烟台文教区不透水下垫面降雨径流过程污染特性分析

夏振民,张 劲,易齐涛,王 焜,吕建波,李 芳,于艾鑫

(烟台大学土木工程学院,山东 烟台 264005)

近年来,随着我国经济的发展和人民生活水平的提高及对生态环境整治力度的加大,水环境中点源污染逐步得到有效控制而面源污染比例逐渐增加,我国面源污染负荷通常能够占到总污染负荷的35%～55%,有些地方甚至高达65%～75%[1-3]．发达国家多年的治理实践表明,单纯控制点源污染并不能有效改善水质,美国自20世纪70年代开始推行TMDL(total maximum daily loads)计划,综合考虑流域点源和面源污染排放总量控制,取得了较好的成效．

面源污染主要分为降雨径流引起的农业面源和城市面源两大部分．由于城市基础建设发达,下垫面不透水特性更强,受降水冲刷强烈导致污染负荷集中输出,从而对城市周边地表水生态环境造成较为严重的影响．我国对城市面源污染的研究起步于20世纪80年代初的北京,随后上海、杭州、南京、成都等大中城市也开展了大量的相关研究[4],包括污染物来源解析、径流中污染物迁移特性、污染负荷估算及控制方案等多方面内容,相关研究结果对指导我国城市面源污染控制起到了重要作用．

屋面与路面是城市2种典型的不透水下垫面．屋面下垫面在城市不透水面积中占据较大比例,如上海市城区屋面面积占整个不透水区的55%以上,且降雨径流组成复杂、污染强度大[5],因此是城市面源污染重要污染源之一．路面下垫面污染物来源广泛,成分复杂,经降雨径流冲刷后形成重要的面源污染源．我国幅员辽阔,各城市气候和环境特征多样,发展水平各异,城市面源污染特征也具有较大不同．此前相关研究主要集中于内陆或南方的沿海城市,但对北方沿海城市研究相对较少．烟台市为典型的北方沿海城市,其在气候、降雨等方面和其他内陆城市主要差别在于:(1)沿海地区平均风力三、四级,空气质量较好,2018年全年空气优良率可达到86.8%;(2)降雨集中,历时较短,对地表冲刷强烈;(3)降雨形成径流多直接入海从而直接影响近海水质．以此为背景,本研究主要监测和分析烟台市文教区屋面、路面2种典型不透水下垫面降雨径流污染负荷过程与特征,研究结果可以为该类型城市面源污染防治提供一定的参考和依据,对改善沿海城市流域的水污染状况具有积极意义．

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

烟台市是我国重要的沿海开放城市之一,地处山东半岛东北部,东连威海,西接潍坊、青岛,南邻黄海,北濒渤海,与辽东半岛隔海相望．烟台全市土地面积13 746 km2,海岸线长909 km,常住人口约700万．烟台自然环境优越,属于中纬度温带海洋性季风气候,年平均气温12 ℃,历年平均年降水量约707 mm,汛枯水期降雨量相差较大．研究区位于烟台市莱山区烟台大学北校区(主校区)(图1),气候环境受海洋影响较大．

1.2 降雨径流监测与水质分析

在烟台大学选择屋面、路面2种典型不透水下垫面类型,其中屋面监测点位于学校土木馆东南角雨水管,路面监测点位于学校足球场和国防生训练场中间路面雨水口．于2018年4月22日进行降雨径流监测,监测过程持续约220 min,降雨量共9.2 mm,屋面和路面分别采集采水样12个、9个．水样采集时间间隔根据雨量和雨强动态调整,降雨初期间隔一般为2～5 min,随着径流污染物浓度下降,中后期增至10～30 min,用雨量计记录降雨强度．

采样完成后立即在实验室进行水质分析,主要分析COD、TP、NH3-N 3个水质指标,分析方法主要根据相关国家标准进行[6],其中COD采用重铬酸钾法,TP采用钼酸铵分光光度法,NH3-N采用纳氏试剂分光光度法．

1.3 数据分析

采用EMC(事件降雨径流污染物平均浓度)来表述降雨径流污染物浓度,计算公式(1)如下:

(1)

式中,EMC即为某场降雨径流污染物事件平均浓度(mg/L);Cj为第j时间段所测的污染物的浓度(mg/L);Vj为第j时间段的径流量(m3);n为时间分段数．计算结果见表1．

表1 屋面和路面采样点各污染物指标EMCTab.1 EMC in the roof and road runoff mg/L

2 结果分析

2.1 降雨径流污染特征

如图2所示,降雨过程中屋面所监测的3种污染物浓度均表现为在降雨径流形成的第一个采样点即达到污染峰值,而后整体下降的趋势．屋面COD峰值为384 mg/L,在10 min内快速下降至99.8 mg/L,并在以后至结束的约190 min降雨期内缓慢下降至约50 mg/L．屋面TP最高浓度为0.27 mg/L,随着降雨径流冲刷逐渐降至0.05 mg/L以下,水质已经变得较为清洁．NH3-N初期污染浓度最高值达到13.2 mg/L,而后迅速下降到4.0 mg/L之下,并与TP一样,50 min后趋于稳定并缓慢下降．由于降雨冲刷的不均匀,3项指标浓度在下降过程中偶有波动．

如图3所示,路面降雨径流污染整体趋势与屋面相似,但与屋面不同的是,3项指标峰值均出现在第二采样点,可能主要受降雨强度的影响,监测过程中随着初期冲刷力度的加强,污染物浓度峰值随之出现,峰值之后呈现快速下降趋势,降雨23 min以后除COD值偶有波动外,TP和NH3-N的浓度值降速放缓,趋于稳定．路面COD污染较为严重,峰值高达764.8 mg/L,而后迅速下降,但在50 min后到降雨结束,一直在100～200 mg/L区间缓慢下降,浓度仍然较高;路面TP浓度峰值为0.73 mg/L,后期降至0.10 mg/L以下;路面NH3-N污染浓度峰值为16.1 mg/L,后期降至约1.0 mg/L,水质已相对较好．

本次降雨径流不同下垫面中污染物EMC如表1所示,可以发现,本次降雨监测2种下垫面的污染物指标EMC均超过地表Ⅴ类水标准,污染较为严重．从下垫面类型看,路面径流的3项指标污染程度均大于屋面径流,其中,屋面与路面COD的EMC分别为56.2 mg/L和165.2 mg/L,TP的EMC分别为0.07 mg/L和0.27 mg/L,路面污染这2种污染的浓度约为屋面的三、四倍,而NH3-N的EMC相差不大,屋面和路面的值分别为2.07 mg/L和2.35 mg/L．

2.2 降雨径流污染初期冲刷特征

降雨径流的初期冲刷效应(First flush effect)是指在整个降雨过程中,降雨初期的少量降雨径流中携带有整场降雨中大部分的污染物质的现象[7]．如图4和图5所示,径流污染累积负荷曲线累积分布曲线均在45°对角线的上方,说明相对于径流形成,污染物负荷更大;在20%～30%之后的径流累积过程中,污染负荷曲线渐平,水质逐渐清洁．

屋面径流中,NH3-N初期冲刷效应相对最为显著,20%累积径流可携带48%的累积污染负荷,COD和TP的累积负荷曲线则相对平缓,初期冲刷效果均相对较弱,20%累积径流所携带累积COD负荷约为32%,TP则约37%．路面径流呈现出与屋面径流相似的特点,仍是NH3-N初期冲刷特征最为明显,20%累积径流可携带45%的累积负荷,相对应的20%累积径流所携带累积COD和TP负荷分别为34%和32%,与屋面初期冲刷效果相似．

3 讨 论

3.1 下垫面类型对径流污染负荷输出的影响

下垫面类型影响城市面源污染负荷,主要归结于污染物的来源差异．屋面径流污染物主要来自大气干湿沉降．表2、表3给出了全国典型大中城市降雨径流数据及相关参考文献,天津住宅区、宁波、太原、武汉等地工业区,以及北京、西安、成都等地文教区屋面监测点所测EMC值均较高,其中北京文教区屋面监测点所测COD可达353 mg/L,天津文教区屋面监测点TP和NH3-N分别可达0.63 mg/L、10.6 mg/L,污染较为严重．与这些内陆城市监测点相比,考虑到本次沿海文教区监测点常年海风较大,屋面颗粒物污染物不易累积,其监测点降雨径流三项指标污染值均较小．在屋面降雨径流污染负荷方面,监测点地理位置、周边环境和空气质量是主要的影响因素．

表2 国内部分典型城市降雨径流屋面采样点各污染指标EMCTab.2 EMC of pollution indicators of rainfall runoff in the roof sampling points in some typical cities in China mg/L

表3 国内部分典型城市降雨径流路面采样点各污染指标EMCTab.3 EMC of pollution indicators of rainfall runoff in the road sampling points in some typical cities in China mg/L

路面径流污染物径流污染物通常为悬浮颗粒物(SS)、有机污染物(COD)、重金属(Cu、Cr、Pb)、营养物质(N、P)、氯化物和多环芳烃等[8-9]．其来源除了大气沉降外,还受到交通行为、城市垃圾等其他等方面的影响,因此路面径流污染程度基本正相关于城市化程度,且具有一定的地域特征．一般来说,同一城市中不同土地利用类型的路面,交通区、商业区和工业区由于社会经济活动发达而污染更为严重,其降雨径流中各项污染物的EMC值会高于居民区路面[10-13]．本研究路面监测点位于文教区主干道,人、车流量虽较大,但周边环境与日常清洁较好,所测COD、TP等颗粒态污染物负荷值低于北京、石家庄、西安、宁波、成都等城市交通干道、工业区及商业区监测点,如成都路面监测点COD可达484.5 mg/L,北京环路干道路面监测点TP与石家庄高架桥下路面监测点NH3-N分别达到1.03 mg/L和4.75 mg/L,均远高于本研究区．

下垫面材料也会一定程度影响降雨径流水质．沥青、油毡材料屋面径流比水泥、瓦面材料屋面径流污染严重,是屋面径流污染的主要污染类型[14],因为这些屋面材料具有相对较高的比表面积,导致其对污染物具有较高的富集能力．如南京文教区瓦屋面,其COD的EMC值为38.7 mg/L,NH3-N的EMC为1.35 mg/L,海口居民区水泥屋面COD的EMC为44.8 mg/L,TP浓度为0.04 mg/L,均小于本区改性沥青卷材屋面降雨径流污染．同时,本次文教区沥青路面降雨径流3项指标污染负荷值基本高于北京、宁波、西安等地的水泥路面以及小区停车场．因此,考虑屋面和路面不同类型建筑材料的区分,能够提高面源污染负荷估算精度[15]．

3.2 初期冲刷及污染负荷特征

径流污染的冲刷特征是制定城市面源污染负荷削减方案的重要理论依据,不同场次、不同降雨时间中,各个指标表现出不同强度的初始冲刷效应[17],与污染负荷存在着一定的响应关系,在国内外多年对屋面、路面等不同类型下垫面的降雨初期径流的研究[28-31]表明,降雨总体积比例为20%～30%的初期径流,可以携带总比例50%～80%的COD、TP 和NH3-N污染负荷,如在白瑶等[32]的研究中,总径流量的25%携带SS、COD、TN、NH3-N、TP污染负荷分别是66.9%、47.1%、38.1%、40.3%、65.5%,MAMOON等[33]研究也表明前20%的径流量携带TSS、TN、TP和TOC负荷范围为20%～60%．

初期冲刷现象并不必然存在,如果地表存在大量沉积物,初始冲刷现象就很可能不会发生,这就意味着初始冲刷现象的发生更可能与大暴雨有关[34]．在重庆[35]的降雨监测印证了这一点,研究发现大到暴雨造成的初期雨水污染冲击远高于小雨及中雨造成的污染冲击．本研究所选雨型虽然属于小雨,初期冲刷特征并不十分强烈,但屋面、路面截流20%的初期径流,携带了大约32%～48%的面源污染负荷,与文献中理论与其他实验结论一致．

此外,对不同种类的污染物,初期冲刷效应也具有不同的特征,因为地表径流多种污染物的分布特征与颗粒物的分布存在联系[36],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[37],其中COD和TP主要以颗粒态存在,一般与SS的相关性较好,因此,含颗粒物更多的路面径流COD与TP的EMC较大于屋面径流;而径流中氮的主要形态是溶解态氮,并具有一定挥发性,且受不同屋面和路面材料的影响,硝态氮、氨态氮等所占比例会发生变化[38],因此NH3-N的EMC在2种下垫面中的污染负荷值则没有明显的差别．

根据本研究结果,对沿海城市初期雨水进行削减可以有效减少城市面源污染对临近河流和近海水质的影响,在对初期雨水进行处理时,考虑污染物颗粒态存在的特性,以去除SS为目的的物理方法会对有机物(COD)和含磷污染物有一定的处理效果[39]．根据LID低影响开发理念,降低不透水下垫面面积,增加生物滞留设施,如生态滤沟、雨水花园、生态停车场等措施,是解决初雨污染浓度大、缓解城市内涝等问题的有效方法．相对应地,在对雨水进行收集利用时,要对初期雨水进行弃流,目前,我国城市屋面初期雨水的控制量基本上在2～9.6 mm,本研究中的降雨量为9 mm,按此标准能控制大部分小雨污染物的径流污染负荷．

需要指出的是,除了上述影响因素外,面源污染负荷还受气象条件的影响,如前期污染物累积天数、降雨量和降雨强度等多方面的影响．相对于溶解态污染物,降雨特征对颗粒态污染物污染负荷排放影响更大[40]．因此,在后续研究中需进一步考虑功能区的差异、降雨特征、污染负荷累积特征等多方面的因素,从而更加科学准确分析沿海城市降雨径流污染负荷特征,为城市面源污染防治提供有益参考．

4 总 结

研究以烟台文教区烟台大学为对象,考虑屋面、路面下垫面2种典型不透水下垫面类型,对其降雨径流污染负荷特征进行监测分析,并通过文献数据对比了烟台与国内其他大中城市的不同下垫面降雨径流污染负荷特征的差异,主要结论如下:

(1)2种下垫面相比,路面COD和TP的EMC值要高于屋面,而NH3-N的EMC在2种下垫面之间则相差不大,初期冲刷特征相对COD和TP最为显著．

(2)文献数据对比分析表明，烟台文教区屋面和路面污染物浓度EMC比其他大中型城市文教区较低,主要原因与沿海气象条件和地理位置造成的污染沉降较少相关．

(3)对于本区屋面和路面径流污染负荷的初期冲刷效应,如果截流20%的初期径流能控制约32%～48%的降雨径流污染负荷．