臨安校園不同下墊面徑流污染特征及污染源解析

許立宏， 王春梅， 蔡成豪， 梁世君， 方曉波*

(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 310000； 2.福建省輻射環(huán)境監(jiān)督站，福建 福州 350001)

近年來(lái)，地表徑流已成為影響城市水環(huán)境質(zhì)量的僅次于農(nóng)業(yè)面源污染的第二大非點(diǎn)源污染源[1-5]。城市自然下墊面徑流產(chǎn)生困難，污染物不易隨降雨徑流而遷移，容易導(dǎo)致污染物富集并影響區(qū)域環(huán)境[6]。道路、屋頂?shù)炔煌杆缘乇碛绕涫墙煌ɑ顒?dòng)頻繁的城市道路地表累積了大量的懸浮顆粒物、營(yíng)養(yǎng)鹽、有機(jī)物，以及重金屬等污染物[7-8]，通過(guò)降雨徑流的溶解、沖刷等作用輸入地表水體，易引起水質(zhì)惡化，威脅公眾身體健康[9-11]；綠地由于大氣干濕沉降，臨近道路汽車尾氣排放，附近工業(yè)商業(yè)區(qū)污染，存在重金屬、PAHs、PM10和PM2.5等污染風(fēng)險(xiǎn)。城市降雨徑流污染具有量大、面廣、分散性、隨機(jī)性、難治理等特點(diǎn)，已成為當(dāng)前我國(guó)城市河流水質(zhì)進(jìn)一步提升改善的瓶頸[2]。

校園區(qū)是一個(gè)集生活、交通、商業(yè)、文教為一體的典型復(fù)雜功能區(qū)，同時(shí)學(xué)生作為一個(gè)特殊的群體，學(xué)生的安全健康是社會(huì)特別關(guān)注的問(wèn)題之一。本研究探討校園不同下墊面徑流污染特征和污染源，旨為進(jìn)一步防治城區(qū)水污染、保護(hù)水資源提供有效的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選浙江農(nóng)林大學(xué)東湖校區(qū)為研究區(qū)域。東湖校區(qū)人口密集，活動(dòng)頻繁，屬典型校園區(qū)，集教學(xué)區(qū)、學(xué)生生活區(qū)、體育活動(dòng)區(qū)、科學(xué)研究區(qū)為一體[12-13]。年降水量1 613.9 mm，年降水日158 d，年無(wú)霜期237 d，降水最多為6月，其次為7、8月，最少是11、12月。

1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

針對(duì)該校區(qū)不同下墊面，根據(jù)校區(qū)格局分布和土地利用現(xiàn)狀，經(jīng)實(shí)地考察，選取A7宿舍樓瓷磚路面、五洲廣場(chǎng)柏油路面、教五樓天臺(tái)屋面和東湖旁綠地為監(jiān)測(cè)對(duì)象?？紤]到路面情況多變，各下墊面均取兩個(gè)采樣點(diǎn)。采樣點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的下墊面類型

1.3 樣品采集

于2018年7月至2019年7月，根據(jù)《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》(HJ 494—2009)，在道路雨水徑流匯集的路面集水井處收集水樣，屋面采樣處為管道出水口，綠地采樣處為石墩旁地勢(shì)低洼處。采用“前密后疏”的采樣模式，徑流開始30 min內(nèi)，用聚乙烯瓶每10 min采樣一次，30～60 min每15 min采樣一次，60 min以后每30 min采樣一次，直至徑流終止，每次采樣500 mL。采集的水樣帶回實(shí)驗(yàn)室分析總氮(TN)、氨態(tài)氮(NH3-N)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(COD)及重金屬指標(biāo)[4,14]。

1.4 降雨特征

采樣期間采用JFZ-01型數(shù)字雨量計(jì)同步觀測(cè)降雨特征。本研究采集了8場(chǎng)典型降雨事件的基本特征數(shù)據(jù)。

1.5 分析方法

1.5.1 次降雨徑流平均濃度計(jì)算

次降雨徑流平均濃度(EMC)可用于分析和評(píng)估一場(chǎng)降雨事件的地表徑流污染情況。EMC計(jì)算公式為：

式中：M為污染物總量；V為總徑流量；Ct為t時(shí)刻污染物濃度；Qt為t時(shí)刻徑流量。

1.5.2 初期沖刷效應(yīng)分析

為判斷降雨初期沖刷效應(yīng)的強(qiáng)弱，在M(V)曲線的基礎(chǔ)上提出MFF指數(shù)。MFF指數(shù)計(jì)算公式：

式中：MFFn為初期沖刷強(qiáng)度指數(shù)；M為降雨過(guò)程排放的污染物總量；V為降雨過(guò)程的總徑流量；Ct為t時(shí)刻排放的污染物濃度；Qt為t時(shí)刻徑流量。

1.5.3 基于熵權(quán)法的內(nèi)梅羅法水質(zhì)評(píng)價(jià)

基于熵權(quán)法的權(quán)重極大值確定，采用歸一化公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化：

式中rmax、rmin分別為同一指標(biāo)不同樣品中的最大值與最小值。然后對(duì)m個(gè)待測(cè)項(xiàng)目、n個(gè)待評(píng)指標(biāo)歸一化處理后，得到歸一化矩陣：

式中rij為第j個(gè)指標(biāo)下第i個(gè)項(xiàng)目的評(píng)價(jià)值。則第j個(gè)指標(biāo)下第i個(gè)項(xiàng)目指標(biāo)值的比重(pij)：

第j個(gè)指標(biāo)的熵值(ej)為：

式中k=1/lnm，并規(guī)定pij=0時(shí)，pij·lnpij=0。則第j個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)(wi)：

基于熵權(quán)法的改進(jìn)內(nèi)梅羅法[15]：

Fmax=max{ci/sij}；

1.5.4 基于年降雨量法的污染負(fù)荷估算

降雨徑流年污染負(fù)荷估算可體現(xiàn)徑流污染物濃度對(duì)水體的危害，由于一年內(nèi)對(duì)每場(chǎng)降雨事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析比較困難，可采用以下公式計(jì)算徑流年污染負(fù)荷[16]。

式中：L為一定面積排水區(qū)域的年污染負(fù)荷；P為年降雨量；CF為徑流修正系數(shù)，一般取0.9；

Rv為徑流系數(shù)；C為事件平均濃度。

M=L·A。

式中：M為污染物年排放量；A為研究區(qū)域面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 徑流污染EMC濃度

對(duì)每場(chǎng)降雨數(shù)據(jù)(表1)進(jìn)行濃度計(jì)算后按不同下墊面類型對(duì)8場(chǎng)降雨事件的EMC濃度進(jìn)行均值計(jì)算。表2～3是8場(chǎng)典型降雨不同下墊面各污染物徑流的EMC均值。根據(jù)EMC均值，不同下墊面常規(guī)污染物和重金屬的EMC值見圖2～3。

圖2 不同下墊面常規(guī)污染物的濃度

表1 典型降雨的基本降雨特征

表2 不同下墊面降雨徑流的常規(guī)污染物EMC值

表3 不同下墊面降雨徑流的重金屬污染物EMC值

2.2 沖刷效應(yīng)

2.2.1 不同下墊面徑流污染物濃度變化

選取2019年4月4日的降雨事件探討徑流污染物濃度隨降雨歷時(shí)的變化規(guī)律，濃度變化趨勢(shì)如圖4所示。結(jié)果顯示,各徑流污染物濃度初期較高，隨著降雨歷時(shí)不斷降低，初期徑流污染較為嚴(yán)重，TP、TN、Cr污染物在降雨歷時(shí)中存在明顯峰值，這與何湖濱等[17]的研究結(jié)果一致，可能是由于下墊面不同導(dǎo)致的濃度波動(dòng)。該降雨事件的各污染物濃度變化總體呈下降趨勢(shì)。

2.2.2 不同下墊面徑流初期沖刷效應(yīng)

對(duì)于降雨徑流初期沖刷的判定一般是基于無(wú)量綱的累積污染負(fù)荷比與累計(jì)徑流量比的M(V)曲線圖[18]，選取2019年4月4日降雨事件作為典型降雨事件作M(V)曲線(圖5)，當(dāng)曲線位于對(duì)角線左上方時(shí)，代表產(chǎn)生了初期沖刷效應(yīng)，結(jié)果顯示,4種下墊面均有較明顯沖刷效應(yīng)。

圖3 不同下墊面重金屬污染物的濃度

圖4 不同下墊面徑流污染物濃度隨降雨歷時(shí)的變化趨勢(shì)

圖5 不同下墊面污染物的M(V)曲線

M(V)曲線只能從大體上判斷一場(chǎng)降雨事件是否存在初期沖刷，為進(jìn)一步探討初期沖刷效應(yīng)的強(qiáng)弱程度，以30%的初期徑流量所攜帶的污染負(fù)荷為標(biāo)準(zhǔn)[19-20]，引入FF30指數(shù)和MFF30指數(shù)。FF30指數(shù)表示前30%的徑流在整場(chǎng)降雨中的累積污染負(fù)荷占比。根據(jù)李春林等[21]的研究，按照MFF值的大小可將初期沖刷強(qiáng)度進(jìn)行劃分：MFF值在>1～2為弱沖刷，>2為強(qiáng)沖刷。對(duì)4種下墊面的Cu、Zn、Pb、Cr、Ni、TP、TN、NH3-N、COD的FF30和MFF30進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表4。

表4 不同下墊面污染物FF30和MFF30值

由表4可知，不同下墊面前30%的徑流量，瓷磚路面攜帶的負(fù)荷量為20%～65%，柏油路面攜帶的負(fù)荷量為29%～76%，屋面攜帶的負(fù)荷量為31%～56%，綠地?cái)y帶的負(fù)荷量為23%～63%。其中：瓷磚路面攜帶的重金屬平均負(fù)荷量為45%，攜帶的常規(guī)污染物平均負(fù)荷量為27%；柏油路面攜帶的重金屬平均負(fù)荷量為51%，攜帶的常規(guī)污染物平均負(fù)荷量為33%；屋面攜帶的重金屬平均負(fù)荷量為47%，攜帶的常規(guī)污染物平均負(fù)荷量為35%；綠地?cái)y帶的重金屬平均負(fù)荷量為44%，攜帶的常規(guī)污染物平均負(fù)荷量為44%。瓷磚路面、柏油路面、屋面、綠地FF30平均值為37%、43%、44%、41%。瓷磚路面、柏油路面Cr和綠地COD的MFF30值>2，為強(qiáng)沖刷。瓷磚路面的TP、TN、COD以及柏油路面的NH3-N、COD和綠地TP的MFF30<1，不存在沖刷效應(yīng)。屋面污染物的MFF30均>1，所以屋面的各污染物在整個(gè)降雨事件中都存在沖刷效應(yīng)。4種下墊面重金屬M(fèi)FF30值都>1，所以不同下墊面重金屬均存在不同程度的初期沖刷效應(yīng)。瓷磚路面、柏油路面、屋面、綠地的MFF30平均值分別為1.23、1.43、1.38、1.47?？傮w上來(lái)說(shuō)，4種下墊面均存在沖刷效應(yīng)，且沖刷效應(yīng)都是弱沖刷。

2.3 相關(guān)性

2.3.1 降雨特征與徑流污染物相關(guān)性

運(yùn)用SPSS軟件對(duì)監(jiān)測(cè)的8場(chǎng)降雨事件中污染物的EMC值與降雨特征之間進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。表5所示，COD、TP與前期晴天時(shí)間呈顯著和極顯著正相關(guān)，表明前期晴天時(shí)間越長(zhǎng)，COD和TP濃度越高，這與邊博[22]的研究結(jié)果一致。Pb、Ni與平均降雨強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)，平均降雨強(qiáng)度越強(qiáng)，Pb和Ni濃度越大；Pb還與降雨量呈顯著正相關(guān)，表明Pb濃度隨著降雨量的增加而增大。其余徑流水質(zhì)與降雨特征間無(wú)顯著相關(guān)性。在某種程度上，Pb、Ni與雨強(qiáng)、雨量的正相關(guān)關(guān)系是由于污染物的沖刷作用大于稀釋作用而導(dǎo)致的，與李春林等[21,23]的研究結(jié)果一致。

表5 降雨特征與徑流污染物的Pearson相關(guān)系數(shù)

2.3.2 徑流污染物之間相關(guān)性

運(yùn)用SPSS軟件對(duì)監(jiān)測(cè)的8場(chǎng)降雨事件的污染物EMC值之間進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。表6顯示，常規(guī)污染物之間相關(guān)性不高，可能是由于徑流的產(chǎn)匯與沖刷存在不確定性所致[24]。重金屬之間具有明顯的相關(guān)性，Cu與Zn、Pb、Cr、Ni呈高度負(fù)相關(guān)，Pb與Cr、Ni呈完全的正相關(guān)，Cr與Ni呈完全正相關(guān)，這表明多種重金屬來(lái)源相同，可能因?yàn)楸敬窝芯坎蓸狱c(diǎn)位于一個(gè)功能區(qū)，且道路汽車磨損、懸浮物吸附顆粒包含多種重金屬[25-26]。TN、NH3-N與多種重金屬之間呈高度的正相關(guān)、高度的負(fù)相關(guān)關(guān)系，可能是由于大雨沖刷導(dǎo)致泥沙較多，沖刷和稀釋作用交互，從而影響污染物之間的相關(guān)關(guān)系。

2.4 水質(zhì)評(píng)價(jià)

表7顯示，屋面的徑流水質(zhì)為Ⅳ類，瓷磚路面和綠地的徑流水質(zhì)為Ⅴ類，柏油路面的徑流水質(zhì)屬劣Ⅴ類，研究區(qū)總體徑流水質(zhì)較差。

表7 不同下墊面水樣的P值及評(píng)價(jià)結(jié)果

2.5 污染負(fù)荷

參照GB 50014—2006《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，屋面和柏油路面的徑流系數(shù)取0.9，瓷磚路面徑流系數(shù)取0.6，綠地徑流系數(shù)取0.15。根據(jù)周菊敏等[27]的研究，研究區(qū)年降雨量為1 506.0 mm，利用L公式，根據(jù)表2、3計(jì)算年污染負(fù)荷，結(jié)果如表8所示。與其他研究區(qū)校園[28-29]相比，本研究區(qū)年污染負(fù)荷均高出不少，最少超出2倍，最多超出近30倍。

表8 不同下墊面水樣的年污染負(fù)荷 單位：kg·hm-2·a-1

2.6 污染源

運(yùn)用SPSS 20.0軟件對(duì)本次研究中的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行KMO檢驗(yàn)和Bartlett球形檢驗(yàn)。結(jié)果顯示，KMO的值皆>0.5，且Bartlett球形檢驗(yàn)P值<0.5，拒絕Bartlett球形檢驗(yàn)的零假設(shè)，表明原有數(shù)據(jù)適合做主成分分析[30-31]。以特征值>1和方差貢獻(xiàn)率>75%為原則，提取出影響研究區(qū)徑流水質(zhì)的2個(gè)主成分因子，這2個(gè)因子能解釋全部變量的84.741%，說(shuō)明這2個(gè)主成分因子基本包含上述9個(gè)指標(biāo)的所有信息(表9)。第一主成分貢獻(xiàn)率為54.233%，與第一主成分密切相關(guān)的是TP、Pb、Cr和Ni，在TP、Pb、Cr和Ni上有較大的荷載系數(shù)，均呈強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系，表明研究區(qū)降雨徑流主要受到TP和重金屬Pb、Cr和Ni的污染；第二主成分貢獻(xiàn)率為30.508%，與第二主成分密切相關(guān)的是NH3-N、COD、Cu，在NH3-N、COD、Cu上有較大的荷載系數(shù)，與COD呈強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系，與NH3-N和Cu呈中度相關(guān)關(guān)系，表明研究區(qū)降雨徑流次要污染是NH3-N、COD、Cu。

表9 研究區(qū)徑流污染物的主成分分析

2.7 討論

為了解研究區(qū)的降雨徑流污染特征和污染源，對(duì)一年中的典型降雨事件進(jìn)行研究分析，采用EMC值計(jì)算、沖刷規(guī)律和初期沖刷效應(yīng)分析、水質(zhì)評(píng)價(jià)和污染負(fù)荷分析，通過(guò)主成分分析對(duì)本研究區(qū)污染物進(jìn)行污染源解析，并盡可能通過(guò)污染特征相關(guān)性分析明確研究區(qū)年降雨事件下的徑流污染狀況和影響因素，為當(dāng)前城市非點(diǎn)源污染問(wèn)題提供更豐富的數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

結(jié)果表明，在整個(gè)徑流過(guò)程中污染物濃度整體呈下降趨勢(shì)，對(duì)降雨事件初期沖刷效應(yīng)進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，4種下墊面均存在初期沖刷效應(yīng)，沖刷效應(yīng)均為弱沖刷。從下墊面類型分析，4種下墊面中屋面初期沖刷效應(yīng)穩(wěn)定，研究中的不同污染物在屋面均存在初期沖刷效應(yīng)。從污染物種類分析，重金屬污染物在不同下墊面均存在沖刷效應(yīng)，具體是強(qiáng)或弱沖刷與重金屬污染物的種類有關(guān)。隨著生活水平提高，燃油燃?xì)庀募ぴ觥U氣粉塵排放增加，造成嚴(yán)重的大氣污染，空氣中的粉塵顆粒物、可溶性的有害氣體隨著雨水淋洗進(jìn)入地表徑流造成城市地表徑流的污染，同時(shí)徑流受匯水面性質(zhì)影響呈現(xiàn)出不同變化，所以不同下墊面徑流水質(zhì)之間存在差異[32]。研究區(qū)徑流水質(zhì)屋面>瓷磚路面>綠地>柏油路面，同時(shí)研究區(qū)徑流年污染負(fù)荷偏高，除TP外的其他污染物污染負(fù)荷是其他校園的2～30倍，污染比較嚴(yán)重，宜采取相應(yīng)措施，如減少杭州市臨安區(qū)的燃油燃?xì)?，以減少因大氣沉降導(dǎo)致的徑流污染。主成分分析結(jié)果得出，第一主成分包括TP、Pb、Cr、Ni，表明研究區(qū)徑流主要受到P污染和重金屬Pb、Cr、Ni污染，其污染主要來(lái)源于城市垃圾、機(jī)動(dòng)車剎車等零部件磨損和汽車燃油[30,33-34]。第二主成分包括COD、Cu和NH3-N，表明研究區(qū)徑流水質(zhì)主要受有機(jī)污染物COD、N污染和重金屬Cu污染，COD污染主要來(lái)源于車輛輪胎損耗[35]，N污染的污染源主要是大氣干濕沉降和復(fù)合肥的施用所致，Cu污染主要來(lái)源于機(jī)動(dòng)車損耗以及附近工業(yè)活動(dòng)(電線電纜廠等)。主成分分析與水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，柏油路面的徑流水質(zhì)最差，為劣Ⅴ類水。

3 小結(jié)

地表徑流污染物濃度初期較高，隨降雨歷時(shí)不斷降低，且存在初期沖刷效應(yīng)；降雨特征與徑流污染物之間、徑流污染物之間存在相關(guān)關(guān)系；研究區(qū)TN、COD、Ni污染嚴(yán)重，NH3-N、Cu、Zn、Pb、Cr污染較輕，無(wú)明顯Cu污染。

水質(zhì)評(píng)價(jià)表明，研究區(qū)徑流水質(zhì)整體較差，水質(zhì)污染程度柏油路面>綠地>瓷磚路面>屋面。屋面的徑流水質(zhì)為Ⅳ類，瓷磚路面和綠地的徑流水質(zhì)為Ⅴ類，柏油路面的徑流水質(zhì)屬劣Ⅴ類。

本研究區(qū)污染負(fù)荷比其他校園明顯偏高，除TP外其他污染物的污染負(fù)荷高于其他校園2～30倍，污染狀況較重。

主成分分析結(jié)果顯示，研究區(qū)徑流存在多種污染源，第一種潛在污染源是機(jī)動(dòng)車損耗、燃油和城市垃圾，第二種潛在污染源是機(jī)動(dòng)車輛車輪胎磨損、大氣干濕沉降和復(fù)合肥的施用，以及附近電纜廠等的重金屬工業(yè)活動(dòng)。