成都市中心城区非渗透下垫面降雨径流污染物特性研究

王以尧，陈新拓，钟 科，高 红，贾滨洋

(1，成都市环境保护科学研究院，成都 610072；2 成都市环境工程评审中心，成都 610072)

1 前 言

城市降雨径流面源污染：是指降雨过程淋洗、冲刷空中漂浮物、建筑物附着物和街道地表物，通过漫流进入水体的污染现象[1]。目前，国内县级以上城市排水系统建成之后，很多地区河道水质仍达不到水环境功能区目标，甚至黑臭，城市降雨径流面源污染是重要原因之一。美国国家环保局(EPA)[2]对城市降雨径流进行了全面监测，发现CODcr中值浓度为65 mg/L，TP中值浓度为0.33 mg/L。常静在2007年[3]报道上海降雨径流TP浓度为0.03～1.01 mg/L，而珠海降雨径流TP浓度在0.41～0.83 mg/L之间[4]。上海的交通区和商业区TP污染远高于工业区和居民区[5]，周栋[6]也发现类似规律，即径流中TP浓度：交通干道>小区路面>停车场>屋顶。对于重金属指标，ayhanian[7]研究发现加州马路径流中As、Cd、Cr、Pb等重金属浓度显著高于非城市地区。Gromaire[8-9]研究发现，法国巴黎屋面径流重金属污染大于街道和庭院。常静在2007年[3]研究发现上海市降雨径流Zn浓度在0～4 mg/L之间，Pb浓度在0～0.1 mg/L之间，Cu浓度在0～0.2 mg/L之间，Cr浓度在0.05～0.3 mg/L之间，而张晶晶在2011年研究发现，降雨径流重金属浓度除Hg以外，基本低于地表V类水质标准[10]。

监测发现，成都市中心城区河流存在雨天污染物浓度高于旱天现象，推测河流污染物浓度很大程度来源于降雨冲刷。张光岳在2008年[11]报道了成都市道路降雨径流COD浓度在307 mg/L～1 284 mg/L。鲁雄飞[12]在2013年采用人工降雨办法对一品天下大街道路降雨径流进行了研究，发现COD浓度范围在157～317 mg/L。上述研究采集降雨场次较少，且涉及非自然降雨事件，监测指标较少，不能全面反应成都市中心城区降雨径流污染物特征。所以本文针对成都市主要类型的非渗透下垫面进行系统研究，以期为成都市河道雨天污染防治、海绵城市建设以及深隧建设的论证提供基础数据支撑。

2 材料与方法

2.1 采样

2016年采集3个降雨场次，2017年采集5个降雨场次，共8次(表1)。为了径流收集器有效安装，且便于管理，选择川大周边不同类型下垫面开展样品收集，包括交通区、生活区，以及路面和屋顶，具体描述见表2。

表1 降雨事件采样及降雨特征描述表Tab.1 Rainfall event character and sampling date (mm)

表2 径流和雨水采样点位Tab.2 Rainwater and runoff sampling location

雨量计安装：在四川大学创业中心楼顶安装雨量站(图1)，2分钟记录一次并每周下载雨量记录数据。

图1 雨量计安装Fig.1 Rain gauge installation

图2 径流采集器的安装Fig.2 Runoff collector installation

降雨径流收集器的安装：根据雨水口服务面积特征以及专利“一种降雨径流采集器”[13](图2)，在4个采样点安装径流收集器，采集径流的同时记录流量。

2.2 径流样品测试

2.2.1 预处理

径流样品采集2份，一份测定SS，另一份避光保存在4℃下，加优级纯浓硫酸(H2SO4)使pH保持在2以下，所有样品需在3 d内测完。

指标的溶解态是指经0.45μm膜过滤的水样，本实验使用Millipore水性膜进行过滤处理。

2.2.2 常规指标测定

径流常规指标的测试方法[14]如表3所示。

表3 常规水质指标分析方法Tab.3 Analysis method of general water parameters

2.2.3 重金属指标

本文所测定的重金属主要是指分子量大于Cu (64)的一些金属元素，具体包括： Pb、As、Cd、Cr和Hg 5种元素。

水样消解：采样新国标法[15]进行水样消解。量取100mL样品放入250mL聚四氟乙烯烧杯中，加入2mL硝酸溶液(1∶1)和1mL盐酸溶液(1∶1)于烧杯中，置于电热板加热消解，加热温度不得高于85℃，保持溶液不沸腾，直至样品蒸发至20mL左右，消解需在通风橱内进行。待样品冷却后，定容到50mL待测，若消解液中存在一些不溶物，用0.2μm膜(Millipore水性膜)过滤。样品测定：样品预处理后用ICP进行测定，在1周内完成。

2.3 数据分析

2.3.1 浓度分布与水质评估

由于降雨径流大多是直接进入受纳水体，所以本文选择地表水环境质量标准(表4～表5)对径流进行水质评估。

表4 常规指标地表水质标准Tab.4 Surface water quality standard for general parameter

表5 重金属指标地表水质标准Tab.5 Surface water quality standard for heavy metal parameter (mg/L)

2.3.2 固液分配比例及相关性分析

为了分析降雨径流的固液分配比例，对2017年8月7日采集的样品同时分析了溶解态浓度。使用SPSS 17.0 的Spearman对8次采集样品测定的指标进行相关性分析。

3 结果与分析

3.1 浓度分布与水质评估

图3～图11列出了屋面、小区和马路下垫面降雨径流不同污染物的浓度总体分布，其中COD、TN超过Ⅳ类水质标准的频次都为74.5%，低于张光岳在2008年[11]和鲁雄飞在2013年[12]的研究报道浓度；TP超过Ⅲ类水质标准的频次为41.8%，超过V类水质标准的频次为9.2%；石油类超过Ⅳ类水质标准频次为28.6%，超过V类水质标准的频次为11.2%；Cr超过Ⅲ类水质标准的频次为3.1%；Pb超过Ⅲ类水质标准的频次为6.1%；Cd超过Ⅲ类水质标准的频次为1%；As都在Ⅲ类水质标准以内；Hg超过Ⅳ类水质标准的频次为2%。本项目和王以尧(2015年)[16]在上海的研究类似：COD和TN总量基本都超过了地表V类水质标准；TP总量基本在地表Ⅲ类水以内，各重金属指标基本都在地表Ⅲ类水质以内。COD、TN和TP三参数研究结果和国内一些城市[17-18]基本相当，但显著高于美国一些大中城市监测结果[2]。重金属指标基本低于常静[3]在2007年对上海市的研究结果。

从不同下垫面来看，COD、SS、石油类、Pb、Cr、As 6个指标浓度马路>小区>屋顶(表6)，主要是因为马路为沥青路面，且汽车行驶产生了与之对应的污染物，其浓度也更高，这和常静[3]、周栋[6]和Gromaire M C[8]研究结果类似。而TN、TP等指标存在不同变化趋势，证明马路下垫面和汽车行驶等不是该指标的特征污染物，而屋顶受大气沉降影响、且在外界干扰因素较小的情况下，浓度更高。

图3 马路、小区和屋顶降雨径流COD浓度分布Fig.3 Traffic road, housing road and roof runoff COD concentration distribution

图4 马路、小区和屋顶降雨径流TN浓度分布Fig.4 Traffic road, housing road and roof runoff TN concentration distribution

图5 马路、小区和屋顶降雨径流TP浓度分布Fig.5 Traffic road, housing road and roof runoff TP concentration distribution

图6 马路、小区和屋顶降雨径流石油类浓度分布Fig.6 Traffic road, housing road and roof runoff petroleum concentration distribution

图7 马路、小区和屋顶降雨径流Cr浓度分布Fig.7 Traffic road, housing road and roof runoff Cr concentration distribution

图8 马路、小区和屋顶降雨径流Pb浓度分布Fig.8 Traffic road, housing road and roof runoff Pb concentration distribution

图9 马路、小区和屋顶降雨径流Cd浓度分布Fig.9 Traffic road, housing road and roof runoff Cd concentration distribution

3.2 污染物来源

3.2.1 固液分配比例

固液分配比例可以反应降雨径流污染物的来源，同时有助于分析降雨径流的污染防治措施。图12～图14展示了降雨过程中径流各常规指标在4个下垫面溶解态占总态比例的变化情况。COD溶解态占总态比例平均值在35.82%～91.30%之间，平均值为67.23%除屋顶比例稍大为78.21%以外，其余各下垫面比例基本在60%左右，除屋顶下垫面以外，马路和小区基本呈现溶解态浓度比例在降雨初期很低、然后逐渐升高的趋势，表明颗粒态COD在降雨初期的冲刷效应(图12)。TN溶解态占总态比例较高，平均值在53.26%～97.40%之间，平均值79.46%，屋顶溶解态比例稍高为88.60%，除主干道马路降雨初期表现出颗粒态浓度较高的初期冲刷效应外，其他下垫面变化趋势不强(图13)。TP溶解态占总态比例平均值在20.91%～86.30%之间(图14)，平均值为52.62%，屋顶达到78.79%，几个下垫面都在降雨初期表现出颗粒态浓度较高的初期冲刷效应。不同下垫面比较来看，屋顶溶解态比例较高，小区溶解态比例较低。

图10 马路、小区和屋顶降雨径流As浓度分布Fig.10 Traffic road, housing road and roof runoff As concentration distribution

图11 马路、小区和屋顶降雨径流Hg浓度分布Fig.11 Traffic road, housing road and roof runoff Hg concentration distribution

表6 不同指标马路、小区和屋顶降雨径流平均值Tab.6 Different water parameter average concentration in traffic road, housing road and roof runoff (mg/L)

降雨径流TP主要是以颗粒态形态接近50%(图15)，与其他研究结果[7,18]类似，而COD指标溶解态比例稍高于颗粒态比例，而王以尧(2015年)[16]在上海的研究结果是以颗粒态为主(图16)。由于含氮化合物溶解性较强[19]，所以降雨径流TN以溶解态为主(图17)。总体上，屋顶各指标溶解态比例相对较高，而主干道马路相对较低，表明主干道具有明显颗粒物冲刷效应。

图12 COD在不同下垫面降雨过程中径流固液 分配比例(溶解态浓度/总浓度%)Fig.12 COD dissolved form/total form proportion in different underlying surface during rainfall event (dissolved form concentration/total form concentration %)

图13 TN在不同下垫面降雨过程中径流 固液分配比例(溶解态浓度/总浓度%)Fig.13 TN dissolved form/total form proportion in different underlying surface during rainfall event (dissolved form concentration/total form concentration %)

图14 TP在不同下垫面降雨过程中径流 固液分配比例(溶解态浓度/总浓度%)Fig.14 TP dissolved form/total form proportion in different underlying surface during rainfall event (dissolved form concentration/total form concentration %)

图16 COD在不同下垫面降雨径流固液分 配平均比例(溶解态浓度/总浓度%)Fig.16 COD dissolved form/total form average proportion in different underlying surface (dissolved form concentration/total form concentration %)

图17 TN在不同下垫面降雨径流固液 分配平均比例(溶解态浓度/总浓度%)Fig.17 TN dissolved form/total form average proportion in different underlying surface (dissolved form concentration/total form concentration %)

3.2.2 相关性分析

从表7可以看出，SS和营养盐、有机物都具有显著相关性，Cr、Pb、As和SS相关性在0.41～0.54之间，说明颗粒态是重要的污染物赋存状态；COD与各指标也具有显著相关性，与TP、TN、石油类、Cr和As的相关性都在0.45以上，说明这几类污染物很大一部分来源于有机耗氧物质。三种重金属之间的相关性不强，说明具有不同的来源性。本项目研究结果与王以尧(2015)[16]、魏孜[20]和周栋[6]研究结果比较接近，SS和COD与大多数指标都具有较好的相关性。

表7 降雨径流各污染指标相关性分析Tab.7 Correlation analysis of runoff different parameter concentration

注：××表示极显著相关(P<0.01)，×表示显著相关(P<0.05)。

4 小 结

4.1 成都市中心城区非渗透下垫面COD和TN基本都超过了地表V类水质标准；TP超过地表Ⅲ类水质标准的频次为41.8%，各重金属污染程度不高，总体好于成都市2008和2013年的研究结果。与上海研究结果近似，但显著高于美国一些大中城市监测结果。

4.2 除屋顶较高以外(>70%)，各下垫面固液分配比例基本表现出初期颗粒态冲刷效应；降雨径流TP主要以颗粒态形式为主(>50%)，COD溶解态比例稍高(60%左右)，其溶解态比例稍高于其他城市研究；而TN主要以溶解态形式存在(>70%)。

4.3 颗粒物(SS)、COD与营养盐、有机物和重金属指标都具有显著相关性，推测颗粒态物质是降雨径流污染物的重要来源，且大多源于有机耗氧物质。