白洋淀上游城市地表径流总氮污染特征

马学琳 ，李洪波 ，赵 琪 ，刘新军 ，罗 宁 ，赵建国

（1.河北省生态环境科学研究院，050037，石家庄；2.河北省水环境科学实验室，050037，石家庄；3.河北省生态环境监测中心，050037，石家庄）

城市化进程的加快使城市屋面、街道等不透水面积不断增加，促进地表径流的形成，挟带各种污染物在降雨冲刷下进入受纳水体，城市地表径流污染成为仅次于农村面源污染的第二大面污染源。 通过研究城市地表径流污染特征， 了解污染物随降雨及径流的变化趋势， 对控制城市面源污染物具有重要意义。

保定市位于白洋淀上游，其城市地表径流污染物直接影响入淀河流的水质状况，并进一步对白洋淀水质产生影响。 为了解上游城市地表径流污染对白洋淀水质的影响程度，为白洋淀流域外源污染治理提供理论依据，本文选取河北农大作为屋面径流采样点，南金庄、东鲁岗作为道路径流采样点， 采样时间为2019 年6—10 月， 选取保定市作为白洋淀上游典型城市对地表径流污染进行研究，并对本地化累积-冲刷模型进行修正预测。

为获取保定市城市地表径流的污染特征，在本研究计算中，城市径流污染负荷L（g/m2）表征为场次地表径流深R（mm）与水样中污染物浓度C（mg/L）之积，城市径流深的计算采用美国SCS 模型，城市地表径流污染负荷计算采用累积-冲刷模型模拟污染物在晴天积累、 降雨冲刷的过程。以总氮为代表污染物，进行保定市城市地表径流污染特征研究。

一、地表径流污染负荷时空变化特征

本研究监测的保定市有效降雨径流过程中各点位总氮浓度为6.066±4.203 mg/L，除东鲁岗 9 月监测值外，其他月份各点位总氮浓度均大于2.0 mg/L，劣于《地表水环境质量标准》中Ⅴ类水质，这也与其他研究中的分析结果相近。 地表径流污染物进入受纳水体后会直接影响其水质， 进而对白洋淀水质产生一定程度的影响。

城市地表径流污染作为一种依托降雨产生的污染源，其时空变化具有很大的随机性。 本研究监测有效降雨径流过程中各点位总氮污染负荷为 0.144±0.132 g/m2（图 1），时空差异较大。 城市地表径流一般随降水产生，其污染负荷在雨季和非雨季有明显的时间变幅。7—8 月总氮污染负荷明显高于其他月份，这与7、8 月份降雨量较大，能够冲刷裹挟的污染物总量较大有关。 东鲁岗与南金庄总氮污染负荷有明显差异，主要是因为城市不同点位降雨特征不同，引起的地表径流不同，且人为活动、道路交通量等因素也会直接影响污染物的累积，进而影响总氮负荷。 河北农大与南金庄分别代表屋面及道路两种城市典型不透水下垫面，道路径流的总氮污染负荷略高于屋面，屋面径流主要表现为以降尘为代表的大气干沉降的污染物累积过程和降水冲刷过程，而道路径流还会富集交通源、雨污管道源等，且受道路清扫的影响，其表现的总氮径流负荷是受人为活动影响更大的复杂过程。

图1 降雨径流中各点位总氮污染负荷

二、地表径流水质与降雨特征的关系

降雨是将污染物引入地表径流中的载体，雨前干期和降雨量分别通过影响污染物的累积和冲刷过程直接影响城市地表径流污染特征。将监测径流中总氮浓度、总氮污染负荷分别与雨前干期和降雨量进行Pearson 相关性分析，结果表明总氮浓度与雨前干期呈显著正相关（P<0.01），总氮污染负荷与雨前干期呈正相关，总氮浓度与降雨量呈显著负相关（P<0.05），总氮污染负荷与降雨量呈显著正相关（P<0.01）。雨前干期越长，地面沉降的污染物总量越多，降雨形成的径流裹挟这些污染物导致场次降雨径流中的污染物浓度和污染负荷也随之增加。 降雨量大，对地表污染物的冲刷作用大， 场次降雨总氮污染负荷高， 但大量的雨水对地面径流污染物表现为更多的稀释作用， 导致地面径流中总氮污染物浓度较低。

三、地表径流水质与环境空气质量的关系

城市地表径流中污染物的强度往往与大气污染程度有关，降雨过程同时也伴随着雨水对大气的洗淋，大气污染较严重时，空气中悬浮颗粒物较多， 其吸附的各类污染物较多，降雨发生时这些污染物被雨水冲刷至地面从而影响径流中污染物含量。

对地表径流中总氮浓度分别与降雨前5 日空气质量指数及各类空气污染物日均值进行Pearson 相关性分析，结果表明地表径流中总氮浓度与 AQI 及 PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO浓度均呈正相关，其中与NO2浓度呈显著正相关（P<0.01），这表明城市地表径流中总氮浓度受到大气污染物尤其是NO2的影响。 空气中污染物浓度较高时，这些污染物富集在城市地表上空，并通过雨水的冲刷作用转移到地表径流中，进而导致城市地表径流水体中总氮浓度的升高。

四、降雨径流污染负荷预测

根据 SCS 模型及累积-冲刷模型，可通过降雨特征估算保定市城市地表径流污染负荷。

经模型计算， 对测定降雨量、径流量及总氮含量的18 场有效降雨中总氮污染负荷预测值与实测值进行对比（图 2），均方根误差（RMSE）、平均 偏 差 （MBE） 分 别 为 0.0218 及0.0424， 均小于实测数据集均值0.0539，相关系数为0.9423，表明模型具有较好的预测精度，符合保定市城市地表径流现状。

图2 有效降雨中总氮污染负荷预测值与实测值对比

五、结 论

保定市城市地表径流总氮污染负荷中时空差异较大， 总氮浓度为6.066±4.203 mg/L，总氮污染负荷为 0.144±0.132 g/m2， 降雨量、 下垫面、 人为活动都会对其产生一定程度的影响。 城市地表径流总氮浓度与雨前干期呈正相关， 与降雨量呈负相关， 总氮负荷与雨前干期呈正相关， 与降雨量呈显著正相关。 城市地表径流总氮浓度与降雨前5 日空气质量指数与各空气污染物浓度均呈正相关。 累积-冲刷模型对保定市城市地表径流污染负荷有较好的预测精度。