)污染物石油類(lèi)、苯酚、苯的污染水平相對(duì)較低，對(duì)飲用水源地可能造成的潛在威脅相對(duì)有限。

(2)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)印證了降雨量和降雨強(qiáng)度等降雨特征對(duì)徑流污染物初期沖刷的顯著影響，前期晴天數(shù)是影響初期沖刷程度的關(guān)鍵因素；不同類(lèi)型下墊面的地表類(lèi)型、坡度等因素導(dǎo)致其產(chǎn)匯流條件的差異，也是影響常規(guī)污染物初期沖刷程度的重要因素；主要以顆粒態(tài)形式賦存的重金屬，其初期沖刷與SS呈現(xiàn)較為一致的沖刷規(guī)律，如能采用針對(duì)顆粒態(tài)徑流污染物的初期雨水控制措施，將有效控制徑流中重金屬的污染排放。

(3)城市主路、城市快速路和建筑小區(qū)徑流中常規(guī)污染物SS、COD、TN、TP的年污染負(fù)荷與中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度較高的城市同類(lèi)型區(qū)域徑流污染負(fù)荷處于同一水平，但Pb、Cu、Cr、Zn、Mn等重金屬污染負(fù)荷較高，將對(duì)作為應(yīng)急備用飲用水源地的德勝河水環(huán)境造成嚴(yán)重威脅，迫切需要采取徑流污染控制的工程和相關(guān)管理措施，保障常州應(yīng)急備用飲用水源地水環(huán)境質(zhì)量和城市供水系統(tǒng)安全。