基于自動(dòng)監(jiān)測(cè)的臺(tái)風(fēng)“利奇馬”降雨對(duì)城市地表水水質(zhì)影響分析

耿 曄，杜天君，謝建輝，喬國棟，閆學(xué)軍

（山東省濟(jì)南生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，山東 濟(jì)南 250101）

0 引言

引起地表水水質(zhì)變化的原因很多，作為地表水主要的補(bǔ)給來源的雨水徑流，其帶來的非點(diǎn)源污染已成為水體污染的主要因素[1-2]。 我國7 至9月夏季臺(tái)風(fēng)引起的暴雨，占全年降雨量的70%，大量的降雨形成地表徑流雨水在匯集過程中，攜帶了一定濃度的N，P、有機(jī)物、可溶解性氣體及溶解性固體、細(xì)菌、重金屬等污染物。 2019年8月10日～12日，1909號(hào)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”登錄山東，并帶來了大范圍降雨。山東中南部地區(qū)雨勢(shì)最大，造成的過程降雨強(qiáng)度位列山東歷史第一。 濟(jì)南市普降大暴雨、局部特大暴雨，從10日08∶00 ～12日17∶00，市區(qū)平均降水量193.3 mm,43 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)中有18 個(gè)降水量已超200 mm, 最大降水量達(dá)到346 mm[3-4]。

許多學(xué)者對(duì)臺(tái)風(fēng)降雨引起的地表徑流影響進(jìn)行了一定的研究，多數(shù)學(xué)者利用手工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)選取我國南方城市的地表徑流作為樣本，如趙玉坤等[5]選取太湖流域城市地表徑流污染進(jìn)行了研究；張瓊?cè)A等[6]選取西安作為研究重點(diǎn)[5-7]，目前針對(duì)華東地區(qū)雨水徑流的受納水體—城市河流的研究較少。 小清河起源于濟(jì)南市西部睦里莊村泉群，自西向東流經(jīng)濟(jì)南市5 區(qū)，從東部辛豐莊出濟(jì)南界，全長為70.3 km，流域面積為2 803 km2。 小清河具有排污、灌溉等功能，同時(shí)也是濟(jì)南市最主要的排水、防洪、排澇河道。 因此，開展臺(tái)風(fēng)降雨對(duì)小清河水質(zhì)變化的影響研究，對(duì)從源頭分析、控制水環(huán)境的變化尤其重要。本文選取小清河濟(jì)南段2 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面作為研究對(duì)象，利用水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站24 h 自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來研究 “利奇馬”臺(tái)風(fēng)降雨期間小清河水質(zhì)變化的規(guī)律及影響，并對(duì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)質(zhì)量濃度波動(dòng)的原因進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 樣本選取

本次實(shí)驗(yàn)選取小清河濟(jì)南段2 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面作為采樣點(diǎn)位，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位信息見表1。1#睦里莊斷面是小清河的源頭，為本底監(jiān)測(cè)斷面，水質(zhì)類別為III 類；2# 辛豐莊斷面為小清河濟(jì)南出境斷面，有生活及工業(yè)污水的大量支流單側(cè)梳齒狀水系匯入，屬于灌溉區(qū)域，水質(zhì)類別為V 類。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位信息

1.2 監(jiān)測(cè)指標(biāo)及方法

監(jiān)測(cè)8月份日均值質(zhì)量濃度和降雨期間的小時(shí)質(zhì)量濃度，日均值監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為CODMn，NH3-N，TP，TN；小時(shí)均值選取8月10日08：00 ～8月12日08：00“利奇馬”過境期間降雨時(shí)段，分析間隔為4 h，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為CODMn，NH3-N，TP，TN，電導(dǎo)率，DO，上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均來自濟(jì)南市環(huán)境監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)V5.0 平臺(tái)地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，降雨量相關(guān)數(shù)據(jù)來源于濟(jì)南市氣象局。 1# 睦里莊斷面DO，電導(dǎo)率 （哈希SC1000 膜電極法），CODMn（AVVOR9000 高錳酸鉀氧化-ORP 電位滴定法），NH3-N（中興C310 水楊酸分光光度法），TP （島津TNP-4200 鉬酸銨分光光度法），TN （島津TNP-4200 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法）；2# 辛豐莊斷面DO，電導(dǎo)率（WTWIQ Sensor Net 膜電極法），CODMn（AVVOR9000 高錳酸鉀氧化-ORP 電位滴定法），NH3-N （WTW TresCon A111 氨氣敏電極法），TP（島津TNP-4200 鉬酸銨分光光度法），TN （島津TNP-4200 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所得的數(shù)據(jù)采用Origin 8.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1日均值監(jiān)測(cè)濃度與降雨量結(jié)果分析

1#睦里莊斷面CODMn，NH3-N，TP，TN 與濟(jì)南市日均降雨量資料見圖1。 由圖1 可知，8月5日～7日、10日～13日全市有2 次明顯降雨過程，其中10日08：00 ～12日08：00 利奇馬過境期間，降雨量突增，日最大降雨量為11日，雨量為148.9 mm。 8月1日～31日NH3-N，TP，TN 質(zhì)量濃度日均值波動(dòng)較明顯，CODMn無明顯波動(dòng)。 全月ρ（CODMn）為2.65 ～3.78 mg/L，ρ（TP）為0.04 ～0.17 mg/L，均能達(dá)到III 類地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。 12日NH3-N，TP 和15日TN 質(zhì)量濃度為當(dāng)月最大值，分別為1.45，0.17，7.65 mg/L；12日～16日ρ（NH3-N） 均超出III 類地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，最大超標(biāo)倍數(shù)為0.45 倍；10日～31日ρ（TN）超出III 類地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，最大超標(biāo)倍數(shù)為6.17倍；8月份ρ（CODMn）處于較低水平，均能達(dá)到地表水III 類標(biāo)準(zhǔn)，全月2 次降雨過程對(duì)CODMn變化影響不顯著；自13日降雨完全結(jié)束，NH3-N，TP，TN 質(zhì)量濃度日均值均隨降雨量的減少呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)，17日ρ（NH3-N）監(jiān)測(cè)值降至0.59 mg/L；31日ρ（TN）降至1.13 mg/L。 2 次降雨期間，1# 睦里莊斷面NH3-N，TP，TN 質(zhì)量濃度均處于較高水平，未達(dá)到III 類地表水標(biāo)準(zhǔn)。 降雨1 ～2 d 后污染物質(zhì)量濃度出現(xiàn)大幅升高，12日NH3-N，TP，TN 質(zhì)量濃度日均值較11日分別增加4.7，1.4，2.8 倍，降雨量對(duì)NH3-N，TP，TN 呈現(xiàn)正相關(guān)影響。

圖1 睦里莊斷面降雨量與污染物質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)值

2#辛豐莊斷面CODMn，NH3-N，TP，TN 質(zhì)量濃度日均值與濟(jì)南市日均降雨量資料見圖2。 由圖2 可知，8月1日~ 31日斷面CODMn，NH3-N，TP，TN日均值波動(dòng)較明顯。 11日NH3-N，TP，TN 質(zhì)量濃度均為當(dāng)月最大值，分別為4.27，0.51，8.89 mg/L；NH3-N，TP，TN 分別超出V 類地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)1.14，0.28，3.44 倍。CODMn，NH3-N，TP日均質(zhì)量濃度均隨降雨量的減少呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)，自13日降雨完全結(jié)束至31日，上述3 類污染物均能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)；全月ρ（TN）在6.16~8.89 mg/L 之間平緩波動(dòng)；10日~12日“利奇馬”過境期間TN 呈現(xiàn)不顯著上升趨勢(shì)。 辛豐莊斷面8月份CODMn質(zhì)量濃度處于較高水平，但均能達(dá)到地表水V 類標(biāo)準(zhǔn)，降雨對(duì)其影響不顯著。 2次降雨期間NH3-N，TP 均處于較高水平，超出V 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，降雨當(dāng)天日均質(zhì)量濃度出現(xiàn)不顯著增長，降雨量對(duì)NH3-N，TP 呈現(xiàn)正相關(guān)影響；8月份TN 質(zhì)量濃度均處于極高水平，超出V 類地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，降雨量對(duì)TN 呈現(xiàn)正相關(guān)影響。 隨著時(shí)間的推演，14日起NH3-N，TP 質(zhì)量濃度逐步降至降雨前水平并趨于穩(wěn)定，TN 質(zhì)量濃度呈現(xiàn)不明顯降低趨勢(shì)。

圖2 辛豐莊斷面降雨量與污染物質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)值

2.2 降雨量與污染物濃度相關(guān)性討論

分析可知，CODMn與降雨量相關(guān)性較差，NH3-N，TP，TN 與降雨量呈正相關(guān)，其中1# 睦里莊斷面降雨量對(duì)TN 影響更顯著，2# 辛豐莊斷面TN 質(zhì)量濃度隨著降雨量的減少呈不明顯降低趨勢(shì)。 雨水徑流帶來的非點(diǎn)源污染已成為水體污染的主要因素，會(huì)造成BOD，TP，TN 質(zhì)量濃度升高，甘華陽等[8]對(duì)廣州市雨水造成的地表徑流進(jìn)行取樣發(fā)現(xiàn)： 雨水中大部分水質(zhì)參數(shù)的質(zhì)量濃度都較低或在檢測(cè)限之下，只有TN 和NO3-N 的含量較高，說明雨水不是路面雨水徑流中污染物的主要來源。 造成NH3-N，TP，TN正相關(guān)，COD 相關(guān)性較差的原因可能是小清河及其各支流周邊部分地區(qū)的土壤中含有大量工廠、農(nóng)業(yè)施肥、生活洗滌、養(yǎng)殖等排放的N，P 積存，一旦遭到雨水沖刷，很容易將這些物質(zhì)隨著雨水帶入河流，影響水質(zhì)。另一方面，部分支流黑臭水體積蓄的污水在“利奇馬”過境期間隨雨水下泄，也是造成小清河水質(zhì)變差的重要原因。

1# 睦里莊斷面屬于小清河的源頭，支流較少，斷面周圍多為農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)，工業(yè)企業(yè)較少，人口車流量較少，水源多為泉群滲水及處理后的生活污水，TN 中NH3-N 占比較高。 隨著10日降雨量的激增，TN 質(zhì)量濃度隨NH3-N 同步先升高再降低，這是10日～12日 “利奇馬” 過境期間睦里莊斷面TN 和NH3-N 同步變化的主要原因。2#辛豐莊斷面屬于小清河濟(jì)南段出境斷面，支流較多，距離章丘區(qū)刁鎮(zhèn)化工園區(qū)直線距離不足10 km，該斷面水源為上游生活污水和大量生產(chǎn)廢水及徑流形成的沖刷雨水，TN中有機(jī)氮和有機(jī)胺占比較高，NH3-N 占比適中，由于TN 長期處于較高水平，雖然NH3-N 會(huì)隨著降雨量的增加而顯著升高，隨降雨的減少而衰減，但TN 變化不明顯。

2.3 各斷面降雨期間小時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

8月10日08∶00 ～12日08∶00 選取1# 睦里莊斷面、2# 辛豐莊斷面NH3-N，TP，TN，電導(dǎo)率，DO 小時(shí)均值連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制曲線圖，采樣間隔為4 h，分析各監(jiān)測(cè)指標(biāo)降雨期間的變化趨勢(shì)（因CODMn與降雨量相關(guān)性較差，故不再進(jìn)行相關(guān)分析），結(jié)果見圖3 ～圖4。

圖3 睦里莊斷面各污染物質(zhì)量濃度小時(shí)均值變化趨勢(shì)

由圖3 可知，NH3-N，TP，TN，DO 質(zhì)量濃度均呈現(xiàn)出先升高后降低再升高的變化趨勢(shì)，前3 者最高值均出現(xiàn)在8月12日08∶00，分別為1.36，0.14，2.92 mg/L，ρ（DO）最高值出現(xiàn)在12日00∶00，為6.71 mg/L；NH3-N，TP，TN 質(zhì)量濃度最低值分別出現(xiàn)在11日00∶00（0.17 mg/L），11日00∶00（0.06 mg/L），10日08∶00（1.74 mg/L）；電導(dǎo)率呈現(xiàn)出平緩下降的趨勢(shì)，最高值為809 μS/cm，最低值為629 μS/cm。10日08∶00 ～11日20∶00 DO 基本穩(wěn)定。

圖4 辛豐莊斷面各污染物質(zhì)量濃度小時(shí)均值變化趨勢(shì)

由圖4 可知，NH3-N，TN，TP，電導(dǎo)率，DO 均出現(xiàn)較明顯波段變化趨勢(shì)。ρ（NH3-N）自10日08∶00 開始緩慢上升到20∶00 穩(wěn)定在4.3 mg/L；ρ（TP）在0.43～0.62 mg/L 之間、ρ（TN）在7.25 ～9.25 mg/L 之間反復(fù)波動(dòng)；受降雨徑流的沖擊電導(dǎo)率整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，從10日08∶00 的最高值935 μS/cm 急速下降，11日04∶00 達(dá)到最低值1.76 μS/cm 后出現(xiàn)小幅度反彈，最大下降99.8%；ρ（DO）自10日20∶00 開始緩慢上升，11日12∶00 出現(xiàn)小幅下降，20∶00 達(dá)到最高值8.09 mg/L 后趨于穩(wěn)定。

2.4 降雨期間各污染物變化趨勢(shì)討論

2.4.1 睦里莊斷面

NH3-N，TP，TN 小時(shí)質(zhì)量濃度在降雨初期緩慢升高，自11日20∶00 開始突增；DO 變化不顯著；隨著降雨量的增加電導(dǎo)率呈現(xiàn)整體下降趨勢(shì)，最大下降為22%，說明降雨本身較純凈，電導(dǎo)率處于低位水平。 引起水質(zhì)變化的主要原因是： 睦里莊斷面作為小清河的源頭，支流雖然較少，但部分支流作為汛期泄洪使用，晴天處于干涸狀態(tài)并存有少部分黑臭污水，當(dāng)雨水徑流流入后水位突增，黑臭水體積蓄的污水隨雨水發(fā)生攪動(dòng)并下泄至小清河，引起N，P元素增加，致使NH3-N，TP，TN 質(zhì)量濃度小范圍上升。 石春娥等[9]研究表明約90%的降雨中電導(dǎo)率在60 μS/cm 以下，電導(dǎo)率在15 μS/cm 以下的降水發(fā)生頻率最高，隨著降雨量的突增，形成的大量地表徑流最終匯入小清河，降水對(duì)小清河水量形成一定程度的沖擊并產(chǎn)生稀釋作用，電導(dǎo)率隨之降低。

2.4.2 辛豐莊斷面

臺(tái)風(fēng)過境期間NH3-N，TP，TN，DO 質(zhì)量濃度呈整體上升趨勢(shì)，但伴有小幅波動(dòng)；隨著降雨量的增加，電導(dǎo)率呈現(xiàn)整體下降趨勢(shì)。由于辛豐莊斷面為小清河濟(jì)南段的出境斷面，周圍支流較多，水質(zhì)較復(fù)雜，ρ（NH3-N）自降雨開始上升至1 倍后穩(wěn)定，而ρ（TP）上升后出現(xiàn)小幅下降，說明降雨對(duì)濟(jì)南市城區(qū)造成的污染主要來源為氮，而磷占比不高。 TN 未隨NH3-N 同步變化的原因與日均值變化趨勢(shì)原因相同。 8月11日全市平均降雨量148.9 mm，而辛豐莊斷面所在章丘區(qū)的降雨量為286.3 mm，大于全市約0.9 倍，大量的降雨引起地表徑流通過各支流流入小清河，加上同期上游來水與小清河原有水質(zhì)互相混合，導(dǎo)致電導(dǎo)率下降幅度及DO 上升幅度明顯大于睦里莊斷面。

2.5 降雨對(duì)環(huán)境水質(zhì)的影響時(shí)間討論

作為III 類本底斷面的睦里莊斷面水質(zhì)較好，受降雨影響較敏感，降雨1 ～2 d 后污染物質(zhì)量濃度出現(xiàn)較大激增，12日NH3-N，TP，TN 質(zhì)量濃度日均值較11日分別升高4.7，1.4，2.8 倍，降雨結(jié)束5 d 后降至前期水平，但CODMn變化不顯著，上述結(jié)論與劉守城等[10]徑流初期各污染物濃度便達(dá)到峰值的研究相一致。 辛豐莊斷面降雨當(dāng)天NH3-N，TP，TN 質(zhì)量濃度出現(xiàn)小幅上升，較前1 d 分別上升0.53，0.24，0.06 倍，降雨完全結(jié)束1 d 后NH3-N，TP 降至前期水平；TN 質(zhì)量濃度無明顯變化的原因是該斷面TN質(zhì)量濃度長期處于較高水平，雨水對(duì)其稀釋沖刷作用有限，再加上雨水徑流中夾帶的多為NH3-N，硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、有機(jī)氮占比較低。

3 結(jié)論

（1）臺(tái)風(fēng)過境期間的降雨對(duì)小清河水質(zhì)造成一定影響，NH3-N，TP，TN，DO 質(zhì)量濃度會(huì)升高，電導(dǎo)率會(huì)下降，CODMn質(zhì)量濃度變化不顯著。睦里莊斷面CODMn，TP 質(zhì)量濃度日均值均能達(dá)到地表水III 類標(biāo)準(zhǔn)，NH3-N，TN 超出III 類標(biāo)準(zhǔn)，最大超標(biāo)倍數(shù)分別為0.45，6.17；辛豐莊斷面CODMn日均值均能達(dá)到地表水V 類標(biāo)準(zhǔn)，NH3-N，TP，TN 超出足III 類標(biāo)準(zhǔn)，最大超標(biāo)倍數(shù)分別為1.14，0.28，3.44。

（2） 降雨量與CODMn質(zhì)量濃度變化相關(guān)性較差，與NH3-N，TP，TN，DO 質(zhì)量濃度變化呈現(xiàn)正相關(guān)，睦里莊斷面降雨后1 ～2 d 出現(xiàn)大幅升高，降雨結(jié)束5 d 后濃度降至前期水平；辛豐莊斷面降雨當(dāng)天NH3-N，TP，TN日均質(zhì)量濃度出現(xiàn)不顯著增長；降雨結(jié)束1 ～2 d 后NH3-N，TP 質(zhì)量濃度降至前期水平，TN 質(zhì)量濃度長期處于較高水平，變化不顯。隨著雨量的增大，電導(dǎo)率呈下降趨勢(shì)。

（3）降雨引起小清河水質(zhì)變化的主要污染物為NH3-N，TP，首要污染物為NH3-N，引起上升的原因?yàn)椋?部分支流黑臭水體晴天積蓄的污水隨雨水發(fā)生攪動(dòng)并下泄至小清河；部分地區(qū)土壤中磷、氮離子含量較高，受降雨沖刷形成徑流排入小清河。