西安市城市主干道路面径流污染特征研究

陈 莹,赵剑强,胡 博 (长安大学环境工程系,陕西 西安 710054)

西安市城市主干道路面径流污染特征研究

陈 莹,赵剑强*,胡 博 (长安大学环境工程系,陕西 西安 710054)

在西安市城市主干道南二环路建立路面径流原位采样站,利用自制流量等比例采样装置,全程收集2009年3月～2010年2月的32场降雨产生的路面径流,测试径流SS、COD、溶解性COD、NH3-N、Pb、溶解性Pb、Zn和溶解性Zn的事件平均浓度(EMC),研究路面径流污染强度、污染物赋存状态、相关关系、浓度影响因素以及季节变化规律.结果表明,城市主干道路面径流污染物EMC变异大且污染严重,SS、COD、溶解性COD、NH3-N、Pb、Zn、溶解性Zn的EMC中值分别为1543,574,129,1.86,0.042,0.219,0.111mg/L,变异系数0.41～0.8,其中SS、COD的EMC中值远大于《污水综合排放标准》三级标准,是主要污染物.路面径流中Pb主要以颗粒态存在,而47.4%的Zn、25.1%的COD呈溶解态.径流中颗粒物是许多其他污染物的载体,COD、Pb、Zn均与SS在显著性水平0.01时显著相关,相关系数分别为0.845,0.807和0.903.表征降雨特征的各因子中,降雨量、最大降雨强度与污染物浓度呈负相关,降雨历时与除NH3-N之外的其他污染物呈负相关,相关性依次为降雨量＞最大降雨强度＞降雨历时,前期晴天时间与溶解性Zn和溶解性COD浓度正相关,但与其它污染指标不相关.方差分析结果表明,SS、COD和NH3-N浓度随季节明显变化,而溶解态COD、重金属Pb、Zn和溶解态Zn的浓度季节差异不大.

城市主干道；路面径流；事件平均浓度；赋存状态；相关关系；影响因素

城市地表径流是影响城市水环境质量的第二大污染源[1].路面径流是地表径流中污染效应最强的部分[2-3],对受纳水体影响严重[4-5],其也是PAHs等有毒有机物进入水体的重要途径[6-7].西方发达国家自20世纪70年代开始研究路面径流,形成了完善的研究体系,并将成果成功应用于径流污染治理实践.我国对城市路面径流的研究正处于快速发展时期,近年来相关学者在北京[8]、广州[9]、澳门[10]、上海[11-12]、南京[13-15]等地相继展开路面径流污染的基础测试研究.国内外研究均表明,受降雨特征、土地利用类型、大气污染状况、道路管理情况等诸多随机因素影响,不同地区路面径流污染强度、污染特征、排污负荷差异较大,即使为同一地点,不同场次径流污染效应也有显著差异,因此需进行大量实地测试研究,才能有效识别当地路面径流污染特征和污染效应,并随之开展径流污染控制和雨水资源化利用研究.

本实验以西安市城市道路径流为研究对象,在西安市南二环路建立径流采样站,利用自制流量等比例采样装置,对2009年3月～2010年2月的32场路面径流进行全程收集.测试各场次路面径流特征污染物的EMC,并就污染物分布特征、污染强度、赋存状态、相关关系、浓度影响因素以及季节变化规律进行探讨.

1 研究方法

1.1 采样地点

本研究采样地点选择在两条城市主干道——南二环路与南北向主轴太白路交汇的太白立交桥.在南二环跨太白路高架桥下建立路面径流采样站,从桥梁排水立管处采集路面径流.该径流收集段为单向行驶的3车道桥面,专供机动车行驶,沥青混凝土路面,日均车流量约3万辆,路拱横坡0.2%,纵坡0.5%,桥宽11.0m,采样点汇流面积410m2,路面卫生维护方式为:每日人工与真空吸尘车联合,定期清扫.

1.2 采样方法

改造采样点排水立管,安装采样支管,排水立管内设自制的流量等比例采样器,该采样器可根据流量变化等比例地将径流量的1/25引入采样支管末端的收集桶,实现对整场降雨径流连续采样,获得径流全程流量等比例混合水样.采样方法见图1.

1.3 水质测定

降雨结束后立即将收集的流量等比例混合水样送至实验室分析水质,分析项目包括 SS、COD、溶解性COD、NH3-N、Pb、溶解性Pb、Zn和溶解性Zn,采用《水和废水监测分析方法》(第四版)推荐方法进行测定[16].溶解性污染物需将水样通过 0.45µm滤膜过滤后测定.由于所测水样为径流全过程的流量等比例混合水样,因此测定值代表各污染指标的EMC.

图1 采样地点和采样方法示意Fig.1 Schematic of sampling site and method图中尺寸单位均为mm

1.4 降雨特征

采样期间利用JFZ-01型数字雨量计对降雨特征进行同步监测.因2009年12月雨量计发生故障,故仅对2009年3～11月的30场降雨的降雨特征进行了有效监测.监测结果见表1.

2 结果与讨论

2.1 路面径流污染强度

各场次路面径流各污染指标的EMC监测结果见表2.

通过分析可见,西安市城市道路径流各污染物 EMC呈正偏态分布,且呈宽幅变化.SS、COD、溶解性COD、NH3-N、Pb、Zn和溶解性Zn的 EMC中值分别为1543,574,129,1.86, 0.042,0.219,0.111mg/L.最大值分别是最小值的16.5,7.9,10.1,26.5,9.3,3.8,8.2倍,变异系数在0.41～0.8之间,表明场次间EMC变化大,可能与影响径流污染的随机因素多有关.对比文献研究结果,西安市城市道路径流重金属Pb、Zn的污染水平与南京[13]、澳门[10]等城市相当,略小于广州[9]、上海[11]的研究结果,且远小于国外早期的研究结果[17],表明无铅汽油的广泛采用对减少径流中的Pb污染起到了重要作用.西安市路面径流SS和COD浓度远大于国内外其他研究结果,SS、COD的EMC中值分别为《污水综合排放标准》三级标准限值的 3.9倍和 1.1倍,这可能与西安市地处黄土高原南缘、大气降尘严重、降雨量较少有关;还与道路清扫频率、清扫效率和城市管理水平有关.表明西安市道路径流的主要污染物为颗粒物和有机污染物,应对上述污染物给予重点关注.

2.2 路面径流污染物赋存状态

径流中污染物可分为溶解态(＜0.45µm)和颗粒态(＞0.45µm)2种,赋存状态直接影响其环境行为.溶解态的物质易于被生物利用,短期内对水环境产生的危害较颗粒态污染物大[18],因此在径流污染研究中,国内外学者对污染物的赋存状态较为关注[19-20].

本研究测试了各场次径流中COD、Pb、Zn的总浓度和溶解态浓度,以 fd表示溶解态污染物占总量的百分比,将本研究所得污染物赋存状态与国内外的相关研究列于表3.

由表3可知,西安市各场次路面径流中溶解态Pb均低于检测限,47.4%的Zn、25.1%的COD为溶解态,表明颗粒态Pb、颗粒态COD和溶解态Zn是西安市路面径流污染物输出的主要形态.本研究所得重金属赋存状态与美国和中国广州的研究相似,但与常静等[11]对上海市路面径流中Zn赋存状态的研究结果差异较大.对于径流中有机物的赋存状态,本研究与解建光等[25]在南京的研究结果类似,但fd略低,进一步说明可能因不同地区污染物来源、累积特征和影响要素不同,导致径流中污染物赋存状态存在一定差异.国外相关研究表明,路面径流中普遍存在的来自于燃料、润滑油及沥青筑路材料的如多环芳烃(PAHs)、多氯联苯(PCBs)和三丁基锡(TBT)等毒性较高的有机污染物中,68%～97%的PAHs以颗粒态存在,大部分PCBs和TBT主要富集在颗粒物中[20].因此采用沉淀等方法去除径流中颗粒物的同时对径流中重金属和有毒有机污染物也有较好的去除效果.

表2 路面径流各污染指标的EMCTable 2 EMC of pollution indicators of urban road runoff

2.3 路面径流污染指标相关关系

在路面径流研究中,国外研究者普遍发现径流中许多污染物的分布特征与颗粒物的分布存在一定程度的相似性[27-28].本研究利用32场径流的测试数据,研究各污染指标的相关性,表4列出了各污染物的pearson相关系数.

表3 路面径流污染物赋存状态Table 3 Occurrence of runoff pollutants

表4 污染物pearson相关系数Table 4 Pearson correlation coefficients of pollutants

由表4可见,SS与COD、Pb、Zn在显著性水平0.01时相关,表明径流中颗粒物是有机物、重金属的重要载体;但 SS与溶解态污染物,如溶解性COD、NH3-N、溶解性Zn的相关性不好,这可能与污染物的来源不同有关.将 SS与相关污染物进行回归分析,获得回归方程见式(1).根据回归方程,已知路面径流中 SS的浓度,就可以一定准确性预测估算其他污染物的浓度.

2.4 降雨特征对径流污染的影响

影响路面径流污染的因素很多,包括地理区域、路面材料、降雨特征、土地利用类型、大气降尘、交通量、路面清扫等.本研究在固定区域采样,排除了地理区域、路面材料、土地利用类型、交通量、清扫等因素的影响,各场次径流中污染物浓度变化主要与降雨特征有关.将表征降雨特征的降雨量、降雨历时、最大降雨强度和前期晴天时间与径流污染物 EMC进行相关分析,用以明确降雨特征对径流污染的影响.表5列出了各污染物浓度与降雨特征的 Pearson相关系数.

由表5可见,表征降雨特征的各因子中,降雨量与污染物浓度相关性最强且为负相关,该因子在显著性水平0.01时与COD、溶解态COD显著相关,相关系数分别为0.486和0.489,该因子对SS浓度也有一定程度的影响.最大降雨强度与污染物浓度也呈负相关,但其影响略小于降雨量,该因子在显著性水平0.05时与COD、溶解态COD显著相关.降雨历时与除NH3-N以外的其他污染物浓度呈负相关.前期晴天时间与溶解态 Zn在显著性水平0.05时呈显著正相关,与溶解态COD也呈一定正相关性,但与其他指标相关性较小.降雨特征因子与污染指标的相关性顺序依次为降雨量＞最大降雨强度＞降雨历时＞前期晴天时间.分析认为,由于采样区域道路清扫方式为每日人工与机械联合清扫,较大粒径的颗粒态污染物在日常清扫中得以去除,因此径流中颗粒态污染物浓度与前期晴天时间相关性不强,而雨前路面累积的可溶性污染物由于粒径微小较难在日常清扫时被去除而逐渐累积,并在随后的雨期径流中形成较高浓度的污染.

2.5 路面径流污染季节变化特征

采用 SPSS17.0软件,对 32场径流污染物EMC的测试结果进行单因素方差分析(one-way ANOVA),研究路面径流污染随季节的变化规律.分析结果见表6.

表5 路面径流浓度与降雨特征的Pearson相关系数Table 5 Pearson correlation coefficients of EMC with rainfall characteristics

表6 污染物浓度季节变化方差分析结果Table 6 Result of one-way ANOVA of seasonal variation

由表6可见,SS、COD和NH3-N浓度随季节明显变化,SS和COD浓度呈现出冬、春季高、秋季最小的趋势,而NH3-N则为夏季最低、冬季最高.上述结果与国外研究认为的径流污染浓度在雨季初期最大,随后逐渐减小,随着时间的推移又逐步增大的结论相一致[29].而溶解态COD、重金属Pb、Zn和溶解态Zn的浓度季节差异不大.

分析认为,径流污染物浓度随季节变化规律的差异反映了污染物来源的不同.西安市位于黄土高原南缘,风沙扬尘作用强烈,自然降尘平均每月达20～24t/km2,其中黄土粉尘占60%,煤烟粉尘约占20%[30],大气降尘导致的路面沉积物对径流污染的贡献不容忽视.路面径流中SS、COD部分来自大气降尘,NH3-N主要来自大气降尘[31],而西安市不同季节大气降尘变化明显,显著表现为春季最高、夏秋季节逐渐降低、冬季回升的态势

[30],因此不同季节源自大气降尘的路面沉积物数量不同,进入径流中的污染物量有明显差异,而由于西安春季降水量较大而冬季降水量稀少,故径流中SS、COD的浓度呈冬季最高、春季次之、夏秋季节逐渐减少的趋势.冬季采暖季石化燃料的消耗增加导致大气中含氮化合物增多,故冬季径流中NH3-N浓度显著高于其他季节.径流中重金属Pb、Zn和溶解态Zn主要来自交通污染源排放,因道路交通量几乎不随季节变化,故径流中重金属浓度季节差异不大,浓度变化主要与场次降雨特征有关.

3 结论

3.1 西安市城市主干道场次路面径流污染物EMC变化大,SS、COD、溶解性COD、NH3-N、Pb、Zn和溶解性 Zn的 EMC中值分别为1543,574,129,1.86,0.042,0.219,0.111mg/L,变异系数0.41～0.8.其中,SS、COD的EMC中值远大于国内外其他研究结果,且高于《污水综合排放标准》三级标准限值,表明颗粒物和有机物是西安市路面径流的主要污染物,应给予重点关注.

3.2 西安市城市主干道路面径流溶解态 Pb低于检测限,47.4%的Zn和25.1%的COD为溶解态,表明颗粒态COD、颗粒态Pb和溶解态Zn是路面径流污染物输出的主要形态.

3.3 西安市城市主干道路面径流SS与COD、Pb、Zn在显著性水平0.01时相关,相关系数分别为 0.845,0.807,0.903,表明颗粒物是径流中有机物、重金属的重要载体.SS与溶解态污染物,如NH3-N、溶解性COD、溶解态Zn无显著相关性.

3.4 表征降雨特征的因子中,降雨量、最大降雨强度与污染物浓度呈负相关;降雨历时与除NH3-N以外的其他污染物浓度呈负相关;前期晴天时间与溶解态Zn和溶解态COD呈正相关,与其它指标相关性较小.降雨特征因子与污染物浓度的相关性依次为降雨量＞最大降雨强度＞降雨历时＞前期晴天时间.

3.5 西安市城市主干道路面径流 SS、COD和NH3-N浓度随季节明显变化,SS和COD呈冬、春季浓度高、秋季浓度最小的趋势,而NH3-N则为夏季最低、冬季最高,表明路面径流SS、COD和NH3-N污染与大气降尘有关;而主要来自于交通污染源的污染物,如重金属 Pb、Zn和溶解态Zn的浓度季节差异不大.

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Pollution characteristics of urban trunk road runoff in Xi’an City.

CHEN Ying, ZHAO Jian-qiang*, HU Bo (Department of Environmental Engineering, Chang’an University, Xi’an 710054, China). China Environmental Science, 2011,31(5)：781～788

Urban road runoff caused by 32 storm events were collected proportionally to the total volume and completely through the rainfall time at south second ring road in Xi’an City using self-made volume proportional collecting device from March 2009 to February 2010. Event mean concentration (EMC) of SS, NH3-N, total and dissolved COD, Pb and Zn were tested. Pollution intensity, mode of occurrence, relationship, concentration influential factors, as well as seasonal variation of runoff pollutants were explored. The results showed that EMC of main runoff pollutants varied greatly and the median EMC of SS, COD, dissolved COD, NH3-N, Pb, Zn and dissolved Zn were 1543, 574, 129, 1.86, 0.042, 0.219, 0.111mg/L respectively. The coefficient of variation ranged from 0.41 to 0.8. The median EMC of SS and COD were far greater than the values of Integrated Wastewater Discharge Standard Grade III, so SS and COD were the main pollutants of road runoff. The occurrence of Pb was mainly granular state and 47.4% of Zn, 25.1% of organic pollutants was dissolved. The correlation of COD, Pb and Zn with SS were significant at 0.01 level and the correlation coefficients were 0.845, 0.807 and 0.903 respectively, which showed that particulate matters were carrier for many other pollutants. The descending order for influence weights of rainfall characteristics on concentration of pollutants was as follows: rainfall volume＞ maximum rainfall intensity ＞ rainfall duration. Antecedent dry period (ADP) had no correlation with EMC of many pollutants except dissolved Zn and dissolved COD. Result of one factor analysis of variance showed that EMC of SS, COD and NH3-N varied with seasons significantly, while the variation tendency of other pollutants, such as dissolved COD, Pb and Zn was not obvious.

urban trunk road；road runoff；event mean concentration；mode of occurrence；relationship；influential factor

X522

A

1000-6923(2011)05-0781-08

2010-09-10

中央高校基金资助项目(CHD2009JC118)

* 责任作者, 教授, zhao1979511@163.com

陈 莹(1977-),女,陕西富平人,长安大学环境工程学院副教授,博士研究生,研究方向为交通环境与安全技术.发表论文9篇.