南京市梅雨期雨水水质特性分析

周舒宇，骆辉，赵尘

(南京林业大学 土木工程学院，南京 210037)

南京市梅雨期雨水水质特性分析

周舒宇，骆辉，赵尘*

(南京林业大学 土木工程学院，南京 210037)

为了解南京市梅雨季节降雨在不同下垫面类型水质变化状况和污染特性，于2016年6月-7月进行5场雨水径流水质的监测，分别对其pH、悬浮物、色度和重金属含量进行分析。结果表明：①南京市梅雨期天然降水以中性为主；瓦屋面和油毡屋面降水质呈酸性，而水泥屋面则为呈碱性，在路面径流中均呈酸性。②路面雨水径流中固体悬浮物(SS)含量均显著高于天然雨水和屋面雨水。③路面雨水由黑褐色最终变为浅黄色；油毡屋面，由黄色最终变为浅黄色；路面雨水的色度远大于屋面雨水色度。④降雨中Mn、Zn、Pb、Cd、Fe均出现超标现象，重金属污染先后顺序为：交通区机动车道>住宅区机动车道>屋面(油毡)>屋面(瓦房)>天然降雨。研究结论对南京市梅雨季节雨水中重金属污染评价及污染治理等提供了理论参考。

水质；pH；色度；悬浮固体；重金属

0 引言

降雨形成的径流将城市地表中大量的悬浮物、空气沉降物、车辆排放物及有毒有害物等冲刷汇集进入受纳水体，使得城市地表径流中的污染物浓度急剧升高，尤其在城市道路中尤为突出。研究表明，城市道路径流的污染负荷中，悬浮固体和重金属的贡献率分别达到50%和40%～75%，重金属不易降解并且能在生物体内富集，最终通过食物链进入人体，对人体产生毒害作用[1-4]。

国外对城市地表径流污染的研究始于20世纪70年代初，结果表明：城市道路雨水径流水质与其他汇水下垫面相比，污染情况最为严重，尤其是初期径流[5-6]。也有研究[7-9]指出SS是公路径流最主要的污染物，其主要来源是轮胎和筑路材料的磨损、大气沉降等。国内的研究起步较晚，车伍等[10]认为污染物将溶解或悬浮于降雨形成的径流中，使雨水径流的流量、污染负荷都迅速增大。如果不经处理直接排入水体，极易引发水体富营养化，导致水生生态系统遭到破坏[11]。

本文以南京市重交通区和住宅区为研究区域，选取具有代表性的路段，通过梅雨季节降雨期间对雨水径流的现场监测，分析了三种典型降雨条件下雨水水质的pH、悬浮颗粒物(SS)、色度、重金属含量。研究成果可为南京市梅雨期雨水径流污染物定量分析及制订合理的管控措施提供参考。

1 样品采集与收集

1.1 样品采集

天然雨水：由于天然雨水采集困难，故设计一种自制简易取样装置(如图1所示)，可以容易的取到天然降雨，设计较大的取样面积目的在于在短时间内取到足够量的雨水。放置于南京林业大学逸夫科技实验楼顶楼，距离屋顶5 m高度处。取样前，将集水面、烧杯放入浓度为20%的HNO3中浸泡12 h，超纯水清洗3遍，自然状态下风干，备用。

图1 天然降雨取样示意图Fig.1 Illustration of sampling method for natural rainfall

屋顶雨水：将直径200 mm，高度500 mm的聚乙烯塑料桶置于南京林业大学正门口屋檐漏水口正下方，采集降雨全过程雨水。

路面雨水：采用聚乙烯桶收集路面雨水径流，水样采集后立即冷藏保存，按国家环境监测标准方法在最短时间内进行水质分析。

采集雨水分别于2016年6月28日、7月1日、7月4日、7月10日、7月14日进行，每个采样点选择3处集水口平行采样，并使用SL1-3型记录式雨量计实时监测降雨量，采样地点见表1。

表1 采样地点及特征

1.2 分析内容及方法

选取的污染物指标为对城市水环境有较大影响的常规污染物，包括色度、悬浮颗粒物(SS)、pH、重金属含量，实验方法与意义见表2。

表2 雨水水质分析指标及测定方法

2 结果与分析

2.1 有效降雨监测分析

于2016年6月-7月份的梅雨季节对5场有效降雨过程进行监测，其降雨特征见表3。按24 h降雨标准划分，7月10日、6月28日、7月14日分别属于小雨、中雨、大雨降雨类型。研究显示[12]，平均雨强大于0.2 mm/min时，降雨特征越明显，故本研究选取6月28日和7月14日这两场降雨进行分析，具有较好的代表性。

从监测的5场有效降雨分布情况来看，研究区域降水量分布不均匀，降雨量都比较高，梅雨季节为全年降雨的集中期，南京为东亚季风气候区，东亚大气环流季节性转变的特征显著。在气候平均状态下，东亚夏季风于6月中旬推进至江淮流域至韩国、日本一带，这时江淮流域连续阴雨天气。

表3 降雨场次的降雨特征

2.2 水质酸碱度

南京市梅雨期天然降水酸碱度监测结果显示：雨水的pH在5.21到7.52间变化，只有15.9%的天然雨水的pH值介于4.5～5.5之间，具体如图2所示，79.1%的雨水pH值在5.6～7.0，梅雨期降水的pH平均值为6.03，因此可认为是中性降水。

屋面径流中，由于材料不同，pH值变化区间较大，其中油毡屋面pH范围为5.72～6.68，均值为6.35，水泥屋面pH范围为6.37～8.28，均值为7.38，瓦屋面pH范围为6.18～7.34，均值为6.57。瓦屋面和沥青屋面降雨径流水质呈酸性，而水泥屋面则为呈碱性，这可能是由于干沉降和水泥屋面中大量可溶性的碳酸盐，以及水泥混凝土表面裸露的集料风化物和碱性颗粒所致，说明地壳源颗粒物也对雨水的pH值具有较大的贡献[13-15]。

路面径流中，pH值在各采样点间存在明显的变化。最强酸度发生在玄武大道机动车道上，pH值为4.55，可能是由于较大的机动车流量尾气排放所致。在交通区雨水采集期间，离采样点不远处在修建科研楼，工程施工机械轮胎的磨损及排放的大量尾气对该区域的大气环境及路面径流造成了一定程度的影响。

图2 南京市梅雨期天然雨水pH值的频率直方图Fig.2 The frequency histogram of pH of natural rainfall in plum rains season in Nanjing

2.3 悬浮固体(SS)

固体悬浮物是评价雨水径流水质的又一重要指标。南京市梅雨季节雨水径流SS的水质分析结果表明，其值小于北京、济南，高于苏州、西安等城市[16]，如7月1日沥青屋面、水泥屋面及瓦屋面降雨初期径流SS值为86、78、21 mg/L，7月4日(与上场雨间隔时间为3天)三种屋面降雨初期径流SS值仅为42、81、32 mg/L。路面雨水径流由于清扫不及时、交通量大的因素，固体悬浮物含量均高于天然雨水和屋面雨水。SS与雨水中重金属含量有较好的相关性，径流重金属含量较多，其SS值也较大。

2.4 色度

对于收集的水样来说，初期路面雨水，无论是水泥还是沥青下垫面，均呈现黑褐色，半小时后，水样逐渐变为黄褐色，经过一段时间的沉淀以后，水样逐步变为浅黄色；屋面径流中，对于油毡屋面，初期雨水呈现黄色，随着时间延长逐渐变淡，经过沉淀后，仍呈浅黄色，水泥和瓦屋屋面径流中，初期为灰色，后逐渐变清，具体如图3所示，路面雨水的色度远大于屋面雨水色度，并且随时间延长，色度变小。

图3 色度变化图Fig.3 The graph of the chroma

2.5 重金属

2.5.1 雨水重金属含量

表4是研究期间所测定的3次有效降雨中5种重金属的浓度范围，从数据看，径流雨水中含有较多种类的重金属，与GB3838-2002《地表水环境质量标准》[17]相比，重金属均有超标现象。与国内外其它城市相比[18-19]，南京市梅雨期雨水中重金属Zn、Mn高于成都、贵阳、日本以及中国台湾等城市，说明南京地区的路面径流雨水中重金属污染状况较为严重。

表4 重金属浓度检测结果表

2.5.2 重金属含量受地面环境影响特征

为了反映重金属含量受下垫面及环境状况影响特征，按照采样点的不同，样品中各种重金属含量的平均浓度，如图4所示。

图4 雨水重金属含量Fig.4 Contentsof heavy metal elemets in the rainfall

每处采样点中，Fe的含量显著高于其他任何重金属，其次是Mn、Zn、Pb、Cd。Fe在地壳中的含量较高，释放到自然界的几率要大于其他元素，造成在雨水中含量高；机动车道，无论是住宅区还是交通区，其Fe、Mn和Zn的含量较其他地方均高，说明受人类活动、车流量的影响大；Cd在各处差距不大，说明Cd在雨水中的含量较为均衡，与下垫面及环境关系不大；Pb在各个采样点处较其他重金属，含量较低，说明道路与屋顶上的雨水径流中Pb多以颗粒态的形式存在，赋存于道路表面的溶解态含量较少。从整体情况看，重金属污染先后顺序为：交通区机动车道>住宅区机动车道>屋面(油毡)>屋面(瓦房)>天然降雨，说明人流量大小是影响重金属含量的重要原因，尤其是对Fe的影响，下垫面类型对重金属含量影响并不明显。

3 结论

(1)南京市梅雨期天然降水pH平均值为6.03，以中性降水为主；屋面径流中，瓦屋面和油毡屋面降水质呈酸性，而水泥屋面则为呈碱性；在路面径流中，无论是水泥还是沥青下垫面，其水质均呈酸性。

(2)梅雨季节雨水径流SS的水质分析结果表明，其值低于北京、济南，高于苏州、西安等城市，路面雨水径流中固体悬浮物含量均显著高于天然雨水和屋面雨水。

(3)路面雨水，黑褐色，逐渐变为黄褐色，然后为浅黄色；油毡屋面，由黄色最终变为浅黄色；水泥和瓦屋屋面径流中，灰色，逐渐变清，且路面雨水的色度远大于屋面雨水色度，并且随时间延长，色度变小。

(4)降雨中Mn、Zn、Pb、Cd、Fe均出现超标现象，其中Zn、Mn高于成都、贵阳、日本以及中国台湾等城市。重金属污染先后顺序为：交通区机动车道>住宅区机动车道>屋面(油毡)>屋面(瓦房)>天然降雨。

[1]张千千，李向全，王效科，等.城市路面降雨径流污染特征及源解析的研究进展[J].生态环境学报，2014，23(2)：352-358.

[2]李倩倩，李铁龙，赵倩倩，等.天津市路面雨水径流重金属污染特征[J].生态环境学报，2011，20(1)：143-148.

[3]张科峰，李贺，傅大放，等.三种不同屋面雨水径流重金属污染特性及影响因素分析[J].环境科学学报，2011，31(4)：724-730.

[4]任伯帜，马宏璞，郑谐，等.锰矿区雨水径流中重金属含量及污染水平的空间结构特征[J].环境科学学报，2014，34(7)：1730-1737.

[5]赵剑强，邱艳华.公路路面径流水污染与控制技术探讨[J].长安大学学报(建筑与环境科学版)，2004，21(3)：50-53.

[6]Lee J H，Bang K W，Ketchum L H，et al.First flush analysis of urban storm runoff[J].Science of the Total Environment，2002，293(123)：163-175.

[7]Ames W.Current practices in modeling the management of storm water impacts[M].Florida：Lewis Publishers，1994：989-992.

[8]Sansalone J，Buchberger S G.Partitioning and first flush of metals in urban roadway storm water[J].Journal of Environmental Engineering，1997，123(2)：134-143.

[9]王华，马宁，杨晓静，等.成都市雨水中的重金属特征[J].地球与环境，2010，38(1)：49-53.

[10]车伍，张炜，李俊奇，等.城市雨水径流污染的初期弃流控制[J].中国给水排水，2007，23(6)：1-5.

[11]刘洋，李俊奇.北京市城区雨水径流污染控制与节能减排[J].环境污染与防治，2008，30(9)：93-96.

[12]武晟.西安市降雨特性分析和城市下垫面产汇流特性实验研究[D].西安：西安理工大学，2004.

[13]Drapper D，Tominson R，Williams P.Pollutant concentrations in road runoff southeast queens land case study[J].Journal of Environment Engineering，1999，126(4)：313-320.

[14]Brown J N，Peake B M.Sources of heavy metals and polycyclic aromatic hydrocarbons in urban stormwater runoff[J].Science of the Total Environment，2006，359(123)：145-155.

[15]Liu L，Liu A，Li D Z，et al.Characterizing polycyclic aromatic hydrocarbon build-up processes on urban road surfaces[J].Environmental Pollution.2016，7(214)：185-193.

[16]李倩倩，李铁龙，赵倩倩，等.天津市路面雨水径流重金属污染特征[J].生态环境学报，2011，20(1)：143-148.

[17]戴秀丽，许燕娟，承燕萍.中国地表水环境质量标准监测体系现状研究及完善建议[J].环境科学与管理，2014，12(5)：7-10.

[18]袁宏林，李星宇，王晓昌.西安市雨水径流中重金属季节性污染特征及分析[J].环境科学，2014，11(35)：4143-4147.

[19]Matthias B，HeléneÖ，Jiri M，et al.Contribution of coarse particles from road surfaces to dissolved and particle-bound heavy metal loads in runoff：A laboratory leaching study with synthetic storm water[J].The Science of Total Environment，2016，573(15)：212-221.

Analysis on Rainwater Quality of Rainy Season in Nanjing

Zhou shuyu，Luo hui，Zhao cheng

(School of Civil Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China)

In order to understand rainfall water quality change of and pollution characteristics in different types of underlying surface condition in plum rains season in Nanjing，5 times evolution process of rainfall water quality were monitored and analyzed in the aspects of pH、SS、chroma、heavy metal contents from June to July in 2016.The research results showed the water quality of natural precipitation mainly presented neutrality in plum rains season in Nanjing.The runoff on the roof and linoleum presented acid，the runoff water on cement roof was alkalineand the water of road runoff was acidic.SS in the road runoff was obiviouly higher than that of the natural rain and on the roof.The water color of road runoff changed from dark brown into pale yellow eventually.The water color of roof became to be a light yellow from yellow eventually.The water chroma of road runoff was heavier than that of roof runoff.The content of Mn,Zn,Pb,Cd and Fe in rainfall all exceed standards.The pollution of heavy metal elementswas in the following orderroad traffic area of motor vehicle > residential area of motor vehicle> the roof(linoleum)> the roof(tile)> natural rainfall.The research and evaluation of heavy metal pollution in plum rains season in Nanjing provides a theoretical basis for pollution control.

water quality；pH；chroma；SS；heavy metal elements

2016-08-08

江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

周舒宇，硕士研究生。研究方向：林区道路。

*通信作者：赵尘，教授。研究方向：工程环境。E-mail：czh@njfu.edu.cn

周舒宇，骆辉，赵尘.南京市梅雨期雨水水质特性分析[J].森林工程，2017，33(2)：60-63.

X 53；X 825

A

1001-005X(2017)02-0060-04