李松波，向美洲，陳前虎

（浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，杭州310014）

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，不透水地面面積迅速增加，形成了不同于自然地表的“城市第二自然格局”［1］。這種土地利用方式的變化，不僅改變了自然景觀格局，而且影響了景觀中的物質(zhì)循環(huán)和能量交換，對(duì)區(qū)域氣候、水量、水質(zhì)、土壤和生物多樣性造成了巨大影響，也極大地改變了地表的水文特征及水流的方向和速率。在雨量較多的季節(jié)，迅速形成的地表徑流沖刷并挾帶著大量的污染物質(zhì)進(jìn)入地表水體，形成了典型的非點(diǎn)源污染。由此可見(jiàn)，土地利用方式的變化已成為目前非點(diǎn)源污染惡化的重要因素，美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（USEPA）已把城市地表徑流列為導(dǎo)致全美河流和湖泊污染的第三大污染源［2］。同時(shí)，城市土地利用方式也影響到地表污染物的負(fù)荷狀況，城區(qū)地面已成為非點(diǎn)源污染的重要污染來(lái)源。因此，土地利用方式的變化不僅影響區(qū)域水環(huán)境，也成為控制城市非點(diǎn)源污染的關(guān)鍵。

國(guó)外對(duì)城市降雨徑流污染及其控制的研究在20世紀(jì)70年代就取得了很大的進(jìn)展。Sartor和Boyd的研究結(jié)果表明：城市雨水徑流中固體懸浮物、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、重金屬等污染物的質(zhì)量濃度／負(fù)荷要遠(yuǎn)高于未利用土地和鄉(xiāng)村徑流中的污染物質(zhì)量濃度［3］；眾多學(xué)者認(rèn)識(shí)到研究非點(diǎn)源污染物累積和沖刷規(guī)律的必要性，并已經(jīng)在污染物的時(shí)空分布、初始沖刷效應(yīng)、不透水地面對(duì)流域水質(zhì)影響和地表徑流管理控制研究等方面取得了相應(yīng)的成果［4］。國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)很多城市的降雨徑流過(guò)程進(jìn)行了污染物質(zhì)量濃度／負(fù)荷變化規(guī)律、污染物遷移過(guò)程、水環(huán)境質(zhì)量特征、雨水徑流模型及控制預(yù)防措施等方面的研究［5-8］。

杭州作為國(guó)際風(fēng)景旅游城市，隨著城市化進(jìn)程的加快及城市“退二進(jìn)三”的功能轉(zhuǎn)型，由土地利用方式變化引起的非點(diǎn)源污染逐漸成為水體污染的主要來(lái)源。為此，深入探討降雨徑流污染特征、不同城市土地利用類型與地表雨水水質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系，對(duì)于控制與管理非點(diǎn)源污染，保持城市景觀水體良好具有重要意義。本研究根據(jù)杭州市城區(qū)土地利用狀況，將研究區(qū)域分為交通區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)、居民區(qū)，經(jīng)過(guò)兩年的雨水徑流監(jiān)測(cè)，總結(jié)出不同土地利用類型地表徑流水質(zhì)的出流規(guī)律，并引用國(guó)外研究中通用的降雨場(chǎng)次污染物質(zhì)量濃度（EMC），對(duì)降雨徑流污染的時(shí)空分布特征進(jìn)行了定量分析。

1 研究地區(qū)與方法

1.1 研究區(qū)域概況及降雨特征

杭州是典型的平原河網(wǎng)城市，屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，雨量充沛，平均年降雨量為1 454.6mm，70%的雨量集中在4-9月的汛期。市內(nèi)土地利用類型主要有交通區(qū)、商業(yè)區(qū)、居民區(qū)和工業(yè)區(qū)。交通區(qū)選擇路面寬、車(chē)流量大的交通干線，其路面沉積物與交通流量、車(chē)輛交通行為等因素有關(guān)，以文二路與湖墅南路口附近區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)域；商業(yè)區(qū)是商業(yè)貿(mào)易活動(dòng)集中的場(chǎng)所，車(chē)流量和人流量大，以武林廣場(chǎng)作為研究區(qū)域；居民區(qū)選取大關(guān)南苑居住區(qū)，毗鄰城市交通主干道；工業(yè)區(qū)是由不同類型的工業(yè)廠區(qū)密集而成，選取長(zhǎng)浜工業(yè)園為研究區(qū)域。研究區(qū)域位置及環(huán)境特征見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)域的位置及環(huán)境特征Table 1 Locations and characteristics of sampling sites in different function areas

1.2 樣品采集與測(cè)定

降雨徑流采樣點(diǎn)均設(shè)于道路雨水口，每個(gè)區(qū)設(shè)有4個(gè)取水點(diǎn)（圖1），當(dāng)降雨量達(dá)到0.5mm后，開(kāi)始形成地表徑流，用2L聚乙烯瓶采集徑流水樣，時(shí)間間隔為5min，在取樣的同時(shí)，結(jié)合自動(dòng)雨量計(jì)同步記錄降雨強(qiáng)度。樣品采集后，在規(guī)定的24h保存時(shí)間內(nèi)對(duì)樣品進(jìn)行水質(zhì)分析。測(cè)定方法：SS采用重量法，COD采用重鉻酸鹽法，氨氮（NH3—N）采用納氏試劑光度法，總磷（TP）采用鉬酸銨分光光度法。

圖1 杭州市城區(qū)降雨徑流取水點(diǎn)位置Fig.1 Skatch map of sampling sites in Hangzhou city

2 結(jié)果與分析

2.1 典型降雨徑流污染物變化規(guī)律

杭州市以中雨降雨強(qiáng)度為主，在對(duì)多次降雨事件樣品進(jìn)行收集和分析的基礎(chǔ)上，從中選取了2011年9年29日中雨降雨過(guò)程作為典型事件，其降雨量為13.9mm，平均及最大雨強(qiáng)分別為0.93mm／10min和1.9mm／10min（圖2），前期晴天時(shí)間為4d。本研究給出了在不同土地利用類型下，地表徑流中SS、CODCr、氨氮和總磷（TP）質(zhì)量濃度隨降雨時(shí)間的變化過(guò)程，如圖3所示。

污染物的沖刷是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，受降雨特征、土地利用狀況和周邊環(huán)境等多種因素的影響。土地利用類型和降雨前期晴天時(shí)間長(zhǎng)短不同決定了污染物的初始含量，而降雨強(qiáng)度對(duì)沖刷過(guò)程的影響較大。此次降雨為典型的中雨過(guò)程，且初期降雨強(qiáng)度較大，污染物質(zhì)量濃度表現(xiàn)為急劇上升，在降雨5～20min處于較高值，之后隨著降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)逐漸下降并趨于平緩，期間隨著降雨強(qiáng)度的增大而有小幅上升。在不同土地利用類型下，所產(chǎn)生的地表徑流污染物質(zhì)量濃度的變化過(guò)程基本一致，在整個(gè)徑流污染過(guò)程中，整體表現(xiàn)為初期徑流中污染物質(zhì)量濃度高于后期徑流中污染物質(zhì)量濃度，具有明顯的初期沖刷效應(yīng)。

圖2 典型降雨事件降雨強(qiáng)度隨時(shí)間的變化Fig.2 Variation of rainfall intensity with time

圖3 徑流污染物質(zhì)量濃度隨降雨過(guò)程的時(shí)間變化Fig.3 Temporal variation of pollutants in different function areas

由于前期晴天天數(shù)較多，使得不同土地利用方式下初期污染物質(zhì)量濃度都比較高，其中交通區(qū)污染物質(zhì)量濃度最高，SS、COD、NH3—N、TP分別達(dá)到821、493、3.13、1.66mg／L，均超過(guò)典型生活污水標(biāo)準(zhǔn)。這是由于道路徑流水質(zhì)主要取決于路面污染狀況，各種污染物是其最直接的污染原因，隨機(jī)性和變化幅度很大，在整個(gè)降雨過(guò)程中污染物質(zhì)量濃度都比較高，說(shuō)明交通區(qū)是污染比較嚴(yán)重的區(qū)域；商業(yè)區(qū)是人流密集的區(qū)域，商業(yè)活動(dòng)頻繁，道路旁多為商鋪和餐飲店，廢棄物污染情況嚴(yán)重，SS、COD、NH3—N、TP分別達(dá)到593、362、4.26、1.33mg／L；居民區(qū)內(nèi)綠化程度較高，其清潔狀況相對(duì)較好，徑流污染物質(zhì)量濃度降低最快，在30min后污染物達(dá)到較低水平并處于平衡狀態(tài)；工業(yè)區(qū)生產(chǎn)活動(dòng)頻繁，人員活動(dòng)情況復(fù)雜，產(chǎn)生污染物的區(qū)域廣，總量大，成分較為復(fù)雜，與生產(chǎn)性質(zhì)聯(lián)系緊密。從時(shí)間上看，污染物排放具有間歇性，污染物平時(shí)積累，降雨后集中沖刷，初期污染物質(zhì)量濃度很高，SS、COD、NH3—N、TP分別達(dá)到734、391、2.05、1.21mg／L，也超過(guò)了典型生活污水標(biāo)準(zhǔn)。不同土地利用方式對(duì)降雨徑流的污染程度和污染物質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化有顯著影響。

2.2 典型降雨EMC分析

在降雨形成的地表徑流中，污染物質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化比較大，因此，需要對(duì)一場(chǎng)降雨徑流的污染程度做出總體評(píng)價(jià)。美國(guó)環(huán)境保擴(kuò)署于1979—1983年間設(shè)立了國(guó)家城市徑流項(xiàng)目（NURP），其中將降雨徑流事件平均質(zhì)量濃度（event mean concent ration，EMC）用來(lái)表示在一場(chǎng)降雨徑流全過(guò)程排放中某污染物的平均質(zhì)量濃度。EMC實(shí)質(zhì)上是一場(chǎng)降雨徑流全過(guò)程樣品污染質(zhì)量濃度的流量加權(quán)平均值，其計(jì)算公式為：

式中，CEM—EMC，mg／L；M— 污染物的質(zhì)量，mg；V— 徑流體積，L；C（t）— 徑流期間隨時(shí)間t變化的污染物質(zhì)量濃度，mg／L；Q（t）—徑流期間隨時(shí)間t變化的地表徑流量，L／min；T— 總的徑流時(shí)間，min。

在實(shí)際采樣過(guò)程中，很難獲得每個(gè)時(shí)刻的徑流量，因此，只記錄降雨開(kāi)始和地表徑流形成的時(shí)間，可以消除兩者之間的時(shí)間差異。此外，在研究區(qū)域中，不透水地面面積所占比例很大，因此，可以忽略采樣期間地表徑流的蒸發(fā)量和入滲量，在扣除徑流形成的時(shí)間后，以降雨量代替地表徑流量計(jì)算徑流污染物的EMC值。表2給出了杭州市城區(qū)不同土地利用類型中地表徑流污染物的EMC值。

表2 杭州不同土地利用類型地表徑流污染物EMCTable 2 Event mean concentration of surface runoff in different function areas of Hangzhou

通過(guò)比較可知，杭州中心城區(qū)路面徑流主要污染物為SS和COD，徑流水質(zhì)劣于國(guó)家地表水Ⅴ類水質(zhì)，其中SS質(zhì)量濃度高出Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)1.43～2.55倍，COD質(zhì)量濃度高出Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)2.71～8.73倍，TP超出Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)兩倍以上，NH3—N也有不同程度的污染。與表3［9-14］中美國(guó)雙子城和法國(guó)巴黎相比較，杭州市城區(qū)降雨徑流污染程度明顯高于歐美國(guó)家的城市，但是比韓國(guó)青州市徑流水質(zhì)污染程度低很多；與國(guó)內(nèi)城市相比較，杭州市城區(qū)降雨徑流污染程度比上海、廣州等城市輕很多，和蘇州市比較接近。污染物在不同土地利用類型中顯示出較為相似的分布特征，交通區(qū)的污染程度明顯高于其他區(qū)域，其次為工業(yè)區(qū)和商業(yè)區(qū)，居民區(qū)污染物質(zhì)量濃度值最低，這與圖3結(jié)果相一致。由此可見(jiàn)，杭州城區(qū)地表降雨徑流污染較為嚴(yán)重，面源污染已成為水體重要的污染源。

表3 國(guó)內(nèi)外部分城市降雨事件地表徑流EMC Table 3 EMCs of surface runoff monitoredin domestic and foreign

2.3 典型降雨地表徑流污染負(fù)荷

城市降雨徑流污染負(fù)荷是指由一場(chǎng)降雨或一年中的多場(chǎng)降雨所引起地表徑流排放的污染物總量。污染負(fù)荷量是水質(zhì)評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)和水污染控制的重要指標(biāo)。

式（1）中：L—單位面積排水區(qū)域的年污染負(fù)荷量，kg／a；α— 徑流修正系數(shù)，一般取0.9；φ— 排水區(qū)域綜合徑流系數(shù)；p— 年降雨量，mm／a；A— 單位排水面積，1hm2；c— 污染物的EMC，mg／L。

在該研究中，徑流修正系數(shù)α是產(chǎn)生徑流的降雨事件占總降雨事件的比例，用于雨量較小不產(chǎn)生徑流的降雨的修正；研究區(qū)域內(nèi)基本為非滲透性地面，交通區(qū)的地表綜合徑流系數(shù)為0.85，商業(yè)區(qū)的為0.75，居民區(qū)的為0.70，工業(yè)區(qū)的為0.85，杭州市年平均降雨量為1 454.6mm／a，依據(jù)公式（1）和表2中污染物的平均質(zhì)量濃度，計(jì)算不同土地利

用類型地表徑流的年污染負(fù)荷，結(jié)果如表4所示。

由表4可以看出，杭州城區(qū)降雨徑流水質(zhì)污染比較嚴(yán)重，主要污染物為SS、COD、NH3—N、TP，其污染負(fù)荷量分別為2 577～5 593、979～3 831、14.74～30.12、5.15～11.75kg／（hm2·a），污染物負(fù)荷量比較高。這些污染物匯集到受納水體后，將對(duì)受納水體水質(zhì)造成非常嚴(yán)重的污染。其中當(dāng)大量的氮、磷污染物排入水體后，很容易引起藻類爆發(fā)。2004年錢(qián)塘江水系中富春江水庫(kù)和富陽(yáng)新化埠首次出現(xiàn)藻類大規(guī)模爆發(fā)現(xiàn)象，說(shuō)明錢(qián)塘江水系污染已經(jīng)十分嚴(yán)重，杭州對(duì)其也有一定的影響。與國(guó)外研究結(jié)果相比，杭州市降雨徑流水質(zhì)污染比較嚴(yán)重，各種污染物質(zhì)量濃度和徑流負(fù)荷均高于美國(guó)NURP的研究成果；就COD徑流負(fù)荷而言，大大高于德國(guó)所采用的600kg／（hm2·a）的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但基本在法國(guó)QASTOR數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)論的范圍內(nèi)，這與杭州市人口密度高、外來(lái)旅客人流密集和城市環(huán)境衛(wèi)生管理水平有很大的關(guān)系。此外，對(duì)不同土地利用類型地表徑流污染負(fù)荷進(jìn)行比較，結(jié)果表明：交通區(qū)地表徑流輸出污染物量占總量的36.1%，商業(yè)區(qū)占21.01%，居民區(qū)占13.65%，工業(yè)區(qū)占29.24%，交通區(qū)地表徑流輸出污染物量最大，其次是工業(yè)區(qū)。由此可見(jiàn)，加強(qiáng)對(duì)交通區(qū)和工業(yè)區(qū)的地表徑流污染防治，對(duì)于杭州市治理地表水體的污染、降低錢(qián)塘江水系污染程度及解決水資源短缺問(wèn)題具有重要意義。

表4 不同土地利用類型地表徑流年負(fù)荷Table 4 Annual loads of surface runoff in different function areas

3 結(jié) 語(yǔ)

杭州市城區(qū)主要污染物為SS和COD，其EMC質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果比北京、上海、廣州等城市要低，與蘇州市相近，但均高于國(guó)家Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，TP超出Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)2倍以上，也有不同程度的NH3—N污染。城區(qū)單位面積排水區(qū)域SS、COD、NH3—N、TP年污染負(fù)荷量分別為2 577～5 593、979～3 831、14.74～30.12、5.15～11.75kg／（hm2·a），對(duì)錢(qián)塘江水系造成了較大污染，監(jiān)測(cè)結(jié)果也遠(yuǎn)高于美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家城市。

杭州市城區(qū)地表徑流污染物質(zhì)量濃度大多在徑流初期5～20min處于較高值，隨著降雨歷時(shí)的延續(xù)，污染物質(zhì)量濃度呈波浪狀降低，直至趨于平穩(wěn)，具有明顯的初期沖刷效應(yīng)。

杭州市城區(qū)地表徑流污染物年污染負(fù)荷量在不同用地類型之間有很大的差別，由高到低的順序?yàn)椋航煌▍^(qū)、工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)、居民區(qū)，為改善城市的生態(tài)環(huán)境，加快城市“退二進(jìn)三”的功能轉(zhuǎn)型，減小非點(diǎn)源污染對(duì)整個(gè)城市水環(huán)境的影響，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)交通區(qū)和工業(yè)區(qū)的污染治理，通過(guò)對(duì)城市不同土地利用類型中污染物負(fù)荷量的系統(tǒng)研究，為杭州市未來(lái)的城區(qū)規(guī)劃提供可靠依據(jù)。

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