農(nóng)村庭院降雨徑流污染特征及生態(tài)凈化效能

張 勇，楊忠蓮，劉 晉，張小玲,3，朱光燦,*

(1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210096；2.無(wú)錫市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇無(wú)錫 214072；3.中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院華東分院，江蘇南京 210023)

農(nóng)村降雨徑流攜帶有大量污染物，污染負(fù)荷占總污染負(fù)荷的比重呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)[1-2]。以太湖流域?yàn)槔?017年農(nóng)村生活源、農(nóng)田徑流源輸出的CODCr、氨氮、TN和TP分別占外部污染總量的23%、38%、40%和38%[3]。隨著農(nóng)村污水收集管網(wǎng)系統(tǒng)和處理設(shè)施逐步完善，點(diǎn)源污染得到初步有效治理，降雨徑流所導(dǎo)致的面源污染已然成為農(nóng)村水環(huán)境問(wèn)題的主要貢獻(xiàn)者[4]。農(nóng)村下墊面性質(zhì)、生活生產(chǎn)方式、污水收集處理等情況特殊，因此，相較于城市，農(nóng)村降雨徑流污染特征往往更具有不可預(yù)測(cè)性和復(fù)雜性[5]。掌握農(nóng)村降雨徑流的水質(zhì)特征和變化規(guī)律，控制徑流污染，對(duì)改善農(nóng)村水環(huán)境質(zhì)量、建設(shè)生態(tài)宜居美麗鄉(xiāng)村具有重要意義。

不同地區(qū)農(nóng)村降雨徑流污染負(fù)荷差異較大。Lang等[6]調(diào)查分析了江蘇典型村鎮(zhèn)21場(chǎng)降雨事件下徑流中氮、磷濃度，發(fā)現(xiàn)溶解性氮和磷的事件平均質(zhì)量濃度(event mean concentration，EMC)分別為6.20 mg/L和0.23 mg/L。羅專溪等[7]對(duì)丘陵區(qū)農(nóng)村集鎮(zhèn)的降雨徑流污染物進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)TN、TP、CODCr、SS的EMC均值分別為25.52、3.63、714、2 396 mg/L。李青云[8]研究了北京兩個(gè)典型村鎮(zhèn)的10次集中降雨事件，發(fā)現(xiàn)地表降雨徑流初期沖刷效應(yīng)明顯，占總徑流量?jī)H30%的初期徑流中SS、CODCr、TN、TP占總污染環(huán)境負(fù)荷的比例可以高達(dá)40%～50%。Sansalone等[9]通過(guò)研究5次降雨事件中道路徑流污染特征，發(fā)現(xiàn)Zn、Cd和Cu主要以溶解形式存在，而Pb、Fe和Al主要以顆粒結(jié)合形式存在，且整場(chǎng)降雨80%的污染負(fù)荷主要集中在初期20%徑流中。降雨徑流的污染程度受降雨事件和下墊面類型影響較大[10-11]，大氣污染狀況、降雨特征、屋面材料、屋頂形式等因素對(duì)屋面徑流水質(zhì)均有較大影響[12]。胡明等[13]研究揭示了TP、氨氮、CODCr和TN均在初期降雨過(guò)程中濃度較大，且雨強(qiáng)、降雨量和雨前干期長(zhǎng)度等與排水口中的污染負(fù)荷指標(biāo)具有一定的相關(guān)性；F?rster[14]比較了5種不同屋面材料對(duì)降雨徑流污染的影響，發(fā)現(xiàn)顆粒態(tài)金屬物質(zhì)濃度初期沖刷在大部分降雨事件下表現(xiàn)明顯；Gnecco等[15]發(fā)現(xiàn)大部分降雨事件下均存在SS等顆粒污染物的初期沖刷現(xiàn)象，其程度與降雨時(shí)間、降雨強(qiáng)度、降雨量及前期晴天數(shù)等影響因素有一定的關(guān)系。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于農(nóng)村降雨徑流的研究主要集中于單一下墊面或單場(chǎng)降雨事件，對(duì)不同下墊面、不同降雨事件徑流污染規(guī)律及差異的關(guān)注較少，同時(shí)也缺乏對(duì)農(nóng)村降雨徑流污染控制技術(shù)的研究[16]。雨水滯留池是一項(xiàng)低影響開(kāi)發(fā)(low impact develop-ment，LID)的雨洪控制與雨水利用技術(shù)[17]，因其在處理徑流方面的生物生態(tài)作用越來(lái)越受到重視，已被廣泛運(yùn)用于解決城市洪水和雨水徑流污染[18]。作為一種低能耗的處理技術(shù)，雨水滯留池符合農(nóng)村污水治理“因地制宜”的原則，具備低運(yùn)行成本和高處理效能的特點(diǎn)，在控制農(nóng)村降雨徑流帶來(lái)的面源污染研究中具有極大應(yīng)用潛力[19]。

本文以南京高淳區(qū)固城鎮(zhèn)蔣山村農(nóng)家庭院為研究對(duì)象，監(jiān)測(cè)不同下墊面在不同降雨事件時(shí)地面徑流水質(zhì)，分析其隨徑流時(shí)間變化的規(guī)律，并構(gòu)建雨水滯留池，考察其對(duì)徑流的生態(tài)凈化效果，以期為農(nóng)村降雨徑流污染控制提供支撐。

1 研究?jī)?nèi)容及方法

1.1 降雨初期徑流污染特征研究

(1)采樣點(diǎn)布設(shè)

蔣山村位于南京市高淳區(qū)南端，西接固城湖，東至123省道，北鄰盛前村，全村總?cè)丝跒? 100人，年平均降雨量為1 106.5 mm，年平均溫度為15.9 ℃，村落結(jié)構(gòu)布局及研究區(qū)域如圖1所示。該村庭院地面多為水泥地，硬化率大于90%，庭院外設(shè)有排水明渠，房屋側(cè)面設(shè)雨落管接通溝渠，降雨徑流入滲地下或排入受納水體。在3月12日、5月23日和6月5日發(fā)生降雨時(shí)，采用YM-21型雨量計(jì)測(cè)定3場(chǎng)降雨事件的小時(shí)降雨量和累計(jì)降雨量，同時(shí)記錄降雨歷時(shí)及降雨參數(shù)，采集4種下墊面(菜地、道路、屋面和庭院地表)的徑流水樣，采樣點(diǎn)分別位于雨落管口、庭院地表排水管口、道路雨水聚集口和菜地排水溝(圖2)。同時(shí)監(jiān)測(cè)天然雨水水質(zhì)，為避免人為干擾，采樣點(diǎn)設(shè)在庭院最高建筑物屋頂。使用500 mL聚乙烯瓶人工采集設(shè)有雨落管或排水立管的屋面和庭院地表徑流，8000 D型水質(zhì)自動(dòng)采樣器(聚創(chuàng)環(huán)保有限公司，青島，內(nèi)配1 L聚乙烯瓶)采集道路及菜地徑流。

圖1 蔣山村結(jié)構(gòu)布局Fig.1 Structural Layout of Jiangshan Village

圖2 采樣點(diǎn)布設(shè)Fig.2 Sampling Points Layout

(2)采樣頻次

①天然雨水水樣：?jiǎn)螆?chǎng)降雨集中采集。②徑流水樣：歷時(shí)超過(guò)1 h的降雨事件，在徑流開(kāi)始的前30 min每5 min采樣一次，之后每10～20 min(依照雨勢(shì)調(diào)整)采樣一次，直至徑流量明顯減??；不足1 h的，從降雨發(fā)生至徑流結(jié)束(或徑流顯著減小)每5 min 采樣一次。單次降雨事件有效水樣不少于6個(gè)。

1.2 雨水滯留池凈化初期降雨徑流試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由配水桶、進(jìn)水蠕動(dòng)泵和雨水滯留池組成，雨水滯留池(圖3)為硬聚氯乙烯結(jié)構(gòu)，規(guī)格為2.0 m×0.4 m×1.1 m。由上至下的基質(zhì)配置：厚為0.05 m的樹(shù)皮層；厚為0.15 m的覆土，粒徑為5～15 mm；厚為0.2 m的礫石，粒徑為5～15 mm；厚為0.15 m的破碎加氣混凝土砌塊(以下簡(jiǎn)稱“加氣塊”)，粒徑為5～15 mm；厚為0.2 m的加氣塊，粒徑為20～40 mm；厚為0.25 m的礫石，粒徑為40～50 mm；種植蔣山村常見(jiàn)具備凈化能力的景觀植物為美人蕉16株、鳶尾24株和梔子花12株。

圖3 雨水滯留池剖面結(jié)構(gòu)及采樣點(diǎn)示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Section Structure and Sampling Point of Rainwater Retention Pond

(2)試驗(yàn)用水與試驗(yàn)方法

通過(guò)向自來(lái)水中添加葡萄糖、KH2PO4、NH4Cl和道路揚(yáng)塵配制試驗(yàn)用水模擬初期降雨徑流，水質(zhì)如表1所示。滯留池下向流連續(xù)進(jìn)水，控制水深為0.55 m，分別在進(jìn)水口、加氣塊中間層(距池底0.45 m)、出水口(距池底0.55 m)設(shè)置1#、2#、3#取樣口。在滯留池以0.18 m3/(m2·d)的負(fù)荷運(yùn)行2個(gè)月后，考察0.18、0.27、0.54 m3/(m2·d)3種水力負(fù)荷對(duì)滯留池凈化徑流污染的影響。調(diào)整水力負(fù)荷運(yùn)行一周后再取樣檢測(cè)，每個(gè)水力負(fù)荷下監(jiān)測(cè)3次，每次間隔時(shí)間2 d。

表1 不同水力負(fù)荷試驗(yàn)用水水質(zhì)Tab.1 Water Quality Used in Simulation Experiment

1.3 水質(zhì)分析方法

水樣采集后冷藏保存(0～4 ℃)，送回實(shí)驗(yàn)室后24 h內(nèi)完成指標(biāo)測(cè)定。分析指標(biāo)包括CODCr、SS、TN、TP和氨氮(以N計(jì))，測(cè)定方法均為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法，采用Origin 2018軟件對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖形繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 降雨結(jié)果

降雨事件相關(guān)參數(shù)如表2所示，小時(shí)降雨量和累計(jì)降雨量隨降雨歷時(shí)變化如圖4所示。5月23日和6月5日降雨事件前期雨強(qiáng)、最大雨強(qiáng)和累計(jì)降雨量均高于3月12日降雨事件，且三者中6月5日降雨事件前期晴天數(shù)長(zhǎng)達(dá)12 d，多于其余兩場(chǎng)降雨事件。

表2 降雨事件相關(guān)參數(shù)Tab.2 Parameters Related to Rainfall Events

圖4 3場(chǎng)降雨事件小時(shí)降雨量及累計(jì)降雨量隨降雨歷時(shí)變化Fig.4 Hourly Rainfall and Cumulative Rainfall Varied with the Duration of Rainfall

2.2 天然雨水水質(zhì)

天然雨水會(huì)淋溶空氣中污染物并攜帶進(jìn)入徑流，因此，需關(guān)注降雨的背景污染物濃度值。由表3可知，3次降雨雨水水質(zhì)與降雨量、降雨歷時(shí)、降雨之前的晴天數(shù)沒(méi)有顯著相關(guān)性，各水質(zhì)指標(biāo)之間也沒(méi)有相關(guān)性。雨水呈弱酸性，原因可能為空氣中酸性氣態(tài)污染物的溶入。3次降雨雨水中CODCr最高質(zhì)量濃度為14.92 mg/L，達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)I類標(biāo)準(zhǔn)，氨氮和TP達(dá)到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，TN最高質(zhì)量濃度為1.15 mg/L，達(dá)到Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，而SS未檢出。本試驗(yàn)中天然雨水污染物含量低，不是主要控制對(duì)象。

表3 天然雨水水質(zhì)Tab.3 Natural Rainwater Quality

2.3 降雨徑流水質(zhì)

4種下墊面徑流水質(zhì)如圖5所示。

屋面、庭院和道路由于是硬質(zhì)表面，開(kāi)始降雨即形成徑流[20]，而菜地由于初期雨水的下滲，降雨發(fā)生10 min后才開(kāi)始形成徑流[21]。屋面和庭院地表徑流初期沖刷作用顯著，各污染物指標(biāo)最高濃度出現(xiàn)在降雨持續(xù)時(shí)間的前10 min，其中TP、氨氮、SS和CODCr濃度在降雨約1 h后基本達(dá)到低穩(wěn)定值。村內(nèi)道路車流量小，地表殘留污染物很快被沖刷干凈，因此，TN、氨氮、TP和CODCr初期沖刷效應(yīng)在道路徑流中表現(xiàn)得較為顯著，這與高斌等[11]研究結(jié)論一致。各污染物指標(biāo)濃度峰值均出現(xiàn)在降雨開(kāi)始的前30 min，同時(shí)降雨發(fā)生約1 h后各污染物濃度也基本達(dá)到穩(wěn)定值，污染負(fù)荷主要集中于降雨發(fā)生的前0.5～1.0 h。相較其他3種下墊面，菜地由于土壤中的有機(jī)物、氮、磷持續(xù)釋放，導(dǎo)致降雨初期徑流污染物濃度變化不明顯；而由于沖刷效應(yīng)，SS在降雨發(fā)生后20～40 min達(dá)到最大，而后逐漸下降。作為污染程度最高的菜地，徑流各污染物濃度在6月5日要明顯高于其余兩場(chǎng)降雨事件，這是因?yàn)橐环矫嬖搱?chǎng)降雨事件前期晴天數(shù)要多于后兩者，更長(zhǎng)的晴天數(shù)會(huì)積累更多的下墊面污染物，另一方面其前期降雨強(qiáng)度更大，有利于沖刷效應(yīng)。屋面、庭院和道路則由于本身殘留污染物有限，因此，不同降雨事件間水質(zhì)差異表現(xiàn)不明顯。另外，3月12日庭院地表徑流中的TN、TP、氨氮及SS濃度均顯著高于另外兩場(chǎng)降雨，這是由于附近村民在該場(chǎng)降雨事件發(fā)生當(dāng)日曾在采樣地面傾倒垃圾，垃圾殘余物被雨水沖刷收集。前期雨強(qiáng)和前期晴天數(shù)對(duì)初期徑流水質(zhì)影響較大，不同下墊面水質(zhì)亦有一定差異，總體而言，屋面及道路徑流水質(zhì)狀況優(yōu)于庭院地表及菜地徑流，初期徑流中的氮、磷和SS為后續(xù)徑流控制主要研究污染物。

圖5 徑流水質(zhì)隨降雨歷時(shí)的變化Fig.5 Variation of Runoff Water Quality with Rainfall Time

綜上，降雨徑流表現(xiàn)出較強(qiáng)的初期污染規(guī)律，且前期降雨越強(qiáng)，前期晴天數(shù)越多，降雨徑流初期沖刷強(qiáng)度越大。因此，在源頭采取生態(tài)措施對(duì)降雨初期徑流進(jìn)行截流調(diào)蓄、處理凈化后再利用，是削減降雨面源污染的有效方案。

2.4 雨水滯留池凈化初期降雨徑流效果

不同進(jìn)水水力負(fù)荷時(shí)雨水滯留池進(jìn)出水水質(zhì)、污染物的去除效果和沿程去除規(guī)律分別如表4和圖6所示。

表4表明，雨水滯留池在3種水力負(fù)荷條件下對(duì)各污染物均有較高的去除率，說(shuō)明滯留池耐沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)，去除效果穩(wěn)定高效。隨著進(jìn)水水力負(fù)荷由0.18 m3/(m2·d)增大至0.27 m3/(m2·d)，除SS外，所有污染物去除率均降低；進(jìn)水水力負(fù)荷繼續(xù)增大至0.54 m3/(m2·d)，TN、氨氮和TP的去除率均輕微上升，CODCr去除率仍持續(xù)降低。由圖6可知，各污染物在2#取樣口均已達(dá)到較低的濃度，說(shuō)明污染物主要在雨水滯留池上層被去除。進(jìn)一步分析，試驗(yàn)期間裝置床體內(nèi)部孔隙率大且試驗(yàn)正式開(kāi)始前進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，植物已生長(zhǎng)成熟具備發(fā)達(dá)的根系，有利于污水中SS的吸附[15]，大孔隙率也促進(jìn)了SS等顆粒污染物的去除，因此，滯留池對(duì)SS始終保持著極高的去除率(>98%)。而溶解性有機(jī)物是一類易于被微生物利用的碳源，其降解去除主要依賴于系統(tǒng)內(nèi)微生物群落的同化及異化作用[18-19]，特別是好氧微生物的降解作用，是滯留池系統(tǒng)中去除有機(jī)物的最終手段[22]。進(jìn)水水力負(fù)荷增大，導(dǎo)致水力停留時(shí)間降低，滯留池內(nèi)有機(jī)物與系統(tǒng)內(nèi)部的填充基質(zhì)、植物根系及微生物接觸時(shí)間縮短，各種生化反應(yīng)及物化反應(yīng)均不能充分完成，不利于有機(jī)物尤其是氮、磷污染物的去除。本試驗(yàn)配制進(jìn)水中氨氮是氮素的主要組成部分，因此，TN和氨氮去除規(guī)律基本保持一致，而氨氮的去除途徑包括本身的揮發(fā)作用、植物生長(zhǎng)的吸收和多孔基質(zhì)的交換吸附、過(guò)濾、沉淀等作用以及滯留池中好、厭氧微生物的硝化、反硝化反應(yīng)等[23]。隨著水力負(fù)荷增大，TN和氨氮去除率逐漸降低，一方面也是因?yàn)樗ω?fù)荷增大不利于微生物作用，另一方面根據(jù)此前的研究，本試驗(yàn)裝置所用加氣混凝土塊相較于普通礫石對(duì)氨氮和磷，具有更高的理論飽和吸附容量[24-25]，即使水力負(fù)荷增大有可能導(dǎo)致基質(zhì)中污染物的“釋放”，但仍然對(duì)氨氮的吸收做出不可忽視的貢獻(xiàn)，這也是導(dǎo)致TN和氨氮去除率即使在較大水力負(fù)荷條件下也能保持較高的重要原因，繼而也說(shuō)明本試驗(yàn)設(shè)置水力負(fù)荷尚未達(dá)到滯留池的耐負(fù)荷能力上限。磷的去除途徑包括植物吸收、物化作用等，研究[21,24-26]表明，基質(zhì)作為雨水滯留池的重要組成部分，對(duì)磷的去除發(fā)揮著關(guān)鍵作用，加氣塊能在水中釋放Ca2+，堿性條件下與污水中的磷形成溶解度較小的羥基磷灰石并通過(guò)物化吸附過(guò)濾去除，且pH越高，加氣混凝土塊去除磷作用越強(qiáng)。試驗(yàn)裝置內(nèi)部呈堿性，沿程pH變化如圖6(f)所示，變化規(guī)律恰好與磷濃度相一致，即2#取樣口TP濃度略低于出水口TP濃度，符合此前的研究結(jié)論，表明將加氣塊運(yùn)用到雨水滯留池中一樣有很好的除磷效果。

表4 不同水力負(fù)荷條件下雨水滯留池凈化效果Tab.4 Purification Efficiency of Rainwater Retention Pond under Different Hydraulic Loads

3 結(jié)論

(1)3場(chǎng)降雨事件中，天然雨水水質(zhì)均良好，不是主要污染控制對(duì)象。

(2)南京市高淳區(qū)蔣山村4種下墊面徑流水質(zhì)污染特征存在一定差異：屋面、庭院地表、道路徑流初期沖刷效應(yīng)明顯，強(qiáng)度與初期雨強(qiáng)及前期晴天數(shù)有關(guān)，污染負(fù)荷主要集中在降雨發(fā)生的前0.5～1.0 h；菜地和庭院地表徑流污染程度較重，其中SS、TN和TP為徑流主要污染物。

(3)填充加氣混凝土塊的雨水滯留池受水力負(fù)荷影響較小，具有高效穩(wěn)定的污染物去除效果，可有效應(yīng)對(duì)大、小降雨事件，凈化農(nóng)村初期徑流，緩解農(nóng)村面源污染；沿程水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，污染物主要在滯留層上層被去除。