城市地表径流面源污染分析研究——以武汉市典型下垫面为例*

万帆 甄伟,2 吴海涛, 黄浩 齐同湘 刘立

(1.武汉市规划设计有限公司 武汉430014; 2.武汉智悦水生态科技有限公司 武汉430014;3.华中科技大学环境科学与工程学院 武汉430074; 4.中钢集团天澄环保科技股份有限公司 武汉 430205)

0 引言

随着水环境污染治理力度不断加强，我国水环境质量状况得到整体改善。随着污水处理工艺的革新和管理水平的升级，以工业废水排放为代表的点源污染已经得到有效控制[1]。近年来伴随城市规模扩张和人口聚集增长，城镇污水处理厂的新增、扩容以及提标改造工程有效控制了城镇生活污水排放造成的水环境污染[2-3]。城镇防汛排涝标准的提升通常配套了河湖清淤疏浚工程，河湖底泥释放内源污染此时也被协同控制；水生态修复工程的兴起保护了河湖水生态系统的多样性[4-5]。然而，因对降雨产生的地表径流面源污染缺乏有效的控制措施，其对城市调蓄型湖泊的水质产生了严重污染[6]。

影响地表径流面源污染的因素是多元的，FIDAL J等[7]开展了下垫面土壤组分对地表径流污染的影响研究；DARVINI G等[8]探讨了气候条件以及人类活动对意大利中南部地区地表径流污染的影响；HU D等[9]以西安市为例开展了中国西北半干旱区降雨径流污染特征及其驱动因素研究；LIU Z F等[10]开展了青藏高原地区的径流情况对亚洲大河的贡献及影响研究。针对复杂多变的地表径流面源污染现状，国内外学者从多维角度开展了相关的控制工程措施研究。SCS水文模型被用于重庆市主城区土地利用变化对地表径流的影响分析研究，结果显示，可通过优化土地利用结构及空间分布控制地表径流带来的面源污染[11]。苏州市新建城区的下垫面径流冲刷污染物分析结果显示，居住区、商业区、公建区的总污染负荷占比最高，是城市水环境治理的工作重点[12]。针对太湖流域典型城市常州和城镇沙家浜主干道路径流污染特征的研究结果显示，精准控制春、夏季的道路面源污染可有效遏制总径流污染量[13]。

武汉市地处我国中南部地区，气候湿润，降雨充沛，拥有丰富的河湖淡水资源，针对武汉城市湖泊的保护利用问题研究由来已久[14]。针对点源污染，现阶段武汉市中心城区的污水系统已经趋于完善，大中型工业园区逐渐从中心城区疏散到新城区[15-16]。但是仍有部分湖泊无法达到城市景观湖泊IV类水质要求，尤其是兼有排涝功能的城市景观湖泊，水质达标率相对更低[17]。武汉市大部分湖泊的入湖污染物来源解析结果显示，地表径流面源污染已经成为影响湖泊水质达标的重要因素[18]。鉴于此，本文以武汉市南湖和墨水湖流域为例，选取流域范围内道路、绿地和屋面3种典型下垫面，开展汛期和非汛期的地表径流面源污染特征研究，分析归纳3种典型污染物的浓度变化趋势，以期为武汉市以及同类型城市的地表径流面源污染治理提供参考。

1 实验研究方法

1.1 监测布点

本研究选取屋面、道路和绿地3种典型下垫面，开展降雨造成的地表径流污染特征研究。屋面径流污染的监测包含了新住宅屋面(墨水湖屋面5和南湖屋面5)及老旧小区屋面(南湖屋面6)。道路径流污染的监测包含了复杂路况道路(墨水湖道路1和南湖道路2)和单一路况道路(墨水湖道路2和南湖道路1)。绿地径流污染的监测包含了公园绿地(墨水湖绿地4和南湖绿地3)及公服绿地(墨水湖绿地3和南湖绿地4)。具体径流污染特征监测点位如图1所示。

图1 典型下垫面地表径流污染监测点位

1.2 监测方法

本研究在武汉市的汛期和非汛期分别开展典型下垫面的地表径流污染特征监测分析。水质监测指标主要包括COD、氨氮和总磷。地表径流水质监测取样频次为自降雨产生径流开始，前30 min内每5 min取样一次，30 min至60 min内每10 min取样一次，60 min之后每30 min取样一次，直至径流消失。研究分别在汛期(2020年8月10日)和非汛期(2021年3月26日)开展因降雨造成的屋面、道路和绿地3种典型下垫面的地表径流污染监测，小时降雨强度分布如图2所示。

(a)汛期

2 结果与讨论

2.1 不同类型下垫面地表径流污染特征分析

对道路、绿地和屋面3种不同类型下垫面的地表径流中COD、NH3—N和TP进行监测分析，结果如图3所示。其中，道路、绿地和屋面3种下垫面的COD随降雨时间变化情况如图3(a)所示。道路下垫面的COD峰值为115.3 mg/L，出现在降雨开始之后的20 min；降雨进行到40 min后COD随时间推移稳步下降，120 min时COD降至最低为15.5 mg/L；全过程道路下垫面的COD均值为46.4 mg/L。屋面下垫面的COD变化特征与道路相似，屋面下垫面的COD峰值为112.5 mg/L，同样出现在降雨开始之后的20 min；降雨进行到40 min后COD随时间推移快速下降，120 min时COD降至最低为11.5 mg/L；全过程屋面下垫面的COD均值为40.7 mg/L。绿地表现出与道路和屋面完全不同的变化趋势，绿地下垫面的COD在降雨全过程并未出现明显的初雨效应，COD变化范围为27.2～49.9 mg/L。

(a)COD

对比图3(a)、图3(b)和图3(c)可知，3种下垫面的NH3—N和TP变化趋势表现出了与COD相似的规律。道路下垫面的NH3—N变化范围为0.65～4.12 mg/L，TP为0.09～0.55 mg/L；屋面的NH3—N变化范围为0.73～4.93 mg/L，TP为0.06～0.54 mg/L；绿地的NH3—N变化范围为1.04～2.59 mg/L，TP为0.14～0.28 mg/L。道路和屋面的3种污染物浓度都在降雨开始之后的20 min左右达到峰值，40 min以后逐渐下降至趋于稳定。出现这种现象的主要原因是因为道路和屋面下垫面以非透水铺装为主，在降雨的初始时期，雨水裹挟大气中的颗粒物一并下降，使得初期雨水的污染物浓度出现一定程度的上升；降至地面冲刷下垫面之后，地面的粉尘和其他固体废弃物溶入到地表径流中，使得污染物浓度出现大幅上升；一段时间之后，下垫面被初雨冲刷得相对干净，因而40 min之后的地表径流中污染物的浓度相对较低。而绿地下垫面在降雨全过程并未出现明显的污染物浓度先快速上升后下降的过程，这主要是因为绿地公园下垫面的透水率相对较高，不仅可以对地表径流水量进行削峰，同时也可以对污染物浓度进行削峰。

2.2 汛期与非汛期地表径流污染特征分析

对武汉市汛期和非汛期两种不同时期下的地表径流中COD、NH3—N和TP进行监测分析，结果如图4所示。其中，汛期和非汛期的COD随降雨时间变化情况如图4(a)所示。汛期的COD峰值为116.2 mg/L，出现在降雨开始之后的20 min；降雨进行到40 min后COD随时间推移稳步下降，60 min时COD降至最低为16.3 mg/L，此后一直在15～20 mg/L之间变化；汛期降雨全过程的COD均值为43.8 mg/L。非汛期的COD峰值为69.0 mg/L，同样出现在降雨开始之后的20 min；降雨进行到50 min后COD随时间推移稳步下降，120 min时COD降至最低为17.8 mg/L；非汛期降雨全过程的COD均值为38.9 mg/L。TP表现出和COD相似的浓度变化趋势，具体情况如图4(c)所示，汛期降雨全过程TP的变化范围为0.09～0.55 mg/L，汛期的TP均值为0.21 mg/L；非汛期降雨全过程TP的变化范围为0.10～0.36 mg/L，非汛期的TP均值为0.20 mg/L。NH3—N在汛期和非汛期随降雨时间变化趋势与COD和TP相似，具体变化情况如图4(b)所示，其主要差异性体现在COD和TP的均值都是汛期较高，而NH3—N是非汛期较高。

(a)COD (b)NH3—N (c)TP

对比COD、NH3—N和TP在汛期和非汛期两种不同时期下的污染物浓度特征，可以得出汛期的初雨污染情况更为突出。主要表现为汛期时地表径流中的污染物浓度在降雨前20 min内快速上升，之后迅速下降，40 min时下降至最低值，之后便趋于平稳；而非汛期地表径流中的污染物浓度随降雨时间先逐渐上升后逐渐下降，其污染物浓度上升和下降速率都远低于汛期。出现这种现象主要与武汉市汛期和非汛期的雨形和雨量有密切关系，汛期的大部分降雨都具有历时短、雨量大的特征，而非汛期的大部分降雨呈现出历时长、雨量小的特征，如图2所示。因此，通常情况下汛期的降雨更容易在前期冲刷大量污染物，导致前期浓度明显高于非汛期。

2.3 南湖与墨水湖流域地表径流污染特征分析

对武汉市南湖和墨水湖两个不同流域的地表径流中COD、NH3—N和TP进行监测分析，结果如图5所示。

(a)COD (b)NH3—N (c)TP

武汉市南湖和墨水湖流域内地表径流中COD随降雨时间变化情况如图5(a)所示。南湖流域地表径流中COD的变化范围为29.0～136.4 mg/L，峰值出现在降雨开始后的20 min，降雨全过程的COD均值为61.8 mg/L；墨水湖流域地表径流中COD的变化范围为7.1～48.8 mg/L，峰值同样出现在降雨开始后的20 min，降雨全过程的COD均值为20.8 mg/L。图5(b)中显示，南湖流域地表径流中NH3—N的变化范围为0.95～4.12 mg/L，降雨全过程的NH3—N均值为2.03 mg/L；墨水湖流域地表径流中NH3—N的变化范围为0.67～3.65 mg/L，降雨全过程的NH3—N均值为1.63 mg/L。图5(c)中显示，南湖流域地表径流中TP的变化范围为0.13～0.60 mg/L，降雨全过程的TP均值为0.27 mg/L；墨水湖流域地表径流中TP的变化范围为0.06～0.32 mg/L，降雨全过程的TP均值为0.14 mg/L。

对比分析COD、NH3—N和TP在武汉市南湖和墨水湖流域的污染物浓度特征可以得出，南湖流域内的地表径流污染物浓度整体高于墨水湖流域。南湖流域的COD和TP明显高于墨水湖流域，NH3—N略高于墨水湖流域。出现这种现象主要是与南湖和墨水湖流域的城市化水平、人口增长水平、人口密度分布、环保监管力度等因素有密切关联。南湖和墨水湖流域范围的建设情况分别如图6(a)和图6(c)所示，人口分布情况分别如图6(b)和图6(d)所示。南湖流域范围内的建设强度高于墨水湖流域，同时南湖流域范围内的常住人口(55.07万人)也明显多于墨水湖流域(24.62万人)。综合原因导致南湖流域范围内的地表径流污染明显高于墨水湖流域。

(a)南湖流域建设状况

3 结论

在地表径流面源污染逐渐成为影响城市河湖水质的主要污染源的背景下，本文通过在武汉市墨水湖和南湖流域范围内开展道路、绿地和屋面3种典型下垫面的地表径流面源污染特征分析，分别探索研究了汛期和非汛期情况下COD、NH3—N和TP的变化情况，主要得出以下结论：

(1)道路下垫面面源污染监测结果显示，COD可达115.3 mg/L，NH3—N最高为4.12 mg/L，TP为0.55 mg/L；屋面面源污染监测结果显示，COD峰值为112.5 mg/L，NH3—N最高为4.93 mg/L，TP可达0.54 mg/L；绿地面源污染监测结果显示，COD最高为49.9 mg/L，NH3—N为2.59 mg/L，TP为0.28 mg/L。

(2)道路和屋面径流污染表现出相似的特征，污染物浓度呈现出降雨后20 min内快速上升、之后快速下降的趋势，绿地径流污染物浓度变化则相对缓和，绿地公园对径流污染物浓度表现出较好的削峰效果。

(3)汛期地表径流污染物浓度均值高于非汛期，且整个降雨过程中污染物浓度上升和下降的速率都远高于非汛期，这主要是因为武汉市汛期的降雨具有历时短、雨量大的特征，而非汛期的降雨则呈现出历时长、雨量小的特征。

(4)南湖流域范围内的地表径流污染明显高于墨水湖流域，主要是因为南湖流域范围内城市化建设水平高于墨水湖流域，同时南湖流域范围内的常住人口也明显多于墨水湖流域。