城市饮用水源地周边城区不同类型地表径流污染特征

付子真， 唐 磊， 张 伟,3*， 李 娟， 张绍华， 张晓然,3，王愔睿， 莫 罹， 王巍巍， 王兴双

(1.北京建筑大学， 北京市可持续城市排水系统构建与风险控制工程技术研究中心， 北京 100044； 2.中国城市规划设计研究院， 北京 100044； 3.北京建筑大学, 城市雨水系统与水环境教育部重点实验室， 北京 100044； 4.常州通用自来水有限公司， 常州 213003)

城市饮用水源地水质保障是影响城市供水安全和自来水厂水处理效能的重要因素，其污染源治理和污染物总量控制十分重要[1]。通过对饮用水源地水质的监测以及污染来源的分析，可为制定适宜的防治措施提供重要依据和支撑。一些城市开展了饮用水源地污染源调查，如自贡市的调查表明，主要污染源来自水源地周边的生活污水、化肥和农药等农村面源污染的影响[2]；而玉溪市东风水库污染源调查发现，餐饮废水排放、农业面源污染和禽畜养殖废水排放是东风水库主要污染源[3]。但目前水源地污染源调研工作大多集中于生活污水点源和农业面源污染，对于中国很多以河流作为主要饮用水源的城市来说，水源地周边城区的城市地表径流污染物同样不容忽视，尤其是随着工业污染源、农村面源和城市生活污染源的污染日益得到有效控制[4]，城市饮用水源地周边城区城市径流污染问题逐步凸显[5]。一些城市开展的城市水体污染源研究表明，城市地表径流污染已经是威胁城市水环境的重要污染来源之一[6]。

中国城市径流污染研究开展较早，20世纪90年代就开始关注城市径流污染问题[4]。大量研究对城市雨水径流的典型污染物浓度、径流污染初期冲刷、径流污染负荷等开展了较为全面的调查[7-10]，基本明晰了居住区、文教区、交通区、商业区等不同用地类型地表径流污染特征[11-15]。一些城市地表径流污染程度较为严重，已经远超地表水环境V类水标准[16]。尽管对于城市不同类型下垫面地表径流开展了较多的研究，但对于城市饮用水源地周边城区径流污染特征的研究却鲜有报道，考虑地表径流对城市饮用水源地的潜在污染风险，迫切需要开展城市饮用水源地周边城区不同类型地表径流污染调查。

对城市径流污染的早期调查研究重点关注悬浮物(suspended solids，SS)、化学需氧量(chemical oxygen demand，COD)、总氮(total nitrogen，TN)、总磷(total phosphorus，TP)等常规污染物[7-8]，随着研究深入，逐步开始关注径流污染中重金属[14,17]、大肠菌群[18-19]、多环芳烃[20-21]等微量污染物。但通过不同污染指标相关性分析发现，常规指标之间相关性较为清晰，SS与COD和TP相关性较好，与TN相关性较弱，主要因为地表径流中TN多以溶解态形式存在[22]；同时地表径流中重金属、多环芳烃等微量污染物累积富集在径流中颗粒物上，大多与SS具有较好的相关性[23]。但值得注意的是，不同城市地表径流中Pb、Cd、Cu、Zn等重金属含量较高[24]，直接排放进入受纳水体，尤其是排放至饮用水源地中必将存在较高的污染风险。

为研究饮用水源地周边城区地表径流污染特征，及地表径流污染排放对饮用水源地水质安全的潜在影响，对常州市饮用水源地(德胜河)周边城区的不同类型地表径流进行连续监测，全面评价地表径流污染程度、初期冲刷及径流污染负荷等污染特征，以期为常州市饮用水源地水质保障和污染源分析提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域

选择城市饮用水源地为常州市德胜河，是通江的骨干河道，长约21.5 km，平均口宽65 m，作为常州市魏村水厂的应急水源地[25]。2001年，建设长江魏村水源地并新建魏村水厂，为市区(新北区、钟楼区、天宁区、戚墅堰区)供水，设计供水规模60.0×104m3/d，实际供水40.0×104m3/d[25-26]。

研究饮用水源地周边城区为德胜河东岸的城镇化区域，总面积1 848 hm2，主要用地类型为居住用地、商业用地、交通用地、和工业用地，研究区域东侧为大型工业园区。研究区域的地表径流均通过雨水管道、支渠、地表漫流等形式汇入德胜河。

通过现场踏勘和下垫面条件系统分析，确定了3处地表径流监测点，分别为城市主路J1(31.580 3°N，119.553 7°E)、城市快速路J2(31.575 0°N，119.555 0°E)、建筑小区J3(31.575 2°N，119.560 6°E)；其中，J1为研究区域建成区的主要道路类型，交通流量中等，对于研究区域内主要道路下垫面具有较好的典型性和代表性，污染来源包括大气沉降、交通源(小客车为主，货运车辆少)，以及周边居民生活排放；J2为346国道，交通流量高，污染源主要是货运车辆渣土洒落排放，交通源(多种类型车辆，货运车辆多)的尾气排放、轮胎磨损、漏油等，以及大气沉降；J3为研究区域内大型居住小区，具有典型居住小区污染特征和典型性，污染源以大气沉降和居民生活排放为主，交通污染源较少。监测点位置如图1所示。

图1 地表径流监测点位置Fig.1 Location of surface runoff monitoring point

1.2 采样方法

当地表径流监测点出现明显产流时，在雨水口处采集第一个样品，并记为0 min，随后按照5、10、15、20、30、45、60、90、120 min的累积时间采集径流水样。当超过120 min降雨未停止，按照30 min间隔时间继续采集水样，直至雨水口无径流为止；当径流历时不足120 min时，径流结束时停止采样；当降雨强度变化较大、且降雨历时较短时，适当加密采样频次。

1.3 水样保存与分析

依据《水和废水监测分析方法》[27]中重金属Pb、Cu、Cd、Cr、Zn和Mn测定的标准方法对水样进行预处理，使用NexION 300X型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定；石油类采用紫外分光光度法测定，苯酚采用GC-2010plus型气相色谱仪(GC)测定，苯采用7890B型气相色谱仪测定。

若不能立即进行水质指标分析，样品用棕色玻璃瓶在4 ℃冷藏，并在24 h内完成水质指标测定。样品在测定过程中用质控样和平行样品控制分析精密度和准确度。

1.4 监测降雨事件特征

监测期间使用翻斗式雨量计(HOBO RG3-M，Onset)监测降雨数据，雨量计安装于魏村水厂办公楼屋顶(图1)。2019年雨季对3处地表径流监测点进行同步监测，排除因监测设备问题导致数据不全或采样同步性存在问题等出现的无效降雨事件，共采集有效降雨事件3 场，监测的有效降雨事件基本特征如表1所示。

表1 监测降雨事件降雨特征

1.5 数据分析方法

次降雨事件的污染物浓度通常采用事件平均浓度(event mean concentration，EMC)，其表达式为[28]

(1)

式(1)中：EMC为事件平均浓度，mg/L；M为污染物总量，g；V为径流总量，m3；T为总降雨历时，s；Ct为t时刻污染物的浓度，mg/L；Qt为t时刻径流流量，m3/s。

当初期径流中污染物的排放率大于径流排放率，则可以认为存在初期冲刷效应[28]。主要利用M(v)曲线法对地表径流初期冲刷效应进行评价，即当曲线前端位于对角线上方时，存在初期冲刷现象且曲线的前端越高，则初期冲刷现象就越明显[29]。

通过对城市地表径流中各污染物水质水量分析，计算年径流污染负荷，其表达式为[30]

l=L/A=0.01αψPC

(2)

式(2)中：l为单位面积污染物负荷，kg/(hm2·a)；L为一定面积排水区域的污染物负荷，kg/a；A为排水区域面积，hm2；0.01为单位换算系数；α为径流修正系数，典型值一般取0.9；ψ为排水区域综合径流系数；P为年降雨强度，mm/a，常州市年降雨强度为1 091.4 mm/a；C为EMC均值，mg/L。

2 结果与讨论

2.1 事件平均浓度(EMC)

结合径流水质监测数据和径流水量数据，按照事件平均浓度计算方法，计算三个地表径流监测点各监测降雨事件中常规污染物、重金属及有机物的EMC如图2所示。在监测的三次有效降雨事件中，J1、J2、J3的地表径流中COD、TP、Pb、Cr、Zn均超过《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅴ类水的标准，大量地表径流的直接排放，将威胁饮用水源地德胜河的水环境质量。

图2 径流污染物EMC均值Fig.2 EMC average values of runoff pollutants

J1是该研究区域主要道路类型，其径流SS和COD的均值分别为(206.60±91.04) mg/L和(108.61±52.15) mg/L，与中国其他城市同类型道路径流污染处于同一水平[9-10,13,16]，说明城市主路径流污染水平具有一定代表性。

J3径流污染水平相对较高，SS、COD、TN和TP的EMC值分别达到了(223.85±118.00)、(82.04±7.95)、(3.50±1.94)、(0.58±0.19) mg/L，SS和TN等污染物浓度高于城市主路。尽管建筑小区中交通流量低于城市主路，但因建筑小区人员集中，存在居民、临街商铺倾倒生活污废水、垃圾现象，且地面清扫频率较低，进而导致建筑小区径流中SS和TN相对较高。

重金属污染方面，J1、J2、J3的地表径流中6种重金属的EMC均值差异较大。总体来看，城市快速路重金属污染水平最高，其污染水平与中国其他城市研究报道较为接近[14,17]。道路地表径流中重金属主要来自汽车轮胎和刹车盘磨损等[14]，城市快速路车流量高于城市主路，且由于采样点接近红绿灯，车辆在采样点附近上启动、刹车等频次更高，由此导致重金属污染水平更高。建筑小区径流Cu、Cd、Cr、Zn和Mn的EMC均值总体基本与城市主路和快速路径流处于同一水平。值得注意的是，建筑小区径流中Pb含量高，甚至数倍于城市快速路和城市主路，但建筑小区地表径流中Pb来源尚不明晰，还需进一步研究和源解析。

3处地表径流中有机物石油类、苯酚、苯的EMC均值差异不大，同时结合《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的相关要求，地表径流中有机物污染水平总体较低，对饮用水源地可能造成的潜在威胁相对有限。

2.2 初期冲刷评价

按照M(v)曲线定义，分别计算各监测降雨事件的径流量累积排放率和不同径流污染物累积排放率，并绘制3处监测点3 场降雨事件的M(v)曲线如图3、图4所示。研究表明，对于特定地表径流监测点，在不同降雨条件下其污染指标初期冲刷程度差异显著，主要与降雨特性和污染物前期累计程度有关[9-13,31]，研究数据也印证了这一结论(图3、图4)。重点探讨在同一降雨事件中(降雨条件相同的前提下)，不同类型下垫面地表径流污染物初期冲刷程度的差异。

图3 常规污染物M(v)曲线Fig.3 M(v) curves of conventional pollutants

从重金属污染指标看，由于雨水径流中重金属污染物多与不同粒径的颗粒物结合[14,17]或以颗粒态形式赋存[17,32]，因此重金属污染物的初期冲刷规律(图4)总体上与SS的冲刷规律基本一致(图3)。当然，也有部分重金属(如Cd等)冲刷规律与SS存在一定差异，这主要与径流中Cd浓度水平较低(仅略高于检测限)，且在整个径流过程中浓度变化不大有关。

图4 重金属污染物M(v)曲线Fig.4 M(v) curves of heavy metals

2.3 年径流污染负荷

表2 不同类型地表径流常规污染物年污染负荷

表3 不同类型地表径流重金属和有机污染物年污染负荷

从重金属来看，3处地表径流中重金属污染负荷相对于同类型研究而言较高[16]，尤其是Pb、Zn等，仅Cd的污染水平较低。这主要与道路交通污染排放有关，同时研究区域东侧的大型工业园区的污染排放可能也是造成当地地表径流中重金属污染负荷水平较高的原因之一。

总体来看，德胜河周边城区径流中常规污染物年污染负荷与上海、苏州等国内经济发展程度较高的城市处于同一水平，同时考虑到德胜河周边城区径流中较高的重金属污染负荷，如不进行有效的径流污染控制措施，必将对作为应急备用饮用水源地德胜河的水环境造成严重威胁。

3 结论

通过对常州市饮用水源地德胜河周边城区不同类型地表径流的监测，分析了不同类型地表径流的事件平均浓度(EMC)、初期冲刷程度及年径流污染负荷等特征，得出如下结论。

(1)城市主路、城市快速路、建筑小区的地表径流中COD、TP、Pb、Cr、Zn的EMC均值远超过《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅴ类水的标准，地表径流直接排放，将严重威胁饮用水源地德胜河的水环境质量；典型有机污染物石油类、苯酚、苯的污染水平相对较低，对饮用水源地可能造成的潜在威胁相对有限。

(2)监测数据印证了降雨量和降雨强度等降雨特征对径流污染物初期冲刷的显著影响，前期晴天数是影响初期冲刷程度的关键因素；不同类型下垫面的地表类型、坡度等因素导致其产汇流条件的差异，也是影响常规污染物初期冲刷程度的重要因素；主要以颗粒态形式赋存的重金属，其初期冲刷与SS呈现较为一致的冲刷规律，如能采用针对颗粒态径流污染物的初期雨水控制措施，将有效控制径流中重金属的污染排放。

(3)城市主路、城市快速路和建筑小区径流中常规污染物SS、COD、TN、TP的年污染负荷与中国经济发展程度较高的城市同类型区域径流污染负荷处于同一水平，但Pb、Cu、Cr、Zn、Mn等重金属污染负荷较高，将对作为应急备用饮用水源地的德胜河水环境造成严重威胁，迫切需要采取径流污染控制的工程和相关管理措施，保障常州应急备用饮用水源地水环境质量和城市供水系统安全。