2015, Vol. 36
2. 农业部长江中下游耕地保育重点实验室,武汉 430070
2. Key Laboratory of Arable Land Conservation (Middle and Lower Reaches of Yangtze River), Ministry of Agriculture, Wuhan 430070, China
随着城市化日益加快,不透水下垫面的面积迅速增长,直接增加了城市面源污染的输出负荷.城市化与洪峰形成时间具有线性关系[1],增大了洪峰风险.城市地表径流含有大量的TSS和大肠杆菌[2]、 可溶盐[3]、 营养物[4]、 重金属[5]等污染物,大量研究表明这些物质降雨时被冲刷进入水体,造成严重的水体污染[6, 7].但这些研究成果大多在中心城区展开,城镇地表径流的研究还较为缺乏.国内外一些学者已开展了一些城镇街尘污染研究,街尘中重金属的累积分布[8]、 粒径效应[9]、 重金属污染特性[10]等研究都取得了一定成果,这为城镇地表径流研究提供了良好基础.目前我国中心城区是3.6万 km2,县城的建成镇达1.65万 km2[11],城镇面积还在不断扩大.然而当前城镇建设普遍缺乏规划和管理,城镇地表径流及其造成的污染还未引起足够重视[12],这方面的研究还有待加强.
径流中污染物浓度呈现出前期高后期低的现象,通常称为初期冲刷效应,这对地表径流的污染截流和控制具有重要的意义.许多学者对初期冲刷给出了不同的定量化标准. Deletic[13]建议使用20%径流量携带20%的污染负荷来界定. Fawcett[14]和Bertrand-Krajewskia等[15]分别提出更为严格的20/80、 30/80标准,即初期20%(30%)的径流所携带的污染负荷超过80%时才被认为有初期冲刷的现象存在.Kim等[16]也在之后提出了30/50标准.但到目前为止,初期冲刷的定量标准尚未取得广泛的共识.本文选取重庆市大渡口区建胜镇为研究区域,开展城镇地表径流水质及初期冲刷效果分析,以期为城镇地表径流污染评价和处理提供基础资料. 1 材料与方法 1.1 研究区概况
重庆冬季降雨量少,4、 5月开始大量降雨,6、 7、 8月达到最高,9月降雨开始减少.大渡口地处长江上游,降雨多发生在5~9月,占全年总降雨量的70%左右. 研究区为大渡口建胜镇伏牛溪正街,该区域为典型丘陵峡谷地带,伏牛溪为南北走向,将该区分为东岸、 西岸,东岸沿河道路为支干路,西岸为一重工厂厂区,两岸地形多为丘陵.采样点分别为水泥瓦屋顶(SNW),石棉瓦屋顶(SMW),水泥平屋顶(SPW),居民区水泥路面(JSL),餐饮沥青路面(CLL)、 油库沥青路面(YLL),同时选取了一个合流制溢流渠(HSQ).采样点特征见表 1,采样点位置见图 1.
 | 图 1 建胜镇地表径流采样点位置示意 Fig. 1 Location of rainfall runoff monitoring sites in the Jiansheng town |
 | 表 1 建胜镇地表径流采样点特征 Table 1 Characteristics of sampling sites of urban runoff in the Jiansheng town |
对各下垫面采样点进行适当修葺,并放置带有刻度的采样桶,降雨期间收集径流及记录流量,待降雨结束,混匀采样桶内收集的径流,用500 mL采样瓶迅速带回实验室分析.合流制溢流渠为全过程采样,径流产生后30 min内每5 min采一次,30~60 min每10 min采一次,以后每隔30 min采一次,直至径流结束.在采集径流样的同时,测定合流制溢流渠的流速和水位,以计算流量.降雨数据由采样点附近的自动式雨量计测得.2013年5~9月共收集五场典型降雨,基本特征见表 2.
| 表 2 采样期间降雨特征 Table 2 Characteristics of rainfall events |
径流分析项目有悬浮物(TSS)、 化学需氧量(COD)、 氨氮(NH+4-N)、 硝氮(NO-3-N)、 可溶性总氮(TDN)、 总氮(TN)、 可溶性总磷(TDP)、 总磷(TP)重金属(Cd、 Cr、 Cu、 Ni、 Pb、 Zn)等.所有指标测定都按照国家环境保护局标准[17].采用次降雨径流平均浓度(EMC)来说明一次径流中污染物的平均浓度,EMC为一场降雨径流全过程的瞬时污染物浓度加权平均值[18]. 每次降雨初期30%的径流量所含污染负荷占总污染负荷的比例,记为F(30),本研究根据城镇汇水区排水体制及径流特点,采用30/50标准来评价不同场次降雨污染物的初期冲刷效应[16],即F(30) ≥50%为高初始冲刷. 2 结果与讨论 2.1 不透水地表径流营养性污染物
由图 2可知,各下垫面径流中TSS污染程度依次为:油库沥青路面>餐饮沥青路面>小区水泥路面>水泥平顶屋顶>石棉瓦屋顶>水泥瓦屋顶.油库沥青路面径流污染最为严重,达到(2462.4±915.3)mg ·L-1,主要是油库沥青路面很少清扫,地表累积物较多.另两个路面为人工清扫,且较为频繁,TSS含量大幅下降.水泥平屋顶TSS含量比其他两个屋面高,但整体污染并不严重,平均为(19.8±27.2)mg ·L-1.刘守城等[19]在南京市区的研究表明,水泥屋面径流TSS质量浓度为49.0mg ·L-1,本城镇屋面径流与此相比,TSS污染明显较轻.COD污染程度为:餐饮沥青路面>油库沥青路面>小区水泥路面>石棉瓦屋顶>水泥平屋顶>水泥瓦屋顶.虽然餐饮沥青路面清扫频率较高,但路面依然残留有许多油污,造成径流中COD污染严重,达到(1579.6±733.9)mg ·L-1.各屋面中,水泥瓦屋顶COD最低,为(80.4±63.6)mg ·L-1，原因可能是另两个屋面老化相对严重,导致这两个屋面COD稍高,但本城镇所研究的水泥瓦屋顶COD质量浓度仍比李贺等[20]在上海城区研究的综合屋面要高将近一倍.3个路面径流中氮素主要以溶解态存在,由于餐饮沥青路面散落较多的油污,因而餐饮路面氮的质量浓度最高.袁玲等[21]在重庆近郊区、 远郊区和林区所研究的大气湿沉降的TN平均浓度分别为4.56、 4.32和3.94mg ·L-1,本城镇屋面径流中,水泥瓦屋顶TN为(4.36±2.66)mg ·L-1,石棉瓦屋顶(3.36±2.74)mg ·L-1,水泥平屋顶(3.01±1.54)mg ·L-1,均超过了地表水环境质量标准的Ⅴ类指标,这表明重庆地区大气湿沉降对地表径流中 TN 的贡献比较大,结果与谢继锋等[22] 在合肥城区的研究较为相近.各下垫面氮的形态主要以溶解状态存在,磷主要以颗粒态存在,这与龙剑波等[23]、 王彪等[24]在中心城区径流中研究的氮磷形态分布较相似.油库沥青路面径流磷的质量浓度最高,同时油库沥青路面TSS质量浓度也最高,车流量高明显导致了这两类污染物质量浓度的增加.各下垫面TN,COD浓度超过了地表水环境质量标准的Ⅴ类指标.任玉芬等[25]在北京中心城区的径流研究表明,屋面径流的COD,TN分别超过地表水环境质量标准的Ⅴ类指标3.64和4.8倍,路面径流超过3.73和1.07倍.本研究中屋面径流COD、 TN超过Ⅴ类指标2.51和1.79倍,路面径流则超过28.87和6.04倍.这表明城镇径流可能比中心城区径流污染严重.
 | 图 2 各下垫面污染物EMC值对比 Fig. 2 EMC of pollutants in the each monitoring points |
由表 3可知,所有路面的重金属Ni、 Pb都超过了城镇污水处理厂重金属出水标准,Cu则没有超标.重金属Cd、 Cr和Zn均只有油库沥青路面超标.路面径流的重金属质量浓度均大于屋面径流,各屋面重金属污染水平,除石棉瓦屋顶Cd相对较高外,其余重金属,水泥平屋顶污染水平最高.综合而言,路面重金属污染要比屋面严重得多.小区水泥路面和餐饮沥青路面的交通流量较为接近,而油库沥青路面交通流量远高于这两类路面.小区水泥路面和餐饮沥青路面径流中的6种重金属浓度,都相对较小,污染值也较为接近.但油库沥青路面重金属浓度却普遍比前两类路面高.这说明交通流量增加明显提高了路面径流中重金属含量,主要是交通流量增大使车辆轮胎摩擦、 制动器摩擦和尾气排放次数变多,从而引起径流中重金属污染加重[26, 27].本城镇屋面径流Cd、 Cr、 Cu、 Ni、 Pb、 Zn质量浓度平均为:(3.68±0.68)、 (18.78±0.94)、 (23.78±1.20)、 (6.37±5.19)、 (12.97±3.51)、 (47.01±21.40) μg ·L-1,总体比Gromaire-Mertz等[28]在巴黎市区,张科峰等[29]在南京市区屋面所研究的质量浓度要低.本城镇路面径流Cd、 Cr、 Cu、 Ni、 Pb、 Zn平均(6.83±2.97)、 (91.63±58.28)、 (185.21±110.45)、 (94.85±51.49)、 (174.74±111.32)、 (986.55±566.65)μg ·L-1,则比黄金良等[30]在澳门市区路面所研究的污染水平要高.
| 表 3 不透水地表径流重金属污染物质量浓度 /μg ·L-1 Table 3 Average mass concentration of heavy metal pollutants in runoff of impermeable underlying surface/μg ·L-1 |
由表 4可知五场降雨中,合流制溢流水质差异较大.降雨强度和晴天累积数导致TSS差别较大,平均值达到281.57mg ·L-1,最大值达到828.94 mg ·L-1,COD的平均值达到了231.21 mg ·L-1,总磷平均值达到1.51mg ·L-1.氮素污染物中主要以溶解性氮为主,NH+4-N占49.91%.磷素污染物主要以颗粒态为主,占74.83%.与李立青等[31]在汉阳主城区,李海燕等[32]在北京城区合流制溢流所做研究相比,本城镇合流制溢流中TSS总体污染水平与其相当,但波动性更大.
| 表 4 合流制溢流中污染物EMC值 Table 4 EMC of pollutants in the combined sewer overflow |
从图 3可知,五场降雨中营养性污染物质量浓度峰值出现的时间分别为: 45、 35、 55、 5和30 min左右,营养性污染物变化幅度也较大,主要是每场降雨之间的晴天积累数和降雨强度差异造成的,在达到峰值后,都开始急剧下降,但后期营养性污染物浓度保持相对稳定,这说明汇水区上游旱地和林地中的营养物质开始持续出现在排放口,导致径流营养性污染物浓度仍处于一个较高的水平.五场降雨整个过程中COD、 TSS波动性较大,主要原因是径流开始时管道中附着的污染物及淤积的泥沙冲刷不彻底,随着径流量的加大,附着物及泥沙陆续被冲刷,从而形成不同浓度高峰.五场降雨中,溶解态氮占77.5%±3.0%,大部分氮素以溶解态形式存在.溶解态磷占29.0%±16.3%,颗粒态磷占主导地位.李立青等[33]研究表明,重庆中心城区地表径流溶解态氮素达到88%±5%,溶解态磷仅占到5%±2%,本城镇的研究表明合流制溢流 中溶解态氮、 颗粒态磷比重庆中心城市偏低,但这两者的含量仍然占主导地位.
由表 5可知,前10 min溢流量占总溢流量的
百分比为1.57%±0.83%,前10 min污染负荷占总污染负荷的比值,超过溢流百分比两倍的污染物有: NH+4-N、 TDN、 TN、 TDP、 Ni； 三倍的有: NH+4-N、 TDP、 Ni. 前20 min,超过溢流百分比两倍的污染指标为: NH+4-N、 TDP； 前30 min,超过溢流百分比两倍的污染指标为: NH+4-N、 TDP； 前40 min,超过溢流百分比两倍的指标为: NH+4-N、 TDP.这说明NH+4-N、 TDP在初期溢流中的比例始终较高,为初期溢流的重点控制对象.拦截前期20 min内的溢流,虽然只处理了约5%的溢流量,但能削减NH+4-N、 TDP总量达20%以上.
| 表 5 合流制溢流中前10、 20、 30和40 min的污染负荷占总污染负荷的比例 /% Table 5 Ratios of pollutant load at 10 min,20 min,30 min and 40 min of the whole combined sewer overflow/% |
 | 图 3 五场降雨合流制溢流渠中污染物 质量浓度和流量随时间变化 Fig. 3 Change of pollutants mass concentration and flow of the combined sewer overflow canal in the five rainfall |
五场降雨初期冲刷效应的显著程度见表 6. 从中可知,合流制溢流中大部分污染物都具有初期冲刷效应.但TSS有4场无初期冲刷,这与城镇集水区的特征密切相关.该排洪渠上游为林地和旱地,降雨冲刷带来大量泥沙颗粒物,这部分径流到达排放口的时间较长,后期才会出现.集水区排放口附近密集分布居民区,而上游则分布农田、 林地,是城镇地区常见的土地利用格局,因而TSS的弱初期冲刷现象,也有可能是城镇径流的一个普遍现象.TDP的F(30)均值达到54.1%,其中三场为高初始冲刷,说明TDP具有明显的初始冲刷现象,NO-3-N、 NH+4-N、 TDN、 TN、 TP、 Zn、 Cr、 Ni的F(30)均值分别达到33.2%、 44.6%、 38.8%、 35.8%、 36.5%、 39.9%、 36.3%、 35.2%,都具有一定的初期冲刷. 5月24日、 7月5日、 9月2日,合流制溢流污染物F(30)都比较大,具有明显的初期冲刷效应,主要是这三场降雨的强度和雨量都比其它两场降雨大.马英等[34]和Taebi等[35]的研究结果也表明,降雨强度、 降雨量大,初始冲刷效应最明显. 前言中提到初期冲刷效应,通常还有更为严格的20/80和30/80定量判断标准,如用这样的比值进行判断,本研究区域的溢流事件都未能发生初期冲刷.通常在汇水面积较小、 不透水地表比例较大、 初期降雨强度大等多重条件下,汇水区中的大部分地表累积污染物才能够被径流快速冲刷至排水口,从而达到20/80或30/80的标准.然而,城镇汇水区内通常透水地表较多,汇水面积也较大,因此研究者认为30/50的标准更能准确反映城镇径流冲刷特点,本研究的结果也表明该比值可能更易判断城镇径流的初期冲刷现象.基于上述结果,拦截前期60min左右的溢流,可以处理30%的溢流量,能削减NH+4-N、 TDP分别达到49.98%±7.79%、 58.03%±11.05%,因此在治理重庆城镇合流制溢流时,建议对初期30%溢流所携带的污染负荷量进行进一步的研究.
| 表 6 合流制溢流中各污染物的F(30)值 1)/% Table 6 F(30)values of pollutants in the combined sewer overflow/% |
径流污染物之间的相关性,对径流污染控制具有重要意义. 5场合流制溢流水质指标之间的相关性见表 7和表 8. 从表 7可知,TSS和溢流量,COD,TP有显著的正相关关系,表明这两种物质主要以颗粒物为载体,控制TSS能有效地控制TP和COD.罗专溪等[36]在川中丘陵区村镇研究中也发现TSS和溢流量、 COD、 TP都呈显著正相关关系.NO-3-N和其他指标呈负相关关系,这说明NO-3-N的污染行为不只是地表径流的冲刷,可能有其它类似淋溶过程的存在. NH+4-N 和TP、 TDP、 TN、 TDP之间呈显著正相关关系.
| 表 7 合流制溢流渠营养性污染物Pearson相关性 1) Table 7 Pearson correlation among the nutritional pollutants in the combined sewer overflow canal |
| 表 8 合流制溢流重金属污染物Pearson相关性 Table 8 Pearson correlation among the heavy metal pollutants in the combined sewer overflow |
TSS与6种重金属都具有显著正相关关系(表 8),说明重金属主要以颗粒物为载体.各重金属之间也呈显著正相关关系,其中,Ni和Zn、 Cu和Zn、 Cu和Ni相关系数分别达到0.645、 0.750、 0.821,说明这3种重金属之间具有同源性.甘华阳等[37]的研究也表明,路面径流中的重金属彼此相关性强且都与径流中的TSS明显相关. 3 结论
(1)城镇下垫面径流中,路面的营养性污染物含量普遍高于屋面,餐饮路面污染物含量最高.氮在各下垫面主要以溶解态形式存在,磷主要以颗粒态存在.屋面径流的重金属污染一般较轻,而路面径流的重金属污染较重,油库路面最为严重.
(2)合流制溢流中,TSS、 COD平均值分别为281.57mg ·L-1、 231.21 mg ·L-1,重金属EMC值未超过地表水环境质量Ⅴ类标准.溶解态氮、 颗粒态磷占主导地位,但其占总氮和总磷的比值低于中心城区径流的比值.
(3)通过初期30%径流所携带营养性污染物负荷的分析,表明大部分合流制溢流事件携带量高于50%,具有初期冲刷效应,而TSS的初期冲刷效应较弱.
(4)合流制溢流污染物相关性分析表明,COD、 TP与TSS都具有显著正相关关系,NH+4-N和TP、 TDP、 TN、 TDP之间呈显著正相关关系,NO-3-N和其他指标都呈负相关关系.
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