合肥市不同下墊面降雨徑流水質(zhì)特征分析

謝繼鋒,胡志新,2*,徐 挺,,韓紅艷,尹大強(qiáng) (.安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 2060；2.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 20046；.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200092)

合肥市不同下墊面降雨徑流水質(zhì)特征分析

謝繼鋒1,胡志新1,2*,徐 挺1,3,韓紅艷1,尹大強(qiáng)3(1.安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230601；2.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210046；3.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200092)

通過對(duì)合肥市4種不同類型下墊面27場(chǎng)降雨徑流和自然降雨水樣中SS、COD、TN和TP水質(zhì)指標(biāo)的分析,探討了草地、屋面、校內(nèi)路面和校外道路降雨徑流污染物歷時(shí)變化規(guī)律及初期沖刷效應(yīng),比較了不同類型下墊面降雨徑流和自然降雨水樣中污染物濃度分布的差異,計(jì)算了場(chǎng)次降雨徑流污染物的事件平均濃度.結(jié)果表明,不同下墊面降雨徑流污染物濃度隨時(shí)間變化的規(guī)律相似,且大多存在初期沖刷現(xiàn)象,一般在降雨初期污染物濃度較高,隨著降雨歷時(shí)的延長污染物濃度呈下降趨勢(shì),并趨于平穩(wěn);不同下墊面降雨徑流和自然降雨水樣中TN污染負(fù)荷較高,大氣濕沉降對(duì)降雨徑流中TN的貢獻(xiàn)很大;校外道路降雨徑流水樣中SS、COD、TN和TP濃度的變化范圍冬半年大于夏半年,不同下墊面條件對(duì)降雨徑流中污染物EMC的影響存在差異.

不同下墊面；降雨徑流；水質(zhì)；合肥市

城市降雨徑流污染是指在降雨過程中雨水及其形成的徑流流經(jīng)城市地面,聚集的污染物質(zhì)通過排水系統(tǒng)直接排入水體而造成的水體非點(diǎn)源污染.影響城市地表徑流污染的因素包括:區(qū)域氣候、降雨特征、城市土地利用類型、大氣污染狀況、地表清掃情況、下水道狀況等[1].城市降雨徑流中攜帶的大量污染物進(jìn)入受納水體,造成受納水體水質(zhì)下降,城市水環(huán)境和水平衡受到破壞.對(duì)于水資源短缺,降水時(shí)空分布不均的地區(qū),城市雨水資源化利用是改善城市生態(tài)環(huán)境的有效措施,但雨水,尤其是初期雨水徑流中污染物濃度較高,增大了雨水資源化利用的難度.

城市降雨徑流污染問題的研究始于20世紀(jì)70年代初期的美國,后來法國、德國、澳大利亞和日本等發(fā)達(dá)國家也根據(jù)本國降雨徑流的實(shí)際情況開展了相關(guān)研究,主要的研究內(nèi)容包括降雨場(chǎng)次污染物平均濃度(EMC)、初期沖刷效應(yīng)(FFE)、不同下墊面地表徑流污染特征影響因素以及控制城市徑流污染的“最佳管理措施(BMPs)”方案等[2-5].我國這方面的研究起步較晚,目前已在北京、上海、武漢、廣州、澳門、鎮(zhèn)江、南昌和鄭州[6-13]等城市展開了降雨徑流污染的研究,但研究仍處于零散狀態(tài),時(shí)空連續(xù)性和系統(tǒng)性較差[14].本研究以合肥市安徽大學(xué)磬苑校區(qū)校園內(nèi)及其附近4種不同類型下墊面(草地、屋面、校內(nèi)路面、校外道路)降雨徑流為對(duì)象,進(jìn)行為期一年的連續(xù)監(jiān)測(cè),分析不同類型下墊面降雨徑流污染的主要特征及其差異,為合理開展城市徑流面源污染控制和有效利用城區(qū)雨水資源提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況和降水特征

合肥市地處長江和淮河之間、巢湖之濱,屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候,四季分明,雨量適中,夏季炎熱多雨,冬季寒冷干燥;多年年平均降水量約為1000mm,降雨多集中在 6～8月份,約占全年降水量的 41%,冬季降水較少,僅占降水量的 11%;多年年平均氣溫為 15.7℃,1月份最低平均氣溫為7.7℃,7月份最高平均氣溫為28.9℃[15].

從2009年10月起到2010年9月,監(jiān)測(cè)到合肥市有 27場(chǎng)有效降水(有效降水指降水量大于3mm,可形成徑流),有效降水量(降雪以積雪融化后水量計(jì))1330.5mm,場(chǎng)均降水量(45.9±34.5)mm;冬半年(2009年10月～2010年3月)有11場(chǎng)有效降水,有效降水量共 332.2mm,占全年降水量25.0%,場(chǎng)均降水量(27.7±16.0)mm;夏半年(2010年4月～2010年9月)有16場(chǎng)有效降雨,有效降雨量共998.3mm,占全年降水量75.0%,場(chǎng)均降水量(58.7±38.6)mm.

由于降雨的隨機(jī)性很大,全面監(jiān)測(cè)不同類型下墊面全年降雨情況受很多因素限制,特別是降雨開始時(shí)間難以預(yù)知,有些場(chǎng)次沒有采集到初期降雨徑流或者沒有采集校外道路、草地的徑流水樣,27場(chǎng)有效降水中采樣較完整的有9場(chǎng)(表1).

表1 監(jiān)測(cè)降雨事件的降雨特征Table 1 Characteristics of the monitoring rainfalls

1.2 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)和采樣方法

采樣區(qū)選擇在合肥市安徽大學(xué)磬苑校區(qū)校園內(nèi)及其附近.安徽大學(xué)磬苑校區(qū)位于合肥大學(xué)城的中西部,翡翠路以北,九龍路和湯口路以東,容城路以南,翡翠湖環(huán)湖西路以西,東側(cè)毗鄰翡翠湖公園景區(qū).4個(gè)采樣點(diǎn)選定在安徽大學(xué)磬苑校區(qū)篤行北樓屋面、篤行北樓門前校內(nèi)路面、南校門前校外道路和行政樓南側(cè)草地.篤行北樓屋面為水泥面,采樣點(diǎn)集流面積 274m2;篤行北樓門前校內(nèi)路面采樣點(diǎn)集流面積共計(jì) 578m2,其中水泥行車路面142.4m2,渣磚人行道435.5m2,與圖書館、博學(xué)北樓相鄰,以人流為主,車流量較少;南校門外道路采樣點(diǎn)集流面積共計(jì) 829m2,其中瀝青路面512m2,路邊花壇128m2,渣磚人行道188.8m2,行人較少,車流量較大,平均每天通行大型貨車和客車1228輛,中型貨車和客車1906輛,小型轎車2541輛,摩托車551輛,共計(jì)6226輛;草地所在區(qū)域車流量、人流量均很少,采樣點(diǎn)集流面積1189m2.

2009年10月～2010年9月,每逢降水并形成徑流,在4個(gè)采樣點(diǎn)徑流匯集處采集水樣,用容積法監(jiān)測(cè)徑流量.在篤行北樓屋面安裝LQX-YQ型雨量器,同步監(jiān)測(cè)降雨特征,雨量器儲(chǔ)水瓶中的雨水用作自然降雨水樣.對(duì)有效降雨,具體采樣時(shí)間為:屋面、校內(nèi)路面、校外道路和草地產(chǎn)生明顯徑流開始,分別在 0,10,20,40,60,90,120,l80, 240min時(shí),用1L聚乙烯瓶各取1次水樣,水樣的采集方法遵守《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》[16].其中草地產(chǎn)生明顯徑流的開始時(shí)間滯后,但降雨停止后徑流可能會(huì)持續(xù)一段時(shí)間.如果降雨暫?；蛩纬傻膹搅骱苄《y以收集水樣,則采樣暫停,待降雨及其形成的徑流增大再繼續(xù)采樣.降雨暫?；蛩纬傻膹搅骱苄〉臅r(shí)間不計(jì)入降雨產(chǎn)流時(shí)間,在取樣時(shí)間累計(jì)時(shí)將這段時(shí)間扣除.如果降雨及其形成徑流結(jié)束,且 2d之內(nèi)不再降雨,則本次降雨事件采樣結(jié)束.

1.3 樣品分析方法

徑流水樣及時(shí)送至實(shí)驗(yàn)室冷藏,并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)分析.懸浮物(SS)采用重量法測(cè)定,化學(xué)需氧量(COD)采用重鉻酸鉀法測(cè)定,總氮(TN)采用堿性過硫酸鉀氧化紫外分光光度法測(cè)定,總磷(TP)采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定[17-18].

1.4 水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

本研究主要參照地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[19]和污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)[20]對(duì)不同類型下墊面(草地、屋面、校內(nèi)路面、校外道路)降雨徑流和自然降雨水樣中污染物進(jìn)行評(píng)價(jià)(表2).

表2 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Quality standard of surface water and emission standard of sewage

2 結(jié)果與討論

2.1 降雨徑流污染物輸出特征

受降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、前期晴天數(shù)、下墊面性質(zhì)和污染物類型等因素的影響,單次降雨徑流中各項(xiàng)污染物濃度差異較大.根據(jù) 2009年 10月～2010年9月27場(chǎng)有效降水事件的監(jiān)測(cè)結(jié)果,對(duì)4種不同類型下墊面(草地、屋面、校內(nèi)路面、校外道路)降雨徑流和自然降雨水樣中 SS、COD、TN和TP 4個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的濃度變化進(jìn)行分析,得到降雨徑流事件各污染物平均濃度歷時(shí)變化過程圖(圖 1).結(jié)果表明,不同下墊面條件對(duì)同一種污染物的貢獻(xiàn)率存在差異,但污染物濃度隨時(shí)間變化的規(guī)律相似,一般在降雨初期污染物濃度較高,由于沖刷效應(yīng)[21],隨著降雨歷時(shí)的延長,污染物濃度呈下降趨勢(shì),降雨徑流形成前20min內(nèi)各污染物濃度下降較為明顯,90min以后趨于平穩(wěn).

不同下墊面條件對(duì)降雨徑流中污染物濃度有直接影響.草地降雨徑流SS、COD、TN平均濃度一般低于相應(yīng)時(shí)間校外道路、校內(nèi)路面和屋面降雨徑流的平均值,這說明草地對(duì)這些污染物有削減的作用.校外道路降雨徑流中SS、COD、TP濃度明顯高于草地、屋面和校內(nèi)路面.這是因?yàn)樾Ｍ獾缆肥苋藶榛顒?dòng)直接干擾大,汽車和行人等產(chǎn)生大量污染物堆積在道路上,降雨時(shí)形成降雨徑流污染.降雨初期,校外道路降雨徑流中SS、COD濃度的平均值高達(dá)584.65、163.45mg/L,超出城鎮(zhèn)二級(jí)污水處理廠二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn);TP濃度的平均值高達(dá) 1.100mg/L,超出地表水Ⅴ類要求的限值和污水綜合排放三級(jí)標(biāo)準(zhǔn).

從TN濃度來看,4種不同類型下墊面徑流事件平均濃度變化過程線差異不明顯.自然降雨水樣中TN濃度平均值為(4.631±3.614)mg/L,校外道路、校內(nèi)路面、屋面、草地降雨徑流TN污染負(fù)荷較高,均超出地表水Ⅴ類要求的限值.這表明合肥地區(qū)大氣濕沉降對(duì)降雨徑流中 TN的貢獻(xiàn)很大.于軍亭等[22]2007年對(duì)濟(jì)南城區(qū)屋面和路面降雨徑流污染物研究中,TN的平均濃度為 3.42～5.27mg/L;夏宏生等[9]2008～2009年對(duì)廣州市城區(qū)降雨徑流污染物監(jiān)測(cè)中,屋頂和路面降雨徑流 TN 的平均值分別為 8.54, 11.74mg/L,變化范圍分別為1.65～25.7和4.52～29.82mg/L;張德剛等[23]2007年7～8月份對(duì)滇池流域降雨徑流污染物監(jiān)測(cè)中,居民生活區(qū)、居民生活-集市區(qū)和屋面徑流 TN的平均值分別為(6.37±4.14),(15.36±7.73),(2.09±0.06) mg/L.降雨淋洗大氣中的 NH4+-N可能是降雨徑流中 TN的主要來源,降雨徑流中的TN污染應(yīng)引起有關(guān)部門的高度重視.

圖1 徑流事件各種污染物平均濃度隨徑流形成時(shí)間的變化Fig.1 Variations of the contaminants concentration

與屋面和校內(nèi)路面相比,草地及校外道路降雨徑流TP平均濃度較高.校外道路(含路邊花壇)和草地降雨徑流中 TP值較大,可能與合肥地區(qū)高磷含量的土壤[24]被沖刷有關(guān).降雨徑流中 TN的含量較大,且巢湖流域土壤磷含量較高,不利于巢湖水體富營養(yǎng)化控制.

評(píng)價(jià)是否存在初期沖刷現(xiàn)象,通常借助場(chǎng)次降雨累積污染物總量與累積徑流總量之比的曲線.本研究采用Geiger[25]的定義,根據(jù)降雨量和平均降雨強(qiáng)度的大小從采樣較為完整的 9場(chǎng)有效降水事件中選3場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制M(V)曲線,結(jié)果如圖2所示.可以看出,不同類型下墊面降雨徑流中各類污染物大多存在初期沖刷現(xiàn)象,但又表現(xiàn)出徑流排污規(guī)律的復(fù)雜性和不確定性[26].降雨較大時(shí)屋面徑流的初期沖刷現(xiàn)象最明顯,校內(nèi)路面和校外道路可能與人為清掃等活動(dòng)干擾有關(guān),草地降雨徑流形成一段時(shí)間后才可能出現(xiàn)初期沖刷效應(yīng);TN初期沖刷效應(yīng)不顯著,這與董欣等[14]研究結(jié)果一致.

2.2 降雨徑流污染物濃度分布差異

各場(chǎng)次降雨事件自身特征的不確定性和差異性導(dǎo)致了不同類型下墊面降雨徑流污染物濃度變化幅度較大.通過分析4種不同類型下墊面降雨徑流和自然降雨水樣中污染物SS、COD、TN和TP瞬時(shí)濃度分布的時(shí)空差異,統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見圖3.

校外道路降雨徑流水樣中SS濃度變化范圍最大,校內(nèi)路面次之,屋面、草地和自然降雨較小.一般來說,不同類型下墊面降雨徑流水樣中 SS濃度的變化范圍冬半年大于夏半年.校外道路降雨徑流和自然降雨水樣中COD濃度分布范圍差異較大,校外道路降雨徑流水樣中 COD濃度值夏半年集中分布在中值附近,自然降雨水樣中COD濃度變化范圍冬半年大于夏半年.夏半年校內(nèi)路面和校外道路降雨徑流水樣中COD平均值約為冬半年平均值的 1/3,差異明顯,這表明夏半年降雨稀釋作用明顯(夏半年降雨量占全年降水 量75.0%).

圖2 3場(chǎng)降雨徑流污染物初期沖刷效應(yīng)分析Fig.2 First flush effects of runoff in 3 rainfall events

校外道路降雨徑流水樣中TN濃度的變化范圍冬半年大于夏半年,屋面、校內(nèi)路面降雨徑流和自然降雨水樣中 TN濃度的變化范圍夏半年大于冬半年.這種差異可能是因?yàn)榻涤炅芟创髿庵械腘H4+-N占降雨徑流TN的主要部分,但降雨量的不同又導(dǎo)致降雨對(duì)徑流水樣中 TN的稀釋效果有所差異.4種不同類型下墊面降雨徑流和自然降雨水樣中TN濃度的變化范圍較為相似,這也表明合肥地區(qū)大氣濕沉降對(duì)降雨徑流中TN的貢獻(xiàn)很大.

校內(nèi)路面和校外道路降雨徑流水樣中TP濃度的變化范圍冬半年大于夏半年,校內(nèi)路面和校外道路降雨徑流污染物TP平均值冬半年也高于夏半年,而自然降雨、草地、屋面徑流污染物TP平均值冬半年與夏半年接近.冬半年降水較少和校內(nèi)路面、校外道路受人為活動(dòng)干擾較大可能是出現(xiàn)這種差異的原因.

2.3 場(chǎng)次污染物平均濃度(EMC)

單一場(chǎng)次降雨徑流中污染物濃度隨時(shí)間變化較大,因此通常采用場(chǎng)次污染物平均濃度(EMC)來表示一場(chǎng)降雨徑流全過程排放中某種污染物的平均濃度.EMC定義為單場(chǎng)降雨徑流的污染物總負(fù)荷除與徑流總量之比[27].

圖3 降雨徑流和自然降雨水樣中污染物濃度比較Fig.3 Box plots of contaminations concentration in rainfall runoff and natural precipitation

對(duì)采樣較為完整的9場(chǎng)降雨徑流污染物EMC進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見圖4.降雨量、平均降雨強(qiáng)度較大時(shí),不同場(chǎng)次降雨徑流EMC值相對(duì)較小;4種不同類型下墊面中,校外道路降雨徑流水樣中污染物EMC值一般最大,校內(nèi)路面次之,草地對(duì)SS、COD、TN有削減作用.對(duì)于一次降雨事件來說,場(chǎng)次降雨徑流污染物EMC值與降雨量、降雨強(qiáng)度、下墊面類型和地表清潔狀況等因素相關(guān)[6,28].

圖4 不同場(chǎng)次降雨徑流EMC變化Fig.4 Change of EMC in different rainfall events

表3為不同類型下墊面9場(chǎng)降雨徑流污染物EMC的平均值.校外道路降雨徑流污染物EMC平均值最大,SS遠(yuǎn)高于城鎮(zhèn)二級(jí)污水處理廠二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn),COD、TN和TP均超出地表水Ⅴ類要求的限值;COD的EMC平均值小于北京[6]和上海[7],與澳門[10]相近.草地、屋面、校內(nèi)路面降雨徑流COD和TP的EMC平均值符合地表水Ⅴ類要求的限值.草地、屋面、校內(nèi)路面、校外道路降雨徑流TN的EMC平均值超出地表水Ⅴ類要求限值的1～2倍.

表3 降雨徑流污染物EMC平均值Table 3 Mean values of EMC in rainfall runoff

3 結(jié)論

3.1 不同類型下墊面降雨徑流污染物濃度隨時(shí)間變化的規(guī)律相似,且大多存在初期沖刷現(xiàn)象.一般在降雨初期污染物濃度較高,由于沖刷效應(yīng),隨著降雨歷時(shí)的延長污染物濃度呈下降趨勢(shì),降雨徑流形成前 20min內(nèi)各污染物濃度下降較為明顯,90min以后趨于平穩(wěn).

3.2 從TN濃度來看,4種不同類型下墊面徑流事件平均濃度變化過程差異不明顯.自然降雨水樣中 TN濃度平均值為(4.631±3.614)mg/L,校外道路、校內(nèi)路面、屋面、草地降雨徑流TN污染負(fù)荷較高,均超出地表水Ⅴ類要求的限值,表明大氣濕沉降對(duì)降雨徑流中TN的貢獻(xiàn)很大.

3.3 校外道路降雨徑流水樣中SS、COD、TN、TP濃度的變化范圍冬半年大于夏半年,冬半年降水較少是出現(xiàn)這種差異的原因.

3.4 不同下墊面條件對(duì)降雨徑流中污染物EMC的影響存在差異.草地對(duì)SS、COD、TN的EMC有削減作用.校外道路降雨徑流中 SS、COD、TN和TP的EMC值明顯高于草地、屋面和校內(nèi)路面.與屋面和校內(nèi)路面相比,校外道路和草地降雨徑流TP的EMC值較高.

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Water quality characteristics of rainfall runoff in Hefei City.

XIE Ji-feng1, HU Zhi-xin1,2*, XU Ting1,3, HAN Hong-yan1, YIN Da-qiang3(1.School of Resources and Environmental Engineering, Anhui University, Hefei 230601, China；2.School of the Environment, Nanjing University, Nanjing 210046, China；3.College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China). China Environmental Science, 2012,32(6)：1018～1025

Water samples from different underlying surface conditions, including grassplot, top of building, road in campus and road outside campus, were collected from 27 rainfall events in Hefei City. SS, COD, TN and TP were analyzed and compared. The study illustrated the time-varying regularity, the first flush effect, and the even mean concentrations of rainfall runoff pollutants on different underlying surface conditions. Results showed that contamination concentrations were commonly higher at the initial stage, while decreased with prolonging of the rainfall time and gradually became stable at the later stage. TN loading was high in rainfall runoff under both different underlying surface conditions and natural rainfall, indicating that atmospheric wet deposition contributed a lot to the TN of rainfall runoff. Variation of SS, COD, TN and TP in the road runoff outside campus were wider in the period from October 2009 to March 2010 than those in the period from April to September 2010. EMCs in the rainfall runoff depended greatly on different underlying surface conditions.

underlying surface conditions；rainfall runoff；water quality；Hefei City

X522

A

1000-6923(2012)06-1018-08

2011-10-06

國家“水體污染控制與治理”科技重大專項(xiàng)(2008ZX07316-004,2009ZX07106-001-002,2009ZX07316-005)

* 責(zé)任作者, 講師, xin1616@tom.com

致謝：感謝金雯暉、田翠翠、聶蓮蓮、王 帥、吳俊妹、閆 珍、朱朝云、王 見、蔡 婷、伍孟雄等同學(xué)幫助采集和分析水樣.

謝繼鋒(1956-),男,湖南長沙人,實(shí)驗(yàn)師,研究方向?yàn)榄h(huán)境監(jiān)測(cè).發(fā)表論文10余篇.