石少山

(重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074)

以往學(xué)者多以雨水排放口或不同類(lèi)型地表匯流水體為研究對(duì)象，未考慮不同區(qū)域徑流匯合后水質(zhì)變化。本文從支流河道末端為研究對(duì)象，旨在探析支流降雨徑流水質(zhì)特征、沖刷特征及污染物間相關(guān)性，為研究區(qū)域內(nèi)降雨徑流污染末端治理提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)及采集方法

居民生活區(qū)A河流為一級(jí)支流，長(zhǎng)度為2.96 km，流域面積為2.54 km2，其中不透水率為87.3%，沿河都進(jìn)行了截污，主要是商業(yè)和居住，區(qū)域內(nèi)建筑多數(shù)為老舊小區(qū)，雨污分流制排水體制，城市管理狀況相對(duì)較差，人流量大且集中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)見(jiàn)圖1。工業(yè)區(qū)B河流域面積為0.623 km2，渠道長(zhǎng)度為1.71 km。區(qū)域內(nèi)主要為研發(fā)型工業(yè)聚集地，城市管理水平較高，人流量小，商業(yè)區(qū)少且零散，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)見(jiàn)圖2。

圖1 區(qū)域A監(jiān)測(cè)點(diǎn)衛(wèi)星示意

圖2 區(qū)域B監(jiān)測(cè)點(diǎn)衛(wèi)星示意

1.2 時(shí)間及頻率

為科學(xué)合理的控制降雨徑流過(guò)程中的污染，且重點(diǎn)研究對(duì)象為初期雨水產(chǎn)生的地表水質(zhì)變化。徑流雨水中污染物濃度在初期含量高且持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，徑流中后期污染物濃度將趨于穩(wěn)定且值較低。故為準(zhǔn)確的掌握降雨初期變化規(guī)律，采樣頻率定為：每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在地表徑流產(chǎn)生后前30 min內(nèi)，每5 min采集1次水樣，30～60 min內(nèi)，每10 min采集1次水樣。90 min后每隔30 min采集1次樣本。根據(jù)降雨時(shí)間和降雨強(qiáng)度不同可適當(dāng)調(diào)整取樣間隔時(shí)間，1個(gè)采樣點(diǎn)采集至少8個(gè)水樣，每個(gè)水樣采集500 mL。

1.3 檢測(cè)指標(biāo)及分析方法

檢測(cè)指標(biāo)為SS、COD、NH3-N、TP污染物，反映地表徑流污染有機(jī)物水平和顆粒物含量，分析方法見(jiàn)表1。

表1 指標(biāo)化驗(yàn)方法

2 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

選取位于2020年7—8月6場(chǎng)降雨采樣數(shù)據(jù)，對(duì)監(jiān)測(cè)渠道進(jìn)行水質(zhì)濃度、沖刷特征、污染負(fù)荷特征、相關(guān)性分析，探析本地區(qū)降雨徑流污染規(guī)律。

2.1 降雨徑流污染物水質(zhì)濃度分析

場(chǎng)次降雨徑流過(guò)程中污染物濃度變化是復(fù)雜的，對(duì)降雨徑流事件中瞬時(shí)濃度統(tǒng)計(jì)分析有助于深入認(rèn)識(shí)區(qū)域內(nèi)徑流污染物濃度變化特征，為區(qū)域內(nèi)污染負(fù)荷預(yù)測(cè)提供依據(jù)。以2020年6場(chǎng)次降雨徑流污染水質(zhì)資料為基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、變異系數(shù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2～3。

表2 居民生活區(qū)A瞬時(shí)濃度統(tǒng)計(jì)特征 mg/L

表3 工業(yè)區(qū)B瞬時(shí)濃度統(tǒng)計(jì)特征 mg/L

居民生活區(qū)A內(nèi)場(chǎng)次降雨徑流中瞬時(shí)濃度最大值出現(xiàn)在7月31日，工業(yè)區(qū)B場(chǎng)次降雨徑流中瞬時(shí)濃度最大值出現(xiàn)在8月11日。兩場(chǎng)次降雨時(shí)間最大的相同點(diǎn)是前期干燥時(shí)間相對(duì)其他降雨場(chǎng)次為時(shí)間最長(zhǎng)的，可知前期干燥時(shí)間對(duì)污染物累積起到重要作用。

7月31日和8月4日?qǐng)龃谓涤陱搅髦蠧OD、NH3-N、TP、SS平均濃度大于其他4場(chǎng)降雨。分析原因?yàn)?，兩?chǎng)次降雨徑流數(shù)據(jù)來(lái)源于居民生活區(qū)A，其他4場(chǎng)降雨皆來(lái)自工業(yè)區(qū)B。說(shuō)明研究區(qū)域降雨徑流污染中商業(yè)和居民區(qū)的污染程度大于工業(yè)區(qū)。

居民生活區(qū)A和工業(yè)區(qū)B內(nèi)COD、NH3-N、TP、SS瞬時(shí)濃度最大標(biāo)準(zhǔn)偏差較大?？梢?jiàn)在降雨徑流過(guò)程中瞬時(shí)濃度分布較為離散，濃度變化隨機(jī)性較大，算數(shù)平均值不能作為降雨徑流污染的代表值。

居民生活區(qū)A各污染物瞬時(shí)濃度變異系數(shù)在0.33～0.84之間，工業(yè)區(qū)B變異系數(shù)在0.23～1.03之間。各污染物瞬時(shí)濃度呈現(xiàn)寬幅變化，表明降雨徑流污染受多種隨機(jī)因素影響。

2.2 降雨徑流污染物平均濃度分析

2.2.1降雨徑流污染物平均濃度分布特征

計(jì)算各場(chǎng)次降雨徑流平均污染物濃度EMC值[10]，得出COD、NH3-N、TP、SS污染物EMC值(見(jiàn)表4)，其存在數(shù)量級(jí)的差距，但存在一定協(xié)同性，即同一場(chǎng)次不同污染物濃度增長(zhǎng)或降低趨勢(shì)相同。分析原因?yàn)橥粓?chǎng)次降雨徑流對(duì)不同污染物的沖刷、攜帶能力相同，故各污染物EMC存在一定的協(xié)同性。

表4 各場(chǎng)次污染物EMC值 mg/L

2.2.2降雨徑流污染物平均濃度影響因素

為明確降雨特征對(duì)城市徑流污染的影響，將降雨特征因子與特征污染物的EMC進(jìn)行相關(guān)分析，徑流EMC與降雨特征的Pearson相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表5。

表5 EMC與降雨特征的Pearson相關(guān)系數(shù)

前期干燥小時(shí)數(shù)與SS在顯著性水平0.05時(shí)影響顯著，相關(guān)系數(shù)為0.811。表明污染物累積是SS含量增多的主要原因。COD、NH3-N、TP與前期干燥小時(shí)數(shù)成正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.674、0.436、0.735，表明各污染物均是旱季逐漸積累，雨季集中排放的特點(diǎn)，即“零存整取”。

平均降雨強(qiáng)度與NH3-N、TP成負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.555、-0.219，說(shuō)明平均降雨強(qiáng)度越大，地表徑流污染物濃度越小，這與地表NH3-N、TP的釋放能力有關(guān)。SS與降雨歷時(shí)成負(fù)相關(guān)，降雨時(shí)間越長(zhǎng)，地表累積污染物量越少，經(jīng)徑流沖刷地表懸浮物被逐步?jīng)_刷干凈。NH3-N與降雨歷時(shí)成正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.792，表明NH3-N濃度在降雨徑流后期呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，可見(jiàn)降雨后期存在NH3-N的二次釋放。各污染物與日降雨量相關(guān)性不強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)基本維持在0.33～0.491，不能以單一日降雨量判斷徑流污染強(qiáng)度。

2.3 降雨徑流污染物沖刷特征

國(guó)內(nèi)外多以Geiger[11]方法判斷初期效應(yīng)，即45°線(xiàn)以上由遠(yuǎn)及近初期效應(yīng)程度為強(qiáng)烈(區(qū)域1)、中等(區(qū)域2)、微弱(區(qū)域3)，45°線(xiàn)以下未產(chǎn)生初期效應(yīng)(區(qū)域4)。繪制各場(chǎng)次降雨徑流污染物累積沖刷曲線(xiàn)，即M～V曲線(xiàn)，依據(jù)各曲線(xiàn)所在區(qū)域判斷各污染物的沖刷程度(如圖3～8所示)。

圖3 7月31日?qǐng)龃谓涤陱搅鳑_刷曲線(xiàn)

圖4 8月4日?qǐng)龃谓涤陱搅鳑_刷曲線(xiàn)

圖5 8月11日?qǐng)龃谓涤陱搅鳑_刷曲線(xiàn)

圖6 8月13日?qǐng)龃谓涤陱搅鳑_刷曲線(xiàn)

圖7 8月18日?qǐng)龃谓涤陱搅鳑_刷曲線(xiàn)

圖8 8月26日?qǐng)龃谓涤陱搅鳑_刷曲線(xiàn)

結(jié)果顯示，通過(guò)以上各場(chǎng)次降雨徑流累積沖刷曲線(xiàn)分析知，兩個(gè)研究區(qū)域六場(chǎng)次降雨事件中存在一定的沖刷現(xiàn)象，但在30%的累積徑流量?jī)H有四場(chǎng)降雨存在中等沖刷。同一地點(diǎn)不同場(chǎng)次降雨發(fā)生的初期沖刷程度不同，如圖3和圖4為居民生活區(qū)A區(qū)域，圖5～8為工業(yè)區(qū)B區(qū)域。表明初期沖刷效應(yīng)產(chǎn)生的原因與場(chǎng)次降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、降雨過(guò)程相關(guān)。

2.4 降雨徑流污染物間相關(guān)性

大量學(xué)者[12-14]針對(duì)降雨徑流污染物分析表明，各污染物濃度間變化存在特定的相關(guān)性。本文對(duì)6場(chǎng)次降雨水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表6～7。

表6 居民生活區(qū)A污染物間Pearson相關(guān)系數(shù)

表7 工業(yè)區(qū)B污染物間Pearson相關(guān)系數(shù)

1)居民生活區(qū)A瞬時(shí)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析顯示，在顯著性水平為0.01時(shí)，COD、TP與SS的相關(guān)系數(shù)為0.85、0.679，COD與SS變量間高度相關(guān)，TP與SS呈現(xiàn)中度相關(guān)。NH3-N與SS的相關(guān)系數(shù)為-0.031，表現(xiàn)出基本不相關(guān)現(xiàn)象。

2)工業(yè)區(qū)B瞬時(shí)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析顯示，在顯著性水平為0.01時(shí)，COD、TP與SS的相關(guān)系數(shù)為0.702、0.975，COD與SS兩變量間中度相關(guān)，TP與SS呈現(xiàn)高度相關(guān)。NH3-N與SS的相關(guān)系數(shù)為0.103，表現(xiàn)出基本不相關(guān)現(xiàn)象。

3)兩個(gè)研究區(qū)域各污染物間的相關(guān)性規(guī)律基本趨于一致，表明顆粒物SS是COD和TP的重要載體，同源的可能性較高，NH3-N的與其他相關(guān)性低。

3 結(jié)語(yǔ)

1)無(wú)論居民生活區(qū)還是工業(yè)區(qū)，各場(chǎng)次降雨瞬時(shí)濃度呈寬幅變化，說(shuō)明降雨濃度受多種因素影響。

2)各場(chǎng)次降雨徑流污染濃度EMC間存在較大差值，但單場(chǎng)次降雨各污染物間存在協(xié)同性，影響EMC的主要因素是前期干燥時(shí)間，因此提高日常清掃頻率和水平可降低降雨徑流污染物含量。

3)各污染物存在沖刷現(xiàn)象，但初期效應(yīng)并非在每場(chǎng)雨出現(xiàn)，與降雨特征有關(guān)。

4)COD、TP、SS相關(guān)性最強(qiáng)，SS是主要的污染物載體，NH3-N與其他污染物的相關(guān)性較弱，因此在選擇監(jiān)測(cè)指標(biāo)時(shí)需選擇SS和NH3-N兩個(gè)指標(biāo)作為參考。