白洋淀上游城市地表徑流總氮污染特征

馬學(xué)琳 ，李洪波 ，趙 琪 ，劉新軍 ，羅 寧 ，趙建國

（1.河北省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，050037，石家莊；2.河北省水環(huán)境科學(xué)實驗室，050037，石家莊；3.河北省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，050037，石家莊）

城市化進(jìn)程的加快使城市屋面、街道等不透水面積不斷增加，促進(jìn)地表徑流的形成，挾帶各種污染物在降雨沖刷下進(jìn)入受納水體，城市地表徑流污染成為僅次于農(nóng)村面源污染的第二大面污染源。 通過研究城市地表徑流污染特征， 了解污染物隨降雨及徑流的變化趨勢， 對控制城市面源污染物具有重要意義。

保定市位于白洋淀上游，其城市地表徑流污染物直接影響入淀河流的水質(zhì)狀況，并進(jìn)一步對白洋淀水質(zhì)產(chǎn)生影響。 為了解上游城市地表徑流污染對白洋淀水質(zhì)的影響程度，為白洋淀流域外源污染治理提供理論依據(jù)，本文選取河北農(nóng)大作為屋面徑流采樣點，南金莊、東魯崗作為道路徑流采樣點， 采樣時間為2019 年6—10 月， 選取保定市作為白洋淀上游典型城市對地表徑流污染進(jìn)行研究，并對本地化累積-沖刷模型進(jìn)行修正預(yù)測。

為獲取保定市城市地表徑流的污染特征，在本研究計算中，城市徑流污染負(fù)荷L（g/m2）表征為場次地表徑流深R（mm）與水樣中污染物濃度C（mg/L）之積，城市徑流深的計算采用美國SCS 模型，城市地表徑流污染負(fù)荷計算采用累積-沖刷模型模擬污染物在晴天積累、 降雨沖刷的過程。以總氮為代表污染物，進(jìn)行保定市城市地表徑流污染特征研究。

一、地表徑流污染負(fù)荷時空變化特征

本研究監(jiān)測的保定市有效降雨徑流過程中各點位總氮濃度為6.066±4.203 mg/L，除東魯崗 9 月監(jiān)測值外，其他月份各點位總氮濃度均大于2.0 mg/L，劣于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅴ類水質(zhì)，這也與其他研究中的分析結(jié)果相近。 地表徑流污染物進(jìn)入受納水體后會直接影響其水質(zhì)， 進(jìn)而對白洋淀水質(zhì)產(chǎn)生一定程度的影響。

城市地表徑流污染作為一種依托降雨產(chǎn)生的污染源，其時空變化具有很大的隨機(jī)性。 本研究監(jiān)測有效降雨徑流過程中各點位總氮污染負(fù)荷為 0.144±0.132 g/m2（圖 1），時空差異較大。 城市地表徑流一般隨降水產(chǎn)生，其污染負(fù)荷在雨季和非雨季有明顯的時間變幅。7—8 月總氮污染負(fù)荷明顯高于其他月份，這與7、8 月份降雨量較大，能夠沖刷裹挾的污染物總量較大有關(guān)。 東魯崗與南金莊總氮污染負(fù)荷有明顯差異，主要是因為城市不同點位降雨特征不同，引起的地表徑流不同，且人為活動、道路交通量等因素也會直接影響污染物的累積，進(jìn)而影響總氮負(fù)荷。 河北農(nóng)大與南金莊分別代表屋面及道路兩種城市典型不透水下墊面，道路徑流的總氮污染負(fù)荷略高于屋面，屋面徑流主要表現(xiàn)為以降塵為代表的大氣干沉降的污染物累積過程和降水沖刷過程，而道路徑流還會富集交通源、雨污管道源等，且受道路清掃的影響，其表現(xiàn)的總氮徑流負(fù)荷是受人為活動影響更大的復(fù)雜過程。

圖1 降雨徑流中各點位總氮污染負(fù)荷

二、地表徑流水質(zhì)與降雨特征的關(guān)系

降雨是將污染物引入地表徑流中的載體，雨前干期和降雨量分別通過影響污染物的累積和沖刷過程直接影響城市地表徑流污染特征。將監(jiān)測徑流中總氮濃度、總氮污染負(fù)荷分別與雨前干期和降雨量進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析，結(jié)果表明總氮濃度與雨前干期呈顯著正相關(guān)（P<0.01），總氮污染負(fù)荷與雨前干期呈正相關(guān)，總氮濃度與降雨量呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05），總氮污染負(fù)荷與降雨量呈顯著正相關(guān)（P<0.01）。雨前干期越長，地面沉降的污染物總量越多，降雨形成的徑流裹挾這些污染物導(dǎo)致場次降雨徑流中的污染物濃度和污染負(fù)荷也隨之增加。 降雨量大，對地表污染物的沖刷作用大， 場次降雨總氮污染負(fù)荷高， 但大量的雨水對地面徑流污染物表現(xiàn)為更多的稀釋作用， 導(dǎo)致地面徑流中總氮污染物濃度較低。

三、地表徑流水質(zhì)與環(huán)境空氣質(zhì)量的關(guān)系

城市地表徑流中污染物的強(qiáng)度往往與大氣污染程度有關(guān)，降雨過程同時也伴隨著雨水對大氣的洗淋，大氣污染較嚴(yán)重時，空氣中懸浮顆粒物較多， 其吸附的各類污染物較多，降雨發(fā)生時這些污染物被雨水沖刷至地面從而影響徑流中污染物含量。

對地表徑流中總氮濃度分別與降雨前5 日空氣質(zhì)量指數(shù)及各類空氣污染物日均值進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析，結(jié)果表明地表徑流中總氮濃度與 AQI 及 PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO濃度均呈正相關(guān)，其中與NO2濃度呈顯著正相關(guān)（P<0.01），這表明城市地表徑流中總氮濃度受到大氣污染物尤其是NO2的影響。 空氣中污染物濃度較高時，這些污染物富集在城市地表上空，并通過雨水的沖刷作用轉(zhuǎn)移到地表徑流中，進(jìn)而導(dǎo)致城市地表徑流水體中總氮濃度的升高。

四、降雨徑流污染負(fù)荷預(yù)測

根據(jù) SCS 模型及累積-沖刷模型，可通過降雨特征估算保定市城市地表徑流污染負(fù)荷。

經(jīng)模型計算， 對測定降雨量、徑流量及總氮含量的18 場有效降雨中總氮污染負(fù)荷預(yù)測值與實測值進(jìn)行對比（圖 2），均方根誤差（RMSE）、平均 偏 差 （MBE） 分 別 為 0.0218 及0.0424， 均小于實測數(shù)據(jù)集均值0.0539，相關(guān)系數(shù)為0.9423，表明模型具有較好的預(yù)測精度，符合保定市城市地表徑流現(xiàn)狀。

圖2 有效降雨中總氮污染負(fù)荷預(yù)測值與實測值對比

五、結(jié) 論

保定市城市地表徑流總氮污染負(fù)荷中時空差異較大， 總氮濃度為6.066±4.203 mg/L，總氮污染負(fù)荷為 0.144±0.132 g/m2， 降雨量、 下墊面、 人為活動都會對其產(chǎn)生一定程度的影響。 城市地表徑流總氮濃度與雨前干期呈正相關(guān)， 與降雨量呈負(fù)相關(guān)， 總氮負(fù)荷與雨前干期呈正相關(guān)， 與降雨量呈顯著正相關(guān)。 城市地表徑流總氮濃度與降雨前5 日空氣質(zhì)量指數(shù)與各空氣污染物濃度均呈正相關(guān)。 累積-沖刷模型對保定市城市地表徑流污染負(fù)荷有較好的預(yù)測精度。