城市降雨污染物质的相关性分析

赵子成，禹华谦

(西南交通大学土木工程学院，四川成都610031)

造成城市水体污染的原因主要有:点源污染和非点源污染两类。当点源污染得到有效控制后，非点源污染日益得到重视，成为城市水环境污染的主要原因之一。城市非点源污染主要指［1］在降雨过程中，雨水及所形成的径流流经城市地面、建筑物、绿化带等，冲刷、聚集了一系列污染物，如有机物、油类、盐分、氮、磷、有毒物质及杂物等，随之排入河流、湖泊等受纳水体，污染地表水或地下水。显然，城市径流污染属于非点源污染，是仅次于农业污染的第二大非点源污染［2］。可见研究我国城市径流污染对城市非点源污染控制模型的建立、径流管理措施的制定和城市长足发展都有一定意义。本次选择西南交通大学集水区进行监测，是成都主城区的一部分，具有一定代表性。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究地区地处成都平原，亚热带湿润季风气候区，四季分明、雨量充沛。年总降雨量为918.2 mm，雨量主要集中在7月、8月，月降雨量分别为225 mm和229 mm;降雨最少月份为12月和1月，月降雨量分别为6 mm左右;暴雨期普遍出现在5～9月;常年暴雨出现的始终期分别在6月底、7月初和8月下旬。

西南交通大学集水区面积60 hm2，人口密度大，不透水面积比例大。集水区的土地利用以教师居住区为主，且配套有街道路面(双向四车道，两边两车道为主要停车区，中间两车道为使用路面)和绿化带，屋面和庭院设施齐全完善。除每天清扫地面外，降雨径流是去除地表累积污染物的另一主要方式。集水区的排水设施基本完善，实行雨、污分流制。降雨时，排水系统承担着排放集水区降雨径流的功能，且都直接排入了镜湖。

1.2 样品采集与分析

降雨径流监测断面设在西南交大集水区的出水口，距雨水受纳水体镜湖10 m。降雨径流的监测是通过在集水区出口处设一个矩形容器(高1 m、宽1 m)实现的，在发生降雨径流期间采集径流水样，降雨产流时即开始采样。在初期径流10 min以内时采样间隔是2 min，径流10 min～1 h内采样间隔是5 min，其后采样间隔根据径流情况增加为10 min或20 min。在采集径流样的同时，测定流速和记录水位，并计算流量。所有采集的水样保存好后运回流体力学教研室统一测量，监测指标为TSS、COD、TN和TP，以及pH值，均按国家环保总局标准［3］:TSS用滤纸法，T－N用过硫酸钾氧化－紫外分光光度法，T－P用过硫酸钾消解－钼锑抗分光光度法，COD用重铬酸钾法，pH值采用玻璃电极法。水质分析须在采样72 h内完成，其中pH、COD等在24 h内完成。

1.3 城市降雨径流污染负荷

城市降雨径流污染负荷［4］是指由一场降雨或一次中的多场降雨所引起地表径流排放的污染物总量。降雨径流的污染负荷可用下式计算:

式中:L是指一场降雨径流的污染负荷(g);ct是指一场降雨径流中某污染物在t时的瞬时浓度(mg/L);qt是指一场降雨径流在t时的径流流量(m3/s);tr是指一场降雨形成径流的总历时(s)。

由于在降雨径流监测和采样过程中很难做到连续性，为了便于分析，采用数值插值法，式(1)可表示为:

式中:cj和cj+1是指一场降雨径流中第j次和第j+1次监测的污染物浓度(mg/L);qj和qj+1是指一场降雨径流中第j次和第j+1监测的径流流量(m3/s);Δt是指相邻2次采样、测流间隔时间(s);n是指一场降雨径流过程中的采样和测流次数。

2 结果与分析

所有数据的整理与统计均采用Excel和SPSS软件。本次检测中TP、TN、Cu、Pb、Zn等含量相对较小，归为一类。表1是在西南交通大学内集水区测得的12次降雨情况。

监测结果表明:首先，可见该集水区径流污染较为严重，主要污染物为TSS、COD、TN、TP等，平均含量均超过地表水环境质量Ⅴ级标准，其中TSS和COD污染最严重，含量明显高于其它各项，而污染物质之间或多或少也存在着相关关系;再者，降雨量、降雨强度、降雨历时等降雨因子及雨前污染物的累积程度不同，降雨径流污染负荷也存在明显的差异，可见降雨径流污染负荷与降雨量、降雨强度、降雨历时和晴天累积天数密切相关。下面对上述结果作详细分析。

表1 西南交大集水区降雨径流污染负荷的监测结果

3 集水区降雨径流污染物之间的相关关系

3.1 降雨中pH值及情况分析

“酸雨”通常是指［5］pH值小于5.6的大气降水，包括酸性雪、冰雹、露水、霜等多种形式。本次集水区内测到的平均pH为7.33，处在国家环保部规定的范围内，可见近几年成都市酸雨污染形势见好。

3.2 总体可测污染物质浓度与TSS的关系

由于城市降雨径流中污染物之间存在着不同程度的相关性，其中尤以总体可测污染物质浓度与TSS线性相关性最为显著(R2=0.9335)，参见图1。由此可知，TSS不仅是城市降雨径流污染过程中的主要污染物，而且是其它污染物的载体。再者，测定TSS时，操作简单，指标唯一，雨水总体可测污染物质浓度用TSS来代替带来了方便。故下面分析降雨特征和降雨间隔时间对径流污染负荷的影响时，仅以TSS为代表进行分析。

图1 总体可测污染物质浓度与TSS的关系

3.3 总体可测污染物质浓度与TSS、COD之间的关系

污染物质的指标多固然可以刻画详尽，但过多容易造成主次不清，对雨水难以直观清晰地描述。从表1中不难看出TSS与COD之和在总体可测污染物质浓度的比值大于85%。

即:

式中:ci1、ci2、ci3分别表示第 i次事件 TSS、COD、TN 和 TP等其它粒子的浓度(mg/L);ci1+ci2+ci3表示第i次事件可测污染物质的的浓度(mg/L);ci1+ci2表示第i次事件TSS与COD之和的浓度(mg/L)。

根据数理统计中主成分分析［6］的概念，可以用 TSS和COD的浓度来代替和预测那四个指标，这里用TSS和COD的浓度来代替降雨污染浓度，在检测指标上和试验中带来很多方便，并且也是可行的。用线性回归分析可得:

式中:L为雨水的总体指标的统计量;l1、l2为TSS、COD指标的相关参数;X1、X2为TSS、COD指标的统计量;b为主成分与TSS和COD的相关参数。

本次数据Excel分析后可得:

3.4 TSS和COD之间的关系

COD与SS是城市雨水径流中的主要污染物。对SS和COD进行分析，表明SS与COD之间存在较好的正相关关系(见图2)。另外，通过SS/COD的比值，可以了解污染物的主要类型，从而对集水区污染物的管理控制从定性分析过渡到定量分析。例如:在分析研究城市雨水径流水质时，如城区主要道路雨水径流的SS约为COD的1～2倍，通过路面环境卫生管理和清扫、对雨水径流的截污、沉淀和过滤，可有效地控制污染物总量;而对受屋面雨水径流或其它因素影响，含较多溶解性有机物的院内或生活区道路雨水，则需要考虑源头控制措施或补充化学和生物净化方法［7］。本例中，图中关系式对x求导数就可以得出它们的关系，集水区内TSS约为COD的1～2倍。

图2 TSS和COD之间的相关关系

3.5 TSS与TN、TP等其它粒子之间的关系

研究TN和TP与SS的相关关系，可以对降雨径流污染控制中较易去除和监测的TSS来实现对TN和TP的监测控制。从资料［8］看来，SS能较好地吸附 COD、BOD、TP等污染物，颗粒吸附态的污染物对总污染物的贡献，总磷(TP)的颗粒吸附态的比重最大，而总氮(TN)的颗粒吸附态的贡献较低;TP与SS有较好的相关关系，而TN与SS的相关性不很明确。这可能与SS对TN和TP的不同吸附特性有关，也是导致图3中TSS与TN、TP的呈幂关系比线性关系耦合程度要好的原因。另外，因测区所在的镜湖水系环境容量较小，氮磷含量较高，极易发生富营养化、长满浮漂和水质恶化。因此，氮磷是雨水径流不可忽视的污染因素，控制径流携带的SS量可有效地削减带入水体的氮磷负荷。

图3 TSS与TN、TP等的相关关系

4 集水区降雨径流影响因子之间的相关关系

4.1 单位时间的TSS与降雨强度的关系

降雨强度和降雨量是影响径流水质的重要因素，降雨强度越大，雨水对城市下垫面的冲刷就越强;在相同的污染物累积条件下，降雨量越大，径流中污染物浓度越低［9］。城市污染负荷与降雨强度有着明显的正相关关系。这与实际关系相符，见图4。

4.2 TSS与2次降雨间隔时间之间的关系

图4 TSS与降雨强度的相关关系

在研究城市降雨径流污染过程中，2次降雨间隔时间常用来反映地表污染物的累积程度，具有晴天累积、雨天排放的特征［10］。除了反映地表卫生管理状况以外，与排水系统也存在密切的关系。此次西南交大集水区是雨污分流制排水系统，不过，在降雨量不大时(指降雨量超过10 mm降雨事件)，城市污染负荷相当一部分会沉积在排水管道，这部分的污染物也是下次降雨径流的污染来源。总之，随着2次降雨间隔时间的增加，排水系统污染物的累积，降雨径流污染负荷也会增加。

图5 TSS与2次降雨间隔时间之间的关系

参见图5，可以得出:第一，降雨集水区，2次降雨间隔时间与城市降雨径流污染负荷存在显著的正线性相关，说明该地区地表卫生状况和雨污分流系统对降雨径流污染负荷的作用是显著的;第二，集水区不透水面积比例高，大量居住小区存在，建筑密度大。因此随着晴天累积天数的增加，累积于城市地表的污染物数量可能会增加，而晴天累积天数的增加意味着城市地表可被降雨径流冲刷的污染物数量在增加，即增加了降雨径流的污染潜力［11］;第三，城市降雨径流污染负荷是在2次降雨间隔时间和降雨径流量的耦合作用下形成的，利用2次降雨间隔时间和降雨径流量可以预测城市降雨径流污染负荷;第四，加强城市地表卫生的管理和排水系统的管理，降低污染物的晴天累积效应，从源头上减少污染物的数量，是控制城市降雨径流污染的首先途径［12］。

4.3 TSS与各个影响因子的关系

降雨对城市下垫面上的污染物具有冲刷、稀释和溶解等多重作用。TSS(C)的大小受多种因素影响，包括降雨强度(q)、降雨历时(t)、两次降雨之间的时间间隔(T)等。降雨强度(即单位时间的降雨量)越大，雨水对地表的冲刷作用就越强，携带的污染物就越多;同样，降雨对污染物有稀释的作用，在相同的污染物累积条件下，降雨历时越大，雨水对污染物的冲刷时间作用越强，径流中污染物的负荷就会越大。可见TSS是各个影响因素的复杂函数。

根据量纲分析［13］，可设

将式(6)改写成指数乘积的数学模型形式为:

E(e)=0表示e的数学期望为零。e是其它随机因素综合作用所引起的波动，它与2次降雨间隔时间(T)、降雨历时(t)、降雨强度(q)的叠加，决定了C的取值。

2次降雨间隔时间(T)、降雨历时(t)、降雨强度(q)刻画了对C取值的主导性作用，e的存在导致了C实践取值的不可准确预言。

式(7)两边取对数可得如下三元线性回归模型:

式中:a、b、c为回归系数;d=ln K+ln e。

用Excel对原数据线性回归分析可得各参数为:

代入原式可得西南交大集水区污染物浓度C的计算公式:

即:

5 结束语

(1)城市降雨污染是通过降雨及其径流冲刷地表等因素累积的污染物而形成的，可见地表污染物的累积状况与降雨作用耦合是影响城市径流污染程度的主要因素;

(2)集水区径流污染较为严重，主要污染物为 TSS、COD、TN、TP等，平均含量均超过地表水环境质量Ⅴ级标准;

(3)总体可测污染物质浓度与TSS、TSS和COD、TSS与TN、TP等其它粒子之间有较好的相关性。若用TSS和COD的浓度来代替降雨污染浓度，在检测上和试验中会带来很多方便;

(4)径流中大部分的污染物质是以颗粒吸附态存在的，根据这一性质，通过对城市环境卫生进行清扫、对雨水径流截污、沉淀和过滤，可以有效地控制污染物总量;

(5)径流中污染物浓度受多个因素的影响，其中降雨强度是一个重要因素，降雨强度越大，雨水对城市下垫面的冲刷就越强，在相同的污染物累积条件下，降雨量越大，径流中污染物浓度越低;

(6)城市2次降雨间隔时间同径流污染存在明显的相关关系，是影响城市降雨径流污染的一个重要的水文变量。对于该地区加强地表卫生管理和排水系统的管理，降低污染物的晴天累积效应，从源头上控制城市降雨径流污染会起到有用的效果;

(7)TSS是各影响因子的复合函数。

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